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Light Harvesting using Metal-Organic and Organic Sensitizers in Hybrid Solar Cells: Synthesis, Characterisation and Application

Katja Gräf — Tue, 26 Mar 2013 12:22:56 +0100

This thesis addresses the question how to improve light harvesting with novel tailor-made metal-organic and organic sensitizers for solid-state hybrid solar cell applications. Two approaches are in the focus: 1) the design and synthesis of sensitizers featuring high extinction coefficients over a broad wavelength range and 2) modern device concepts to further enhance or extend the absorption by the combination of two sensitizers. In short: The primary goal was to broaden and boost the optical density of hybrid solar cells. To reach this, novel sensitizer with extended conjugated π-system providing excellent optical properties had to be designed and synthesised in complex multi-step reaction sequences. For ideal sensitizers, further aspects had to be taken into account such as structural demands, electronic properties, and the tendency towards aggregation. The first part of this thesis deals with the synthesis, characterisation and application of a series of metal-organic ruthenium(II) donor-antenna complexes. In addition to the typically broad absorption of Ru(II)bis(bipyridyl)(NCS)2 complexes in the blue-green region arising from MLCT, these dyes feature much higher extinction coefficients in comparison to a commercially available reference dye lacking any donor-antenna groups. By the application of these Ru(II) complexes in solid-state dye-sensitized solar cells, we found a clear structure-property relationship. The performance - especially the photocurrent density - was significantly improved with increasing extension of the delocalized system of the donor-antenna groups. To further boost the optical density in hybrid solar cells sensitized with a donor-antenna ruthenium dye (Ru-TPA-NCS), we developed an innovative and technically relevant concept for multichromophore sensitization involving a second sensitizer (TPD-dye). The latter absorbs in a region where Ru-TPA-NCS absorbs weakly. The solar cells were fabricated according to a novel method developed by us. However, the power conversion efficiencies of multichromophore hybrid blend solar cells were initially low due the weak interconnectivity of the TiO2 particles. This issue was addressed by an optimization of the TiO2:spiro-OMeTAD ratio and the addition of PCBM A further concept dealing with the combination of two sensitizers in solid-state dye-sensitized solar cell was accomplished by co-sensitization of a triphenyldiamine-based dye (TPD-dye) absorbing in the blue region and squaraine dye (SQ-dye) mainly absorbing the red part of the visible spectrum. In this way, the optical response of the device was extended up to 700 nm. Under optimized conditions, a conversion efficiency of 2.41 % could be reached. To accomplish the desired panchromaticity or even an extension of the absorption up to the NIR region with a single sensitizer, novel BODIPY dyes with excellent optical properties were designed and synthesised. We prepared BODIPYs with donor-groups to extend the delocalized system and integrated a meso-ethynyl bridge between the BODIPY core and the anchoring group to improve the electronic connection between them. For comparison, we synthesised the corresponding BODIPYs without donor-moieties and without ethynyl bridge. The multi-step synthetic routes were optimized, the mechanism of the donor-attachment was clarified and the introduction of the ethynylphenyl group in the meso-position was accomplished for the first time. The optical characterisation of the compounds disclosed an impressively broad and intensive spectral response, especially for a meso-ethynylphenyl BODIPY with donor-groups. This dye absorbs up to 1030 nm with high extinction coefficients. This makes suitable functionalised BODIPYs promising candidates for solar cell applications. The next part took advantage of the excellent optical properties of BODIPYs and expanded the topic towards the concept of energy transfer. Here, an unattached energy donor dye provides additional adsorption and transfers the energy to a sensitizing acceptor dye. Indeed, for appropriate combinations an additional contribution to the external quantum efficiency was found in the absorption region of the energy donor dye. Furthermore, a review chapter covering all aspects of dye-sensitized solar cells and the sensitizers is added as appendix. In summary, this thesis presents the successful design, synthesis and characterisation of both metal-organic and organic sensitizers including ruthenium complexes, triphenyldiamine-based dyes, a squaraine sensitizer and BODIPY dyes. The sensitizers (either individually or in combination with complementary sensitizers) provide excellent optical properties for the application in solar cells. The applicability of these sensitizers was successfully demonstrated in standard solid-state dye-sensitized solar cells, in newly developed multichromophore hybrid blend solar cells, co-sensitized solar cells and in solid-state dye-sensitized solar cells taking advantage of energy transfer.

Synthesis and Combinatorial Optimization of Novel Star-Shaped Resist Materials for Lithographic Applications

Florian Wieberger — Thu, 17 Jan 2013 10:15:33 +0100

Gordon Earle Moore predicted in the mid-1960s the cost-efficient doubling of transistors’ number on integrated circuits every two years – known as Moore’s Law. Leading companies orientates by the development of integrated circuits on this Moore’s Law and contributed to this prediction to come true up to the present. In so doing, the semiconductor industry drafts every two years aims to fulfill this prediction summarized in the so-called International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS). The ITRS lists guidelines for cost-effective progresses in performance of integrated circuits, e.g. design of integrated circuits, advancements of exposure tools and exposure techniques, and closely correlated resist materials. This thesis deals with the development of new resist materials and their combinatorial investigation concerning the performance in lithographic patterning. The lithographic patterning procedure is a sequence of multiple processing steps and thus this procedure involves many processing variables interacting strongly with each other. For understanding and comprehensive investigation of such multi-variable dependent systems the development and implementation of combinatorial approaches were in the focus of this thesis. Furthermore this thesis is focused on the synthesis of new tailored resist materials for lithographic patterning. Star topology was the selected polymer architecture of this new resist material realized via the core-first atom transfer radical polymerization (ATRP) technique. The lithographic performance of electron beam lithography patterning was investigated for the resulting randomly distributed star terpolymers and star block copolymers by combinatorial libraries in view of features’ quality. The first chapter deals with developed, adapted, and improved combinatorial techniques for thin film investigations in general and utilized for lithographic patterning investigations in particular. The lithographic patterning procedure of chemically amplified resist systems consists of various steps: film preparation, post apply bake (PAB) to remove residual solvent, exposure, post exposure bake (PEB) to activate the catalytic reaction, and development. For this rather complex process variable gradients were developed and adapted for each processing step to investigate and optimize the performance of especially new resist systems. For the film preparation a method was developed to prepare an internal material composition gradient. This was realized by a gradient extrudate prepared using two individual controllable syringe pumps and subsequent doctor-blading. The material composition gradient was verified by high performance liquid chromatography. The second (PAB) and also the fourth (PEB) processing step are both annealing processes of the resist film although they serve different purposes. For the investigation of such annealing processes temperature gradients were prepared adjustable in temperature range and temperature slope. This adjustability is ensured by the active heating and the active cooling source and also by the gap and the type of metal plate. For the third step exposure methods were developed to realize defined exposure dose gradients in very small areas of the resist film. Different exposure dose gradients were designed for photolithography as well as for electron beam lithography. For the latter case this dose gradient was programmed in the pattern design using the software which controls the electron beam during the exposure process. The dose gradient for photolithography investigations was realized by a special designed shadow mask. For the last processing step development a preliminary screening of the dissolubility conditions of the resist film was established utilizing quartz crystal microbalances. Based on this measured dissolubility behavior the time frame was set for development time gradients performed by a stepwise or continuously immersion of the resist films. Lastly two to three variable gradients were combined to binary or ternary combinatorial libraries, respectively. The ternary combinatorial libraries allow the investigation of three variables of the lithographic patterning process in one experiment. Thus it is possible to optimize a resist material system fast and efficiently in respect to resist performance. In the second chapter a star-shaped teroligomer is reported as new high potential resist type for lithographic patterning purposes. The polymerization was carried out via the core-first ATRP route using a functionalized saccharose with eight initiating sites as core. Four star-shaped teroligomers were synthesized with varying target arm lengths. In addition a saccharose molecule was synthesized with an average number of 3.5 initiating sites and thus a star oligomer was realized with a reduced arm number but an identical core and similar arm length. As reference resist material a linear model oligomer was synthesized using ethyl 2-bromoisobutyrate as initiator. For all polymers narrow monomodal distributions were detected with polydispersity index values of lower than 1.1. Based on calibration polymerizations runs the monomer feed of the three used monomers was adapted to achieve targeted monomer incorporations for all teroligomers. The targeted monomer incorporation was copied from a currently industrially used linear teroligomer. One star oligomer was selected as proof of principle for the utilization of the star architecture for lithographic purposes. This new resist material was combinatorial investigated in a ternary library and thus optimized in one experiment concerning exposure dose, PEB temperature, and development time. The optimized patterns with a feature size of 100 nm and an excellent line edge roughness (LER) value of 3.1 nm were observed. The last chapter of this thesis demonstrates the straight forward advancement of the star-shaped resist material reported in chapter two. The statistical monomer incorporation was exchanged by the introduction of the tailored star block copolymer architecture. This architecture was synthesized for the first time via the core-first ATRP route by full conversion of a first polar monomer and in-situ polymerization of additionally added nonpolar monomer. The successful syntheses were indicated by contact angle measurements showing increased hydrophobicity of star block copolymers in contrast to random star copolymers with the same monomer incorporation. The star block copolymers exhibited also enhanced dissolubility behavior characterized by quartz crystal microbalance measurements. Furthermore they demonstrated an up to eight times increased sensitivity at their lithographic application in contrast to the synthesized reference linear copolymer. The most promising star block copolymer was selected to investigate its lithographic performance. The optimization was performed in a ternary combinatorial library based on the gradient variables exposure dose and feature size, PEB temperature, and development time. The optimized pattern of clear lines and a feature size of 66 nm was observed with a LER value of 6 nm. To conclude, different tailored star-shaped terpolymers were synthesized using the ATRP core-first route and successfully applied in the lithographic patterning process for the first time. In addition the combinatorial optimization offers the absolutely promising potential of utilizing these star shaped resist materials by the demonstrated brilliant LER values, the achieved extremely high sensitivity, and the fast and efficient development of clear 66 nm lines.

Neue Materialien auf Basis arylsubstituierter 1,3,5-Triazine für blau phosphoreszierende organische Leuchtdioden

