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Mesoscale Modeling of Phase Behavior in Thin Films of Cylinder-Forming ABA Block Copolymers (2008)

Andriana Horvat

In this thesis modeling results on structure formation in thin films of cylinder-forming block copolymers are presented and discussed. The computational study of the equilibrium phase behavior in thin films is complemented by detailed comparison with a real experimental system. Additionally, the dynamics in such films at various length and time scales (the dynamics of individual defects and the dynamics of surface relief structures) is studied. The strength of the presented thesis is the comparison of thin block copolymer film equilibrium and dynamic behavior in experiments and in computer simulations. This comparison supplies an in-depth understanding of the processes in thin films and near the surfaces in thick films and allows to identify the important control parameters of nanopattern formation. Chapters 4 and 5 report on the phase behavior of thin films of asymmetric block copolymers. In addition to the surface induced alignment of hexagonally ordered cylinders, an adjustment to the planar symmetry of the surface by formation of surface reconstructions is found to dominate the phase behavior in thin films. The large parameter space covered by the simulations allows to distinguish the effects of the two constraints characteristic for thin films: the surface field and the film thickness. The deviations from the bulk cylinder structure, both in the vicinity of surfaces and in thin films are identified as surface reconstructions. The stability regions of different phases are modulated by the film thickness via interference and confinement effects. The results give evidence of a general mechanism that govern the phase behavior in thin films of modulated phases: The interplay between the strength of the surface field and the deformability of the bulk structure determines how the system rearranges in the vicinity of the surface. Chapters 6 and 7 present a systematic study of defects in thin films of cylinder-forming block copolymers. In particular, the peculiarities of both classical and specific topological are considered in detail, and a strong relationship between the defect structures and the chain mobility in block copolymers is observed. In the systems studied, representative defect configurations provide connectivity of the minority phase in the form of dislocations with a closed cylinder end or classical disclinations with incorporated alternative, nonbulk structures with planar symmetry. In solvent-annealed films with enhanced chain mobility, the neck defects (bridges between parallel cylinders) were observed. This type of nonsingular defect has not been identified in block copolymer systems before. It is shown, that topological arguments and 2D defect representation, sufficient for lamellar systems, are not sufficient to determine the stability and mobility of defects in the cylindrical phase. In-situ scanning force microscopy measurements are compared with the simulations based on DDFT. The close match between experimental measurements and simulation results suggests that the lateral defect motion is diffusion-driven. Finally, the morphological evolution is considered with the focus on the motion and interaction of the representative defect configurations. Chapter 7 reveals dynamic simulations and in-situ SFM measurements of defect annihilation. Along with the lateral movement of defects, the annihilation frequently proceeds through local structural transitions. The role of the observed structural evolution is discussed in the context of the equilibrium phase behavior of cylinder-forming thin films, studied in chapters 4-5. Chapter 8 presents a study of terrace formation in thin films of a cylinder-forming block copolymers by a computational DDFT method. The results are compared with in situ SFM measurements of SBS block copolymer thin films. This chapter focuses on the early stage of terrace formation, where 80% of height changes occur. Experimental and simulation results agree that the change of the local height is strongly connected to the changes in the local microstructure. The detailed pathways of the structural transitions, as revealed by simulations, suggest a diffusion of block copolymer chains along the microstructure interfaces and indicate an important role of cylinders with necks as a material-transport-channel between neighboring terraces in thin cylinder-forming films. Both systems (in experiment and in simulations) show excellent quantitative agreement in detail of structural phase transitions and in the dynamics of the step development, suggesting that the underlying transport mechanisms are governed by diffusion.

Selbstorganisation von Nanopartikeln an flüssigen Grenzflächen (2008)

Sergey Kutuzov

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine umfangreiche Untersuchung der Selbstorganisation von Nanopartikeln als Folge ihrer spontanen Adsorption an flüssigen Grenzflächen vorgestellt. Die hier vorgelegten experimentellen und theoretischen Studien betreffen nicht nur den kinetischen Ablauf der Adsorption von Nanoteilchen unter Berücksichtigung aller darauf wirkenden Parameter, sondern auch die Organisation von Nanoteilchen an der flüssigen Grenzfläche im Hinblick auf die innere Struktur der gebildeten nanopartikulären Filme und ihrer mechanischen Eigenschaften. Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse bilden daher eine wissenschaftliche Basis für vielversprechende praktische Anwendungen der Selbstorganisation (bzw. spontanen Adsorption) von Nanoteilchen in der Industrie. Die hier verwendeten Nanopartikel zeigen einen Kern-Schale-Aufbau, wobei der Kern aus Cadmiumselenid (CdSe) betshet und die Schale aus organischen Molekülen (TOPO) gebildet wird, die zur Strabilisierung der Partikel in Lösung beitragen. Hauptsächlich wurden kugelförmige Nanoteilchen mit drei verschiedenen Kern-Durchmessern verwendet: 2,3 nm, 4,6 nm und 6,0 nm. Außerdem wurde das Selbstorganisationsverhalten von stäbchenförmigen Nanopartikeln sowie die Entstehung von nanopartikulären Filmen untersucht. Die Abmessungen der Nanostäbchen betragen: (7 x 30) nm, (4 x 34) nm und (4 x 25) nm. Zur Untersuchung der Adsorption wurden Toluol/Wasser-, oder Luft/Wasser-Grenzflächen erzeugt. Aus der Arbeit ergeben sich folgende Erkenntnisse: 1) die Anlagerung von Nanopartikeln an der flüssigen Grenzfläche hat eine sofortige Minimierung ihrer Gibbschen freier Energie zufolge. Bei Raumtemperatur erfolgt daher die Adsorption von Nanoteilchen spontan. 2) die allgemeinen Vorstellungen über den zeitlichen Ablauf der Adsorption, ursprünglich vorgeschlagen von A. F. H. Ward und L. Tordai für die Adsorption von amphiphilen Molekülen an flüssigen Grenzflächen, haben sich in dieser Arbeit auch bei der Beschreibung des Adsorptionsverhaltens von Nanoteilchen an flüssigen Grenzflächen als richtig erwiesen. 3) die Adsorption verläuft gemäss dem lokalisierten Modell nach Langmuir 4) im Laufe der Adsorption entsteht eine Monolage eines nanopartikuläreren Films 5) aufgrund der anziehenden interpartikulären Kräfte bilden sich von Beginn der Adsorption Nanopartikel-Aggregate an der flüssigen Grenzfläche. Die Größe und die innere Symmetrie der Aggregate hängen von der Größe und Form der verwendeten Nanopartikel ab. Dicht adsorbierte Nanopartikel weisen klare filmbildende Eigenschaften auf und sind zur Herstellung von ultradünnen nanopartikulären Membranen geeignet.

