TY  - THES
A1  - Fischer, Kathrin Helena
T1  - Analyse der chemischen Reaktionen ungesättigter Verbindungen mit FEL- und Synchrotronstrahlung
T1  - Analysis of chemical reactions of unsaturated compounds with FEL and synchrotron radiation
N2  - Brilliante Strahlungsquellen werden heute vielfach in der Forschung eingesetzt um Kristallstrukturen, Oberflächeneigenschaften oder Reaktionen zu untersuchen. Als Strahlungsquellen werden dafür bevorzugt Freie Elektronenlaser (FEL) oder Synchrotrons eingesetzt, da sie über weite Bereiche durchstimmbar sind und einen hohen Photonenfluss bereitstellen. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation werden beide Lichtquellen verwendet um einerseits Isomere von Kohlenwasserstoffradikalen zu identifizieren und andererseits das Verhalten von Borylen und ungesättigten Verbindungen bei Photoionisation zu dokumentieren. Als erstes Experiment am FEL wurde ein IR-Spektrum von gasförmigen Allylradikalen aufgenommen. Das Allyl war ein Testlauf, da es als Kohlenwasserstoffradikal mit einer kleinen Dipolmomentänderung ein gutes Beispiel für ähnliche Verbindungen ist. Trotz der kleinen Änderung des Dipolmoments und der geringen Teilchendichte der Radikale in der Gasphase konnte ein gutes IR-Spektrum mit der IR-UV-Doppelresonanzmethode aufgenommen werden und die beobachteten Banden mit der Literatur zugeordnet werden. Das 3-Trifluoromethyl-3-Phenyl-carben (TFPC) wurde pyrolytisch aus 3-Trifluoromethyl-3-Phenyl-diazirin erzeugt. Dabei kam es beim Großteil der Carbene zu einer Umlagerung zu Trifluorstyrol. Neben dem Hauptprodukt Trifluorstyrol wurde das Triplett TFPC als Nebenprodukt identifiziert. Zusätzlich wurden die Isomerisierungsbarrieren für den Triplett- und Singulett-Übergangszustand berechnet. Die Radikale 1-Phenylpropargyl und 3-Phenylpropargyl sind anhand ihrer IR-Spektren unterscheidbar und lagern sich nicht ineinander oder in Indenyl um. Ausgehend von beiden Radikalen bilden sich die identischen Dimerisierungsprodukte im Massenkanal m/z = 230 (p-Terphenyl) und 228 (1-Phenylethinylnaphthalin (1PEN)). Außergewöhnlich war die Exklusivität dieser Produkte. Somit müssen deren Reaktionsmechanismen kinetisch viel schneller sein. Die Massen m/z = 230 und 228 waren bereits aus einer massenspektrometrischen Studie ausgehend von Benzol und Ethin bekannt, in der ihre Struktur jedoch nicht geklärt wurde. Somit müssen die gefundenen Dimerisierungsprodukte p-Terphenyl und 1PEN wichtige Intermediate bei der Entstehung von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) und Ruß sein. Von gasförmigen NTCDA wurde mittels der TPEPICO-Methode am Synchrotron Schwellenphotoelektronenspektren aufgenommen. Dabei konnte die adiabatische Ionisierungsenergie (IE(ad)) zu 9.66 eV bestimmt werden. Weiterhin wurden noch fünf angeregte Zustände beobachtet, die mittels quantenmechanischer Berechnungen zugeordnet wurden. Es wurde die Photoionisation des Cycloheptatrienradikals (Tropyl) untersucht. Dabei wurde die erste Bande bei 6.23 eV der IE(ad) zugeordnet. Mit einer Franck-Condon Simulation wurden die beiden Schwingungsprogressionen einer CC-Streckschwingung (ν16+) und einer Kombination aus einer Ringatmung (ν2+) und ν16+ zugeordnet. Der erste Triplett- und Singulettzustand des angeregten Tropylkations konnte in Übereinstimmung mit der Literatur zugeordnet werden. Eine Schulter bei 9.85 eV und die intensivste Bande bei 11.6 eV konnten nicht eindeutig interpretiert werden. Neben dem Tropyl erscheint bei etwa 10.55 eV sein dissoziatives Zersetzungsprodukt, das Cyclopentadienylkation. Die IE(ad) des Borylenkomplex [(CO)5CrBN(SiMe3)2] wurde zu 7.1 eV bestimmt. Mit steigender Photonenenergie wurden alle CO-Liganden sequenziell abgespalten, während der Borligand auch bei 15 eV noch nicht dissoziierte. Von den fünf abgespaltenen CO-Liganden konnte die Auftrittsenergie bei 0 K unter Berücksichtigung der kinetischen Verschiebung gefittet werden. Durch einen einfachen thermodynamischen Zyklus wurden aus den Auftrittsenergien der Kationen die Bindungsenergien berechnet. Dabei zeigte sich, dass die zweite Bindungsenergie im Kation erheblich stärker ist als die erste. Dies deutet einen starken trans-Effekt des Borliganden an. In der Dissertation wurden die adiabatische Ionisierungsenergie der Moleküle sowie die Auftrittsenergien der Fragmente und die Bindungsenergien bestimmt. Zudem konnten Isomere anhand ihrer IR-Spektren unterschieden und ihre Dimerisierungsprodukte identifiziert werden. Damit wurden mit p-Terphenyl und 1PEN zwei weitere bedeutende Intermediate im Bildungsmechanismus von Ruß strukturell aufgeklärt. Die Beteiligung dieser Dimerisierungsprodukte am Bildungsmechanismus der PAK initiiert zukünftige Fragen. Was geschieht z.B. mit p-Terphenyl und 1PEN nach ihrer Bildung? Reagieren sie chemisch zu größeren Molekülen oder setzt bei ihnen bereits die Akkumulation zu Partikeln ein? Zusätzlich ist die Frage, ob Phenylpropargyl aus der Reaktion von Phenyl- und Propargylradikalen entsteht noch offen. Die erzielten Resultate haben einen wichtigen Schritt im Bildungsmechanismus der PAK identifiziert und damit die Grundlage für zukünftige Experimente gelegt.
