TY - THES A1 - Doriti, Afroditi T1 - Sustainable bio-based poly-N-glycines and polyesters T1 - Nachhaltige biobasierte Poly-N-Glycine und Polyester N2 - Nowadays, the need to protect the environment becomes more urgent than ever. In the field of chemistry, this translates to practices such as waste prevention, use of renewable feedstocks, and catalysis; concepts based on the principles of green chemistry. Polymers are an important product in the chemical industry and are also in the focus of these changes. In this thesis, more sustainable approaches to make two classes of polymers, polypeptoids and polyesters, are described. Polypeptoids or poly(alkyl-N-glycines) are isomers of polypeptides and are biocompatible, as well as degradable under biologically relevant conditions. In addition to that, they can have interesting properties such as lower critical solution temperature (LCST) behavior. They are usually synthesized by the ring opening polymerization (ROP) of N-carboxy anhydrides (NCAs), which are produced with the use of toxic compounds (e.g. phosgene) and which are highly sensitive to humidity. In order to avoid the direct synthesis and isolation of the NCAs, N-phenoxycarbonyl-protected N-substituted glycines are prepared, which can yield the NCAs in situ. The conditions for the NCA synthesis and its direct polymerization are investigated and optimized for the simplest N-substituted glycine, sarcosine. The use of a tertiary amine in less than stoichiometric amounts compared to the N-phenoxycarbonyl--sarcosine seems to accelerate drastically the NCA formation and does not affect the efficiency of the polymerization. In fact, well defined polysarcosines that comply to the monomer to initiator ratio can be produced by this method. This approach was also applied to other N-substituted glycines. Dihydroxyacetone is a sustainable diol produced from glycerol, and has already been used for the synthesis of polycarbonates. Here, it was used as a comonomer for the synthesis of polyesters. However, the polymerization of dihydroxyacetone presented difficulties, probably due to the insolubility of the macromolecular chains. To circumvent the problem, the dimethyl acetal protected dihydroxyacetone was polymerized with terephthaloyl chloride to yield a soluble polymer. When the carbonyl was recovered after deprotection, the product was insoluble in all solvents, showing that the carbonyl in the main chain hinders the dissolution of the polymers. The solubility issue can be avoided, when a 1:1 mixture of dihydroxyacetone/ ethylene glycol is used to yield a soluble copolyester. N2 - Heutzutage wird die Notwendigkeit, die Umwelt zu schützen, dringender denn je. Auf dem Gebiet der Chemie bedeutet dies Praktiken wie Abfallvermeidung, Verwendung nachwachsender Rohstoffe und Katalyse, Konzepte, die auf den Prinzipien der grünen Chemie basierend sind. Polymere sind ein wichtiges Produkt in der chemischen Industrie und stehen auch im Fokus dieser Veränderungen. In dieser Arbeit werden nachhaltigere Ansätze zur Herstellung von zwei Klassen von Polymeren, Polypeptoiden und Polyestern beschrieben. Polypeptoide oder Poly (alkyl-N-glycine) sind Isomere von Polypeptiden und sind biokompatibel sowie unter biologisch relevanten Bedingungen abbaubar. Darüber hinaus können sie interessante Eigenschaften wie das LCST-Verhalten (Lower Critical Solution Temperature) aufweisen. Sie werden üblicherweise durch die Ringöffnungspolymerisation (ROP) von N-Carboxyanhydriden (NCAs) synthetisiert, die unter Verwendung von toxischen Verbindungen (z. B. Phosgen) hergestellt werden und die gegenüber Feuchtigkeit sehr empfindlich sind. Um die direkte Synthese und Isolierung der NCAs zu vermeiden, werden N-Phenoxycarbonyl-geschützte N-substituierte Glycine hergestellt, die die NCAs in situ liefern können. Die Bedingungen für die NCA-Synthese und ihre direkte Polymerisation wurden für das einfachste N-substituierte Glycin, Sarcosin, untersucht und optimiert. Die Verwendung