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Massgeschneiderte Schichtsilicate für Materialwissenschaftliche Anwendungen
(2010)
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Michael Möller
- 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]<Si4>O10F2) und ein Li Hectorit (Li0,8[Mg2,2Li0,8]<Si4>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.
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Synthesis of reponsive homo- and block copolymers - application to the generation of inorganic-organic nanohybrids
(2010)
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Pierre-Eric Millard
- 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.
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Beiträge zur Chemie von Übergangsmetallkomplexen mit Alkenylcarbenen, Phosphoryliden und bioaktiven Hydroxyverbindungen als Liganden
(2010)
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Alexander Gmeiner
- Ein Schwerpunkt dieser Arbeit waren Versuche, Alkin-Insertions-Cyclopropanierungs-sequenzen mit Tetracarbonyl-eta2-Allylamino-Carben-Chelat-Komplexen für die Synthese von oligocyclischen organischen Verbindungen zu verwenden. Die Umsetzungen mit symmetrischen Alkinen wie 3-Hexin bzw. Tolan führte ich unter verschiedensten Be-dingungen in verschiedenen Lösungsmitteln durch. Hier war entweder kaum Umsatz zu beobachten oder die Reaktionen führten zu einer Vielzahl nicht weiter charakterisierter Zer-setzungsprodukte Es wurden auch Versuche zur Darstellung von bis dato unbekannten kationischen Eta3-Allyl-Amino-(Oxo)-Chrom(0)-Carben-Komplexen unternommen. Diese Verbindungen könnten als vielseitige Vorstufen zur enantioselektiven Synthese von Tetracarbonyl-eta2-(Oxo)Aminoalkenyl-Carben-Chelat-Komplexen dienen. Die Absicht war, durch Alkin-Insertions-Cyclopropanierungssequenzen mit enantiomerenreinen Tetracarbonyl-eta2-(Oxo)Aminoalkenyl-Carben-Chelat-Komplexen, enantioselektiv cyclopropanierte sechs-gliedrige (Oxo)Azacyclen aufzubauen. Zur Herstellung solcher Eta3-Komplexe wurden Ausgangskomplexe mit geeigneten Abgangsgruppen in der Alken-Seitenkette benötigt. Diverse Versuche diese Komplexe darzustellen, schlugen jedoch fehl. Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit titanierten Phosphoryliden. Durch Reaktion von Methylentriphenylphophoran mit den Bis-phenoxy-dichlor-titan(IV)-Ver-bindungen konnten monomere titanierte Phosphorylide erhalten werden. Durch Umsetzung eines titanierten Phosphorylids mit diversen aromatischen Aldehyden, unter verschiedenen Bedingungen, konnten keine 1,3-Diarylallene erhalten werden. Basierend auf dem cytotoxischen Potential von Titanocendichlorid, war ein Primärziel dieser Arbeit die Synthese von antitumoraktiven Titanocenderivaten. Im Gegensatz zu den etablierten, in der Tumortherapie häufig verwendeten Platinverbindungen, würden Titanocen-derivate, aufgrund anderer Wirkmechanismen, eventuell auch bei Nierenkarzinom- und Cisplatin-resistenten Zelllinien wirksam sein. Der Schwerpunkt dieser Arbeit war die Synthese von Titanocenkomplexen mit bioaktiven Hydroxyliganden, ausgehend von Titanocendichlorid bzw. Dimethyltitanocen. Als Liganden dienten unter anderem Combretastatin-analoge Chalkone und Oxazole. Unter wasserfreien Bedingungen konnten auch die Ferrocenylchalkone dargestellt werden. Durch Reaktion von Dimethyltitanocen mit dem sterisch anspruchsvollen Naturstoff Schisandrol A wurde ein stabiler Methyl-Titanocen-Schisandrol A-Komplex gebildet. Nie zuvor war ein Titanocen-Methyl-Komplex, welcher einen derart sperrigen Alkoxyliganden trägt, synthetisiert worden. Ein weiters Themengebiet dieser Arbeit war die Darstellung von Tricarbonyl-Chrom(0)-Komplexen des Schisandrol A. Es konnte eine saubere Verbindung isoliert werden. Laut NMR-Daten handelte es sich eindeutig um einen Tricarbonyl-Chrom(0)-Komplex. Jedoch war nicht feststellbar, welches Isomer vorlag. Dies müsste durch Herstellung größerer Mengen, Züchtung eines Einkristalls und anschließender Röntgenstrukturanalyse endgültig geklärt werden. Unter anderem wurde vom mir auch ein aussergewöhnlicher Tricarbonyl-Eisen(0)-Dien-Komplex des cytotoxisch hochwirksamen Naturstoffs Illudin M hergestellt.
