Fakultät für Naturwissenschaften Institut für Chemie

Eine kompakte Zusammenstellung

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Impressum

Verantwortlich: Prof. Dr. Marc Armbrüster und M. Sc. Toni Keilhauer, Technische Universität Chemnitz, Institut für Chemie, Straße der Nationen 62, D-09111 Chemnitz.

Fotos: Steve Conrad

Stand: 11.12.2015

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Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis .................................................................................................................................................................................... 3

Vorwort .................................................................................................................................................................................................... 4

Das Institut für Chemie im Wandel der Zeit ............................................................................................................................................. 6

Die Studiengänge der Chemie ................................................................................................................................................................. 9

Methoden am Institut für Chemie .......................................................................................................................................................... 11

Internationale Kooperationen ................................................................................................................................................................ 12

Die Arbeitsgruppen des Instituts für Chemie......................................................................................................................................... 13

Anorganische Chemie ................................................................................................................................................................ 14

Chemische Technologie ............................................................................................................................................................. 16

Koordinationschemie ................................................................................................................................................................. 18

Materialien für innovative Energiekonzepte .............................................................................................................................. 20

Organische Chemie .................................................................................................................................................................... 22

Physikalische Chemie ................................................................................................................................................................ 24

Elektrochemie ............................................................................................................................................................................ 26

Polymerchemie .......................................................................................................................................................................... 28

Supramolekulare Chemie ........................................................................................................................................................... 30

Theoretische Chemie und Angewandte Quantenchemie ........................................................................................................... 32

Computergestützte Quantenchemie .......................................................................................................................................... 34

Vorwort

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Vorwort Wenn man heute manchen Artikel mit chemischen Sachver-halten in der Tagespresse liest oder einen Fernsehbeitrag hört, glaubt man manchmal nicht, dass man in Zeiten der modernen Chemie angekommen ist, sondern fühlt sich eher an die Alche-mie erinnert, die ihren Anfang im 1. Jahrhundert nach Christus in Ägypten nahm. Im Gedankengut der Alchemie wurden che-misch-technische Aspekte, wie der Metallgewinnung, mit spi-rituellen Vorstellungen verwoben. Unterstützt wurden diese Vorstellungen noch durch „Geheimsymbole“ der Alchemisten zur Verschleierung der „chemischen und göttlichen Kunst“. Heute befinden wir uns jedoch in Zeiten der modernen Chemie, die sich aus der antiken Probierkunst und Alchimie durch die Aufklärung zu einer Naturwissenschaft der Neuzeit entwickelt hat. Nachdem die Verdoppelungsrate des menschlichen Wis-sens zur Jahrtausendwende auf 3,65 Jahre gesunken ist, wer-den in der Chemie heutzutage nicht nur jedes Jahr mehr als eine Million neuer chemischer Verbindungen beschrieben, bei mehr als 91 Millionen derzeit beim Chemical Abstract Service (CAS) registrierten organischen und anorganischen chemi-schen Substanzen (Februar 2015) und mehr als 600.000 pro Jahr im Bereich der Chemie erscheinenden Veröffentlichun-gen, sondern es setzt sich ein Trend in der Chemiegeschichte des 20. Jahrhunderts weiter fort: die Chemie verschmilzt im-mer mehr mit der Geschichte der Entdeckungen und Erfindun-gen in der Produktions- und Analysen-Technik (Chemische In-dustrie, Materialforschung, Qualitätskontrolle) sowie der Nachbarwissenschaften (Biochemie und Biologie, Physikali-sche Chemie und Physik, Materialwissenschaften, Geochemie und Geologie, Nanotechnologie u.a.). Diese Fülle an Daten

kann kein Mensch mehr alleine überblicken: der CAS beschäf-tigt mehr als 400 Wissenschaftler, um die täglich neu erschei-nenden Datenmengen zu archivieren. Ein Chemiestudium soll junge Menschen dazu befähigen, diese Daten zu finden, sie zu interpretieren und zu nutzen. Auch für Chemnitz besitzt die Chemie seit der Gründung einer ersten naturwissenschaftlich-technischen Bildungseinrich-tung, der „Königlichen Gewerbeschule zu Chemnitz“ im Jahre 1836, eine besondere Bedeutung, da sie von Anfang an zu den wichtigsten Lehrgebieten zählte. In der Königlichen Gewerbe-schule wurde zunächst Landwirten Mitte des 19. Jahrhunderts von Julius Adolf Stöckhardt durch seine „Chemischen Feld-predigten“ die neuen Ansichten Justus von Liebigs über die künstliche Düngung vermittelt. Im Jahr 1956 wurde das Insti-tut für Chemie in seiner heutigen Form gegründet und Ernst Altmann mit seiner Leitung beauftragt. Heute sind am Institut für Chemie neun Professuren, zwei Juniorprofessuren und zwei Honorarprofessuren angesiedelt. Ihre Forschung ist stark interdisziplinär ausgerichtet und die Forschungsgrup-pen sind hochgradig innerhalb der Fakultät für Naturwissen-schaften mit der Physik, aber auch mit den anderen Bereichen der Technischen Universität Chemnitz, wie z.B. dem Maschi-

Univ.-Prof. Dr. Klaus Dieter Stöwe Inhaber des Lehrstuhls für Chemi-sche Technologie Geschäftsführender Direktor des Institutes für Chemie

Vorwort

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nenbau, der Elektro- und Informationstechnik und der Infor-matik, vernetzt. So sind Chemiker des Institutes am Exzellenz-cluster an der TU Chemnitz „MERGE – Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen“, dem deutschlandweit ersten und einzigen Bundesexzellenzcluster auf dem Gebiet der Leichtbauforschung, und dem europaweit ersten interdis-ziplinären Zentrum zur Untersuchung von anorganischen und hybriden Nanomembranen, dem „Zentrum für Materialien, Ar-chitekturen und Integration von Nanomembranen – MAIN“, mit Spitzenforschung für internationale Wettbewerbsfähigkeit beteiligt. Weiterhin werden von den Chemikern des Instituts mehrere DFG-Forschergruppen getragen bzw. mit unterstützt, die Forschergruppe 1497 „Zwillingspolymerisation von Orga-nisch-Anorganischen Hybridmonomeren zu Nanokompositen“ und die Forschergruppen 1154 „Towards Molecular Spintro-nics“ sowie 1713 „Sensorische Mikro- und Nanosysteme“. Die Forschungsrichtungen sind sowohl grundlagen- als auch an-wendungsorientiert und weisen zahlreiche Alleinstellungs-merkmale auf. Durch eine stärkere Profilierung in Richtung materialwissenschaftlicher Fragestellungen werden diese in Zukunft nach außen noch deutlicher sichtbar werden. Einen ersten Eindruck des Institutes für Chemie soll diese Broschüre vermitteln.

Ich wünsche allen Lesern viel Freude an der Lektüre dieser In-stitutsbroschüre. Chemnitz, im Juli 2015.

Prof. Dr. Klaus Stöwe (Geschäftsführender Direktor des Instituts für Chemie)

Historie

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Das Institut für Chemie im Wandel der Zeit

Als im Jahre 1836 mit der „Königlichen Gewerbeschule zu Chemnitz“ die erste naturwissenschaftlich-technische Bil-dungseinrichtung in Chemnitz gegründet wurde, zählte die Chemie zu ihren wichtigen Lehrgebieten. Bekannte Lehrkräfte der damaligen Zeit vermittelten neben den allgemeinen Grundlagen dieser sich stürmisch entwickelnden Naturwis-senschaft Erkenntnisse der theoretischen Chemie sowie der organischen und anorganischen Chemie und der chemischen Technik. Zunächst bot die Ausbildung von Landwirten Mitte des 19. Jahrhunderts Julius Adolf Stöckhardt Gelegenheit, in seinen „Chemischen Feldpredigten“ die neuen Ansichten Justus von Liebigs über die künstliche Düngung zu vermitteln und durch eigene Erkenntnisse zu ergänzen. Seine „Schule der Chemie“ zählte damals zu den weit verbreiteten Lehrbüchern der Chemie. Einer der prominentesten Schüler jener Zeit war übrigens Clemens Winkler, der später als Professor für Theo-retische und Analytische Chemie sowie für Chemische Tech-nologie an der Bergakademie Freiberg vor allem durch die Ent-deckung des Elementes Germanium weltbekannt wurde. Mit der Verkündigung der Gewerbefreiheit in Sachsen im Jahr 1862 erfolgte unter dem Einfluss von Theodor Böttcher die Entwicklung der nunmehr „Höheren Gewerbeschule zu Chem-nitz“ zu einer technischen Bildungsstätte. Für die Ausbildung in der chemischen Abteilung wurde nach einer Grundausbildung in Chemie insbesondere die Techni-sche Chemie und Analytische Chemie gelehrt und ein chemi-sches Praktikum durchgeführt. Nach der Errichtung der Ge-bäude gegenüber dem Hauptbahnhof in den Jahren 1867 bis 1880, zählte die chemische Abteilung mit ihren beachtlichen

Sammlungen und zahlreichen Arbeitsräumen zu den gut aus-gestatteten Bereichen der „Höheren Gewerbeschule zu Chem-nitz“.

