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Bor-haltige Bausteine für molekulare Nanostrukturen

In der Gasabscheidung und -speicherung werden seit einiger Zeit eine Reihe komplexer poröser chemischer Strukturen eingesetzt. Wissenschaftler entwickelten nun eine neue Klasse von Bausteinen für die Synthese dieser Strukturen und demonstrierten deren Anwendbarkeit.
Bor-haltige Bausteine für molekulare Nanostrukturen
Größeren porösen Strukturen kommt inzwischen eine Schlüsselposition in vielen industriellen Anwendungen zu, etwa supramolekularen Entitäten, die aus zwei oder mehreren Molekülen und metallischen organischen Gerüsten (metal organic frameworks, MOF) aufgebaut sind. MOF sind dreidimensionale gitterartige Netzwerke, bestehend aus metallischen Knotenpunkten und organischen Linkern, die mit großen Zwischenräumen angeordnet sind. Für die Synthese dieser supramolekularen Strukturen werden bestimmte Bausteine benötigt, etwa organische Makrozyklen oder Container. Makrozyklen sind Verbindungen aus sehr großen ringförmigen Strukturen.

Die Poren, die aus Makrozyklen oder Containern gebildet werden, können zugänglich gemacht werden, indem Gastmoleküle (Lösungsmittel und selbstassemblierende 2D- und 3D-Polymernetzwerke) entfernt werden. Klassische Ansätze der Synthese verwenden Übergangsmetalle. Im Rahmen des Projekts BOROMAT sollten neue Klassen dieser Bausteine konzipiert und hergestellt werden, die Bor (B) und andere leichte chemische Elemente enthalten. Deren Dichte ist weitaus niedriger als die der Übergangsmetalle, was nahe liegende Vorteile für Anwendungen wie die Gasspeicherung hat.

Synthetisiert wurden neue organische Makrozyklen bestehend aus funktionalisierten Bor-Siloxanringen, die anschließend als Bausteine für komplexere Strukturen in Polykondensationsreaktionen dienen. Weiterhin wurden Makrozyklen mittels mechanochemischer Synthese hergestellt, die eine bessere Ausbeute ergibt als mit herkömmlichen lösungsmittelbasierten Methoden. Die mechanochemische Synthese ist eine neue Methode zur Beschleunigung chemischer Reaktionen, bei der die Vermahlung in einer Kugelmühle lösungsmittelfrei erfolgt.

Bor-haltige Strukturen wie Chelatliganden binden an ein Metallion (Clathrochelat-Komplexe), die als äußerst stabile und effektive Bausteine für supramolekulare Strukturen und MOF eingesetzt werden können. Hergestellt wurden neue Ligandeneinheiten basierend auf Pyridin-Borsäure, die als einzigartige Eigenschaft eine negative (anionische) Ladung besitzen. Zusammen mit den Metallionen wurden sie für die Selbstassemblierung supramolekularer Strukturen eingesetzt.

Zum Projektabschluss wurde die erfolgreiche Synthese von Bor-Makromolekülen und anderen Strukturen demonstriert, die durch Selbstassemblierung mehrerer Komponenten über die Kondensation von Borsäuren mit anderen Molekülen entstanden sind. BOROMAT demonstrierte die Machbarkeit der Synthese supramolekularer Strukturen in praktisch bedeutsamen Ausbeuten, insbesondere Bor-haltiger poröser Strukturen, die bei der Gasspeicherung eingesetzt werden können.

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