N2  - Brilliant light sources like free electron lasers (FEL) and synchrotrons can be used to investigate crystal structures, reactions, or surface properties. These light sources are applied due to their high photon flux and broad wavelength tunability. A free electron laser was employed in the presented work to identify isomers of hydrocarbon radicals and carbenes. By contrary, the photoionization properties of borylene and unsaturated radicals were observed using synchrotron radiation. The important results will be summarized in the following. The first experiment performed at the FEL facility was a test with allyl radicals. Allyl was a good test candidate for other hydrocarbon radicals due to its small change in the dipole moment and low density in the gas phase. Despite of the small change in the dipole moment and particle density a satisfying IR spectrum could be obtained with the IR-UV double resonance method and the observed bands were assigned according to literature. The 3-trifluoromethyl-3-phenyl-carbene (TFPC) was pyrolytically generated from 3-trifluoromethyl-3-phenyl-diazirine. A high percentage of the formed carbene rearranged to trifluorostyrene in the pyrolysis. In addition to the main product trifluorostyrene triplet TFPC was found as a minor product and identified by a comparison with computed IR spectra. Furthermore the barriers for the triplet and singlet transition state were calculated. As a last project with the FEL it was shown that the radicals 1-phenylpropargyl and 3-phenylpropargyl are distinguishable by IR spectroscopy and do not isomerize into each other or indenyl. Additionally, identical dimerisation products are formed in the observed mass channels m/z = 230 and 228, p-terphenyl and 1-phenylethynylnaphthalene (1PEN). This exclusive appearance of just one isomer in each mass channel instead of a broad variety was a striking discovery. Thus, their formation mechanism must be kinetical favored. Since the masses m/z = 230 and 228 were also found in a mass spectrometric study of benzene and acethylene, where their structures were not identified experimentally. The dimerization products p-terphenyl and 1PEN must be important intermediates in the soot formation. The first compound examined with synchrotron radiation was NTCDA. Its threshold photoelectron spectrum was recorded and analyzed applying the TPEPICO technique. The adiabatic ionization energy (IE(ad)) of NTCDA was determined as 9.66 eV. Five additional excited states were observed and assigned by quantum mechanical computations. In a similar project the IE(ad) of the cycloheptatienyl radical (tropyl) was identified to be 6.23 eV. With the help of a Franck-Condon simulation the two observed progressions were assigned to ν16+, a CC stretching and a combination of ν2+, an ringbreathing, and ν16+. Furthermore, the first excited triplet and singlet states were assigned according to literature. A shoulder at 9.85 eV might be the second triplet state or an excited vibration, while the most intense peak appears at 11.6 eV. A distinct assignment of the latter band was not possible employing computations. At approximately 10.55 eV the tropyl ion begins to photoionize dissociatively to form the cyclopentadienyl ion. This value is in good agreement with the appearance energy calculated using a thermochemical cycle. The IE(ad) of the borylene complex [(CO)5CrBN(SiMe3)2] was determined as 7.2 eV. With rising photon energy all five CO-ligands dissociate sequentially, while the boron ligand stays in place. Even at the highest measured energy value of 15 eV the boron ligand did not dissociate. The 0 K appearance energies of the fragments of this sequential CO loss were identified with a fitting procedure including the kinetic shift. Using a simple thermodynamic cycle the binding energies of the cationic complex were obtained. The higher second bond dissociation energy in comparison with the first one indicates a strong trans effect of the borylene ligand. Thermodynamic properties like the adiabatic ionization energy, the appearance energy of the fragments and binding energies were determined. Additionally, different isomers and their dimerization products were identified by their measured IR spectrum. With these experiments the structure of the dimerization products p-terphenyl and 1PEN, two important intermediates in soot formation, were resolved. These dimerization products initialize future questions: What will happen with p-terphenyl and 1PEN after their formation? Will they be involved in a subsequent chemical reaction or start to accumulate? These questions and whether the phenylpropargyl radicals are formed in a reaction of benzene with propargyl radicals should be answered in the future. The obtained results identified an important step in the mechanism of soot production and are the basis for further experiments.
KW  - Synchrotronstrahlung
KW  - Freie-Elektronen-Laser
KW  - Ungesättigte Verbindungen
KW  - Fotoionisation
KW  - synchrotron radiation
KW  - free electron laser
KW  - infrared
KW  - photoionization
KW  - gas phase
KW  - Fel
KW  - Infrarot
KW  - Photoionisation
KW  - Polycyclische Aromaten
KW  - Reaktive Zwischenstufe
KW  - Isomer
KW  - Gasphase
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-79108