Ein wesentliches Kennzeichen der Ausbildung an den „Techni-schen Lehranstalten Chemnitz“, wie die Lehrstätte seit 1878 genannt wurde, war ihre Praxisbezogenheit. In besonderem Maße galt und gilt das für die Chemie. Nicht zuletzt bestand deshalb weit über das sächsische Industriegebiet hinaus gro-ßes Interesse an Absolventen der im Jahre 1900 zur „Königli-chen Gewerbeakademie“ umbenannten Bildungsstätte. Nach dem ersten Weltkrieg wurden der Chemnitzer Bildungseinrich-tung verschiedene Prüfstellen, z.B. für Werkstoff- und Be-triebsprüfung, zugeordnet. Die Färbereiabteilung errang unter der Leitung von Eugen Karl Emil Ristenpart hohes Ansehen. Das Buch „Chemische Technologie der organischen Farb-stoffe“ und die Arbeit „Die Ostwald´sche Farbenlehre und ihr Nutzen für die Textilindustrie“ sowie das vierteilige Werk „Che-mische Technologie der Gespinstfasern“ zeugten vom hohen Stand der Ausbildung und Forschung in der Färbereischule

Höhere Gewerbeschule zu Chemnitz 1880

Chemisches Laboratorium um 1862

Historie

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und von der Ausrichtung der Chemie auf die inzwischen be-deutende Textilindustrie in Sachsen. Die weitere Entwicklung der chemischen Abteilung wurde in entscheidendem Maße durch die Lehr- und Forschungstätigkeit von Paul Bernhard Rother geprägt. Er war insbesondere auf dem Gebiet der Elekt-rochemie und der elektrochemischen Analyse tätig. Nach dem zweiten Weltkrieg erfolgte im Jahre 1947 die er-neute Aufnahme des Lehrbetriebes an den „Technischen Lehr-anstalten zu Chemnitz“ mit einer sechssemestrigen Ingeni-eurausbildung mit vertiefter Lehre in Chemie durch das da-mals gebildete Chemische Institut, dessen Leitung Paul Bern-hard Rother wieder übernommen hatte. Im Jahre 1953 wurde eine neue Etappe der Entwicklung der technischen Lehranstalt eingeleitet. Im gleichen Jahr, in dem die Stadt Chemnitz den Namen Karl-Marx-Stadt erhielt, erfolgte die Gründung der „Hochschule für Maschinenbau Karl-Marx-Stadt“. In einem Übergangszeitraum wurden die Lehrveranstaltungen im Fach Chemie durch nebenamtliche Lehrkräfte durchgeführt. Um die ständig wachsenden Anforderungen an die chemische Lehr- und Forschungstätigkeit zu erfüllen, wurde die Schaffung ei-ner eigenständigen Struktureinheit dringend notwendig. So wurde im Jahre 1956 das Institut für Chemie gegründet und Ernst Altmann mit seiner Leitung beauftragt. Bereits im Jahre 1963, dem Jahr, in dem die Hochschule für Maschinenbau den Status einer „Technischen Hochschule Karl-Marx-Stadt“ er-hielt, arbeiteten vier Abteilungen anorganische und techni-sche Chemie, organische Chemie, physikalische und Elektro-chemie sowie makromolekulare Chemie erfolgreich in Lehre und Forschung. Im Jahre 1969 erfolgte durch die Zusammenlegung mit dem Bereich Werkstofftechnik der Technischen Hochschule, der

chemischen Abteilung der damaligen Ingenieurschule für Ma-schinenbau und Textiltechnik und der Ingenieurschule für Werkstofftechnik und Materialprüfung die Gründung der „Sek-tion Chemie und Werkstofftechnik“ an der Technischen Hoch-schule Karl-Marx-Stadt. Die Sektion Chemie und Werkstoff-technik war seinerzeit in zwei Wissenschaftsbereiche, die Chemie und Werkstofftechnik, strukturiert.

In der sehr bewegten Zeit nach dem Fall der innerdeutschen Mauer und der Wiedervereinigung am 3. Oktober 1990 gelang es dem Wissenschaftsbereich Chemie einen vollständigen Studiengang Chemie einzurichten. Im Jahre 1994 erfolgte, aufbauend aus dem damaligen Wis-senschaftsbereich Chemie der Sektion Chemie und Werkstoff-technik, die Gründung des heutigen Institutes für Chemie. Die Laboratorien des Institutes für Chemie wurden in den Jahren 1995 bis 2004 modernisiert, wodurch eine ausgezeichnete Inf-rastruktur entstand. Im Jahre 2011 wurden dem Institut für Chemie weitere hochmodern ausgestattete Laboratorien zur Verfügung gestellt. Trotz der im Vergleich zum Bundesdurch

Chemisches Laboratorium um 1862

Historie

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schnitt geringen Zahl an Professoren ist ein breit gefächertes Forschungsumfeld entstanden. Wesentliche Schwerpunkte beinhalten wissenschaftliche Arbeiten zu kurzlebigen Zwi-schenstufen, neuen funktionalen Heterozyklen, molekularen Pinzetten und Klammern, Metalloclustern, quantenchemi-schen Rechnungen, Funktionspolymeren, Blockpolymeren, Zwillingspolymerisation, Hybridmaterialien, anorganischen und organischen Nanokompositen, elektrischen und magneti-schen Metall- und Metalloxid-Nanopartikeln, Nanotomogra-phie, selbststrukturierenden Monoschichten, Flüssigkristal-len, ionischen Flüssigkeiten, Dendrimeren, Beschichtungsver-fahren, mikrostrukturierten Membranen, homogener und hete-rogener Katalyse, neuen Katalysatormaterialien, neuen Mate-rialien für Energiespeicher und Energiekonzepten und vielen anderen.

Diese Themenbereiche bilden zahlreiche Anknüpfungspunkte für die intensiven nationalen und internationalen Kontakte und Zusammenarbeiten des Institutes für Chemie mit anderen Bereichen der Technischen Universität Chemnitz. Die For-schung ist deshalb transdisziplinär orientiert durch sehr enge

Kooperationen mit den Arbeitsgruppen des Institutes für Phy-sik, den Fakultäten für Maschinenbau, Elektro- und Informati-onstechnik sowie Informatik. Die Vernetzung des Institutes für Chemie mit den anderen Bereichen der Technischen Uni-versität Chemnitz findet sich auch in der Beteiligung an natio-nalen und internationalen Forschergruppen und Kompetenz-netzwerken wieder. Diese breite wissenschaftliche Aufstellung wird in Zukunft weiter gebündelt und zur stärkeren Profilierung in Richtung materialwissenschaftlicher Fragestellungen führen. Das Institut für Chemie sieht sich als eigenständige Lehr- und Forschungseinrichtung mit Alleinstellungsmerkmalen, die von der originellen Grundlagenforschung und anwendungsbezo-genen Forschung sichtbar ist. Es sieht sich darüber hinaus als wissenschaftlicher Partner und Dienstleister innerhalb und außerhalb der Technischen Universität Chemnitz.

„Wenn die Wissenschaft weite Kreise zu erhellen vermag und man läßt sie nur die enge Studierstube beleuchten, wenn eine

Wissenschaft dem Leben nützen kann und sie tut nichts, das scheint mit ihrer Würde weit eher

zu gefährden, als wenn man ihren Wirkungskreis gleichzeitig auch nach allen Richtungen hin erweitert, soweit dies der

jeweilige Stand ihrer Ausbildung gestattet. Dadurch wird aus der toten Würde eine lebendige.“ Julius A. Stöckhardt, 1855

Modernes chemisches Laboratorium 2015

Ausbildung

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Die Studiengänge der Chemie Den Absolventen werden durch das Studium der Chemie fun-dierte praktische und theoretische Fähigkeiten vermittelt, um einen raschen Einstieg in das Berufsleben zu ermöglichen. Die gängigen Bereiche sind dabei in Industrie, Verwaltung und Forschung mit den Aufgabenfeldern Entwicklung, Produktion, Analytik, Prüfwesen, Management, Patentwesen, Dokumenta-tion, Vertrieb und Kundenberatung zu finden. Ein Masterab-schluss ermöglicht den Absolventen außerdem ein weiterfüh-rendes Promotionsstudium aufzunehmen. Um die Absolven-ten auf dieses Spektrum an Einsatzmöglichkeiten vorzuberei-ten, ist das Studium sehr allgemeinbildend mit starker inter-disziplinärer Vernetzung zur Physik, Ingenieurswissenschaf-ten etc. aufgebaut. Die Regelstudienzeit beträgt für das Ba-chelorstudium sechs Semester mit einem geregelten Stun-denplan und im Fall des Masterstudiums vier Semester mit ei-nem frei wählbaren Vertiefungsschema. Beide Abschlüsse en-den mit der Anfertigung einer wissenschaftlichen Arbeit über einen Zeitraum von drei bzw. sechs Monaten. Der Abschluss Bachelor of Science in Chemie ermöglicht den Absolventen bereits nach einem vergleichsweise kurzen Studium in das Be-rufsleben einzusteigen, er schafft aber auch die Vorausset-zung für die Aufnahme eines weiterführenden Masterstudien-ganges. Der Masterstudiengang Chemie baut auf den in einem Bachelorstudiengang Chemie erworbenen Kenntnissen und Fertigkeiten auf; er erweitert die in diesem oder einem ver-wandten Studiengang erworbenen Fähigkeiten, Methoden zur Problemlösung komplexer naturwissenschaftlich-chemischer Aufgabenstellungen anzuwenden. Damit werden die Studie-renden im Masterstudiengang an das Niveau der internationa-

len Forschung herangeführt. Die Absolventen des Masterstu-dienganges Chemie verfügen aufgrund ihrer fachspezifischen Ausbildung über ein analytisch geschultes Denkvermögen und die Fähigkeit, rationale Problemlösungsstrategien entwickeln zu können. Diese gehört zu den herausragenden berufsquali-fizierenden Eigenschaften eines Chemikers. Seit dem Wintersemester 2015/16 bieten die Institute Chemie und Physik der Fakultät für Naturwissenschaften gemeinsam einen Masterstudiengang „Advanced Functional Materials“ an, der durchgängig in englischer Sprache studiert werden kann, aber auch den Einbau deutschsprachiger Module als Wahlop-tion enthält. Dies ermöglicht allen Studierenden neben der wissenschaftlichen Qualifikation auf dem Gebiet der Material-wissenschaften ihre Sprachkompetenzen entsprechend ihrer Vorkenntnisse zu erweitern. Die inhaltlichen Aspekte des Stu-diengangs sind auf das chemische und physikalische Ver-ständnis über moderne Funktionsmaterialien und deren Ent-wicklungs-, Analyse- und Herstellungsverfahren fokussiert. Weitere Informationen erhalten Sie unter: https://www.tu-chemnitz.de/chemie/studium.html.

Studium Bachelor of Science Chemistry Regelstudienzeit 6 Semester

Vermittelte Themenkomplexe: Allgemeine und Anorganische Chemie Organische Chemie Physikalische Chemie Mathematik und Physik Technische Chemie Polymerchemie

Abschluss mit Bachelorarbeit

Ausbildung

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Studium Master of Science Chemistry Regelstudienzeit 4 Semester

Vermittelte Themenkomplexe: Wissenschaftliche Diskussion aktueller Forschungs-

gebiete Wissenschaftliche Arbeitstechniken Fachspezifische Vertiefung und Ergänzung:

o Katalyse und Grenzflächenchemie o Synthesechemie o Prozesse und Modellierung o Materialwissenschaften o Modellierung und Simulation

Fachübergreifende Ergänzungsmodule Abschluss mit Masterarbeit

Advanced Functional Materials Regelstudienzeit 4 Semester

Vermittelte Themenkomplexe: Materialchemie

o Synthesemethoden der Chemie o Materialien für innovative Energiekonzepte o Technologie zur Erzeugung erneuerbarer Ener-

gien Materialphysik

o Oberflächen, dünne Schichten und Grenzflä-chen

o Halbleiterphysik o Photovoltaik

Zusätzliche Pflichtveranstaltungen o Nanophysik o Mikroskopie und Analysen im Nanomaßstab o Oberflächenspektroskopie o Usw.

