Synthesis, Characterization and Physical/Chemical Properties Of
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Synthesis, characterization and physical/chemical properties of polyoxometalate-based materials Zur Erlangung des akademischen Grades eines DOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTEN (Dr. rer. nat.) von der KIT-Fakultät für Chemie und Biowissenschaften des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) genehmigte Dissertation von M.Sc. Marcel Patrick Merkel aus Mannheim-Neckarau, Deutschland Karlsruhe, 2019 KIT-Dekan: Prof. Dr. Reinhard Fischer Referent: Prof. Dr. Annie Powell Korreferent: Prof. Dr. Peter Roesky Tag der mündlichen Prüfung: 26. Juli 2019 Für meine Familie und meine Freundin Dr. Krisana Peewasan Acknowledgements This thesis was carried out from October 2015 to June 2019 at the Institute for Inorganic Chemistry at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) under supervision of Prof. Dr. Annie K. Powell. First of all I would like to thank Prof. Dr. Annie K. Powell for giving me the opportunity to do my PhD study in a comfortable and very welcoming atmosphere in her working group. Additionally, I would like to thank her for a very kindness, excellent support and interesting topic. In addition, I would like to thank deeply from my heart to all: - Dr. Masooma Ibrahim: for the many tips and suggestions and the wonderful support that I was allowed to enjoy during the time of this study. - Gertraud Amschlinger: for her kindness and cozy atmosphere and for every help I got. - Dr. Christopher Anson: for solving and refining my single crystal X-ray structures and nice conversations. - Dr. Olaf Fuhr and Prof. Dr. Dieter Fenske: for measuring single crystals and nice conversations. - Dr. Andreas Eichhöfer: for the introductions to single crystal X-ray diffractometers, powder X-ray diffractometer and for every help I received from him. - Sven Stahl: for introduction in NMR-spectrometer, for ordering all chemicals, measuring all the elemental analyses and for every help. - My colleagues: Dr. Nicolas Leblanc, Dr. Sebastian Schmidt, Dr. Yan Peng, Dr. Markus Schroth, Lena Friedrich, Anthony Carter, Hagen Kämmerer, Thomas Ruppert, Rouven Pfleger and Umaira Shuaib: for every kind conversation, help with reactions and cozy atmosphere. - Cooperation Partners: Dr. George E. Kostakis, Dr. Mbomekalle Israël, Prof. Dr. Pedro De Oliveira and Dr. Ying-Chu Chen.. - My lovely family and friends: Especially to my parents Christoph and Gabrielle Merkel, my brother Dr. Marcus Merkel, my aunt Renate Ott, my uncle Thomas Ott and my grandparents Anna and Joachim Prudlik and Josef and Elfriede Cebulla: for supporting me and being always there for me. My dear girlfriend: Dr. Krisana Peewasan: for every support and every help I got from her. Annotation : The ions shown in the figures are not to scale. Organic hydrogen atoms, as well as solvent molecules are often not shown for clarity. The numerical values such as bond lengths and angles are given in standard deviation. This is in parentheses after each value and refers to the last digit. The lengths are given in Angstroms, where 1 Å = 1.10-10 m. The abbreviation TM stands for transition metals in low oxidation state. SUMMARY Polyoxometalate based metal organic frameworks (POMOFs) can be regarded in general terms as frameworks containing Polyoxometalates (POMs). Here, we can identify three distinct categories: (a) POMs occupying the cavities of a metal organic framework (MOF) structure (POM@MOF), (b) POMs used as secondary building units (SBUs) in the network and (c) POMs as part of the linker of the framework. For this research presented in this thesis, it was decided to concentrate on the barely explored area (c). Furthermore, it seemed a useful strategy to compare combining metals from the d series (TM = Cu, Zn, Cd, Mn, Mo) with rare earth metal ions (RE = Y, La – Lu). The first stage of the exploration was to develop suitable L – POM – L linkers, where L is a Tris-functionalized ((OHCH 2)3CNH 2) unit and POM is the Anderson- Evans POM. This Polyanion was chosen because it provides three octahedrally arranged coordination sites above and below the central plane, which can be occupied by three hydroxyl groups of a Tris ligand. This Tris-ligand can be functionalized at the amine group using suitable N-R forming reagents, such as R’HC=O, R’HC-X (X = Cl, Br) and R’COCl. R was chosen such the terminus T func provides a coordinating group for a TM or RE nodes. T func can be for example N py , OCOO , N C≡N, etc. In this way L – POM – L linkers were formed. Two of these L – POM – Ls proved to be particularly successful for producing transition metal based POMOFs, where the functional group is pyridyl and RE based POMOFs, where the functional group is carboxylate. These could be characterized using single crystal X-ray