Andrea Jahreis — Fri, 07 Dec 2012 12:08:51 +0100

Als Beleuchtungstechnologie der Zukunft stellen organische Leuchtdioden (OLEDs) eine effiziente Alternative zur Glühbirne dar und eröffnen darüber hinaus aufgrund ihrer Eigenschaft als Flächenstrahler gänzlich neue Design- und Anwendungsmöglichkeiten. Weißes Licht in OLEDs wird meist durch Kombination von Emittern der drei Primärfarben rot, grün und blau erzeugt. Für rot und grün sind bereits zahlreiche stabile Matrix-Emitter-Systeme sowie Transport- und Blockermaterialien bekannt. Stabile blaue Emitter und zu diesen kompatible Materialien sind dagegen rar und stehen deshalb im Fokus der Materialentwicklung. Diese Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung neuer niedermolekularer Verbindungen auf Basis arylsubstituierter 1,3,5-Triazine als Elektronenleiter, Lochblocker oder Matrixmaterial für OLEDs mit blauen Phosphoreszenzemittern. Für den Einsatz in diesen müssen die Materialien ein komplexes Anforderungsprofil erfüllen: neben der thermischen und chemischen Stabilität ist bei Verwendung von blauen Phosphoreszenzemittern vor allem ein ausreichend hohes Triplettniveau eine wichtige Voraussetzung. Die im Rahmen dieser Arbeit hergestellten Aryl-1,3,5-triazine können aufgrund der Verknüpfung von Diphenyltriazin als Grundeinheit mit elektronisch unterschiedlichen Substituenten über verschiedene Brückeneinheiten in drei Materialklassen eingeteilt werden. Die symmetrisch aufgebaute Verbindungsklasse der arylsubstituierten Bis-1,3,5-triazine wurde durch die Verknüpfung zweier Diphenyltriazineinheiten über verschiedene aromatische Brücken erzielt und basiert auf der Struktur des literaturbekannten Elektronenleiters 4,4‘-Bis-[2-(4,6-diphenyl-1,3,5-triazinyl)]-1,1‘-biphenyl, der eine Biphenylbrücke - und damit ein für blau nicht ausreichendes Triplettniveau - besitzt. Durch Einführung neuer Brückeneinheiten sollte eine Verringerung der Konjugation und somit eine Anhebung des Triplettniveaus erreicht werden, um die Bis-1,3,5-triazine auch in Kombination mit blauen Phosphoreszenzemittern verwenden zu können. Hierfür wurden drei verschiedene Konzepte verfolgt: Eine Verdrillung des Biphenyls durch Methylgruppen in 2- und 2‘-Position, eine meta-Anknüpfung über einen Phenylring sowie die Verwendung von Dibenzofuran als Heteroaromaten mit geringerer Konjugation als Biphenyl. Die Synthese der Bistriazine erfolgte in zwei Schritten. Zunächst wurde in einer Ringschlussreaktion aus den jeweiligen Disäurechloriden der Brückeneinheit und dem gewünschten Benzonitrilderivat das 3,5-Diaza-pyryliumsalz gebildet. Die anschließende Ammonolyse lieferte schließlich das entsprechende Bistriazin. Durch Alkylsubstitution der äußeren Phenylringe konnte die Löslichkeit der Materialien stark verbessert werden. Alle Verbindungen zeichnen sich durch hohe thermische Stabilität und eine für den späteren Aufdampfprozess vorteilhafte Sublimationsneigung aus. Durch die Substitution mit tert-Butylgruppen gelang es, die Kristallisationsneigung zu unterdrücken und amorphe Filme mit hohen Glasübergangstemperaturen bis zu 182 °C zu erhalten. Die größte Verringerung der Konjugation konnte für die Derivate mit meta-Anknüpfung erreicht wird. Die dafür maßgeblichen optischen Bandlücken lagen zwischen 3,9 eV und 4,1 eV. Die Konjugation bestimmt ebenso das Triplettniveau, das für einen effizienten Betrieb der OLEDs höher liegen muss als das Triplettniveau des Emitters. Die Bistriazine erreichten Triplettenergien bis zu 2,84 eV und sind damit ausreichend für die Verwendung mit blauen Phosphoreszenzemittern. Die Stabilität der Materialien unter dem Einfluss von Elektronen wurde sowohl im Cyclovoltammetrie-Experiment als auch im „Single-Carrier“-Bauteil nachgewiesen. Für die Klasse der silylsubstituierte Phenyl-1,3,5-triazine wurde zur Verbesserung der morphologischen Eigenschaften und der Löslichkeit eine der Diphenyltriazineinheiten der Bistriazine durch eine Triphenylsilylgruppe ausgetauscht. Im Vergleich zu den Bistriazinen konnte die Löslichkeit der Materialien deutlich verbessert und die Kristallisationsneigung gesenkt werden. Die Verbindungen bilden stabile amorphe Filme und weisen Glasübergangstemperaturen bis 115 °C auf. Ihre Triplettenergien von bis zu 2,91 eV liegen über denen der Bistriazine und sind daher auch in Kombination mit tiefer blauen Phosphoreszenzemittern verwendbar. Durch wiederholte Reduktionen im Cyclovoltammetrie-Experiment konnte gezeigt werden, dass es sich bei dieser Klasse ebenfalls um stabile Elektronenleiter handelt. Die donorsubstituierten Phenyl-1,3,5-triazine bilden durch Kombination von Diphenyltriazin als Akzeptor und Phenylcarbazol als Donor ein bipolares Matrixmaterial. Die beiden Einheiten sind dabei nicht konjugativ über eine Etherbindung verknüpft, um ein Absinken der Triplettenergie zu vermeiden. Die Materialien dieser Klasse zeigen von allen untersuchten Verbindungen in dieser Arbeit die geringste Neigung zur Kristallisation. Sie bilden stabile amorphe Filme mit Glasübergangstemperaturen bis 90 °C aus. Die erfolgreiche Trennung des Ladungstransports auf separierten Molekülteilen wurde in der Cyclovoltammetrie und in quantenmechanischen Rechnungen bestätigt. In fluoreszenzspektroskopischen Messungen konnte das Vorliegen von Carbazolexcimeren nachgewiesen werden. Daher konnten die Materialien nicht als Matrix in blau phosphoreszierenden organischen Leuchtdioden eingesetzt werden. Abschließend wurde ein Material aus der Klasse der Bistriazine als Elektronenleiter und Blocker für Löcher und Exzitonen in OLEDs mit blauen Phosphoreszenzemittern eingesetzt. Für das beste Bauteil mit optimierter Ladungsträgerbalance wurden eine externe Quantenausbeute von 14,7 % (bei 300 cd/m²) und eine maximale Leuchtdichte von 113.000 cd/m² erzielt.

Inter- und intramolekulare Assoziationsreaktionen als zentrale Prozesse im Verlauf der Faltung und Stabilisierung von Proteinen

Stephanie Hoffmann-Thoms — Sun, 08 Jul 2012 11:50:26 +0200

Für die Infektion von E. coli Zellen benötigt der filamentöse Phage fd sein aus drei Domänen bestehendes Gen-3-Protein (G3P). Die C-terminale Domäne verankert das G3P in der Phagenhülle, die N-terminalen Domänen N1 und N2 vermitteln die initialen Schritte der Infektion. Im Ruhezustand des Phagen liegen N1 und N2 in assoziierter Form vor, wodurch die Bindungsfläche auf der N1-Domäne für den sekundären Rezeptor, die C-terminale Domäne von TolA, blockiert wird. Zur Aktivierung des G3P interagiert der Phage über seine N2-Domäne mit dem F-Pilus der Wirtszelle wodurch die für die Assoziation der Domänen wichtige Gelenkregion entfaltet und das dort befindliche Pro213 in die trans-Konformation übergeht. Die Lebenszeit des aktiven Zustandes wird limitiert durch die Reisomerisierung von Pro213, die jedoch sehr langsam abläuft. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, welche Bereiche für die Population des offenen bzw. geschlossenen Zustandes und damit die Funktionalität des G3P wichtig sind. Über die Analyse des Faltungsmechanismus des Wildtyp G3P, sowie der Stabilität und Struktur seines Intermediates mittels NMR-Spektroskopie, konnte gezeigt werden, dass die Gelenkregion in der aktiven Form komplett entfaltet vorliegt. In der Variante G3P IIHY, die unter anderem in der Gelenkregion zwei stabilisierende Substitutionen enthält, sind dagegen die Domänen im Intermediatszustand noch lose miteinander assoziiert. Die Unterschiede in der Stärke der Domänenassoziation beeinflussen die Wechselwirkung der entsprechenden G3P-Varianten mit TolAC, was in vitro anhand von Bindungsexperimenten nachgewiesen werden konnte. Sowohl im aktiven Intermediat, als auch in der nativen Form führen stabilisierende Austausche zu einer deutlichen Verschlechterung der Interaktionsfähigkeit des G3P mit TolAC. Dies wurde zusätzlich durch Infektionsexperimente sowohl mit pilusfreien, als auch mit pilushaltigen Zellen bestätigt. Die Analyse der Stabilität und des Faltungsmechanismus der P213G-Variante des fd G3P zeigt, dass auch Pro213 die Stabilität des inaktiven Ruhezustandes und damit die Lebensdauer der aktiven Form beeinflusst. Aufgrund des Verlustes des Prolinschalters liegt das entsprechende G3P P213G zum großen Teil in nicht assoziierter und damit instabiler Form vor. Durch den Austausch der beiden zu Pro213 benachbarten Reste sind die N-terminalen Domänen ebenfalls fast vollständig unabhängig voneinander, was unter anderem auf die beschleunigte Isomerisierung an Pro213 zurückgeführt werden kann. Um zu analysieren, welche Bereiche des G3P an der Weiterleitung des Signals der Bindung von N2 an den Pilus beteiligt sind, wurden verschiedene Substitutionsvarianten hergestellt, thermodynamisch charakterisiert und die Infektiositäten der entsprechenden Phagenvarianten untersucht. Dabei zeigte sich, dass die erste Schleife der N1-Domäne, die sich in der Interaktionsfläche zur N2-Domäne befindet, eine wichtige Rolle spielt. Nach Ersatz durch eine kürzere Schleife liegen N1 und N2 fast vollständig dissoziiert vor, wie unter anderem aus der Analyse der Affinität gegenüber TolAC sowohl in vitro als auch in vivo hervorgeht. Während der Aktivierung müssen im Umkehrschluss auch die Wechselwirkungen zwischen der Schleifenregion von N1 und N2 gelöst werden. Aufgrund der hohen Stabilität seines G3P im Ruhezustand wird der fd Phage als Grundlage des PROSIDE-Selektionsverfahrens verwendet, um stabilisierte Proteinvarianten zu erhalten. Für das Gb1-Protein aus Streptococcus sp. wurden darüber unter anderem vier stark stabilisierende hydrophobe Austausche identifiziert, die in der Variante Gb1-M2 kombiniert wurden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Stabilität dieser hyperstabilen Variante näher analysiert. Die relativ zum WT-Gb1 deutlich erhöhte Stabilität von Gb1-M2 ist dabei zum Teil durch deren Dimerisierung bedingt. Die Kristallstruktur des Proteins zeigt, dass die Assoziation der Monomere über die Ausbildung eines intermolekularen b-Faltblattes und eine hydrophobe Interaktionsfläche vermittelt wird. Der Kern dieser Assoziationsfläche wird durch Leucinreste an den Positionen 16 und 37 gebildet. Die Untersuchung weiterer Varianten hat gezeigt, dass die Kombination von hydrophoben Resten an diesen Positionen zur Dimersierung führt. Um den Beitrag der Austausche zur konformationellen Stabilität des Monomers von Gb1-M2 zu bestimmen, wurde dessen Faltungsmechanismus mittels Einzel- und Doppelmischexperimenten analysiert. Die Faltung des Monomers konnte dabei von der Einstellung des Monomer-Dimer-Gleichgewichtes getrennt und seine Stabilität bestimmt werden. Diese ist gegenüber dem WT-Gb1 deutlich erhöht. Eine solche kinetische Analyse kann allgemein für oligomere Proteine verwendet werden, um die Stabilität ihrer monomeren Form zu ermitteln. Voraussetzung ist, dass, wie in Gb1-M2, die Faltung des Monomers schneller abläuft als die Einstellung des Monomer-Oligomer-Gleichgewichtes.

Template-Directed Synthesis of One-Dimensional Hybrid Nanostructures from Cylindrical Polymer Brushes

Markus Müllner — Wed, 06 Jun 2012 11:39:55 +0200

The thesis deals with the study of cylindrical polymer brushes (CPBs) and their use in template chemistry. Herein, we developed template-directed syntheses of one-dimensional (1D) hybrid nanostructures in which CPBs served as 1D soft templates. So called ‘molecular’ core-shell or core-shell-corona CPBs, as well as CPBs obtained through microphase separation of diblock copolymers, were applied as templates for the preparation of various types of 1D organic-inorganic hybrid nanomaterials. Well-defined molecular core-shell and core-shell-corona CPBs with a narrow molecular weight distribution in both the backbone and the side chains have been synthesized via the combination of several polymerization techniques. Anionic polymerization has enabled the precise synthesis of polymer backbones, whereas atom transfer radical polymerization and ring-opening polymerization have allowed the sequential growth of side chains via the ‘grafting-from’ approach. Depending upon the desired functional 1D hybrid nanostructures, different combinations of core, shell and corona have been chosen. Core-shell-corona CPBs with a poly(tert-butyl acrylate) (PtBA) core, a poly(3-acryloylpropyl trimethoxysilane) (PAPTS) shell and a poly[oligo (ethylene glycol) methyl ether methacrylate] (POEGMA) corona were hydrolyzed by aqueous ammonia to produce water-soluble organo-silica hybrid nanotubes. As the trimethoxysilyl group was directly incorporated into the structure of the CPBs, we avoided the addition of an external inorganic precursor. Amphiphilic core-shell-corona CPBs with a hydrophobic poly(ε-caprolactone) (PCL) core, a hydrophilic poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate) (PDMAEMA) shell and a hydrophilic POEGMA corona were used as 1D templates and nanoreactors for the fabrication of titania dioxide (TiO2) semiconductor nanotubes. The cationic PDMAEMA shell was loaded with a negatively charged titania precursor, namely titanium(IV) bis(ammonium lactate) dihydroxide (TALH). TALH underwent hydrolysis within the CPB shell upon heating above 70 °C. Accordingly, crystalline (that is, anatase) TiO2 hybrid nanotubes with a very well defined thickness were obtained. Subsequently, the diameter of the hybrid nanotubes was adjusted by modifying the side chain length of the PDMAEMA shell. Amphiphilic core-shell CPBs with a hydrophobic PCL core and a hydrophilic PDMAEMA shell were employed for the fabrication of silica nanotubes with different aspect ratios. Tetramethyl orthosilicate (TMOS) was used for the deposition of silica into the PDMAEMA shell. Several polymers with different dimensions, with respect to length as well as core and shell diameter, were synthesized and used as templates for the fabrication 1D silica nanostructures. Furthermore, silica nanotubes were obtained after acid treatment or calcination, and catalytically active porous nanomaterials were produced via the embedment of metal nanoparticles within the silica shell. All the hybrid nanotubes templated by molecular core-shell and core-shell-corona CPBs were uniform in length as well as diameter, due to the narrow molecular weight distribution of the CPB backbone and side chains. Moreover, the POEGMA corona in the core-shell-corona CPBs served as a shielding layer and protected the nanotubes from agglomeration and intermolecular crosslinking during the hybrid formation. Additionally, POEGMA rendered the hybrid nanomaterials soluble in various solvents, including water. Water-soluble core-shell CPBs were obtained from microphase separated cast films of polystyrene-b-poly(allyl methacrylate) (PS-PAMA) diblock copolymers. After UV-crosslinking of the cylindrical PAMA domains, CPBs with a PS shell and a crosslinked PAMA core were obtained. Subsequent sulfonation rendered the PS shell into poly(styrenesulfonic acid) and thereby made it water-soluble. The negatively charged brush templates were infiltrated with oppositely charged TiO2 nanocrystals to produce crystalline TiO2 hybrid nanowires. Further, it was possible to adjust the crystal structure of the nanostructures to either a rutile or anatase structure. The presented novel 1D hybrid nanomaterials based on CPBs have many potential applications due to their electronic, catalytic and semiconducting properties.

