TY  - JOUR
A1  - Krüger, Tobias
A1  - Linker, Torsten
T1  - Synthesis of gamma-spirolactams by Birch reduction of arenes
JF  - European journal of organic chemistry
N2  - A convenient method for the synthesis of gamma-spirolactams in only three steps is described. Birch reduction of inexpensive and commercially available aromatic carboxylic acids in the presence of chloroacetonitrile affords nitriles in moderate to good yields. Suitable precursors are methyl-substituted benzoic acids, naphthoic, and anthroic acid. Subsequent catalytic hydrogenation proceeds smoothly with PtO2 or Raney Ni as catalysts and lactams are isolated in excellent yields and stereoselectivities. Thus, up to 3 new stereogenic centers can be constructed as sole diastereomers from achiral benzoic acids. Furthermore, it is possible to control the degree of saturation at different pressures, affording products with 0, 1, or 2 double bonds. Overall, more than 15 new gamma-spirolactams have been synthesized in analytically pure form.
KW  - Arenes
KW  - Birch reduction
KW  - Hydrogenation
KW  - Lactams
KW  - Synthetic methods
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1002/ejoc.202100056
SN  - 1099-0690
VL  - 2021
IS  - 10
SP  - 1585
EP  - 1591
PB  - Wiley-VCH
CY  - Weinheim
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Fudickar, Werner
A1  - Metz, Melanie
A1  - Mai-Linde, Yasemin
A1  - Krüger, Tobias
A1  - Kelling, Alexandra
A1  - Sperlich, Eric
A1  - Linker, Torsten
T1  - Influence of functional groups on the ene reaction of singlet oxygen with 1,4-cyclohexadienes
JF  - Photochemistry and photobiology : the official journal of the American Society for Photobiology
N2  - The photooxygenation of 1,4-cyclohexadienes has been studied with a special focus on regio- and stereoselectivities. In all examples, only the methyl-substituted double bond undergoes an ene reaction with singlet oxygen, to afford hydroperoxides in moderate to good yields. We explain the high regioselectivities by a "large-group effect" of the adjacent quaternary stereocenter. Nitriles decrease the reactivity of singlet oxygen, presumably by quenching, but can stabilize proposed per-epoxide intermediates by polar interactions resulting in different stereoselectivities. Spiro lactams and lactones show an interesting effect on regio- and stereoselectivities of the ene reactions. Thus, singlet oxygen attacks the double bond preferentially anti to the carbonyl group, affording only one regioisomeric hydroperoxide. If the reaction occurs from the opposite face, the other regioisomer is exclusively formed by severe electrostatic repulsion in a perepoxide intermediate. We explain this unusual behavior by the fixed geometry of spiro compounds and call it a "spiro effect" in singlet oxygen ene reactions.
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1111/php.13422
SN  - 0031-8655
SN  - 1751-1097
VL  - 97
IS  - 6
SP  - 1289
EP  - 1297
PB  - Wiley
CY  - Malden, Mass.
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Schwarze, Thomas
T1  - Determination of Pd2+ by fluorescence enhancement caused by an off-switching of an energy- and an electron transfer
JF  - ChemistrySelect
N2  - In this paper, we introduce a fluorescent dye 1, which is able to detect selectively Pd2+ by a clear fluorescence enhancement (FE) in THF. In the presence of eight Pd2+ equivalents, we observed a fluorescence enhancement factor (FEF) of 28.3. The high Pd2+ induced FEF can be explained by an off switching of multiple quenching processes within 1 by Pd2+. In the free dye 1 a photoinduced electron transfer (PET) and energy transfer (ET) takes place and quenches the anthracenic fluorescence. The coordination of eight Pd2+ units by the alkylthio-substituted porphyrazine receptor suppresses the PET and ET quenching process and the anthracenic fluorescence is switched on.
KW  - Palladium ion
KW  - electron transfer
KW  - energy transfer
KW  - fluorescence
KW  - porphyrazine
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1002/slct.202003975
SN  - 2365-6549
VL  - 6
IS  - 3
SP  - 318
EP  - 322
PB  - Wiley-VCH
CY  - Weinheim
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hermanns, Jolanda
T1  - Development, use and evaluation of concepts and materials for teaching organic chemistry at university
Y1  - 2021
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Sand, Patrick
A1  - Schmidt, Bernd
T1  - Pd-catalyzed oxidative sulfoalkenylation of acetanilides and traceless removal of the catalyst directing group
JF  - ChemistrySelect
N2  - The palladium-catalyzed oxidative Heck-reaction, also referred to as Fujiwara-Moritani-reaction, has been investigated for the synthesis of styrenylsulfonyl compounds. Acetanilides and vinylsulfonyl compounds undergo dehydrogenative coupling reactions in moderate to quantitative yields, using benzoquinone as the oxidant of choice. Potassium peroxodisulfate, which had previously been identified as a superior oxidant for the coupling with acrylates, did not provide any coupling products with these olefins. Traceless removal of the catalyst directing group through a deacetylation-diazotation-coupling (DDC) sequence was demonstrated for 2-arylethene sulfones.
KW  - arenes
KW  - C− H activation
KW  - Heck reactions
KW  - Palladium
KW  - sulfones
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1002/slct.202101009
SN  - 2365-6549
VL  - 6
IS  - 14
SP  - 3563
EP  - 3567
PB  - Wiley-VCH
CY  - Weinheim
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Raju, Rajarshi Roy
A1  - Koetz, Joachim
T1  - Inner rotation of Pickering Janus emulsions
JF  - Nanomaterials : open access journal
N2  - Janus droplets were prepared by vortex mixing of three non-mixable liquids, i.e., olive oil, silicone oil and water, in the presence of gold nanoparticles (AuNPs) in the aqueous phase and magnetite nanoparticles (MNPs) in the olive oil. The resulting Pickering emulsions were stabilized by a red-colored AuNP layer at the olive oil/water interface and MNPs at the oil/oil interface. The core–shell droplets can be stimulated by an external magnetic field. Surprisingly, an inner rotation of the silicon droplet is observed when MNPs are fixed at the inner silicon droplet interface. This is the first example of a controlled movement of the inner parts of complex double emulsions by magnetic manipulation via interfacially confined magnetic nanoparticles.
KW  - Janus droplets
KW  - Pickering emulsions
KW  - magnetic manipulation
KW  - gold nanoparticles
KW  - magnetite nanoparticles
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.3390/nano11123312
SN  - 2079-4991
VL  - 11
IS  - 12
PB  - MDPI
CY  - Basel
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Hermanns, Jolanda
A1  - Keller, David
T1  - School-related content knowledge in organic chemistry
BT  - How does the Bachelor and Master studies?
JF  - Journal of chemical education / Division of Chemical Education, Inc., American Chemical Society
N2  - In this paper the development, use, and evaluation of tasks based on the construct of school-related content knowledge are described. The tasks were used in seminars on organic chemistry for bachelor and master preservice chemistry teachers at a German university. For the evaluation a questionnaire with open and closed items was used. The tasks were rated by the preservice chemistry teachers as relevant for their future profession as a chemistry teacher if the content of the tasks is part of the school curriculum. If the content does not belong to the school curriculum, they rated the nature of the tasks still as relevant; they seem to recognize the importance of conceptual knowledge for their future profession. However, the master's preservice teachers argued with this conceptual knowledge more often than the bachelor's preservice teachers. Although the study is cross-sectional, a certain shift from the focus on the content to conceptual knowledge from bachelor's to master's preservice teachers can be observed.
KW  - Organic Chemistry
KW  - Second-Year Undergraduate
KW  - Analogies/Transfer
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.0c01415
SN  - 0021-9584
SN  - 1938-1328
VL  - 98
IS  - 3
SP  - 763
EP  - 773
PB  - American Chemical Society
CY  - Washington
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kleinpeter, Erich
A1  - Koch, Andreas
T1  - Intramolecular carbene stabilization via 3c,2e bonding on basis of the magnetic criterion
JF  - Tetrahedron : the international journal for the rapid publication of full original research papers and critical reviews in organic chemistry
N2  - The spatial magnetic properties, through-space NMR shieldings (TSNMRS), of bent cyclobutylcarbene 8, 1,2-diboretane-3-ylidene 9, and some carbene analogues of boron 14-18 as most intriguing examples of carbenes, which can be stabilized as homoaromatic systems with 3c,2e bonding, have been calculated using the GIAO perturbation method employing the nucleus independent chemical shift (NICS) concept and the results visualized as iso-chemical-shielding surfaces (ICSS) of various size and direction. The TSNMRS values (actually, ring current effect/anisotropy effects as measurable in H-1 NMR spectroscopy) are employed to qualify and quantify the degree of present 3c,2e-homoaromaticity. Results are confirmed by geometry (bond angles and bond lengths) and spectroscopic data, the delta(B-11)/ppm data and the C-13 chemical shifts of the carbene electron-deficient centre.
KW  - Cyclobutylcarbene
KW  - 1,2-diboretane-3-ylidene
KW  - 3c,2e-bonding
KW  - Through-space NMR shieldings (TSNMRS)
KW  - NICS
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1016/j.tet.2021.132357
SN  - 0040-4020
SN  - 1464-5416
VL  - 95
PB  - Elsevier Science
CY  - Amsterdam
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Picconi, David
T1  - Nonadiabatic quantum dynamics of the coherent excited state intramolecular proton transfer of 10-hydroxybenzo[h]quinoline
JF  - Photochemical & photobiological sciences
N2  - The photoinduced nonadiabatic dynamics of the enol-keto isomerization of 10-hydroxybenzo[h]quinoline (HBQ) are studied computationally using high-dimensional quantum dynamics. The simulations are based on a diabatic vibronic coupling Hamiltonian, which includes the two lowest pi pi* excited states and a n pi* state, which has high energy in the Franck-Condon zone, but significantly stabilizes upon excited state intramolecular proton transfer. A procedure, applicable to large classes of excited state proton transfer reactions, is presented to parametrize this model using potential energies, forces and force constants, which, in this case, are obtained by time-dependent density functional theory. The wave packet calculations predict a time scale of 10-15 fs for the photoreaction, and reproduce the time constants and the coherent oscillations observed in time- resolved spectroscopic studies performed on HBQ. In contrast to the interpretation given to the most recent experiments, it is found that the reaction initiated by 1 pi pi* <- S-0 photoexcitation proceeds essentially on a single potential energy surface, and the observed coherences bear signatures of Duschinsky mode-mixing along the reaction path. The dynamics after the 2 pi pi* <- S-0 excitation are instead nonadiabatic, and the n pi* state plays a major role in the relaxation process. The simulations suggest a mainly active role of the proton in the isomerization, rather than a passive migration assisted by the vibrations of the benzoquinoline backbone. <br /> [GRAPHICS] <br /> .
KW  - Excited state proton transfer
KW  - Quantum dynamics
KW  - Nonadiabatic effects
KW  - Spectroscopy
KW  - Coherences
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1007/s43630-021-00112-z
SN  - 1474-905X
SN  - 1474-9092
VL  - 20
IS  - 11
SP  - 1455
EP  - 1473
PB  - Springer
CY  - Heidelberg
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kleinpeter, Erich
A1  - Koch, Andreas
T1  - Quantification of sigma-acceptor and pi-donor stabilization in O, S and Hal analogues of N-heterocyclic carbenes (NHCs) on the magnetic criterion
JF  - The journal of physical chemistry : A, Molecules, spectroscopy, kinetics, environment & general theory
N2  - The spatial magnetic properties, through-space NMR shieldings (TSNMRSs), of stable O, S and Hal analogues of N-heterocyclic carbenes (NHCs) have been calculated using the GIAO perturbation method employing the nucleus-independent chemical shift (NICS) concept and the results visualized as iso-chemical-shielding surfaces (ICSSs) of various sizes and directions. The TSNMRS values (actually the anisotropy effects measurable in H-1 NMR spectroscopy) are employed to qualify and quantify the position of the present mesomeric equilibria (carbenes <-> ylides). The results are confirmed by geometry (bond angles and bond lengths), IR spectra, UV spectra, and C-13 chemical shifts of the electron-deficient carbon centers.
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1021/acs.jpca.1c05257
SN  - 1089-5639
SN  - 1520-5215
VL  - 125
IS  - 33
SP  - 7235
EP  - 7245
PB  - American Chemical Society
CY  - Washington
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Hermanns, Jolanda
A1  - Keller, David
T1  - How do preservice chemistry teachers rate tasks following the construct of school-related content knowledge in a concept-orientated course on organic chemistry?
JF  - Journal of chemical education / Division of Chemical Education, Inc., American Chemical Society
N2  - In this paper, we describe a study on tasks following the construct of school-related content knowledge. We know from previous studies that such tasks were rated by the preservice chemistry teachers as important for their future profession. Those studies were conducted in a traditional course on organic chemistry which was organized around chemical families. Therefore, we used and evaluated the tasks again in a new course on organic chemistry which is organized around basic concepts in organic chemistry. The results of this evaluation show that the students rate the tasks equally well but use other arguments for their rating. They do not focus only on the content of the tasks and whether this content belongs to the school curriculum or not. The students of the conceptual course rated the content more often (95%) as important for their future profession compared with the students in the traditional course (57%). Both groups of students rated the importance of the nature of the task the same way.
KW  - Organic chemistry
KW  - Second-Year undergraduate
KW  - Alcohols
KW  - Curriculum
KW  - Molecular structure
KW  - Organic structure
KW  - Students
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.1c00593
SN  - 0021-9584
SN  - 1938-1328
VL  - 98
IS  - 11
SP  - 3442
EP  - 3449
PB  - American Chemical Society
CY  - Washington
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Hermanns, Jolanda
T1  - The task navigator following the STRAKNAP concept
BT  - Development, application, and evaluation of a new scaffold to support nonmajor chemistry students while solving tasks in organic chemistry
JF  - Journal of chemical education / Division of Chemical Education, Inc., American Chemical Society
N2  - Educational Scaffolding was first mentioned in 1976 by Wood et al. Several examples for scaffolding in chemistry are also known from the literature. As written scaffolds, stepped supporting tools to support students while solving problems in organic chemistry were developed, applied, and evaluated. Although the students rated the tool as very helpful, a think-aloud study showed that the support given by this scaffold was not sufficient. As a further development of stepped supporting tools, task navigators were therefore developed, applied, and evaluated. This new scaffold gives tips on strategy, knowledge, and application of knowledge after the STRAKNAP concept. The evaluation of this tool shows that the students rated the tool as being very helpful. A think-aloud study showed that the scaffold supports the students while they solve a problem. Because of the stepwise construction of the task navigators and the providing of the knowledge needed for the application, the students can solve parts of the task successfully even if they do not solve all parts correctly; the students can always start from scratch. When students use the tool regularly, their knowledge of organic chemistry increases compared to students who did not use the tool at all. The task navigator is not only a scaffold for the content of the task but also for the development of methodological competences on the field of strategies and applying knowledge.
KW  - First-Year Undergraduate/General
KW  - Organic Chemistry
KW  - Distance
KW  - Learning/Chemistry Education Research
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.0c01162
SN  - 0021-9584
SN  - 1938-1328
VL  - 98
IS  - 4
SP  - 1077
EP  - 1087
PB  - American Chemical Society
CY  - Washington
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Krüger, Tobias
A1  - Bramborg, Andrea
A1  - Kelling, Alexandra
A1  - Sperlich, Eric
A1  - Linker, Torsten
T1  - Birch Reduction of Arenes as an Easy Entry to γ-Spirolactones
JF  - European journal of organic chemistry
N2  - A convenient method for the synthesis of γ-spirolactones in only 2–3 steps is described. Birch reduction of inexpensive and commercially available aromatic carboxylic acids in the presence of ethylene oxide affords hydroxy acids, which undergo direct lactonization during work-up. Suitable precursors are methyl-substituted benzoic acids, naphthoic, and dicarboxylic acids. Subsequent hydrogenation proceeds smoothly with Pd/C as catalyst and saturated γ-spirolactones are isolated in excellent yields and stereoselectivities. Thus, up to 3 new stereogenic centers can be constructed as sole diastereomers from achiral benzoic acids. Furthermore, it is possible to control the degree of saturation with Raney nickel or Wilkinson's catalyst to obtain products with 1 double bond. Overall, more than 30 new γ-spirolactones have been synthesized in analytically pure form.
KW  - Arenes
KW  - Birch reduction
KW  - Hydrogenation
KW  - Lactones
KW  - Synthetic methods
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1002/ejoc.202101018
SN  - 1434-193X
SN  - 1099-0690
VL  - 2021
IS  - 46
SP  - 6383
EP  - 6391
PB  - Wiley-VCH
CY  - Weinheim
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Neffe, Axel T.
A1  - Zhang, Quanchao
A1  - Hommes-Schattmann, Paul J.
A1  - Lendlein, Andreas
T1  - Ethylene oxide sterilization of electrospun poly(L-lactide)/poly(D-lactide) core/shell nanofibers
JF  - MRS advances
N2  - The application of polymers in medicine requires sterilization while retaining material structure and properties. This demands detailed analysis, which we show exemplarily for the sterilization of PLLA/PDLA core-shell nanofibers with ethylene oxide (EtO). The electrospun patch was exposed to EtO gas (6 vol% in CO2, 1.7 bar) for 3 h at 45 degrees C and 75% rel. humidity, followed by degassing under pressure/vacuum cycles for 12 h. GC-MS analysis showed that no residual EtO was retained. Fiber diameters (similar to 520 +/- 130 nm) of the patches remained constant as observed by electron microscopy. Young's modulus slightly increased and the elongation at break slightly decreased, determined at 37 degrees C. No changes were detected in H-1-NMR spectra, in molar mass distribution (GPC) or in crystallinity measured for annealed samples with comparable thermal history (Wide Angle X-Ray Scattering). Altogether, EtO emerged as suitable sterilization method for polylactide nanofibers with core-shell morphology.
