Projekte

Laufende Projekte

Überblick

Gasförmige molekulare Ionen, wie sie in der Regel aus massenspektrometrischen Untersuchungen bekannt sind, stehen im Fokus unserer Forschung. Während solche Ionen normalerweise analytischen Zwecken dienen, ist es unser Ziel, sie präparativ zu nutzen. Dazu untersuchen wir gasförmige Ionen massenspektrometrisch, spektroskopisch und mit theoretischen Methoden, um ihre Eigenschaften im Detail zu verstehen. Derzeit bauen wir „ion soft-landing“-Instrumente, mit deren Hilfe wir hohe Ionenströme erzeugen und gasförmige molekulare Ionen massenselektiert auf Oberflächen landen können. Auf diese Weise werden Oberflächenschichten erzeugt, die mit anderen Präparationsmethoden nicht zugänglich sind.

Forschungsthemen

  1. Fragmentionen: Neue „Bausteine“ für die Synthese von Molekülen
  2. Metastabile selbstorganisierende Oberflächenschichten und funktionelle Materialien 
  3. Physikalisch-chemische Eigenschaften und molekulare Wechselwirkungen der closo-Boratanionen

1. Fragmentionen als neue chemische „Bausteine“ für die Synthese von Molekülen

Wir erforschen die Bildung von Fragmenten, charakterisieren ihre chemischen Eigenschaften und akkumulieren Produkte, die mit klassischen präparativen Methoden nicht oder nur schwer zugänglich sind. Massenspektrometer bieten eine Vielzahl an Möglichkeiten, gezielt Bindungen in der Gasphase zu brechen. Es steht somit ein großer „Baukasten“ von Molekülfragmenten zur Verfügung, dessen Einsatz wir für die chemische Synthese etablieren wollen. Die einzigartigen Eigenschaften der molekularen Ionen wurden von uns unter anderem an Fragmentionen des Typs [B12X11]- (X=Halogen, CN) intensiv untersucht (siehe Beispielpublikationen).

Repräsentative Publikationen

Das elektrophile Anion und die Gottheit Hel aus der nordischen Mythologie haben etwas gemeinsam: Beide zeigen scheinbar unvereinbare positive und negative Seiten.
Gasphasenspektroskopie ermöglich die Strukturaufklärung von geladenen Molekülfragmenten, die sich in der kondensierten Phase nicht synthetisieren lassen.

2. Metastabile, selbstorganisierende Oberflächenschichten und funktionelle Materialien

Optische Mikroskopiebilder von „ion soft-landing“ Abscheidungen

Zentrale Bild: Gelandetes Ion [B12Cl12]2-, Oberfläche: Fluoriertes Alkanthiol auf Gold, Hintergrunddruck: 10-5 mbar. Der Austausch einzelner Parameter bewirkt markante Veränderungen des Materials:
a) Austausch F gegen H im Alkanthiol,
b) Hintergrunddruck 10-8 mbar,
c) Austausch der Halogensubstituenten des Ions, [B12I12]2

Die Deposition massenselektierter Ionen bietet die einzigartige Möglichkeit, Materialien durch die Abscheidung einer Ionenart – ohne die gleichzeitige Abscheidung eines entsprechenden Gegenions – zu generieren. In der Regel werden Ionen bei der Deposition entladen, da eine Schicht aus Ionen gleicher Ladung, aufgrund repulsiver Wechselwirkungen nicht existieren kann. Werden hingegen hoch stabile Anionen auf speziellen Oberflächen gelandet, die eine Entladung erschweren, können andere Phänomene beobachtet werden. Die Schicht aus geladenen Ionen auf der Oberfläche akkumuliert Moleküle aus der Atmosphäre des „ion soft-landing“ Instruments. Bei Luftkontakt verändern sich diese metastabilen Schichten in Zeiträumen von Sekunden bis Stunden und zeigen komplexe Selbstorganisationsprozesse. Die Mikrostrukturen der so entstehenden Schichten sind abhängig von den gelandeten Ionen, der Oberfläche und den Vakuumbedingungen während der Landung und können sehr unterschiedlich ausfallen (siehe Mikroskopiebilder). Der Ladungsüberschuss in der während der Deposition erzeugten Schicht ist eine starke Triebkraft für die beobachteten Phänomene. Wir haben das Ziel, physikalische Grundlagen der Selbstorganisation und (elektro-)chemische Reaktionen in diesen Schichten zu verstehen und diese Prozesse zu kontrollieren.