Synthesis and Characterization of immobilized Gold Nanoparticles and Binary Gold Nanoalloys on Cationic Spherical Polyelectrolyte Brushes and their Application as a Catalyst (2008)

Marc Claudius Schrinner

First of all the up scaled synthesis for cationic and anionic spherical polyelectrolyte brushes (SPB) was introduced and a reproducible method for the synthesis was established (Chapter 3.1). For a better understanding of anionic SPB the complexation of the anionic polyelectrolyte chains with the cationic surfactant cetyl trimethyl ammonium bromide was studied in detail. The models were proved by cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM) and dynamic light scattering (DLS), if it’s in good agreement with the resulting systems (Chapter 3.2). It was possible to show, that cationic SPB could be used for the generation of gold nanoparticles (Chapter 3.3). The synthesized carrier systems were characterized in detail by transmission electron microscopy (TEM), cryo-TEM and disc centrifuge (DCP). The more detail examination of the Au/SPB system by DLS, TEM/cryo-TEM, showed that a reversible immobilization system for gold nanoparticles was synthesized. The immobilized gold nanoparticles@SPB could be complexed by cyanid ions and oxygen. After the complexation of the gold nanoparticles we get the previous carrier system back. Detailed studies by wide angle X-ray scattering (WAXS) and high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) show an amorphous morphology of the gold nanoparticles in the range of 1 nm. This kind of generation allow us to generate gold nanoparticles in the range of 1.0 and 2.5 nm on the surface of the carrier particle. In the following part of the thesis the concepts described above were used for the synthesis of binary gold nanoalloys (Chapter 3.4 and 3.6). The binary systems Au-Pt, Au-Ru, Au-Rh and Au-Ir were sucessfully generated. In the next step the nanoparticular structure of these binary systems were completely clarified by different HR-TEM methods and WAXS. It was shown, that there is a different behaviour between macroscopic and nanoscopic world. Bulk Au-Pt alloys show miscibility gaps, whereas Au-Pt nanoalloys have no such miscibility gap. This alloy obeys the Vegard’s law. For the generation of facetted Pt nanocrystals (Chapter 3.5), the complexation of gold atoms by cyanid ions and oxygen is used. By this way it’s possible to synthesize well-ordered PtNP structures starting from the Au-Pt nanoalloy. In the second part of the thesis the immobilized gold nanoparticles and the binary gold nanoalloys applied as catalysts for industrial interesting oxidation reactions of alcohols and epoxidation reactions (Chapter 3.4 and 3.6) were studied. All reactions could be conducted at room temperature and in water as reaction media. The catalytic activities have a strong dependency on the composition in the nanoalloy. Cryo-TEM characterization showed us no change of the morphology of the catalyst before and after a catalyst cyclus. Concluding this thesis showed successfully a new route for the synthesis of monodispers and well defined gold nanoparticles, gold nanoalloys and facetted platinum nanocrystals. The particle sizes ranges between 1.0 and 7.0 nm. All systems can be used as green catalysts. This is an important point in the discussion of sustainability. All dispersions are not light and air sensitive, so they can be handled without any problems.

Computational Analysis of the Proton Transfer to the Secondary Quinone of Type II Photosynthetic Reaction Centers. (2008)