Fortgeschrittenen Praktikum in den Methoden der aktuellen Materialwissenschaften

Abschluss mit Masterarbeit

Methoden

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Spektroskopische Methoden NMR-Spektroskopie Atomemissionsspektrometrie (AAS) UV/Vis-Spektroskopie IR/Raman-Spektroskopie FT-IR-Spektroskopie Energie-dispersive Röntgenspektroskopie (EDX)

Optische Methoden Pulver-Röntgendiffraktometrie Einkristall-Röntgenstrukturanalyse Fluoreszenzmikroskopie Bestimmung des Brechungsindex

Elektrochemische Methoden Cyclovoltametrie Impedanzmessung Spektroelektrochemie Rotierende Elektroden (RDE) Zeta-Potentialbestimmung

Mikroskopie Optische und Fluoreszenzmikroskopie Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie (Auflicht- und

Fluoreszenzmodus) Rasterkraftmikroskopie Rasterelektronenmikroskopie (REM) Auflichtmikroskopie

Adsorptions- und chromatographische Methoden Gaschromatographie (GC) BET-Porosimetrie Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)

Thermische Analysen Kalorimetrie Mikrokalorimetrie Titrationskalorimetrie Thermogravimetrie (TG) Differenzthermoanalyse (DTA) Dynamische Differenz-Kalorimetrie (DSC)

Verschiedenes Partikelgrößenbestimmung mittels fraktioneller Sedi-

mentation Massenspektrometrie (ESI, FI) Karl-Fischer-Titration Rasterkraftmikroskopie (AFM) Katalytische Untersuchungen für verschiedene in-

dustriell relevante Reaktionen Metallographische Präparation Rauigkeitsanalyse Dynamische Lichtstreuung Kopplung Gaschromatographie-Massenspektromet-

rie

Methoden am Institut für Chemie Folgende Mess- und Untersuchungsmethoden stehen für Forschung, Lehre und Dienstleistung zur Verfügung.

Internationale Kooperationen

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Internationale Kooperationen

Arbeitsgruppen

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Die Arbeitsgruppen des Instituts für Chemie

Anorganische Chemie Prof. Dr. Lang

Chemische Technologie Prof. Dr. Stöwe

Koordinationschemie Prof. Dr. Mehring

Materialien für innovative Energiekonzepte Prof. Dr. Armbrüster

Organische Chemie Prof. Dr. Banert

Physikalische Chemie Prof. Dr. Goedel

Physikalische Chemie/ Elektrochemie Prof. Dr. Holze

Polymerchemie Prof. Dr. Spange

Supramolekulare Chemie Jun.-Prof. Dr. Kataev

Theoretische Chemie/ Angewandte Jun.-Prof. Dr. Friedrich Quantenchemie

Computergestützte Quantenchemie Prof. Dr. Auer

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Prof. Dr. Heinrich Lang Professur Anorganische Chemie Tel.: +49 (0)371 / 531-21210 heinrich.lang@chemie.tu-chemnitz.de Straße der Nationen 62 | R. 158

Anorganische Chemie Die Forschungsfelder der Anorganischen Chemie sind im Überlappungsbereich der Grundlagenforschung und industri-eller Anwendung angesiedelt.

Elektronentransfer Die Erforschung von Elektronentransferprozessen innerhalb multimetallischer Verbindungen liefert wichtige Grundlagen für die Entwicklung neuer Sensoren und molekularer elektro-nischer Bauteile. Der Fokus bei diesen Studien liegt dabei auf der Erforschung der Metall-Metall-Wechselwirkung über π-konjugierte Brückenliganden sowie Möglichkeiten zur Ein-flussnahme auf Elektronentransfereigenschaften des Brü-ckensystems durch räumliche oder elektronische Variation. [1-

3]

Katalyse Die Untersuchung Übergangsmetall-katalysierter C,C-Kreuz-kupplungsreaktionen leistet einen wichtigen Beitrag, um die industriellen Synthesen von Feinchemikalien und Pharmaka nachhaltiger und umweltschonender zu gestalten. Zur Steue-rung dieser katalytischen Reaktionen setzen wir hauptsäch-lich planarchirale Ferrocen-basierte Phosphine ein. Durch die Veränderung der molekularen Eigenschaften der Ferrocene ist es möglich, die katalytische Aktivität zu steigern sowie einen zielgerichteten Einfluss auf die Regio- und Stereoselektivität der Umsetzung auszuüben. [4,5]

Photovoltaik

Die Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Herstellung dünner Siliziumschichten aus der Lösung erfordert die Synthese neu-artiger Silane. Die entsprechenden Ausgangsmischungen wer-den nach ihrem Zersetzungsverhalten bewertet, als gesprühte Schicht auf (flexiblen) Substraten aufgebracht und durch Energiezufuhr (ΔT und/oder hν) in dünne Siliziumschichten

Elektronentransferprozesse in homobimetallischen Übergansme-

tallkomplexen. [3]

Schema zur Erzeugung dünner Siliziumschichten.

Professur Anorganische Chemie

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überführt. Durch Optimierung und Weiterentwicklung lassen sich auf diese Art Materialien zur kosteneffizienten Herstel-lung photovoltaisch-aktiver dünner Siliziumschichten erzeu-gen.[6]

Nano-Materialien Zur Synthese verschiedenster Metall- und Metalloxid-Nano-partikel und -stäbchen verwenden wir hauptsächlich Metall-carboxylat-basierende Single-Source-Precursoren. Diese die-nen des Weiteren als Metallquelle in den Abscheideverfahren ALD, CVD und Spin-Coating sowie Inkjet-Drucken, mit Hilfe de-rer es möglich ist, Materialien im Nanometerbereich als dichte geschlossene Schichten zu erhalten. Das Forschungsthema Zwillingspolymerisation bedient sich neben den Zwillingsmonomeren auch entsprechender Aus-gangsverbindungen, die es erlauben sowohl Hybridmaterialien als auch porösen Kohlenstoff oder poröses Siliziumdioxid mit eingelagerten Metall-/Metalloxid-Nanopartikeln zu erhalten. Eine Anwendung dieser Materialien ist in der Katalyse gege-ben! [7,8]

Dienstleistungen: ESI/APCI/APPI-TOF-Massenspektrometrie Einkristallröntgendiffraktometrie Untersuchung des thermischen Verhaltens von Ver-

bindungen mittels TG/DSC und TG-MS Shimadzu Gaschromatograph-Massenspektrometer Elementaranalyse (CHN-Elementanalysator) mittels

Thermo, FlashEA 1112 SonoTek Ultraschallsprühsystem DTF FLA100PA Blitzlampensystem CVD-, ALD-Reaktoren (Spektro-)Elektrochemie Dynamische Lichtstreuung NMR-Spektroskopie

Ausgewählte Veröffentlichungen: [1] K. Kaleta, A. Hildebrandt, F. Strehler, P. Arndt, H. Jiao, A. Spannen-

berg, H. Lang, U. Rosenthal, Angew. Chem. Int. Ed. 50, 2011, 11248. [2] U. Pfaff, G. Filipczyk, A. Hildebrandt, M. Korb, H. Lang, Dalton Trans.

43, 2014, 16310. [3] J. M. Speck, R. Claus, A. Hildebrandt, T. Rüffer, E. Erasmus, L. van

As, J. C. Swarts, H. Lang, Organometallics 31, 2012, 6373. [4] D. Schaarschmidt, H. Lang, Organometallics 32, 2013, 5668. [5] M. Korb, H. Lang, Organometallics 33, 2014, 6643. [6] B. Büchter, F. Seidel, R. Fritzsche, I. Toader , R. Buschbeck, A. Ja-

kob, S. Schulze, H. Freitag, H. Lang, M. Hietschold, D.R.T. Zahn und M. Mehring, J. Mater. Sci. 49, 2014, 7979.

[7] C. Schliebe, K. Jiang, S. Schulze, M. Hietschold, W. B. Cai, H. Lang, Chem. Commun. 49; 2013, 3991.

[8] D. Adner, S. Möckel, M. Korb, R. Buschbeck, T. Rüffer, S. Schulze, L. Mertens, M. Hietschold, M. Mehring, H. Lang, Dalton Trans. 42, 2013, 15599.

Single-Source-Precursoren zur Synthese von Metall-Nanoparti-

kel als auch -Nanostäbchen. [8]

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Prof. Dr. Klaus Stöwe Professur für Chemische Technologie Tel.: +49 (0)371 / 531-35241 klaus.stoewe@chemie.tu-chemnitz.de Straße der Nationen 62 | R. 238

Chemische Technologie Entsprechend der Brückenfunktion zwischen Grundlagen und Anwendungen von Funktionsmaterialien, die der neue Lehr-stuhl für Chemische Technologie an der TU Chemnitz hat, sind die Forschungsschwerpunkte im Bereich der Materialsyn-these und -charakterisierung mit Fokus auf kombinatorischen Verfahren bzw. Hochdurchsatz-Technologien angesiedelt. Klassische Materialentwicklung ist geprägt durch das „Eins-nach-dem-Anderen-Prinzip“; dies ist langsam und uneffektiv. Die Parameterräume zur Suche nach neuen Materialien sind aber sehr groß; speziell in der Chemie ist der wichtigste Vari-ationsparameter die Zusammensetzung von Verbindungen der ca. 70 nutzbaren chemischen Elemente des Periodensys-tems. Mittels Hochdurchsatz-Technologien kann diese Suche wesentlich effektiver gestaltet werden. Ein moderner Hoch-durchsatz-Experimentierzyklus sieht folgende Teilschritte vor:

Er wird iterativ so lange durchlaufen, bis ein bestimmtes, vor-definiertes Entwicklungsziel erreicht ist. Mit jeder Iteration re-duziert sich die Zahl der untersuchten Proben, aber dafür steigt die Informationstiefe der für die Proben erhobenen Messdaten. Am Ende des Prozesses stehen einige wenige neue Materialien oder auch nur ein optimierter Treffer, der an-schließend in größeren Mengen hergestellt wird. Das Verfahren wurde von uns in der Vergangenheit erfolgreich für die Entdeckung und Optimierung neuer heterogener Kata-lysatoren für zahlreiche Prozesse, wie z.B. Abgaskatalyse von Dieselruß, selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden mit Ammoniak (NH3-SCR), Reduktion von Methanschlupf bei Biogasmotoren, Effizienzsteigerung bei der Chlorherstellung, Elektrokatalysatortestung für Brennstoffzellenanwendungen oder Chalkogenid-Nanopartikelsynthese eingesetzt.