eines tertiären Amins in weniger als stöchiometrischen Mengen im Vergleich zum N-Phenoxycarbonyl-Sarkosin scheint die NCA-Bildung drastisch zu beschleunigen und beeinflusst die Effizienz der Polymerisation nicht. In der Tat können mit diesem Verfahren gut definierte Polysarkosine hergestellt werden, die dem Verhältnis von Monomer zu Initiator entsprechen. Dieser Ansatz wurde auch auf andere N-substituierte Glycine angewendet. Dihydroxyaceton ist ein aus Glycerin hergestelltes, nachhaltiges Diol, das bereits für die Synthese von Polycarbonaten verwendet wurde. Hier wurde es als Comonomer für die Synthese von Polyestern verwendet. Die Polymerisation von Dihydroxyaceton zeigte jedoch Schwierigkeiten, wahrscheinlich aufgrund der Unlöslichkeit der makromolekularen Ketten. Um das Problem zu umgehen, wurde das Dimethylacetal-geschützte Dihydroxyaceton mit Terephthaloylchlorid polymerisiert, um ein lösliches Polymer zu ergeben. Wenn das Carbonyl nach der Entschützung zurückgewonnen wurde, war das Produkt in allen Lösungsmitteln unlöslich, was zeigt, dass das Carbonyl in der Hauptkette das Lösen der Polymere behindert. Das Löslichkeitsproblem kann vermieden werden, wenn eine 1: 1-Mischung von Dihydroxyaceton / Ethylenglycol verwendet wird, um einen löslichen Copolyester zu ergeben. KW - ROP KW - N-alkyl-glycine KW - polypeptoids KW - activated urethane KW - dihydroxyacetone KW - polycondensation KW - polyesters KW - Ringöffnungspolymerisation KW - N-Alkylglycin KW - Polypeptoide KW - aktiviertes Urethan KW - Dihydroxyaceton KW - Polykondensation KW - Polyester Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411286 ER - TY - THES A1 - Pavashe, Prashant T1 - Synthesis and transformations of 2-thiocarbohydrates T1 - Synthese und Transformationen von 2-Thiokohlenhydraten BT - a practical approach for functionalization of thiosugars BT - ein Praktischer Zugang zur Funktionalisierung von Thiozuckern N2 - I. Ceric ammonium nitrate (CAN) mediated thiocyanate radical additions to glycals In this dissertation, a facile entry was developed for the synthesis of 2-thiocarbohydrates and their transformations. Initially, CAN mediated thiocyanation of carbohydrates was carried out to obtain the basic building blocks (2-thiocyanates) for the entire studies. Subsequently, 2-thiocyanates were reduced to the corresponding thiols using appropriate reagents and reaction conditions. The screening of substrates, stereochemical outcome and the reaction mechanism are discussed briefly (Scheme I). Scheme I. Synthesis of the 2-thiocyanates II and reductions to 2-thiols III & IV. An interesting mechanism was proposed for the reduction of 2-thiocyanates II to 2-thiols III via formation of a disulfide intermediate. The water soluble free thiols IV were obtained by cleaving the thiocyanate and benzyl groups in a single step. In the subsequent part of studies, the synthetic potential of the 2-thiols was successfully expanded by simple synthetic transformations. II. Transformations of the 2-thiocarbohydrates The 2-thiols were utilized for convenient transformations including sulfa-Michael additions, nucleophilic substitutions, oxidation to disulfides and functionalization at the anomeric position. The diverse functionalizations of the carbohydrates at the C-2 position by means of the sulfur linkage are the highlighting feature of these studies. Thus, it creates an opportunity to expand the utility of 2-thiocarbohydrates for biological studies. Reagents and conditions: a) I2, pyridine, THF, rt, 15 min; b) K2CO3, MeCN, rt, 1 h; c) MeI, K2CO3, DMF, 0 °C, 5 min; d) Ac2O, H2SO4 (1 drop), rt, 10 min; e) CAN, MeCN/H2O, NH4SCN, rt, 1 h; f) NaN3, ZnBr2, iPrOH/H2O, reflux, 15 h; g) NaOH (1 M), TBAI, benzene, rt, 2 h; h) ZnCl2, CHCl3, reflux, 3 h. Scheme II. Functionalization of 2-thiocarbohydrates. These transformations have enhanced the synthetic value of 2-thiocarbohydrates for the preparative scale. Worth to mention is the Lewis acid catalyzed replacement of the