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Azobenzene-functionalized molecular glasses for holographic applications
(2010)
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Roland Walker
- Holography is an optical imaging technique, with which an authentic copy of the original object can be created, even in the absence of the object itself. This means, that in contrast to conventional photography, the information of depth is not lost. Holography is based on writing an interference grating in a photosensitive volume element. Hereby two light sources are generating an interference pattern, which causes chemical or physical changes in the photosensitive material. By illumination of the stored diffraction grating, the original information can be reconstructed. One of the most important classes of photoaddressable chromophores utilized in holography are azobenzene compounds. Owing to the rich photochemistry of these chromophores, materials incorporating azobenzenes can be used as photoswitches, allowing fast and reversible control over the chemical, physical or optical properties of the entire system. Therefore, azobenzene-containing compounds are envisioned as smart light-responsive materials for various holographic applications. This thesis describes the synthesis and characterization of azobenzene-containing molecular glasses as well as their application as functional materials in specific holographic experiments. By utilizing a modular design principle, we were able to fine-tune their physical and photo-physical properties and optimize the molecular structure in view of the formation of surface relief nanostructures as well as inscription of holographic volume gratings. Understanding the formation of surface relief nanostructures and discovering ways of controlling the process is of importance, as uniform surface relief gratings (SRGs) with adjustable spacing and amplitude are of interest. Therefore a new series of azobenzene-containing molecular glasses based on a triphenylamine core has been synthesized and photo-physically characterized. A clear relationship between the chemical structure of these molecules and SRG build-up was established: the rate of formation and the maximal achievable amplitude of SRGs strongly depend on the optical susceptibility at the wavelength of the writing laser. Furthermore, we found that different polarizations of the laser beams also have a major influence. With this knowledge we were able to efficiently form SRGs with amplitude heights of up to 600 nm by tailoring the molecular structure of the material and selecting specific experimental conditions. Furthermore, it has been demonstrated that these surface patterns are stable enough to be transferred to a polymer surface with replica molding techniques. This concept has the potential to be practically applied for holographic optical elements. Holography is a most promising solution for optical data storage, as in contrast to conventional optical storage media, the entire volume of the medium is used instead of only a few thin layers. Unfortunately, current rewritable materials still exhibit certain challenges, most important, sufficiently fast writing times. Therefore, material concepts especially for improving the recording time as well as the long-term stability of holographic volume gratings are presented. By employing azobenzene-containing molecular glasses in blends with photoaddressable polymers, we were able to merge the excellent long-term stability of the polymer systems with the higher photo-physical sensitivity of the molecular glasses, thus creating a superior holographic material which combines the advantages of both material classes. In order to find a suitable blending material, we synthesized series of photochromic azobenzene-containing molecular glasses and screened them with respect to their photo-physical properties. The best combination of structural variations was chosen for the blending experiments. Already a blend comprising as less as ten wt% of molecular glass allowed us to decrease the holographic writing time of a photoaddressable block copolymer system by a factor of three while increasing the recording sensitivity by the factor five. In addition to molecular glasses with ordinary azobenzene chromophores we also examined low molecular weight materials functionalized with bisazobenzene moieties. This enabled us to achieve higher maximum refractive index modulations. Liquid-crystalline behaviour could be introduced with the incorporation of substituents at the bisazobenzene moiety. Subsequent investigations of the photo-physical properties revealed a long-term stable photo-orientation solely based on small molecular compounds, making such materials an interesting alternative to established systems. In summary, this thesis demonstrates that azobenzene-containing molecular glasses are a worthwile focus for research, as they are an amazingly versatile and adaptable class of materials suitable for a large number of different applications.