Selektive katalytische Reduktion mit Ammoniak Im Bereich der Autoabgaskatalyse besteht die große Heraus-forderung für die Entwicklung und Optimierung von geeigne-ten Katalysatoren darin, dass unter den instationären Be-triebsbedingungen eines Kraftfahrzeugs die Katalysatoren hohe Aktivitäten über einen großen Temperaturbereich, unter-schiedlichsten Abgaszusammensetzungen und Sauerstoff-konzentrationen sowie nach langen Standzeiten aufweisen müssen. Bei der Entfernung von Stickoxiden aus dem Ab-gasstrom werden derzeit mehrere Ansätze verfolgt, wozu die Speicherung und Reduktion der Stickoxide (NOx storage and

Hochdurchsatz-Experimentierzyklus

Professur für Chemische Technologie

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reduction - NSR) und die NH3-SCR gehören. Besonders im Nie-dertemperaturbereich sind die derzeit verwendeten Katalysa-toren noch verbesserungswürdig. Mittels einer „Stage“ gekop-pelt mit einer Gasdurchflusszelle eines FTIR-Spektrometers als Hochdurchsatzcharakterisierungsmethode werden bei uns über Imprägnationsverfahren hergestellte Vanadium-basierte Trägerkatalysatoren mit unterschiedlichsten Metalldotierun-gen in Form einer Katalysatorbibliothek auf ihre Aktivitäten getestet und nach oben gezeigtem Zyklus optimiert.

Brennstoffzellenkatalysatorenträgermaterialien In Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen werden Was-serstoff und Sauerstoff zu Wasser unter Gewinnung einer elektrischen Leistung umgewandelt. Für diese katalytischen Prozesse wird heute meist Platin geträgert auf Kohlenstoff eingesetzt. Unter den Potenzialen und oxidativen Bedingun-gen der Brennstoffzelle ist das Trägermaterial jedoch nicht ge-genüber der Umwandlung in Kohlenmonoxid, -dioxid oder Ameisensäure stabil, so dass Alternativen für Kohlenstoff ge-sucht werden. Die Herausforderungen bestehen hierbei in der Entwicklung von bei niedrigen pH-Werten, gegeben durch die verwendeten Membranmaterialien in der PEMFC, ausreichend chemisch stabilen und gleichzeitig elektrisch leitfähigen Trä-germaterialien für Katalysatoren. Erreicht wird dies durch die Dotierung von stabilen Trägeroxiden wie Tantal- oder Ni-oboxid mit Metallatomen unterschiedlicher Valenz, so dass Defekte ins Kristallgitter eingebaut werden müssen.

Mikrostrukturierte Reaktoren In mikrostrukturierten Reaktoren, charakterisiert durch Ab-messungen in mindestens einer Dimension von unter einem Millimeter und einem außerordentlich großen Verhältnis von

Wärmetauscherfläche zum Reaktionsvolumen bis zu 50 000 m2 m-3, werden auf die Reaktorwände extrem aktive, poröse Katalysatorschichten aufgebracht. Mit Hilfe dieser hochakti-ven Wandkatalysatoren werden stark exotherme Reaktionen mit sehr hohen Umsätzen und Produktselektivitäten wegen der sehr hohen Wärmeabfuhrleistungen und des isothermen Reaktorbetriebs im Grenzbereich durchgeführt, die mit her-kömmlichen Reaktoren nicht beherrschbar sind.

Weitere Forschungsfelder Energiespeichermaterialien Photovoltaik- und thermoelektrische Materialien Ressourcen- und energieeffiziente Prozesse Reaktionstechnische Untersuchungen heterogen ka-

talysierter Prozesse Migration in Druckprozessen

Ausgewählte Veröffentlichungen: [1] W. F. Maier, K. Stöwe und S. Sieg, Ang. Chem. Int. Ed. 46 (2007)

6016. [2] B. Weidenhof , M. Reiser, K. Stöwe, W. F. Maier, M. Kim, J. Azurdia,

E. Gulari, E. Seker, A. Barks, R. Laine, J. Am. Chem. Soc. 131 (2009) 9207.

[3] K. Stöwe, M. Hammes, M. Valtchev, M. Roth and W. F. Maier, in: Modern Applications of High Throughput R & D in Heterogeneous Catalysis (Ed. A. Hagemeyer, A. Volpe), Ebook-Chapter, Bentham Science, 2014, ISBN: 978-1-60805-873-0, S. 118.

[4] T. Schwarz, S. Schirrmeister, H. Döring, E. Klemm, CIT 82 (2010) 921.

Aufbau eines mikrostrukturierten Reaktors und mit Katalysator-

beschichteten Reaktionswänden

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Prof. Dr. Michael Mehring Professur Koordinationschemie Tel.: +49 (0)371 / 531-21250 michael.mehring@chemie.tu-chemnitz.de Straße der Nationen 62 | R. 163

Vom Molekül zum Material Die Chemie der Hauptgruppenmetalle mit dem Schwerpunkt im Bereich der 14. und 15. Gruppe steht im Zentrum der syn-thetisch- und struktur-orientierten Grundlagenforschung der Arbeitsgruppe. Die Molekülchemie wird durch materialwissen-schaftliche Aspekte wie heterogene Photokatalyse, Porosität von Metalloxiden, Energiespeicherung/-umwandlung, sowie Eigenschaften von Hybridmaterialien ergänzt. Aktuell bearbei-ten wir Themen wie die heterogene Photokatalyse mit Oxiden des „umweltfreundlichen Schwermetalls“ Bismut, Hydroly-seprozesse von nanoskaligen Bismutoxidoclustern und Struk-turbildung durch Dispersionswechselwirkungen mit schweren Hauptgruppenelementen. Außerdem beschäftigt sich die Ar-beitsgruppe mit der Synthese und Verwendung von organisch-anorganischen Hybridmaterialien, porösen Metalloxiden, Na-nopartikeln und Nanokompositen.

Metalloxidocluster und Nanopartikel Molekulare Vorstufen und insbesondere Metalloxidocluster sind potentiell für die gezielte Herstellung von monodispersen Nanopartikeln geeignet. Außerdem besteht die Möglichkeit zur Funktionalisierung der Cluster in der Peripherie, um physi-kalische Eigenschaften zu beeinflussen. Mit Blick auf Anwen-dungen, z. B. im Bereich der Biomaterialien interessiert uns die Anbindung von Aminosäuren, Antibiotika und Fluoreszenz-markern und der Einbau derartig modifizierter Nanopartikel in

Polymere als gleichzeitig röntgenopaquer Baustein und Wirk-stoff-Depot oder generell als antibakterielle Materialien.

Photokatalyse Bismuthaltige Photokatalysatoren sind hinsichtlich ihrer Akti-vität bei der photokatalytischen Wasseraufbereitung und der Wasserspaltung von großem Interesse. Dabei werden Me-talloxidnanopartikel in der heterogenen Photokatalyse unter Einstrahlung von sichtbarem Licht eingesetzt. Wir verfolgen neue Konzepte zur Darstellung von Katalysatorschichten mit-tels Ultraschallsprühverfahren ausgehend von molekularen Bausteinen und Clustern. So können z. B. wenige Mikrometer dünne Schichten von photokatalytisch aktiven, metastabilen Bismutoxiden auf verschiedenen Trägermaterialien herge-stellt werden.

Kristallstruktur eines Salicylat-funktionalisierten Bi38-oxido-

Clusters (li.) und dessen Bi38O45 Kern (re.)

Professur Koordinationschemie

19

Organisch-anorganische Hybridmaterialien Die Darstellung poröser und nanoskaliger Metalloxide ausge-hend von Metallalkoxiden mit polymerisierbaren Liganden er-folgt nach dem neuartigen Prinzip der Zwillingspolymerisation (DFG-Forschergruppe 1497). In diesem Prozess findet zeit-gleich die Polymerisation der organischen Komponente und der anorganischen Matrix statt, die auf der Nanometerskala interpenetrieren. Das organische Polymer wirkt dabei struk-turdirigierend und kann anschließend entfernt werden, wobei das Metalloxid nanopartikulär oder mesoporös erhalten wer-den kann. Das Prinzip wird derzeit auf die Herstellung poröser heterometallischer Oxide mit photokatalytischer Aktivität und auf Materialien für die Energiespeicherung übertragen.

Molekulare Vorstufen Im Vordergrund stehen die Synthese und Charakterisierung von Metallalkoxiden und metallorganischen Verbindungen mit Elementen der 14. und 15. Gruppe, z. B. als Precursoren für

Metall-basierte Schichten für die Photovoltaik oder zur Syn-these von Metalloxiden. Des Weiteren beschäftigen wir uns mit der Darstellung, Reaktivität und potentiellen Verwendung von Verbindungen mit Metall-Bismut-Bindungen, die als mole-kulare Vorstufen für heterometallische Oxide wie multiferroi-sches BiFeO3 dienen können. Diesem Forschungsbereich sind auch unsere Aktivitäten zur Synthese und strukturellen Cha-rakterisierung von neuen organometallischen Verbindungen mit ungewöhnlichen Bindungsverhältnissen oder zu inter- und intramolekular koordinierten Organoelementverbindungen zu zuordnen.

Dienstleistungen: Pulverröntgendiffraktometrie (PXRD) Untersuchung von Photokatalysatoren Synthese von z. B. Metallalkoxiden, Metalloxiden, or-

ganisch-anorganischen Hybridmaterialien und Na-nopartikeln

Ausgewählte Veröffentlichungen: [1] M. Schlesinger, S. Schulze, M. Hietschold, M. Mehring, Metastable

β-Bi2O3 nanoparticles with High Photocatalytic Activity from Po-lynuclear Bismuth Oxido Clusters, Dalton Trans. 42, 2013,1047.

[2] L. Miersch, T. Rüffer, M. Mehring, Organic–inorganic hybrid mate-rials starting from the novel nanoscaled bismuth oxido methacry-late cluster [Bi38O45(OMc)24(DMSO)9]·2DMSO·7H2O, Chem. Com-mun. 47, 2011, 6353.