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1557/s43580-021-00058-5
SN  - 2059-8521
VL  - 6
IS  - 33
SP  - 786
EP  - 789
PB  - Springer
CY  - Cham
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Rethfeldt, Nina
A1  - Brinkmann, Pia
A1  - Riebe, Daniel
A1  - Beitz, Toralf
A1  - Köllner, Nicole
A1  - Altenberger, Uwe
A1  - Löhmannsröben, Hans-Gerd
T1  - Detection of Rare Earth Elements in Minerals and Soils by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) Using Interval PLS
JF  - Minerals
N2  - The numerous applications of rare earth elements (REE) has lead to a growing global demand and to the search for new REE deposits. One promising technique for exploration of these deposits is laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). Among a number of advantages of the technique is the possibility to perform on-site measurements without sample preparation. Since the exploration of a deposit is based on the analysis of various geological compartments of the surrounding area, REE-bearing rock and soil samples were analyzed in this work. The field samples are from three European REE deposits in Sweden and Norway. The focus is on the REE cerium, lanthanum, neodymium and yttrium. Two different approaches of data analysis were used for the evaluation. The first approach is univariate regression (UVR). While this approach was successful for the analysis of synthetic REE samples, the quantitative analysis of field samples from different sites was influenced by matrix effects. Principal component analysis (PCA) can be used to determine the origin of the samples from the three deposits. The second approach is based on multivariate regression methods, in particular interval PLS (iPLS) regression. In comparison to UVR, this method is better suited for the determination of REE contents in heterogeneous field samples. View Full-Text
KW  - LIBS
KW  - rare earth elements
KW  - minerals
KW  - PCA
KW  - iPLS regression
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.3390/min11121379
SN  - 2075-163X
VL  - 11
SP  - 1
EP  - 17
PB  - MDPI
CY  - Basel, Schweiz
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Balderas-Valadez, Ruth Fabiola
A1  - Pacholski, Claudia
T1  - Plasmonic Nanohole Arrays on Top of Porous Silicon Sensors
BT  - A Win-Win Situation
JF  - ACS applied materials & interfaces
N2  - Label-free optical sensors are attractive candidates, for example, for detecting toxic substances and monitoring biomolecular interactions. Their performance can be pushed by the design of the sensor through clever material choices and integration of components. In this work, two porous materials, namely, porous silicon and plasmonic nanohole arrays, are combined in order to obtain increased sensitivity and dual-mode sensing capabilities. For this purpose, porous silicon monolayers are prepared by electrochemical etching and plasmonic nanohole arrays are obtained using a bottom-up strategy. Hybrid sensors of these two materials are realized by transferring the plasmonic nanohole array on top of the porous silicon. Reflectance spectra of the hybrid sensors are characterized by a fringe pattern resulting from the Fabry–Pérot interference at the porous silicon borders, which is overlaid with a broad dip based on surface plasmon resonance in the plasmonic nanohole array. In addition, the hybrid sensor shows a significant higher reflectance in comparison to the porous silicon monolayer. The sensitivities of the hybrid sensor to refractive index changes are separately determined for both components. A significant increase in sensitivity from 213 ± 12 to 386 ± 5 nm/RIU is determined for the transfer of the plasmonic nanohole array sensors from solid glass substrates to porous silicon monolayers. In contrast, the spectral position of the interference pattern of porous silicon monolayers in different media is not affected by the presence of the plasmonic nanohole array. However, the changes in fringe pattern reflectance of the hybrid sensor are increased 3.7-fold after being covered with plasmonic nanohole arrays and could be used for high-sensitivity sensing. Finally, the capability of the hybrid sensor for simultaneous and independent dual-mode sensing is demonstrated.
KW  - optical sensors
KW  - porous silicon
KW  - surface plasmon resonance
KW  - plasmonic
KW  - nanohole arrays
KW  - bottom-up fabrication
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1021/acsami.1c07034
SN  - 1944-8244
SN  - 1944-8252
VL  - 13
IS  - 30
SP  - 36436
EP  - 36444
PB  - American Chemical Society
CY  - Washington
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Hermanns, Jolanda
T1  - Training OC
BT  - A new course concept for training the application of basic concepts in organic chemistry
JF  - Journal of chemical education
N2  - The course design "Training OC" for training the application of basic concepts consists of four topics: formula language, structure-property relations, reaction mechanisms, and complex tasks that the students should solve with the conceptual knowledge they acquired in the first three topics. A main goal of the course was to enable the students to solve reaction mechanisms. To achieve the goals of the course, several games were specially designed and used. The course was conducted at a German university with ca. 30 students who participated voluntarily. The course was evaluated by several tools: students' products were collected in the course, there were two pre/post-tests, and additionally, interviews on the strategy of designing reaction mechanisms were conducted. The performance of the teacher and the self-assessment of the students were also part of the evaluation. The results of the written exam were compared with the results of the bachelor chemistry major students. The course "Training OC" was rated very well by the students. They were of the opinion that they learned the application of basic concepts taught in this course. This is supported by the results of the evaluation and the written exams. The course concept of Training OC will therefore become a permanent part of the course "Organic Chemistry I" which will be redesigned for the next round in 2020-21.
KW  - Second-Year Undergraduate
KW  - Organic Chemistry
KW  - Humor/Puzzles/Games
KW  - Collaborative/Cooperative Learning
Y1  - 2020
U6  - https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.0c00567
SN  - 0021-9584
SN  - 1938-1328
VL  - 98
IS  - 2
SP  - 374
EP  - 384
PB  - American Chemical Society. Division of Chemical Education
CY  - Washington
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kwesiga, George
A1  - Sperlich, Eric
A1  - Schmidt, Bernd
T1  - Scope and applications of 2,3-oxidative aryl rearrangements for the synthesis of isoflavone natural products
JF  - The journal of organic chemistry
N2  - The reaction of flavanones with hypervalent iodine reagents was investigated with a view to the synthesis of naturally occurring isoflavones. In contrast to several previous reports in the literature, we did not observe the formation of any benzofurans via a ring contraction pathway, but could isolate only isoflavones, resulting from an oxidative 2,3-aryl rearrangement, and flavones, resulting from an oxidation of the flavanones. Although the 2,3-oxidative rearrangement allows a synthetically useful approach toward some isoflavone natural products due to the convenient accessibility of the required starting materials, the overall synthetic utility and generality of the reaction appear to be more limited than previous literature reports suggest.
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1021/acs.joc.1c01375
SN  - 0022-3263
SN  - 1520-6904
VL  - 86
IS  - 15
SP  - 10699
EP  - 10712
PB  - American Chemical Society
CY  - Washington
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Fudickar, Werner
A1  - Linker, Torsten
T1  - Photooxygenation of naphthalene
JF  - ChemPhotoChem
N2  - The photooxygenation of naphthalene to the corresponding endoperoxide (EPO) under various conditions is described. Substantial conversion is only observed at -10 degrees C and after more than two days, indicating that the [4+2] cycloaddition of singlet oxygen to this acene proceeds much more slowly than corresponding reactions of substituted naphthalenes, a rate constant of k = 5.4 +/- 0.3 M(-1)s(-1) was determined by competition kinetics. Another problem is the thermal lability and photochemical cleavage of the naphthalene EPO. We investigated the mechanism of this radical process depending on the light source and sensitizer in comparison to known cyclohexadiene EPO. Thus, bisepoxides and keto epoxides are formed after homolysis of the O-O bond by irradiation with sodium lamps or blue LEDs and subsequent cyclization. This process is accelerated by the sensitizers methylene blue and 9,10-dicyanoanthracene, indicating an electron transfer mechanism. Finally, the cleavage of the peroxidic bond is inhibited with red LEDs, and photooxygenation under such conditions affords 20 % EPO. Thus, we could demonstrate that contrary to literature statements singlet oxygen does indeed react with naphthalene.
KW  - naphthalene
KW  - photooxygenation
KW  - reaction mechanisms
KW  - reactive
KW  - intermediates
KW  - singlet oxygen
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1002/cptc.202100097
VL  - 5
IS  - 11
SP  - 1004
EP  - 1008
PB  - Wiley-VCH
CY  - Weinheim
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Bauch, Marcel
A1  - Fudickar, Werner
A1  - Linker, Torsten
T1  - Stereoselective [4+2] Cycloaddition of Singlet Oxygen to Naphthalenes Controlled by Carbohydrates
JF  - Molecules : a journal of synthetic chemistry and natural product chemistry
N2  - Stereoselective reactions of singlet oxygen are of current interest. Since enantioselective photooxygenations have not been realized efficiently, auxiliary control is an attractive alternative. However, the obtained peroxides are often too labile for isolation or further transformations into enantiomerically pure products. Herein, we describe the oxidation of naphthalenes by singlet oxygen, where the face selectivity is controlled by carbohydrates for the first time. The synthesis of the precursors is easily achieved starting from naphthoquinone and a protected glucose derivative in only two steps. Photooxygenations proceed smoothly at low temperature, and we detected the corresponding endoperoxides as sole products by NMR. They are labile and can thermally react back to the parent naphthalenes and singlet oxygen. However, we could isolate and characterize two enantiomerically pure peroxides, which are sufficiently stable at room temperature. An interesting influence of substituents on the stereoselectivities of the photooxygenations has been found, ranging from 51:49 to up to 91:9 dr (diastereomeric ratio). We explain this by a hindered rotation of the carbohydrate substituents, substantiated by a combination of NOESY measurements and theoretical calculations. Finally, we could transfer the chiral information from a pure endoperoxide to an epoxide, which was isolated after cleavage of the sugar chiral auxiliary in enantiomerically pure form.
KW  - singlet oxygen
KW  - photooxygenation
KW  - naphthalenes
KW  - carbohydrates
KW  - stereoselectivity
KW  - auxiliary control
KW  - [4+2] cycloaddition
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.3390/molecules26040804
SN  - 1420-3049
VL  - 16
IS  - 4
PB  - MDPI
CY  - Basel
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kleinpeter, Erich
A1  - Koch, Andreas
T1  - Dative or coordinative carbon-boron bond in boron trapped N-heterocyclic carbenes (NHCs)?
BT  - an answer given on the magnetic criterion
JF  - Tetrahedron : the international journal for the rapid publication of full original research papers and critical reviews in organic chemistry
N2  - The spatial magnetic properties, through-space NMR shieldings (TSNMRS), of isolated as well as B-C bond length varied model compounds (BR3 trapped NHCs) have been calculated using the GIAO perturbation method employing the nucleus independent chemical shift (NICS) concept and the results visualized as iso-chemical-shielding surfaces (ICSS) of various size and direction. The TSNMRS values (actually the anisotropy effects measurable in H-1 NMR spectroscopy) are employed to qualify and quantify the present dative vs. coordinative bond character of the boron-carbon bond in the trapped NHCs. Results are confirmed by bond lengths and B-11/C-13 chemical shift variations in the BR3 trapped NHCs.
KW  - NHCs
KW  - Dative vs. coordinative NHC -> BR3 bond
KW  - Through-space NMR
KW  - shieldings (TSNMRS)
KW  - NICS
KW  - Anisotropy effect
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1016/j.tet.2020.131787
SN  - 0040-4020
SN  - 1464-5416
VL  - 80
PB  - Elsevier
CY  - Amsterdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mathieu-Gaedke, Maria
T1  - Grafting-to and grafting-from proteins - synthesis and characterization of protein-polymer conjugates on the way to biohybrid membrane materials
T1  - Grafting-to und Grafting-from - Synthese und Charakterisierung von Protein-Polymer-Konjugaten auf dem Weg zu biohybriden Membranen
N2  - The incorporation of proteins in artificial materials such as membranes offers great opportunities to avail oneself the miscellaneous qualities of proteins and enzymes perfected by nature over millions of years. One possibility to leverage proteins is the modification with artificial polymers. To obtain such protein-polymer conjugates, either a polymer can be grown from the protein surface (grafting-from) or a pre-synthesized polymer attached to the protein (grafting-to). Both techniques were used to synthesize conjugates of different proteins with thermo-responsive polymers in this thesis. 
First, conjugates were analyzed by protein NMR spectroscopy. Typical characterization techniques for conjugates can verify the successful conjugation and give hints on the secondary structure of the protein. However, the 3-dimensional structure, being highly important for the protein function, cannot be probed by standard techniques. NMR spectroscopy is a unique method allowing to follow even small alterations in the protein structure. A mutant of the carbohydrate binding module 3b (CBM3bN126W) was used as model protein and functionalized with poly(N-isopropylacrylamide). Analysis of conjugates prepared by grafting-to or grafting-from revealed a strong impact of conjugation type on protein folding. Whereas conjugates prepared by grafting a pre-formed polymer to the protein resulted in complete preservation of protein folding, grafting the polymer from the protein surface led to (partial) disruption of the protein structure.
Next, conjugates of bovine serum albumin (BSA) as cheap and easily accessible protein were synthesized with PNIPAm and different oligoethylene glycol (meth)acrylates. The obtained protein-polymer conjugates were analyzed by an in-line combination of size exclusion chromatography and multi-angle laser light scattering (SEC-MALS). This technique is particular advantageous to determine molar masses, as no external calibration of the system is needed. Different SEC column materials and operation conditions were tested to evaluate the applicability of this system to determine absolute molar masses and hydrodynamic properties of heterogeneous conjugates prepared by grafting-from and grafting-to. Hydrophobic and non-covalent interactions of conjugates lead to error-prone values not in accordance to expected molar masses based on conversions and extents of modifications. 
As alternative to this method, conjugates were analyzed by sedimentation velocity analytical ultracentrifugation (SV-AUC) to gain insights in the hydrodynamic properties and how they change after conjugation. Within a centrifugal field, a sample moves and fractionates according to the mass, density, and shape of its individual components. Conjugates of BSA with PNIPAm were analyzed below and above the cloud point temperature of the thermo-responsive polymer component. It was identified that the polymer characteristics were transferred to the conjugate molecule which than showed a decreased ideality – defined as increased deviation from a perfect sphere model – below and increased ideality above the cloud point temperature. This effect can be attributed to an arrangement of the polymer chain pointing towards the solvent (expanded state) or snuggling around the protein surface depending on the applied temperature. 
The last project dealt with the synthesis of ferric hydroxamate uptake protein component A (FhuA)-polymer conjugates as building blocks for novel membrane materials. The shape of FhuA can be described as barrel and removal of a cork domain inside the protein results in a passive channel aimed to be utilized as pores in the membrane system. The polymer matrix surrounding the membrane protein is composed of a thermo-responsive and a UV-crosslinkable part. Therefore, an external trigger for covalent immobilization of these building blocks in the membrane and switchability of the membrane between different states was incorporated. The overall performance of membranes prepared by a drying-mediated self-assembly approach was evaluated by permeability and size exclusion experiments. The obtained membranes displayed an insufficiency in interchain crosslinking and therefore a lack in performance. Furthermore, the aimed switch between a hydrophilic and hydrophobic state of the polymer matrix did not occur. Correspondingly, size exclusion experiments did not result in a retention of analytes larger than the pores defined by the dimension of the used FhuA variant.
Overall, different paths to generate protein-polymer conjugates by either grafting-from or grafting-to the protein surface were presented paving the way to the generation of new hybrid materials. Different analytical methods were utilized to describe the folding and hydrodynamic properties of conjugates providing a deeper insight in the overall characteristics of these seminal building blocks.
N2  - Der Einbau von Proteinen in künstliche Materialien wie zum Beispiel Membranen ist eine vielversprechende Möglichkeit sich die besonderen Eigenschaften dieser Biomakromoleküle zunutze zu machen. Eine Möglichkeit, solche Membranen herzustellen, ist die Nutzung von Protein-Polymer-Konjugaten als universelle Bausteine. Für die Synthese solcher Konjugate stehen zwei Ansätze zur Verfügung. Bei grafting-to wird ein endgruppenfunktionalisiertes Polymer an das Protein angebunden. Dagegen wird bei grafting-from das Protein in einem ersten Schritt mit Initiatoren funktionalisiert und in einem zweiten Schritt das Polymer ausgehend von diesen sogenannten Makroinitiatoren synthetisiert. 
Innerhalb der hier vorliegenden Dissertation wurden vier Hauptprojekte bearbeitet, die sich entweder mit der tiefergehenden Charakterisierung von Protein-Polymer-Konjugaten oder deren Nutzung als Bausteine für Biohybrid-Membranen beschäftigten. Im ersten Projekt wurde der Einfluss der Konjugation auf die Proteinstruktur mittels NMR-Spektroskopie untersucht. Viele Analysemethoden geben Aufschluss über die Erhaltung großer, lokal ausgebildeter Strukturelemente nach Modifizierung. Kleine strukturelle Änderungen bleiben dort meist unerkannt. NMR-Spektroskopie ist eine der wenigen Methoden, die auch solche kleinen Änderungen aufzeigen kann. Innerhalb dieser Dissertation konnte gezeigt werden, dass die Modifizierung von Proteinen mit Polymeren je nach Konjugationsmethode einen enormen Einfluss auf die Proteinstruktur hat. Während Konjugate, die durch grafting-to hergestellt wurden, nahezu keine strukturellen Änderungen aufwiesen, führte die Modifizierung mit Initiatoren bereits zu deutlichen Änderungen, die sich nach der Polymerisation verstärkten.
Das zweite Projekt widmetete sich der Analyse der hydrodynamischen Eigenschaften und der absoluten Molmassenbestimmung von Konjugaten mittels einer Kombination aus Größenausschlusschromatographie und Mehrwinkellichtstreuung. Während der Chromatographie werden die Konjugate entsprechend ihrer Größe aufgetrennt und anschließend durch Lichtstreuung vermessen. Damit diese Vermessung zu realistischen Werten führt, muss die vorangehende Chromatographie gewisse Anforderungen erfüllen. Eine davon ist, dass die Probe die Säule rein entsprechend ihrer Größe passiert und keine anderen Wechselwirkungen auftreten. Leider konnte diese Anforderung unter den getesteten Bedingungen nicht erfüllt werden, sodass die erhaltenen hydrodynamischen Werte und Molmassen stark fehlerbehaftet waren.
Als Alternative zu dieser Methode wurden im dritten Projekt Konjugate in einer analytischen Ultrazentrifuge untersucht. Im Zentrifugalfeld wird eine Probe entsprechend der Größe, Masse und Dichte der Einzelbestandteile getrennt und detektiert. Solche Messungen wurden an Konjugaten modifiziert mit einem temperaturschaltbaren Polymer durchgeführt. Bei Temperaturen unterhalb des Schaltpunkts des Polymers sedimentierten die Konjugate langsamer als oberhalb dieses Punkts. Da sich die Molmasse während des Prozesses nicht ändert, kann dieses Verhalten auf die Form des Konjugats und den Einfluss des Polymers zurückgeführt werden. Die Messungen werden so interpretiert, dass das Polymer unterhalb der Schalttemperatur vom Protein weg zeigt und wie eine Art Fallschirm fungiert. Oberhalb der Temperatur schmiegt es sich an das Protein, ähnlich einem Fallschirmspringer, der die Arme an den Körper zieht. 
Das letzte Projekt strebte die Immobilisierung von Membranproteinen als funktionelle Poren in Membranmaterialien an. Dazu wurden Membranprotein-Polymer-Konjugate mit einem thermoresponsiven, UV-verlinkbaren Polymer hergestellt, welches einerseits durch einen externen Auslöser für eine kovalente Immobilisierung der Bausteine in der Membran und andererseits durch einen zweiten Auslöser die Membraneigenschaften modulieren sollte. Die Performance der hergestellten Membranen wurde durch Permeabilitäts- und Größenausschlussexperimente bewertet. Allerdings fand der angestrebte Wechsel zwischen einem hydrophilen und einem hydrophoben Zustand der Polymermatrix unter den getesteten Bedingungen nicht statt. Dementsprechend führten Größenausschlussexperimente nicht zu einer Retention von Analyten, die theoretisch größer sind als die durch die Dimension der verwendeten FhuA-Variante definierten Poren. 