methoxy group by other nucleophiles and the synthesis of the (2→1) thiodisaccharides, which were obtained with complete β-selectivity. Additionally, for the first time, the carbohydrate linked thiotetrazole was synthesized by a (3 + 2) cycloaddition approach at the C-2 position. III. Synthesis of thiodisaccharides by thiol-ene coupling. In the final part of studies, the synthesis of thiodisaccharides by a classical photoinduced thiol-ene coupling was successfully achieved. Reagents and conditions: 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone (DPAP), CH2Cl2/EtOH, hv, rt. Scheme III. Thiol-ene coupling between 2-thiols and exo-glycals. During the course of investigations, it was found that the steric hindrance plays an important role in the addition of bulky thiols to endo-glycals. Thus, we successfully screened the suitable substrates for addition of various thiols to sterically less hindered alkenes (Scheme III). The photochemical addition of 2-thiols to three different exo-glycals delivered excellent regio- and diastereoselectivities as well as yields, which underlines the synthetic potential of this convenient methodology. N2 - I. Cerammoniumnitrat (CAN) vermittelte Thiocyanat Radikaladditionen an Glycale In dieser Dissertation wurde ein einfacher synthetischer Zugang zu 2-Thiokohlenhydraten und dessen Transformationsprodukten entwickelt. Zu Beginn wurden CAN vermittelte Funktionalisierungen von Kohlenhydraten mit Thiocyanat durchgeführt, um die notwendigen Ausgangsverbindungen (2-Thiocyanate) für die weiteren Studien zu erhalten. Im Folgenden wurden diese 2-Thiocyanate mit entsprechenden Reagenzien unter geeigneten Reduktionsbedingungen zu den Thiolen reduziert. Das Screening der Substrate, der stereochemische Verlauf und der Reaktionsmechanismus wird kurz diskutiert (Schema I). Schema I. Synthese der 2-Thiocyanate II und Reduktionen zu den 2-Thiolen III & IV. Es wurde ein interessanter Mechanismus für die Reduktion der 2-Thiocyanate II zu den 2-Thiolen III via Bildung von Disulfid-Zwischenstufen vorgeschlagen. Die wasserlöslichen freien Thiole IV wurden durch Spaltung der Thiocyanat- und Benzylgruppen in einem Einzelschritt freigesetzt. Im darauf folgenden Teil der Arbeit wurde das synthetische Potenzial der 2-Tiole erfolgreich durch einfache synthetische Transformationen erweitert. II. Transformationen der 2-Thiokohlenhydrate Die 2-Thiole wurden für die Ausführung praktischer Transformationen eingesetzt, die Sulfa-Michael Additionen, nukleophile Substitutionen, Oxidationen zu Disulfiden und Funktionalisierungen an der anomeren Position beinhalten. Die mannigfaltigen Funktionalisierungen der Kohlenhydrate an den C-2 Positionen mittels der Schwefel Gruppe ist das hervortretende Merkmal dieser Arbeit. Reagenzien und Reaktionsbedingungen: a) I2, Pyridin, THF, rt, 15 min; b) K2CO3, MeCN, rt, 1 h; c) MeI, K2CO3, DMF, 0 °C, 5 min; d) Ac2O, H2SO4 (1 Tropfen), rt, 10 min; e) CAN, MeCN/H2O, NH4SCN, rt, 1 h; f) NaN3; ZnBr2; iPrOH/H2O, Rückfluss 15 h; g) NaOH (1 M), TBAI, Benzol, rt 2 h; h) ZnCl2, CHCl3, Rückfluss, 3 h. Schema II. Funktionalisierungen von 2-Thiokohlenhydraten Daraus eröffnet sich die Möglichkeit, den Nutzwert von 2-Thiokohlenhydraten auf biologische Studien auszuweiten. Diese Transformationen haben den synthetischen Wert von 2-Thiokohlenhydraten für den präparativen Maßstab gesteigert. Hervorzuheben ist hier der Lewis Säure katalysierte Austausch der Methoxygruppe durch weitere Nukleophile und die Synthese von (2→1) Thiodisacchariden, die mit quantitativer β-Selektivität erhalten wurden. Zusätzlich wurde zum ersten Mal ein Zucker gebundenes Thiotetrazol über eine (3+2) Cycloaddition an der C-2 Position synthetisiert. III. Synthese von Thiodisacchariden durch Thiol-En-Kopplungen Im letzten Teil der Arbeit gelang die Synthese von Thiodisacchariden durch eine klassische Thiol-En-Kopplung. Reagenzien und Reaktionsbedingungen: 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone (DPAP), CH2Cl2/EtOH, hv, rt. Schema