Endbericht deutsch

Das Forschungsprojekt Polygermaniumchemie befasste sich mit einer Reihe unterschiedlicher Aspekte von Germanium (Ge), welches im Periodensystem der Elemente zwischen Silicium und Zinn steht. Es ist daher ein guter Halbleiter, wegen seiner geringeren Häufigkeit ist es jedoch viel schlechter untersucht.
Der erste Projektteilbereich befasste sich mit molekularen Ketten die aus Germaniumatomen bestehen. Solche Verbindungen kann man als molekulare Drähte interpretieren. Ihre Synthese ist jedoch anspruchsvoll und unsere Untersuchungen befassten sich vornehmlich mit der Herstellung von Bausteinen die zu größeren Strukturen verknüpft werden können. Ein wichtiger Aspekt dieser Synthesen ist, dass die Leitfähigkeit in solchen Molekülen nur bei bestimmten räumlichen Orientierungen der Kette gegeben ist. Diese Eigenschaft könnte man nutzen um durch Bewegung der Molekularstruktur einen molekularen Schalter zu konstruieren. Ein weiterer Projektbereich befasste sich ebenfalls mit den Halbleiteraspekten von Germanium. Durch Zersetzung kleiner Moleküle mit Ge-Ge Bindungen in Gegenwart von Indium-Nanoteilchen gelang die Synthese von Germanium-Nanodrähten mit einer Indiumspitze. Solche Materialien sind technologisch interessant unter anderem als Elektrodenmaterialien in Lithium-Ionenakkus.
Der größte Teilbereich des Projekts war Verbindungen des zweiwertigen Germaniums gewidmet. Obwohl Germanium für gewöhnlich in Verbindungen mit vier Bindungen (tetravalent) vorkommt, ist es möglich auch zweiwertige (divalente) Verbindungen zu erhalten. Diese sind sehr reaktiv, besitzen aber eine Reihe interessanter Eigenschaften. Insbesondere zeigen sie ein Reaktionsmuster, welches sonst nur die Elemente der Übergangsmetalle zeigen. Letztere fungieren typischerweise als Katalysatoren in unzähligen synthetisch interessanten Reaktionen. Um die Eigenschaften der divalenten Germaniumverbindungen zu studieren, ist es erforderlich sie zu stabilisieren, damit sie nicht mit sich selbst reagieren. Dies gelang durch Zugabe von geeigneten Basen, welche mit ihnen eine schwache Wechselwirkung eingehen. Bei Zugabe bestimmter Reagentien verdrängen diese die Base und die Germaniumverbindung reagiert wie ein Metall. Diese Eigenschaft birgt in sich die Hoffnung, dass durch maßgeschneiderte Synthese metallfreie katalytisch aktive Verbindungen entstehen, welche als Alternative oder Ergänzung zu den gängigen metallbasierten Katalysatoren gesehen werden können.
Als Erweiterung des gerade beschriebenen Teils wurden Untersuchungen durchgeführt, bei denen divalente Germaniumverbindungen mit Metallen reagieren. Der Hauptgrund für die ungewöhnliche Reaktivität dieser Germaniumverbindungen liegt in ihren sowohl sauren wie auch basischen Eigenschaften. Damit können sie Bindungen zu elektronenreichen Substanzen wie Alkinen aber auch zu elektronenarmen Metallionen eingehen. Wie sich damit die Reaktivität von Metallkomplexen beeinflussen lässt, ist eine spannende Frage.

Endbericht englisch

The research project polygermanium chemistry dealt with a number of different aspects of germanium (Ge), which in the periodic table of the elements (PSE) is located between silicon and tin. It is, therefore, a good semiconductor, because of its lower abundance, however, it has been studied to a much smaller extent.
The first project part was concerned with molecular chains consisting of germanium atoms. Such compounds can be regarded as molecular wires. However, their synthesis is challenging. Our synthetic studies were concerned with the preparation of building blocks that can be linked to form larger structures. An important aspect of this synthesis is that conductivity in these molecules along the main chain is only given for certain spatial orientations. This property might be used to construct a molecular switching device. Another part of the project also dealt with the semiconductor aspects of germanium. By decomposition of small molecules with Ge-Ge bonds in the presence of indium nano-particles germanium nanowires were obtained with a terminal indium tip. Such materials are of technological interest, among others, as electrode materials in lithium ion batteries.
The arguably largest part of the project was devoted to compounds of divalent germanium. Although germanium usually occurs in compounds possessing four bonds (tetravalent), it is possible to obtain also divalent compounds. These are very reactive but possess a number of interesting properties. In particular, they show a pattern of reactivity which otherwise only the elements of the transition metals exhibit. The latter typically act as catalysts in countless synthetically interesting reactions. In order to study the properties of the divalent germanium compounds, it is necessary to stabilize them so they will not react with itself. This could be achieved by addition of suitable bases, which engage in a weak interaction with them. The addition of certain reagents displaces the base and the germanium compounds exhibit reactivity pattern similar to transition metals. This property holds in the promise that by custom synthesis metal-free catalytically active compounds can be created, which might be regarded as alternatives or supplements to conventional metal-based catalysts.
As an extension of the area just described, experiments were performed in which divalent germanium compounds react with metals. The main reason for the unusual properties of the divalent germanium compounds is their ability to act both as an acid and as a base. This way they can form bonds with electron rich compounds such as alkynes as well as with electron poor compounds such as metal ions. How this can be used to manipulate the reactivity of metal complexes is one of the exciting questions that need to be addressed.