[3] C. Leonhardt, S. Brumm, A. Seifert, A. Lange, S. Csihony, M. Mehring, Tin Nanoparticles in Carbon / Silica Hybrid Materials by the use of Twin Polymerization, ChemPlusChem 10, 2014,1440.

[4] D. Mansfeld, L. Miersch, T. Rüffer, D. Schaarschmidt, H. Lang, T. Böhle, R. W. Troff, C. A. Schalley, J. Müller, M. Mehring, From {Bi22O26} to chiral ligand-protected {Bi38O45}-based bismuth oxido clusters, Chem. Eur. J. 17, 2011, 14805.

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Prof. Dr. Marc Armbrüster Professur Materialien für innovative Energiekonzepte Tel.: +49 (0)371 / 531-36176 marc.armbruester@chemie.tu-chemnitz.de Straße der Nationen 62 | R. 312

Materialien für innovative Energiekonzepte Intermetallische Verbindungen sind eine hochinteressante, aber etwas vernachlässigte Verbindungsklasse. Sie bestehen aus mindestens zwei metallischen Elementen und vereinen elektrische Leitfähigkeit sowie ionische und kovalente Bin-dungsanteile. Im Gegensatz zu Legierungen unterscheiden sich die Kristallstrukturen und elektronischen Strukturen in-termetallischer Verbindungen stark von den konstituierenden Elementen. Dadurch weisen diese Materialien sehr spezielle physikalische und chemische Eigenschaften auf, die für ener-gierelevante Katalysatoren, Strukturmaterialien oder auch Energiewandelmaterialien genutzt werden können.[1]

Semihydrierung von Acetylen Die Semihydrierung von Acetylen ist ein großindustrieller Pro-zess um Spuren von Acetylen aus Ethylen zu entfernen, da selbst geringste Mengen an Acetylen die verwendeten Kataly-satoren für die Oxidation zu Ethylenoxid (15 MioT/a) oder die Polymerisation von Ethylen zu Polyethylen (80 MioT/a) vergif-ten würden. Industrielle Hydrierkatalysatoren nutzen meist Palladium oder Palladium-basierte Legierungen als aktive Komponente. Jedoch weist Palladium eine große Anzahl an Nebenreaktionen, wie Carbid- und Hydrid-Bildung auf, welche die katalytischen Eigenschaften stark modifizieren können und zu einem Selektivitäts- und/oder Aktivitätsverlust führen. Katalysatormaterialien, die die intermetallischen Verbindun-gen GaPd, GaPd2 oder Ga3Pd7 als aktive Spezies enthalten,

zeigen diese Nachteile aufgrund der hohen Stabilität der Ver-bindungen nicht.[2] Unsere wissensbasierte Forschung führte ebenso zur Entdeckung des edelmetallfreien Hydrierkatalysa-tors Al13Fe4.[3] Aktuelle Arbeiten beschäftigen sich mit der Er-weiterung des Substrat- und Verbindungsportfolios, um wei-tergehendes Verständnis zu erlangen.

Methanol-Dampfreformierung Methanol ist ein vielversprechendes Molekül für die zukünf-tige Wasserstoffspeicherung. Neben der einfachen Lagerung liegt ein weiterer Vorteil darin, den gesamten chemisch gebun-denen Wasserstoff durch die Methanol-Dampfreformierung aus einem Wasser/Methanol-Gemisch bei milden Bedingun-gen freizusetzen (CH3OH + H2O 3 H2 + CO2).[4] Dabei ist eine hohe Selektivität zu CO2 wichtig, um die zur Stromerzeugung nachgeschalteten Brennstoffzellen nicht durch CO zu vergif-ten. Durch unsere Forschungen konnten wir zeigen, dass die intermetallische Verbindung ZnPd im Teamwork mit ZnO in

Elementarzelle von Al13Fe4 mit kovalent gebundenen Fe-Al-Fe-

Hanteln.

Professur Materialien für innovative Energiekonzepte

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der Lage ist die Methanol-Dampfreformierung hochselektiv durchzuführen.[5] Wie bereits bei der Semihydrierung von Ace-tylen steht hierbei die Entwicklung eines edelmetallfreien Ka-talysators im Fokus.

Nanopartikelsynthese

Katalytische High-Performance Materialien bedingen die ge-zielte nanopartikuläre Darstellung geträgerter intermetalli-scher Verbindungen - wofür es allerdings bislang keinen gene-rellen Zugangsweg gibt. Die Entwicklung maßgeschneiderter Prozesse gelingt durch das mittlerweile erarbeitete Verständ-nis unter inerter Atmosphäre und wasserfreien Medien. Dadurch können katalytische Untersuchungen an den Materi-alien mit hoher Oberfläche unternommen werden und z. B. durch Trägerung nach der Synthese der Einfluss des Träger-materials untersucht werden.[6] Allerdings sind die Synthese-protokolle meist zu aufwändig für die Darstellung im industri-ellen Maßstab, so dass momentan innovative Verfahren ent-wickelt werden, um wasserbasierte Synthesen zu ermögli-chen.

Dienstleistungen: Synthese von Legierungen und intermetallischen

Verbindungen Partikelgrößenbestimmung mittels fraktioneller Se-

dimentation Thermisches Verhalten von Materialien unter inerter

und reaktiver Atmosphäre mittels DTA/TG/MS Bestimmung katalytischer Eigenschaften Chemische Analyse mittels ICP-OES Elektronenmikroskopie mittels REM/EDX

Ausgewählte Veröffentlichungen: [1] M. Armbrüster, R. Schlögl, Yu. Grin, Intermetallic Compounds in

Heterogeneous Catalysis – A Quickly Developing Field, Sci. Tech-nol. Adv. Mater. 15, 2014, 034803.

[2] M. Armbrüster, M. Behrens, F. Cinquini, K. Föttinger, Yu. Grin, A. Haghofer, B. Klötzer, A. Knop-Gericke, H. Lorenz, A. Ota, S. Penner, J. Prinz, C. Rameshan, Z. Révay, D. Rosenthal, G. Rupprechter, P. Sautet, R. Schlögl, L. Shao, L. Szentmiklósi, D. Teschner, D. Torres, R. Wagner, R. Widmer, G. Wowsnick, How to Control the Selectivity of Palladium-based Catalysts in Hydrogenation Reactions: The Role of Sub-Surface Chemistry, ChemCatChem 4, 2012, 1048.

[3] M. Armbrüster, K. Kovnir, M. Friedrich, D. Teschner, G.Wowsnick, M. Hahne, P. Gille, L. Szentmiklósi, M. Feuerbacher, M. Heggen, F. Girgsdies, D. Rosenthal, R. Schlögl, Yu. Grin, Al13Fe4 as a low-cost alternative for palladium in heterogeneous hydrogenation, Nat. Ma-ter. 11, 2012, 690.

[4] M. Armbrüster, M. Behrens, K. Föttinger, M. Friedrich, É. Gaudry, S.K. Matam, H.R. Sharma, The Intermetallic Compound ZnPd and Its Role in Methanol Steam Reforming, Catal. Rev.: Sci. Eng. 55, 2013, 289.

[5] M. Friedrich, S. Penner, M. Heggen, M. Armbrüster, High CO2 Selec-tivity in Methanol Steam Reforming through ZnPd/ZnO Teamwork, Angew. Chem. Int. Ed. 52, 2013, 4389.

[6] Y. Luo, Y. Sun, U. Schwarz, M. Armbrüster, Systematic Exploration of Synthesis Pathways to Nanoparticulate ZnPd, Chem. Mater. 24, 2012, 3094.

ZnPd-Nanopartikel im ZnO-Dekoration auf ZnO Support

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Prof. Dr. Klaus Banert Professur Organische Chemie Tel.: +49 (0)371 / 531-31463 klaus.banert@chemie.tu-chemnitz.de Straße der Nationen 62 | R. 1/B115a

Organische Chemie Häufig ist die effiziente Optimierung der Reaktionsbedingun-gen hinsichtlich Ausbeute sowie Chemo-, Regio- und Ste-reoselektivität in der Organischen Chemie nur möglich, wenn Kenntnisse zum Mechanismus der Prozesse vorliegen. Ande-rerseits führt die Herstellung von Molekülen mit ungewöhnli-chen Bindungsverhältnissen oder neuartig angeordneten funktionellen Gruppen – obwohl zunächst nur von akademi-schem Interesse – in nicht wenigen Fällen zu nützlichen Re-aktionen für die präparative Organische Chemie. Im Rahmen der Grundlagenforschung konzentrieren sich am Lehrstuhl für Organische Chemie der TU Chemnitz die For-schungsvorhaben auf die folgenden Themen:

neuartige und kurzlebige Azide Verbindungen mit Ringspannung ungewöhnliche Cycloadditionsreaktionen

Wie die nachfolgenden Beispiele zeigen, sind die Übergänge zwischen den Themenbereichen fließend. Nicht zuletzt wegen seiner explosiven Eigenschaften ist die Isolierung des Azidoacetylens eine besondere Herausforde-rung.[1] Die Verbindung liefert nicht – wie vorher behauptet – ein Nitren, sondern ergibt unter Stickstoffabspaltung das Cyancarben.[1,2] Als ähnlich kurzlebig sind teilweise die ener-giereichen Azide mit der Zusammensetzung C2N14 einzuord-nen.[3] Leichter zu handhaben ist dagegen das erstmalig iso-lierte Formylazid, obwohl es eine sehr rasche Curtius-Umlage-rung eingeht.[4] Für die Synthesechemie gut einsetzbar sind α-

Azidoalkohole, die lange Zeit übersehen wurden, obgleich ein einfacher Zugang über die Hydroazidierung von Aldehyden existiert.[5]

Die Ringspannung von Brückenkopf-2H-Azirinen erlaubt es, Additions- und Cycloadditions-Reaktionen durchzuführen, die mit gewöhnlichen Iminen nicht möglich sind.[6] Die hohe Ring-spannung von Cycloalkinen wird genutzt, um die notorische Reaktionsträgheit des N2O (Lachgas) zu überwinden. Dabei entstehen unter milden Bedingungen über eine 1,3-dipolare Cycloaddition und anschließende Ringöffnung α-Diazoketone bzw. deren (stickstoffhaltige) Folgeprodukte.[7] Eine 1,3-dipo-

Abbildung 1. Nach 102 Jahren vergeblicher Syntheseversuche gelang der Nachweis (NMR, IR) für die Bildung von

Azidoacetylen.