III. Thiol-En-Kopplungen zwischen 2-Thiolen und exo-Glycalen. Im Verlauf der Untersuchungen wurde aufgezeigt, dass die räumlische Hinderung bei der Addition von sterisch anspruchsvollen 2-Thiolen an endo-Glycale eine wichtige Rolle spielt. Dazu erprobten wir geeignete Substrate zur Addition von 2-Thiolen an sterisch wenig anspruchsvolle Alkene (Schema III). Die photochemische Addition der 2-Thiole an drei verschiedene exo-Glycale lieferte exzellente Regio- und Diastereoselektivitäten und Ausbeuten, was das synthetische Potenzial dieser bequem durchführbaren Methodik unterstreicht. KW - carbohydrates KW - 2-Thiodisaccharides KW - radical reactions KW - Ceric Ammonium Nitrate (CAN) KW - photochemistry KW - Kohlenhydrate KW - 2-Thiodisaccharide KW - Radikalreaktionen KW - Cer Ammonium Nitrat (CAN) KW - Photochemie Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-397739 ER - TY - THES A1 - Lorente Sánchez, Alejandro Jose T1 - Synthesis of side-chain polystyrenes for all organic solution processed OLEDs T1 - Synthese von Seitenketten-Polystyrolen für lösungsgefertigte OLEDs N2 - In the present work side-chain polystyrenes were synthesized and characterized, in order to be applied in multilayer OLEDs fabricated by solution process techniques. Manufacture of optoelectronic devices by solution process techniques is meant to decrease significantly fabrication cost and allow large scale production of such devices. This dissertation focusses in three series, enveloped in two material classes. The two classes differ to each other in the type of charge transport exhibited, either ambipolar transport or electron transport. All materials were applied in all-organic solution processed green Ir-based devices. In the first part, a series of ambipolar host materials were developed to transport both charge types, holes and electrons, and be applied especially as matrix for green Ir-based emitters. It was possible to increase devices efficacy by modulating the predominant charge transport type. This was achieved by modification of molecules electron transport part with more electron-deficient heterocycles or by extending the delocalization of the LUMO. Efficiencies up to 28.9 cd/A were observed for all-organic solution-process three layer devices. In the second part, suitability of triarylboranes and tetraphenylsilanes as electron transport materials was studied. High triplet energies were obtained, up to 2.95 eV, by rational combination of both molecular structures. Although the combination of both elements had a low effect in materials electron transport properties, high efficiencies around 24 cd/A were obtained for the series in all-organic solution-processed two layer devices. In the last part, benzene and pyridine were chosen as the series electron-transport motif. By controlling the relative pyridine content (RPC) solubility into methanol was induced for polystyrenes with bulky side-chains. Materials with RPC ≥ 0.5 could be deposited orthogonally from solution without harming underlying layers. From the best of our knowledge, this is the first time such materials are applied in this architecture showing moderate efficiencies around 10 cd/A in all-organic solution processed OLEDs. Overall, the outcome of these studies will actively contribute to the current research on materials for all-solution processed OLEDs. N2 - Organische Licht emittierende Dioden (OLEDs) gelten als die nächste Technologie für Beleuchtungsanwendungen. In letzter Zeit wurden immer mehr kommerzielle Produkte herausgebracht, für die Anwendung in Displays und Beleuchtungssystemen. Doch diese Produkte werden hauptsächlich durch Vakuumabscheidung der organischen Moleküle hergestellt, was hohe Fertigungskosten zur Folge hat. Um die Kosten zu senken, sollten die Geräte über Lösungsverfahren hergestellt werden, was die Produktion durch Drucktechniken ermöglicht. Allerdings gibt es noch einige Herausforderungen bei den Lösungsprozessen, auch bei der Verarbeitung