Der Lehrstuhl ist stark an der präparativen Organometallchemie ausgerichtet und bearbeitet neben rein fundamentalen Fragestellungen auch anwendungsorientierte Themen (Katalyse, Wasserstoffspeicherung, Materialien), (AG Harder). Die in den Lehrstuhl eingegliederte Arbeitsgruppe von Prof. Burzlaff forscht auf dem Gebiet der bioanorganischen und medizinischen Chemie (Biomimetika). Wir sind durch viele nationale und internationale Kooperationen, sowohl mit der Industrie, als auch im akademischen Bereich weltweit vernetzt.

Katalyse mit biokompatiblen Erdalkalimetallkatalysatoren:
Bei der Herstellung 90 % aller chemischen Produkte wird mindestens einmal eine katalytische Reaktion eingesetzt. Die weltweit zunehmenden Energiekosten lassen vermuten, dass die Katalyse immer mehr an Bedeutung gewinnen wird. Da die meisten gängigen Katalysatoren Übergangsmetalle enthalten, ist ein Anstieg der Metallrohstoffpreise deutlich spürbar. Die Entwicklung von Katalysatoren, basierend auf billigen und weitverbreiteten Metallen wie Mg und Ca, ist daher eine wichtige Zukunftsvision ("Cheap Metals for Noble Tasks"). Darüber hinaus ist unsere Gesellschaft mehr und mehr an biokompatiblen Katalysatoren interessiert. Vor allem in der pharmazeutischen Industrie versucht man, vermehrt gute Alternativen für potentiell giftige Pd- und Pt-Katalysatoren zu finden. Auch im Hinblick auf medizinische polymere Werkstoffe und biologisch abbaubare Polymere sind Katalysatoren, basierend auf biokompatiblen Metallen, erwünscht.
Die zunehmend erforschte Gruppe der schwereren Erdalkalimetallverbindungen spielt in unserer Forschung eine Schlüsselrolle. Aufgrund ihrer Stellung in der 2. Hauptgruppe besitzen Calciumorganyle einerseits hochnukleophile Eigenschaften (vergleichbar mit Alkalimetallalkylen) und anderseits noch beträchtliche Lewis-acide Eigenschaften (2+-Kation). Diese Tatsache war die Grundlage für die von uns entwickelten Calcium-Katalysatoren für die lebende, stereoselektive Styrolpolymerisation. Anschließend haben wir Calciumorganyle in katalytischen Umsetzungen eingesetzt, die sich typischerweise von Übergangsmetall- oder Lanthanoidorganylen katalysieren lassen: Hydrosilylierung von Alkenen und Ketonen, Hydroaminierung von Alkenen, AlkinIsomerisierung und die dehydrogenative Silylierung von terminalen Alkinen und Aminen. Zielsetzung unserer zukünftigen Arbeiten ist es, die Möglichkeiten und Grenzen der Calciumorganylkatalyse vollständig zu erforschen und auszuschöpfen. Zum Beispiel möchten wir uns der großen Herausforderung stellen, Ca-katalysierte Reaktionen enantioselektiv durchzuführen. Da Ca²⁺ eine sehr wichtige und vielseitige Rolle in der bioanorganischen Chemie spielt, wird längerfristig auch an die Synthese bioinspirierter Ca-Komplexe gedacht.

Polymerisationskatalyse:
Der Einsatz neuartiger Kunststoffe führt weltweit zu stark erhöhter Lebensqualität. Ziel unserer metallorganischen Forschung ist es, Katalysatoren zu entwickeln, die eine völlig neue Art von Kunststoffen ermöglichen. Auch sind wir im Bereich der Co-Katalysatoren sehr aktiv, ein notwendiger Zusatz, ohne den der eigentliche Katalysator nicht aktiv werden kann. Zusammen mit dem „Dutch Polymer Institute“ entwicklen wir neue Co-Katalysatoren mit dem Ziel, höhere Aktivitäten zu erzielen und Kunststoffe industriell kostengünstiger herstellen zu können.
Darüber hinaus haben wir großes Interesse an biologisch abbaubaren Kunststoffen wie Polylaktiden, die in die Umwelt in kleinere molekulare Teilchen zerfallen und somit eine weitere Ausdehnung der „Sea of Plastic“ verhindern. Polylaktide mit einem definierten stereochemischen Aufbau sind nicht nur wegen ihrer biologischen Abbaubarkeit interessant, sondern auch vor allem aufgrund ihrer potentiellen medizinischen Anwendungen (Arzneimitteldepot, biologisch degradierbare Knochenschrauben oder Nahtmaterial). Viele Katalysatoren/Initiatoren enthalten unerwünschte giftige Metalle, wie z.B. Zinn, Aluminium oder Zink. Der Einsatz von Ca-Organylen in der Synthese von stereoregulären Polylaktiden wäre deshalb besonders wertvoll.