Eva-Maria Krammer

Für das Leben einer Vielzahl unterschiedlicher Arten wird molekularer Sauerstoff benötigt. Auf der Erde ist der wichtigste Prozess zur Herstellung von molekularem Sauerstoff die Photosynthese. Ein entscheidender Schritt der Photosynthese wird durch den Typ II des photosynthetischen Reaktionszentrums (RC) katalysiert: Die Umwandlung von chemischer Energie in einen elektrochemischen Gradienten durch die Reduzierung und Protonierung eines Coenzym Q Moleküls, dass in der QB Bindungstasche des Proteins gebunden ist. Die Pigmente des Typ II RC, nämlich des pflanzlichen Photosystem II RC (PSII RC) und dessen evolutionären Vorfahren, dem bakteriellen RC (bRC), sind in zwei (pseudo)-symmetrischen Zweigen angeordnet, dem A- und dem B-Zweig. In Typ II RC Proteinen werden die Elektronen entlang des A-Zweiges auf QB übertragen, während der B-Zweig keine Elektronen übertragen kann. In dieser Arbeit wurde der Konservierungsgrad von Resten untersucht, für die eine Beeinflussung der Redoxeigenschaften der Pigmente und der Lenkung des Elektronentransfers entlang des A-Zweiges bekannt ist. Die Qualität einer Konservierungsanalyse hängt massgeblich von einem korrekten multiplen Sequenzalignment ab. Da bRC und PSII RC nur eine sehr kleine Sequenzidentität haben, wurden profile Hidden Markov Modelle verwendet, welche die strukturellen Informationen der Proteine berücksichten, um ein korrektes Alignment zu erhalten. Die Konservierungsanalyse zeigte, dass die Abstimmung von Redoxeigenschaften der Pigmente und die Lenkung des Elektronentransfers im bRC konserviert sind, aber in PSII RC abweichen. Zwischen bRC und PSII RC Proteinen gibt es dementsprechend auch Unterschiede in den Eigenschaften der beiden Coenzym Q (QA und QB) Bindungstaschen, die es ermöglichen, dass im PSII RC QA unter Stressbedingungen (wie hoher Lichtintensität) protonieren kann, während eine solche Protonierung im bRC nicht möglich ist. Interessanterweise wurden im bRC von Rhodobacter (Rb.) sphaeroides zwei alternative Bindungspositionen für QB (proximal und distal) festgestellt. Experimente deuteten an, dass QB seine Orientierung um 180 Grad ändert, während es sich von der distalen in die proximale Position bewegt. Zusammen mit kristallographischen Experimenten zeigten meine quantenchemischen und elektrostatischen Berechnungen, dass im bRC von Rb. sphaeroides QB wahrscheinlich die gleiche Orientierung in beiden Positionen einnimmt. Eine Kopplung des Protonierungszustands der terminalen Protonendonoren (GluL212 und AspL213 der L Untereinheit) und der Population der beiden QB Bindungspositionen erklärt die beobachtete pH- und Zustandsabhängigkeit der QB Population. Darüber hinaus müssen diese Reste protoniert sein, um das erste Reaktionszwischenprodukt, das zellschädigende Semichinon gebunden zu halten. Im Unterschied zum Elektronentransfer entlang des A-Zweiges unterscheidet sich der Mechanismus des Protonentransfers zu QB massgeblich zwischen PSII RC und bRC. Im bRC von Rb. sphaeroides wurden die wesentlichen Reste des Protontransfers zu QB experimentell bestimmt und Protoneneintrittspunkte wurden vorgeschlagen. Die genaue Organisation des Protonentransfers zu QB ist allerdings nicht bekannt. Zwei sich ausschliessende Ideen werden diskutiert: Die Protonen werden entweder über unterschiedliche Pfade oder über ein grosses Netzwerk ohne klar definierte Pfade, einem Protonenschwamm, transportiert. Die Auswertung eines multiplen Sequenzalignments der bRC Untereinheiten zeigte, dass die wesentlichen, nicht auf der Proteinoberfläche liegenden Reste des Protonentransfers konserviert sind. Die vorgeschlagenen Protoneneintrittspunkte sind aber nicht im gleichen Ausmass konserviert. Zusätzlich zeigte die Auswertung des Wasserstoffbrückennetzwerks der bRC Proteine von Rb. sphaeroides und Blastochloris viridis jeweils ein grosses Netzwerk, dass vom Cytoplasma bis zur QB Bindungstasche reicht. Interessanterweise haben diese Netzwerke einen ähnlichen Aufbau und beinhalten alle wesentlichen nicht auf der Oberfläche liegenden Reste des Protonentransfers, unterscheiden sich aber in den ermittelten Protoneneintrittspunkten. Sowohl die Konservierungsstudie und als auch die Analyse des Netzwerkes widersprechen der Idee von unabhängigen Protonentransferpfaden und unterstützen die Idee des Protonenschwamms. Durch die Kombination unterschiedlicher Ansätze wie der Konservierungsanalyse basierend auf multiplen Sequenzalignments, der Kontinuumselektrostatik, der Quantenchemie und der Analyse der Wasserstoffbrückennetzwerke, gelang es in dieser Arbeit ein breiteres Wissen "uber die molekularen Details der QB Bindingungstasche und des Elektronen- und Protonentransfer zu QB zu gewinnen.

Konzertierter Ansatz zur Untersuchung von Polymorphie - Experiment und Simulation (2008)