bekannter Materialien, die überwunden werden müssen, wie Rekristallisation oder schlechte Filmbildung. Deshalb sind weitere Materialmodifikationen erforderlich. Ein sehr verbreiteter Ansatz ist die Einarbeitung von Materialien, die im Vakuum verarbeitet werden können, wie Seitenkettenpolymer-Rückgräte. Wir haben in dieser Arbeit drei Reihen von Seitenketten-Polystyrolen synthetisiert und charakterisiert. Die Polymere der ersten Reihe sollten als Hostmaterialien für phosphoreszierende Emitter in der Emissionsschicht dienen. Die Polymere der zweiten und dritten Reihe fungierten als Elektron-Transport-Materialien. Die Polymereigenschaften wurden durch Änderungen der molekularen Struktur der Seitenketten modifiziert. Von allen Materialien wurden dünne Schichten aus Lösung abgeschieden und diese on grünen Ir-basierten OLEDs untersucht. Für alle organischen, aus Lösung gefertigten OLEDs wurden Effizienzen von bis zu 28,9 cd/A erreicht. KW - OLED KW - solution process KW - charge transport KW - polymers KW - OLED KW - Lösungsprozess KW - Ladung Transport KW - Polymere Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398006 ER - TY - THES A1 - Berthold, Thomas T1 - Tannine für nachhaltige und funktionale Kohlenstoffmaterialien T1 - Tannins for sustainable and functional carbon materials BT - Synthesestrategien und mögliche Anwendungen BT - synthetic strategies and applications N2 - In Zeiten eines sich schnell ändernden und vielseitigen Energiemarktes müssen Kohlenstoffmaterialien für verschiedene Anforderungen einsetzbar sein. Dies erfordert flexibel synthetisierbare Kohlenstoffmaterialien bevorzugt aus günstigen und nachhaltigen Kohlenstoffquellen. Es ist allerdings nicht leicht Vorläuferverbindungen auszumachen, welche sich einerseits für verschiedene Herstellungsverfahren eignen und deren Kohlenstoffprodukte andererseits in spezifischen Eigenschaften, wie der Struktur, des Stickstoffanteils, der Oberfläche und der Porengrößen, eingestellt werden können. In diesem Zusammenhang können natürliche Polyphenole, etwa überschüssige Tannine aus der Weinproduktion, eine neue Welt zu hoch funktionalen und vielseitig einstellbaren Kohlenstoffmaterialien mit hohen Ausbeuten öffnen. Das Hauptziel dieser vorliegenden Thesis war es neue funktionale, einstellbare und skalierbare nanostrukturierte Kohlenstoffmaterialien aus Tanninen (insbesondere Tanninsäure) für unterschiedliche elektrochemische Zwecke zu synthetisieren und zu charakterisieren. Ermöglicht wurde dies durch unterschiedliche synthetische Herangehensweisen, wie etwa der polymeren Strukturdirektion, dem ionothermalen Templatieren und der weichen Templatierung. An Stelle des weitläufig gebräuchlichen, aber kanzerogenen Vernetzungsagens Formaldehyd wurden bei den vorgestellten Synthesen Harnstoff und Thioharnstoff gewählt, um zugleich die synthetisierten Kohlenmaterialien variabel dotieren zu können. Daher wurden im ersten Teil der Arbeit die Wechselwirkungen, Reaktionen und thermischen Verhaltensweisen von Tanninsäure und Mixturen von Tanninsäure und Harnstoff bzw. Thioharnstoff untersucht, um daraus wichtige Erkenntnisse für die verschiedenen Kohlenstoffsynthesen zu gewinnen. Durch die Verwendung eines polymeren Strukturierungsagenz Pluronic P123 konnten in einer ersten Kohlenstoffsynthese nachhaltige und dotierbare Kohlenstoffpartikel mit Durchmessern im Nanometerbereich aus Tanninsäure und Harnstoff hergestellt werden. Es konnte dabei gezeigt werden, dass durch die Modifikation der verschiedenen Syntheseparameter die Kohlenstoffnanopartikel gemäß ihres gemittelten Partikeldurchmessers, ihrer BET-Oberfläche, ihrer Komposition, ihrer Leitfähigkeit und ihrer chemischen Stabilität einstellbar sind. Dies eröffnete die Möglichkeit diese Kohlenstoffpartikel als alternatives und nachhaltiges Rußmaterial einzusetzen. Weiterhin war es durch die ionothermale Templatierung möglich poröse, dotierte und kontrollierbare Kohlenstoffpartikel mit hohen spezifischen Oberflächen aus den gewählten