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Neue organometallisch substituierte Alkine, Alkene und Metallacyclen - Anwendung der Multikern-NMR-Spektroskopie
(2010)
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Peter Thoma
- Diese Dissertation berichtet über die Synthese neuer Mono- und Dialkinylstannane. Diese wurden mit gängigen Methoden (NMR, IR, MS, teils Röntgenstrukturanalyse) charakterisiert und ihre Anwendung in 1,1-Organoborierungsreaktionen wurde gezeigt. Die Alkinylstannane können in guten bis sehr guten Ausbeuten (teilweise quantitativ) erhalten werden. Nur in wenigen Fällen war eine Reinigung mittels fraktionierter Destillation nötig. Drei der Dialkinylstannene konnten kristallisiert und mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse charakterisiert werden. Bei zwei dieser Strukturen handelt es sich um Diethinylstannane, von denen bisher kein Beispiel literaturbekannt ist. Bei der Charakterisierung mit Hilfe der NMR-Spektroskopie konnte der bisherige Datensatz für Alkinylstannane (chemische Verschiebung, Kopplungskonstanten und isotopeninduzierte chemische Verschiebung) beträchtlich erweitert werden. Als ein besonders bemerkenswerter Effekt ist die beobachtete große Kopplungskonstante 6J(119Sn,19F)=30-35 Hz zu nennen, die in allen Alkinylstannanen beobachtet wurde, die para-Fluor-Benzylgruppen tragen. Dies weist auf eine Hyperkonjugation des Zinn-Atoms mit dem aromatischen Rest hin. Bei der Reaktion der Dialkinylstannane mit Triorganoboranen konnten verschiedene Reaktivitäten und Produktverteilungen beobachten werden. In allen Fällen für Dialkinylstannane die mit Trimethylsilyl-Gruppen substituiert sind liefert die Organoborierung 2,5-trimethylsilylsubstituierte Stannole, unabhängig vom Triorganoboran. Für Trialkylborane konnten Intermediate [Alkinyl(alkenyl)stannane] beobachtet werden, die innerhalb weniger Tage zu den entsprechenden Silolen abreagieren. Für BPh3 8 konnten diese Zwischenstufen nicht beobachtet werden. Diethinylstannane reagierten mit allen Trialkylboranen selektiv zu 2,5-unsubstituierten Stannolen. In der Reaktion mit 9-Et-9-BBN konnte nur die Erweiterung der Borabicyclo[3.3.1]nonan-Einheit beobachtet werden und die Ethyl-Gruppe verbleibt am Bor-Atom. Im Gegensatz dazu führt die entsprechende Reaktion mit BPh3 zu einer Mischung aus Stannolen und 1,4-Stanna-bora-cyclohexa-2,5-dienen neben weiteren bisher noch unbekannten Nebenprodukten. Die Umsetzung der anderen Dialkinylstannane mit Trialkylboranen liefert Gemische aus Stannolen und 1,4-Stanna-bora-cyclohexa-2,5-dienen. Der relative Anteil der 6-Ringe steigt mit dem sterischen Anspruch der Reste am Zinn und am Bor. Wird BPh3 verwendet, konnten reine 6-Ringe erhalten werden. Eine Erhöhung der Lewis-Acidität der Triorganoborane kann durch die Verwendung von Tris(pentafluorophenyl-)boran, B(C6F5)3 9 erreicht werden. In der Tat führte dies zu einigen interessanten Beobachtungen. Stannole waren die Endprodukte in der Reaktion zwischen Dialkinylstannane die mit Trimethylsilyl-Gruppen substituiert sind und B(C6F5)3. Diese waren, im Gegensatz zu ihren Silol-Analoga, beständig gegen Photoisomerisation. In allen anderen Fällen reagieren Dialkinylstanne mit B(C6F5)3 unter der quantitativen Bildung von 1,4-Stanna-bora-cyclohexa-2,5-dienen, wobei eines mittels Röntgenkristallstrukturanalyse charakterisiert werden konnte. Die Lewis-acide Natur von B(C6F5)3 9 half dabei die postulierten zwitterionischen Intermediate mit Hilfe spektroskopischer Methoden zu charakterisieren und in zwei Beispielen konnten die Molekülstrukturen mittels Röntgenkristallstrukturanalyse erhalten werden. Zum ersten Mal konnte ein solider struktureller Beweis für solche Intermediate mit H- oder Me3Si-Gruppe am Alkin erbracht werden Die Absättigung des stark Lewis-aciden Bor-Atoms mit vier Substituenten erklärt die langsame Umlagerung in die Endprodukte. Betrachtet man die Stannole als 1,3-Dipole kann man sich Additionsreaktionen mit Dipolarophilen vorstellen. Tatsächlich zeigten die Stannole eine Reaktivität mit Isocyanaten und einigen Isothiocyanaten. Diese Produkte konnten als neue bicyclische Verbindungen charakterisiert werden. Die vorgeschlagenen Konfiguration (H am C2 in cis-Position relativ zu Et am C3) konnte mittels 1D 1H-1H-NOE-Differenz-NMR-Spektroskopie bestätigt werden. Zwei stereogene Zentren werden hierbei in einer Reaktion erzeugt. Die Umsetzung von 1,4-Stannabora-3,4,5-triphenyl-cyclohexa-2,5-dienen mit Ethylisocyanat ergibt keine bicyclischen Verbindungen. Statt dessen werden neue Alkenylstannane gebildet. Ringöffnende Alkoholyse der Bicyclen ergab neue Stannolene. Von diesen konnte eines im Festkörper mittels Röntgenkristallographie untersucht werden. Beide Enantiomere sind im Kristallgitter vorhanden und kristallisieren in einer kettenartigen Struktur, in der sie sich abwechseln. Die Untersuchung der Reaktivität der Stannole bezüglich Isoselenocyanaten ergab ein abweichendes Verhalten im Vergleich zu Isocyanaten und Isothiocyanaten. Als einziges Produkt konnte das 1,3,5,2,4,6-Triselenatristannin-Derivat identifiziert werden.