Von molekularen Erdalkalimetallverbindungen zu anorganischen Materialien:
Anorganische Verbindungen der Erdalkalimetalle (Halogenide, Hydroxide, Sulfide, Nitrate, Phosphate, Cyanide, Hydride, usw.) zeichnen sich durch ihr salzartiges Verhalten und teilweise extrem hohe Gitterenergien aus. Mit Hilfe von stark koordinierenden, sterisch anspruchsvollen Ligandensystemen ist es uns gelungen, von einigen dieser kleinen anorganischen Funktionseinheiten kohlenwasserstofflösliche Erdalkalimetallkomplexe herzustellen. Die Einstellung von Schlenkgleichgewichten, typisch für Erdalkalimetallverbindungen, kann durch die Verwendung großer Liganden nach einem allgemeinen Prinzip kinetisch unterdrückt werden.
Vor kurzem konnten wir einen kohlenwasserstofflöslichen Calcium-Hydrid-Komplex isolieren. Sterisch anspruchsvolle beta-Diketiminat-Liganden stabilisieren diese Verbindung gegen Ligandenaustauschreaktionen. Die Präzipitation von CaH₂, ein Teilchen mit einer extrem hohen Gitterenergie, wird vermieden. Dieser lösliche Calcium-Hydrid-Komplex zeigt im Vergleich mit (CaH₂)_{gegen unendlich} eine deutlich erhöhte Reduktionskraft und ist ein wichtiger Prekursor in der Calciumchemie. Diese Strategie wurde auch für die Synthese eines kohlenwasserstofflöslichen Calcium-Hydroxid-Komplexes genutzt. Das Einleiten von CO₂ führt zur Sol-Gel-Bildung von CaCO₃ aus organischem Lösungsmittel (Objekte konnten durch ein "Dip-Coating"-Verfahren überschichtet werden). Unsere zukünftigen Forschungsaktivitäten umfassen eine Erweiterung der möglichen anorganischen Funktionalitäten (z.B. PO₄^3-, SO₄^2-, CO₃^2-, NO₃^-, O^2-, S^2-, F^-). Ein großes Arsenal an Komplexen mit typischen anorganischen Funktionalitäten ermöglicht:

i) Studien ihrer Strukturen und Reaktivitäten auf molekularer Ebene
ii) Reaktionen dieser Teilchen unter homogenen Bedingungen und in organischen Matrices
iii) die Synthese von anorganischen Materialen aus der organischen Lösung.

Beispielsweise könnte der Zugang zu kohlenwasserstofflöslichen Calcium-Hydroxid-, Calcium-Fluorid- und Calcium-Phosphat-Komplexen zu einer Synthese von Hydroxyapatit und/oder Fluoroapatit in organischem Lösungsmittel führen.

Lanthanoidorganylchemie:
Die Gruppe der Lanthanoidmetalle, oder auch seltene Erdmetalle, ist weltweit wegen ihres großen Anwendungspotentials (Energiesparlampen, superstarke Magnete, Windturbinen) wichtig. Wir bearbeiten die metallorganische Seite der Lanthanoidmetalle. Unser Ziel ist es, diese Verbindungen in der Katalyse einzusetzen. Wir haben aber auch großes Interesse an stark lumineszierenden Materialen.

Erdalkalimetallchemie auf Silikaoberflächen:
In Zusammenarbeit mit R. Gauvin (Ecole Nationale Supérieure, Lille) synthetisieren wir auf Silika geträgerte Calciumorganyle. Diese heterogenisierten Katalysatoren besitzen nicht nur die üblichen Vorteile der heterogenen Katalyse, sondern erlauben eine einzigartige Erdalkalimetallchemie. Die Funktionseinheiten sind fixiert, das heißt: Schlenkgleichgewichte und Aggregation spielen keine Rolle mehr. Dies könnte die Synthese einer gut zugänglichen, monomeren (unverbrückenden) Calciumhydridfunktionseinheit ermöglichen. Erwartungsgemäß würde dieses monomere Calciumhydrid eine ungewöhnlich hohe Reaktivität aufweisen. Diese geträgerte Verbindung wäre möglicherweise ein effizienter heterogener Hydrierungskatalysator.