Insgesamt wurden verschiedene Wege zur Synthese von Protein-Polymer-Konjugaten durch grafting-from und grafting-to vorgestellt. Die entwickelten Methoden und gewonnenen Erkenntnisse sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu neuen Hybridmaterialien. Verschiedene analytische Methoden wurden eingesetzt, um die Faltung und die hydrodynamischen Eigenschaften der Konjugate zu untersuchen, was einen tieferen Einblick in die allgemeinen Eigenschaften dieser zukunftsträchtigen Bausteine ermöglicht.
KW  - Protein-Polymer-Konjugat
KW  - Proteincharakterisierung
KW  - kontrollierte radikalische Polymerisationen
KW  - Transmembranprotein
KW  - Analytische Ultrazentrifugation
KW  - SEC-MALS
KW  - Protein-NMR-Spektroskopie
KW  - Biohybrid-Membran
KW  - protein-polymer conjugate
KW  - protein characterization
KW  - controlled radical polymerization
KW  - transmembrane protein
KW  - analytical ultracentrifugation
KW  - SEC-MALS
KW  - protein NMR spectroscopy
KW  - biohybrid membrane materials
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-542921
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TY  - THES
A1  - Czarnecki, Maciej
T1  - Untersuchungen zur Synthese von (1,7)-Naphthalenophanen über eine Dehydro-DIELS-ALDER-Reaktion als Schlüsselschritt
T1  - Investigations towards the synthesis of (1,7)-Naphthalenophanes via a Dehydro-DIELS-ALDER reaction as key step
BT  - synthetisch-technische Aspekte, Eigenschaften und Anwendungen
BT  - synthetic-technical aspects, properties and applications
N2  - Die vorliegende Dissertation behandelt drei thematische Schwerpunkte. Im Ergebnisteil steht die chemische Synthese von sogenannten (1,7)-Naphthalenophanen im Vordergrund, die zur Substanzklasse von Cyclophanen gehören. Während zahlreiche Synthesemethoden Strategien zum Aufbau von Ringsystemen (wie z. B. von Naphthalenophanen) verfolgen, die Teil einer bereits existierenden aromatischen Struktur der Ausgangsverbindung sind, nutzen nur wenige Ansätze Reaktionen, die einen Ringschluss zum gewünschten Produkt erst im Zuge der Synthese etablieren. Eine Benzanellierung, die eine besondere Aufmerksamkeit im Arbeitskreis erfahren hat, ist die Dehydro-DIELS-ALDER-Reaktion (DDA-Reaktion). Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass zwölf ausgewählte (1,7)-Naphthalenophane, die teilweise ringgespannt und makrozyklisch aufgebaut waren, mithilfe einer photochemischen Variante der DDA-Reaktion (PDDA-Reaktion) zugänglich gemacht werden können. Die Versuche, auf thermischem Wege (TDDA-Reaktion) (1,7)-Naphthalenophane herzustellen, misslangen. Die außergewöhnliche Reaktivität der Photoreaktanten konnte mithilfe quantenchemischer Berechnungen durch eine gefaltete Grundzustandsgeometrie erklärt werden. Darüber hinaus wurden Ringspannungen und strukturelle Spannungsindikatoren der relevanten Photoprodukte ermittelt und Trends in Abhängigkeit der Linkerlänge in den NMR-Spektren der Zielverbindungen ermittelt sowie diskutiert. Zudem zeigte eine Variation am Chromophor (Acyl-, Carbonsäure- und Carbonsäureester) der Photoreaktanten bei der Bestrahlung in Dichlormethan eine vergleichbare Photokinetik und -reaktivität. Der zweite Abschnitt dieser Dissertation ist dem Design und der Entwicklung zweier Photoreaktoren für UV-Anwendungen im kontinuierlichen Durchfluss gewidmet, da photochemische Transformationen bekanntermaßen in ihrer Skalierbarkeit limitiert sind. Im ersten Prototyp konnten mittels effizienter Parallelschaltung mit bis zu drei UV-Lampen (𝜆𝜆 = 254, 310 und 355 nm) Produktmaterialmengen von bis zu n = 188 mmol anhand eines ausgewählten Fallbeispiels erreicht werden. Im konstruktionstechnisch stark vereinfachten zweiten Photoreaktor wurden alle quarzhaltigen Elemente gegen günstigeres PLEXIGLAS® ersetzt. Das Resultat waren identische Raum-Zeit-Ausbeuten in Bezug auf das zuvor gewählte Synthesebeispiel. Demnach bietet die UV-Photochemie im kontinuierlichen Durchfluss Vorteile gegenüber der traditionellen Bestrahlung im Tauchreaktor. Hinsichtlich Reaktionszeit, Produktausbeuten und Lösemittelverbrauch ist sie synthetisch weit überlegen. Im letzten Abschnitt der Arbeit wurden diese Erkenntnisse genutzt, um biomedizinisch und pharmakologisch vielversprechende 1-Arylnaphthalen-Lignane mittels einer intramolekularen PDDA-Reaktion (IMPDDA-Reaktion) als Schlüsselschritt herzustellen. Hierzu wurden drei Konzepte erarbeitet und in der Totalsynthese von drei ausgewählten Zielstrukturen auf Basis des 1-Arylnaphthalengrundgerüsts realisiert.
N2  - The content of this doctoral thesis focusses on three major thematic aspects. The first half of this work is devoted to the chemical synthesis of so-called (1,7)-naphthalenophanes, which are classified in the group of cyclophanes. Several synthetic methods consist of strategies, which are often part of an already existing aromatic unit (e.g. as in naphthalenophanes). Basic approaches where the aromatic moiety is formed during the reaction in terms of a ring-closing reaction can be rarely found. A powerful benzoanellation method which has proven suitability in the working group is the Dehydro-DIELS-ALDER reaction (DDA reaction). As part of this work twelve selected examples of partially strained and macrocyclic (1,7)-naphthalenophanes could be obtained via a photochemical variant of the DDA reaction (PDDA reaction). In contrast the thermal version (TDDA reaction) for the preparation of (1,7)-naphthalenophanes failed. The extraordinary reactivity of photo reactants originated from a folded ground-state geometry is caused by π-stacking as calculated by quantum chemical methods. In addition, ring strains and structural strain indicators of relevant photo products were calculated as well. Besides that, trends inside the corresponding product NMR spectra in dependence of the linker length were identified and discussed. Moreover, a variation of the chromophoric group (acyl, carboxylic acid and carboxylic acid ester) in the photo reactants showed comparable photokinetics and -reactivities after being irradiated in dichloromethane. The second part dealt with the design and development of two continuous-flow reactors for applications in the UV-range, since photochemical transformations are limited by their scalability. The first prototype reactor could generate via an internal numbering-up approach consisting of three lamps (𝜆𝜆 = 254, 310 und 355 nm) product material with up to n = 188.0 mmol as a selected test system showed. The second flow UV-reactor was constructionally simplified by exchanging all quarz containing elements by PLEXIGLAS®. As a result, identical space-time-yields could be obtained with the same chosen test substrate. Continuous-flow UV-photochemistry can therefore be regarded as advantageous over traditional batch photochemistry regarding reaction times, product yields and solvent waste. As a result, the last section provided insights into the synthesis of biomedically and pharmacologically relevant 1-arylnaphthalene lignanes based on an intramolecular PDDA reaction (IMPDDA reaction) as key step. For this purpose, three synthesis concepts were elaborated and applied in the total synthesis of three selected natural products consisting of an 1-arylnaphthalene skeleton.
KW  - Photochemie
KW  - Durchflusschemie
KW  - 1-Arylnaphthalen-Lignane
KW  - photochemistry
KW  - flow chemistry
KW  - 1-arylnaphthalene lignanes
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-508670
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TY  - THES
A1  - Kaestner, Pia Isabel
T1  - Neue Polymermaterialien auf der Basis von  funktionalisierten ionischen Flüssigkeiten zur  potentiellen Anwendung in Membranen
T1  - New polymer materials based on functionalized ionic liquids for potential application in membranes
N2  - Die vorliegende Arbeit thematisiert die Synthese und Charakterisierung von neuen funktionalisierten ionischen Flüssigkeiten und deren Polymerisation. Die ionischen Flüssigkeiten wurden dabei sowohl mit polymerisierbaren Kationen als auch Anionen hergestellt. Zum einen wurden bei thermisch initiierten Polymerisationen Azobis(isobutyronitril) (AIBN) verwendet und zum anderen dienten bei photochemisch initiierten Polymerisationen Bis-4-(methoxybenzoyl)diethylgermanium (Ivocerin®) als Radikalstarter.
Mittels Gelpermeationschromatographie konnte das Homopolymer Polydimethylaminoethylmethacrylat untersucht werden, welches erst im Anschluss an die GPC-Messungen polymeranalog modifiziert wurde. Dabei wurden nach einer Quaternisierung und anschließender Anionenmetathese bei diesen Polymeren die Grenzviskositäten bestimmt und mit den Grenzviskositäten der direkt polymerisierten ionischen Flüssigkeiten verglichen. Bei der direkten Polymerisation von Poly(N-[2-(Methacryloyloxy)ethyl]-N-butyl-N,N-dimethyl-ammoniumbis(trifluormethylsulfonyl)imid) lag [η_Huggins] bei 100 mL/g und bei dem polymeranalog hergestellten Polymer betrug [η_Huggins] = 40 mL/g.
Die ionischen Flüssigkeiten mit polymerisierbaren funktionellen Gruppen wurden mittels Photo-DSC hinsichtlich der maximalen Polymerisationsgeschwindigkeit (Rpmax), der Zeit, in der dieses Maximum erreicht wurde, tmax, ihrer Glasüberganstemperatur (Tg) und des Umsatzes an Vinylprotonen untersucht. Bei diesen Messungen wurde zum einen der Einfluss der unterschiedlichen Alkylkettenlänge am Ammoniumion und der Einfluss von verschiedenen Anionen bei gleichbleibender Kationenstruktur analysiert. So polymerisierte das ethylsubstituierte Kation mit einer tmax von 21 Sekunden am langsamsten. Die maximale Polymerisationsgeschwindigkeit (Rpmax) betrug 3.3∙10-2 s-1. Die tmax Werte der übrigen alkylsubstituierten ionischen Flüssigkeiten mit einer polymerisierbaren funktionellen Gruppe hingegen lagen zwischen 10 und 15 Sekunden. Die Glasübergangstemperaturen der mittels photoinduzierter Polymerisation hergestellten Polymere lagen mit 44 bis 55 °C nahe beieinander. Alle Monomere zeigten einen hohen Umsatz der Vinylprotonen; er betrug zwischen 93 und 100%.
Mithilfe einer Bandanlage, ausgerüstet mit einer LED (λ = 395 nm), konnten Polymerfilme hergestellt werden. Der Umsatz an Doppelbindungsäquivalenten dieser Filme wurde anhand der 1H-NMR Spektroskopie bestimmt. Bei der dynamisch-mechanischen Analyse wurden die Polymerfilme mit einer konstanten Heizrate und Frequenz periodisch wechselnden Beanspruchungen ausgesetzt, um die Glasübergangstemperaturen zu bestimmen. Die niedrigste Tg mit 26 °C besaß das butylsubstituierte N-[2-(Methacryloyloxy)ethyl]-N-butyl-N,N-dimethyl-ammoniumbis(trifluormethylsulfonyl)imid, welches als Polymerfilm mit Ivocerin® als Initiator hergestellt wurde, wohingegen die höchste Tg bei dem gleichen Polymer, welches direkt durch freie radikalische Polymerisation der ionischen Flüssigkeit in Masse mit AIBN hergestellt wurde, 51 °C betrug. Zusätzlich wurden die Filme unter dem Aspekt der Topographie mit einem Rasterkraftmikroskop untersucht, welches eine Domänenstruktur des Polymers N-[2-(methacryloyloxy)ethyl]-N-butyl-N,N-dimethyl-ammonium tris(pentafluorethyl)trifluorphosphat offenbarte.
N2  - This work focuses on the synthesis and characterization of novel functionalized ionic liquids and their polymerization. The structural differences were caused by both polymerizable cations and anions. Initiation of free radical polymerization was carried out either thermally or photoinduced. 2,2′-Azobis(2-methylpropionitrile) (AIBN) was used for thermal initiation of polymerization and bis-4-(methoxybenzoyl)diethylgermane (Ivocerin®) was used as photoinitiator for photopolymerization.
Intrinsic viscosity was determined from ionic polymers, which were synthesized by bulk polymerization of ionic liquid monomers. Size exclusion chromatography was employed to determine the polydispersity of poly dimethylaminoethylmethacrylate, which was subsequently modified by quaternization and anion metathesis. After alkylation and metathesis of this polymer, intrinsic viscosity was also determined for the modified polymer. In the direct polymerization of poly(N-[2-(methacryloyloxy)ethyl]-N-butyl-N,N-dimethyl-ammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), [η_Huggins] was 100 mL/g and in the analogously produced polymer [η_Huggins] was 40 mL/g.
The investigation of ionic liquid monomers regarding the exposure to UV-light (λ = 395 nm) resulted in Photo-DSC measurements. These were employed to investigate the polymerization rate (Rpmax) and the corresponding time (tmax); these parameters describe the reactivity of the compounds. The influence of the different alkyl chain length was also examined. Conversion of double bonds was determined using NMR spectroscopy, and glass transition temperatures (Tg) were identified by DSC measurements. The same sample, which was used for Photo-DSC measurements, was also used for DSC measurements. The ionic liquid monomer with an ethyl group at the quaternized nitrogen polymerized slowest with a tmax value of 21 seconds. The corresponding polymerization rate (Rpmax) was 3.3∙10-2 s-1. The tmax values of the other alkyl-substituted ionic liquid monomers were between 10 and 15 seconds. The glass transition temperatures of those photochemically obtained polymers were close together: 44 – 55 °C. With 93 to 100% they all had a high conversion of double bonds in common. 
Polymer films were produced using a lab-sized conveyor system equipped with an LED (λ = 395 nm). The conversion of double bond equivalents of these films was determined by NMR spectroscopy. In dynamic mechanical analysis, the polymer films were subjected to periodically changing stresses at a constant heating rate and frequency to determine the glass transition temperatures. The lowest Tg of 26 °C was obtained with the butyl-substituted N-[2-(methacryloyloxy)ethyl]-N-butyl-N,N-dimethyl-ammonium bis-(trifluoromethylsulfonyl)imide prepared as a polymer film with Ivocerin® as initiator, whereas the highest Tg was 51 °C for the same polymer prepared directly by free radical polymerization of the ionic liquid in bulk with AIBN. In addition, the films were examined under the aspect of topography with an atomic force microscope, which revealed a domain structure of the polymer N-[2-(methacryloyloxy)ethyl]-N-butyl-N,N-dimethyl-ammonium tris(pentafluoroethyl)trifluorophosphate.
KW  - Polymere
KW  - Polymers
KW  - Polymerisierbare ionische Flüssigkeiten
KW  - Ionic liquid monomers
KW  - Gasselektive Membranen
KW  - Gas selective membranes
KW  - Photoinduzierte Polymerisation
KW  - photo induced polymerization
KW  - Polymerfilme
KW  - Polymer films
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-509403
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TY  - THES
A1  - John, Leonard
T1  - Neuartige DBD-Fluoreszenzfarbstoffe
T1  - Novel DBD-fluorescent dyes
BT  - Synthese, Untersuchungen und Anwendungen
BT  - synthesis, investigations and applications
N2  - Zusammenfassung zur Dissertation „Neuartige DBD-Fluoreszenzfarbstoffe: Synthese, Untersuchungen und Anwendungen“ von Leonard John
In dieser Arbeit konnten auf Basis der etablierten [1,3]-Dioxolo[4,5-f][1,3]benzodioxol (DBD) Fluoreszenzfarbstoffe zwei neue Konzepte zur Darstellung unsymmetrisch funktionalisierter DBD-Fluorophore entwickelt werden. Die Variation der elektronenziehenden Reste führte zu einer Erweiterung des Farbspektrums an DBD-Fluorophoren, wobei alle weiteren spektroskopischen Parameter (Fluoreszenzlebenszeit, -quantenausbeute und STOKES-Verschiebung) unverändert hohe Werte aufweisen. Neben der Variation der elektronenziehenden Reste wurde das "pi"-System des DBD-Farbstoffs mit der Einführung von Stilben-, und Tolan-Derivaten vergrößert. Stilben-Derivate zeigten ähnlich gute spektroskopische Eigenschaften wie die bereits etablierten DBD-Farbstoffe.
Fluorophore mit langwelliger Emission sind auf Grund der großen Gewebe-Eindringtiefe besonders interessant für biologische Anwendungen. Da der langwelligste Vertreter der O4-DBD-Farbstoffe in polaren Medien nur schwer löslich ist, wurde ein Weg zur Einführung löslichkeitsvermittelnder Gruppen gesucht. Hierbei fiel die Wahl auf eine Carbonsäure-Gruppe zur Steigerung der Hydrophilie. Eine von vier untersuchten Methoden erwies sich als zielführend, sodass das gewünschte Molekül isoliert werden konnte. Eine erhöhte Wasserlöslichkeit wurde allerdings nicht beobachtet.
Zur Erforschung von Fettstoffwechselkrankheiten wie der ALZHEIMER-Krankheit werden fluoreszenzmarkierte Lipide benötigt. Um unterschiedliche Bereiche einer Membran zu untersuchen, war das Ziel, den Fluorophor an unterschiedlichen Stellen innerhalb der Fettsäure zu lokalisieren. Hierbei sollte die Gesamtkettenlänge des DBD-Lipids einer C18-Kette, analog der Stearinsäure, entsprechen. Durch die stufenweise Einführung der Reste gelang es, drei DBD-Lipide herzustellen, wobei sich der Fluorophor an unterschiedlichen Positionen innerhalb der Kette befindet. Die photophysikalischen Eigenschaften der Lipide weichen nur marginal von denen der reinen Fluorophore ab. Eine Einlagerung in giant unilamellar vesicles (GUVs) konnte für zwei Derivate beobachtet werden, wobei keine domänenspezifisch war.
Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, die vier Sauerstoffatome im DBD-Grundkörper stufenweise durch Schwefelatome zu ersetzen und die Ringgrößen des DBD-Fluorophors zu variieren. Für die Ringgröße zeigte der 1,2-S2-DBD mit jeweils zwei Fünfringen die besten spektroskopischen Eigenschaften. Durch die Synthese von zwei weiteren schwefelhaltigen DBD-Grundkörpern (S1- und 1,4-S2-DBD) konnten insgesamt drei neue Farbstoffklassen zugänglich gemacht werden. Für alle neuen Chromophore wurden elektronenziehende Reste (Aldehyd, Acyl, Ester, Carboxy) eingeführt und die jeweiligen Derivate spektroskopisch untersucht. Mit steigender Anzahl an Schwefel-Atomen im Grundkörper zeigt sich eine bathochrome Verschiebung der Emission,
wobei die Werte für die Fluoreszenzlebenszeit- und -quantenausbeute abnehmen. Die optimalen spektroskopischen Eigenschaften aus langwelliger Emission, hoher Fluoreszenzlebenszeit und -quantenausbeute zeigt das 1,4-S2-Dialdehyd-Derivat. Für die S1- und 1,2-S2-Dialdehyd-
Derivate wurden Konzepte entwickelt, um bioreaktive Reste (Alkin, HOSu, Maleimid) einzuführen und die Fluorophore in biologischen Systemen anwenden zu können.