Präkursorverbindungen zu synthetisieren, die sich für den Einsatz in Superkondensatoren eignen. Auf diesen Erkenntnissen aufbauend konnten mittels der Rotationsbeschichtung poröse binderfreie und strukturierte Kohlenstofffilme synthetisiert werden, die eine spinodale Struktur aufwiesen. Anhand der Modifikation der Stammlösungskonzentration, der Rotationsgeschwindigkeit und der verwendeten Substrate konnten die Filmdicke (100-1000 nm), die Morphologie und Gesamtoberfläche gezielt beeinflusst werden. Die erweiterte elektrochemische Analyse zeigte außerdem ein sehr gut zugängliches Porensystem der porösen Kohlenstofffilme. Allumfassend konnten demnach verschiedene Synthesewege für Kohlenstoffmaterialien aus Tanninen aufgezeigt werden, die verschiedenartig strukturiert und kontrolliert werden können und sich für diverse Anwendungsgebiete eignen. N2 - In times of a fast changing and versatile energy market, carbon materials have to be applicable for various demands.1,2 This requires custom-designed carbons, preferably from cheap and renewable carbon sources. However, it is challenging to find a carbon precursor system, which can be used and tuned either in different kinds of fabrication techniques and/or in properties like structure, nitrogen content, surface area, and pore sizes for specific innovative demands. Using polyphenols such as abundant tannins as carbon-precursor open the box for highly functionalized and versatile tunable carbon materials in combination with high yields. Hence, the main objective of this thesis was to synthesize and characterize new functional, tunable, and scalable nanostructured carbon materials from tannins (especially tannic acid) for different electrochemical purposes. This was targeted by different synthetic strategies including polymeric agent structuring, an ionothermal approach and soft templating.3-6 Moreover, instead of using the cancerogenous formaldehyde as cross-linker, urea and thiourea were used as linking and doping agents.7 In this respect, the first topic dealt with the understanding and investigation of the interactions, reactions and thermal behavior during the pyrolysis step of tannic acid/urea and tannic acid/thiourea mixtures. In a first carbon synthesis the tri-block-polymer Pluronic P123 acted as structuring agent in combination with the natural precursors.4 This enabled the preparation of sustainable and controllable doped carbon spheres with diameters down to 20 nm. Properties, like particle size, BET-surface area, composition, conductivity, and chemical stability could be tuned by controlling synthetic parameters. In addition, specifically synthesized carbon particles from tannic acid and urea showed similar conductivity and performance compared to a commercial conductive soot in a standard Li-battery anode. Therefore, these carbon particles can be considered as an alternative and sustainable soot in the future. Moreover, tunable and highly porous doped carbon spheres could be synthesized by an ionothermal approach. This enables the application of the porous carbon spheres in supercapacitor devices.6 The third part of the thesis benefited from the preliminary outcomes of the first structuring agent based synthesis. Hence, the precursor system composed of tannic acid, urea and Pluronic P123 was used to prepare porous carbon films with spinodal morphology via spin coating. By varying the synthetic conditions such as stock solution concentration and rotation speed, the carbon film thickness could be tuned, which in turn allowed for the control of the total surface area. The enlarged electrochemical analysis showed an accessible pore system of the porous carbon films. In summary, different synthetic strategies for carbon materials from tannins could be shown, which were structured and controlled in various ways. The possible fields of application for these carbon materials reach from conductive soot over supercapacitors to batteries. KW - Tannine KW - Kohlenstoffsynthese KW - Harnstoff KW - Kohlenstoffpartikel KW - Kohlenstofffilme KW - Leitruss KW - Dotierung KW - Pyrolyse KW - tannins KW - carbon synthesis KW - urea KW - carbon particle KW - carbon films KW - conducting soot KW - doping KW - pyrolysis Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407564 ER - TY - THES A1 - Muzdalo, Anja T1 - Thermal cis-trans isomerization of azobenzene studied by path sampling and QM/MM stochastic dynamics T1 - Untersuchung der thermisch aktivierten cis-trans Isomerisierung ausgewählter Azobenzole mit Hilfe von Transition Path Sampling und QM/MM-Molekulardynamik N2 - Azobenzene-based molecular photoswitches have extensively been applied to biological systems, involving photo-control of peptides, lipids and nucleic acids. The isomerization between the stable trans and the metastable cis state of the azo moieties leads to pronounced changes in shape and other physico-chemical properties of the molecules into which they are incorporated. Fast switching can be induced via transitions to excited electronic states and fine-tuned by a large number of different substituents at the phenyl rings. But a rational design of tailor-made azo groups also requires control of their stability in the dark, the half-lifetime of the cis isomer. In computational chemistry, thermally activated barrier crossing on the ground state Born-Oppenheimer surface can efficiently be estimated with Eyring’s transition state theory (TST) approach; the growing complexity of the azo moiety and a rather heterogeneous environment, however, may render some of the underlying simplifying assumptions problematic. In this dissertation, a computational approach is established to remove two restrictions at once: the environment is modeled explicitly by employing a quantum mechanical/molecular mechanics (QM/MM) description; and the isomerization process is tracked by analyzing complete dynamical pathways between stable states. The suitability of this description is validated by using two test systems, pure azo benzene and a derivative with electron donating and electron withdrawing substituents (“push-pull” azobenzene). Each system is studied in the gas phase, in toluene and in polar DMSO solvent. The azo molecules are treated at the QM level using a very recent, semi-empirical approximation to density functional theory (density functional tight binding approximation). Reactive pathways are sampled by implementing a version of the so-called transition path sampling method (TPS), without introducing any bias into the system dynamics. By analyzing ensembles of reactive trajectories, the change in isomerization pathway from linear inversion to rotation in going from apolar to polar solvent, predicted by the TST approach, could be verified for the push-pull derivative. At the same time, the mere presence of explicit solvation is seen to broaden the distribution of isomerization pathways, an effect TST cannot account for. Using likelihood maximization based on the TPS shooting history, an improved reaction coordinate was identified as a sine-cosine combination of the central bend angles and the rotation dihedral, r (ω,α,α′). The computational van’t Hoff analysis for the activation entropies was performed to gain further insight into the differential role of solvent for the case of the unsubstituted and the push-pull azobenzene. In agreement with the experiment, it yielded positive activation entropies for azobenzene in the DMSO solvent while negative for the push-pull derivative, reflecting the induced ordering of solvent around the more dipolar transition state associated to the latter compound. Also, the dynamically corrected rate constants were evaluated using the reactive flux approach where an increase comparable to the experimental one was observed for a high polarity medium for both azobenzene derivatives. N2 - Azobenzol-basierte molekulare Photoswitches wurden weitgehend auf biologische Systeme angewendet, die eine Photo-Kontrolle von Peptiden, Lipiden