Dimensionsanalyse von Lewis-Azidität: Ein theoretischer, experimenteller und datengestützter Ansatz

• Antragsteller: Professor Dr. Lutz Greb
• Fachliche Zuordnung: Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 538774058

Das Konzept der Lewis-Säuren wurde vor über einhundert Jahren formuliert. Trotzdem existiert noch immer kein zufriedenstellendes Model zum quantitativen Verständnis der „Stärke“ einer Lewis-Säure. Einige Tendenzen lassen sich zwar durch das Prinzip der harten und weichen Säuren beschreiben, jedoch deuten zahlreiche Ausnahmen auf signifikante Schwachstellen dieser empirischen Sichtweise hin. Während in früheren Epochen solche und ähnliche Modelle auf Basis limitierter experimenteller Daten erstellt wurden, erlauben moderne computerchemische oder analytische Methoden die Generierung von Affinitätsdaten in substanziell größeren Umfang (Faktor > 1000). Ziel dieses Vorhabens ist es, Lewis-Azidität mit Hilfe von statistischen Methoden zu untersuchen. Ausgangspunkt ist die Erzeugung eines Datensatzes von ca. 30000 berechneter Affinitätsdatenpunkten. Hierzu wird zunächst durch geeignete Trainingsdatensätze ein maschinelles Lernmodell generiert, welches ausschließlich anhand der zweidimensionalen Lewis-Struktur einer Verbindung deren Affinität gegenüber ausgewählten Donoren vorhersagen kann. Parallel zu diesen theoretischen Ansätzen, und um Effekte in kondensierter Phase nicht aus dem Blick zu verlieren, werden thermodynamische Daten zur Lewis Paar Bildung per isothermaler Kalorimetrie (ITC) gewonnen (ca. 500 experimentelle Affinitäten). Die Etablierung der ITC zum Betrieb unter Schutzgasbedingungen stellt ein Novum in der anorganischen Molekülchemie dar. Auf diese Weise wird erstmals eine konsistente Datenbank experimenteller Lewis-Paar-Bildungsenthalpien generiert, die als Benchmark für die theoretischen Methoden des ersten Teilprojektes dienen können. Schließlich werden die gesammelten theoretischen und experimentellen Affinitäten von Lewis-Säuren gegenüber zahlreicher Lewis-Basen per Dimensionsreduktion und verwandten Techniken analysiert. So wird per Prinzipalkomponentenanalyse eine Aussage darüber getroffen, wie viele und welche Affinitätsskalen benötigt werden, um möglichst die maximale Information zu einer Lewis-Säure widerzugegeben. Durch Faktoranalyse kann aus der statistischen Behandlung eine physikochemische Interpretation erfolgen, und Aufschluss darüber liefern, welche Faktoren maßgeblich für die Affinität einer Lewis-Säure gegenüber bestimmter Lewis-Basen verantwortlich sind. Was ist die Dimensionalität des Lewis-Säure Problems? Diese Forschung stellt unseren Wissens nach den ersten „big-data“ Ansatz zur Begutachtung dieses jahrhundertalten Konzeptes dar. Wir erwarten entscheidende Kenntnissteigerungen mit Implikationen in der Katalyse, Materialforschung und in den Lebenswissenschaften.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Isothermalkalorimeter
• Gerätegruppe: 8660 Thermoanalysegeräte (DTA, DTG), Dilatometer