N2  - Abstract for the Dissertation „Neuartige DBD-Fluoreszenzfarbstoffe: Synthese, Untersuchungen und Anwendungen“ by Leonard John
In this work, two new concepts for the preparation of asymmetrically functionalized DBD fluorophores were developed based on the established [1,3]dioxolo[4,5-f][1,3]benzodioxole (DBD) fluorescent dyes. Variation of the electron-withdrawing groups led to an expansion of the color spectrum of DBD fluorophores, with all other spectroscopic parameters (fluorescence lifetime, quantum yield, and STOKES- shift) showing unchanged high values. In addition to the variation of electron-withdrawing groups, the "pi"-system of the DBD dye was enlarged with the introduction of stilbene, and tolane derivatives. Stilbene derivatives showed similar good spectroscopic properties as the already established DBD dyes.
Fluorophores with long wavelength emission are particularly interesting for biological applications due to their large tissue penetration depth. Since the longest wavelength representative of the O4-DBD dyes is poorly soluble in polar media, a way to introduce solubility-mediating groups was sought. Here, the choice fell on a carboxylic acid group to increase hydrophilicity. One of four methods investigated proved to be effective, so that the desired molecule could be isolated. However, increased water solubility was not observed.
Fluorescently labeled lipids are needed to study lipid metabolism diseases such as ALZHEIMER disease. In order to study different areas of a membrane, the goal was to localize the fluorophore at different sites within the fatty acid. Here, the total chain length of the DBD lipid should correspond to a C18 chain, analogous to stearic acid. By introducing the residues stepwise, it was possible to prepare three DBD lipids with the fluorophore located at different positions within the chain. The photophysical properties of the lipids differ only marginally from those of the pure fluorophores. Incorporation into giant unilamellar vesicles (GUVs) was observed for two derivatives, although none was domain specific.
Another goal of this work was to gradually replace the four oxygen atoms in the DBD parent with sulfur atoms and to vary the ring sizes of the DBD fluorophore. For the ring size, the 1,2-S2-DBD with two five-membered rings each showed the best spectroscopic properties. The synthesis of two additional sulfur-containing DBD precursors (S1- and 1,4-S2-DBD) made a total of three new dye classes accessible. Electron-withdrawing residues (aldehyde, acyl, ester, carboxy) were introduced for all new chromophores and the respective derivatives were investigated spectroscopically. As the number of sulfur atoms in the parent compound increases, a bathochromic shift in emission is seen, with decreasing values for fluorescence lifetime and quantum yield. The optimal spectroscopic properties of long wavelength emission, high fluorescence lifetime and quantum yield are exhibited by the 1,4-S2-dialdehyde derivative. For the S1- and 1,2-S2-dialdehyde derivatives, concepts were developed to introduce bioreactive residues (alkyne, HOSu, maleimide) and to apply the fluorophores in biological systems.
KW  - Organische Chemie
KW  - Fluoreszenzfarbstoffe
KW  - DBD-Farbstoffe
KW  - Schwefel
KW  - sulfur
KW  - DBD-dyes
KW  - fluorescent dyes
KW  - organic chemistry
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-510487
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Bauch, Marcel
A1  - Fudickar, Werner
A1  - Linker, Torsten
T1  - Stereoselective [4+2] Cycloaddition of Singlet Oxygen to Naphthalenes Controlled by Carbohydrates
T2  - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - Stereoselective reactions of singlet oxygen are of current interest. Since enantioselective photooxygenations have not been realized efficiently, auxiliary control is an attractive alternative. However, the obtained peroxides are often too labile for isolation or further transformations into enantiomerically pure products. Herein, we describe the oxidation of naphthalenes by singlet oxygen, where the face selectivity is controlled by carbohydrates for the first time. The synthesis of the precursors is easily achieved starting from naphthoquinone and a protected glucose derivative in only two steps. Photooxygenations proceed smoothly at low temperature, and we detected the corresponding endoperoxides as sole products by NMR. They are labile and can thermally react back to the parent naphthalenes and singlet oxygen. However, we could isolate and characterize two enantiomerically pure peroxides, which are sufficiently stable at room temperature. An interesting influence of substituents on the stereoselectivities of the photooxygenations has been found, ranging from 51:49 to up to 91:9 dr (diastereomeric ratio). We explain this by a hindered rotation of the carbohydrate substituents, substantiated by a combination of NOESY measurements and theoretical calculations. Finally, we could transfer the chiral information from a pure endoperoxide to an epoxide, which was isolated after cleavage of the sugar chiral auxiliary in enantiomerically pure form.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1116 
KW  - singlet oxygen
KW  - photooxygenation
KW  - naphthalenes
KW  - carbohydrates
KW  - stereoselectivity
KW  - auxiliary control
KW  - [4+2] cycloaddition
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-493361
SN  - 1866-8372
IS  - 1116
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Bäckemo, Johan Dag Valentin
A1  - Liu, Yue
A1  - Lendlein, Andreas
T1  - Bio-inspired and computer-supported design of modulated shape changes in polymer materials
JF  - MRS communications / a publication of the Materials Research Society
N2  - The Venus flytrap is a fascinating plant with a finely tuned mechanical bi-stable system, which can switch between mono- and bi-stability. Here, we combine geometrical design of compliant mechanics and the function of shape-memory polymers to enable switching between bi- and mono-stable states. Digital design and modelling using the Chained Beam Constraint Model forecasted two geometries, which were experimentally realized as structured films of cross-linked poly[ethylene-co-(vinyl acetate)] supported by digital manufacturing. Mechanical evaluation confirmed our predicted features. We demonstrated that a shape-memory effect could switch between bi- and mono-stability for the same construct, effectively imitating the Venus flytrap.
KW  - Additive manufacturing
KW  - Biomimetic
KW  - Shape memory
KW  - Modelling
KW  - Polymer
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1557/s43579-021-00056-6
SN  - 2159-6867
VL  - 11
IS  - 4
SP  - 462
EP  - 469
PB  - Springer
CY  - Berlin
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - López-Salas, Nieves
A1  - Albero, Josep
T1  - CxNy
BT  - new carbon nitride organic photocatalysts
JF  - Frontiers in Materials
N2  - The search for metal-free and visible light-responsive materials for photocatalytic applications has attracted the interest of not only academics but also the industry in the last decades. Since graphitic carbon nitride (g-C3N4) was first reported as a metal-free photocatalyst, this has been widely investigated in different light-driven reactions. However, the high recombination rate, low electrical conductivity, and lack of photoresponse in most of the visible range have elicited the search for alternatives. In this regard, a broad family of carbon nitride (CxNy) materials was anticipated several decades ago. However, the attention of the researchers in these materials has just been awakened in the last years due to the recent success in the syntheses of some of these materials (i.e., C3N3, C2N, C3N, and C3N5, among others), together with theoretical simulations pointing at the excellent physico-chemical properties (i.e., crystalline structure and chemical morphology, electronic configuration and semiconducting nature, or high refractive index and hardness, among others) and optoelectronic applications of these materials. The performance of CxNy, beyond C3N4, has been barely evaluated in real applications, including energy conversion, storage, and adsorption technologies, and further work must be carried out, especially experimentally, in order to confirm the high expectations raised by simulations and theoretical calculations. Herein, we have summarized the scarce literature related to recent results reporting the synthetic routes, structures, and performance of these materials as photocatalysts. Moreover, the challenges and perspectives at the forefront of this field using CxNy materials are disclosed. We aim to stimulate the research of this new generation of CxNy-based photocatalysts, beyond C3N4, with improved photocatalytic efficiencies by harnessing the striking structural, electronic, and optical properties of this new family of materials.
KW  - CXNY
KW  - carbon nitrides
KW  - C2N
KW  - C3N
KW  - C1N1
KW  - C3N5
KW  - photocatalysis
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.3389/fmats.2021.772200
SN  - 2296-8016
VL  - 8
PB  - Frontiers Media
CY  - Lausanne
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Lendlein, Andreas
A1  - Heuchel, Matthias
T1  - Shape-memory polymers designed in view of thermomechanical energy storage and conversion systems
BT  - Effective temporary shape fixation by strain-induced formation of supramolecular nanostructures enables high energy density one-way shape-memory polymers
JF  - ACS central science
KW  - Actuators
KW  - Deformation
KW  - Energy
KW  - Energy storage
KW  - Polymers
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1021/acscentsci.1c01032
SN  - 2374-7951
VL  - 7
IS  - 10
SP  - 1599
EP  - 1601
PB  - American Chemical Society
CY  - Washington
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Gaebel, Tina
A1  - Bein, Daniel
A1  - Mathauer, Daniel
A1  - Utecht, Manuel
A1  - Palmer, Richard E.
A1  - Klamroth, Tillmann
T1  - Nonlocal STM manipulation of chlorobenzene on Si(111)-7 x 7
BT  - Potentials, kinetics, and first-principles molecular dynamics calculations for open systems
JF  - The journal of physical chemistry : C, Nanomaterials and interfaces
N2  - We use quantum chemical cluster models together with constrained density STM Ph CI functional theory (DFT) and ab initio molecular dynamics (AIMD) for open system to simulate tip and rationalize nonlocal scanning tunneling microscope (STM) manipulation experiments for Philh ci chlorobenzene (PhCl) on a Si(111)-7 X 7 surface. We consider three different processes, namely, the electron-induced dissociation of the carbon-chlorine bond for physisorbed PhCl molecules at low temperatures and the electron- or hole-induced desorption of chemisorbed PhCl at 300 K. All processes can be induced nonlocally, i.e., up to several nanometers (nm) away from the injection site, in STM experiments. We rationalize and explain the experimental findings regarding the STM-induced dissociation using constrained DFT. The coupling of STM-induced ion resonances to nuclear degrees of freedom is simulated with AIMD using the Gadzuk averaging approach for open systems. From this data, we predict a 4 fs lifetime for the cationic resonance. For the anion model, desorption could not be observed. In addition, the same cluster models are used for transition-state theory calculations, which are compared to and validated against time-lapse STM experiments.
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c02612
SN  - 1932-7447
SN  - 1932-7455
VL  - 125
IS  - 22
SP  - 12175
EP  - 12184
PB  - American Chemical Society
CY  - Washington
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lood, Kajsa
T1  - Stereoselective Construction of C-C Double Bonds via Olefin Metathesis: From Tethered Reactions to Water-Soluble Catalysts for Stereoretentive Metathesis
T1  - Stereoselektiver Aufbau von C-C-Doppelbindungen durch Olefinmetathese: Von gebundenen Reaktionen zu wasserlöslichen Katalysatoren für die stereoretentive Metathese
N2  - Natural products have proved to be a major resource in the discovery and development of many pharmaceuticals that are in use today. There is a wide variety of biologically active natural products that contain conjugated polyenes or benzofuran structures. Therefore, new synthetic methods for the construction of such building blocks are of great interest to synthetic chemists. The recently developed one-pot tethered ring-closing metathesis approach allows for the formation of Z,E-dienoates in high stereoselectivity. The extension of this method with a Julia-Kocienski olefination protocol would allow for the formation of conjugated trienes in a stereoselective manner. This strategy was applied in the total synthesis of conjugated triene containing (+)-bretonin B. Additionally, investigations of cross metathesis using methyl substituted olefins were pursued. This methodology was applied, as a one-pot cross metathesis/ring-closing metathesis sequence, in the total synthesis of benzofuran containing 7-methoxywutaifuranal. Finally, the design and synthesis of a catalyst for stereoretentive metathesis in aqueous media was investigated.
N2  - Naturstoffe haben sich als wichtige Ressource für die Entdeckung und Entwicklung zahlreicher Arzneimittel erwiesen, die heute verwendet werden. Es gibt eine Vielzahl biologisch aktiver Naturstoffe, die konjugierte Polyene oder Benzofuranstrukturen enthalten. Daher sind neue Synthesemethoden für die Herstellung solcher Bausteine für synthetische Chemiker von großem Interesse. Der kürzlich entwickelte Ein-Topf-Ansatz der tethered ring-closing metathesis ermöglicht die Bildung von Z,E-Dienoaten in hoher Stereoselektivität. Die Erweiterung dieser Methode mit einem Julia-Kocienski-Olefinierungsprotokoll würde die Bildung von konjugierten Trienen in stereoselektiver Weise ermöglichen. Diese Strategie wurde bei der Totalsynthese von konjugierten Trienen, die (+)-Bretonin B enthalten, angewandt. Außerdem wurden Untersuchungen zur Kreuzmetathese mit methylsubstituierten Olefinen durchgeführt. Diese Methodik wurde als Ein-Topf-Kreuzmetathese/Ringschluss-Metathese-Sequenz in der Totalsynthese von benzofuranhaltigem 7-Methoxywutaifuranal angewendet. Schließlich wurde die Entwicklung und Synthese eines Katalysators für die stereoretentive Metathese in wässrigen Medien untersucht.
KW  - Olefin metathesis
KW  - synthesis
KW  - organic chemistry
KW  - catalysts
KW  - Olefin Metathese
KW  - Synthese
KW  - organische Chemie
KW  - Katalysatoren
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-539142
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Raju, Rajarshi Roy
A1  - Koetz, Joachim
T1  - Inner Rotation of Pickering Janus Emulsions
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - Janus droplets were prepared by vortex mixing of three non-mixable liquids, i.e., olive oil, silicone oil and water, in the presence of gold nanoparticles (AuNPs) in the aqueous phase and magnetite nanoparticles (MNPs) in the olive oil. The resulting Pickering emulsions were stabilized by a red-colored AuNP layer at the olive oil/water interface and MNPs at the oil/oil interface. The core–shell droplets can be stimulated by an external magnetic field. Surprisingly, an inner rotation of the silicon droplet is observed when MNPs are fixed at the inner silicon droplet interface. This is the first example of a controlled movement of the inner parts of complex double emulsions by magnetic manipulation via interfacially confined magnetic nanoparticles.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1249 
KW  - Janus droplets
KW  - Pickering emulsions
KW  - magnetic manipulation
KW  - gold nanoparticles
KW  - magnetite nanoparticles
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-553628
SN  - 1866-8372
IS  - 1249
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Rethfeldt, Nina
A1  - Brinkmann, Pia
A1  - Riebe, Daniel
A1  - Beitz, Toralf
A1  - Köllner, Nicole
A1  - Altenberger, Uwe
A1  - Löhmannsröben, Hans-Gerd
T1  - Detection of Rare Earth Elements in Minerals and Soils by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) Using Interval PLS
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - The numerous applications of rare earth elements (REE) has lead to a growing global demand and to the search for new REE deposits. One promising technique for exploration of these deposits is laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). Among a number of advantages of the technique is the possibility to perform on-site measurements without sample preparation. Since the exploration of a deposit is based on the analysis of various geological compartments of the surrounding area, REE-bearing rock and soil samples were analyzed in this work. The field samples are from three European REE deposits in Sweden and Norway. The focus is on the REE cerium, lanthanum, neodymium and yttrium. Two different approaches of data analysis were used for the evaluation. The first approach is univariate regression (UVR). While this approach was successful for the analysis of synthetic REE samples, the quantitative analysis of field samples from different sites was influenced by matrix effects. Principal component analysis (PCA) can be used to determine the origin of the samples from the three deposits. The second approach is based on multivariate regression methods, in particular interval PLS (iPLS) regression. In comparison to UVR, this method is better suited for the determination of REE contents in heterogeneous field samples. View Full-Text
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1254 
KW  - LIBS
KW  - rare earth elements
KW  - minerals
KW  - PCA
KW  - iPLS regression
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-557469
SN  - 1866-8372
SP  - 1
EP  - 17
PB  - Universitätsverlag Potsdam
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sanay, Berran
T1  - Monomers and polymers based on renewable resources for new photopolymer coating
N2  - The present work focuses on minimising the usage of toxic chemicals by integration of the biobased monomers, derived from fatty acid esters, to photopolymerization processes, which are known to be nature friendly. Internal double bond present in the oleic acid was converted to more reactive (meth)acrylate or epoxy group. Biobased starting materials, functionalized by different pendant groups, were used for photopolymerizing formulations to design of new polymeric structures by using ultraviolet light emitting diode (UV-LED) (395 nm) via free radical polymerization or cationic polymerization. 
New (meth)acrylates (2,3 and 4) consisting of two isomers, methyl 9-((meth)acryloyloxy)-10-hydroxyoctadecanoate / methyl 9-hydroxy-10-((meth)acryloyloxy)octadecanoate (2 and 3) and methyl 9-(1H-imidazol-1-yl)-10-(methacryloyloxy)octadecanoate / methyl 9-(methacryloyloxy)-10-(1H-imidazol-1-yl)octadecanoate (4), modified from oleic acid mix, and ionic liquid monomers (1a and 1b) bearing long alkyl chain were polymerized photochemically. New (meth)acrylates are based on vegetable oil, and ionic liquids (ILs) have nonvolatile behaviour. Therefore, both monomer types have green approach. Photoinitiated polymerization of new (meth)acrylates and ionic liquids was investigated in the presence of ethyl (2,4,6-trimethylbenzoyl) phenylphosphinate (Irgacure® TPO−L) or di(4-methoxybenzoyl)diethylgermane (Ivocerin®) as photoinitiator (PI). Additionally, the results were discussed in comparison with those obtained from commercial 1,6-hexanediol di(meth)acrylate (5 and 6) for deeper investigation of biobased monomer’s potential to substitute petroleum derived materials with renewable resources for possible coating applications. Kinetic study shows that methyl 9-(1H-imidazol-1-yl)-10-(methacryloyloxy)octadecanoate / methyl 9-(methacryloyloxy)-10-(1H-imidazol-1-yl)octadecanoate (4) and ionic liquids (1a and 1b) have quantitative conversion after irradiation process which is important for practical applications. On the other hand, heat generation occurs in a longer time during the polymerization of biobased systems or ILs.
The poly(meth)acrylates modified from (meth)acrylated fatty acid methyl ester monomers generally show a low glass transition temperature because of the presence of long aliphatic chain in the polymer structure. However, poly(meth)acrylates containing aromatic group have higher glass transition temperature. Therefore, new 4-(4-methacryloyloxyphenyl)-butan-2-one (7) was synthesized which can be a promising candidate for the green techniques, such as light induced polymerization. Photokinetic investigation of the new monomer, 4-(4-methacryloyloxyphenyl)-butan-2-one (7), was discussed using Irgacure® TPO−L or Ivocerin® as photoinitiator. The reactivity of that monomer was compared to commercial 2-phenoxyethyl methacrylate (8) and phenyl methacrylate (9) basis of the differences on monomer structures. The photopolymer of 4-(4-methacryloyloxyphenyl)-butan-2-one (7) might be an interesting candidate for the coating application with the properties of quantitative conversion and high molecular weight. It also shows higher glass transition temperature.