Professur Organische Chemie

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lare Cycloaddition steht auch im Mittelpunkt, wenn Cyclooc-tine überraschenderweise mit Acetylendicarboxylaten bereits bei Raumtemperatur zu Furan-Derivaten reagieren.[8]

Ausgewählte Veröffentlichungen: [1] K. Banert, R. Arnold, M. Hagedorn, P. Thoss, A. A. Auer, Reactions

of Unsaturated Azides, Part 30. 1-Azido-1-alkynes: Synthesis and Spectroscopic Characterization of Azidoacetylene, Angew. Chem. 124, 2012, 7633, Angew. Chem. Int. Ed. 51, 2012, 7515.

[2] X. Zeng, H. Beckers, J. Seifert, K. Banert, The Photochemical and Thermal Decomposition of Azidoacetylene in the Gas Phase, Solid Matrix, and Solutions, Eur. J. Org. Chem. 2014, 4077.

[3] K. Banert, S. Richter, D. Schaarschmidt, H. Lang, Reactions of Un-saturated Azides, Part 32. Well Known or New? Synthesis and Structure Assignment of Binary C2N14 Compounds Reinvestigated, Angew. Chem. 125, 2013, 3583; Angew. Chem. Int. Ed. 52, 2013, 3499.

[4] K. Banert, C. Berndt, M. Hagedorn, H. Liu, T. Anacker, J. Friedrich, G. Rauhut, Reactions of Unsaturated Azides, Part 29. Experimental and Theoretical Studies on the Synthesis, Spectroscopic Data, and Reactions of Formyl Azide, Angew. Chem. 124, 2012, 4796; Angew. Chem. Int. Ed. 51, 2012, 4718.

[5] K. Banert, C. Berndt, S. Firdous, M. Hagedorn, Y.-H. Joo, T. Rüffer, H. Lang, Extremely Simple but Long Overlooked: Generation of α-

Azido Alcohols by Hydroazidation of Aldehydes, Angew. Chem. 122, 2010, 10404; Angew. Chem. Int. Ed. 49, 2010, 10206.

[6] K. Banert, A. Ihle, A. Kuhtz, E. Penk, B. Saha, E.-U. Würthwein, Re-actions of Unsaturated Azides, Part 31. Generation of highly

strained 2,3-bridged 2H-azirines via cycloaddition reactions of 2-azidobuta-1,3-dienes and photolysis of the resulting cyclic vinyl

azides, Tetrahedron 69, 2013, 2501. [7] K. Banert, O. Plefka, Synthesis with Perfect Atom Economy: Gener-

ation of Diazo Ketones by 1,3-Dipolar Cycloaddition of Nitrous Ox-ide at Cyclic Alkynes under Mild Conditions, Angew. Chem. 2011, 123, 6295; Angew. Chem. Int. Ed. 50, 2011, 6171.

[8] K. Banert, S. Bochmann, A. Ihle, O. Plefka, F. Taubert, T. Walther, M. Korb, T. Rüffer, H. Lang, Synthesis with Perfect Atom Economy: Generation of Furan Derivatives by 1,3-Dipolar Cycloaddition of Acetylenedicarboxylates at Cyclooctynes, Molecules 19, 2014, 14022.

Abbildung 2. Erzeugung und Folgereaktionen von 2,3-verbrück-ten 2H-Azirinen.

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Prof. Werner A. Goedel Professur für Physikalische Chemie Tel.: +49 (0)371 / 531-21240 physchem@chemie.tu-chemnitz.de Straße der Nationen 62 | Raum 1/B214

Physikalische Chemie

Partikel-assistierte Benetzung

Wird eine Oberfläche von einer Flüssigkeit nicht benetzt, so kann man durch Zugabe geeignet beschichteter Partikel eine Benetzung induzieren. Wir beschreiben dieses, in unserer Ar-beitsgruppe erstmalig entdeckte Prinzip theoretisch und ex-perimentell und nutzen es zur Erzeugung von Membranen und Mikrosieben.

Schwimmgießen von Membranen und Mikrosieben

Mischungen aus wasserabweisend beschichteten Partikeln und photohärtbaren hydrophoben Flüssigkeiten werden auf eine Wasseroberflächen aufgebracht und breiten sich dort selbsttätig zu dünnen Schichten aus. Durch Polymerisieren der Flüssigkeit erhalten wir ultradünne Kompositmembranen. Diese werden von der Wasseroberfläche abgehoben. Wir ver-wenden Partikel mit vorteilhaften Trenneigenschaften und er-halten so sehr dünne bikontinuierliche Trennmembranen die die Selektivität der Partikel mit den guten mechanischen Ei-genschaften der polymeren Matrix vereinen.

Professur für Physikalische Chemie

25

Wir verwenden zum Schwimmgießen von bikontinuierlichen Kompositmembranen Partikel einheitlicher Größe und lösen diese nach der Polymerisation der hydrophoben Flüssigkeit wieder heraus, so dass ein polymeres Mikrosieb zurückbleibt. Dieses hat aufgrund seiner einheitlichen Porengröße und ge-ringen Dicke eine hohe Trennschärfe und geringen Strö-mungswiderstand und eignet sich so zur Filtration von Gasen und Flüssigkeiten

Chemische Gasphasenabscheidung - Atomic Layer Deposition

Wir beschichten vornehmlich Verstärkungsfasern für Ver-bundwerkstoffe über chemische Gasphasenabscheidung und Atomic Layer Deposition mit dünnen anorganischen Schich-ten, welche die Fasern in Verbundwerkstoffen vor der Reak-tion mit der Matrix und Oxidation durch Luftsauerstoff schüt-zen und die mechanische Kopplung zwischen Verstärkungsfa-ser und Matrix optimieren.

Ausgewählte Veröffentlichungen: Bicontinuous zeolite-polymer-composite membranes prepared via

float-casting I. Kiesow, D. Marczewski, L. Reinhardt, M. Mühlmann, M. Possiwan, W. A. Goedel J. Am. Chem. Soc. 135, 2013, 4380.

Coating of Alumina Fibres With Aluminum Phosphate by a Continuous CVD Process S. Stöckel, S. Ebert, M. Böttcher, A. Seifert, T. Wam-ser, W. Krenkel, S. Schulze, M. Hietschold, H. Gnaegi, W. A. Goedel Chem. Vap. Depositio 20,2014, 388.

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Prof. Dr. Rudolf Holze Professur Physikalische Chemie/Elektrochemie Tel.: +49 (0)371 / 531-31509 rudolf.holze@chemie.tu-chemnitz.de Straße der Nationen 62 | R. 150

Elektrochemie Die Kenntnis von Struktur und Dynamik an der Phasengrenze Elektrode/Elektrolytlösung und die Identifizierung von Teil-chen in der Phasengrenzschicht nahe der Oberfläche sind zur Aufklärung des Mechanismus zahlreicher elektro-chemischer Prozesse von zentraler Bedeutung. Da auch biologische Vor-gänge (Photosynthese) und Abläufe in der Umwelt (Korrosion) als elektrochemische Reaktionen aufgefasst werden können, kommt den bei diesen Untersuchungen gewonnenen Ergeb-nissen eine breite Bedeutung zu. Die hier untersuchten Sys-teme und Vorgänge schließen ein:

Elektrochemische Energiewandler und –speicher Speicherung vor allem elektrischer Energie ist für das Funkti-onieren einer Industriegesellschaft unerlässlich, selbst in in-dustriefernen Regionen sind Kommunikation, medizinische Grundversorgung und tägliches Leben ohne sie nahezu un-möglich.

Unsere Arbeiten an Materialien für Natrium- und Lithiumio-nenbatterien, an Elektrolytsystemen, an Materialien und Sys-temen für Superkondensatoren versuchen Beiträge zur Wei-terentwicklung von Komponenten und Systemen zu leisten. Das voranstehende Bild zeigt das Labormuster eines Super-kondensators, der eine Leuchtdiode betreibt. Das folgende Bild zeigt Mikroskopieaufnahmen aktiver Bestandteile.

Intrinsisch leitfähige Polymere Von zahlreichen organischen Molekülen (z.B. Anilin, Pyrrol, Thiophen und ihren substituierten Abkömmlingen) können intrinsisch elektronisch leitfähige Polymere hergestellt, modi-fiziert und charakterisiert werden. Ihre durch das Elektroden-potential veränderbare Farbe (Elektrochromie, s. Bilder in der

Professur für Physikalische Chemie/Elektrochemie

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Kopfzeile) zählt zu den spektakulär-sichtbaren Eigenschaften, andere potentielle Anwendungen in der elektrochemischen Energietechnik im Korrosionsschutz, der Sensorik und der Oberflächenmodifizierung sind ebenfalls vielverheißend. Un-sere Gruppe leistet mit grundlegenden Untersuchungen eben-so wie mit Arbeiten zur Anwendung Beiträge dazu.

Korrosion Die enorme volkswirtschaftliche Bedeutung von Folgen der Korrosion insbesondere der Metalle rechtfertigt bereits inten-sive Arbeiten zu ihrem Verständnis und ihrer Minderung. Bio-logische Wirkungen von z.B. Korrosionsprodukten in zahnme-dizinischen Anwendungen legen experimentelle Untersuchun-gen zum Einfluss der Materialzusammensetzung, der Verar-beitungsparameter und der in vivo-Umgebung nahe. Mit Arbei-ten zum Verhalten von Palladiumbasislegierungen, Amalga-men und Nichtedelmetalllegierungen tragen wir dazu bei.

Selbstorganisierte Monolagen Zahlreiche Moleküle adsorbieren an der Phasengrenze Fest-körperoberfläche/Gasphase oder /Lösung und bilden danach auf der Oberfläche eine mehr oder weniger wohl organisierte

Belegung aus, in der neben starken Wechselwirkungen der Teilchen mit der Oberfläche auch die Wechselwirkungen der Teilchen miteinander von größter Bedeutung sind.

Mit elektrochemischen, vor allem aber mit in situ-spektrosko-pischen Untersuchungen solcher Belegungen tragen wir zum Verständnis von Ausbildung, Eigenschaften und Verhalten bei.