Novel microemulsions with an anionic/non-ionic surfactant mixture

Lukas Wolf — Mon, 04 Jun 2012 09:13:13 +0200

Mikroemulsionen bestehen im einfachsten Fall aus Wasser, Öl und Tensid(en). Es handelt sich dabei im Gegensatz zu normalen Emulsionen um transparente, thermodynamisch stabile Phasen. Diesen makroskopisch einphasig erscheinenden Systemen liegen jedoch hoch komplexe Nanostrukturen zu Grunde. Die in wissenschaftlicher Hinsicht bislang am besten untersuchten und verstandenen Mikroemulsionssysteme bestehen entweder aus Wasser, Öl und einem einzigen elektrisch ungeladenen nicht-ionischen Tensid oder einem elektrisch geladenen ionischen Tensid. Beide Systeme unterscheiden sich grundlegend, unter anderem in ihrem Phasenverhalten, ihrer Temperaturstabilität oder ihren Nanostrukturen. Systeme mit Mischungen aus ionischen und nichtionischen Tensiden dagegen wurden bisher kaum untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Phasenverhalten einer anionischen/nichtionischen Tensidmischung mit verschiedenen Ölen bei konstanter Temperatur und konstantem Tensidgehalt untersucht. Die Phasendiagramme weisen jeweils zwei optisch isotrope Phasengebiete, so genannte Einphasenkanäle, mit steigendem Öl-Gehalt auf. Die beiden Mikroemulsions-Einphasenkanäle sind voneinander durch ein optisch anisotropes Phasengebiet getrennt. Der Mikroemulsionskanal unterhalb des anisotropen Bereichs erstreckt sich von der wässrigen Phase ausgehend mit wachsendem Öl- und nichtionischen Co-Tensid-Anteil bis in die Mitte des Phasendiagramms und endet dort. Der obere Einphasenkanal verläuft durch ein steiles Minimum, in Bezug auf das Tensid/Co-Tensidverhältnis, durchgehend von der wässrigen zur ölreichen Seite des Phasendiagramms. Im Gegensatz zu Mikroemulsionen mit nichtionischen Tensiden handelt es sich um isotherme Einphasenkanäle. Die einphasigen Gebiete wurden mit diversen physikalisch-chemischen Methoden untersucht. Mittels Leitfähigkeits-, SANS-, PFG-NMR-Messungen und elektronenmikroskopischen cryo-TEM Aufnahmen konnten die Nanostrukturen identifiziert werden. Während im unteren Einphasenkanal die Strukturen aus kleinen Öl-Tröpfchen in einer kontinuierlichen Wasserphase bestehen, welche mit zunehmendem Öl-Gehalt anschwellen, kommt es im oberen Einphasenkanal zu einer komplexen Strukturänderung. Während der ölfreien Probe eine bikontinuierliche Schwammstruktur zu Grunde liegt, wandelt sich diese mit bereits wenigen Prozent an Öl zu einer polyedrischen Wasser-in-Öl Schaumstruktur. Für diese, in Mikroemulsionen bislang unbekannten, Struktur wurde der Begriff High Internal Phase Microemulsion (HIPME) eingeführt, aufgrund ihrer strukturellen Parallelen zu bereits bekannten High Internal Phase Emulsionen (HIPE). Mittels transienter Elektrodoppelbrechung konnte dieser komplexe strukturelle Übergang nachvollzogen werden. Die ermittelten strukturellen Relaxationszeiten, welche zudem die Viskosität der Mikroemulsionen bestimmen, weisen ein deutliches Maximum am Übergangspunkt von der bikontinuierlichen zur HIPME-Struktur auf. Grund für die beobachtete HIPME-Struktur ist vermutlich der Anteil der elektrischen Ladung des anionischen Tensids. Diese sorgt für eine vergleichbar hohe Grenzflächenspannung zwischen der wässrigen verdünnten Tensid-Phase und des Öls. Konsequenz dieser hohen Grenzflächenspannung sind ölkontinuierliche Schaumstrukturen anstatt bikontinuierlicher Strukturen, welche man in vergleichbaren Mikroemulsionen mit rein nichtionischen Tensiden erhält. Durch Abschirmen der elektrischen Ladungen mit Salz werden die HIPME-Strukturen gestört, was sich in einem Ansteigen der Leitfähigkeit und einer erhöhten Mobilität der Wasserphase äußert, welche mit NMR beobachtet wurde.

Biochemical and structural characterization of Sirtuins from mammals and Thermotoga maritima

Mahadevan Lakshminarasimhan — Mon, 21 May 2012 10:23:00 +0200

Sirtuins are NAD+ dependent protein deacetylases involved in regulation of metabolism, age related diseases and are suggested to mediate lifespan extending effects of calorie restriction. Mammals contain seven Sirtuin soforms with various cellular localizations and substrate preferences. This work focuses on the structural and biochemical characterization of several mammalian Sirtuin isoforms, with main emphasis on the largest member of the family, Sirt1.Analysis of various Sirt1 constructs using analytical ultracentrifugation and electron microscopy techniques identified it to be a monomer, similar to other mammalian isoforms. Comparison of activity between different Sirt1 constructs indicates that the termini might be involved in regulating the protein’s activity. It could be shown that the catalytic domain of Sirt1 is sufficient for its activation by the lifespan extending polyphenol resveratrol and that resveratrol can directly bind to Sirt1. Using a peptide array harboring all known mammalian acetylation sites several novel substrates for Sirt1 were identified and shown that resveratrol and other small molecules can modulate Sirt1 dependent deacetylation of substrate peptides and that the effect is specific for the sequence of the substrate site. This finding reveals exciting possibilities for the development of new modulators targeting only specific substrates of Sirt1. These compounds can further be used in analyzing the functions of Sirtuins in vivo and can also serve as attractive leads for developing Sirt1 specific drugs. Studies on the mitochondrial isoform Sirt3 revealed that Zinc is essential for the structural integrity of Sirtuins. Investigations on Sirt5, also a mitochondrial Sirtuin appears to indicate that it is insensitive to nicotinamide (a physiological inhibitor of Sirtuins). Studies on the nucleolar isoform Sirt7 identified Thr224 to be phosphorylated, and play a role in the enzyme’s activity. The thermotoga maritima Sirtuin Sir2Tm was used as a model system for structural characterization of Sirt1. The crystal structure of Sir2Tm in complex with Ex-527, a potent Sirt1 inhibitor was solved, which combined with biophysical studies offers information about Ex-527 binding and inhibition. Close contacts between Ex-527 and some form of ADP-ribose, possibly the product O-acetyl-ADP-ribose (which is not yet fully verified) in the closed enzyme conformation prevent the release of products, thereby stalling the enzymatic reaction. These results offer insights into the isoform specific inhibition of Sirtuins by Ex-527 and provide information for further improvement of Sirt1 specific inhibitors.

Von partikulären Bausteinen zu suprakolloidalen Strukturen finiter Größe

Claudia Simone Wagner — Mon, 21 May 2012 09:40:36 +0200

Im Rahmen dieser Arbeit wurden unter Zuhilfenahme von Templaten komplexe kolloidale Strukturen aufgebaut. Die Herstellung von kolloidalen Clustern, Hybridclustern und nanoporösen Kapseln wurde in Verknüpfung mit theoretischer Modellierung erforscht, um komplexe Bausteine für die Mesotechnologie zur Verfügung zu stellen. Zu diesem Zweck wurden gezielt größere Mengen kolloidaler Cluster hergestellt, wobei erstmals eine Gesamtgröße der Aggregate unter 300 nm erzielt werden konnte. Cluster dieser Größe sind auf Grund der Brownschen Teilchenbewegung stabilisiert, welche der Sedimentation der Cluster entgegenwirkt. Die Clusterherstellung erfolgte durch eine kontrollierte Aggregation kolloidaler Polymer-Bausteine. Dabei wurden Emulsionströpfchen von Öl-in-Wasser-Emulsionen als Template verwendet. Die in derartigen Emulsionen dispergierten Partikel adsorbierten auf Grund des Pickering-Effekts an der Tröpfchenoberfläche. Die Reduktion der Clustergröße wurde durch eine Beschränkung der Primärbausteine auf Polystyrol-Partikel auf Durchmesser kleiner 200 nm und eng verteilte Öltröpfchen im Mikrometerbereich erreicht. Die Tröpfchengrößenverteilung konnte gezielt durch den Einsatz von Ultraschall gesteuert werden. Durch kontrolliertes Verdampfen der Öltröpfchen wurde die Clusterbildung induziert und es kam zu einer Anordnung der Partikel zu Clustern mit definierten Konfigurationen. Durch Zentrifugation in einem Dichtegradienten ließ sich die Suspension in Fraktionen einheitlicher Cluster auftrennen und schließlich mittels rasterelektronischer Aufnahmen definierten Konfigurationen zuordnen. Um in der vorliegenden Dissertation das nächsthöhere Level an Komplexität zu erreichen, wurde das neue Verfahren der Clusterherstellung zur Synthese definierter kolloidaler Hybridcluster eingesetzt, das heißt zum Aufbau von Clustern bestehend aus unterschiedlichen Bausteinen. Zunächst wurden Polystyrol-Cluster nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt. Diese dienten als Template für eine Adsorption entgegengesetzt geladener anorganischer Nanopartikel auf ihren Oberflächen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass ein hoher Bedeckungsgrad der Clusteroberfläche mit Nanopartikeln mit einer Ladungsumkehr verbunden ist und dies die Herstellung stabiler Suspensionen von Hybridclustern ermöglicht, obwohl sich die Polystyrol-Cluster und die Nanopartikel in ihrer Nettoladung unterschieden. Die Charakterisierung der Hybridcluster durch Rasterelektronenmikroskopie ergab, dass das Abscheiden der Nanopartikel zu einer gleichmäßigen, räumlich separierten Verteilung der Nanopartikel auf der Clusteroberfläche führte. Somit eröffnen sich Perspektiven für Hybride mit einer Kontrolle über Form, Zusammensetzung und Oberflächenrauigkeit. Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit einer Strategie zur Herstellung anisometrischer, nanoporöser Kapseln, sogenannten Nanosomen, bestehend aus einer geschlossenen Monolage von Nanopartikeln. Zur Synthese der Nanosome wurden die Erkenntnisse aus den vorangegangenen Arbeiten genutzt: zum einen können geladene Partikel kontrolliert über die Öl- und die Wasserphase in den Emulsionsschritt eingebracht werden und zum anderen können kolloidale Cluster als Template zur Herstellung von Hybriden dienen. Zuerst wurden negativ geladene anorganische Nanopartikel und positiv geladene Polymerpartikel an der Oberfläche von Emulsionströpfchen vereint. Die Emulgierung erfolgte in Anlehnung an das Verfahren zur Herstellung von kolloidalen Clustern. Die entstandenen Heteroaggregate wurden anschließend mittels Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Dabei zeigte sich, dass diese eine Kern-Schale-Architektur besaßen, wobei definierte Polymercluster als Kern fungierten und die Nanopartikel die Schale bildeten. Eine anschließende Entfernung der inneren Template durch Pyrolyse zeigte nanoporöse Kapseln mit komplexer Gestalt, welche durch die Anzahl der Polymerpartikel pro Tröpfchen bestimmt war. Trotz der Monolage der erhaltenen Nanosome waren alle untersuchten Konfigurationen intakt. Zusätzliche theoretische Modellierung erlaubte ein vertieftes Verständnis der Anordnung der Nanopartikel auf den Clustern und eine Aussage zur Stabilität der Nanosome. Durch deren Komplexität und einer bemerkenswert hohen Dichte an Nanoporen könnten die Nanosome somit Anwendung im Bereich der Biomedizin finden. Zusammenfassend dargestellt präsentiert diese Dissertation die Kombination elementarer Bausteine zu mesoskopischen Designer-Aggregaten höherer Komplexität, gepaart mit einzigartigen optischen und magnetischen Eigenschaften.