Bimetallische Katalyse:
Das Zusammenwirken zweier Metallzentren spielt in natürlichen Metalloenzymen eine ausschlaggebende Rolle. Unser Ziel ist es, dieses Funktionsprinzip auf die niedermole-kulare Chemie zu übertragen. Darüber hinaus möchten wir die kooperativen Effekte zweier Metallzentren in der Homopolymerisation von Epoxiden nutzen. Für diese Re-aktion gibt es nur wenige katalytische Systeme. Industriell wird unter anderem ein he-terogener Union-Carbid-Katalysator, basierend auf Calcium eingesetzt. Da in der Epo-xidpolymerisation bi- oder multimetallische Mechanismen eine Rolle spielen, sind wir an der Entwicklung homogener bimetallischer Mg- und Ca-Katalysatoren interessiert. Die Koordination des Substrats an eines der Metalle führt zur Aktivierung und einem raschen rückseitigen nukleophilen Angriff. Die Mögliche Homogenisierung des hetero-genen Katalysators erlaubt Kontrolle und Steuerung der Polymerisationsprozesse.

Wasserstoffspeicherung:
Der Übergang zu einer auf Wasserstoff basierenden Energieversorgung setzt eine sichere und effiziente Speicherung molekularen Wasserstoffs voraus. Die weltweiten Forschungsaktivitäten auf diesem Gebiet gehen in verschiedenste Richtungen. Auf Grundlage unserer Expertise über die frühen Hauptgruppenmetalle bearbeiten wir zwei Teilgebiete:
i) Aminborane stehen im Mittelpunkt als eines der wasserstoffreichsten Speichermaterialien. H₃N-BH₃ kann im Temperaturbereich von 100-450 °C bis zu drei Äquivalente H₂ unter Bildung von "BN" abspalten. Der Nachteil dieses Wasserstoffspeichers ist eine unerwünschte Borazinverunreinigung (B₃N₃H₆) im produzierten Wasserstoff. Sehr rezente Forschungen an Amidoboranen der frühen Hauptgruppenmetalle (LiNH₂BH₃, NaNH₂BH₃ und Ca(NH₂BH₃)₂) zeigen deutlich niedrigere Dehydrogenierungsbereiche (100-250 °C) unter Abspaltung borazinfreien Wasserstoffs. Wir haben für diese typischen Festkörperreaktionen homogene Modellsysteme entwickelt, die bereits bei Raumtemperatur H₂ abspalten! Darüber hinaus erlaubte die Homogenisierung des Systems, Erkenntnisse über Zersetzungsprodukte und deren Entstehung zu gewinnen. Die zukünftige Forschung richtet sich auf ein genaues mechanistisches Verstehen der Dehydrogenierungsprozesse und auf die Suche nach möglichen Regenerierungsrouten. Zurzeit untersuchen wir, ob durch Calcium katalytisierte Dehydrogenierung von H₃N-BH₃ anorganischen BN-Polymeren zugänglich sind.
ii) In einem zweiten Projekt erforschen wir Magnesiumhydrid als Wasserstoffspeicher. Hier liegt eine sehr günstige Reversibilität der Wasserstoffabgabe vor. Leider werden für diese Prozesse sehr hohe Temperaturen von 300 °C benötigt. Wir arbeiten an kleinen Magnesiumhydridkluster-Verbindungen, die schon bei 120 °C Wasserstoff eliminieren und nutzen diese Moleküle vor allem dafür, die Prozesse auf molekularer Ebene besser zu verstehen.