Jürgen Thun

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung von Polymorphie und Kristallisation verschiedener organischer Moleküle. Als Techniken standen sowohl computerchemische Methoden als auch ein modernes automatisches Laborreaktorsystem zur Verfügung, welches über verschiedene Online-Sensoren und eine akurate Temperatursteuerung verfügte. Mittels einer FBRM-Sonde, welche eine zeitnahe Detektion der Keimbildung erlaubt, und einer ATR FT-IR Sonde, über die zu jedem Zeitpunkt der Kristallisation der Konzentrations- und somit auch der Überssättigungsverlauf gemessen werden konnte, war eine genaue Steuerung der Kristallisationsprozesse möglich. Unter Verwendung des beschriebenen Laborreaktorsystems gelang es, das 175 Jahre alte Rätsel über die Polymorphie des einfachen organischen Moleküls Benzamid zu lösen. Bereits im Jahre 1832 wurde zum ersten Mal das Phänomen der Polymorphie an organischen Molekülkristallen von den Grossvätern der modernen anorganischen und organischen Chemie, Friedrich Wöhler und Justus von Liebig am Beispiel des Benzamids entdeckt und veröffentlicht. Die Strukturlösung dieser von Wöhler und Liebig beschriebenen nadelförmigen Modifikation von Benzamid gelang allerdings erst im Rahmen dieser Arbeit im Jahr 2007. Von Benzamid ist eine weitere metastabile Phase II bekannt, welche bislang fälschlicherweise für die Wöhler und Liebig Phase gehalten wurde, da sie ebenfalls, wie auch die echte Wöhler Phase, in einer nadelförmigen Morphologie auskristallisiert. Diese Phase wurde 2005 von David et al. aus Röntgenpulverdaten gelöst. Allerdings wichen die verwendeten Kristallisationsbedingungen stark von den von Wöhler und Liebig beschriebenen Kühlraten ab. Durch eine schnelle, Lösungsmittel getriebene Umwandlung entzog sich diese Phase bislang jedoch weiteren Untersuchungen. Erst im Rahmen dieser Dissertation ist es gelungen, die Umwandlung dieser metastabilen Phase II soweit zu verlangsamen, dass sowohl röntgenographische Methoden, als auch Festkörper-NMR-, Raman- und IR-Spektroskopie möglich war. Durch die Einfachheit des Moleküls, nur einem Torsionsfreiheitsgrad, sowie der bekannten Polymorphie bietet sich Benzamid als Testsystem für Computersimulationen an. Benzamid wurde so als "benchmark"-System für Kristallstrukturvorhersagen unter der Verwendung zweier kommerziell erhältlicher Programmpakete (MS Modeling 4.0 und Cerius2) ausgewählt. Mit beiden Programmpaketen ist es gelungen sowohl die thermodynamisch stabile Phase I als auch die Wöhler und Liebig Phase richtig "vorherzusagen". Bei der metastabilen Phase II konnte die experimentelle Struktur leider nicht in den Vorhersagen gefunden werden. Die aus experimentellen Daten gelöste Kristallstruktur stellte im Hinblick auf das bei den Simulationen verwendete Kraftfeld einen Sattelpunkt auf der Energiehyperfläche dar, so dass selbst einfache Energieoptimierungen dieser Phase bereits scheiterten und zu einer deutlichen Veränderung in den Gitterparametern führte. Ein weiteres interessantes Ergebnis war die Vorhersage eines energetisch günstigen Packungsmusters, welches bislang schon von einigen kurzkettigen Carbonsäuren bekannt ist, dem sogenannten Katamer-Synthon. Dieses bildet sich aus langen über Wasserstoffbrücken gebundenen Ketten, in denen keine Dimere enthalten sind. Dieses vorhergesagte Packungsmotif bedarf noch einer experimentellen Bestätigung. Hierfür ist es allerdings notwendig geeignete Kristallisationsbedingungen zu schaffen, welche es erlauben die Bildung von Benzamid-Dimeren in Lösung zu verhindern. Parallel zum Modelsystem Benzamid wurde die Polymorphie des Wirkstoffes Montelukast und seiner Salze näher untersucht. Im Rahmen dieser Dissertation gelang es, die Kristallstruktur der freien Säure von Montelukast aus Röntgeneinkristalldiffraktometriedaten zu lösen. Die durchgeführten Kristallisationsexperimente zusammen mit der gelösten Kristallstruktur und computerchemischen Simulationen halfen, die Probleme bei der Kristallisation des Natrium-Salzes zu erklären. So scheint es notwendig, dass als strukturdirigierendes Agenz bei der Kristallisation dringend Wasserstoffbrücken notwendig sind. Experimentell bestätigt sich dies darin, dass neben der freien Säure auch ein mikrokristallines Ammonium-Salz bekannt ist, jedoch entgegen aller in den Patenten enthaltenen Behauptungen, kein kristallines Natrium-Salz. Dieser Befund lässt sich noch dadurch unterstützen, dass sich auch in den Originalmedikamenten keine kristalline Natrium-Verbindung finden lässt. Die Kombination aller hier vorgestellter Methoden erlaubt es, eine genaue Kenntniss über die Polymorphie von verschiedenen Systemen zu erlangen und bei der Lösung von Problemen in der experimentellen Kristallisation neue Lösungswege zu finden. Ungewöhnlich ist, dass alle verwendeten Techniken, sowohl Theorie als auch Experiment, an einem Ort, von einer Person durchgeführt wurden.

Liquid Crystalline Copper(II) Complexes of Poly(propylene imine) Dendrimers (2008)

Laura Torre Lorente

In the last years hybrid systems consisting of organic materials and metal centres have attracted considerable attention since they combine characteristics of metals with those of organic compounds. Particularly interesting are liquid crystalline systems because they cause to supramolecular ordered systems with taylored physical properties. Dendrimers with donor sites can be used as chelates for metal complexation and their well defined structure enables control over the number and topology of the metal centres. With this motivation new liquid crystalline, polynuclear complexes of mesogenic 3,4-decyloxybenzoyl-functionalized poly(propylene imine) PPI dendrimers from 1st to 5th generation as ligands and copper(II) as paramagnetic centres have been synthesised. The dendrimeric complexes were prepared by coordination of copper(II) to the corresponding ligands. The maximum loadings (average number of copper centres per dendrimer) reached for generations 1st to 5th are 1.9, 6.3, 12.0, 24.2, and 45.9, respectively. In order to investigate the influence of the copper loading on the properties of the complexes, a series of 2nd generation complexes, covering the whole range of copper loadings (0.3 to 6.3), has been prepared by varying either the stoichiometry of the reaction or the working-up procedure. TEM of the dendrimeric copper(II) complexes revealed relatively monodisperse particles with circular structures have been observed with mean particle diameter of 2 nm for the 2nd up to 3 nm for the 5th generation. According to estimations from X-ray experiments, these sizes correspond roughly to the dimensions of the dendrimeric polar core (tertiary amine scaffold and amidobenzoyl groups in the outer part), where the coordination of copper takes place. EELS spectroscopy has been also performed on the complexes and confirms the presence of copper. The complexes up to 3rd generation were identified by MALDI-ToF-MS as single molecules corresponding to a dendrimeric ligand with different intramolecular copper loadings. For the complexation the copper was used as its nitrate trihydrate Cu(NO3)2.3H2O. Under the reaction conditions nitric acid developes and takes part in the composition of almost every complex as indicated by the N and O contents, which were determined by elemental analysis. In the FTIR spectra of the complexes characteristic bands of quaternary ammonium salts are observed which gives evidence for the protonation of the tertiary amines and excludes them as complexation sites for copper in the dendrimers. FTIR analysis revealed the amide groups as the coordinating groups of copper(II) and gives evidence of the coexistence of N- and O-amido copper coordination in the complexes. Indications for copper-coordinated bidentate nitrate have been observed. The 1st generation complexes can be separated in two types of complexes (´blue´, ´green´), which can be selectively prepared and are related to each other. The individual structures have been studied by EPR spectroscopy (by Dr. N. E. Domracheva), which revealed the coexistence of both types of complexes within the dendrimers of the higher generations and showed a N2O3 (NO4) coordination for copper(II) in the ´blue´ (´green´) complexes. At low temperatures an antiferromagnetic exchange has been observed. This behaviour is caused by a mu-1,3 nitrate group bridging two copper centres, which gives rise to highly ordered structures with an estimated copper to copper distance of 6.9 Å. All investigated PPI copper (II)-complexes are liquid crystalline. For both the complexes and the ligands the segregation of the polar core and the apolar alkoxy terminal chains in different domains is responsible for the appearance of mesophases. The complexation of copper(II) together with the protonation of the tertiary amine groups contribute to the formation of broader mesophases for the complexes as compared to that of the ligands. The complexes exhibit a hexagonal columnar (p6mm) mesophase. Moreover, for complexes up to the 4th generation a columnar rectangular mesophase (probably p2mg) is induced below the hexagonal mesophase, if a certain copper content is exceeded. By wide-angle X-ray diffraction of the complexes highly ordered, columnar mesophases with stacking distances of ca. 6.9 Å were identified, which is in agreement with the EPR data. Hence, it is assumed that copper centres, belonging to different dendrimeric ligand molecules, can coordinate by a nitrate in a mu-1,3 bridging mode, which causes the ordered stacking of the dendrimer units along the columns in the mesophases.