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Charakterisierung thermophiler Cellulasen aus Sulfolobus solfataricus und Thermotoga maritima
(2010)
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Kristina Kufner
- Die Cellulase SSO1949 aus dem hyperthermophilen Archaeon S. solfataricus P2 ist aufgrund ihrer extremen thermo- und acidophilen Eigenschaften interessant für industrielle Anwendungen. 2005 wurde das 37 kDa grosse Enzym biochemisch charakterisiert und weist ein pH- und Temperaturoptimum von ca. 1.8 und ca. 80°C auf. Auf ein N-terminales Signalpeptid folgt eine Ser/Thr-reiche Region, an welche die katalytische Domäne anschliesst, die Sequenzähnlichkeiten zu anderen Mitgliedern der Glykosidhydrolase-Familie 12 aufweist. Für biotechnologische Anwendungen muss SSO1949 möglichst kostengünstig in grossen Mengen produziert werden. In E. coli wird SSO1949 rekombinant in unlöslicher Form („Inclusion Bodies“) überexprimiert. Die Aggregation des Proteins konnte auch durch Koexpression mit Chaperonen, Verkürzung der Ser/Thr-reichen Region sowie des C-Terminus, Deletieren des hydrophoben Loops innerhalb der konservierten Region und Fusion mit verschiedenen Proteinen nicht verhindert werden. In dieser Arbeit wurde eine Strategie entwickelt, SSO1949 aus „Inclusion Bodies“ denaturierend zu reinigen und das inaktive Enzym anschliessend in seine aktive Form zu überführen. Das geschah durch schnelles Verdünnen des Proteins in Rückfaltungspuffer. Die anschliessende Aufkonzentrierung gestaltete sich schwierig, dennoch konnte SSO1949 in dieser Arbeit enzymatisch charakterisiert werden. Im katalytischen Zentrum von SSO1949 befinden sich zwei konservierte Glutamatreste (E213 und E310). Durch Modellstrukturanalysen konnten in der Umgebung der katalytischen Reste Aminosäuren identifiziert werden, die möglicherweise für die extreme Acidophilie von SSO1949 verantwortlich sind. Durch gezielten Austausch dieser Aminosäuren wurde untersucht, inwiefern das pH-Optimum des Enzyms verschoben werden kann. Den grössten Einfluss zeigte die Mutation der Aminosäure Threonin 137 zu Asparagin, bei der sich das pH-Optimum von SSO1949 von 1.8 auf 3.4 verschob. Dieser Effekt konnte bereits bei Mutation der homologen Aminosäuren in Xylanasen von in Aspergillus kawachii, Streptomyces sp. und Bacillus circulans beobachtet werden. Da sich E. coli nicht als geeignetes Expressionssystem für SSO1949 herausstellte, wurde in dieser Arbeit dazu übergegangen, das Enzym unter den Bedingungen zu exprimieren, unter denen es natürlicherweise exprimiert wird, nämlich in dem Crenarchaeot Sulfolobus. Seit 2007 steht für Sulfolobus acidocaldarius ein Shuttle-Vektor-System zur Verfügung, in welchem SSO1949 unter Kontrolle verschiedener induzierbarer und konstitutiver Promotoren exprimiert wurde. Darüberhinaus wurde SSO1949 zur stabileren Proteinexpression auch ins Genom von S. acidocaldarius integriert. Durch Verwendung von uracilauxotrophen pyrEF-defizienten Mutanten wurde eine effiziente Selektion erreicht. Als selektive Marker für die Uracil-Selektion dienten die funktionsfähigen pyrEF-Gene aus Sulfolobus solfataricus P2, welche für Enzyme des Uridinmonophosphat-Syntheseweges codieren. SSO1949 zeigt 85% Sequenzidentität zu einer weiteren Endoglukanase aus Sulfolobus solfataricus. Bei der Cellulase SSO1354 handelt es sich um eine extrazelluläre Cellulase, die nicht frei ins Medium sekretiert wird, sondern mit der Zelloberfläche assoziiert bleibt. Auch SSO1949 ist sowohl in der Membranfraktion als auch im Kulturüberstand zu finden und kann aus beiden Fraktionen aufgereinigt werden. Die Aufeinigung von SSO1949 gestaltete sich schwierig und seine Identität konnte nicht massenspektrometrisch bestätigt werden. Aufgrund von Sequenzähnlichkeiten zu SSO1949 wurden zwei weitere Cellulasen der Glykosidhydrolase-Familie 12 für Mutationsstudien im aktiven Zentrum ausgewählt. CelA aus Thermotoga maritima und EglA aus Pyrococcus furiosus wurden bereits in früheren Arbeiten charakterisiert und weisen ebenfalls extreme Hitzestabilität auf mit einem pH-Optimum im leicht sauren Bereich bei pH 6. Durch gezielten Austausch von Aminosäuren im katalytischen Zentrum der beiden Glukanasen gegen die homologen Aminosäuren in SSO1949 sollte ihr pH-Optimum weiter ins saure Milieu verschoben werden. Die Punktmutationen im aktiven Zentrum von CelA führten jedoch lediglich zu einer Verschiebung des pH-Optimums um eine pH-Stufe in den sauren Bereich. Bei allen Mutanten wurde die cellulolytische Aktivität in Mitleidenschaft gezogen. Abschließend wurde ein Hybridprotein aus den beiden Cellulasen SSO1949 aus Sulfolobus solfataricus und CelA aus Thermotoga maritima generiert, welches die Eigenschaften der besseren Löslichkeit und Acidophilie erfolgreich in einem Protein vereint. Das neu entstandene Fusionsprotein wird zwar noch immer unlöslich in E. coli exprimiert, kann jedoch im Gegensatz zu SSO1949 mit milderen Denaturierungsmitteln aus „Inclusion Bodies“ gelöst werden. Nach erfolgreicher Rückfaltung zeigte das funktionsfähige Hybridprotein ein Temperaturoptimum von ca. 85°C und ein pH-Optimum von ca. pH 3.
