Synthesis and reactivity of low-valent group 13 compounds

Abstract

Mixed species containing elements from both group 13 and 15 have been of interest for decades due to their potential application in the production of semiconducting materials. However, their synthesis remains challenging since they are highly reactive and tend to oligomerize. In this thesis, different approaches were followed for producing these highly reactive species. One of these approaches involves employing strong s-donating Lewis bases, namely N-heterocyclic carbenes (NHCs). Novel phosphanylgallanes have been prepared from various phosphorous sources and studied for elimination reactions to afford group 13-15 multiple bonds. Additionally, their electronic properties were investigated both experimentally and by computational methods. Another approach for stabilization of inherently instable and reactive species relies on employing sterically hindering ligand systems. Bis(silylamido)napthalene and carbazole derivatives were used for the preparation of low-valent aluminum and gallium species. Further reactivity studies were conducted including Al(II) radical addition reaction to the benzene ring and oxidative cyclization of a gallylene with a p-component. Finally, a low-valent mono-coordinated gallium (I) compound was synthesized, and its reactivity tested towards various substrates including transition metal complexes, Lewis bases, and unsaturated compounds. Moreover, its potential as a precursor to form Ga=N and Ga=P multiply bonded species was explored.

Gemischte Verbindungen der Elemente der Gruppen 13 und 15 sind aufgrund ihres Potenzials in der Herstellung von Halbleitermaterialien von Interesse. Die Synthese dieser Verbindungen ist oft herausfordernd, da sie sehr reaktiv sind und zur Oligomerisierung neigen. Die vorliegende Dissertation konzentriert sich auf verschiedene Ansätze zur Herstellung dieser hochreaktiven Spezies. Im ersten Teil, N-heterozyklischer Carbene (NHC) wurden für die Synthese von neuartigen Phosphagallanen verwendet. Diese wurden auf Eliminierungsreaktionen untersucht, um Mehrfachbindungen zwischen Elementen der Gruppen 13 und 15 zu ermöglichen. Außerdem wurden ihre elektronischen Eigenschaften experimentell und mittels theoretischer Methoden untersucht. Im zweiten Teil wurden sterische anspruchsvolle Ligandensysteme, z.B. Bis(silylamido)napthalin- und Carbazol-Derivate, für die Herstellung von niedervalenten Aluminium- und Galliumspezies verwendet. Weitere Reaktivitätsstudien wurden durchgeführt, darunter die radikalische Al(II)-Additionsreaktion an Benzol und die oxidative Cyclisierung eines Gallylens mit einer p-Komponente. Schließlich wurde eine niedrigvalente monokoordinierte Gallium(I)-Verbindung synthetisiert und ihre Reaktivität gegenüber verschiedenen Verbindungen, einschließlich ungesättigter Verbindungen, Lewis-Säuren und Basen, untersucht. Außerdem wurde ihr Potenzial als Vorläufer für die Bildung von Ga=N- und Ga=P-Mehrfachbindungen untersucht.