Smart organic-inorganic nanohybrids of functionalized silsesquioxane nanoparticles (2008)

Manuela Schumacher

The formation and characterization of smart organic-inorganic nanohybrids was studied. The inorganic part was formed by N,N-di(2,3-di¬hydroxy¬propyl)¬3-amino¬propyl¬functional silsesquioxane nanoparticles being highly functionalized with ca. 14 tertiary amino groups per particles, each amino group bearing four hydroxyl groups. Two different polymer systems were used for the organic side: amphiphilic block copolymer micelles of poly(n-butyl acrylate)-block-poly(acrylic acid) and star-shaped poly(acrylic acid)s, the latter serving as a model system for frozen micelles. In all cases the mixing of aqueous solutions of anionic block copolymer micelles or the anionic stars with solutions of the silsesquioxane nanoparticles led to the easy and straightforward formation of organic-inorganic nanohybrids. The structure of the complex nanohybrids depends on pH and salinity. The amount of incorporated silsesquioxane nanoparticles within the micelles or the stars under varying external stimuli was determined using a large number of methods. Complexation preserved the original size of the micelles - consisting of a PnBA core and a PAA corona - according to dynamic light scattering and static light scattering as well as light scattering titration measurements and asymmetric flow field-flow fractionation experiments. Fourier-transform infrared spectroscopy and dialysis measurements with fluorescently labelled silsesquioxane nanoparticles confirmed the nanohybrid formation over a relatively wide range in pH. Cryogenic transmission electron microscopy micrographs indicated a core-shell structure of the nanohybrids with gradual decreasing density of silsesquioxane nanoparticles. LS titrations gave an insight in the postulated interaction mechanism. Complexation in acidic media is driven by hydrogen-bonding and ionic interaction; in alkaline media nanohybrids are mainly formed due to ionic interaction. Depending on ionic strength, attractive Coulomb interactions may be either sufficient to promote complexation even at high pH, where hydrogen-bonding is absent (low ionic strength), or are screened (high ionic strength), resulting in less favourable interactions between micelles and silsesquioxane nanoparticles. The reason for the size conservation is most probably due to the kinetically frozen micellar core and the compensation of increased steric repulsion due to complexation and attractive interactions between the silsesquioxane nanoparticle and the charged PAA. The maximum of the interaction at 0.1 M NaCl could be deduced to be in the range 3.5 < pH < 7.5 NaCl. At low salinity (0.01 M NaCl) more nanoparticles were incorporated within the micelles. Nanohybrids exist even up to very basic conditions (pH < 9.5). The responsiveness of the system on pH and salinity as external stimuli was demonstrated by LS titration, dialysis and FT-IR measurements, thermogravimetric analysis (TGA) and AFFFF measurements. Quantifying the amount of nanoparticles incorporated in the micelles turns out to be a arduous task. SLS of dialysed and undialysed samples and AFFFF of undialysed samples clearly showed increased molecular weights of the formed nanohybrids. TGA - requiring an exhaustive dialysis procedure prior to the measurements - provided information about the amount of incorporated silsesquioxane nanoparticles within the micelles. Isothermal titration calorimetry (ITC) provided the possibility to investigate the complexation mechanism in greater detail. Small angle neutron scattering (SANS) experiments, conducted at basic conditions, provided information on the inner structure of the nanohybrids. A newly developed fitting model enabled the quantification of the amount of interacting nanoparticles under these conditions. All methods to determine the amount of nanoparticles incorporated within the micelles sustained the formation of the organic-inorganic nanohybrids. The absolute number of nanoparticles per micelle is quite high (in the range from 160 to 4300, depending on the used method and conditions), however, the calculated numbers of nanoparticles per acrylic acid unit are quite low (in the range from 0.002 to 0.053). The stars showed behaviour comparable to that of the micelles. According to DLS and SANS experiments their size was preserved during complexation. SANS and LS titration measurements demonstrated the increased mass of the nanohybrid stars compared to the net stars. Cryo-TEM micrographs confirmed the formation of organic-inorganic nanohybrid stars, indicating a morphology with gradually decreasing density of nanoparticles. An appropriate fitting model for the SANS data for this challenging system was developed that proved the interaction between the silsesquioxane nanoparticles and the PAA and enabled the calculation of the amount of entrapped silsesquioxane nanoparticles within one star. The determined values were comparable to the ones calculated for the micellar nanohybrids.