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"Smart" Hydrogels based on Trishydrophilic Triblock Terpolymers
(2010)
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Stefan Reinicke
- The work presented in this thesis focuses on the synthesis of double stimuli-responsive, trishydrophilic triblock terpolymers and their utilization for the construction of “smart” hydrogel systems, responding to a variety of external stimuli. The central focus was put on ABC triblock terpolymers composed of a pH-sensitive A block, a water soluble B block and a thermo-sensitive or multi-responsive C block. This concept was used for the construction of hydrogels responding independently to pH, temperature, and UV light. It was further applied to the formation of polymer/nanoparticle hybrid micelles suitable for the formation of magneto-responsive hydrogels (ferrogels). At first, a new route for the synthesis of block copolymers, containing ethylene oxide and glycidol derivatives, was developed. The crucial aspect of this procedure, based on sequential anionic polymerization, was the utilization of the phosphazene base t-BuP4, enabling the anionic polymerization of epoxide monomers in the presence of lithium counterions. It was shown, that ethoxyethyl glycidyl ether polymerizes easily under the established polymerization conditions without unwanted termination. Hence, we were able to synthesize well-defined block copolymers containing vinyl and epoxide monomers in a one-pot reaction, without performing additional intermediate steps. This new synthetic route was then utilized to synthesize a series of poly(2-vinylpyridine)-block-poly(ethylene oxide)-block-poly(glycidyl methyl ether-co-ethyl glycidyl ether) (P2VP-b-PEO-b-P(GME-co-EGE)) triblock terpolymers suitable for pH and temperature dependent hydrogel formation. The reversible gelation for this particular system relies on two distinct mechanisms. Under conditions, where only one outer block is insoluble, core-shell-corona (CSC) micelles are formed, resulting in gelation via close cubic packing of the micelles. On the other hand, the micelles are also able to crosslink through their corona when both outer blocks are insoluble. As a direct consequence, a temperature triggered gel-sol-gel transition occurred at pH = 7, accompanied by a unique gel strengthening. Solubility and gelation studies were performed by DLS, rheology and SANS. The influence of polymer concentrations and block lengths on the gelation behavior and gel properties was studied. In order to derive information about the exact structure of the cubic lattice formed in the low temperature gel phase (simple cubic or body centered cubic), a 19 wt% aqueous solution of a particular P2VP-b-PEO-b-P(GME-co-EGE) triblock terpolymer at pH = 7 was further investigated using SANS under steady shear. By application of shear stress, the irregularly arranged polydomains of the sample oriented macroscopically along a preferred direction, which led to highly defined, strongly anisotropic 2D scattering patterns. The interpretation of these patterns confirmed the presence of a body centered cubic packing. The gel-sol transition upon temperature increase can be explained by a shrinkage of the shell of the CSC micelles. To increase the versatility of the established hydrogel concept, we further synthesized ABC triblock terpolymers with different responsive polymers as C blocks. This required an alternative synthetic route, combining anionic polymerization and ATRP via “click” chemistry. After optimization of each synthetic step, exemplary poly(2-vinylpyridine)-block-poly(ethylene oxide)-block-poly(oligo(ethylene glycol) methacrylate) (P2VP-b-PEO-b-POEGMA) and poly(2-vinylpyridine)-block-poly(ethylene oxide)-block-poly(dimethyl- aminoethyl methacrylate) (P2VP-b-PEO-b-PDMAEMA) triblock terpolymers were synthesized, respectively, and characterized