Ausgewählte Veröffentlichungen: D.P. Dubal, R. Holze, Pure & Appl. Chem. 86, 2014, 611. R. Holze, Y.P. Wu, Electrochim. Acta 122, 2014, 93. D.P. Dubal, R. Holze, P. Gomez-Romero, ChemPlusChem 80, 2015, 94. M. Bron, R. Holze, J. Solid State Electrochem. 19, 2015, 2673. F. Wang, Y. Liu, X. Wang, Z. Chang, Y. Wu, R. Holze, ChemElectroChem 2, 2015, 1024. R. Holze, Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 2015, 21364. Z. Chang, Y. Yang, X. Wang, M. Li, Z. Fu., Y. Wu, R. Holze, Sci. Rep. 5, 2015, 11931.

H

S

N

S

N

H

S

N

H

S

N

H

S

N

H H -

pH > 7pH < 7

++

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

3600

4000

Ra

ma

n in

ten

sity /

s-1

Raman shift / cm-1

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Prof. Dr. Stefan Spange Professur für Polymerchemie Tel.: +49 (0)371 / 531-31714 stefan.spange@chemie.tu-chemnitz.de Straße der Nationen 62 | R. 317b

Polymerchemie Die Arbeitsgruppe ist auf die Synthese und Charakterisierung neuer komplexer anorganisch/organischer und organisch/or-ganischer Hybridmaterialien sowie makromolekularer Archi-tekturen ausgerichtet. Weiterhin stehen funktionale Farbstoffe zur empirischen Po-laritätsmessung von ionischen Flüssigkeiten und Metalloxid-oberflächen im Fokus des Arbeitskreises. Auch die Entwick-lung neuer radikalischer Initiatoren und reversibel schaltbarer Polymere gehören zum Forschungsfeld der Arbeitsgruppe. Die interdisziplinäre Ausrichtung der Arbeitsgebiete der Pro-fessur beinhaltet eine enge Kooperation mit theoretischen Chemikern, Physikern und Ingenieuren.

Zwillingspolymerisation Das übergeordnete Ziel des kooperativen Forschungsvorha-bens ist die Entwicklung von materialwissenschaftlichen Kon-zepten, bei denen gleichzeitig zwei oder mehrere Polymere in einem Prozess entstehen. Voraussetzung dafür ist die Aufklä-rung der zugrunde liegenden Zusammenhänge, ausgehend von der Reaktivität bzw. elektronischen Struktur der komple-xen Monomerbausteinen, über die Reaktionsverläufe im Poly-merisationsprozess bis hin zu angestrebten Materialzusam-mensetzungen und damit den Materialeigenschaften. Im Rah-men der konzeptionellen Synthesestrategie der Zwillingspoly-

merisation werden Stufenpolymerisationen, Ringöffnungspo-lymerisationen und die Polymerisation von Vinylmonomeren einbezogen.

Funktionale Farbstoffe Chromophore/fluorophore Systeme mit funktionellen Grup-pen, wie Boronsäuren, Aminosäuren, Barbituraten und Diolen, ermöglichen eine Einbindung in supramolekulare Strukturen und die Detektion von biologisch relevanten Verbindungen.

Funktionalisierung und Polaritätsmessungen von Oberflächen Im Arbeitskreis wurde eine schnelle UV/Vis-spektroskopische Methode entwickelt, mit der die komplexe Polarität von funk-tionalisierten Oberflächen ermittelt werden kann. Dabei wer-den verschiedene solvatochrome Sondenmoleküle genutzt,

Nanokomposite in Form von Eulenfiguren, hergestellt durch

Substanzpolymerisation von schrumpfarmen Zwillingsmonome-ren in der Schmelze (mitte, rechts) in einer Silikongussform für

Zinnfiguren (links zum Vergleich)

Professur für Polymerchemie

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um die Acidität, die Basizität und die Dipolarität/Polarisierbar-keit von Oberflächen und ionischen Flüssigkeiten zu bestim-men.

Ionische Flüssigkeiten und Polyvinylamin Von über 120 verschiedenen Ionischen Flüssigkeiten wurde der Einfluss der Kationenstruktur (Imidazolium, Pyridinium, Tetraalkylammonium und Phosphonium) und der korrespon-dierenden Anionen auf die Gesamtpolarität (Säure-Base-Ver-halten und Dipolarität/Polarisierbarkeit) untersucht. Polyvinylamin als wasserlöslicher kationischer Polyelektrolyt dient als vielseitige Komponente zur Oberflächenfunktionali-sierung oder in Hybrid-Material-Synthesen und kann aufgrund seiner vielfältigen funktionellen Möglichkeiten als chemi-sches Chamäleon bezeichnet werden.

Radikalische Polymerisation Basen mit einer Iminbindung werden als Co-Initiatoren für steuerbare radikalische Polymerisationen von Acrylatmono-

meren genutzt. Die Kombination von Iminbasen/Acrylatmono-mer-Systemen mit Isocyanaten und ionischen Flüssigkeiten eröffnet neue synthetische Aspekte zur Kombination der Ac-rylatpolymerisation mit der Isocyanatchemie der Po-lyurethane und Polyharnstoffe.

Serviceleistungen: Festkörper-NMR-Spektroskopie Oberflächenpolaritätsbestimmung mittels sol-

vatochromer Sondenmoleküle UV/Vis- und Fluoreszenzmessungen

Ausgewählte Veröffentlichungen: [1] T. Löschner, A. Mehner, S. Grund, A. Seifert, A. Pohlers, A. Lange,

G. Cox, H.-J. Hähnle, S. Spange, A Modular Approach for the Syn-thesis of Nanostructured Hybrid Materials with Tailored Proper-ties: The Simultaneous Twin Polymerization, Angew. Chem. Int. Ed. 51, 2012, 3258.

[2] M. Göring, A. Seifert, K. Schreiter, P. Müller, S. Spange, A non-aque-ous procedure to synthesize amino group bearing nanostructured organic-inorganic hybrid materials, Chem. Commun. 50, 2014, 9753.

[3] S. Seifert, S. Höhne, F. Simon, C. Hanzelmann, R. Winkler, T. Schmidt, R. Frenzel, P. Uhlmann, S. Spange, Adsorption of Poly(vi-nylformamide-co-vinylamine) Polymers (PVFA-co-PVAm) on Cop-per, Langmuir 28, 2012,14935.

[4] A. Schade, N. Behme, S. Spange, Dipolarity versus Polarizability and Acidity versus Basicity of Ionic Liquids as Function of their Mo-lecular Structure, Chem. Eur. J. 20, 2014, 2232.

[5] I. Polenz, A. Laue, T. Uhrin, T. Rüffer, H. Lang, F. G. Schmidt, S. Spange, Thermally cleavable imine base/isocyanate adducts and oligomers suitable as initiators for radical homo- and copolymeri-zation. Polym. Chem. 5, 2014, 6678.

Solvatochromie eines organischen Farbstoffes an verschiede-

nen anorganischen Oxiden

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Juniorprof. Dr. Evgeny A. Kataev Juniorprofessur für supramolekulare Chemie Tel.: +49 (0)371 / 531-39841 evgeny.kataev@chemie.tu-chemnitz.de Straße der Nationen 62 | R. 151

Supramolekulare Chemie Zu den Forschungsgebieten der Juniorprofessur für supramo-lekulare Chemie gehören Selbstorganisation, molekulare Er-kennung, sowie color- und fluorometrische Sonden für Anio-nen und molekulare Schalter und Geräte.

Steuerung der Selbstassemblierung Eine der größten Herausforderung in der supramolekularen Chemie ist die Steuerung der Selbstorganisation um Moleküle mit gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Die Natur kann das anhand von der Vorlagen verwirklichen, da sie funktionelle Moleküle als Antwort auf äußere Reize oder ihr Umfeld bildet. In unserer Arbeit imitieren wir dieses Verhältnis der biologi-schen Systeme. Die enthaltene Information in wechselwirken-den Molekülen wird an die selbstorganisierten Gerüste über-tragen (Rezeptoren, Sonden oder Katalysatoren). Mit diesem Ansatz entwickeln wir neue Rezeptoren für die Anionen (Abb. 1). Wenn wir die richtige Struktur für einen Rezeptor kennen, konstruieren wir eine molekulare Sonde für das Anion auf Ba-sis der bekannten Struktur. Ein fluoreszierender Farbstoff wird an den Rezeptor angeknüpft, so dass eine Änderung in der Fluoreszenz eine Information über die Bildung vom Wirt-Gast-Komplex liefert.

Molekulare Erkennung vom Phosphat In diesem Projekt fokussieren wir uns auf die Erkennung und Detektion von Phosphat, da Phosphate eine essentielle Rolle für alle lebenden Organismen spielen. Neueste Prognosen sa eine starke Reduzierung und Erschöpfung der phosphorhalti-gen Minerale in den nächsten 40 Jahren vorher. Das Verständ-nis um die Prinzipien der Bindung und Detektion von Phosphat in Wasser ist von fundamentaler und technologischer Bedeu-tung. Wir stellen uns dieser Herausforderung mit der Entwick-lung und dem Aufbau äußerst selektiver Rezeptoren zur Bin-dung von Phosphat in Wasser. Eine unserer Strategien enthält die Kombination von verschiedenartigen Bindungszentren in

Abbildung 1. Chlorid-induzierte Synthese von einem

Makrocyklus.

Professur für Supramolekulare Chemie

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einem Rezeptor, welche die verschiedenen und nichtkovalen-ten Wechselwirkungen mit dem Anion gewährleisten. Ein vor kurzem entwickelter Rezeptor für Phosphat beinhaltet Dipyr-rol- und Guanidinium-Bindungseinheiten (Abb. 2).

Fluoreszente Sonden für Nukleotide Nichtkovalente Wechselwirkungen zwischen Nukleinbasen und aromatischen Aminosäuren sind zum Verständnis der Struktur lebenswichtiger Bausteine essentiell. Diese Wechsel-wirkungen stabilisieren in der Natur vorkommende DNA-Pro-tein-Komplexe und sind in ihrer Stärke genauso wichtig wie die bekannten Wasserstoffbrückenbindungen. Die Kenntnis von nichtkovalenten Wechselwirkungen zwischen Nukleinba-sen und aromatischen Verbindungen wie Farbstoffen ist für die Entwicklung von Fluoreszenzsonden für Nukleotide und kurze DNA- oder RNA-Sequenzen besonders interessant. Wei-terhin kann das Verständnis der nichtkovalenten Wechselwir-kungen in diesen Komplexen ein wichtiger Fortschritt auf dem Weg zum rationalen Wirkstoffdesign sein. Weil die reinen Nuk-leotid-Aromat-Komplexe aufgrund der geringen Bindungs-energie schwierig zu untersuchen sind, verwenden wir Zink-

haltige Komplexe, die stark über eine zweite Koordinations-stelle gebunden sind (Abb. 3). Diese Rezeptoren verfügen über einen aromatischen Rest, der mit der Nukleinbase eine nicht-kovalente Wechselwirkung eingehen kann. In unsere Arbeit bestimmen wir die Selektivität solche Rezeptoren mit experi-mentellen und theoretischen Methoden.