Biphasic, Homogeneous, and Heterogeneous Hydrocarbon Conversion Reactions with Novel Aluminum Chloride Based Catalyst Systems

Matthias Dötterl — Tue, 10 Apr 2012 11:25:57 +0200

The aim of this thesis was the development of novel cocatalysts for nickel catalyzed olefin dimerization and oligomerization reactions. For this purpose, cheap and air stable Lewis acidic chloroaluminate ionic liquids were the starting point for our investigations. Chloroaluminate melts are immiscible with hydrocarbon phases, and thus, biphasic oligomerization reactions allow a simple product separation by decantation. Unmodified chloroaluminate melts containing excess aluminum chloride predominantly catalyze non selective, cationic olefin oligomerization reactions. We found that the addition of triphenylamine, triphenylphosphine, or triphenylbismuth donors efficiently suppressed these side reactions to yield an ideal cheap and air stable ionic liquid cocatalyst for common nickel complexes used for olefin dimerization reactions. Especially triphenylbismuth was able to buffer slightly acidic chloroaluminate melts as well as highly acidic compositions. For nickel catalyzed dimerization reactions, we found that high buffering levels led to very high selectivities to give dimers, while systems with lower buffer contents were less selective but extremely active. Further, the melting points of acidic chloroaluminate melts were reduced upon addition of BiPh3. Thus, room temperature ionic liquid compositions derived from 100 different organic halide salts were screened towards their performances in nickel catalyzed selective propene dimerization reactions. Amines and BiPh3 used for such systems can be easily recovered by acid base extraction. Subsequently, an optimized composition was successfully employed to dimerize ethene, propene, 1-butene, and 1-hexene with high activities and selectivities. In order to minimize leaching effects and to investigate the interactions of a donor additive with the ionic liquid, a cationic para-trimethylammonium substituted triphenylphosphine derivative was synthesized and its interaction with the ionic liquid was monitored by means of 31P NMR spectroscopy. The concept of buffering highly Lewis acidic aluminum chloride centers was also transferred to binary homogeneous systems. In combination with stoichiometric amounts of BiPh3 or N-methylpyrrole buffer, aluminum chloride readily dissolved in toluene and methylene chloride to form a highly efficient, cheap and air stable cocatalyst for nickel catalyst precursors. Furthermore, the Lewis acidities of these binary homogeneous cocatalyst solutions could be tuned precisely by the choice of the solvent and the type and amount of buffer. Also, buffer addition efficiently suppressed isomerization reactions of the 1-olefinic products. The interaction of BiPh3 and N-methylpyrrole with AlCl3 was monitored by 27Al NMR spectroscopy. Further, the concept of buffering highly Lewis acidic aluminum species was extended to heterogeneous systems. The Lewis acidities of EtAlCl2 or Et2AlCl modified silicas were reduced by the addition of BiPh3 or N-methylpyrrole buffers. Buffered surface modified silica cocatalysts were successfully employed to activate nickel complexes for highly selective olefin dimerization reactions. Also, surface modified silica proved to be an ideal substrate for the formation of supported ionic liquid phase (SILP) cocatalyst systems used in nickel catalyzed olefin dimerization reactions. Buffered aluminum based cocatalysts were also able to activate a nickel diimine complex for biphasic, homogeneous, and heterogeneous ethene polymerization reactions. The polymer yields, molecular weights and polydispersities of the polyethylenes could be influenced by varying the solvent or the type and amount of buffer. We developed the first air stable cocatalyst systems solely based on aluminum chloride. With the right combination of solvent, type and amount of buffer, and process parameters, tailor-made homogeneous, heterogeneous and biphasic cocatalysts for numerous catalyst precursors can be designed. The systems proved to be highly active, long term stable and very selective for olefin dimerization or polymerization reactions. Due to the cheap components and the possibility to recycle buffers or halide salts, these new systems provide promising alternatives to established alkylaluminum based cocatalyst systems.

Composites of Spherical Polyelectrolyte Brushes and Nanoparticles – Synthesis, Characterization and Their Use in Catalysis

Frank Polzer — Thu, 08 Mar 2012 10:16:18 +0100

The main objective of this thesis was the synthesis of colloidal stable managanese oxide nanoparticles (MnOxNP) for applications as a catalyst in aqueous solution. Spherical polyelectrolyte brushes (SPBs) with poly(2-trimethyl ammonium ethyl methacrylate chloride) (pTMAEMC) chains were used as support particles to stabilize the MnOxNP by immobilization. In a first step we established and investigated the method of the in situ generation of the MnOxNP within SPBs. It was found that no reducing agent is needed for the reduction of the permanganate precursors and that they do not react with the cationic polymer chains of the SPBs. By a combination of powder X-ray diffraction (PXRD), transmission electron microscopy (TEM) and cryogenic TEM (cryoTEM) it was found that the platelet-like MnOxNP are of layered topology built up from MnO6 octahedra denoted as birnessite. The PXRD patterns revealed a disorder along the stacking direction of the single layers of hexagonal sheets. Furthermore, the structure of the composite material observed by TEM strongly differs compared to that in cryoTEM micrographs. The composite material was furthermore analyzed by high resolution TEM (HRTEM) and X-ray absorption fine structure (XAFS) analysis. The qualitative X-ray absorption near-edge structure (XANES) analysis using reference compounds confirmed the crystallographic similarity of the MnOxNP to a c-disordered birnessite. The local structure of the MnOxNP was investigated by a quantitative extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) analysis that revealed that no significant difference between the MnOxNP@SPB in aqueous solution and in the dried state. In general, the hexagonal sheets of edge-share MnO6 octahedra are compressed along the c-direction, that is, along the stacking direction. Additionally, a new kind of composite material composed of star-shaped pTMAEMC homopolymer and MnOxNP was synthesized and characterized To test the MnOxNP@SPB composite material for its catalytic activity, the oxidation of morin by hydrogen peroxide was established as a model reaction. It could be shown by UV/vis measurements that the rate of the decomposition is highly depending on the ratio between morin and the oxidant H2O2. This finding was modeled by a Langmuir-Hinshelwood reaction mechanism. The study proved the potential application of the composite material as a catalyst especially for water-based catalysis. Furthermore, a detailed kinetic analysis of the reduction of 4-nitrophenol by sodium borohydride using gold and platinum nanoparticles immobilized on SPBs has been conducted. In analogy to the work on the oxidative decomposition of morin, a Langmuir-Hinshelwood model was used for the description of the reaction mechanism. Using this model, the adsorption constants for both reactants as well as the rate constant of the surface reaction could be determined for both noble metal nanoparticles. This showed that the higher catalytic activity of Pt is mainly due to the higher rate constant of the surface reaction. Additionally, the induction period of the reduction of 4-nitrophenol could be assigned to a surface reconstructuring of the nanoparticles due to the adsorption of 4-nitrophenol. Finally, the synthesis of a novel zwitterionic SPB could be realized using aqueous atom transfer radical polymerization. These particles show a surprisingly high colloidal stability in aqueous medium though the poly(2-(methacryloyloxy)ethyl dimethyl-(3-sulfopropyl)ammonium hydroxide) (pMEDSAH) chains are not soluble in pure water. The solution behavior in water was furthermore studied by dynamic light scattering, TEM and cryoTEM proving the collapsed state of the brush layer. The zwitterionic shell undergoes an internal phase separation leading to a surface-near layer whereas only a minor part of the chains reaches further out into the solution. The collapse was explained by the formation of aggregates of monomer units by zwitterionic or hydrophobic interactions. It was shown that the zwitterionic shell swells upon the addition of high amounts of salts and/or upon increasing the temperature due to the presence of an upper critical solution temperature. In conclusion, this thesis presented a new method for the generation and stabilization of MnOxNP of layered topology using cationic SPBs. The mechanism of the in situ generation could be elucidated as well as the microscopic structure of the composite material in the aqueous dispersed state. Using state of the art characterization methods like XAFS, the local environment of the MnOxNP around the Mn absorber could be determined. The catalytic activity of the MnOxNP was studied in detail applying a Langmuir-Hinshelwood model to the catalytic degradation of morin. A similar study gave new insights into the reduction of 4-nitrophenol using noble metal nanoparticles applying a similar model. The synthesis and analysis of zwitterionic SPBs gave important information about their solution behavior.

Strukturelle Untersuchungen an dem Radikalenzym (R)-2-Hydroxyisocaproyl-CoA-Dehydratase

Stefan Knauer — Wed, 08 Feb 2012 10:13:22 +0100

In der Natur werden viele chemisch schwierige Reaktionen von Radikalenzymen katalysiert. Die (R)-2-Hydroxyisocaproyl-CoA-Dehydratase katalysiert die Dehydratisierung von (R)-2-Hydroxyisocaproyl-CoA in der Fermentation von L-Leucin im humanpathogenen Bakterium Clostridium difficile. Im Gegensatz zu einer Vielzahl von Radikalenzymen, wie beispielsweise der Coenzym B12-abhängigen bakteriellen Klasse II Ribonukleotid-Reduktase oder der S-Adenosylmethionin-abhängigen Biotin-Synthase, benötigt die (R)-2-Hydroxyisocaproyl-CoA-Dehydratase keine komplexen Kofaktoren zur Erzeugung des katalytisch aktiven Radikals. Stattdessen verwendet sie ein einzelnes, hoch energetisches Elektron. Bei der Dehydratisierung – einer atypischen α/β-Eliminierung – werden reduktiv Ketylradikale im Substrat erzeugt. Die Dehydratase muss zunächst aktiviert werden, indem ein Aktivator, der ein [4Fe-4S]-Zentrum enthält, unter ATP-Hydrolyse ein Elektron auf die Dehydratase überträgt. Für den Aktivator werden im Laufe des Aktivierungsprozesses Nukleotid- und redox-abhängige Konformationsänderungen angenommen. Das hoch reaktive Elektron wird nach jedem Substratumsatz wieder auf die Dehydratase übertragen, so dass bis zu 10.000 Umsätze katalysiert werden können, bevor eine erneute Aktivierung notwendig ist. Die strukturelle Grundlage der Aktivierung sowie die Art und Weise, wie das aktive Elektron in der Dehydratase nach erfolgtem Umsatz wiedergewonnen und vor Verlust durch unspezifische Nebenreaktionen geschützt wird, ist unbekannt. In dieser Arbeit konnte zunächst die Struktur der homodimeren (E)-2-Isocaprenoyl-CoA:2-Hydroxyisocaproat-CoA-Transferase gelöst werden, die in der Fermentation von L-Leucin den zweimaligen Transfer eines Coenzym A-Moleküls katalysiert. Sie gehört zur Familie III der CoA-Transferasen und besitzt deren typische Faltung. Ein Aspartatrest im aktiven Zentrum ist wahrscheinlich an der Ausbildung von kovalenten Intermediaten beteiligt. Es wurden die Strukturen des reduzierten Aktivators ohne Nukleotid, mit ADP und mit dem ATP-Analogon ADPNP bestimmt. Der homodimere Aktivator gehört zur Actin-Faltungsfamilie und die Monomere sind durch ein verbrückendes [4Fe-4S]-Zentrum miteinander verbunden. Jedes Monomer besteht aus zwei Domänen, die in Abwesenheit eines Nukleotids eine offene und in Gegenwart eines Nukleotids eine geschlossene Konformation einnehmen. Die Strukturen des reduzierten Aktivators mit gebundenem ADP und ADPNP zeigten keine signifikaten Konformationsunterschiede. Der Vergleich mit der Struktur eines oxidierten Aktivators ergab, dass auch die Reduktion des [4Fe-4S]-Zentrums offenbar keine strukturellen Änderungen zur Folge hat. Möglicherweise spiegeln die Strukturen, die alle mittels Röntgenkristallographie bestimmt wurden, jedoch nicht die konformationelle Flexibilität in Lösung wider. Erstmals wurde die Komplexbildung zwischen dem Aktivator und der Dehydratase mittels ADPNP nachgewiesen. Die Strukturen des Aktivators legen nahe, dass die Komplexildung über den Prozess der konformationellen Selektion geschieht. Die Struktur der Dehydratase zeigte, dass das heterodimere Protein zwei [4Fe-4S]-Zentren in einem Abstand von 12 Å beinhaltet. Jedes Fe/S-Zetrum ist von drei Cysteinresten und einem terminalen Liganden koordiniert. Das Fe/S-Zentrum in der α-Untereinheit ist Teil des aktiven Zentrums und besitzt in Abwesenheit von Substrat ein Hydroxyidion/Wassermolekül als vierten Liganden. Das Substrat ersetzt diesen Liganden und koordiniert das Fe/S-Zentrum mit dem Carbonylsauerstoffatom der Thioestergruppe. Das [4Fe-4S]-Zentrum in der β-Untereinheit hat eine Sulfhydryl-/Sulfidogruppe als terminalen Liganden und fungiert als Speicher für das Elektron, wenn kein Substrat anwesend ist. Die Struktur der (R)-2-Hydroxyisocaproyl-CoA-Dehydratase dient als Modell für die Familie der 2-Hydroxyacyl-CoA-Dehydratasen und der Gruppe der phylogenetisch verwandten Benzoyl-CoA-Reduktasen.