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TY  - THES
A1  - Rydzek, Matthias
T1  - Infrarot-optische, elektrische und strukturelle Charakteristika spektralselektiver Funktionsschichten auf der Basis dotierter Metalloxide
T1  - Infrared-optical, electrical and structural characteristics of spectrally selective functional coatings based on doped metal oxides
N2  - Optisch transparente und elektrisch leitfähige Funktionsschichten auf der Basis dotierter Metalloxid-Halbleiter spielen eine bedeutende Rolle als wärmestrahlungsreflektierende Schichten in der modernen Architektur. Über die im Material vorhandenen freien Ladungsträger wird eine kollektive Anregung im infraroten Spektralbereich ermöglicht, die zu einem Anstieg der Reflektivität der Metalloxidschicht führt. Dies geht einher mit einer Reduktion der Wärmeabstrahlung der Funktionsschicht. Die Motivation der vorliegenden Dissertation lag in der Herstellung, sowie in einer umfassenden Analyse der infrarot-optischen, elektrischen und strukturellen Charakteristika von nasschemisch abgeschiedenen Funktionsschichten auf Basis von Zinn-dotiertem Indiumoxid und Aluminium-dotiertem Zinkoxid. Die Prämisse war hierbei, dass die Funktionsschichten einen möglichst hohen Reflexionsgrad, respektive einen geringen thermischen Emissionsgrad im infraroten Spektralbereich aufweisen. Im Rahmen der Arbeit wurden deshalb vorrangig die Einflüsse der Sol-Parameter und der Art der Probenpräparation auf die infrarot-optischen Schichteigenschaften hin untersucht. Hierbei hat sich gezeigt, dass es verschiedene Möglichkeiten gibt, die Eigenschaften der Funktionsschichten im infraroten Spektralbereich zu beeinflussen. Dies kann einerseits bereits bei der Herstellung der Beschichtungslösungen über eine Variation von Parametern wie dem Grad der Dotierung bzw. der Konzentration des Sols erfolgen. Andererseits lassen sich gewünschte infrarot-optische Schichteigenschaften direkt über eine Anpassung der Kristallisationstemperaturen unter Zuhilfenahme geeigneter oxidierender und reduzierender Prozessgase einstellen. Im Verlauf der Optimierung der Probenpräparation konnte zudem gezeigt werden, dass eine Variation der Anzahl der Funktionsschichten und die damit verbundene Veränderung der Schichtdicke maßgebliche Einflüsse auf die infrarot-optischen Eigenschaften hat. Die umfassende optische Charakterisierung der optimierten Proben vom UV über den sichtbaren Spektralbereich bis hin zum IR ergab, dass der Gesamtemissionsgrad eines Glassubstrats durch die Aufbringung eines Mehrschichtsystems deutlich gesenkt werden kann, wobei sich die visuelle Transparenz nur geringfügig ändert. Im Falle des verwendeten Indium-Zinn-Oxids genügt eine vierfache Beschichtung mit einer Dicke von rund 450 nm, um den Emissionsgrad von unbeschichtetem Glas (0.89) auf unter 0.20 zu senken, wobei die visuelle Transparenz mit 0.85 nur um rund 6 % abnimmt. Bei Aluminium-Zink-Oxid ergibt sich ein Optimum mit einer rund 1 µm dicken Beschichtung, bestehend aus 11 Einzelschichten, die den Emissionsgrad der Oberfläche auf unter 0.40 senkt. Die optische Transparenz liegt hierbei mit 0.88 nur geringfügig unter dem unbeschichteten Glas mit einem Wert von 0.91. Neben der ausführlichen Charakterisierung der Einflüsse auf die IR-optischen Schichteigenschaften lag der Fokus der Arbeit auf der Analyse der strukturellen und elektrischen Eigenschaften der optimierten Proben. Mittels REM- und AFM-Aufnahmen konnten Einblicke in die Schichtstruktur und Oberflächenbeschaffenheit der erzeugten Funktionsschichten gewonnen werden. Es hat sich gezeigt, dass bedingt durch dicht beieinanderliegende Kristallite eine geringe Porosität innerhalb der Funktionsschicht entsteht, wodurch eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit gewährleistet ist. Dabei resultiert eine homogene Oberflächenstruktur mit einer geringen Oberflächenrauheit. Die Homogenität der Funktionsschichten, speziell im Hinblick auf eine gleichmäßige Verteilung der maßgeblichen Atome, wurde mit Hilfe von SNMS- Messungen und einem EDX-Element-Mapping verifiziert. Mit Hilfe der Analyse des spezifischen Widerstands der optimierten Funktionsschichten konnte ein Zusammenhang zwischen den infrarot-optischen und elektrischen Schichteigenschaften über die Hagen-Rubens Relation erarbeitet werden. Darüber hinaus wurden an den besten, infrarot-optisch optimierten Proben charakteristische Parameter wie die Bandlückenenergie, die Ladungsträgerdichte und die Ladungsträgerbeweglichkeit ermittelt. Über die Ladungsträgerdichte war es zudem möglich, die spektrale Lage der Plasmawellenlänge zu bestimmen. Basierend auf den ermittelten Werten der optimierten Metalloxidschichten im Bereich der elektronischen Charakterisierung konnte eine Korrelation der infrarot-optischen und elektrischen Schichteigenschaften anhand charakteristischer Punkte im Spektrum der Funktionsschichten erarbeitet werden. Abschließend wurde der Verlauf des spektralen Reflexionsgrads theoretisch modelliert und über eine Parametervariation an den tatsächlich gemessenen Reflexionsgrad der infrarot-optisch optimierten Proben angefittet. Hierbei zeigte sich eine gute Übereinstimmung der in den physikalischen Grundlagen der vorliegenden Arbeit getroffenen Annahmen mit den experimentell ermittelten Werten.