In addition to the linear systems based on renewable materials, new crosslinked polymers were also designed in this thesis. Therefore, isomer mixture consisting of ethane-1,2-diyl bis(9-methacryloyloxy-10-hydroxy octadecanoate), ethane-1,2-diyl 9-hydroxy-10-methacryloyloxy-9’-methacryloyloxy10’-hydroxy octadecanoate and ethane-1,2-diyl bis(9-hydroxy-10-methacryloyloxy octadecanoate) (10) was synthesized by derivation of the oleic acid which has not been previously described in the literature. Crosslinked material based on this biobased monomer was produced by photoinitiated free radical polymerization using Irgacure® TPO−L or Ivocerin® as photoinitiator. Furthermore, material properties were diversified by copolymerization of 10 with 4-(4-methacryloyloxyphenyl)-butan-2-one (7) or methyl 9-(1H-imidazol-1-yl)-10-(methacryloyloxy)octadecanoate / methyl 9-(methacryloyloxy)-10-(1H-imidazol-1-yl)octadecanoate (4). In addition to this, influence of comonomer with different chemical structure on the network system was investigated by analysis of thermo-mechanical properties, crosslink density and molecular weight between two crosslink junctions. An increase in the glass transition temperature caused by copolymerization of biobased monomer 10 with the excess amount of 4-(4-methacryloyloxyphenyl)-butan-2-one (7) was confirmed by both techniques, differential scanning calorimetry (DSC) and dynamic mechanical analysis (DMA). On the other hand, crosslink density decreased as a result of copolymerization reactions due to the reduction in the mean functionality of the system. Furthermore, surface characterization has been tested by contact angle measurements using solvents with different polarity.
This work also contributes to the limited data reported about cationic photopolymerization of the epoxidized vegetable oils in the literature in contrast to the widely investigation of thermal curing of the biorenewable epoxy monomers. In addition to the 9,10-epoxystearic acid methyl ester (11), a new monomer of bis-(9,10-epoxystearic acid) 1,2-ethanediyl ester (12) has been synthesized from oleic acid. These two biobased epoxies have been polymerized via cationic photoinitiated polymerization in the presence of bis(t-butyl)-iodonium-tetrakis(perfluoro-t-butoxy)aluminate ([Al(O-t-C4F9)4]-) and isopropylthioxanthone (ITX) as photinitiating system. Polymerization kinetic of 9,10-epoxystearic acid methyl ester (11) and bis-(9,10-epoxystearic acid) 1,2-ethanediyl ester (12) was investigated and compared with the kinetic of commercial monomers being 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3’,4’-epoxycyclohexane carboxylate (13), 1,4-butanediol diglycidyl ether (14), and diglycidylether of bisphenol-A (15). Both biobased epoxies (11 and 12) showed higher conversion than cycloaliphatic epoxy (13), and lower reactivity than 1,4-butanediol diglycidyl ether (14). Additional network systems were designed by copolymerization of bis-(9,10-epoxystearic acid) 1,2-ethanediyl ester (12) and diglycidylether of bisphenol-A (15) in different molar ratios (1:1; 1:5; 1:9). It addresses that, final conversion is dependent on polymerization rate as well as physical processes such as vitrification during polymerization. Moreover, low glass transition temperature of homopolymer derived from bis-(9,10-epoxystearic acid) 1,2-ethanediyl ester (12) was successfully increased by copolymerization with diglycidylether bisphenol-A (15). On the other hand, the surface produced from bis-(9,10-epoxystearic acid) 1,2-ethanediyl ester (12) shows hydrophobic character. Higher concentration of biobased diepoxy (12) in the copolymerizing mixture decreases surface free energy. Network systems were also investigated according to the rubber elasticity theory. Crosslinked polymer derived from the mixture of bis-(9,10-epoxystearic acid) 1,2-ethanediyl ester (12) and diglycidylether of bisphenol-A (15)  (molar ratio=1:5) exhibits  almost ideal polymer network.
N2  - Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Minimierung des Einsatzes von giftigen Chemikalien durch die Integration von biobasierten Monomeren, die aus Fettsäureestern gewonnen werden, in Photopolymerisationsprozessen, die als naturfreundlich bekannt sind. Die in der Ölsäure vorhandene interne Doppelbindung wurde in eine reaktivere (Meth)acrylat- oder Epoxidgruppe umgewandelt. Biobasierte Ausgangsmaterialien, funktionalisiert durch verschiedene Seitengruppen, wurden für photopolymerisierende Formulierungen verwendet, um neue polymere Strukturen unter Verwendung einer ultravioletten lichtemittierenden Diode (UV-LED) (395 nm) über freie radikalische Polymerisation oder kationische Polymerisation zu entwickeln. 

Neue (Meth)acrylate, Methyl-9-((meth)acryloyloxy)-10-hydroxyoctadecanoat / Methyl-9-hydroxy-10-((meth)acryloyloxy)octadecanoat (2 und 3) und Methyl-9-(methacryloyloxy)-10-(1H-imidazol-1yl)octadecanoat / Methyl-9-(1H-imidazol-1yl)-10-(methacryloyloxy)octadecanoat (4), modifiziert aus einem Ölsäuregemisch und ionischen flüssigen Monomeren mit eine langen Alkylkette wurden photochemisch polymerisiert. Die neuen (Meth)acrylate basieren auf Pflanzenöl. Die ionischen Flüssigkeiten (ILs) haben ein nichtflüchtiges Verhalten. Daher haben beide Monomertypen einen grünen Ansatz. Photoinitiierte Polymerisationen von neuen (Meth)acrylaten und ionischen Flüssigkeiten wurden in Gegenwart von Ethyl-(2,4,6-trimethylbenzoyl)phenylphosphinat (Irgacure® TPO-L) oder Di(4-methoxybenzoyl)diethylgerman (Ivocerin®) als Photoinitiator untersucht. Zusätzlich wurden die Ergebnisse im Vergleich mit denen von kommerziellem 1,6-hexandiol di(meth)acrylat (5 und 6) diskutiert, um das Potenzial von biobasierten Monomeren zur Substitution von erdölbasierten Materialien durch erneuerbare Ressourcen für mögliche Beschichtungsanwendungen genauer zu untersuchen. Die kinetische Studie zeigt, dass Methyl-9-(1H-imidazol-1yl)-10-(methacryloyloxy)octadecanoat / Methyl-9-(methacryloyloxy)-10-(1H-imidazol-1yl)octadecanoat (4) und die ionischen Flüssigkeiten (1a und 1b) eine quantitative Umsetzung nach dem Bestrahlungsprozess aufweisen, was für praktische Anwendungen wichtig ist. Andererseits erfolgt die Wärmeentwicklung bei der Polymerisation von biobasierten Systemen oder ILs in einem längeren Zeitraum.

Die aus Fettsäuren hergestelltem modifizierten Poly(meth)acrylate zeigen im Allgemeinen eine niedrige Glasübergangstemperatur aufgrund der Anwesenheit einer langen aliphatischen Kette in der Polymerstruktur. Poly(meth)acrylate, die eine aromatische Gruppe enthalten, haben jedoch eine höhere Glasübergangstemperatur. Daher wurde das neue 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)-butan-2-on (7) synthetisiert, das ein vielversprechender Kandidat für die grünen Techniken, wie zum Beispiel die lichtinduzierte Polymerisation, sein kann. Die photokinetische Untersuchung des neuen Monomers, 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)-butan-2-on (7), wurde unter Verwendung von Irgacure® TPO-L oder Ivocerin® als Photoinitiator diskutiert. Die Reaktivität dieses Monomers wurde mit kommerziellem 2-Phenoxyethylmethacrylat (8) und Phenylmethacrylat (9) aufgrund der Unterschiede in der Monomerstruktur verglichen. Das Photopolymer von 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)-butan-2-on (7) könnte ein interessanter Kandidat und eine Alternative zu den herkömmlichen Monomeren für die Beschichtungsanwendung sein aufgrund der quantitativen Umsetzung des Monomeren und des hohen Molekulargewichts sowie einer höheren Glasübergangstemperatur des resultieren den Photopolymeren.

Neben den linearen Systemen auf Basis nachwachsender Rohstoffe wurden in dieser Arbeit auch neue vernetzte Polymere entwickelt. So wurde ein Ethan-1,2-diyl bis(9-methacryloyloxy-10-hydroxy octadecanoate), Ethane-1,2-diyl 9-hydroxy-10-methacryloyloxy-9’-methacryloyloxy10’-hydroxy octadecanoat und Ethane-1,2-diyl bis(9-hydroxy-10-methacryloyloxy octadecanoat) (10) Monomer mit zwei funktionellen Gruppen durch weitere Derivatisierung der Ölsäure synthetisiert, das bisher in der Literatur nicht beschrieben wurde. Ein vernetztes Material Auf Basis dieses biobasierten Monomers wurde durch photoinitiierte, radikalische Polymerisation unter Verwendung von Irgacure® TPO-L oder Ivocerin® als Photoinitiator hergestellt. Darüber hinaus wurden die Materialeigenschaften durch Copolymerisation des 10 mit 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)-butan-2-on (7) oder Methyl-9-(1H-imidazol-1yl)-10-(methacryloyloxy)-octadecanoat /Methyl-9-(methacryloyloxy)-10-(1H-imidazol-1yl)-octadecanoat (4) variiert. Darüber hinaus wurde der Einfluss von Comonomeren mit unterschiedlicher chemischer Struktur auf das Netzwerksystem durch Analyse der mechanischen Eigenschaften, der Glasübergangstemperaturen, der Vernetzungsdichte und des Molekulargewichts zwischen zwei Vernetzungsstellen untersucht. Eine Erhöhung der Glasübergangstemperatur durch die Copolymerisation von 10 mit einem Überschuss von 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)-butan-2-on (7) wurde durch DSC und DMA bestätigt. Andererseits verringerte sich die Vernetzungsdichte aufgrund der Verringerung der mittleren Funktionalität des Systems. Darüber hinaus wurde die Oberflächencharakterisierung durch Kontaktwinkelmessungen unter Verwendung von Lösungsmitteln mit unterschiedlicher Polarität getestet.

Diese Arbeit trägt auch zur Erweiterung der in der Literatur über die kationische Photopolymerisation der epoxidierten Pflanzenöle berichteten Erkenntnisse bei, die, im Gegensatz zu den weit verbreiteten Untersuchungen zur thermischen Härtung der biobasierten Epoxidmonomere nur begrenzt verfügbar sind. Zusätzlich zum 9,10-Epoxystearinsäuremethylester (11) wurde ein neues Monomer Bis-(9,10-epoxystearinsäure)-1,2-ethandiylester (12) auf der Basis von Ölsäure synthetisiert. Diese beiden biobasierten Epoxide wurden durch kationische photoinitiierte Polymerisation in Gegenwart von Bis(t-butyl)-iodonium-tetrakis(perfluor-t-butoxy)aluminat ([Al(O-t-C4F9)4]-) und Isopropylthioxanthon (ITX) als photostimulierendes System polymerisiert. Die Polymerisationskinetik von 9,10-Epoxystearinsäuremethylester (11) und Bis-(9,10-epoxystearinsäure)-1,2-ethandiylester (12) wurde untersucht und mit der Kinetik der kommerziellen Monomere 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3',4'-epoxycyclohexancarboxylat (13), 1,4-Butandioldiglycidylether (14) und Diglycidylether von Bisphenol-A (15) verglichen. Beide biobasierten Epoxide (11 und 12) zeigten eine höhere Umwandlung als  das cycloaliphatische Epoxid (13) und eine geringere als 1,4-Butandioldiglycidylether (14). Weitere Netzwerksysteme wurden durch Copolymerisation von Bis-(9,10-epoxystearinsäure)-1,2-ethandiylester (12) und Diglycidylether von Bisphenol-A (15) in verschiedenen molaren Verhältnissen (1:1; 1:5; 1:9) hergestellt. Es wird angesprochen, dass der endgültige Umsatz sowohl von der Polymerisationsgeschwindigkeit als auch von physikalischen Prozessen wie der Verglasung während der Polymerisation abhängig ist. Darüber hinaus wurde die niedrige Glasübergangstemperatur des Homopolymers aus Bis-(9,10-epoxystearinsäure)-1,2-ethandiylester (12) durch Copolymerisation mit Diglycidylether von Bisphenol-A (15) erfolgreich erhöht. Andererseits zeigt die aus Bis-(9,10-epoxystearinsäure) 1,2-ethan-diylester (12) hergestellte Oberfläche einen hydrophoben Charakter. Eine höhere Konzentration des biobasierten difunktionellen Epoxids (12) in der Copolymerisationsmischung verringert die freie Oberflächenenergie. Die Netzwerksysteme wurden auch unter Einsatz der Gummielastizitätstheorie untersucht. Das vernetzte Polymer, das aus der Mischung von Bis-(9,10-epoxystearinsäure) 1,2-ethan-diylester (12) und Diglycidylether von Bisphenol-A (15) (Molverhältnis=1:5) hergestellt wurde, zeigt ein nahezu ideales Polymernetzwerk.
KW  - Biobased Polymers
KW  - Renewable Resources
KW  - Coating Applications
KW  - Photopolymers
KW  - Photopolymerization
KW  - Biobasierte Polymere
KW  - Beschichtungsanwendung
KW  - Photoinitiierte Polymerisationen
KW  - Photopolymer
KW  - Erneuerbare Ressourcen
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-518684
ER  - 
TY  - THES
A1  - Haubitz, Toni
T1  - Transient absorption spectroscopy
T1  - Transienten Absorptionsspektroskopie
BT  - a versatile tool for investigating excited states in organic and inorganic molecules
BT  - ein vielseitiges Werkzeug zur Untersuchung angeregter Zustände von organischen und anorganischen Molekülen
N2  - The optical properties of chromophores, especially organic dyes and optically active inorganic molecules, are determined by their chemical structures, surrounding media, and excited state behaviors. The classical optical go-to techniques for spectroscopic investigations are absorption and luminescence spectroscopy. While both techniques are powerful and easy to apply spectroscopic methods, the limited time resolution of luminescence spectroscopy and its reliance on luminescent properties can make its application, in certain cases, complex, or even impossible. This can be the case when the investigated molecules do not luminesce anymore due to quenching effects, or when they were never luminescent in the first place. In those cases, transient absorption spectroscopy is an excellent and much more sophisticated technique to investigate such systems. This pump-probe laser-spectroscopic method is excellent for mechanistic investigations of luminescence quenching phenomena and photoreactions. This is due to its extremely high time resolution in the femto- and picosecond ranges, where many intermediate or transient species of a reaction can be identified and their kinetic evolution can be observed. Furthermore, it does not rely on the samples being luminescent, due to the active sample probing after excitation. In this work it is shown, that with transient absorption spectroscopy it was possible to identify the luminescence quenching mechanisms and thus luminescence quantum yield losses of the organic dye classes O4-DBD, S4-DBD, and pyridylanthracenes. Hence, the population of their triplet states could be identified as the competitive mechanism to their luminescence. While the good luminophores O4-DBD showed minor losses, the S4-DBD dye luminescence was almost entirely quenched by this process. However, for pyridylanthracenes, this phenomenon is present in both the protonated and unprotonated forms and moderately effects the luminescence quantum yield. Also, the majority of the quenching losses in the protonated forms are caused by additional non-radiative processes introduced by the protonation of the pyridyl rings. Furthermore, transient absorption spectroscopy can be applied to investigate the quenching mechanisms of uranyl(VI) luminescence by chloride and bromide. The reduction of the halides by excited uranyl(VI) leads to the formation of dihalide radicals X^(·−2). This excited state redox process is thus identified as the quenching mechanism for both halides, and this process, being diffusion-limited, can be suppressed by cryogenically freezing the samples or by observing these interactions in media with a lower dielectric constant, such as ACN and acetone.
N2  - Die optischen Eigenschaften von organischen Farbstoffen und optisch aktiven anorganischen Molekülen werden durch ihre chemische Struktur, ihrer chemischer Umgebung, und durch das Verhalten ihrer angeregten Zustände bestimmt. Die klassischen Methoden zur Untersuchung dieser Eigenschaften sind die Absorptions- und Lumineszenzspektroskopie. Obwohl beide Methoden leistungsfähig und einfach anzuwenden sind, stellen die fehlende Zeitauflösung respektive das benötigte Vorhandensein von Lumineszenz in gewissen Anwendungen ein Problem dar. Dies ist der Fall, wenn die zu untersuchenden Moleküle durch Löscheffekte keine Lumineszenz mehr aufweisen oder von vornherein nicht lumineszent sind.
Unter diesen Umständen ist die Transientenabsorptionsspektroskopie eine exzellente Alternative. Dieses laserspektroskopische Anregungs-Abfrage-Verfahren ist für mechanistische Untersuchungen von Lumineszenz-Löschphänomenen und Photoreaktionen sehr gut geeignet. Aufgrund seiner extrem hohen Zeitauflösung im Femto- und Picosekundenbereich können Intermediate und transiente Spezies identifiziert und deren kinetische Entwicklung beobachtet werden. Da es sich außerdem eine aktive Abfrage des Probenzustands handelt, entfällt die Notwendigkeit von lumineszenten Probeneigenschaften.
In dieser Arbeit konnten mittels Transientenabsorptionsspektroskopie die Lumineszenz-Löschmechanismen der organischen Farbstoffklassen O4-DBD, S4-DBD, und der Pyridylanthracene aufgeklärt werden. Bei all diesen Farbstoffen konnte die Bildung von Triplettzuständen als kompetitiver Mechanismus zur Lumineszenz identifiziert werden. Während bei den O4-DBD-Farbstoffen diese Verluste eher gering ausfallen, wird die Lumineszenz der S4-DBD-Farbstoffe fast vollständig gelöscht. Eine Triplettbildung konnte ebenfalls bei den Pyridylanthracenen beobachtet werden, sie hat jedoch einen eher moderaten Anteil am Löschverhalten der Lumineszenz. Der Hauptteil der Lumineszenz-Löschung der protonierten Pyridylanthracene wird eher durch zusätzliche nicht-strahlende Desaktivierungsprozesse über die Pyridylringe verursacht.
Es konnte gezeigt werden, dass die Transientenabsorptionsspektroskopie für die Untersuchung des Löschverhaltens von Uranyl(VI)-Lumineszenz durch Chlorid und Bromid geeignet ist. Es wurde geschlussfolgert, dass die Reduktion der Halogenide durch angeregtes Uranyl(VI) zur Bildung von Dihalogenidradikalen X^(·−2). führt. Diese Redoxreaktion im angeregten Zustand wurde daher als Lumineszenz-Löschmechanismus für beide Halogenide identifiziert. Dieser diffusionslimitierte Mechanismus wird unter cryogenen Bedingungen oder in schwächeren dielektriktrischen Lösemitteln wie ACN oder Aceton unterdrückt.