Supersperrige ("Superbulky") Cyclopentadienylliganden:
Die katalytische Aktivität von Halbsandwichkomplexen lässt sich durch den Austausch der Cyclopentadienylliganden mit einem viel sperrigeren Pentaphenylcyclopentadienylliganden deutlich steigern. Da die meisten Pentaphenylcyclopentadienyl-Metall-Komplexe völlig unlöslich sind, haben wir vor kurzem in Zusammenarbeit mit der University of Cape Town extrem sperrige Pentaarylliganden mit solvatisierenden n- Butylsubstituenten vorgestellt. Unser Ziel Yb(III)-Halbsandwichkatalysatoren herzustellen, führte zu einer unerwarteten "spontanen" Reduktion dieses Metalls unter Bildung des Ytterbocen-Sandwich. Erstaunlicherweise wurde sogar Sm(III) spontan zum sehr instabilen Sm(II) reduziert (E_1/2 Sm³⁺/Sm²⁺ = –1.55 V). Die, entgegen der Erwartung, hohe Stabilität der Sandwichstruktur konnten wir aufklären: Ein "merry-go-round"-C-H•••C(pi)-Netzwerk von nichtklassischen Wasserstoffbrücken ist die Grundlage für eine beträchtliche Ligand-Ligand-Anziehung und stabilisiert den Sandwichkomplex. Daher bietet dieser Cyclopentadienylligand hervorragende Voraussetzungen für die Synthese von Metallen in ungewöhnlich niedrigen Oxidationsstufen. Zu denken ist hierbei nicht nur an eine ganze Reihe von Lanthanoidmetallen, die bisher nie in ihrem instabilen Oxidationszustand +2 beobachtet worden sind, sondern auch daran, dass niedervalente Gruppen 4 Metalle Ti²⁺, Zr²⁺ und Hf²⁺ möglicherweise stabilisiert werden könnten. Die hohe Affinität der pentaaryllierten Cp-Ringe ermöglicht vielleicht sogar den ersten Ca(I)-Sandwichkomplex. Mit Alkalimetallen wurden lineare kettenförmige Supersandwichkomplexe hergestellt. Es stellt sich die Frage, ob man mit geeigneten Metallen (und/oder Dotierung) Supersandwichkomplexe bilden könnte, die man als gut isolierte leitfähige Nanodrähte betrachten könnte (Diameter ca. 1 nm).

derzeit 5 Gloveboxes
Lösungsmittelaufbereitungsanlage
Schlenkanlage

National:
BASF-AG, Ludwigshafen, Dr. K. Knoll und Dr. M. Ishaque (Kunststoffabteilung)
BASF-AG, Ludwigshafen, Dr. J. Spielmann (Kunststoffabteilung)
Universität Freiburg, Prof. Dr. R. Mülhaupt (Institut für Makromolekulare Chemie)
Universität Kaiserslautern, Prof. Dr. H. Sitzmann (Institut für Anorganische Chemie)
Universität Erlangen-Nürnberg, Prof. Dr. Ladik (Institut für Theoretische Chemie)
Universität Duisburg-Essen, Prof. Dr. G. Jansen (Theoretische Chemie)
Universität Duisburg-Essen, Prof. Dr. S. Schulz (Anorganische Chemie)
Universität Münster, Prof. Dr. R. Pöttgen (Anorganische Chemie)
Universität Bochum, Prof. Dr. A.-V. Mudring (Anorganische Chemie)
Universität Siegen, Prof. Dr. C. Wickleder (Anorganische Chemie)
Universität Tübingen, Dr. P. Sirsch (Anorganische Chemie)
Universität Tübingen, Prof. A. Schnepf (Anorganische Chemie)
International:
University of Helsinki, Finland, Dr. T. Repo (Inorganic Chemistry)
Technische Universiteit Eindhoven, Niederlande, Dr. E. Abbenhuis (Homogene-ous Catalysis and Coordination Chemistry)
Ecole Nationale Supérieure de Chimie, Dr. R. Gauvin (Unité de Catalyse et de Chimie Solide)
Ecole Nationale Supérieure de Chimie, Prof. M. Visseaux (Unité de Catalyse et de Chimie Solide)
University of Nottingham, Stephen Liddle (Inorganic Chemistry)
Georgetown University Washington, Prof. T. Warren (Department of Chemistry)
Harry Reid Center for Environmental Studies - Las Vegas, Dr. Daniel Rego (Department of Chemistry)
The Hebrew University of Jerusalem, Prof. R. Herber (Racah Institute of Physics)
Eindhoven University of Technology, Prof. N. Sommerdijk (Laboratory of Materials and Interface Chemistry)
University of Utrecht, Prof. P. de Jongh (Inorganic Chemistry)
Institut National des Sciences Appliquées, Toulouse, Dr. L. Maron (Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets)

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