N2  - Optically-transparent and electrically-conductive functional coatings based on doped metal oxide semiconductors play a significant role as thermally-reflective coatings. Their collective excitation in the infrared spectral range is enabled via the free charge carriers in the material, which leads to an increase in the metal oxide coating's reflectance. This is concurrent with a reduction in the thermal emittance of the functional coating. Various TCO deposition processes have been established for the majority of applications; the sol-gel process, however, is particularly significant since it is cost-efficient and flexible. The objective of this thesis was to thoroughly analyze the infrared optical, electrical and structural characteristics of functional coatings based on indium tin oxide and aluminium-doped zinc oxide produced by way of wet deposition. The intention was to create functional coatings with the highest possible reflectance, or rather lowest thermal emittance in the infrared spectral range. In this vein, an important aspect of this thesis was to investigate not only the influence of the sol parameters, but also of sample preparation on the infrared optical coating properties. It became evident that there are various ways of influencing the properties of the functional coatings in the infrared spectral range. Firstly, this can be achieved by varying parameters when the coating solutions are produced, such as the degree of doping or the concentration of the sol. Secondly, specific infrared optical coating properties can be directly modified by adjusting the crystallization temperatures with the aid of suitable oxidizing and reducing gases. During the course of optimizing sample preparation it also became apparent that variation in the number of functional coatings and therefore in the thickness of the metal oxide used has a decisive influence on the infrared optical properties. The individual steps involved in the production process were improved throughout the course of numerous parametric studies with respect to achieving the highest possible reflectance in the infrared range. Comprehensive optical characterization of the optimized samples in the spectral range from ultraviolet over the visible and up to the thermal infrared showed that the total emittance of a glass substrate can be clearly reduced by applying a multilayer coating, while the visual transparency is only slightly altered. In the case of the indium tin oxide used, a four-layer coating with a thickness of approximately 450 nm was sufficient to reduce the emittance of the uncoated glass (0.89) to 0.20, while the visual transmittance of 0.85 only deteriorated by about 6 %. In the case of the aluminium-doped zinc oxide used, an optimum was achieved with an approximately 1 µm thick coating comprising 11 individual layers which reduced the surface emittance to less than 0.40. The optical transmittance of 0.88 in this case is only slightly less than the uncoated glass with a value of 0.91. Besides extensively characterizing the influences on IR optical coating properties, this work focused on analyzing the structural and electrical properties of the optimized samples. Insights into the structure and surface composition of the functional coatings produced were gained by way of SEM and AFM. It became evident that densely packed crystallites cause low porosity within the functional coating, which ensures relatively high electrical conductivity. A homogeneous surface structure with low surface roughness results from the relatively small crystallite size (compared to the coating thickness measured) of both metal oxide systems. The homogeneity of the functional coatings, especially with respect to the uniform distribution of the decisive atoms, was verified with the aid of SNMS measurements and EDX elemental mapping. Correlation between the infrared optical and electrical coating properties was successfully shown by analyzing the specific resistance of the optimized functional coatings and then implementing the Hagen-Rubens relation. Moreover, characteristic parameters such as band gap energy, charge carrier density and charge carrier mobility were determined for the best infrared-optically-optimized samples. It was also possible to ascertain the spectral position of the plasma wavelength via the charge carrier density. On the basis of values determined for the optimized metal oxide coatings within the realm of electronic characterization, further correlation between the infrared optical and electrical coating properties became evident due to characteristic points in the spectrum of the functional coatings. To conclude, the curve of spectral reflectance was theoretically modelled and fitted to the measured reflectance of the infrared-optically-optimized samples by way of parameter variation. Good agreement was shown between the hypotheses made within this thesis and the values determined in the experiments.
KW  - Metalloxide
KW  - Dotierung
KW  - Dünne Schicht
KW  - Funktionswerkstoff
KW  - Reflexion <Physik>
KW  - niedrigemittierende Beschichtung
KW  - Zinn-dotiertes Indiumoxid
KW  - Aluminium-dotiertes Zinkoxid
KW  - low-emissivity coating
KW  - indium-tin oxide
KW  - aluminum-zinc-oxide
KW  - Transparent-leitendes Oxid
KW  - FT-IR-Spektroskopie
KW  - Infrarot
KW  - Emissionsvermoegen
KW  - Sol-Gel-Verfahren
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-71504
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TY  - THES
A1  - Andrei, Horia-Sorin
T1  - Infrared photodissociation spectroscopy of ionic hydrocarbons : microsolvation and protonation sites
T1  - Infrarot Photodissoziation Spektroskopie der ionisierten Kohlenwasserstoffen: Mikrosolvatations- und Protonierungsstellen
N2  - This work has presented a spectroscopic analysis of three types of hydrocarbon cations: two ionized aromatic hydrocarbons, two protonated aromatic hydrocarbons and the cation of a fundamental radical hydrocarbon. The experiments were centered on the proton stretch vibrations of mass-selected complexes of these systems and polar (H2O) and non polar (Ar, N2, CO2) ligands. The experiments have been done in a tandem mass spectrometer coupled with an electron impact ionization ion source; an OPO laser system was used as tunable IR light source. All the proposed dimer structures have been also modeled using quantum chemical calculations (QCC). These calculations have consistently been matched with the experimental results and have enabled clear identification of the spectral features observed. This has enabled the evaluation of thermochemical properties which could not be extracted directly from experiment. The experiments done on complexes of 1-Np+ and Im+ have allowed for the acidity of their various groups to be probed: the shifts in the frequency as well as the enhancement in the intensity of the OH and NH stretch vibrations resulting from the complexation have yielded dependences on both the species (L) and the number (n) of the ligands. OH bound 1-Np+···Ar has been detected for the first time, showing that the REMPI-IRPD method is severely limited with respect to the production of the most stable isomer of a given cationic complex. The detection of c-1-Np+···(N2)n corresponds to the first observation of c-1-Np+ complexes and enables thus direct comparison of both 1-Np+ rotamers. The shift of the NH vibration of Im+···N2(H) yielded the first experimental estimate for the PA of the imidazyl radical. It was also found that the most stable 1-Np+···Ar and Im+···Ar structures differ qualitatively from that of the corresponding neutral dimers (H-bound vs pi-bound), emphasizing the large impact of ionization on the interaction potential and the preferred recognition motif between acidic aromatic molecules (A) and nonpolar ligands. The IRPD spectra of 1-Np+···Ln and Im+···Ln yielded spectroscopic information about the CH, NH and OH stretch vibrations of bare 1-Np+ and Im+. The dependence of the shifts in the frequency of the OH and NH stretch vibrations allows for creating microsolvation models. The spectroscopic results obtained on size-selected 1-NpH+···Ln show that, in the output of the presently used ion source, three classes of 1-NpH+ isomers can be identified: oxonium ions (1-Np protonated at the O atom); carbenium ions obtained by protonation in the para and ortho positions with respect to the OH functional group; carbenium ions obtained by the addition of a proton to well-defined sites on the second naphthalene ring. The spectral identification of these three classes of protonation sites is supported by their different photofragmentation patterns. It was demonstrated that the spectroscopic monitoring of the microsolvation of ImH+ in Ar and N2 together with the QCCs paint a very detailed picture of the microsolvation process, evidencing clear differences between the microsolvation models as function of the PA of the ligands. Important differences have also been identified between the various binding sites, enabling the creation of a clear scale of priorities for occupation of the binding sites during microsolvation. The application of IRPD to the study of microhydrated ImH+ provided for the first time direct spectroscopic information on the properties of the N-H bonds of this biomolecular building block under controlled microhydration. It was demonstrated that, as protonation enhances the acidity of the NH groups, the ability for proton conductivity of ImH+ increases. A very important result is derived from the IRPD spectroscopy of C2H5+···L (L = Ar, N2, CO2, CH4) dimers. The equilibrium geometry of the C2H5+ has long been debated. Now, IRPD spectra were recorded over the range of the CH stretch fundamentals (covering possible sp3 and sp2 hybridization of C). Depending on the ligand species, the spectra are found to be dominated by the fingerprint of two largely different dimer geometries. Using the experimental C2H5+···Ar spectrum and the corresponding QCCs, the structure of the (weakly perturbed) C2H5+ was found to be the nonclassical one, with one proton straddling across the C=C bond of the H2C=CH2. On the other hand, ligands like N2 and CH4 are strongly influencing the geometry, as seen in the spectral signatures of the C2H5+···N2 and C2H5+···CH4, which correspond to the classical [H2CCH3]+. It was thus demonstrated that while the nonclassical C2H5+ is the global minimum on the PES of the free [C2,H5]+, the structure of the C2H5+ can be strongly influenced by the chemical properties of the environment.