diffraction, which is important in this field since we ultimately should be able to relate the functionality to topology. In this context optical properties such as bandgap, UV-vis and Fourier Transform Infrared (FT-IR) Spectroscopy were investigated. The highlight within the TM-based series was the activity of [N(n-C4H9)4]5[CuCl(DMF){MnMo 6O18 ((OCH 2)3CN=CH 3 (4-C5H4N)) 2}2]⋅3DMF (13) for the A -Coupling without the need for inert conditions. For the RE-series the Dy based compound [Dy(DMF) 4(H 2O)] 2[Dy 3 I (DMF) 6][((MnMo 6O18 )((OCH 2)3CNHCH 2(C6H4)COO)2]3·5DMF (12) -Dy proved to be the most versatile. Finally, a completely new topology was discovered for compound [Zn(DMF) 4][Zn(DMF) 2MnMo 6O18 {(OCH 2)3CN=CH(4-C5H4N)} 2]2 ⋅10DMF (14A) and interestingly the synthesis for this compound has a bifurcation in terms of topology since the equally abundant component [(Zn(DMF) 3)2(Zn(DMF) 4MnMo 6O18 {(OCH 2)3CN=CH(4-C5H4N)} 2)2]⋅9DMF (14B) of the reaction has a completely different topologically structure. II Zusammenfassung Polyoxometallat-basierte Metall organische Netzwerke (POMOFs) können allgemein als Netzwerke angesehen werden, welche Polyoxometallate (POMs) beinhalten. Hier lassen sich drei Kategorien unterscheiden: (a) POMs, welche die Hohlräume einer Metal organic framework (MOF)-Struktur belegen (POM@MOF), (b) POMs, die als Sekundary Building Units (SBUs) im Netzwerk verwendet werden und (c) POMs, die als Teil des Linkers des Frameworks genutzt werden. In der vorgestellten Arbeit wurden die POMOFs der Kategorie (c) untersucht. Darüber hinaus wurde die Kombination aus Metallen der d - Reihe (TM = Cu, Zn, Cd, Mn, Mo) mit Seltenerdmetallionen (RE = Y, La - Lu) verglichen. Im ersten Teil der Forschungsarbeit wurden L-POM-L-Linker entwickelt, wobei L eine Tris-funktionalisierte ((OHCH 2)3CNH 2) Einheit und POM das Anderson- Evans-Polyanion ist. Dieses Polyanion weist drei oktaedrisch angeordnete Koordinationsstellen oberhalb und unterhalb der zentralen Ebene auf, die von drei Hydroxylgruppen eines Tris - Liganden besetzt werden können. Dieser Tris-Ligand kann an der Aminogruppe unter Verwendung geeigneter N-R-bildender Reagenzien wie R’HC = O, R’HC-X (X = Cl, Br) und R’COCl funktionalisiert werden. R wurde so gewählt, dass der Terminus T func eine koordinierende Gruppe für einen TM- oder RE-Knotenpunkt bereitstellt. T func kann beispielsweise N py , OCOO , N C≡N usw. sein. Auf diese Weise wurden L-POM-L-Linker gebildet. Zwei dieser L-POM-Ls erwiesen sich als besonders erfolgreich für die Herstellung von übergangsmetallbasierten POMOFs, mit Pyridylgruppen als funktionelle Gruppen und RE-basierte POMOFs, bei denen die funktionelle Gruppen Carboxylate sind. Diese konnten mittels Einkristall-Röntgenstrukturanalyse charakterisiert werden, womit die Funktionalität mit der Topologie in Beziehung gesetzt werden konnte. In diesem Zusammenhang wurden optische Eigenschaften wie Bandlücken, UV-Vis- und Fourier-Transformierte-Infrarot- (FT-IR-) Spektroskopie untersucht. Das Highlight innerhalb der TM-basierten Reihe war die Aktivität von III [N( n-C4H9)4]5[CuCl(DMF){MnMo 6O18 ((OCH 2)3CN=CH (4-C5H4N)) 2}2]⋅3DMF (13) für A 3-Kupplungsreaktionen ohne Luftausschluss. Für die RE-Reihe erwies sich die auf Dy basierende Verbindung [Dy(DMF) 4(H 2O)] 2[Dy 3 (DMF) 6][((MnMo 6O18 )((OCH 2)3CNHCH 2(C 6H4)COO) 2]3·5DMF (12) -Dy als die vielseitigste. Schließlich wurde für eine weitere Verbindung [Zn(DMF) 4] [Zn(DMF) 2MnMo 6O18 {(OCH 2)3CN=CH(4-C5H4N)} 2]2 ⋅10DMF (14A) eine völlig neue Topologie entdeckt. Interessanterweise weist die Synthese für diese Verbindung eine Bifurkation in Bezug auf die Topologie auf, da die ebenso häufig vorkommende Komponente [(Zn(DMF) 3)2(Zn(DMF) 4MnMo 6O18 {(OCH 2)3 CN=CH(4-C5H4N)} 2)2]⋅9DMF (14B) der Reaktion eine völlig andere topologische Struktur aufweist. IV Table of Contents 1 Historical Background 7 2 Motivation and Objective 9 3 Introduction 11 3.1 Polyoxometalates ................................................................................. 11 3.1.1 Classification of POMs ......................................................................... 13 3.1.2 Isomers of polyoxometalates ................................................................. 23 3.1.3 Lacunary derivatives of polyanions ...................................................... 25 3.2 Metal-Organic Frameworks (MOFs) ................................................ 27 3.2.1 Primary Buildings Units (PBUs) ........................................................... 28 3.2.2 Linkers for MOFs .................................................................................. 28 3.2.3 Secondary Building Units (SBUs) ........................................................ 30 3.2.4 Topological consideration of MOFs ..................................................... 31 3.2.5 Crystal-to-crystal (CTC) (topotactic) transformation