Isolierung, Strukturaufklärung und Totalsynthese von Alkaloiden aus Stenus Käfern und der Seeanemone Heteractis aurora

Tobias Müller — Wed, 18 Jan 2012 13:34:56 +0100

Die neuen Pyridinalkaloide (Z)- und (E)-3-(2-Methyl-1-butenyl)-pyridin konnten jeweils in den Pygidialdrüsen der Kurzflügelkäfer Stenus solutus und S. similis als Hauptkomponenten nachgewiesen werden. Die Norverbindung 3-(1-Isobutenyl)-pyridin wurde als Minderkomponente in S. solutus, S. cicindeloides, S. binotatus und S. pubescens gefunden. Die Strukturen wurden durch NMR-Spektroskopie und Vergleich mit synthetischen Referenzen aufgeklärt. Die Pyridine wurden durch Umsetzung von Nicotinaldehyd mit dem jeweiligen Phosphoniumsalz nach WITTIG in einer Stufe erhalten. Für das bekannte Spreitungs- und Abwehralkaloid Stenusin, welches in den meisten Käfern der Gattung Stenus vorkommt, wurde eine neuartige Syntheseroute entwickelt. Die Stenusin enthaltenden Steninae zeigen eine charakteristische Zusammensetzung aller vier Stereoisomeren. Alle bislang bekannten stereoselektiven Zugänge zu Stenusin, wie auch die auf der SAMP/RAMP-Methode basierende Varinate nach ENDERS et al., erlauben nur die Darstellung der in der Seitenkette (S)-konfigurierten Alkaloide (2S,3R)- und (2S,3S)-Stenusin. Daher wurde eine neue Synthese entwickelt, die es erlaubt, alle Isomere selektiv darzustellen. Das Stereozentrum im Piperidinring wird durch auxiliarvermittelte asymmetrische Hydrierung erzeugt, während die Seitenkette entweder aus dem chiralen Pool ((S)-2-Methylbutanol) entnommen wird – identisch mit der Variante nach ENDERS – oder mittels einer chemoenzymatischen Synthese erzeugt wird. Insbesondere die (2S,3R)- und (2S,3S)-Isomere lassen sich ausgehend von 3-Brompyridin und (S)-2-Methylbutylbromid in einer sehr kurzen Sequenz von nur 4 Stufen in guter Ausbeute darstellen. Weiterhin erfolgt die gesamte Synthese frei von Schutzgruppen. Das verwendete EVANS-Auxiliar kann nach der Hydrierung unverändert wiedergewonnen werden. Das neue Alkaloid Cicindeloin wurde aus Stenus-Käfern der Art S. cicindeloides isoliert und dessen Struktur durch NMR-Spektroskopie in Verbindung mit EI- und ESI-Massenspektroskopie aufgeklärt. Die Absolutkonfiguration von Cicindeloin konnte durch stereoselektive Totalsynthese und GC-Vergleich mit dem Naturstoff an einer chiralen Phase bestimmt werden. Es wurde ein totalsynthetischer Zugang mit 20% Gesamt¬ausbeute entwickelt, der eine lineare Sequenz von 12 Stufen umfasst, von denen neun ohne Chromatographie auskommen.

Fabrication of Polymersomes using Microfluidic Devices

Julian Thiele — Wed, 11 Jan 2012 13:22:24 +0100

The fabrication of diblock copolymer vesicles, so-called polymersomes, from poly(2-vinylpyridine)-block-poly(ethylene glycol) (P2VP-b-PEG) and poly(ethylene glycol)-block-poly(lactid acid) (PEG-b-PLA) by means of microfluidics is described. The experiments were performed in microfluidic devices made by soft lithography in poly(dimethylsiloxane) (PDMS). To gain insight into the fluid dynamics in the microfluidic devices, 2D and 3D simulations based on the finite element method (FEM) were performed. This allowed for optimization of the microchannel geometry, and thus precise control over the formation process and properties of the polymersomes, which were extensively characterized by dynamic light scattering (DLS), confocal laser scanning microscopy (CLSM) and cryo transmission electron microscopy (cryo-TEM). Two distinct approaches to control the vesicular self-assembly of copolymer molecules into polymersomes were studied: the undirected self-assembly using hydrodynamic flow focusing (HFF) and the directed self-assembly using copolymer-stabilized water/organic solvent/water (W/O/W) double emulsion templates. In the former case, the formation of polymersomes occurred at the interface of a flow-focused, copolymer-loaded solvent stream and a selective solvent in a simple microchannel cross junction. Investigations revealed that the polymersome size is in proportion with the flow rate ratio of polymer solution and the selective solvent; a nucleation and growth model explaining the observed relation between flow conditions and polymersome size was proposed. In the latter case, the formation of polymersomes was directed by W/O/W double emulsions during evaporation of the organic solvent in which the copolymer was dissolved. The formation of vesicles from diblock copolymers in microfluidic devices not only enables continuous fabrication of polymersomes with controlled size and narrow polydispersity (PDI), but also offers the ability to tune the polymersome size over several orders of magnitude from less than 50 nm using HFF to more than 100 micron using double-emulsion templates. To allow for the aforementioned studies, preliminary work focusing on increasing the resistance of PDMS towards swelling due to organic solvents was performed. By using a glass-like coating based on sol-gel chemistry, the swelling of PDMS was decisively decreased. Analyses of coated devices by scanning electron microscopy (SEM) illustrated that the coating could be homogeneously distributed even in complex microfluidic devices as employed for the preparation of double-emulsion templates. To simplify the fabrication of microfluidic devices with patterned wettability as required for the formation of double emulsions, a novel method to spatially pattern the surface properties of microchannels using flow confinement was developed. For a better understanding of the formation of double emulsions, a fundamental investigation of multiple emulsion formation in microfluidic devices in general was performed. Results show that, depending on the number of dripping instabilities present in the device, multiple emulsions can either be formed in a sequence of emulsification steps or in a one-step process. It was furthermore demonstrated that one-step formation of multiple emulsions provides a novel way to create emulsions from liquids, which otherwise cannot be emulsified controllably, such as viscoelastic polymer solutions or liquids exhibiting a low surface tension. Finally, the development of a novel microfluidic spray dryer based on a conventional microfluidic device for forming double emulsions was presented and its application for fabricating drug nanoparticles from hydrophobic active pharmaceutical ingredients (APIs) was demonstrated.

Semiconductor Polymer Architectures using Click Chemistry and Controlled Radical Polymerization

Andreas Lang — Tue, 20 Dec 2011 09:41:24 +0100

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung von halbleitenden Seitenkettenpolymeren und –blockcopolymeren für die Anwendung in organischen Photovoltaik-Bauelementen. Besonderer Augenmerk liegt dabei auf der Entwicklung und der Anwendung von modernen Synthesetechniken für die einfache und reproduzierbare Synthese solcher Polymere, auch im größeren Maßstab. Methoden zur kontrollierten radikalischen Polymerisation wie NMRP und RAFT, die zu wohldefinierten Polymeren mit enger Molekulargewichtsverteilung führen können, und ihre Kombination mit polymeranalogen Reaktionen, wie der Kupfer-katalysierten Azid-Alkin Zykloaddition („Klick“ Chemie), wurden erfolgreich dazu verwendet komplexe Polymerarchitekturen zu synthetisieren. Mit dieser Methode sollte ein genereller Ansatz für die Synthese von halbleitenden Seitenkettenpolymeren entwickelt werden. Zwei Arten von Gerüstpolymeren, Poly(Propargylacrylat) und Poly(Propargyloxystyrol), wurden dabei verwendet. „Klick“ Chemie sollte es ermöglichen die thermischen, strukturellen, elektronischen und optischen Eigenschaften des Polymers durch eine modulare Substitution mit unterschiedlichen Halbleiterresten einzustellen. Das thermotrope Phasenverhalten der synthetisierten Polymere analysierten wir umfassend mittels Differentieller Wärmeflusskalorimetrie (DSC), temperaturabhängiger Polarisationsmikroskopie (POM), sowie temperaturabhängiger Röntgendiffraktometrie (XRD). Nanostrukturierte Aggregate wurden mittels Transmissions-Elektronen-Spektroskopie (TEM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht. Zusammenfassend präsentiert diese Arbeit die umfassende Anwendbarkeit von „Klick“ Chemie und Techniken der kontrollierten radikalischen Polymerisation, wie NMRP und RAFT, für die Synthese von hochkomplexen Halbleiter-Polymerarchitekturen und bildet die Grundlage für eine vereinfachte und hochskalierbare Vorgehensweise für die Synthese von Halbleiterpolymeren und Blockcopolymeren.

Massgeschneiderte Schichtsilicate für Materialwissenschaftliche Anwendungen

Michael Möller — Mon, 12 Dec 2011 09:16:22 +0100

Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, flexible und transparente Beschichtungen mit absolut herausragenden Barriereigenschaften auf Basis synthetischer Schichtsilicate herzustellen. Während der Entwicklung eines Polymer-Schichtsilicat Nanokomposites wurden unterschiedliche Schichtsilicate sowie mehrere Konzepte der Partikelmodifikation getestet. Primäres Ziel war es, Plättchen mit hohen Aspektverhältnissen zu erzeugen, welche in Nanokompositen die Durchlässigkeit für Gase etc. verringern sollten. In enger Zusammenarbeit mit M. Sc. Hussein Kalo, der für die Schmelzsynthese der verwendeten Schichtsilicate des Hectorit-Typs verantwortlich war, wurden ein Na-Hectorit (Na0,5[Mg2,5Li0,5]O10F2) und ein Li Hectorit (Li0,8[Mg2,2Li0,8]O10F2) für die weiteren Experimente optimiert. Diese beiden Schichtsilicate weisen neben einer hohen Reinheit und Homogenität überragende Partikelgrößen im µm-Bereich und vorteilhafte chemische Eigenschaften wie beispielsweise eine genau steuerbare intrakristalline Reaktivität und Kolloidchemie auf. Basierend auf dem genannten Na-Hectorit konnte ein nasschemischer Prozess weiterentwickelt werden, der sowohl eine maßgeschneiderte Exfolierung der Schichtsilicattaktoide als auch das gezielte Einstellen deren Steifigkeit ermöglicht. Durch Kationenaustausch mit Ionen hoher Hydrationsenthalphie lassen sich die Kohäsionskräfte innerhalb eines Taktoides stark verringern und so die Exfolierungseffizienz deutlich steigern. Im Gegenzug erhöht ein Austausch mit Kaliumionen (geringe Hydrationsenthalpie) die Steifigkeit der Taktoide und überführt sie somit in glimmerähnliche Plättchen. Neben den offensichtlichen mechanischen Verbesserungen bringt solch ein Prozess auch ökonomische Vorteile mit sich: Eine nachfolgende Grenzflächenkompatibilisierung kann mit einem Bruchteil der sonst nötigen Menge an amphiphilen Kationen durchgeführt werden. Diese glimmerähnlichen Partikel stellen einen optimalen Kompromiss hinsichtlich Aspektverhältnis und Steifigkeit dar. Die Ionenaustauschreaktionen, die im Kern dieses Prozesses stehen, wurden im Detail untersucht. Unter speziellen Bedingungen des Kationenaustausches eines Na-Hectorites mit Kaliumionen bilden sich spontan geordnete Wechsellagerungen aus. Der jahrelang in der Literatur kontrovers diskutierte Mechanismus der Entstehung streng alternierender Abfolgen von quellfähigen und nicht-quellfähigen Schichten konnte aufgrund der hohen Reinheit und Homogenität des verwendeten Hectorites zum ersten Mal anhand experimenteller Daten herausgearbeitet werden. Die Kombination verschiedener unabhängiger Analytikverfahren lieferte ein überzeugendes Gesamtbild: Die Triebkraft der Ausordnung in eine regelmäßige Wechsellagerung sind Selektivitätsunterschiede der verwendeten Kationen, was letztendlich zu einer alternierenden Kationendichte im Zwischenschichtraum als thermodynamisches Minimum führt. Im Zuge der Optimierung der Kompositmaterialien für Barriereanwendungen wurde als weiteres Schichtsilicat –Li Hectorit– verwendet. Die extrem gute Quellfähigkeit und die enormen Partikelgrößen dieses Hectorites führen mit geringem Aufwand zu Aspektverhältnissen von über 1000, wodurch dieses Material für die Verwendung in Hochbarriere-Kompositen prädestiniert ist. Zunächst wurde die natürliche Barriere von reinen Li-Hectorit Filmen gemessen. Im nächsten Schritt wurde dieser Füllstoff in eine Polymermatrix eingearbeitet, um einen transparenten und flexiblen Hochbarriere-Komposit herzustellen. So reduzierte beispielsweise eine 7 µm-dicke Nanokomposit-Beschichtung auf Polyurethanbasis die Sauerstoffdurchlässigkeit einer Polypropylenfolie auf ein Niveau von 0,05%. Bei dieser Arbeit handelt es sich um eine kumulative Dissertation. Die Ergebnisse werden daher thematisch sortiert und detailliert in den anhängenden Publikationen beschrieben.