N2  - Gegenstand dieser Arbeit ist die Spektralanalyse von drei Arten von Kohlenwasserstoffkationen: zwei ionisierten aromatische Kohlenwasserstoffen (1-Np+, Im+), zwei protonierten aromatischen Kohlenwasserstoffen (1-NpH+, ImH+) und vom eines Radikal-Kohlenwasserstoff-Kation (C2H5+). Die experimentellen Untersuchungen wurden auf die Proton-Streckschwingungen der massenselektierten Komplexe dieser Systeme mit angehängtem polaren (H2O) und unpolaren (Ar, N2, CO2) Liganden fokussiert. Die experimentellen Resultate wurden in einem Tandem-Massenspektrometer, das mit einer Elektronstoßionisationsquelle verbunden ist, erzielt. Als abstimmbare IR-Lichtquelle wurde ein OPO-Laser-System benutzt. Alle vorgeschlagenen Dimerstrukturen sind auch mit Quantenchemieberechnungen modelliert worden. Diese Berechnungen stimmen mit den experimentellen Ergebnisse überein und haben die eindeutige Identifizierung der beobachteten Schwingungsstrukturen erlaubt. Die Übereinstimmung mit den experimentellen Resultaten ermöglichte auch die Auswertung der thermochemischen Eigenschaften, die nicht direkt aus dem Experiment zugänglich waren. Die Experimente, die an Komplexen der ionisierten Kohlenwasserstoffe durchgeführt wurden (1-Np+ und Im+), haben die Untersuchung der Azidität der verschiedenen Gruppen (CH, NH, OH) erlaubt. Frequenzverschiebung sowie die Erhöhung der Intensität der OH- und der NH-Streckschwingungen, als Folge der Komplexbildung hängen sowohl von der Sorte (L) und der Zahl (n) der Liganden ab. Zum ersten Mal wurde das OH gebundene 1-Np+···Ar detektiert. Es wurde auch gefunden, dass die stabilsten 1-Np+···Ar und Im+···Ar Strukturen (H-gebundene Isomere) sich qualitativ vom entsprechenden neutralen Dimer (pi-gebundene Struktur) unterscheiden. Dies zeigt den großen Einfluss der Ionisierung auf das Wechselwirkungspotential und das bevorzugte Erkennungsmotiv zwischen sauren aromatischen Molekülen (A) und nichtpolaren Liganden. Die IRPD-Spektren von 1-Np+···Ln und Im+···Ln erbrachten spektralanalytische Hinweise über die CH-, NH- und OH- Streckschwingungen des isolierten 1-Np+ und Im+. Die Frequenzverschiebungsabhängigkeit der OH- und NH-Streckschwingungen konnte zur Aufstellung von Microsolvationsmodellen genutzt werden. Die spektralanalytischen Resultate an größenselektierten 1-NpH+···Ln-Kationen zeigen dass, mit der hier verwendeten Ionenquelle, drei 1-NpH+-Isomere entstehen: Oxonium-Ionen (1-Np protoniert am O Atom); Carbenium-Ionen, die durch Protonierung in para- und ortho-Position bezüglich der OH-Gruppe und Carbenium-Ionen, die durch die Protonierung an einer definierten Position am zweiten Naphthalinring gebildet werden. Die spektrale Identifizierung dieser drei Kategorien von Protonierungsstellen wird durch ihre unterschiedlichen Photofragmentationsmuster gestützt. Es wurde gezeigt, dass die spektralanalytische "Abfrage" der Mikrosolvatation von ImH+ in Ar und N2 zusammen mit den Quantenchemischen Berechnungen ein sehr detailliertes Bild des Solvatationsprozesses beschreibt und belegt deutliche Unterschiede zwischen Mikrosolvationsmodellen als Funktion der PA der Liganden. Wichtige Unterschiede sind auch zwischen den verschiedenen Bindungsstellen identifiziert worden unter Ermöglichung der Schaffung einer klaren Prioritäten-Skala für die Besetzung der Bindungsposition während der Mikrosolvatation. Die Anwendung von IRPD zur Studie von mikrohydratisiertem ImH+ verschafft zum ersten Mal direkte spektralanalytische Informationen über die Eigenschaften der NH Bindungen dieses biomolekularen Bausteins unter kontrollierter Mikrohydratisierung. Es wurde gezeigt, dass, mit der Protonierung die Azidität der NH Gruppen erhöht wird und damit die Fähigkeit für die Protonleitfähigkeit in ImH+ steigt. Ein sehr wichtiges Resultat wird von der IRPD-Spektroskopie des Dimers C2H5+···L, mit L = Ar, N2, CO2, CH4 abgeleitet. Die Gleichgewichtgeometrie des Ethylkations ist lange Zeit diskutiert worden. Jetzt wurden IRPD-Spektren über den Bereich der C-H-Streckschwingungen aufgenommen (Abdeckung sp3 und sp2 Hybridisierung von C). Abhängig von der Ligandenart wurde gefunden, dass die Spektren durch den Fingerabdruck von zwei sehr unterschiedlichen Dimergeometrien dominiert werden. Mit dem experimentellen C2H5+···Ar Spektrum und den entsprechenden quantenchemischen Berechnungen konnte bewiesen werden, dass das schwach gestörte C2H5+ in der nicht-klassischen H-überbrückten Struktur vorliegt. Andererseits beeinflussen Liganden wie N2 stark die Geometrie, wie die spektralen Signaturen des C2H5+···N2 zeigen, die dem klassischen [H2CCH3]+ entsprechen. Es wurde auch gezeigt, dass während das nicht-klassische C2H5+ das globale Minimum auf der PES vom freien [C2,H5]+ repräsentiert, die tatsächliche Struktur des C2H5+ durch die chemischen Eigenschaften des Umgebung stark beeinflußt werden kann.