KW  - spectroscopy
KW  - luminescence
KW  - dye
KW  - quenching
KW  - uranyl
KW  - DBD
KW  - transient
KW  - Spektroskopie
KW  - Lumineszenz
KW  - Farbstoff
KW  - Löschung
KW  - Uranyl
KW  - DBD
KW  - Transient
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-535092
ER  - 
TY  - THES
A1  - Chandrakanth Shetty, Sunidhi
T1  - Directed chemical communication in artificial eukaryotic cells
T1  - Gezielte chemische Kommunikation in künstlichen eukaryotischen Zellen
N2  - Eukaryotic cells can be regarded as complex microreactors capable of performing various biochemical reactions in parallel which are necessary to sustain life. An essential prerequisite for these complex metabolic reactions to occur is the evolution of lipid membrane-bound organelles enabling compartmental- ization of reactions and biomolecules. This allows for a spatiotemporal control over the metabolic reactions within the cellular system. Intracellular organi- zation arising due to compartmentalization is a key feature of all living cells and has inspired synthetic biologists to engineer such systems with bottom-up approaches.
Artificial cells provide an ideal platform to isolate and study specific re- actions without the interference from the complex network of biomolecules present in biological cells. To mimic the hierarchical architecture of eukaryotic cells, multi-compartment assemblies with nested liposomal structures also re- ferred to as multi-vesicular vesicles (MVVs) have been widely adopted. Most of the previously reported multi-compartment systems adopt bulk method- ologies which suffer from low yield and poor control over size. Microfluidic strategies help circumvent these issues and facilitate a high-throughput and robust technique to assemble MVVs of uniform size distribution.
In this thesis, firstly, the bulk methodologies are explored to build MVVs and implement a synthetic signalling cascade. Next, a polydimethylsiloxane (PDMS)-based microfluidic platform is introduced to build MVVs and the significance of PEGylated lipids for the successful encapsulation of inner com- partments to generate stable multi-compartment systems is highlighted.
Next, a novel two-inlet channel PDMS-based microfluidic device to create MVVs encompassing a three-step enzymatic reaction cascade is presented. A directed reaction pathway comprising of the enzymes α-glucosidase (α-Glc), glucose oxidase (GOx), and horseradish peroxidase (HRP) spanning across three compartments via reconstitution of size-selective membrane proteins is described. Furthermore, owing to the monodispersity of our MVVs due to microfluidic strategies, this platform is employed to study the effect of com- partmentalization on reaction kinetics.
Further integration of cell-free expression module into the MVVs would allow for gene-mediated signal transduction within artificial eukaryotic cells. Therefore, the chemically inducible cell-free expression of a membrane protein alpha-hemolysin and its further reconstitution into liposomes is carried out.
In conclusion, the present thesis aims to build artificial eukaryotic cells to achieve size-selective chemical communication that also show potential for applications as micro reactors and as vehicles for drug delivery.
N2  - Eukaryontische Zellen können als komplexe Mikroreaktoren betrachtet werden, die in der Lage sind, verschiedene biochemische Reaktionen parallel durchzuführen, die für die Aufrechterhaltung des Lebens notwendig sind. Eine wesentliche Voraussetzung für die Durchführung dieser komplexen Stoffwechselreaktionen ist die Entwicklung von Organellen mit Lipidmembranen, die eine Kompartimentierung von Reaktionen und Biomolekülen ermöglichen. Dies ermöglicht eine räumlich-zeitliche Kontrolle über die Stoffwechselreaktionen innerhalb des zellulären Systems. Die durch die Kompartimentierung entstehende intrazelluläre Organisation ist ein Schlüsselmerkmal aller lebenden Zellen und hat synthetische Biologen dazu inspiriert, solche Systeme mit Bottom-up-Ansätzen zu entwickeln.

Künstliche Zellen bieten eine ideale Plattform, um spezifische Reaktionen zu isolieren und zu untersuchen, ohne dass das komplexe Netzwerk von Biomolekülen, das in biologischen Zellen vorhanden ist, stört. Um die hierarchische Architektur eukaryontischer Zellen zu imitieren, haben sich Multikompartiment-Anordnungen mit verschachtelten liposomalen Strukturen, die auch als multivesikuläre Vesikel (MVV) bezeichnet werden, durchgesetzt. Die meisten der bisher vorgestellten Multikompartiment-Systeme basieren auf Bulk-Methoden, die eine geringe Ausbeute und eine schlechte Kontrolle über die Größe aufweisen. Mikrofluidische Strategien helfen, diese Probleme zu umgehen und ermöglichen eine robuste Technik mit hohem Durchsatz, um MVVs mit einheitlicher Größenverteilung herzustellen.

In dieser Dissertation werden zunächst die Bulk-Methoden zum Aufbau von MVVs und zur Implementierung einer synthetischen Signalkaskade untersucht. Anschließend wird eine auf Polydimethylsiloxan (PDMS) basierende mikrofluidische Plattform zur Herstellung von MVVs vorgestellt und die Bedeutung von PEGylierten Lipiden für die erfolgreiche Verkapselung der inneren Kompartimente zur Erzeugung stabiler Multikompartiment-Systeme hervorgehoben.

Es wird ein neuartiges mikrofluidisches Gerät mit zwei Einlasskanälen auf PDMS-Basis zur Herstellung von MVVs vorgestellt, das eine dreistufige enzymatische Reaktionskaskade umfasst. Es wird ein gerichteter Reaktionsweg beschrieben, der die Enzyme α-Glucosidase (α-Glc), Glucoseoxidase (GOx) und Meerrettichperoxidase (HRP) umfasst und sich über drei Kompartimente erstreckt, die durch die Rekonstitution von größenselektiven Membranproteinen entstehen. Aufgrund der Monodispersität unserer MVVs durch mikrofluidische Strategien nutze ich diese Plattform außerdem, um die Auswirkungen der Kompartimentierung auf die Reaktionskinetik zu untersuchen.
Eine weitere Integration von zellfreien Expressionsmodulen in MVVs würde eine genvermittelte Signaltransduktion in künstlichen eukaryotischen Zellen ermöglichen. Daher wird die chemisch induzierbare zellfreie Expression eines Membranproteins alpha-Hämolysin und seine weitere Rekonstitution in Liposomen durchgeführt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorliegende Arbeit darauf abzielt, künstliche eukaryotische Zellen zu bauen, um eine größenselektive chemische Kommunikation zu erreichen, und das Potenzial für Anwendungen als Mikroreaktoren und als Vehikel für die Verabreichung von Medikamenten aufweisen.
KW  - microfluidics
KW  - synthetic biology
KW  - Mikrofluidik
KW  - synthetische Biologie
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-533642
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kluge, Steven
T1  - Integration anorganischer Füllstoffe in Polysulfonmembranen und Auswirkungen auf die Gastransporteigenschaften
T1  - Integration of inorganic fillers in polysulfone membranes and effects on the gas transport properties
N2  - In der vorliegenden Arbeit wird die Herstellung und Charakterisierung von Mixed-Matrix-Membranen (MMM) für die Gastrennung thematisiert. Dazu wurden verschiedene Füllstoffe genutzt, um in Verbindung mit dem Membranmaterial Polysulfon MMMs herzustellen. Als Füllstoffe wurden 3 aktive und 2 passive Füllstoffe verwendet. Die aktiven Füllstoffe besaßen Porenöffnungen, die in der Lage sind Gase in Abhängigkeit der Molekülgröße zu trennen. Daraus folgt ein höherer idealer Trennfaktor für bestimmte Gaspaare als in Polysulfon selbst. Aufgrund der durch die Poren gebildeten permanenten Kanäle in den aktiven Füllstoffen ergibt sich ein schnellerer Gastransport (Permeabilität) als in Polysulfon. Es handelte sich bei den aktiven Füllstoffen um den Zeolith SAPO-34 und 2 Chargen eines Zeolitic Imidazolate Framework (ZIF) ZIF-8. Die beiden Chargen ZIF-8 unterschieden sich in ihrer spezifischen Oberfläche, was diesen Einfluss speziell in die Untersuchungen zum Gastransport einbeziehen sollte. Bei den passiven Füllstoffen handelte es sich um ein aminofunktionalisiertes Kieselgel und unporöse (dichte) Glaskügelchen. Das Kieselgel besaß Poren, die zu groß waren, um Gase effektiv zu trennen. Die Glaskügelchen konnten keine Gastrennung ermöglichen, da sie keine Poren besaßen.
Aus der Literatur ist bekannt, dass die Einbettung von Füllstoffen oft zu Defekten in MMMs führt. Ein Ziel dieser Arbeit war es daher die Einbettung zu optimieren. Weiterhin sollte der Gastransport in MMMs dieser Arbeit mit dem in einer unbeladenen Polysulfonmembran verglichen werden. Aufgrund des selektiveren Trennverhaltens der aktiven Füllstoffe im Vergleich zum Membranmaterial, sollte mit der Einbettung aktiver Füllstoffe die Trennleistung der MMMs mit steigender Füllstoffbeladung immer weiter verbessert werden.
Um die Eigenschaften der MMMs zu untersuchen, wurden diese mittels Rasterelektronenmikroskop (REM), Gaspermeationsmessungen (GP) und Thermogravimetrischer Analyse gekoppelt mit Massenspektrometrie (TGA-MS) charakterisiert.
Untersuchungen am REM konnten eine Verbesserung der Einbettung zeigen, wenn ein polymerer Haftvermittler verwendet wurde. Verglichen wurde die optimierte Einbettung mit der Einbettung ohne Haftvermittler und Ergebnissen aus der Literatur, in der die Verwendung verschiedener Silane als Haftvermittler beschrieben wurde. Trotz der verbesserten Einbettung konnte lediglich bei geringen Beladungen an Füllstoff (10 und 20 Ma-% bezogen auf das Membranmaterial) eine geringe Steigerung des idealen Trennfaktors in den MMMs gegenüber der unbeladenen Polysulfonmembranen beobachtet werden. Bei höheren Füllstoffbeladungen (30, 40 und 50 Ma-%) war ein deutlicher Anstieg der Permeabilität bei stark sinkendem idealen Trennfaktor zu beobachten. Mit Hilfe von TGA-MS Messungen konnte darüber hinaus festgestellt werden, dass der verwendete Zeolith SAPO-34 durch Wassermoleküle blockierte Porenöffnungen besaß. Das verhinderte den Gastransport im Füllstoff, wodurch die Trennleistung des Füllstoffes nicht ausgenutzt werden konnte. Die Füllstoffe ZIF-8 (chargenunabhängig) und aminofunktionalisiertes Kieselgel wiesen keine blockierten Poren auf. Dennoch zeigte sich in diesen MMMs keine Verbesserung der Gastrenn- oder Gastransporteigenschaften. MMMs mit dichten Glaskügelchen als Füllstoff zeigten dasselbe Gastrenn- und Gastransportverhalten, wie alle MMMs mit den zuvor genannten Füllstoffen.
In dieser Arbeit konnte, trotz optimierter Einbettung anorganischer Füllstoffe, für MMMs keine Verbesserung der Gastrenn- oder Gastransporteigenschaften nachgewiesen werden. Vielmehr wurde ein Einfluss der Füllstoffmenge auf die Gastransporteigenschaften in MMMs festgestellt. Die Änderungen der MMMs gegenüber Polysulfon stammen von den Folgen der Einbettung von Füllstoffen in das Matrixpolymer. Durch die Einbettung werden die Eigenschaften des Matrixpolymers ändern, sodass auch der Gastransport beeinflusst wird. Des Weiteren wurde dokumentiert, dass in Abhängigkeit der Füllstoffbeladung die entstehende Membranstruktur beeinflusst wird. Die Beeinflussung war dabei unabhängig von der Füllstoffart. Es wurde eine Korrelation zwischen Füllstoffmenge und veränderter Membranstruktur gefunden.
N2  - The present work deals with the production and characterization of mixed matrix membranes (MMM) for gas separation. Various fillers were used to fabricate MMMs in combination with polysulfone as a membrane material. Three active and two passive fillers were used. Active fillers have pore openings that are able to separate gases depending on the size of the molecule. This results in a higher ideal selectivity for certain gas pairs as Polysulfone can reach. Due to the permanent channels formed by pores in the active fillers, there is also a faster gas transport (permeability) than in the membrane material polysulfone. The active fillers were the zeolite SAPO-34 and two batches of a zeolitic imidazolate framework (ZIF) ZIF-8. The two batches ZIF 8 differed in their specific surface area, which should include this influence especially in the investigations on gas transport. Passive fillers were an amino-functionalized silica and non-porous (dense) glass beads. Silica had pores that are too large to effectively separate gases. The glass beads could not enable gas separation because they did not have pores.
It is known from literature that embedding of fillers often leads to defects in MMMs. One of the aims of this work was therefore to optimize the embedding of fillers. Furthermore, the gas transport of MMMs was compared with that in a polysulfone membrane without fillers. Due to the more selective separation behavior of the active fillers compared to the membrane material, the embedding of active fillers should improve the separation performance of the MMMs with increasing filler loading.
In order to investigate the properties, MMMs were characterized using a scanning electron microscope (SEM), gas permeation measurements (GP) and thermogravimetric analysis coupled with mass spectrometry (TGA-MS).
Investigations with SEM were able to show an improvement of embedding of fillers when a polymeric adhesion promoter was used. The optimized embedding was compared with the embedding without adhesion promoter and results from literature in which the use of various silanes as adhesion promoters was described. Despite the improved embedding, a slight increase in ideal selectivity in the MMMs compared to the polysulfone membranes without fillers could only be observed at low loadings of fillers (10 and 20 Ma-%, based on the membrane material). At higher filler loadings (30, 40 and 50 Ma-%), a clear increase in permeability was observed with a sharp decrease in the ideal selectivity. With the aid of TGA-MS measurements, it was possible to determine that the zeolite SAPO-34 had pore openings blocked by water molecules. This prevented the gas transport in the filler, so that the separating capacity of the filler could not be used. ZIF 8 (batch-independent) and amino-functionalized silica did not show any blocked pores. Nevertheless, there was no improvement in gas separation or gas transport properties in MMMs. MMMs with dense glass beads as filler showed the same gas separation and gas transport behavior as all MMMs with the aforementioned fillers.
In this work, despite the optimized embedding of inorganic fillers for MMMs, no improvement in gas separation or gas transport properties could be demonstrated. Rather, an influence of the amount of filler on the gas transport properties in MMMs was found. The changes in MMMs compared to polysulfone stem from the consequences of embedding fillers in the matrix polymer. The embedding changes the properties of the matrix polymer, so that the gas transport is also influenced. The influence was independent of the type of filler. Furthermore, it was documented that depending on the filler load, the resulting membrane structure is influenced. A correlation between the amount of filler and the altered membrane structure was found.
KW  - Dissertation
KW  - Polysulfon
KW  - Membran
KW  - Gastrennung
KW  - Mixed-Matrix-Membran
KW  - dissertation
KW  - membrane
KW  - mixed-matrix-membrane
KW  - polysulfone
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-532700
ER  - 
TY  - THES
A1  - Altabal, Osamah
T1  - Design and fabrication of geometry-assisted on-demand dosing systems
N2  - The controlled dosage of substances from a device to its environment, such as a tissue or an organ in medical applications or a reactor, room, machinery or ecosystem in technical, should ideally match the requirements of the applications, e.g. in terms of the time point at which the cargo is released. On-demand dosage systems may enable such a desired release pattern, if the device contain suitable features that can translate external signals into a release function. This study is motivated by the opportunities arising from microsystems capable of an on-demand release and the contributions that geometrical design may have in realizing such features. The goals of this work included the design, fabrication, characterization and experimental proof-of-concept of geometry-assisted triggerable dosing effect (a) with a sequential dosing release and (b) in a self-sufficient dosage system.  Structure-function relationships were addressed on the molecular, morphological and, with a particular attention, the device design level, which is on the micrometer scale. Models and/or computational tools were used to screen the parameter space and provide guidance for experiments.
N2  - Die kontrollierte Freisetzung von Substanzen aus einem Device in seine Umgebung, wie ein Gewebe oder Organ in medizinischen Anwendungen oder ein Reaktor, ein Raum, ein Gerät oder ein Ökosystem in technischer Nutzung sollte idealerweise den Anforderungen des Einsatzzweckes entsprechen, beispielsweise hinsichtlich des Zeitpunktes an dem die Freisetzung erfolgt. On-demand Freisetzungssysteme könnten eine derartiges gewünschtes Verhalten zeigen, wenn das System die Befähigung besitzt, externe Signale in eine Freisetzungsfunktion zu überführen. Diese Arbeit greift die Möglichkeiten auf, die sich durch den Einsatz und ein gezieltes Design von mikrostrukturierten Systemen für die Realisierung einer on-demand Freisetzung ergeben könnten. Die Ziele der Arbeit umfassen die Konzeptionierung, Herstellung, Charakterisierung sowie den grundsätzlichen Nachweis durch Stimuli induzierten on-demand Freisetzungsfunktion einerseits in Form eines sequentiellen Freigabeverhaltens und anderseits in Form eines autarken (kontaktfrei ausgelösten) Dosiersystems. Struktur-Eigenschafts-Beziehungen wurden auf molekularer, morphologischer und - mit besonderen Augenmerk - auf der Ebene des Device-Designs untersucht. Modelle und/oder Computer-gestützte Verfahren wurden verwendet um geeignete Materialparameter zu identifizieren und einen Leitfaden für die Experimente bereitzustellen.
KW  - Stress concentration
KW  - Negative Poisson’s ratio
KW  - On-demand release
KW  - Spannungskonzentrationen
KW  - Negatives Poisson-Verhältnis
KW  - On-demand Freisetzung
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-532441
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sand, Patrick
T1  - Übergangsmetallkatalysierte Funktionalisierungsreaktionen an Vinylsulfonylverbindungen
T1  - Transition metal catalysed functionalisation of vinyl sulfonyl compounds
N2  - Innerhalb dieser Arbeit erfolgte die erstmalige systematische Untersuchung von Vinylsulfonsäureethylester (1a), Phenylvinylsulfon (1b), N-Benzyl-N-methylethensulfonamid (1c) in der FUJIWARA-MORITANI Reaktion (alternativ als DHR bezeichnet). Bei dieser übergangsmetallkatalysierten Reaktion erfolgt der Aufbau einer neuen C-C-Bindung unter der doppelten Aktivierung einer C-H-Bindung. Somit kann ein atomökonomischer Aufbau von Molekülen realisiert werden, da keine Beiprodukte in Form von Salzen entstehen. Als aromatischer Reaktant wurden Acetanilide (2) verwendet, damit eine regiospezifische Kupplung durch die katalysatordirigierende Acetamid-Gruppe (CDG) erfolgt. Für die Pd-katalysierte DHR wurde eine umfangreiche Optimierung durchgeführt und anschließend konnten neun verschieden, substituierte 2 mit 1a und sieben verschieden, substituierte 2 mit 1b funktionalisiert werden. Da eine Reaktion mit 1c ausblieb, erfolgte ein Wechsel auf eine Ru-katalysierte Methode für die DHR. Mit dieser Methode konnte 1c mit Acetaniliden funktionalisiert werden und das Spektrum der verwendeten 2, in Form von deaktivierenden Substituenten erweitert werden.