Synthesis, Characterization, and Properties of Tailored Functional Block Copolymers

Robin Pettau — Mon, 05 Dec 2011 08:18:07 +0100

This thesis covers the design, synthesis, characterization, and application of functional block copolymers (BCP) based on a polymer analogous approach and includes three main subjects. The first subject is the implementation of a specially constructed reactor setup for sequential anionic polymerization that allows parallel block copolymer synthesis based on one identical A-block on a lab scale. For this reason, this setup facilitates the preparation of block copolymer series in a combinatorial fashion. It consists of one main reactor and three secondary reactors with individual temperature control. The addition of monomers or additives to each reactor can be handled separately. AB diblock copolymer and ABC triblock copolymer series were prepared with different lengths of the final block as well as different chemical structures of the last block. The second subject covers the synthesis, characterization, processing and application of new liquid crystalline azobenzene-containing block copolymers designed as materials for holographic data storage. Therefore, these polymers contained an amorphous, optical inert poly(methyl methacrylate) (PMMA) or polystyrene (PS) matrix and a functional segment based on polyhydroxystyrene (PHS). Different lengths of flexible spacers and/or mixtures of two spacer lengths were employed to connect the mesogenic chromophores to the polymer backbone. The structure-property relation of functionalized BCPs and the resulting mesophase was investigated. Holographic experiments were conducted on selected examples of the photo-addressable polymers. Smectic annealed samples or amorphous quenched samples were obtained by different sample preparation methods to investigate the influence of the liquid crystalline order. While the initial sensitivity to light induced orientation of the polymer systems remained unaffected, the writing times and level of postdevelopment were improved for quenched samples. Variation in spacer lengths resulted in decreasing smectic order with decreasing spacer length as well as for mixtures of two different spacer lengths promoting lower writing times in the holographic experiments. Additionally, the temperature dependence of the temporal evolution of the refractive index modulation in the smectic polymers was studied. A significant decrease of writing times and an enhancement of the postdevelopment were revealed at elevated temperatures. Stable holographic gratings could be obtained even at 100 °C. 1.1 mm thick samples, that are a prerequisite for volume holographic data storage with a high data storage density, were prepared by injection molding of blends of photoaddressable BCPs with PMMA or PS. Preliminary results confirmed the long-term stability of inscribed holographic gratings and demonstrated angular multiplexing of holographic volume gratings. The third subject covers the synthesis and characterization of new cyanobiphenyl-containing ABA triblock copolymers and their application as BCP gelators for the low molecular weight liquid crystal (LC) 4-cyano-4’-(pentyl)biphenyl (5CB). Based on the selective solubility of the A and B blocks in the nematic solvent, ABA triblock copolymers can be used for the thermoreversible gelation of 5CB. To this end, ABA and ABA’ triblock copolymers comprised of PS A-blocks and a cyanobiphenyl-functionalized PHS B-block with a high degree of polymerization were prepared by the combination of anionic polymerization, using two different synthetic routes, and polymer analogous attachment of the mesogens. Series of linear gelators were prepared with variations in B-block length, A-block lengths and star shaped BCPs by coupling linear ABA’ triblock copolymers. Structure-property relations of the cyanobiphenyl-functionalized polymers regarding the mesophase characterization revealed a dependence of solubility in the nematic 5CB on spacer length. A comprehensive study was conducted to investigate the influence of the BCP backbone and architecture on the gelation of 5CB. Oscillating rheology measurements and thermal characterization were employed to investigate the thermoreversible LC gels. Most of the BCP gelators achieved gelation of 5CB at a mass concentration of 5 wt%. The properties of the different gels where compared at this fixed concentration. The influence of the gelator backbone on the gel properties was investigated by comparing different sets of triblock copolymers. While a short functionalized B-block resulted in high network density and, thus, a high elasticity of the gel the length of the A-blocks influenced the node stability. The LC gel using a star-shaped gealtor exhibited a significantly higher elasticity than with the respective linear block copolymer gelator.

Neuartige Schichtverbindungen zur Herstellung von Nanokompositen mit verbesserten Flammschutzeigenschaften.

Michael R. Schütz — Mon, 14 Nov 2011 10:10:30 +0100

Die vorliegende Arbeit wurde teilweise in Kooperation mit der Firma Dronco AG, Wunsiedel durchgeführt. Im Focus der Arbeit stand die Synthese von Füllstoffen für Polymer-Nanokomposite, wobei die erhaltenen Materialien höhere thermische Stabilitäten sowie bessere Performance im Bereich Flammschutz zeigen sollten. Es wurde grundsätzlich mit drei verschiedenen Füllstoffen gearbeitet. Zwei silicatische und ein hydroxidischer Füllstoff wurden synthetisiert und in verschiedenen Polymermatrizes dispergiert, wobei die Wahl des Matrixpolymers zunächst eine untergeordnete Rolle spielte. Zur Synthese des einen silicatischen Füllstoffs wurde ein molekularer Silanprecursor benutzt, aus dem ein Silsesquioxane Füllstoff in situ im benutzten PF-Prepolymer gebildet wurde. Der Wirkmechanismus sowie die Bildung des entstehenden Komposits wurden aufgeklärt. Aus dem eingesetzten Triethylaminopropylsilan entsteht nach Hydrolyse und Kondensation in situ ein Silsesquioxannetzwerk, das das PF-Polymer homogen durchzieht. Somit konnten keine Silsesquioxanpartikel oder Agglomerate im Matrixpolymer nachgewiesen werden. Aus der homogenen Verteilung des Silsesquioxannetzwerks im Polymer ergeben sich signifikant verbesserte mechanische und thermooxidative Eigenschaften. Verbesserte Flammschutzeigenschaften konnten für dieses System jedoch nicht nachgewiesen werden. Weiterhin wurden synthetische Schichtsilicate als Füllstoffe benutzt. Die Synthese dieser Schichtsilicate wurde am Lehrstuhl AC I über die letzten Jahre optimiert. Sie stellen sehr interessante, neue Ausgangstoffe für die Entwicklung von nanoskopischen Zuschlagstoffen dar. Im Speziellen wurden ein Na-Hectorit sowie ein Li-Hectorit benutzt, die beide herausragende Eigenschaften besitzen um als Füllstoff im Bereich Flammschutz von Polymeren eingesetzt zu werden. Diese Schichtsilicate zeichnen sich insbesondere durch hohe Aspektverhältnisse im Vergleich zu natürlichen Schichtsilicaten wie MMT aus. Der benutzte Natrium-Hectorit wurde mit Hilfe von Kationenaustauschreaktionen zunächst scherlabil gemacht und anschließend mit Hilfe einer Rührwerkskugelmühle exfoliert um das Aspektverhältnis zu maximieren. Die Reaktionsfähigkeit der erhaltenen Plättchen wurde anschließend durch einen weiteren Austausch der Zwischenschichtkationen auf die äußeren Oberflächen beschränkt. Diese Grenzfläche wurde dann mit einem oligomeren Modifikator belegt und damit der Phasentransfer in ein organisches Medium ermöglicht. Die so erhaltenen Schichtsilicatpakete, die ausschließlich an der Oberfläche modifiziert waren, wurden dann in PS dispergiert. Die erhaltenen Füllstoffe zeigten eine sehr gute Dispergierbarkeit und ein hohes Aspektverhältnis, was sich durch ausgezeichnete mechanische, thermische und Flammschutzeigenschaften äußerte. Der Anteil des organischen Modifikators am reinen Füllstoff war auf Grund dieser optimierten Nanokomposit-Synthese beträchtlich geringer als bei vergleichbaren Füllstoffen. Der Lithium-Hectorit wurde in der vorliegenden Studie mit einem natürlichen MMT verglichen. Mit typischen Aspektverhältnissen im Bereich 1000 des synthetischen Hectorit im Vergleich zu nur ca. 50 für das natürliche Schichtsilicat konnte zum ersten Mal eindeutig der Einfluss des Aspektverhältnisses auf die Flammschutzeigenschaften untersucht werden. Hier wurde eindeutig gezeigt, dass ein maximiertes Aspektverhältnis zu deutlich besseren Flammschutzeigenschaften führt. Ein weiterer Focus lag auf dem Vergleich von verschiedenen blending-Methoden. Hier konnte eine optimale Dispergierung in der Polymermatrix nur mit Lösungsmittelmethoden gewährleistet werden, eine Trocknung und ein anschließendes Schmelz-blending führten zu kaum redispergierbaren Agglomeraten und in der Folge zu „schlechteren“ Kompositen. Durch das hohe Aspektverhältnis und die hohe Homogenität des Hectorit-Nanokomposits (Lösungsmittel-blended) konnte bei einem solchen Material zum ersten Mal ein intumeszens-artiges Verhalten beschrieben werden. Als dritter Füllstoff wurden LDHs synthetisiert. Diese schichtartigen Hydroxide sollten auf Grund ihrer Morphologie, der hohen Konzentration an thermisch abspaltbaren Hydroxyl¬gruppen und der variablen Zusammensetzung, die auch strukturelle Radikalfänger umfasst, optimale Flammschutzadditive darstellen. Hierzu wurden eisenhaltige LDHs mit hohen Aspektverhältnissen synthetisiert. Die direkte Synthese mit etablierten Methoden war hier nicht möglich, da die Löslichkeit des intermediär gefällten FeOOH zu gering ist. Deshalb wurde eine Komplex-unterstützte Synthese entwickelt, die es auf einfachem Weg möglich macht, phasenreine, Fe3+-haltige LDHs mit akzeptablem Aspektverhältnis zu erhalten. Diese Arbeit ist eine kumulative Dissertation. Die detaillierten Ergebnisse werden in den angehängten Publikationen beschrieben.

Synthesis of reponsive homo- and block copolymers - application to the generation of inorganic-organic nanohybrids

Pierre-Eric Millard — Mon, 17 Oct 2011 08:51:42 +0200

Responsive homopolymers and multi-responsive block copolymers were prepared via reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) and atom transfer radical polymerization (ATRP). Self-assembly in solution depending on environmental stimuli was investigated and exploited to create responsive micelles. New cross-linking strategies were thoroughly performed in aqueous solution to allow a controlled preservation and a high shape-persistence of the colloid particles, even when exposed to non-selective environmental conditions. The synthesis of poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) was investigated by ATRP for subsequent polymer-protein nanohybrid generation. This temperature-responsive polymer was polymerized directly in pure water at a low temperature (4 ºC) by using a functional ATRP initiator which allows post-polymerization conjugation. Without the addition of Cu(II), the kinetics were extremely fast, typically less than one minute for a full conversion. By adjusting the ratio of Cu(I)/(Cu(II) and selecting a very active ligand, all polymerizations proceeded in a controlled fashion to near quantitative conversion without evidence of termination. N-isopropylacrylamide and acrylic acid (AA) were also homopolymerized by RAFT in aqueous media using a novel strategy. Instead of using a diazo-initiator, which generally decomposed at high temperatures, gamma-irradiation was used to initiate polymerization at ambient temperature. This type of radiation has many advantages. A very tiny and constant amount of radicals can be generated, which is perfect for the RAFT process. Moreover, the rate of initiation only has a low level of dependence on temperature and can be used in a wide range of temperatures. Finally, compared to UV-initiation, gamma-irradiation can penetrate the reaction solution deeper and without evidence of irreversible decomposition of the dithioester end group. Therefore, RAFT polymerizations of NIPAAm and AA were achieved with a very good level of control, even at high monomer conversions. This new process was then extended to many other water-soluble monomers for generating homopolymers and block copolymers. Among these, acrylamide, N,N-dimethylacrylamide, 2-hydroxyethyl acrylate and poly(ethylene glycol) methacrylate gave the best results. This technique proved to be very efficient at generating very long and narrowly distributed polymers (up to a degree of polymerization of 10,000) and at designing block copolymers. High molecular weight PNIPAAm-b-PAA copolymers, synthesized by RAFT polymerization under gamma-radiation, were used to generate multi-responsive cross-linked micelles. These block copolymers were self-assembled in water at pH 7 by increasing the temperature over the lower critical solution temperature. The PNIPAAm became hydrophobic and formed the micellar core and the hydrophilic PAA block generated the corona which prevented full aggregation of the system. Then, by amidification at elevated temperatures of the carboxylic moieties via a trifunctional primary amine, the structure was found to remain even after cooling down the system. The shell-cross-linked micelles formed were utilized to generate inorganic-organic nanohybrids by the in situ reduction of gold or silver salts to generate nanoparticles inside the nanocarrier. Another strategy of cross-linking was also investigated by using amino-functional silsesquioxane nanoparticles. In water around neutral pH values and room temperature, these particles interacted with the carboxylic groups of a high molecular weight PNIPAAm-b-PAA by hydrogen bonding and ionic interactions to generate an insoluble complex. Due to the presence of the hydrophilic PNIPAAm block, defined spherical micelles were obtained. The inorganic-organic particles were successfully cross-linked by subsequent amidification to preserve the structure, even at a high pH. Different temperature properties of the hybrids were observed depending on the pH value, due to the residual charge in the micellar core. At a neutral pH, shrinking of the corona was observed, while at a high pH (pH 13) a fully reversible aggregation of the system occurred.