KW  - Infrarot
KW  - Photodissoziation
KW  - Spektroskopie
KW  - Kohlenwasserstoffen
KW  - Mikrosolvatation
KW  - Protonierung
KW  - photodissociation
KW  - spectroscopy
KW  - hydrocarbon
KW  - microsolvation
KW  - protonation
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-24652
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TY  - THES
A1  - Moigno, Damien
T1  - Study of the ligand effects on the metal-ligand bond in some new organometallic complexes using FT-Raman and -IR spectroscopy, isotopic substitution and density functional theory techniques
T1  - Untersuchung der Wirkung von Liganden auf die Metall-Ligand Bindungen einiger neuer organometallischer Komplexe mit Hilfe der FT-Raman und -IR Spektroskopie, isotopischen Substitution und DFT Techniken
N2  - The present studies which have been performed in the work-group C-2 (Prof. W. Kiefer) within the program of the Sonderforschungsbereichs 347, deal with the FT-Raman and –IR spectroscopy on new organometallic complexes, synthesized in the work-groups B-2 (Prof. W. Malisch), B-3 (Prof. W. A. Schenk), D-1 (Prof. H. Werner) and D-4 (Prof. D. Stalke). The FT-Raman spectra recorded at 1064 nm led to very useful and interesting information. Furthermore, the DFT calculations which are known to offer promise of obtaining accurate vibrational wavenumbers, were successfully used for the assignment of the vibrational spectra. For the first time it has been possible to ascribe exactly the n(RhC) stretching mode in the vinylidene rhodium(I) complex trans-[RhF(=C=CH2)(PiPr3)2] by using isotopic substitution, in conjunction with theoretical calculations. This is also true for the complexes trans-[RhF(CO)(PiPr3)2], trans-[RhF(C2H4)(PiPr3)2], trans-[RhX(=C=CHPh)(PiPr3)2] (X = F, Cl, Br, I, Me, PhCºC) and trans-[RhX(CN-2,6-xylyl)(PiPr3)2] (X = F, Cl, Br, I, CºCPh). In addition, the comparison between the n(RhC) wavenumbers of the complexes trans-[RhF(=13C=13CH2)(PiPr3)2] and trans-[RhF(CO)(PiPr3)2], containing the isoelectronic ligands 13C=13CH2 and CO, which have the same reduced mass, indicated that the Rh-C bond is stronger in the carbonyl than in the vinylidene complex. Besides, the n(RhF) stretching mode, which has been observed at higher wavenumbers in the FT-Raman and -IR spectra of trans-[RhF(CO)(PiPr3)2], showed that the carbonyl ligand is a better p-acceptor and a less effective s-donor than the vinylidene one. Moreover, the comparison of the n(CºC) and n(Rh-C) modes from the FT-Raman spectrum of the complexes trans-[Rh(CºCPh)(L)(PiPr3)2] (L = C=CHPh, CO, CN-2,6-xylyl) point out that the p-acceptor ability of the ligand trans to CºCPh should rise in the order C=CH2 < CO < CN-2,6-xylyl £ C=CHPh. The investigated sensitivity of the n(RhC), n(CC), n(CO) and n(CN) vibrational modes to the electronic modifications occuring in the vinylidene, carbonyl, ethylene and isonitrile complexes, should allow in the future the examination of the p-acceptor or p-donor properties of further ligands. Likewise, we were able to characterize the influence of various X ligands on the RhC bond by using the n(RhC) stretching mode as a probe for the weakening of this. The calculated wavenumbers of the n(RhC) for the vinylidene complexes trans-[RhX(=C=CHR)(PiPr3)2], where R = H or Ph, suggested that the strength of the Rh=C bond increases along the sequence X = CºCPh < CH3 < I < Br < Cl < F. For the series of carbonyl compounds trans-[RhX(CO)(PiPr3)2], where X = F, Cl, Br and I, analogous results have been obtained and confirmed from the model compounds trans-[RhX(CO)(PMe3)2]. Since, the calculated vibrational modes for the ethylene complex trans-[RhF(C2H4)(PiPr3)2] were in good agreement with the experimental results and supported the description of this complex as a metallacyclopropane, we were interested in getting more information upon this class of compounds. In this context, we have recorded the FT-Raman and -IR spectra of the thioaldehyde complexes mer-[W(CO)3(dmpe)(h2-S=CH2)] and mer-[W(CO)3(dmpe)(h2-S=CD2)] which have been synthezised by B-3. The positions of the different WL vibrational modes anticipated by the DFT calculations, were consistent with the experimental results. Indeed, the analysis of the band shifts in the FT-Raman and –IR spectra of the isotopomer mer-[W(CO)3(dmpe)(h2-S=CD2)] confirmed our assignment. The different stereoisomers of complex mer-[W(CO)3(dmpe)(h2-S=CH2)] were investigated too, since RMN and IR-data have shown that complex mer-[W(CO)3(dmpe)(h2-S=CH2)] lead in solution to an equilibrium. Since the information on the vibrational spectra of the molybdenum and tungsten complexes Cp(CO)2M-PR2-X (M = Mo, W; R = Me, tBu, Ph; X = S, Se) is very scarce, we extended our research work to this class of compounds. We have tried to elucidate the bonding properties in these chalcogenoheterocycle complexes by taking advantage of the mass effect on the different metal atoms (W