und Nukleinsäuren beinhalten. Die Isomerisierung zwischen dem stabilen trans und dem metastabilen cis-Zustand der Azogruppen führt zu ausgeprägten Form- und anderen physikalisch-chemischen Eigenschaften der Moleküle, in die sie eingebaut sind. Die schnelle Umschaltung kann über Übergänge in angeregte elektronische Zustände induziert und durch eine Vielzahl unterschiedlicher Substituenten an den Phenylringen fein abgestimmt werden. Aber ein rationales Design von maßgeschneiderten Azo-Gruppen erfordert auch die Kontrolle über ihre Stabilität im Dunkeln, die Halbwertszeit des cis-Isomers. In der Rechenchemie kann die thermisch aktivierte Barriereüberquerung auf dem Grundzustand Born-Oppenheimer-Oberfläche mit dem EST-Übergangstheorie-Theorie (TST) effizient geschätzt werden; Die zunehmende Komplexität der Azo-Einheit und eine ziemlich heterogene Umgebung kann jedoch einige der zugrunde liegenden vereinfachenden Annahmen problematisch machen. In dieser Dissertation wird ein rechnerischer Ansatz etabliert, um zwei Einschränkungen gleichzeitig zu beseitigen: Die Umgebung wird explizit modelliert, indem man eine quantenmechanische / molekulare Mechanik (QM / MM) Beschreibung verwendet; Und der Isomerisierungsprozess wird durch die Analyse vollständiger dynamischer Wege zwischen stabilen Zuständen verfolgt. Die Eignung dieser Beschreibung wird durch die Verwendung von zwei Testsystemen, reinem Azolbenzol und einem Derivat mit elektronenabgebenden und elektronenziehenden Substituenten ("Push-Pull" -Azobenzol) validiert. Jedes System wird in der Gasphase, in Toluol und im polaren DMSO-Lösungsmittel untersucht. Die Azomoleküle werden auf QM-Ebene unter Verwendung einer sehr jüngsten, halb-empirischen Approximation zur Dichtefunktionaltheorie (Dichtefunktionelle enge Bindungsnäherung) behandelt. Die reaktiven Wege werden durch die Implementierung einer Version des sogenannten Übergangsweg-Abtastverfahrens (TPS) abgetastet, ohne dass eine Vorspannung in die Systemdynamik eingeführt wird. Durch die Analyse von Ensembles von reaktiven Trajektorien konnte die Änderung des Isomerisierungsweges von der linearen Inversion zur Rotation, die von einem polaren zu einem polaren Lösungsmittel, das durch den TST-Ansatz vorhergesagt wurde, für das Push-Pull-Derivat verifiziert werden. Gleichzeitig wird die bloße Anwesenheit der expliziten Solvatisierung gesehen, um die Verteilung der Isomerisierungswege zu erweitern, ein Effekt, den TST nicht berücksichtigen kann. Unter Verwendung der Wahrscheinlichkeitsmaximierung auf der Grundlage der TPS-Schießhistorie wurde eine verbesserte Reaktionskoordinate als eine Sinus-Kosinus-Kombination der zentralen Biegewinkel und der Rotationsdichte identifiziert. Die rechnerische van't Hoff-Analyse für die Aktivierungsentropien wurde durchgeführt, um einen weiteren Einblick in die differentielle Rolle des Lösungsmittels für den Fall des unsubstituierten und des Push-Pull-Azobenzols zu erhalten. In Übereinstimmung mit dem Experiment lieferte es positive Aktivierungsentropien für Azobenzol in dem DMSO-Lösungsmittel, während es für das Push-Pull-Derivat negativ war, was die induzierte Anordnung des Lösungsmittels um den mehr dipolaren Übergangszustand, der mit der letzteren Verbindung assoziiert ist, widerspiegelt. Außerdem wurden die dynamisch korrigierten Geschwindigkeitskonstanten unter Verwendung des reaktiven Flussansatzes ausgewertet, bei dem ein für das Experimentiermittel vergleichbarer Anstieg für ein hochpolares Medium für beide Azobenzolderivate beobachtet wurde. KW - transition path sampling KW - thermal isomerization of azobenzene KW - QM/MM stochastic dynamics KW - reactive flux rate constants KW - activation entropy KW - solvent effect KW - thermisch angeregte Isomerisierung von Azobenzolen KW - QM/MM Molekulardynamik KW - DFTB3 KW - Aktivierungsentropie KW - "Reactive Flux" Ratenkonstanten KW - Reaktionsmechanismen KW - Lösungsmitteleffekte Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-405814 ER -