The Surface Charge of Soft and Hard Sphere Colloidal Particles - Experimental Investigation and Comparison to Theory

Christian Schneider — Tue, 13 Sep 2011 13:17:56 +0200

The focus of this thesis was aimed at the investigation of colloidal particle stability. In a first step we established a method to assess the repulsive interaction energy of dispersed colloids based on the measurement of the rate of slow coagulation with light scattering. Due to an energy resolution in the order of magnitude of the thermal energy, the method was termed microsurface potential measurements (MSPM). We then used the MSPM to measure the potential at the outer Helmholtz plane (oHp), the diffuse potential, which determines the electric double layer of surface charged colloidal particles. The MSPM were performed on anionic particles in the presence of di- and trivalent counterions as a function of the bulk electrolyte concentration. We found that the the diffuse potential does only weakly depend on the magnesium but strongly on the lanthanum ion concentration. In both cases the absolute value of the the diffuse potential decreases with increasing electrolyte concentration. The absolute values of the the diffuse potential are always lower for the trivalent counterions as compared to the divalent results. To supplement the results of the MSPM, we measured the zeta-potential of the particles under similar conditions. Here we detected charge reversal in the experiments with the di- and trivalent counterions. In the salt concentration range of the MSPM the zeta-potential and the the diffuse potential were closely related for both ion species but could not be described by Poisson-Boltzmann based models. In the case of the trivalent counterions, we could experimentally verify the strong influence of counterion adsorption in the destabilization of the surface charged colloids. Furthermore, we showed that the zeta-potential is not suited for calculating the particle stability in the experiments involving trivalent counterions and found strong experimental indications for counterion correlations. We also used MSPM to investigate an anionic SPB in the presence of trivalent counterions. For this purpose we measured the interaction force of two planar polyelectrolyte brush layers across an aqueous medium containing trivalent counterions with the surface forces apparatus. We found that steric repulsion does not occur. The repulsion only arises from residual charges inside the brush layers. From the resulting force curves we were able to deduce an interaction profile of SPB particles in aqueous solution containing multivalent counterions. Thus, we were able to measure the effective repulsive energy of SPB particles using MSPM with an accuracy of the thermal energy. Due to the increase of confined lanthanum counterions in the brush layer the electrostatic repulsion decreased with rising lanthanum concentration. Furthermore, the experimental results were well predicted by a mean-field model. For the first time, we described the means to measure and predict the repulsive energies of SPB particles in aqueous solution in the presence of multivalent counterions. In a next step we refined the theoretical basis of the MSPM and expanded the electrolyte concentration range of the stability experiments. We also measured the form factors of the SPB doublets and found pronounced deviations between the data points and the predictions of the Rayleigh-Debye approximation. We showed that the MSPM are now accurate enough to measure the effective charges per SPB particle with a sub millimolar concentration resolution. Furthermore, we used the mean-field model to predict the particle stability and the effective charge per SPB particle. In both cases we found the deviations between the experimental data and the model to be within an error margin of 20%. Therefore we predicted the particle stability of SPBs in aqueous solution for the first time. In conclusion, this thesis provides a deeper insight into the mechanisms of particle stability and coagulation of electrostatically and electrosterically stabilized dispersions. It offers a new method to investigate the repulsive interactions between colloidal particles which is applicable to a wide variety of colloidal systems. Moreover, we made the first steps toward a more complete understanding of the stability of SPB particles, which is important for potential industrial applications of these kind of systems.

Novel Host Materials for Blue Phosphorescent Organic Light-Emitting Diodes

Pamela Schrögel — Tue, 06 Sep 2011 09:16:52 +0200

Organic light-emitting diodes (OLEDs) have been commercially used in full-colour active matrix (AMOLED) displays for a couple of years. Only recently, a new application of OLEDs in the field of lighting has been opened up. For white emission monochrome systems of the three primary colours red, green and blue need to be combined. The major issue from the materials’ point of view is still the lack of stable host-emitter systems for blue emission. This thesis deals with the development of new host materials for blue phosphorescent emitters. The host material has to meet a complex profile of requirements. As most crucial feature the triplet energy of the host material has to exceed the triplet energy of the emitter. An increase of triplet energy of the host material is achieved by reducing the conjugated π-system in the host molecule. This thesis describes three synthetic approaches to high triplet energies by confining the π-conjugation: by introducing torsion in the molecular structure, by choosing a meta-linkage and by a non-conjugated linkage. The first and second approach was applied to carbazole-based host materials, whereas the third was demonstrated on phosphazene-based host materials. In the first approach, the molecular structure of a well-known carbazole-based host material, 4,4’-bis(carbazol-9-yl)-2,2’-biphenyl (CBP), was optimised by introducing torsion via methyl or trifluoromethyl substituents in the 2- and 2’-positions of the central biphenyl moiety to yield twisted CBP-derivatives. By confining the conjugated system in combination with selective methyl substitution a series of host materials with superior thermal and photophysical properties was obtained. Compared with the triplet energy of 2.58 eV for CBP, high triplet energies of 2.95 eV could be realised for the twisted CBP-derivatives. In addition, appropriate substitution of the crystalline CBP results in amorphous materials with high glass transition temperatures of up to 120°C. In cyclic voltammetry the electrochemical properties were studied. Here, it was found that the systematic variation of the substitution patterns enables fine-tuning of the energetic positions of the HOMO and LUMO. This helps to avoid injection barriers at materials’ interfaces in the OLED device. By blocking the activated sites in the host molecules a stability of the electrochemically oxidised species against dimerisation could be demonstrated. In the second approach, the conjugation in the same parent carbazole-based compound CBP was reduced by choosing a meta-type of linkage instead of the common para-linkage of the carbazole substituents to the central biphenyl unit. As a result of the meta-linkage, triplet energies of more than 2.90 eV were achieved. No further increase in triplet energy was observed by introducing additional torsion in the molecular structure as described in the first approach. Moreover, the thermal properties were optimised by selective methyl substitution to yield host materials with glass forming properties and high glass transition temperatures of up to 120°C. All host materials were tested in a comparative OLED device study in combination with a phosphorescent emitter with saturated blue emission. For the best host material of this series an external quantum efficiency of 9.7 % and a high brightness of 10 800 cd/m2 were achieved. Both series of carbazole based host materials – the twisted and the meta-linked CBP-derivatives – were synthesised by Ullmann reaction of a dihalogenated biphenyl unit with two (substituted) carbazole units under classic conditions. Noteworthy is the intermediate 5,5’-diiodo-2,2’-dimethyl-biphenyl – a simple and versatile building block in the synthesis of materials with confined conjugation. The synthesis by direct iodination of 2,2’-dimethylbiphenyl, to the best of our knowledge, has not been described in literature before. In the third approach, the class of low molecular weight phosphazenes, which is less described in the context of OLED-materials, was chosen as hosts for blue phosphorescent emitters. As a common characteristic all host materials consist of a six-membered ring of alternating phosphorus and nitrogen atoms. Each phosphorus atom bears two aromatic substituents attached via a non-conjugated linkage. Depending on the type of linkage to the central phosphazene core two sets of host materials can be distinguished: phenoxy substituted phosphazenes with phosphorus-oxygen bonds and phenyl substituted phosphazenes with phosphorus-carbon bonds. The phenoxy substituted derivatives were synthesized by nucleophilic substitution of the chlorine atoms in hexachlorocyclotriphosphazene with phenolates as nucleophils whereas the phenyl substituted derivatives were prepared by cyclocondensation of three equivalents of phosphinic amides. Due to their superior thermal properties compared to the phenoxy substituted series the phenyl substituted phosphazenes are better suited for the use in OLED devices. They exhibit particularly high triplet energies of up to 3.4 eV. Thus, they can be combined with deep blue phosphorescent emitters. Another specialty of the phenyl substituted phosphazenes is a balanced charge carrier transport characteristic. To conclude, each of the three presented approaches yields host materials with triplet energies high enough for a combination with blue phosphorescent emitters. Regarding the morphological stability the extensively studied carbazole based host materials exceed the novel phosphazene based host materials.

Polymeric Nanoparticles for the Modification of Polyurethane Coatings

Sandrine Tea — Thu, 11 Aug 2011 09:42:52 +0200

Rubber-based nanomodifiers were successfully synthesized following two different strategies and were used as impact modifiers in polyurethane (PU) automotive clearcoats to improve chip resistance. Various narrowly distributed polybutadiene-b-poly(methyl methacrylate) (B-M) block copolymers differing in composition and molecular weights were synthesized and studied with respect to their self-assembly in organic selective solvents. Dynamic light scattering and transmission electron microscopy measurements revealed that spherical micelles were obtained in acetonitrile for all block copolymers, independently of the polymer concentration. Their radii varied from 11 to 69 nm depending on the molecular weight of the initial linear block copolymer and their aggregation behavior in acetonitrile followed the model established by Förster and Antonietti for strongly segregated block copolymers. In DMF and acetone, block copolymers with 85 %wt PMMA were dissolved as unimers. For lower methacrylate contents, the sizes of the obtained spherical micelles were decreasing from DMF to acetone independently of the polymer concentration. The calculated interaction parameters confirmed acetonitrile as the best solvent for PMMA followed by DMF and acetone as the poorest one. The size of the spherical aggregates could be tuned by the molecular weight and/or by the nature of the selective solvent. Polybutadiene-b-poly(n-butly acrylate) (B-nBA), polybutadiene-b-poly(n-butyl methacrylate) (B-nBMA) and polybutadiene-b-poly(t-butyl methacrylate) (B-tBMA) did not show such a large choice in selective solvents and spherical micelles were obtained in DMF, DMAc and acetone respectively. Cross-linking of the polybutadiene core of the obtained micelles was performed in solution using two different methods: cold vulcanization and radical reaction upon the decomposition of a photo-initiator under UV radiation. Both methods allow retaining the spherical shape of the micelles leading to narrowly distributed non fusible nanospheres. In the case of B-M nanoparticles, the degree of cross-linking seemed independent of the amount of cross-linker used. Unlikely, B-nBMA and B-nBA nanoparticles exhibited increasing degrees of cross-linking with the amount of photo-initiator introduced. Their degrees of cross-linking were particularly lower than those of B-M nanoparticles. The hydrolysis of the t-BMA corona of the nanoparticles obtained from B-tBMA linear block copolymers self-assembly in selective solvent resulted in water soluble nanoparticles carrying acid functions and thus potentially exhibiting pH-responsive behavior. Various hyperstars consisting of a hyperbranched PB core and (meth)acrylate arms were synthesized by anionic self-condensing vinyl copolymerization (SCVCP) of divinylbenzene and butadiene followed by the anionic polymerization of the linear (meth)acrylate arms. The amount of hyperbranched products resulting from SCVCP could be enhanced by introducing additional DVB to the reaction while polymerizing. The topology of the hyperbranched PB cores was confirmed by viscosity measurements. All Mark-Houwink-Sakurada exponents were significantly below the value for linear PB. The initiation of (meth)acrylate arms was confirmed by NMR spectroscopy. Upon the arm-growth reaction, the branched topology was retained as witnessed by further viscosity measurements. The introduction of cross-linked nanoparticles based on linear block copolymers did not disturb the transparency of PU coatings. Even after curing reaction, the nanoparticles were well-dispersed into the coating. TEM observations confirmed this last result where neither aggregation nor flocculation of the cross-linked nanoparticles was observed. Hyperstar polymers were found to undergo self-assembly upon the curing reaction leading to “onion-like” structured aggregates, in the case of PMMA hyperstars, with sizes as large as 200 nm. Aggregates of the same size order were observed for the other hyperstars but no defined structures were found. For all hyperstar modified coatings, the transparency of the films was altered. In both cases, cross-linked nanoparticles and hyperstar modified coatings, improvements of chip resistance were observed. The improvements were even better with increasing amount of cross-linked nanoparticles but no effect was noticed on the hardness of the coatings. Similar trends were observed for the hyperstar modified coatings.

Amphiphilic Diblock Copolymers: Study of Interpolyelectrolyte Complexation in Organic Media and Nanoencapsulation of Melatonin

Evis Karina Penott-Chang — Thu, 11 Aug 2011 09:40:48 +0200

Two oppositely charged homopolyelectrolytes poly(2-(methacryloyloxy)ethyl¬dimethyl-ethyl¬ammonium bromide) (PDMAEMAQ) and poly(acrylic acid) (PAA), and amphiphilic diblock copolymers based on polystyrene and the ionizable block poly(acrylic acid) were synthesized via Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP). All polymers were characterized using 1H NMR and gel permeation chromatography to confirm their structure, molecular weight distribution and to follow the conversion. Poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate), PDMAEMA, was quaternized with ethyl bromide to produce PDMAEMAQ with a quaternization degree of 98%. Furthermore, poly(acrylic acid) segments were obtained after hydrolysis of the poly(t-butyl acrylate) block. After characterization of all polymers, interpolyelectrolyte complexation in chloroform was carried out. A novel method was developed to transfer the insoluble polyelectrolytes into the organic solvent and subsequently form polymer/polymer interpolyelectrolyte (IPECs) in organic media. Therein, the polyelectrolyte were first reacted with oppositely charged low molecular weight surfactants (sodium dodecyl sulfate, SDS, and cetyltrimethylammonium bromide, CTAB) to form polyelectrolyte-surfactant complexes (PESCs). In organic solvents, analogously to the formation of IPECs in aqueous media, interpolyelectrolyte complexation takes place upon the direct mixing of organic solutions of two complementary PESCs. This process is accompanied by an entropically favorable release of the surfactant counterions (in the form of ion pairs or their aggregates in low polarity organic solvents), which were previously associated with the ionic groups of the polyelectrolytes in solution. These reactions are fast and lead to frozen and non-equilibrium macromolecular co-assemblies. The size and the morphologies of the IPECs in chloroform were extensively investigated using transmission electronic microscopy (TEM), scanning force microscopy (SFM), dynamic/static light scattering techniques, 1HMR and turbidimetric titrations, for two different systems: (i) homopolyelectrolyte/homopolyelectrolyte and (ii) homopolycation/negatively charged amphiphilic diblock copolymer. For the first system, the possible particle structures consist either of particles with a core formed by IPECs stabilized by fragments of the excess polymeric component or of vesicles (polymersomes). In system (ii), particles of micellar type with a core assembled from electrostatically coupled segments of the polymeric components can be found, surrounded by a corona built up either from a mixture of polystyrene blocks and excess segments of PDMAEMAQ+DS- chains or from a mixture of polystyrene blocks and excess parts of PA-CTA+ blocks, depending on which polymeric component was present in surplus during the interpolyelectrolyte complexation. Finally, nanocapsules loaded with melatonin were fabricated using a simple nanoprecipitation route employing a mixture of a diblock copolymer based on poly(methyl methacrylate) and PDMAEMA (PMMA-b-PDMAEMA) in combination with poly(ε-caprolactone), PCL. The diblock copolymers were synthesized via ATRP using PMMA-macroinitiators for the DMAEMA polymerization. Shape and size of the nanocarriers were visualized by TEM, cryogenic TEM and scanning electron microscopy (SEM). Standard TEM for nanocapsules showed an oily core surrounded by a thin layer composed of PCL/PMMA-b-PDMAEMA. Cryo-TEM also indicated the presence of spherical nanoobjects with a diffuse polymer corona. Encapsulation efficiencies were determined assaying the nanoparticles by HPLC and values of ca. 30-35% are shown by the nanocapsules. DLS measurements further confirmed well-defined unimodal particle size distributions for all formulations. It was also possible to successfully incorporate platinum nanoparticles into the nanocarrier, as evidenced by TEM, which opens up possibilities for promising applications like monitoring the circulation of the drug carrier within the body.