vs. Mo). Thus, the observed band shifts allowed to assign most of the ML fundamental modes of these complexes. This project and the following one were a cooperation within the work-group B-2. The Raman and IR spectra of the matrix isolated photoproducts expected by the UV irradiation of the iron silyl complex Cp(CO)2FeSiH2CH3 have been already reported by Claudia Fickert and Volker Nagel in their PhD-thesis. Since no exact assignment was feasible for these spectra, we were interested in the study of the reaction products created by irradiation of the carbonyl iron silyl complex Cp(CO)2FeCH2SiH3. Although the calculated characteristic vibrational modes of the metal ligand unit for the various photoproducts are significantly different in constitution, they are very similar in wavenumbers, which did not simplify their identification. However, the theoretical results have been found to be consistent with the earlier experimental results. Finally, the last part of this thesis has been devoted to the (2-Py)2E- anions which exhibit a high selectivity toward metal-coordination. All di(2-pyridyl) amides and -phosphides which were synthesized by D-4, coordinate the R2Al+ fragment via both ring nitrogen atoms. This already suggests that the charge density in the anions is coupled into the rings and accumulated at the ring nitrogen atoms, but the Lewis basicity of the central nitrogen atom in Et2Al(2-Py)2N is still high enough to coordinate a second equivalent AlEt3 to form the Lewis acid base adduct Et2Al(2-Py)2NAlEt3. Due to the higher electronegativity of the central nitrogen atom in Me2Al(2-Py)2N, Et2Al(2-Py)2N and Et2Al(2-Py)2NAlEt3, compared to the bridging two coordinated phosphorus atom in Me2Al(2-Py)2P and Et2Al(2-Py)2P, the di(2-pyridyl)amide is the hardest Lewis base. In the phosphides merely all charge density couples into the rings leaving the central phosphorus atom only attractive for soft metals. These results were confirmed by using DFT and MP2 calculations. Moreover, a similar behaviour has been observed and described for the benzothiazolyl complex [Me2Al{Py(Bth)P}], where complementary investigations are to be continued. The DFT calculations carried out on the model compounds analysed in these studies supply very accurate wavenumbers and molecular geometries, these being in excellent agreement with the experimental results obtained from the corresponding isolated complexes.
N2  - Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 347 „Selektive Reaktionen Metall-aktivierter Moleküle“ im Teilprojekt C-2 (Prof. W. Kiefer) „Laserspektroskopie zur Charakterisierung der Struktur und Dynamik Metall-gebundener Moleküle“ durchgeführt. Diese befaßt sich mit den Infrarot- und Raman-spektroskopischen Untersuchungen an Übergangsmetallverbindungen, die in den Teilprojekten B-2 (Prof. W. Malisch), B-3 (Prof. W. A. Schenk), D-1 (Prof. H. Werner), D-4 (Prof. D. Stalke) synthetisiert wurden. Durch den Einsatz der FT-Raman-Spektroskopie mit langwelliger Laseranregung im NIR-Bereich und zum Teil von isotopenmarkierten Molekülen konnten aussagekräftige Spektren erhalten werden. Die Dichtefunktionnaltheorie stellte sich als geeignetes Mittel zur Vorhersage und Interpretation der Schwingungsspektren heraus. Abhängig von der Größe der betrachteten Komplexe waren jeweils Rechnungen nötig, die auf sehr unterschiedlichen theoretischen Niveaus basierten. Zum ersten Mal wurde mit Hilfe der Isotopenmarkierung und der Dichtefunktionaltheorie die Valenzschwingung n(Rh=C) in trans-[RhF(L)(PiPr3)2] (L = C=CH2, 13C=13CH2) charakterisiert. Diese zeigte sich als eine starke Raman-Bande und konnte ebenfalls im trans-[RhF(CO)(PiPr3)2] identifiziert werden. Darüber hinhaus erkannte man beim Vergleich von trans-[RhF(13C=13CH2)(PiPr3)2] und trans-[RhF(CO)(PiPr3)2] eine Verschiebung nach höheren Wellenzahlen der Valenzschwingung n(RhC) für den Carbonyl-Komplex. Einerseits haben beide Liganden 13C=13CH2 und CO die gleiche reduzierte Masse, was die elektronische Natur der n(RhC)-Verschiebung zeigt, welche eine Verstärkung der RhC-Valenzkraftkonstanten im Fall des Carbonyls belegt. Anderseits weist die Verschiebung der n(RhF)-Streckschwingung nach höheren Wellenzahlen im Carbonyl-Komplex für deren Ligand bessere p-Akzeptor- und schlechtere s-Donor-Eigenschaften gegenüber dem Vinyliden auf. Durch die aus solchen Untersuchungen gewonnenen n(RhC)- und n(CºC)-Verschiebungen in den verschiedenen untersuchten Komplexen ergibt sich die folgende Reihe abnehmender p-Akzeptorstärke: C=CHPh ³ CN-2,6-xylyl > CO > C=CH2. Die Empfindlichkeit der Valenzschwingungen n(RhC), n(CC), n(CO) und n(CN) gegenüber Veränderungen der elektronischen Verhältnisse in Vinylidene-, Carbonyl-, Ethylene- und Isonitrile-Komplexen läßt sich ihrerseits als „Sonde“ zur Untersuchung der p-Akzeptor-bzw. p-Donor-Eigenschaften anderer Liganden nutzen. Die Beeinflussung, vor allem die Schwächung der RhC-Bindung