Im Anschluss wurden die sulfalkenylierten Acetanilide in weiterführenden Reaktionen untersucht. Hierfür wurde eine Reaktionssequenz bestehend aus einer DeacetylierungDiazotierung-Kupplungsreaktion verwendet, um die Acetamid-Gruppe in eine Abgangsgruppe zu überführen und danach in einer MATSUDA-HECK Reaktion zu kuppeln. Mit dieser Methode konnten mehrere 1,2-Dialkenylbenzole erhalten werden und die CDG ein weiteres Mal genutzt werden. Neben der Überführung der CDG in eine Abgangsgruppe konnte diese auch in die Synthese verschiedener Heterozyklen integriert werden. Dafür erfolgte zunächst eine 1,3-Zykloaddition durch deprotonierten Tosylmethylisocanid an der elektronenarmen Sulfalkenylgruppe zur Synthese von Pyrrolen. Anschließend erfolgte eine Kupplung der PyrrolFunktion und der CDG durch Zyklokondensation, wodurch Quinoline dargestellt wurden. Durch diese Synthesen konnten Schwefelanaloga des Naturstoffes Marinoquionolin A erhalten werden.
Ein weitere übergangsmetallkatalysierte C-H-Aktivierungsreaktion, die MATSUDA-HECK Reaktion, wurde genutzt, um 1b zu mit verschieden, subtituierten Diazoniumsalzen zu arylieren. Hier konnten zahlreichen Styrenylsulfone erhalten werden. Der erfolgreiche Einsatz der Vinylsulfonylverbindungen in der Kreuzmetathese konnte innerhalb dieser Arbeit nicht erreicht werden. Daher erfolgte die Synthese verschiedener dialkenylierter Sulfonamide. Hierfür wurde die Kettenlänge der Alkenyl-Gruppe am Schwefel zwischen 2-3 und am Stickstoff zwischen 3-4 variiert. Der Einsatz der dialkenylierten Sulfonamide erfolgte in den zuvor untersuchten C-H-Aktivierungsmethoden.
N-Allyl-N-phenylethensulfonamid (3) konnte erfolgreich in der DHR und HECK Reaktion funktionalisiert werden. Hierbei erfolgte eine methodenspezifische Kupplung in Abhängigkeit von der Elektronendichte der entsprechenden Alkenyl-Gruppe. Die DHR führte zur selektiven Arylierung der Vinyl-Gruppe und die HECK Reaktion zur Arylierung an der Allyl-Gruppe. Gemischte Produkte wurden nicht erhalten. Für die weiteren Diolefine wurde komplexe Produktgemische erhalten. Des Weiteren wurden die Diolefine in der Ringschlussmetathese untersucht und die entsprechenden Sultame in sehr guten Ausbeuten erhalten. Die Verwendung der Sultame in der C-H-Aktivierung war erfolglos. Es wird vermutet, dass für diese zweifachsubstituierten Sulfonamide die vorhandenen Reaktionsbedingungen optimiert werden müssen.
Abschließend wurden verschiedene, enantiomerenreine Olefine ausgehend von Levoglucosenon dargestellt. Hierfür wurde Levoglucosenon zunächst mit einem Allyl- und 3-Butenylgrignard Reagenz umgesetzt. Die entsprechenden Produkte wurden in moderaten Ausbeuten erhalten. Eine weitere Methode begann mit der Reduktion von Levoglucosenon zum Levoglucosenol. Dieser Alkohol wurde mit Allylbromid erfolgreich verethert. Neben der Untersuchungen zur Ethersynthese, erfolgte die Veresterung von Levoglucosenol mit verschiedenen Sulfonylchloriden zu den entsprechenden Sulfonsäureestern. Diese Olefine wurden in einer Dominometathesereaktion untersucht. Ausgehend vom Allyllevoglucosenylether erfolgte die Darstellung eines Dihydrofurans.
N2  - Within this work, the first systematic investigation of vinyl sulfonic acid ethyl ester (1a), phenyl vinyl sulfone (1b), N-benzyl-N-methylethene sulfonamide (1c) in the FUJIWARA-MORITANI reaction (alternatively referred to as DHR) was carried out. In this transition metal-catalysed reaction, the formation of a new C-C bond takes place through double activation of a C-H bond. Therefore, an atom-economical construction of molecules can be realised without the formation of by-products in the form of salts. Acetanilides (2) were used as aromatic reactants so that a regiospecific coupling by the catalyst-directing acetamide group (CDG) takes place. An extensive optimisation was carried out for the Pd catalysed DHR and subsequently nine differently substituted 2 could be functionalised with 1a and seven differently substituted 2 with 1b. Since a reaction with 1c failed to occur, a switch was made to a Ru-catalysed method for the DHR. With this method, 1c could be functionalised with acetanilides (2) and the spectrum of the acetanilides (2) used could be expanded to deactivating substituents.
Subsequently, the sulfalkenylated acetanilides were investigated in further reactions. For this purpose, a reaction sequence consisting of a deacetylation-diazotisation-coupling reaction was used to convert the acetamide group into a leaving group and then to couple it in a MATSUDA-HECK reaction. With this method, several 1,2-dialkenylbenzenes could be obtained and the CDG was used one more time. In addition to transferring the CDG into a leaving group, it could also be integrated into the synthesis of various heterocycles. First, a 1,3 cycloaddition was carried out by deprotonated tosylmethylisocanide on the electron-deficient sulfalkenyl group for the synthesis of pyrroles. This was followed by coupling of the pyrrole function and the CDG by cyclocondensation, producing quinolines. Through these syntheses, sulfur analogues of the natural product marinoquionoline A could be obtained.
Another transition metal-catalysed C-H activation reaction, the MATSUDA-HECK reaction, was used to arylate 1b with different subtituted aryldiazonium salts. Numerous styrenyl sulfones were obtained. Vinylsulfonyl compounds could not be used in cross-metathesis reactions within this work. Therefore, the synthesis of different dialkenylated sulfonamides was carried out. For this purpose, the chain length of the alkenyl group was varied between 2-3 at the sulfur atom and 3-4 at the nitrogen atom. The dialkenylated sulfonamides were used in the previously investigated C-H activation methods.
N-allyl-N-phenylethensulfonamide (3) was successfully functionalised using the DHR and HECK reaction. Here, a method-specific coupling took place depending on the electron density of the corresponding alkenyl group. The DHR led to selective arylation at the vinyl group and the HECK reaction to selective arylation at the allyl group. Mixed products were not obtained. For the other diolefins, complex mixtures of products were obtained. Furthermore, the diolefins were investigated in ring closing metathesis reaction and the corresponding sultams were obtained in very good yields. The use of the synthesised sultams in C-H activation was unsuccessful. It is suggested that for these di-substituted sulfonamides the existing reaction conditions need to be optimised.
Finally, various enantiomerically pure olefins were prepared starting from levoglucosenone. For this purpose, levoglucosenone was first reacted with an allyl-Grignard and 3 butenyl-Grignard reagent. The corresponding products were obtained in moderate yields. Another method started with the reduction of levoglucosenone to levoglucosenol. This alcohol was successfully etherified with allyl bromide. In addition to the studies on ether synthesis, the esterification of levoglucosenol with various sulfonyl chlorides to the corresponding sulfonic acid esters was carried out. These olefins were investigated in a domino metathesis reaction. Starting with allyl levoglucosenyl ether, the synthesis of a dihydrofuran was presented.
KW  - Vinylsulfonylverbindungen
KW  - Übergangsmetallkatalyse
KW  - vinyl sulfonyl compounds
KW  - transition metal catalysis
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-536879
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Krause, Andreas
A1  - Sperlich, Eric
A1  - Schmidt, Bernd
T1  - Matsuda-Heck arylation of itaconates
BT  - a versatile approach to heterocycles from a renewable resource
JF  - Organic & biomolecular chemistry : an international journal of synthetic, physical and biomolecular organic chemistry
N2  - Itaconic acid esters and hemiesters undergo Pd-catalyzed coupling reactions with arene diazonium salts in high to excellent yields. The coupling products of ortho-nitro arene diazonium salts can be converted in one or two steps to benzazepine-2-ones.
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1039/d1ob00392e
SN  - 1477-0520
SN  - 1477-0539
VL  - 19
IS  - 19
SP  - 4292
EP  - 4302
PB  - Royal Society of Chemistry
CY  - Cambridge
ER  - 
TY  - THES
A1  - Raju, Rajarshi Roy
T1  - ‘Smart’ Janus emulsions
BT  - preparation, characterization, and application as a template for aerogel preparation
N2  - Emulsions constitute one of the most prominent and continuously evolving research areas in Colloid Chemistry, which involves the preparation of mixtures or dispersions of immiscible components in a continuous medium. Besides conventional oil-in-water or water-in-oil emulsions, other emulsions of complex droplet morphologies have recently attracted significant research interests. Especially Janus emulsions, in which each droplet is comprised of two distinct sub-regions, have shown versatile potential applications. One of their advantages is the possibility of compartmentalization, which enables to play with two different chemistries in a single droplet. Though microfluidic methods are conventionally used to prepare Janus emulsions, their industrial applications are largely hindered by low throughput and extensive instrumentations. Recently, it has been discovered that simply one-pot moderate/high energy emulsification is also capable of developing Janus morphology, although their preparation and stabilization remain rather substantially challenging. This cumulative doctoral thesis focuses on the preparation and characterization of ‘smart’ Janus emulsions, i.e. Janus emulsions with special stimuli-responsive features. One-step moderate/high energy emulsification of olive and silicone oil in an aqueous medium was carried out. Special consideration was devoted to the interfacial tensions among the components to maintain the criteria of forming characteristic droplet architectures, in addition to avoiding multiple emulsion destabilization phenomena like imminent phase separation or even separated droplet formation. A series of investigations were conducted related to the formation of complexes of charged macromolecules and role of them as stabilizers to achieve stable Janus emulsions for a realistic timeframe (more than 3 months). The correlation between the size of the stabilizer particles and the droplet size of emulsion was established. Furthermore, it was observed that Janus emulsion gels with interesting rheological properties can be fabricated in the presence of suitable polyelectrolyte complexes. Janus emulsions that could be influenced by pH, temperature or magnetic field were successfully produced in presence of characteristic stimuli-responsive stabilizers. Afterwards, the effect of these changes was studied by different characterization techniques. The size and morphology could be tuned easily by changing the pH. The incorporation of iron oxide magnetic nanoparticles (synthesized separately by a co-precipitation method) to one component of the Janus emulsion was carried out so that the movement and orientation of the complex droplets in aqueous media could be controlled by an external magnetic field. Additionally, temperature-triggered instantaneous reversible breakdown of Janus droplets was also accomplished. The responses of the Janus droplets by the stimuli were well-documented and explained. Another goal of the present contribution was to exploit this special morphological feature of emulsions as a template for producing porous materials. This was demonstrated by the preparation of ultralight magnetic responsive aerogels, utilizing Janus emulsion gels. The produced aerogels also showed the capacity to separate toxic dye from water. To the best of our knowledge, this is the first example of investigation towards batch scale production of Janus emulsion with such special stimuli-responsive properties by a simple bulk emulsification method.
N2  - Emulsionen bilden eines der bekanntesten und sich ständig weiterentwickelnden Forschungsgebiete in der Kolloidchemie. Dabei werden Gemische oder Dispersionen nicht miteinander mischbarer Komponenten in einem kontinuierlichen Medium hergestellt. Neben den herkömmlichen Öl-in-Wasser- oder Wasser-in-Öl-Emulsionen gewinnen in letzter Zeit andere Emulsionen mit komplexeren Tröpfchenmorphologien zunehmend an Forschungsinteresse. Hier sind vor allem Janus-Emulsionen, zu nennen, die aus zwei nicht mischbaren Ölkomponenten, dispergiert in einem wässerigen Medium, bestehen. Da jedes Tröpfchen aus zwei unterschiedlichen Kompartimenten gebildet wird, besteht hier die Möglichkeit gezielt mit der Chemie der Tröpschenbestandteile zu spielen. Obwohl mikrofluidische Verfahren üblicherweise zur Herstellung von Janus-Emulsionen verwendet werden, finden diese nur begrenzt Anwendung in der Industrie aufgrund des geringen Durchsatzes. Kürzlich wurde entdeckt, dass mit einer einfachen Eintopf-Emulgierung bei mittlerer/hoher Energie auch die Janus-Morphologie erzeugt werden kann. Die Herstellung und Stabilisierung der Emulsionen unter Anwendung dieser Methode bleibt jedoch eine große Herausforderung. Der Fokus dieser kumulativen Doktorarbeit konzentriert sich auf die Herstellung und Charakterisierung von „smarten“ Janus-Emulsionen. Diese sind zum Beispiel Janus-Emulsionen, die auf spezielle Reize/Stimuli reagieren. Eine einstufige Emulgierung mit mittlerer/hoher Energie von Oliven- und Silikonöl wurde im wässrigen Medium durchgeführt. Besonderes Augenmerk wurde auf die Grenzflächenspannungen zwischen den Komponenten gelegt, um die Kriterien für die Bildung charakteristischer Tröpfchenarchitekturen beizubehalten und um mehrfache Emulsionsdestabilisierungsphänomene wie eine Phasentrennung oder sogar eine getrennte Tröpfchenbildung zu vermeiden. Eine Reihe von Untersuchungen bezog sich auf die Bildung von Komplexen geladener Makromoleküle und deren Rolle als Stabilisatoren, um stabile Janus-Emulsionen über einen realistischen Zeitraum (länger als 3 Monate) zu erzielen. Dabei wurde eine Korrelation zwischen der Größe der Komplexe und der Tröpfchengröße festgestellt. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Janus-Emulsionsgele mit interessanten rheologischen Eigenschaften in Gegenwart geeigneter Polyelektrolytkomplexe hergestellt werden können. Temperatur und pH-Wert erwiesen sich als Stimulatoren für ausgewählte polymerstabilisierte Janus Emulsionen. Anschließend wurde die Auswirkung dieser Stimuli durch verschiedene Charakterisierungsmethoden untersucht. Dabei konnten die Größe und die Morphologie durch die Änderung des pH-Wertes eingestellt werden. Durch die Einfügung von magnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln in eine der Komponenten der Janus-Emulsion konnten die Orientierung und die Bewegung der Tröpfchen durch ein externes Magnetfeld gesteuert werden. Zusätzlich konnte ein temperaturabhängiger sofortiger reversibler Zusammenfall von Janus-Tröpfchen gezeigt werden.. Ein weiteres Ziel des vorliegenden Arbeit war es, dieses spezielle morphologische Merkmal von Emulsionen als Vorlage für die Herstellung poröser Materialien zu nutzen. Dies wurde durch die Herstellung von ultraleichten magnetischen Aerogelen unter Verwendung von Janus-Emulsionsgelen demonstriert. Die hergestellten Aerogele zeigten die Fähigkeit toxischen Farbstoff von Wasser abzutrennen. Nach unserem besten Wissen ist dies das erste Beispiel für eine Untersuchung zur Herstellung von Janus-Emulsionen im Chargenmaßstab mit solchen speziellen Reiz/Stimuli responsiven Eigenschaften durch ein einfaches Emulgierungsverfahren.
KW  - janus emulsion
KW  - emulsion
KW  - magnetic nanoparticles
KW  - aerogel
KW  - stimul-responsive
KW  - stimul-responsive emulsion
KW  - pH-responsive
KW  - temperature-responsive
Y1  - 2021
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kopyra, Janina
A1  - Wierzbicka, Paulina
A1  - Tulwin, Adrian
A1  - Thiam, Guillaume
A1  - Bald, Ilko
A1  - Rabilloud, Franck
A1  - Abdoul-Carime, Hassan
T1  - Experimental and theoretical studies of dissociative electron attachment to metabolites oxaloacetic and citric acids
JF  - International Journal of Molecular Sciences (IJMS)
N2  - In this contribution the dissociative electron attachment to metabolites found in aerobic organisms, namely oxaloacetic and citric acids, was studied both experimentally by means of a crossed-beam setup and theoretically through density functional theory calculations. Prominent negative ion resonances from both compounds are observed peaking below 0.5 eV resulting in intense formation of fragment anions associated with a decomposition of the carboxyl groups. In addition, resonances at higher energies (3–9 eV) are observed exclusively from the decomposition of the oxaloacetic acid. These fragments are generated with considerably smaller intensities. The striking findings of our calculations indicate the different mechanism by which the near 0 eV electron is trapped by the precursor molecule to form the transitory negative ion prior to dissociation. For the oxaloacetic acid, the transitory anion arises from the capture of the electron directly into some valence states, while, for the citric acid, dipole- or multipole-bound states mediate the transition into the valence states. What is also of high importance is that both compounds while undergoing DEA reactions generate highly reactive neutral species that can lead to severe cell damage in a biological environment.
KW  - dissociative electron attachment
KW  - negative ions
KW  - oxaloacetic acid
KW  - citric acid
KW  - mass spectrometry
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.3390/ijms22147676
SN  - 1422-0067
VL  - 22
IS  - 14
PB  - MDPI
CY  - Basel
ER  - 
TY  - THES
A1  - Nacak, Selma
T1  - Synthesis and Characterization of Upconversion Nanaparticles for Applications in Life Sciences
Y1  - 2021
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhao, Yuhang
T1  - Synthesis and surface functionalization on plasmonic nanoparticles for optical applications
N2  - This thesis focuses on the synthesis of novel functional materials based on plasmonic nanoparticles. Three systems with targeted surface modification and functionalization have been designed and synthesized, involving modified perylenediimide doped silica-coated silver nanowires, polydopamine or TiO2 coated gold-palladium nanorods and thiolated poly(ethylene glycol) (PEG-SH)/dodecanethiol (DDT) modified silver nanospheres. Their possible applications as plasmonic resonators, chiral sensors as well as photo-catalysts have been studied. In addition, the interaction between silver nanospheres and 2,3,5,6-Tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (F4TCNQ) molecules has also been investigated in detail.
In the first part of the thesis, surface modification on Ag nanowires (NWs) with optimized silica coating through a modified Stöber method has been firstly conducted, employing sodium hydroxide (NaOH) to replace ammonia solution (NH4OH). The coated silver nanowires with a smooth silica shell have been investigated by single-particle dark-field scattering spectroscopy, transmission electron microscopy and electron-energy loss spectroscopy to characterize the morphologies and structural components. The silica-coated silver nanowires can be further functionalized with fluorescent molecules in the silica shell via a facile one-step coating method. The as-synthesized nanowire is further coupled with a gold nanosphere by spin-coating for the application of the sub-diffractional chiral sensor for the first time. The exciton-plasmon-photon interconversion in the system eases the signal detection in the perfectly matched 1D nanostructure and contributes to the high contrast of the subwavelength chiral sensing for the polarized light.