Ausgewählte Veröffentlichungen: [1] Kataev, E. A.; Müller C., Kolesnikov, G.V., Khrustalev, V.N.

Guanidinium-based Artificial Receptors for Binding Orthophos-phate in an Aqueous Solution, Eur. J. Org. Chem. 2014, 2747.

[2] Kataev, E. A.; Müller C. Recent advances in molecular recognition in water: artificial receptors and supramolecular catalysis, Tetrahe-dron, 2014, 137.

[3] Kataev, E. A.; Kolesnikov, G. V.; Arnold, R.; Lavrov, H. V.; Khrustalev, V. N., Templating Irreversible Covalent Macrocyclization by Using Anions., Eur. J. Chem. 2013, 3710.

[4] Kataev, E.; Arnold, R.; Rüffer, T.; Lang, H., Fluorescence Detection of Adenosine Triphosphate in an Aqueous Solution Using a Combi-nation of Copper(II) Complexes, Inorg Chem. 2012, 51, 7948

Abbildung 2. Struktur des neuen Rezeptors für Phosphat.

Abbildung 3. Struktur des Wirt-Gast Komplexes zwischen dem

Zn(II)-Komplex und dem Nukleotid.

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Junior Prof. Dr. Joachim Friedrich Juniorprofessur für Theoretische Chemie und Angewandte Quantenchemie Tel.: +49 (0)371 / 531-34915 joachim.friedrich@chemie.tu-chemnitz.de Straße der Nationen 62 | R. 156

Theoretische Chemie und Angewandte Quantenchemie

Entwicklung neuer effizienter Korrelationsmetho-den Heutzutage werden zur Beschreibung von großen Molekülen oder Oberflächen Dichtefunktionaltheorie (DFT) basierte Me-thoden verwendet. Mit diesen Methoden ist es möglich in kur-zer Zeit die Energie des zu untersuchenden Systems zu erhal-ten. Ein erhebliches Problem von DFT Methoden liegt darin, dass diese Methoden nicht systematisch verbessert werden können und somit die Fehler nicht vorhergesagt werden kön-nen. Hochgenaue Ergebnisse können mit wellenfunktionsba-sierten Methoden, wie Coupled-Cluster mit Einfach-, Zweifach- und störungtheoretischen Dreifachanregungen (CCSD(T)), er-halten werden. CCSD(T) ist jedoch aufgrund des Skalierungs-verhaltens bezüglich der Einteilchenbasis O(N7) nur für kleine bis mittelgroße Systeme anwendbar. Daher verwenden wir lo-kale Näherungen, um die ungünstige Skalierung zu reduzieren, ohne die Genauigkeit der CCSD(T) Methode signifikant zu be-einflussen. Aufgrund der lokalen Näherungen kann die CCSD(T) Methode auch auf große Systeme angewendet wer-den. In unserer Gruppe wird die Inkrementenmethode zur Ein-führung der lokalen Näherungen verwendet. Hierbei wird das System in kleine Domänen zerlegt. Die Korrelationsenergie wird dann für die Domänen, Domänenpaare etc. berechnet. Die Gesamtenergie ergibt sich dann über die Inkrementenreihe:

𝐸𝑐𝑜𝑟𝑟 =∑∆𝜀𝑖 +∑∆𝜀𝑖𝑗 +

𝑖>𝑗

∑ ∆𝜀𝑖𝑗𝑘 +⋯

𝑖>𝑗>𝑘𝑖

die Inkremente erster Ordnung entsprechen der Korrelations-energie der einzelnen Domänen:

∆𝜀𝑖 = 𝜀𝑖

und den Inkrementen zweiter Ordnung:

∆𝜀𝑖𝑗 = 𝜖𝑖𝑗 − 𝜀𝑖 − 𝜀𝑗

Die Inkremente höherer Ordnung werden analog berechnet. Derzeit konnte eine automatisierte Version der Inkrementen-methode für MP2, CCSD, CCSD(T) und CCSD(T)(F12) imple-mentiert werden. Diese Methoden konnten bereits für große Systeme wie Wassercluster sowie Aqua- und Amin-Komplexe angewendet werden. Solche Rechnungen können als Bench-mark für state-of-the-art DFT Funktionale verwendet werden, um deren Genauigkeit zu überprüfen. Die AG Friedrich ist zur-zeit die weltweit einzige Arbeitsgruppe, in der Bindungsener-gien großer molekularer Cluster hoch genau berechnet werden können. In der AG Friedrich wurde an [Al(H2O)25]3+ eine der weltweit größten Coupled Cluster Rechnungen mit über 6000 AO-Basisfunktionen durchgeführt. Noch vor wenigen Jahren waren Coupled Cluster Rechnungen für solche Systeme in ei-ner adäquaten Einteilchenbasis unmöglich.

Juniorprofessur für Theoretische Chemie und Angewandte Quantenchemie

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Die Inkrementenentwicklung für Dipolpolarisier-barkeiten Kürzlich haben wir die weltweit erste vollautomatische Imple-mentierung der Inkrementenmethode zur effizienten Berech-nung von molekularen Eigenschaften entwickelt. Mit diesem Code konnten wir die Genauigkeit der Inkrementenreihe für frequenzabhängige Dipolpolarisierbarkeiten untersuchen. Aufgrund der großen Wichtigkeit dieser Entwicklung wurde unser Artikel auf der Titelseite von PCCP veröffentlicht.

Ausgewählte Publikationen: [1] T. Anacker, D. P. Tew, J. Friedrich: First UHF Implementation of the

Incremental Scheme for Open-Shell Systems J. Chem. Theory Comput., 2015, accepted.

[2] J. Friedrich: Efficient calculation of accurate reaction energies - Assessment of different models in electronic structure theory, J. Chem. Theory Comput. 11, 2015, 3596.

[3] J. Friedrich, H. R. McAlexander, A. Kumar, T. D. Crawford: Incre-mental evaluation of coupled cluster dipole polarizabilities, Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 2015, 14284.

[4] T. Anacker, J. Friedrich: New Accurate Benchmark Energies for Large Water Clusters -- DFT is Better Than Expected J. Comput. Chem. 35, 2014, 634.

[5] J. Friedrich, J. Hänchen: Incremental CCSD(T)(F12*)|MP2 - A black box method to obtain highly accurate reaction energies J. Chem. Theory Comput. 9, 2013, 5381.

[6] J. Friedrich, K. Walczak: Incremental CCSD(T)(F12)|MP2-F12 - A method to obtain highly accurate CCSD(T) energies for large mol-ecules, J. Chem. Theory Comput. 9, 2013, 408.

Die Inkrementen Methode liefert chemische Genauigkeit für Re-aktionsenergien und kann daher für genaue Rechnun-gen an

großen Systemen eingesetzt werden

Die Inkrementen Methode liefert chemische Genauigkeit für Reaktionsenergien und kann daher für genaue Rech-

nungen an großen Systemen eingesetzt werden

Prof. Dr. Alexander A. Auer Honorarprofessur für Computergestützte Quantenchemie Tel: +49 (0)208 306 3581 Email: alexander.auer@cec.mpg.de Postfach 10 13 65 / D - 45413 Mülheim an der Ruhr

Computergestützte Quantenchemie Unsere Arbeitsgruppe ist Teil des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr und be-schäftigt sich mit Entwicklung und Anwendung von quanten-chemischen Methoden in den Materialwissenschaften und der Katalyse.

Methodenentwicklung in der Quantenchemie Die Arbeit im Bereich der Methodenentwicklung wird in unse-rer Gruppe in unterschiedlichen Richtungen durchgeführt. Als Beispiele seien hier neue Algorithmen für existierende An-sätze wie z.B. die Berechnung von NMR Parametern genannt. Aber auch die Erweiterung von konventionellen Ansätzen wie z. B. DFT für Systeme unter elektrochemischem Potential[1] o-der Neuentwicklungen wie Tensorzerlegung für Post-HF Me-thoden[2] sind Gegenstand der Forschung. Als Plattform unse-rer Entwicklungen dient das ORCA Programmpaket, das am MPI CEC entwickelt wird.[3]

Anwendungen in Materialwissenschaften und Ka-talyse Im Rahmen der Forschergruppe "Zwillingspolymerisation" (FOR 1497) werden in unserer Gruppe Arbeiten zur kationi-schen und thermischen Zwillingspolymerisation durchgeführt, über die aus unterschiedlichen Precursoren organisch/anor-ganische Nanokomposite erhalten werden.[4] Des Weiteren ist

unsere Gruppe am MAXNET-Energy Forschungsverbund be-teiligt. Hier sollen Elektronenstrukturrechnungen an Platin Nanopartikeln dazu beitragen, den Reaktionsmechanismus der elektrokatalytischen Sauerstoffreduktion und -Entwick-lung aufzuklären und Struktur-Funktionszusammenhänge von Kohlenstoffmaterialien als Katalysator und Träger zu ent-schlüsseln.[5]

Ausgewählte Veröffentlichungen: [1] W.B.Schneider, A. A. Auer, Constant Chemical-Potential Approach

for Quantum Chemical Calculations in Electrocatalysis. Beilstein J., Nanotechn. 5, 2014, 668.

[2] U.Benedikt, K.-H. Böhm, A. A. Auer, Tensor-Decomposition in Post-HF Methods, J. Chem. Phys. 139, 2013, 224101.

[3] ORCA - an ab initio, DFT and semiempirical SCFMO package, see https://orcaforum.cec.mpg.de/

[4] A. A. Auer, A. Richter, A. V. Berezkin, D. V. Guseva, S. Spange. The-oretical Study of Twin Polymerization - From Chemical Reactivity to Structure Formation, Macromol. Theor. Sim. 21, 2012, 615.

[5] W. B. Schneider, U. Benedikt, A. A. Auer, Interaction of Platinum Nanoparticles with Graphitic Carbon Structures: A Computational Study. ChemPhysChem 14, 2013, 29.

Computermodell unterschiedlicher Platin Nanopartikel und

Sauerstoffspezies auf einem Kohlenstoffsupport