durch einen trans-ständigen Liganden konnte dadurch an den Komplexen trans-[RhX(13C=13CH2)(PiPr3)2] (X = F, Cl, Br, I), trans-[RhX(C=CHPh)(PiPr3)2] (X = F, Cl, Br, I, Me, PhCºC), trans-[RhX(CO)(PiPr3)2] (X = F, Cl, Br, I, PhCºC) und trans-[RhX(CN-2,6-xylyl)(PiPr3)2] (X = F, Cl, Br, I, PhCºC) untersucht werden. Die FT-Raman Spektroskopie zeigte sich als eine nützliche Methode zur Untersuchung des Trans-Einflusses. MO- und NBO-Berechnungen waren dabei sehr hilfreich, um diesen Effekt zu charakterisieren. Eine weitere Substanzklasse der hier untersuchten Übergangsmetallverbindungen stellen die verschiedenen Molybden- und Wolframkomplexe dar, die in den Teilprojekten B-3 und B-2 synthetisiert wurden. In diesem Zusammenhang wurden die FT-Raman- und –IR-Spektren von den polykristallinen Thioaldehyd-Komplexen mer-[W(CO)3(dmpe)(h2-S=CR2)] (R = H, D) aufgenommen und mit Dichtefunktionalrechnungen verglichen. Die Isotopenmarkierung lieferte eine klare Zuordnung der n(WC) und n(CS) Valenzstreckschwingungen, welche den partialen CS-Doppelbindungscharakter in diesen Verbindungen zeigte. Zudem konnte eine vollständige Analyse dieser Komplexe mit Hilfe der DFT-Rechnungen erlangt werden. NMR- und IR-Daten zeigten, daß bei einer Lösung von mer-[W(CO)3(dmpe)(h2-S=CH2)] ein Gleichgewicht stattfindet. Infolgedessen wurden die Energien der unterschiedlichen Stereo-Isomere von mer-[W(CO)3(dmpe)(h2-S=CH2)] untersucht, welche in sehr guter Übereinstimmung mit dem experimentellen Befund standen. Die Umsetzung der Phosphenium-Komplexe Cp(CO)2M=PR2 (M = W, Mo; R = tBu, Ph) mit Schwefel oder Selen lieferte entsprechende stabile [2+1]-Cycloaddukte in guten bis sehr guten Ausbeuten. FT-Ramanspektren von solchen Verbindungen wurden auf der Basis von Dichtefunktionalrechnungen aufgenommen und diskutiert. Diese Untersuchungen fanden in Zusammenarbeit mit Teilprojekt B-2 statt und hatten die Aufklärung der Bindungseigenschaften des Dreirings in diesen Komplexen zum Ziel. Die wichtigsten n(M-L) Valenzschwingungen konnten ebenso charakterisiert werden. Bei der UV-Bestrahlung von Cp(CO)2FeSiH2Me und Cp(CO)2FeCH2SiH3 sind verschiedene Photoprodukte bzw. Intermediate zu erwarten. In den Dissertationen von Claudia Fickert und Volker Nagel sind Veränderungen an den Raman- bzw. IR-Spektren der UV-Bestrahlungexperimente der matrixisolierten Substanzen vorgestellt und diskutiert worden. Dabei wurde die a-H-Umlagerung nach photochemischer Decarbonylierung als stabilstes Intermediat postuliert. Jedoch konnten keine eindeutigen Aussagen getroffen werden. Aufgrund dessen wurde die theoretische photochemisch induzierte Decarbonylierung und anschließenden Umlagerungen von Cp(CO)2FeSiH2Me und Cp(CO)2FeCH2SiH3 mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie behandelt und in einem Kapitel der vorliegenden Dissertation dargestellt. Im letzten Teil dieser Arbeit wurden Raman-Spektren und quantenchemische Rechnungen an Di(2-Pyridyl)systemen durchgeführt, die im Teilprojekt D-4 synthetisiert wurden. Die Py2E--Anionen weisen eine außergewöhnliche Selektivität bezüglich der Metallkoordination auf. Um geeignete Vorläufermoleküle zur Darstellung dünner III/V-Schichten mittels MOCVD-Experimente darzustellen, wurde Py2NH und Py2PH mit Et3Al bzw. Me3Al umgesetzt. Ein deutlicher Unterschied zwischen Amid und Phosphid ist in der Reaktivität gegenüber einem weiteren Lewis-säuren Äquivalent Et3Al bzw. Me3Al zu erkennen. Das bivalente amidische Stickstoffatom ist im Gegensatz zum Phosphoratom zu einer weiteren Koordination befähigt, was mittels DFT- und MP2-Rechnungen belegt wurde. Der Py(Bth)P--Ligand in [Me2Al{Py(Bth)P}] kann als doppelter Hart/Weich-Chelatligand bezeichnet werden. Das Me2Al+-Fragment koordiniert über die „harte Seite“ des Liganden (den Pyridylstickstoffatomen), während die „weiche Seite“ als P-S-Chelatligand weiterhin in der Lage sein sollte, weiche Übergangsmetallkomplexfragmente [M] zu stabilisieren. Diese Verbindung wurde zum Teil mit den obengenannten Methoden charakterisiert und sollte in weiter untersucht werden. Die durchgeführten DFT-Rechnungen lieferten nicht nur eine Möglichkeit der Interpretation von Schwingungsspektren, sondern erlaubten auch den Vergleich berechneter Molekülgeometrien mit Daten von Kristallstrukturanalysen und lieferten wichtige Antworten zu verschiedenen Problemstellungen.
KW  - Übergangsmetallkomplexe
KW  - Ligand
KW  - Fourier-Spektroskopie
KW  - Isotopieeffekt
KW  - Dichtefunktionalformalismus
KW  - FT-Raman
KW  - Infrarot
KW  - Spektroskopie
KW  - DFT
KW  - Vinyliden-
KW  - Ethylen-
KW  - Isonitril-
KW  - Carbonyl-
KW  - Thioaldehyd-
KW  - Silyl-Komplexen
KW  - Rhodium
KW  - Wolfram
KW  - Eisen
KW  - FT-Raman
KW  - infrared
KW  - spectroscopy
KW  - DFT calculations
KW  - vinylidene complexes
KW  - carbonyl complexes
KW  - ethylene complexes
KW  - isonitrile complexes
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-3101
ER  -