regarding their solubility and gelation behavior. At pH > 5, P2VP-b-PEO-b-PDMAEMA forms CSC micelles with a P2VP core, and a pH- as well as thermo-sensitive PDMAEMA corona. This particular structure represents a hydrogel, whose temperature dependent response can be easily changed from a gel-sol to a sol-gel transition by increasing the pH from 8 to 9. At pH = 7.5 on the other hand, gel formation is induced by the addition of hexacyanocobaltate(III) ions due to electrostatic interactions between the multivalent cobaltate ions and the charged DMAEMA units, causing a physical crosslinking of the CSC micelles. The gel can subsequently be disintegrated by an exposure to UV-light, based on a UV-catalyzed aquation of the trivalent hexacyanocobaltate(III) ions ions to divalent aquapentacyanocobaltate(III)-ions. In the last part, a new approach was developed to create a novel type of magnetic field-responsive hydrogels (ferrogels), in which the nanoparticles are tightly bound to the polymer matrix. The P2VP block of the previously synthesized P2VP-b-PEO-b-P(GME-co-EGE) triblock terpolymers was quaternized to a low extent and complexed with negatively charged, citrate stabilized maghemite (γ-Fe(III)-oxide) nanoparticles. Using different analytical methods it was shown that well-defined CSC hybrid micelles were obtained with cores formed by a complex of P2VP and 3-4 nanoparticles per core. Concentrated solutions of these micelles are able to form gels depending on temperature, as revealed by rheology measurements. Due to the presence of the maghemite particles, it is possible to induce gelation via remote heating using AC magnetic fields, which was demonstrated by high frequency magnetocalorimetry.
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Donor-Acceptor Block Copolymers in Organic Electronics - Spectroscopy, Charge Transport, Morphology and Device Application
(2010)
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Sven Hüttner
- Organic electronic devices have attracted increasing attention over the last decade. The use of organic materials allows the creation of large area, flexible and low-cost lightemitting devices, transistors and photovoltaics. The development of new organic materials contributes to a successful commercialisation. The present work deals with the characterisation of novel donor-acceptor block copolymers and their constituent polymer blocks that are well-suited for organic photovoltaics. Block copolymers phase-separate and self-assemble into nanostructured morphologies due to the covalent linkage of the two blocks. The interplay between intermolecular interactions, mesoscopic crystalline structures and the block copolymer microphase separation determine the material properties and therefore the device characteristics. Thus, these block copolymers offer a unique platform to study the electronic and photophysical properties of confined donor-acceptor systems. This work is concerned with the fundamental characterisation of these properties as well as the application in organic field effect transistors and organic solar cells. The acceptor polymer block poly(perylene bisimide acrylate) (PPerAcr) consists of perylene bisimide (PBI) units that are linked to a polyacrylate backbone. We have investigated the homopolymer PPerAcr, a model block copolymer in conjunction with polystyrene (PS), as well as fully functionalised block copolymers with a donor block either made of poly(vinyl triphenylamine) (PvTPA) or poly(3-hexylthiophene) (P3HT). These polymers offer a set of electronically active materials with several hierarchical structures: The PBI moieties feature intermolecular pi-pi interactions that lead to crystalline side chains of PPerAcr that form a lattice of one-dimensional stacks of PBI. Further nanoscopic structures are induced by the combination of PPerAcr with another amorphous block or another semi-crystalline block such as P3HT due to phase separation. Since PPerAcr is used as an electron transporting material in all subsequent block copolymers, its structural, optical and electronic properties are investigated in detail. The intermolecular interactions of the PBI moieties favour not only charge transport, but also affect the optical properties, due to the electronic coupling of the transition dipole moments. Thus, optical spectroscopy such as absorption and fluorescence spectroscopy give access to information about the intermolecular packing, which is correlated with temperature dependent X-ray