Biochemische Charakterisierung und Wirkoptimierung potentieller Chemotherapeutika auf Basis der natürlichen Chinone Doxorubicin und Thymochinon

Katharina Effenberger-Neidnicht — Wed, 27 Jul 2011 10:47:05 +0200

Eine Reihe von natürlichen Chinonen weist eine Vielzahl an pharmakologisch sehr interessanten Eigenschaften auf, antitumorale Aktivitäten eingeschlossen. Das etablierte Chemotherapeutikum Doxorubicin beispielsweise – ein Sekundärmetabolit von Streptomyces peucetius var. caesius – findet seine klinische Anwendung bei der Behandlung verschiedenster Krebserkrankungen wie etwa Leukämien, Lymphomen, Karzinomen und Sarkomen. Dennoch ist die Verwendung von Doxorubicin als Chemotherapeutikum durch seine Kardiotoxizität und die Ausbildung von Resistenzen limitiert. Um diese Nebenwirkungen möglichst gering zu halten, ist die kumulative Dosis auf 550 mg / m² festgesetzt. Durch geeignete Derivatisierung von Doxorubicin mit verschiedenen gesättigten und ungesättigten bzw. Terpen-terminierten Fettsäuren sollten unerwünschte Nebenwirkungen – wie etwa die Anfälligkeit gegenüber Mehrfachresistenzen – minimiert werden, ohne jedoch einen Verlust der Wirksamkeit zu riskieren. Das Ziel dieser Arbeit war es, mithilfe biochemischer Arbeitsmethoden diejenigen Wirkstoff-Kandidaten zu finden und zu charakterisieren, die diese Kriterien erfüllen. Es konnten Doxorubicinderivate identifiziert werden, die in der Lage waren, limitierende Mehrfachresistenzen zu überwinden: Besonders erwähnenswert ist das Heptadecansäure-Doxorubicinhydrochlorid-Hydrazon, das anders als die übrigen Fettsäurederivate eine deutliche Wachstums-inhibierende Wirkung gegen die verschiedenen Tumor-Zelllinien aufweist. Zudem übertrifft es aufgrund einer geringeren Anfälligkeit gegenüber dem ABC-Transportprotein P-gp die Wirkung von Doxorubicin an mehrfachresistenten KB-V1/VBL Zervixkarzinom-Zellen um das 3-Fache. Die lange Fettsäureseitenkette dient dabei als eine Art Anker. Die Wirkungsweise von Doxorubicin und seinen Derivaten ist vorwiegend apoptotisch, wobei sowohl klassische Wege als auch alternative Wege über das Endoplasmatische Retikulum und die Generierung von reaktiven Sauerstoffradikalen (ROS) und Ceramiden beteiligt sind. Weiterhin konnte auch für die meisten Derivate die zelluläre DNA als Haupt-Target identifiziert werden. Die Interkalation der Derivate in die DNA führt aufgrund der Blockierung von DNA-bindenden Enzymen zu einem Verbleib der Zellen in der DNA-Replikation-Phase und somit zur Auslösung der Apoptose. Auch einfache Verbindungen wie das p-Benzochinon Thymochinon – Bestandteil des Schwarzkümmel-Extraktes (Nigella sativa) – sind aufgrund von antioxidativen und antitumoralen Effekten potentielle Kandidaten zur Weiterentwicklung zum Chemotherapeutikum. Durch die Funktionalisierung von Thymochinon mit verschiedenen gesättigten und ungesättigten bzw. Terpen-terminierten Fettsäuren sollte die geringe antitumorale Wirkung verbessert werden; die Derivate sollten wiederum mithilfe geeigneter biochemischer Arbeitsmethoden charakterisiert werden. Es konnten einige Derivate identifiziert werden, die die Wirkung und Selektivität der Ausgangsverbindung bei Weitem überschreiten: Einerseits zeigt das DHA-Thymochinon mit Langzeit-IC50-Werten im nano-molaren Bereich überdurchschnittliche Effektivität bei gleichzeitig verbesserter Tumorselektivität. Andererseits weist das (–)-Mentholderivat die geringste MDR-Sensitivität, also die geringste Anfälligkeit gegenüber ABC-Transportern auf. Die Wirkungsweise von Thymochinon und seinen Derivaten ist vorwiegend apoptotisch; es werden sowohl klassische als auch alternative Wege der Apoptose-Initiation angesprochen. Als Haupt-Wirkort von konnten DNA- bzw. RNA-reiche Regionen im Zellkern identifiziert werden.

Surface Modification of Spherical Particles with Bioactive Glycopolymers

André Pfaff — Tue, 12 Jul 2011 10:15:23 +0200

Glycopolymers containing different kinds of carbohydrates were grafted from various spherical templates, whereby the glycopolymer chains were prepared via controlled radical polymerization techniques, namely ATRP and RAFT. A library of carbohydrate-displaying spheres and their interaction with lectins is presented. Glucose- or acetylglucosamine-displaying nanospheres were prepared via the combination of emulsion polymerization and photo-induced conventional polymerization or ATRP, respectively. The particles were able to stabilize gold nanoparticles to form catalytically active hybrid particles that were capable of reducing p-nitrophenol in the presence of NaBH4. Investigation of the interactions between acetylglucosamine-displaying polymers and a series of lectins revealed a selective binding towards the lectin wheat germ agglutinin (WGA) whereby the binding affinity of the protein to the polymer brushes was found to be magnitudes higher than to acetylglucosamine unimers. Lectin precipitation experiments revealed that 1 mg of glycopolymer brush was able to precipitate 0.5 mg of WGA. Surface modification of poly(divinylbenzene) microspheres was performed using two different glycomonomers and various types of grafting techniques. “Grafting through” of a mannose-displaying glycomonomer yielded core-shell particles with densely grafted glycopolymer arms that were found to show no binding affinity towards a series of lectins. The nexus of the carbohydrate moiety to the polymer backbone seemed to hamper the key-lock interaction of the sugar and protein. Grafting experiments of a galactose-displaying glycomonomer yielded particles with grafting densities ranging from 0.20 to 0.35 chains per nm2 depending on the utilized grafting approach. These particles showed a selective binding towards the lectin Ricinus communis agglutinin (RCA120), whereby each grafted glycopolymer chain was capable of binding to 0.7 molecules of RCA120. Furthermore, the particles were found to have a superior binding affinity towards RCA120 in comparison to microspheres covered with galactose unimers. The preparation of core-shell particles consisting of a poly(divinylbenzene) micro-sphere core and a shell of highly branched glycopolymers was achieved via self-condensing vinyl copolymerization of an initiator-monomer and acetylglucosamine-displaying glycomonomer. It was found that an increase in incorporated inimer, which results in more compact and branched structures, directly led to an increase in particle coverage (1.6 – 2.4 wt.-%). Carbohydrate-lectin binding studies revealed that the incorporation of approximately 50% of the hydrophobic inimer led to an increase in adsorption of 26% compared to a less branched glycopolymer and 16% compared to linear glycopolymer grafted particles. These results indicated that the three-dimensional glycopolymer architecture directly affects the strength of the key-lock interaction of sugar and sugar-binding protein. Studies on the interactions between glycopolymers and lectins were extended towards the cellular uptake of fluorescent, magnetic galactose-displaying core-shell nanospheres. These particles were prepared by grafting a galactose-displaying glycocopolymer onto silica-encapsulated iron oxide particles via thiol-ene chemistry. Due to the carbohydrate-containing shell, these particles could be localized not only in the cytoplasm but also in the nucleus of human lung cancer cells. This cell line expresses a galactose-binding protein which indicates that carbohydrate-lectin interactions are responsible for the uptake of the functionalized particles. In general, these studies show the capability of utilizing carbohydrate-lectin interactions for potential applications like lectin precipitation and cellular imaging.

Investigations towards a better understanding of arsenic-sulfur speciation in aquatic environments: Formation, stability, structural characterization, and conflicting analyses

Elke Süß — Wed, 22 Jun 2011 09:27:27 +0200

Arsenic is a widespread contaminant of global concerns due to its neurotoxicity and carcinogenicity. Particularly critical is the speciation of arsenic, influencing its mobility, toxicity and retention capability. Recently, it was analytically proven that arsenic-sulfur (As-S) species play a dominant role for arsenic cycling in sulfidic systems. The geochemistry of As-S species is not well investigated, yet, and especially the nature of these species, thioarsenites vs. thioarsenates, has been under intense debate. The major objective of the present PhD work was to improve the current knowledge about As-S species by structural characterization, investigations of their occurrence, formation and transformation, and evaluation of the analytical techniques, X-ray absorption spectroscopy (XAS) and ion chromatography coupled to ICP-MS (IC-ICP-MS). By XAS it was shown that under strictly anoxic conditions thioarsenites form in arsenite-sulfide mixes with sulfide (SH-) excess and as co-occurring intermediates during acidic transformation of thioarsenates. Thioarsenites can be specified as highly labile, converting rapidly to thioarsenates in the presence of traces of oxygen, e.g. during standard IC-ICP-MS analyses. Excess hydroxide (OH-) either due to high pH or sample dilution in ultrapure water inhibits the formation of thioarsenites by SH--OH- competition. These facts make the current IC-ICP-MS method even under anoxic conditions unsuitable for thioarsenite analyses. However, thioarsenites were shown to be necessary intermediates for formation of thioarsenates. Thioarsenates determined in natural oxic systems are thus most likely the product of rapid in-situ thioarsenite oxidation. Direct thioarsenite determination is currently only possible by XAS with a limitation on > 5 mM-solutions for structural evaluations. The characteristic coordination and bond length (RAs-S 2.23-2.28 Å) makes thioarsenites distinguishable from thioarsenates (RAs-O 1.70 Å, RAs-S 2.13-2.18 Å). The individual thioarsenates are distinct in their coordination and absorption edge energies, successively decreasing about 1 eV per sulfur atom. Generally, the absorption edge energies decrease in the order arsenate > thioarsenates > arsenite > thioarsenites. This primary XAS-dataset enables the evaluation of (thio)arsenites and (thio)arsenates in mixed solutions. Despite the greater stability of thioarsenates vs. thioarsenites, they also have been shown to transform under certain conditions. Upon acidification they convert to thioarsenites (anoxic) or arsenite (oxic) with subsequent As-S precipitation. The presence of FeII in anoxic solutions or heating (80 °C) results in their decay to substantial amounts of arsenite. Thioarsenates are also easily oxidized by synthetic oxidants, air purging or naturally along hot spring drainage channels. For trithioarsenate, the major species of alkaline hot springs in Yellowstone National Park, two transformation processes have been identified: successive ligand exchange to arsenate, observed naturally and by using a strong oxidant, and the decay to arsenite (and trithioarsenate) in natural systems and under moderately reducing conditions. However, transformation under natural conditions was up to 500 times faster and is likely catalyzed by Thermocrinis spp.. Naturally important are also processes promoting mobilization or immobilization of arsenic from and at mineral surfaces. Arsenopyrite and orpiment belong to the most abundant (Fe-)As-S minerals with particular importance as host rocks for gold refractory. Oxidative leaching of both minerals yielded up to 50% thioarsenates. The release of thioarsenates from orpiment, at pH 7 and 12, is possibly caused by thioarsenite oxidation. Contrary, physisorption of OH- is the proposed mechanism for arsenopyrite with thioarsenate formation only at highly alkaline pH. The immobilization of monothioarsenate by sorption on ironhydroxide was less effective and kinetically slower compared to arsenate and arsenite. The presence of iron in As-S systems was hitherto considered to counteract thioarsenate occurrence. This was refuted by finding up to 17% thioarsenates in Czech spring waters. However, those Fe As S systems are a challenge for sample preservation. While acidification results in As-S precipitation and thioarsenate transformation, flash-freezing as preferred for thioarsenates induces ironhydroxide precipitation. An anoxic gas headspace, a strong matrix and an organic solvent supported the stability of pure thioarsenate solutions, whereas in the presence of iron a combination of EDTA-addition and cryo-preservation is required. Overall, the present PhD thesis reveals the importance of thioarsenites and thioarsenates for arsenic cycling. The results significantly increase the present knowledge on As-S geochemistry and help to define potential for future studies.