Am Leibniz Institut für Oberflächenmodifizierung (IOM) erforschen wir die Präparation neuartiger funktionaler Oberflächenschichten mit gasförmigen Ionen. Hierbei sind anwendungsbezogene, materialwissenschaftliche Fragestellungen und die „Bulk“-Charakterisierung von erzeugten Materialien der Schwerpunkt unserer Arbeit.

Repräsentative Publikationen

Unser Review in Angewandte Chemie gibt einen Überblick über die bisherige Forschung zum sanften Landen von Ionen auf Oberflächen.

3. Physikalisch-chemische Eigenschaften und molekulare Wechselwirkungen der closo-Boratanionen

Die Substanzklasse der closo-Borate spielt für unsere Forschung aus verschiedenen Gründen eine besondere Rolle:

  1. Fragmente der closo-Boratanionen zeigen eine faszinierende Gasphasenchemie,
  2. Deposition (soft-landing) unter Erhalt der Ionenladung ist möglich und
  3. als schwach koordinierende, super stabile Anionen können closo-Borate im ion soft-landing Prozess reaktive Kationen, die „oben auf“ gelandet werden, stabilisieren.

Neben den für uns interessanten Anwendungen haben diese Substanzen auch hohes Potential für Anwendungen in der Medizin, z.B. in der Bor-Neutronen-Einfangtherapie (BNCT) für den Kampf gegen inoperable Tumore. Wir nutzen gasphasenspektroskopische Methoden, Massenspektrometrie und theoretische Methoden um neu synthetisierte closo-Boratanionen, die in unserem Kooperationsnetzwerk zur Verfügung stehen, zu charakterisieren. Hierzu werden zunächst die isolierten Ionen untersucht und dann ihre Wechselwirkungen, z.B. in Wirt-Gast-Komplexen, mit Gegenionen oder mit einzelnen und mehreren Lösungsmittelmolekülen. Diese Erkenntnisse helfen, die Verständnislücke zwischen den Eigenschaften der isolierten Ionen und den Eigenschaften ihrer Salze in Lösung zu schließen und dient als rationale Grundlage für die Synthese von closo-Boraten mit zielorientierten Eigenschaften

Repräsentative Publikationen

Back cover Phys Chem Chem Phys 2019, Closo-Borate, von der Gasphase bis zur kondensierten Phase.
  • "Properties of perhalogenated {closo-B10} and {closo-B11} multiply charged anions and a critical comparison with {closo-B12} in the gas and condensed phases" Phys. Chem. Chem. Phys. 2019, 21, 5903-5915. DOI: 10.1039/C8CP05313H

  • "Evidence for an intrinsic binding force between dodecaborate dianions and receptors with hydrophobic binding pockets" Chem. Commun., 2016, 52, 6300 – 6303.
    DOI: 10.1039/C6CC01233G

  • "Protic anions [H(B12X12)]- (X = F-I) that act as Brønsted acids in the gas phase" Chem. Eur. J. 2015, 21, 5887-5891. DOI: 10.1002/chem.201500034
letzte Änderung: 24.03.2020

NFG Warneke

Kontakt

Nachwuchsgruppenleiter
Dr. Jonas Warneke
Raum TA 408
Linnéstr. 3
D-04103 Leipzig

Telefon: 0341-97 36432
E-Mail

Sekretariat
Wilhelm-Ostwald-Institut
Frau Kerstin Schleinitz

Telefon: 0341-97 36500
Telefax: 0341-97 36399
E-Mail

Postanschrift
Universität Leipzig
Wilhelm-Ostwald-Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Linnéstr. 2
D-04103 Leipzig