Charakterisierung des Replikationsproteins ORF904 des archaealen Plasmids pRN1 (2008)

Kirsten Beck

Das Plasmid pRN1 kann als Modell für die Untersuchung der DNA-Replikation im thermoacidophilen Crenarchaeon Sulfolobus genutzt werden. Ein offenes Leseraster kodiert für das Protein ORF904. Es konnte bereits gezeigt werden, dass dieses Protein eine N-terminal lokalisierte Primase/Polymeraseaktivität besitzt, sowie eine C-terminale ATPase/Helikasedomäne. Vermutlich ist ORF904 involviert in die Replikation von pRN1. Ein Ziel dieser Arbeit war die weitere Charakterisierung der Primaseaktivität von ORF904. Ein Reihe von Oligodesoxynukleotiden wurden untersucht und es konnte ein Templat identifiziert werden, welches von ORF904 für die Synthese eines Primers genutzt werden konnte. Die Primaseerkennungssequenz GTG konnte identifiziert werden und als minimales Substrat für die Synthese eines Volllängenprimers wurde 5’-N8GTGN-3’ bestimmt. Es war außerdem bekannt, dass ORF904 Ribonukleotide und Desoxynukleotide für die Primersynthese benötigt. Die Quantifizierung des Einbaus radioaktiv markierter Ribo- und Desoxynukleotide zeigte, dass der Primer aus einem initiierenden Ribonukleotid besteht, welches mit Desoxynukleotiden verlängert wird. Der Startpunkt des Primers befindet sich direkt 5’ des Erkennungsmotivs. Die Kopiergenauigkeit des Enzyms wurde untersucht, indem die Einbaurate nichtkomplementärer Nukleotide analysiert wurde. Es konnte gezeigt werden, dass die Selektivität des Enzyms bei der Auswahl des ersten Nukleotids (Ribonukleotid) gering ist und dass ATP an dieser Position bevorzugt und gegenüber allen Basen eingebaut wird. Im Gegensatz dazu kommt es beim Einbau der Desoxynukleotide extrem selten zu Misinkorporationen, die Fehlerrate beträgt hier weniger als 0,02. Die minimale Primasedomäne von ORF904 (Aminosäuren 40-370) hat eine erhöhte Affinität für DNA mit dem Erkennungsmotiv, die Dissoziationskonstante beträgt hier 225 nM, im Vergleich zu DNA mit einem Basenaustausch im Erkennungsmotiv mit einer Dissoziationskonstante von 1200 nM. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass ORF904 in der Lage ist, ein einzelsträngiges Oligodesoxynukleotid templatunabhängig zu verlängern. Diese terminale Transferaseaktivität wurde auch bei einer Reihe weiterer archaealer zellulärer und plasmidaler Primasen gefunden. Es wird vermutet, dass diese Proteine zusätzlich an DNA-Reparaturprozessen beteiligt sind. Bisher gibt es nur wenige Informationen über den Reaktionsmechanismus von Primasen. Deshalb wurde versucht, kurze DNA-Matrizen mit verschiedenen Deletionsmutanten des Proteins zu kristallisieren, um die Röntgenkristallstruktur des Komplexes zu lösen. Nur mit einer kurzen Deletionsmutante (Aminosäuren 40-370) konnten Kristalle erzeugt werden, welche allerdings keine DNA enthielten. In der Struktur zeigte sich, dass die C-terminale Subdomäne der Deletionsmutante (Aminosäuren 260-370), welche für die Primersynthese essentiell ist, ausschließlich alpha-helikal gefaltet vorliegt. Die Anordnung der beiden Subdomänen und ihre Verbindung mit einem nicht auflösbaren, flexiblem Linker führte zu der Vermutung, dass das Protein verschiedene Konformationen einnehmen kann. Dies wurde untersucht, indem eine Reihe von Aminosäuren ausgetauscht wurden und die Primaseaktivität untersucht wurde. Damit konnte gezeigt werden, dass Y352 und schwächer W314 in die Erkennung des GTG involviert sind, da eine Mutation dieser Aminosäuren zu einem Verlust der Primaseaktivität mit einem Templat mit der Erkennungssequenz führt. In weiteren Experimenten zeigte sich, dass dieser Verlust der Aktivität vermutlich auf eine Veränderung der Erkennungssequenz zurückzuführen ist, da die Proteine in der Lage waren, mit M13 DNA, welche eine Vielzahl möglicher Sequenzen enthält, einen Primer zu synthetisieren. In der Kristallstruktur liegen das vorher identifizierte aktive Zentrum und die Aminosäuren Y352 und W314 weit voneinander entfernt, aber die Ergebnisse zeigen, dass sich diese Teile des Proteins während der Primersynthese vermutlich in räumlicher Nähe befinden. Dies unterstützte die Vermutung, dass die aktive Form von ORF904 eine geschlossene Konformation einnimmt und sich von der offenen Form im Kristall unterscheidet. Um die Replikation von pRN1 genauer untersuchen zu können, wurde versucht ein in vitro Replikationssystem aufzubauen. Es gelang nicht, den Replikationsursprung von pRN1 zu identifizieren. Viele der Proteine, welche in die DNA-Replikation involviert sind, sind in Komplexen organisiert, deshalb könnten weitere Proteine, die an der Replikation von pRN1 beteiligt sind, durch die Identifizierung von Interaktionspartnern von ORF904 gefunden werden. Mit einem modifizierten ELISA-Assay wurde die Interaktion von ORF904 mit PCNA1 beobachtet, welches Teil der archaealen sliding clamp ist und mit ORF80, welches ebenfalls auf pRN1 kodiert ist. Für die Interaktion von ORF904 mit diesen Proteinen war die Anwesenheit von ATP und einem Oligodesoxynukleotid notwendig. Die Aminosäuren 371-526 von ORF904 wurden als Ort der Interaktion identifiziert.

