Kristallstrukturbestimmung organischer Pigmente aus Röntgen-Pulverdaten und Kristallstrukturmodellierung niedrig-dimensionaler Festkörper mit Kraftfeld-Methoden

In dieser Arbeit geht es um Kristallstrukturbestimmung und -modellierung ausgewählter organischer Pigmente sowie metallorganischer Polymere. Der feste – und insbesondere kristalline – Zustand der Materie ist von (im wahr
In dieser Arbeit geht es um Kristallstrukturbestimmung und -modellierung ausgewählter organischer Pigmente sowie metallorganischer Polymere. Der feste – und insbesondere kristalline – Zustand der Materie ist von (im wahrsten Sinne des Wortes) tragender und weitreichender Bedeutung für die moderne Wissenschaft, Technologie, den Alltag überhaupt.
Die Kenntnis über den inneren (mikroskopischen)Aufbau des Festkörpers ermöglicht es zunächst, seine (makroskopischen) Eigenschaften zu verstehen. Genannt seien z. B. nicht-lineare optische Eigenschaften, die in der typischen anisotropen Struktur des kristallinen Festkörpers begründet liegen, mechanische Stabilität von Werkstoffen wie Metallen oder Legierungen, aber auch die Eigenschaften von Pigmenten: Was macht eine Substanz zu einem Pigment? Wann ist ein Pigment ein gutes, wann ein weniger gutes Pigment? Die Antworten auf diese Fragen finden sich u. a. in der Kristallstruktur: Packungsdichte, (Schwer-)löslichkeit, etc.
Die Eigenschaften von Substanzen mit sichtbaren Low-Spin–High-Spin-Übergängen lassen sich auch nur verstehen, wenn der innere Aufbau, die Kristallstruktur, bekannt ist. Was geht im Inneren vor, wenn solche Substanzen einem äußeren Einfluss wie beispielsweise Temperaturänderung ausgesetzt werden? Ist es nicht so, dass z. B. ein High-Spin-Fe2+-Ion einen größeren effektiven Radius als ein Low-Spin-Fe2+-Ion hat? Dehnt sich die Kristallstruktur aus, „atmet“ sie?
Die Kenntnis der Kristallstruktur ermöglicht es nicht nur, die Eigenschaften zu verstehen. Umgekehrt ist es auch möglich, diese Eigenschaften gezielt zu manipulieren: Verbesserung der Pigmenteigenschaften durch Herabsetzen der Löslichkeit, Veränderung der elektronischen und magnetischen Kopplungen in niedrig-dimensionalen Polymerketten, um nur zwei zu nennen.
Zum Leidwesen des Chemikers, des Physikers und des Kristallographen besteht in den Eigenschaften, die z. B. Pigmente als „gut“ auszeichnen, das größte Problem: die mangelnde Löslichkeit der Verbindung. Es ist genau diese Eigenschaft, die dafür sorgt, meist keine Einkristalle züchten zu können, massive Schwierigkeiten beim Umkristallisieren zu haben und letztendlich – wenn keine Einkristalle vorliegen – bei der Strukturbestimmung aus Pulverdaten breite, überlappende Reflexe separieren zu müssen.
Dennoch gibt es nützliche und bewährte Methoden, auch aus (sogar nur mäßigen) Pulverdaten eine Kristallstruktur zu lösen. Genannt seien hier quantenchemische Rechnungen, die unter Umständen sehr rechen- und zeitintensiv sein können, oder Kraftfeld-Methoden, die zwar nicht sehr exakte, aber immerhin doch brauchbare Ergebnisse mit vertretbarem Zeit- und Rechenaufwand liefern. Diese Methoden sind insbesondere dann zur Vorhersage von Kristallstrukturen geeignet, wenn das Pulverdiagramm nicht indizierbar ist.
Wenn die Struktur erst gelöst ist, ist die bewährte Methode der Strukturverfeinerung die Rietveld-Methode. Obwohl oder gerade weil die Methode mittlerweile zu einer „Black- Box“-Methode geworden ist, ist die genaue Analyse und Interpretation der Ergebnisse unabdingbar.
Es gibt genügend Beispiele, in denen vermeintlich gute Ergebnisse (struktur-)chemisch sinnlos sind.

Themenstellung

Pigmente spielen in der Industrie eine wesentliche Rolle. Im Gegensatz zu Farbstoffen sind Pigmente im Anwendungsmedium unlöslich, sie werden feinkristallin dispergiert, um z. B. in Autolacken oder Kunststoffen eingesetzt zu werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Kristallstrukturen von 13 Pigmenten bestimmt.
Zu den genannten Kristallstrukturbestimmungen kommt ein Kapitel mit einer grundsätzlichen Fragestellung: Wo sind die Grenzen der Strukturbestimmung aus Pulverdaten? Wann ist eine Kristallstruktur „richtig“ oder „falsch“?
Ein letztes Pigment verknüpft die beiden vorangehenden Punkte.

Das letzte Kapitel behandelt die Erstellung von 5 Modellstrukturen aus zwei Substanzklassen für niedrig-dimensionale metall-organische Festkörper.
Beide Substanzklassen wurden im Rahmen der Forschergruppe 412 („Spin- und Ladungsträgerkorrelationen in niedrigdimensionalenmetallorganischen Festkörpern“)der DFG hinsichtlich elektronischer und magnetischer Eigenschaften untersucht.
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Metadaten
Author:Christian Buchsbaum
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-243466
Referee:Martin U. Schmidt, Erich F. Paulus
Advisor:Martin U. Schmidt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/02/23
Year of first Publication:2011
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2011/12/14
Release Date:2012/02/28
Pagenumber:189
HeBIS PPN:290567920
Institutes:Biochemie und Chemie
Dewey Decimal Classification:540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

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