Synthesis and Investigation of New Carbon Allotropes on Surface, in Solution, and in the Gas Phase

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2017-01-09
Issue Year
2016
Authors
Prenzel, Dominik
Editor
Abstract

This thesis describes synthesis and investigation of new synthetic carbon allotropes. The fantastic properties of natural occurring carbon allotropes, like diamond and graphene, have already been scrutinized in almost every way imaginable. The “artificial” family members on the other hand, are one of the most promising materials with widely unexplored electronic, optical, mechanical, and chemical properties. Considering the almost countless possibilities of constructing both individual molecules and extended networks of sp-, sp2- and sp3-hybridized C-atoms, indefinite variations with outstanding properties are imaginable and several examples have already been predicted theoretically. Synthesis of many calculated structures though, remains a relatively uncharted territory. In this work, the synthesis and investigation of two different carbon allotropes in various environments has been targeted: a) carbyne (a carbon allotrope that consist of entirely sp-hybridized carbon), and its subgroup, the polyynes, and b) 30,30,30-graphyne (a carbon allotrope that consists of mixtures of sp- and sp2-hybridized carbon). The results have been published in four articles. The first article describes a polymerization of acetylene supported by a stabilizing group toward forming carbyne or long polyynes in solution. The formed mixture of polyynes was investigated by UV/vis spectroscopy and (MA)LDI mass spectrometry, and separated by analytical HPLC to identify unprecedented polyynes. The second article highlights the reactivity of polyynes with different, bulky endgroups in the gas phase. (MA)LDI mass spectrometry was used to generate and evaluate polyyne oligomers. In the third article, a series of triynes with different end-groups was subjected to a Diels-Alder reaction with to explore the influence of the substituents on the reaction behavior. The formed products are suitable precursors for polycyclic aromatic hydrocarbons or graphene nanoribbons, which belong to the family of sp2-hybridized carbon allotropes. The fourth article describes for the first time an interdisciplinary approach to generate 30,30,30-graphyne. Guided by DFT calculations, tripodal triethynylmethanol derivatives were synthesized and subsequently polymerized on a Ag(111) or Au(111) surface toward forming an extended, two-dimensional network. STM imaging was used to evaluate the resulting material.

Abstract

Diese Doktorarbeit beschreibt die Synthese und Erforschung von neuartigen, synthetischen Kohlenstoffallotropen. Die fantastischen Eigenschaften von natürlich vorkommenden Kohlenstoffallotropen, wie Diamant und Graphen, sind schon auf fast jede erdenkliche Weise eingehend geprüft worden. Die künstlichen Familienmitglieder hingegen, zählen zu den vielversprechendsten Materialien mit weitestgehend unerforschten elektronischen, optischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften. In Anbetracht der fast unzähligen Möglichkeiten sowohl einzelne Moleküle, als auch erweiterte Netzwerke von sp-, sp2- und sp3-hybridisierten C-Atomen zu konstruieren, sind unzählige Variationen mit hervorragenden Eigenschaften denkbar, von denen mehrere Beispiele bereits theoretisch vorhergesagt worden sind. Die Synthese von vielen berechneten Strukturen bleibt jedoch ein relativ unbekanntes Terrain. Diese Arbeit setzt die Synthese und Untersuchung von zwei verschiedenen Kohlenstoffallotropen in unterschiedlichen Umgebungen als Ziel: a) Carbin (ein Kohlenstoffallotrop, das vollständig aus sp-hybridisiertem Kohlenstoff besteht), und dessen Untereinheit, die Polyine, und b) 30,30,30-Graphin (ein Kohlenstoffallotrop, das aus einem Gemisch aus sp- und sp2-hybridisierten Kohlenstoff besteht). Die Ergebnisse wurden in vier Artikeln veröffentlicht. Der erste Artikel beschreibt die Polymerisierung von Acetylengas, die von einer stabilisierenden Endgruppe unterstützt wird, um Carbin oder lange Polyine in Lösung herzustellen. Das erhaltene Polyingemisch wurde mithilfe von UV/vis Spektroskopie und (MA)LDI Massenspektrometrie untersucht und mittels analytischer HPLC getrennt um bisher unbekannte Polyine zu identifizieren. Der zweite Artikel stellt die Untersuchungen über die Reaktivität von Polyinen mit verschiedenen, sperrigen Endgruppen in der Gasphase in den Mittelpunkt. (MA)LDI Massenspektrometrie wurde benutzt um Polyinoligomere zu generieren und auszuwerten. Im dritten Artikel wurden eine Serie von Triinen mit unterschiedlichen Endgruppen einer Diels-Alder Reaktion mit Tetraphenylcyclopentadienon unterzogen um den Einfluss der Substituenten auf das Reaktionsverhalten zu erforschen. Die erhaltenen Produkte sind geeignete Vorstufen für polycylische aromatische Kohlenwasserstoffe oder Graphen-Nanobänder, die zur Familie der sp2-hybridisierten Kohlenstoffallotrope gehören. Der vierte Artikel beschreibt zum ersten Mal einen interdisziplinären Ansatz um 30,30,30-Graphin herzustellen. Geleitet von DFT-Berechnungen wurden tripodale Triethinylmethanol Derivate synthetisiert und anschließend auf einer Ag(111) oder Au(111) -Oberfläche polymerisiert um ein erweitertes, zweidimensionales Netzwerk zu bilden. RTM-Oberflächenbildgebung wurde verwendet, um das geformte Material zu bewerten.

DOI
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