Effiziente Methoden zur chemo enzymatischen Synthese von komplexen N-Glycanen des bisecting Typs (2008)

Steffen Eller

Viele Proteine in der Zellmembran oder im Blutserum sind in eukaryotischen Organismen glycosyliert. Da die Kohlenhydratstrukturen verschiedene Aufgaben erfüllen, ist die Zugänglichkeit uniformer Glycoproteine für die Untersuchung von Struktur-Wirkungsbeziehungen nötig. Aufgrund der Mikroheterogenität ist die Isolierung von N-Glycanen aus Glycoproteinen erschwert. Daher stellt die chemische Synthese eine gute Alternative dar. Relativ selten in der Natur kommen N-Glycane des bisecting-Typs vor, deren Synthese in der vorliegenden Arbeit beschrieben wird. Diese Verbindungen sollen für die Untersuchung von Wechselwirkungen mit Lectinen, Seren oder Antikörpern auf Glycochips bereitgestellt werden. Substituierte N-Glycane können aus modularen Bausteinen hergestellt werden, aus denen auch ein pentaantennäres N-Glycan mit bisecting-GlcNAc und Core-Fucose synthetisiert werden sollte. Hierbei zeigte sich, dass die Ausbeute der sterisch anspruchsvollen Glycosylierung des hoch verzweigten alpha-1,6-Arms an den Heptasaccharidakzeptor von zwei Schlüsselschutzgruppen abhängt. Bei der Verwendung von zwei verschiedenen Donorbausteinen, bei denen die peripheren Aminogruppen durch Phthalimidoschutzgruppen geschützt wurden, wirkte sich das Fehlen der 3-Acetatschutzgruppe an der Mannose positiv auf die Ausbeuten aus. Einen ähnlichen Effekt hatte der Austausch der sperrigen Phthalimidoschutzgruppen gegen kleinere Trifluoracetamide in den Donoren. Mit diesen Bausteinen konnte die Ausbeute weiter verbessert werden, was auf elektronischen und sterischen Effekten beruhen sollte. Nach der Optimierung der Glycosylierung zu pentaantenären Strukturen wurde eine Core-Fucose eingeführt und die basenlabilen Schutzgruppen wurden entfernt. Damit konnte eine vielseitige Einsetzbarkeit der modularen Bausteine mit der Trifluoracetamidschutzgruppe gezeigt werden. Aufgrund dieser Ergebnisse wurden neue modulare Bausteine entwickelt, um die Synthese der verschieden verzweigten N-Glycane und die nachträgliche Einführung eines bisecting-GlcNAc-Rests zu untersuchen. Durch die unterschiedliche Kombination der neuen Antennendonoren mit dem Core-Trisaccharid konnten die komplexen N-Glycane mit zwei bis vier Antennen hergestellt werden. Für die Glycosylierungsreaktionen mussten aufgrund der erhöhten Reaktivität der trifluoracetamidgeschützten Donorbausteine geeignete Reaktionsbedingungen ermittelt werden. Die Regio- und Stereoselektivität in diesen Reaktionen wurde über die Konzentration und Temperatur der Reaktionsansätze gesteuert und ungewollte Überreaktion an benachbarten Hydroxylgruppen konnte damit unterdrückt werden. Mit Hilfe des GlcNAc-Donors konnte der bisecting-Rest nachträglich in die N-Glycane eingeführt werden. Durch die modularen trifluoracetamidgeschützten Bausteine wurden N-Glycane mit und ohne bisecting-GlcNAc in einer Syntheseroute erhältlich und die bisherige Verwendung einer temporären Chloracetatschutzgruppe unnötig. Es wurde zusätzlich die sequentielle Einführung des alpha-1,6-Arms und des bisecting-GlcNAc-Rests in regio- und stereoselektiven Eintopfreaktionen gezeigt. Auf diese Weise konnten auch das komplexe pentaantennäre N-Glycan und ein N-Glycan des Hybridtyps mit bisecting-Substitution hergestellt werden. Die vier chemisch synthetisierten N-Glycane des bisecting-Typs wurden in sechs Reaktionsschritten entschützt, an den bifunktionalen Spacer für die Immobilisierung auf Glycochips geknüpft und an den terminalen N-Acetylglucosaminyleinheiten mit Glycosyltransferasen enzymatisch verlängert. Hierbei wurden zuerst Galactosen beta-1,4-glycosidisch angeknüpft, an welche Sialinsäuren alpha-2,3- oder alpha-2,6-glycosidisch gebunden werden konnten. Somit wurden für die Immobilisierung auf den N-Glycanchips erstmals 17 komplexe N-Glycane mit bisecting-GlcNAc zur Verfügung gestellt. Außerdem wurde in weiteren Versuchen die Kopplung von N-Glycanen an die Seitenkette des Asparagins untersucht. Hierzu wurde das Core-Trisaccharid nach Reduktion des Azids an ein Asparaginsäureamid geknüpft und anschließend entschützt. Außerdem konnte das Glycosylhydroxylamin selektiv über eine decarboxylative Kondensation an ein Aminosäurederivat gebunden werden.