diffraction studies. The strong intermolecular packing of the PBI units can be overcome by solvent-vapour exposure. This is especially helpful to induce polymer chain mobility, enabling the completion of block copolymer phase separation for example. This method was studied in detail by means of in-situ spectroscopy and ellipsometry during controlled solvent-vapour exposure. Spincoated films of PvTPA-b-PPerAcr exhibit an incomplete phase separation and can be transformed into an ordered lamellar morphology by solvent-vapour annealing. In addition to PvTPA, we have characterised further poly(triarylamines) with different electron-rich substituents at the TPA units in OFETs. All these polymers are amorphous side-chain polymers. We found the charge carrier mobility to be independent of the molecular weight, though allowing an adjustment of their thermal properties for device fabrication. This is in contrast to P3HT, which is a semi-crystalline, conjugated main chain polymer. X-ray diffraction, steady state and time-resolved spectroscopy, as well as the transistor device characterisation were employed to establish a charge transport - morphology relation for the donor-acceptor block copolymers P3HT-b-PPerAcr containing two crystalline blocks. Controlling the crystallisation preferences of the two blocks leads to a new processing route for OFETs with tunable p-type, ambipolar, or n-type transport through a one-time thermal annealing step. The application of P3HT-b-PPerAcr in organic photovoltaic devices showed also very promising results with high external quantum efficiencies. Subsequently, the photophysics of P3HT-b-PPerAcr by means of absorption and fluorescence spectroscopy as well as time-resolved transient absorption spectroscopy were investigated. All block copolymers exhibited an ultra-fast charge-pair formation and a strongly reduced photoluminescence, suggesting domain sizes of only some nanometres. Although efficient charge separation could be accomplished, a good charge percolation was lacking due to small domain sizes. Furthermore the herein presented results emphasis the fundamental importance of morphology and interfacial properties such as crystallinity. These findings motivate the further use of block copolymers as compatibilising agents for polymer blends to improve their interface and morphology.
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Synthese, Funktionalisierung und Wirkoptimierung natürlicher Chinone
(2010)
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Sandra Breyer
- Ziel dieser Arbeit war es, verschiedene, natürliche Chinone mit bereits vorhandener Antitumoraktivität zu synthetisieren und durch strukturelle Modifikationen ihre Aktivitäten oder Selektivitäten zu verbessern. Das bereits etablierte Chemotherapeutikum Doxorubicin wurde mit verschiedenen Fettsäuren und Monoterpenalkoholen verschiedener Spacerlängen via Hydrazonbindung am C-13-Kohlenstoff funktionalisiert. Zu Vergleichszwecken wurden auch Doxorubicin-Ester und ein Amid hergestellt. Es konnte gezeigt werden, dass Position C-13 und damit die Hydrazon¬bindung am besten für Funktionalisierungen geeignet ist. Konjugate mit gesättigten und ungesättigten Fettsäuren lieferten IC-50-Werte im Bereich von Doxorubicin (12 nM, 72 h, 518A2), wobei Hydrazone mit gesättigten Fettsäuren generell höhere Aktivität zeigten als welche mit ungesättigten. Als optimale Spacerlänge für Terpen-Konjugate erwies sich Dodecandisäure. Es konnte ein Menthol-Konjugat erhalten werden, welches die Aktivität von Doxorubicin mit 6 nM (IC-50, 72 h, 518A2) sogar übertraf. Das para-Benzochinon Thymochinon (TQ), welches Hauptbestandteil des Schwarzkümmels (Nigella sativa) ist, wurde an verschiedenen Positionen derivatisiert. Es zeigte sich, dass dafür der C-6-Kohlenstoff am besten geeignet ist. Es konnten mithilfe einer Radikalreaktion neben vielen Fettsäurekonjugaten auch TQ-Derivate mit end¬ständiger Carboxylgruppe unterschiedlicher Kettenlänge synthetisiert werden. Diese konnten im Nachhinein mit verschiedenen Terpenalkoholen verestert werden. Für die Fettsäurekonjugate konnte gezeigt werden, das in diesem Fall, anderes als bei Doxorubicin, mehrfach ungesättigte Fettsäuren (Linolensäure, DHA) sowie oxofunktionalisierte Fettsäuren höhere Aktivität zeigten als ihre gesättigten Vertreter. Die IC-50-Werte eines Docosahexaensäurekonjugats erreichten mit einer Konzentration von 30 nM nach 72 h sogar klinisch interessante Bereiche. Bei TQ-Terpenestern eigneten sich kurze Spacer (aus Bernsteinsäure) am besten zur Funktionalisierung. Die unterschiedlichen Terpene hatten dabei relativ wenig Einfluss auf die Aktivität. Dennoch wurde diese im Vergleich zu Thymochinon deutlich verbessert. Weiterhin konnte ausgehend von Toluolhydrochinon erfolgreich eine Synthese zur 13-C-Markierung von TQ entwickelt werden. Die Markierung wurde im Rahmen einer Grignardreaktion an einem zuvor synthetisierten Acetophenon eingeführt. Durch weitere Reaktionsschritte konnte 13-C-markiertes Thymohydrochinon erhalten werden, was mit CAN zu 13-C-TQ oxidiert wurde. Zur fluoreszenz-mikroskopischen Untersuchung von TQ und seinen Derivaten wurde dieses zusätzlich mit Biotin (für einen Streptavidin-Assay) und Alkinen („in vivo click chemistry“ mit Hilfe von Cumarinaziden) funktionalisiert. Allgemein konnte gezeigt werden, dass sich die Konjugate nach Inkubation im Zellkern befanden und dort Apoptose auslösten. Das chinoide Sesquiterpen Thespeson, welches zur Stoffklasse der Mansonone zählt, konnte erstmals erfolgreich aus einer aromatischen Komponente und einem Semiquadratsäurederivat synthetisiert werden. Die aromatische Komponente konnte dabei durch Umwandlung funktioneller Gruppen in wenigen Schritten aus 4-Methyl-2-hydroxyacetophenon hergestellt werden. Die Kontrolle über das Stereozentrum erfolgte dabei über eine wiederholte kinetisch kontrollierte enzymatische Racematspaltung mit PPL. Somit konnten beide Enantiomere mit 96 bzw. 77 % ee erhalten werden. MTT-Tests ergaben, dass natürliches (-)-Thespeson im Gegensatz zu racemischen oder (+)-Thespeson an verschiedenen Krebszellen Aktivität zeigte. Die Tatsache, dass es für gesunde Zellen vollkommen ungiftig war, macht es zu einem interessanten neuen Wirkstoffkandidaten. Auch für das Isofuranonaphthochinon 7,8-Dihydroxy-1-methylnaphtho[2,3-c]-furan-4,9-dion konnte erfolgreich eine erste Totalsynthese entwickelt werden. Zur Kontrolle der Regioselektivität wurden die beiden Edukte Veratrol und 6-Methylfuro[3,4-c]furan-1(3H)-on gewählt. Addition des Lactons an Veratrol erfolgte über ortho-Lithiierung. Oxidations- sowie Ringschluss¬reaktionen und anschließende Abspaltung der Methylgruppe führten zu dem Siderophor.
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3-Funktionalisierung von Tetron- und Tetramsäuren - Beiträge zur Totalsynthese von Bakkenolid-A und Macrocidin A
(2010)
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Bertram Barnickel
- Ziel des ersten Projekts dieser Arbeit war die Totalsynthese von Bakkenolid A. Der Schlüsselschritt hierfür war die Entwicklung einer regioselektiven Methode zur 3-Funktionalisierung von Tetronaten mittels Pentadienyl-Verbindungen. Bis zur Realisierung der Reaktion waren detaillierte Untersuchungen bezüglich deren Reaktionsmechanismus und der damit einhergehenden Regioisomere nötig. Durch die Synthese diverser Pentadien-Buildingblocks konnte letztlich der optimale Reaktionspartner für eine regioselektive Tsuji-Trost-Reaktion gefunden werden. Eine vollständige Synthese von Bakkenolid A scheiterte jedoch aufgrund unüberwindbarer, sterischer Hinderung bei der anschließenden Diels-Alder Reaktion. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Totalsynthese von Macrocidin A angestrebt. Ein zentraler Teil der Retrosynthese-Strategie beruhte auf der erfolgreichen 3-Acylierung von Tetramsäuren gemäß Yoshii et al. Da die Ausbeuten dieser Methode aufgrund des bis heute ungeklärten Mechanismuses sehr schwer vorherzusagen sind, wurden deren Möglichkeiten detailliert untersucht. Hierbei zeigte sich eine starke Abhängigkeit von der Kettenlänge und v.a. dem Verzweigungsgrad in α-Position der verwendeten Carbonsäure. Die so erhaltenen 3-Acyl-Tetramsäuren wurden in ihre partiell bzw. global entschützten Derivate überführt und somit eine Substanzbibliothek aufgebaut. Diese wurde bezüglich ihrer cytotoxischen bzw. antibakteriellen Wirksamkeit untersucht. Hierbei konnten einige Verbindungen mit IC50-Werten im einstelligen µM-Bereich identifiziert werden. Die Erstellung einer eindeutigen Struktur-Wirkungs-Beziehung gelang allerdings nicht. Der entscheidende nächste Schritt in Richtung Totalsynthese von Macrocidin A war der Ringschluss zum 17-gliedrigen Makrocyclus. Ursprünglich nur als Entschützung der Phenol-Funktion geplant, gelang durch Palladium-Katalyse der direkte Ringschluss eines Nor-Macrocidin A Precursors. Hierbei handelt es sich um eine bis dato unbekannte, mit einer Williamson-Ether-Synthese vergleichbaren Methode zur Synthese von Makrocyclen.