Polyethen-Schichtsilicat-Nanokomposite mit synthetischen Hectoriten (In situ Polymerisation mittels geträgerter Metallocenkatalysatoren) (2008)

Katrin Sattler

Das synthetische Schichtsilicat Na-Hectorit wurde für die heterogene metallocenkatalysierte Olefinpolymerisation säureaktiviert und mittels unterschiedlicher Methoden (Pulverdiffraktometrie, N2-Physisorption, FTIR- und 29Si-, 27Al-, 1H-MAS-NMR-Spektroskopie) charakterisiert, um die Zusammenhänge zwischen der Anbindung des Katalysatorsystems an das Schichtsilicat und der Aktivität in der Polymerisation genauer zu untersuchen. Durch die Einwirkung der Säure werden zum einen die Zwischenschichtkationen des Hectorits gegen Protonen und Magnesiumkationen aus der Oktaederschicht ausgetauscht, zum anderen werden die klar begrenzten Hectoritkristallite von den Rändern her von der Säure angegriffen, woraus zunächst die tangling Tetraederschicht resultiert, die nach und nach zu amorpher Kieselsäure kondensiert. Auf Grund dessen weist auch der säureaktivierte Na-Hectorit im Vergleich zu dem ursprünglichen Material eine sehr viel größere spezifische Oberfläche sowie auch eine erhöhte Porengröße und veränderte Porenverteilung auf. Ebenso lässt sich eine erhöhte Acidität des säurebehandelten Materials feststellen, auf Grund der aciden Protonen im Zwischenschichtraum des Na-Hectorits. Eine Reaktion des säureaktivierten Na-Hectorits mit Triisobutylaluminium TIBA findet mutmaßlich in der entstandenen tangling Tetraederschicht statt. Die Isobutylgruppen des TIBA’s können sowohl im FTIR- als auch im 1H-MAS-NMR-Spektrum nachgewiesen werden, was eine chemische Anbindung des Cokatalysators an die Silicatoberfläche belegt. Da es sich bei dem verwendeten Na-Hectorit um ein synthetisches aluminiumfreies Schichtsilicat handelt ist das detektierte Aluminiumsignal (27Al-MAS-NMR-Spektrum) eindeutig auf den Cokatalysator TIBA zurückzuführen. Auf Grund des Quadrupolkerns 27Al und der daraus resultierenden Linienverbreiterung im MAS-NMR-Spektrum kann die Koordination des detektierten Aluminiums und die Anzahl der unterschiedlichen Al-Spezies nicht eindeutig festgestellt werden. Jedoch deuten die Ergebnisse stark eine immobilisierte fünffach koordinierte Aluminiumspezies als dominierende Koordinationsverbindung hin (mehr als 50 %), die sich auf der Oberfläche des säureaktivierten Na-Hectorits ausbildet. Um ein Schichtsilicat für die heterogene Olefinpolymerisation durch Säurebehandlung zu aktivieren, muss dieses im wässrigen Medium quellfähig sein, damit der Zwischenschichtraum für die Protonen sehr gut zugänglich ist und dadurch ein leichterer Angriff der Säure auf die Silicatschichten erfolgt. Bei nichtquellfähigen Schichtsilicaten kann die Säure nur sehr langsam von den Rändern her die Silicatschichten angreifen, diese Materialien sind nicht aktiv in der heterogenen Olefinpolymerisation. Es hat sich gezeigt, dass nicht nur die gebildeten isolierten Silanolgruppen in der tangling Tetraederschicht für die Bildung eines aktiven heterogenen Katalysatorsystems nötig sind, sondern auch Brönstedt-Acidität in den angrenzenden Zwischenschichträumen, die auf Grund des nicht hydratisierten Zwischenschichtraums bei nichtquellfähigen Hectoriten fehlt. Bereits aktivierte Materialien verlieren die Fähigkeit TIBA zu immobilisieren, wenn keine ausreichende Brönstedt-Acidität im Zwischenschichtraum mehr vorhanden ist. Mit diesen heterogenen Katalysatorsystemen bilden sich in situ, direkt während der Polymerisation, Polymer-Schichtsilicat-Nanokomposite, deren außergewöhnlichen Eigenschaften mittels pulverdiffraktometrischen Untersuchungen, TEM-Aufnahmen und mechanischen Zugprüfungen charakterisiert wurden. Die Anbindung des synthetischen Hectorits an das Polyethen ist sehr gut, auf Grund der chemischen Bindung des Cokatalysators an das Schichtsilicat, was hervorragende mechanische Eigenschaften des Nanokomposits bewirkt. Die Polyethen-Hectorit-Nanokomposite zeigen im Vergleich zu anderen Polyethen-Schichtsilicat-Nanokompositen einen drastisch erhöhten E-Modul. Auch das auf die entsprechende Syntheseroute mit natürlichem Montmorillonit K10 hergestellte Polyethen-Nanokomposite kann keine vergleichbaren Ergebnisse liefern. Mit dem synthetischen Na-Hectorit steht also ein Trägermaterial zur Verfügung, dass zum einen eine homogene Verteilung der Schichtladung aufweist und zudem extrem große Kristallite besitzt, was äußerst wichtige Voraussetzungen für die Herstellung von Nanokompositen sind. Die Anbindung des Trägermaterials an die Polymermatrix sowie dessen homogene Verteilung im Polymer kann durch entsprechende Organophilierung des Schichtsilicats zusätzlich noch verbessert werden. Da diese Systeme jedoch nur eine sehr geringe Aktivität in der heterogenen Olefinpolymerisation zeigen, erscheint es sinnvoll auf diesem Weg Masterbatches für eine Schmelzcompoundierung im Extruder herzustellen.

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