In the second part of the thesis, dumbbell-shaped Au-Pd nanorods coated with a layer of polydopamine (PDA) or titanium dioxide (TiO2) have been constructed. The PDA- and TiO2- coated Au-Pd nanorods show a strong photothermal conversion performance under NIR illumination. Moreover, the catalytic performance of the particles has been investigated using the reduction of 4-nitrophenol (4-NP) as the model reaction. Under light irradiation, the PDA-coated Au-Pd nanorods exhibit a superior catalytic activity by increasing the reaction rate constant of 3 times. The Arrhenius-like behavior of the reaction with similar activation energies in the presence and absence of light irradiation indicates the photoheating effect to be the dominant mechanism of the reaction acceleration. Thus, we attribute the enhanced performance of the catalysis to the strong photothermal effect that is driven by the optical excitation of the gold surface plasmon as well as the synergy with the PDA layer.
In the third part, the kinetic study on the adsorption of 2,3,5,6-Tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquino-dimethane (F4TCNQ) on the surface of Ag nanoparticles (Ag NPs) in chloroform has been reported in detail. Based on the results obtained from the UV-vis-NIR absorption spectroscopy, cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM), scanning nano-beam electron diffraction (NBED) and electron energy loss spectroscopy (EELS), a two-step interaction kinetics has been proposed for the Ag NPs and F4TCNQ molecules. It includes the first step of electron transfer from Ag NPs to F4TCNQ indicated by the ionization of F4TCNQ, and the second step of the formation of Ag-F4TCNQ complex. The whole process has been followed via UV-vis-NIR absorption spectroscopy, which reveals distinct kinetics at two stages: the instantaneous ionization and the long-term complex formation. The kinetics and the influence of the molar ratio of Ag NPs/F4TCNQ molecules on the interaction between Ag NPs and F4TCNQ molecules in the organic solution are reported herein for the first time. Furthermore, the control experiment with silica-coated Ag NPs indicates that the charge transfer at the surface between Ag NPs and F4TCNQ molecules has been prohibited by a silica layer of 18 nm.
KW  - plasmonic nanoparticles
KW  - silica
KW  - polydopamine
KW  - TiO2
KW  - chiral sensing
KW  - catalysis
KW  - surface interaction
Y1  - 2021
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Zühlke, Martin
A1  - Meiling, Till Thomas
A1  - Roder, Phillip
A1  - Riebe, Daniel
A1  - Beitz, Toralf
A1  - Bald, Ilko
A1  - Löhmannsröben, Hans-Gerd
A1  - Janßen, Traute
A1  - Erhard, Marcel
A1  - Repp, Alexander
T1  - Photodynamic inactivation of E. coli bacteria via carbon nanodots
JF  - ACS omega / American Chemical Society
N2  - The increasing development of antibiotic resistance in bacteria has been a major problem for years, both in human and veterinary medicine. Prophylactic measures, such as the use of vaccines, are of great importance in reducing the use of antibiotics in livestock. These vaccines are mainly produced based on formaldehyde inactivation. However, the latter damages the recognition elements of the bacterial proteins and thus could reduce the immune response in the animal. An alternative inactivation method developed in this work is based on gentle photodynamic inactivation using carbon nanodots (CNDs) at excitation wavelengths λex > 290 nm. The photodynamic inactivation was characterized on the nonvirulent laboratory strain Escherichia coli K12 using synthesized CNDs. For a gentle inactivation, the CNDs must be absorbed into the cytoplasm of the E. coli cell. Thus, the inactivation through photoinduced formation of reactive oxygen species only takes place inside the bacterium, which means that the outer membrane is neither damaged nor altered. The loading of the CNDs into E. coli was examined using fluorescence microscopy. Complete loading of the bacterial cells could be achieved in less than 10 min. These studies revealed a reversible uptake process allowing the recovery and reuse of the CNDs after irradiation and before the administration of the vaccine. The success of photodynamic inactivation was verified by viability assays on agar. In a homemade flow photoreactor, the fastest successful irradiation of the bacteria could be carried out in 34 s. Therefore, the photodynamic inactivation based on CNDs is very effective. The membrane integrity of the bacteria after irradiation was verified by slide agglutination and atomic force microscopy. The method developed for the laboratory strain E. coli K12 could then be successfully applied to the important avian pathogens Bordetella avium and Ornithobacterium rhinotracheale to aid the development of novel vaccines.
KW  - Bacteria
KW  - Genetics
KW  - Fluorescence
KW  - Photodynamics
KW  - Irradiation
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1021/acsomega.1c01700
SN  - 2470-1343
VL  - 6
IS  - 37
SP  - 23742
EP  - 23749
PB  - ACS Publications
CY  - Washington, DC
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Dev, Akhil
A1  - Rösler, Alexander
A1  - Schlaad, Helmut
T1  - Limonene as a renewable unsaturated hydrocarbon solvent for living anionic polymerization of β-myrcene
JF  - Polymer chemistry
N2  - The acyclic monoterpene beta-myrcene is polymerized by anionic polymerization at room temperature using sec-butyllithium as the initiator and the cyclic monoterpene DL-limonene as an unsaturated hydrocarbon solvent. The polymerization is a living process and allows production of polymyrcenes with narrow molar mass distribution ((sic) similar to 1.06) and high content of 1,4 units (similar to 90%) as well as block copolymers.
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1039/d1py00570g
SN  - 1759-9954
SN  - 1759-9962
VL  - 12
IS  - 21
SP  - 3084
EP  - 3087
PB  - Royal Society of Chemistry
CY  - Cambridge
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Lüdecke, Nils
A1  - Schlaad, Helmut
T1  - Inspired by mussel adhesive protein
BT  - hydrophilic cationic copoly(2-oxazoline)s carrying catecholic side chains
JF  - Polymer Chemistry
N2  - A set of new functionalized poly(2-oxazoline) homopolymers and copolymers carrying protected catecholic side chains were prepared by microwave-assisted cationic ring-opening (co)polymerization. The copolymerizations of 2-ethyl-2-oxazoline with either 2-(3,4-dimethoxyphenyl)-, 2-(3,4-dimethoxybenzyl)-, or 2-(3,4-dimethoxycinnamyl)-2-oxazoline (comonomer ratio 90 : 10) produced gradient or random copolymers with narrow molar mass distributions. During the copolymerization with the 2-(3,4-dimethoxycinnamyl)-2-oxazoline, however, chain coupling reactions occurred at monomer conversions of >50%, supposedly via Michael-type addition of intermediately formed ketene N,O-acetal end groups to 3,4-dimethoxycinnamyl amide side chains. A poly[(2-ethyl-2-oxazoline)-grad-(2-(3,4-dimethoxyphenyl)-2-oxazoline)] was examplarily subjected to partial demethylation and acidic hydrolysis to give a hydrophilic copolymer carrying both catecholic and cationic units, which is designed as a bioinspired adhesive copolymer mimicking mussel adhesive protein.
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1039/d1py00679g
SN  - 1759-9962
VL  - 12
IS  - 37
SP  - 5310
EP  - 5319
PB  - Royal Society of Chemistry
CY  - Cambridge
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hechenbichler, Michelle
T1  - New thermoresponsive amphiphilic block copolymers with unconventional chemical structure and architecture
T1  - Neue thermoresponsive amphiphile Blockcopolymere mit unkonventioneller chemischer Struktur und Architektur
N2  - Das Aggregationsverhalten von amphiphilen Blockcpoolymeren ist wichtig für zahlreiche Anwendungen, beispielsweise in der Waschmittelindustrie als Verdicker oder in der Pharmazie zur kontrollierten Freisetzung von Wirkstoffen. Wenn einer der Blöcke thermoresponsiv ist, kann das Aggregationsverhalten zusätzlich über die Temperatur gesteuert werden. Während sich die bisherigen Untersuchungen solcher „intelligenten“ Systeme zumeist auf einfache Diblockcopolymere beschränkt haben, wurde in der vorliegenden Arbeit die Komplexität der Polymere und damit die Vielseitigkeit dieser Systeme erhöht. Dazu wurden spezifische Monomere, verschiedene Blocklängen, unterschiedliche Architekturen und zusätzliche funktionelle Gruppen eingeführt. Durch systematische Änderungen wurde das Struktur-Wirkungsverhalten solcher thermoresponsiver amphiphiler Blockcopolymere untersucht. Dabei sind die Blockcopolymere typischerweise aus einem permanent hydrophoben „Sticker“, einem permanent hydrophilen Block sowie einem thermoresponsiven Block, der ein Lower Critical Solution Temperature (LCST) Verhalten zeigt, aufgebaut. Während der permanent hydrophile Block aus N,N Dimethylacrylamid (DMAm) bestand, wurden für den thermoresponsiven Block unterschiedliche Monomere, nämlich N n Propylacrylamid (NPAm), N iso Propylacrylamid (NiPAm), N,N Diethylacrylamid (DEAm), N,N Bis(2 methoxyethyl)acrylamid (bMOEAm), oder N Acryloylpyrrolidin (NAP) mit entsprechend unterschiedlichen LCSTs von 25, 32, 33, 42 und 56 °C verwendet. Die Blockcopolymere wurden mittels aufeinanderfolgender reversibler Additions-Fragmentierungs-Kettenübertragungspolymerisation (RAFT Polymerisation) hergestellt, um Polymere mit linearer, doppelt hydrophober sowie symmetrischer Quasi Miktoarm Architektur zu erhalten. Dabei wurden wohldefinierte Blockgrößen, Endgruppen und enge Molmassenverteilungen (Ɖ ≤ 1.3) erzielt. Für komplexere Architekturen, wie die doppelt thermoresponsive und die nicht symmetrische Quasi Miktoarm Architekturen, wurde RAFT mit Atomtransfer-Radikalpolymerisation (ATRP) oder Single Unit Monomer Insertion (SUMI), kombiniert. Die dabei erhaltenen Blockcopolymere hatten ebenfalls wohldefinierte Blocklängen, allerdings war die Molmassenverteilung generell breiter (Ɖ ≤ 1.8) und Endgruppen gingen zum Teil verloren, da komplexere Syntheseschritte nötig waren.
Das thermoresponsive Verhalten in wässriger Lösung wurde mittels Trübungspunktmessung und Dynamischer Lichtstreuung (DLS) untersucht. Unterhalb der Phasenüberganstemperatur waren die Polymere löslich in Wasser und mizellare Strukturen waren in der DLS sichtbar. Oberhalb der Phasenübergangstemperatur war das Aggregationsverhalten dann stark abhängig von der Architektur und der chemischen Struktur des thermoresponsiven Blocks. Thermoresponsive Blöcke aus PNAP und PbMOEAm mit einer Blocklänge von DPn = 40 zeigten keinen Trübungspunkt (CP) bis hin zu 80 °C, da durch den angebrachten hydrophilen PDMAm Block die bereits hohe LCST der entsprechenden Homopolymere bei den Blockcopolymeren weiter erhöht wurde. Blockcopolymere mit PNiPAm, PDEAm und PNPAm hinggeen zeigten abhängig von der Architektur und Blockgröße unterschiedliche CP’s. Oberhalb der CP’s waren größere Aggregate vor allem für die Blockcopolymere mit PNiPAm und PDEAm sichtbar, wohingegen der Phasenübergang für Blockcopolymere mit PNPAm stark abhängig von der jeweiligen Architektur war und entsprechend kleinere oder größere Aggregate zeigte.
Um das Aggregationsverhalten besser zu verstehen, wurden Fluoreszenzstudien an PDMAm und PNiPAm Homo  und Blockcopolymeren mit linearer Architektur durchgeführt, welche mit komplementären Fluoreszenzfarbstoffen an den entgegengesetzten Kettenenden funktionalisiert wurden. Das thermoresponsive Verhalten wurde dabei sowohl in Wasser als auch in Öl-in-Wasser Mikroemulsion untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass das Blockcopolymer sich, ähnlich wie die anderen hergestellten Architekturen, bei niedrigen Temperaturen wie ein Polymertensid verhält. Dabei bilden die hydrophoben Stickergruppen den Kern und die hydrophilen Arme die Corona der Mizelle. Oberhalb des Phasenübergangs des PNiPAm Blocks verhielten sich die Blockcopolymere allerdings wie assoziative Telechele mit zwei nicht symmetrischen hydrophoben Endgruppen, die sich untereinander nicht mischten. Daher bildeten die Blockcopolymere anstatt aggregierter „Blumen“-Mizellen größere, dynamische Aggregate. Diese sind einerseits über die ursprünglichen Mizellkerne bestehend aus den hydrophoben Sticker als auch über Cluster der kollabierten thermoresponsiven Blöcke miteinander verknüpft. In Mikroemulsion ist diese Art der Netzwerkbildung noch stärker ausgeprägt.
N2  - The self-assembly of amphiphilic polymers in aqueous systems is important for a plethora of applications, in particular in the field of cosmetics and detergents. When introducing thermoresponsive blocks, the aggregation behavior of these polymers can be controlled by changing the temperature. While confined to simple diblock copolymer systems for long, the complexity - and thus the versatility - of such smart systems can be strongly enlarged, once designed monomers, specific block sizes, different architectures, or additional functional groups such as hydrophobic stickers are implemented. In this work, the structure-property relationship of such thermoresponsive amphiphilic block copolymers was investigated by varying their structure systematically. The block copolymers were generally composed of a permanently hydrophobic sticker group, a permanently hydrophilic block, and a thermoresponsive block exhibiting a Lower Critical Solution Temperature (LCST) behavior. While the hydrophilic block consisted of N,N dimethylacrylamide (DMAm), different monomers were used for the thermoresponsive block, such as N n propylacrylamide (NPAm), N iso propylacrylamide (NiPAm), N,N diethylacrylamide (DEAm), N,N bis(2 methoxyethyl)acrylamide (bMOEAm), or N acryloylpyrrolidine (NAP) with different reported LCSTs of 25, 32, 33, 42 and 56 °C, respectively. The block copolymers were synthesized by successive reversible addition fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization. For the polymers with the basic linear, the twinned hydrophobic and the symmetrical quasi miktoarm architectures, the results were well defined block sizes and end groups as well as narrow molar mass distributions (Ɖ ≤ 1.3). More complex architectures, such as the twinned thermoresponsive and the non-symmetrical quasi miktoarm one, were achieved by combining RAFT polymerization with a second technique, namely atom transfer radical polymerization (ATRP) or single unit monomer insertion (SUMI), respectively. The obtained block copolymers showed well defined block sizes, but due to the complexity of these reaction paths, the dispersities were generally higher (Ɖ ≤ 1.8) and some end groups were lost. 
The thermoresponsive behavior of the block copolymers was investigated by turbidimetry and dynamic light scattering (DLS). Below the phase transition temperature, the polymers were soluble in water and small micellar structures were visible. However, above the phase transition temperature, the aggregation behavior was strongly dependent on the architecture and the chemical structure of the thermoresponsive block. Thermoresponsive blocks comprising PNAP and PbMOEAm with DPn = 40 showed no cloud point (CP), since their already high LCSTs were further increased by the attached hydrophilic block. Depending on the architecture as well as on the block size, block copolymers with PNiPAm, PDEAm and PNPAm showed different CP’s. Large aggregates were visible for block copolymers with PNiPAm and PDEAm above their CP. For PNPAm containing block copolymers, the phase transition was very sensitive towards the architecture resulting in either small or large aggregates. 
In addition, fluorescence studies were performed using PDMAm and PNiPAm homo  and block copolymers with linear architecture, functionalized with complementary fluorescence dyes introduced at the opposite chain ends. The thermoresponsive behavior was studied in pure aqueous solution as well as in an oil in water (o/w) microemulsion. The findings indicate that the block copolymer behaves as polymeric surfactant at low temperatures, with one relatively small hydrophobic end group and an extended hydrophilic chain forming ‘hairy micelles’ similar as the other synthesized architectures. Above the phase transition temperature of the PNiPAm block, however, the copolymer behaves as associative telechelic polymer with two non-symmetrical hydrophobic end groups, which do not mix. Thus, instead of a network of bridged ‘flower micelles’, large dynamic aggregates are formed. These are connected alternatingly by the original micellar cores as well as by clusters of the collapsed PNiPAm blocks. This type of bridged micelles is even more favored in the o/w microemulsion than in pure aqueous solution.
KW  - block copolymers
KW  - thermoresponsive
KW  - aggregation
KW  - RAFT polymerization
KW  - RAFT, Polymerisation
KW  - Aggregation
KW  - Blockcopolymer
KW  - thermoresponsiv
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-541822
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schutjajew, Konstantin
T1  - Electrochemical sodium storage in non-graphitizing carbons - insights into mechanisms and synthetic approaches towards high-energy density materials
T1  - Elektrochemische Natriumspeicherung in nicht-graphitisierbaren Kohlenstoffen - Untersuchungen zu Mechanismen und synthetische Ansätze für die Darstellung von Materialien mit hohen Energiedichten
N2  - To achieve a sustainable energy economy, it is necessary to turn back on the combustion of fossil fuels as a means of energy production and switch to renewable sources. However, their temporal availability does not match societal consumption needs, meaning that renewably generated energy must be stored in its main generation times and allocated during peak consumption periods. Electrochemical energy storage (EES) in general is well suited due to its infrastructural independence and scalability. The lithium ion battery (LIB) takes a special place, among EES systems due to its energy density and efficiency, but the scarcity and uneven geological occurrence of minerals and ores vital for many cell components, and hence the high and fluctuating costs will decelerate its further distribution. 
The sodium ion battery (SIB) is a promising successor to LIB technology, as the fundamental setup and cell chemistry is similar in the two systems. Yet, the most widespread negative electrode material in LIBs, graphite, cannot be used in SIBs, as it cannot store sufficient amounts of sodium at reasonable potentials. Hence, another carbon allotrope, non-graphitizing or hard carbon (HC) is used in SIBs. This material consists of turbostratically disordered, curved graphene layers, forming regions of graphitic stacking and zones of deviating layers, so-called internal or closed pores.
The structural features of HC have a substantial impact of the charge-potential curve exhibited by the carbon when it is used as the negative electrode in an SIB. At defects and edges an adsorption-like mechanism of sodium storage is prevalent, causing a sloping voltage curve, ill-suited for the practical application in SIBs, whereas a constant voltage plateau of relatively high capacities is found immediately after the sloping region, which recent research attributed to the deposition of quasimetallic sodium into the closed pores of HC.
Literature on the general mechanism of sodium storage in HCs and especially the role of the closed pore is abundant, but the influence of the pore geometry and chemical nature of the HC on the low-potential sodium deposition is yet in an early stage. Therefore, the scope of this thesis is to investigate these relationships using suitable synthetic and characterization methods. Materials of precisely known morphology, porosity, and chemical structure are prepared in clear distinction to commonly obtained ones and their impact on the sodium storage characteristics is observed. Electrochemical impedance spectroscopy in combination with distribution of relaxation times analysis is further established as a technique to study the sodium storage process, in addition to classical direct current techniques, and an equivalent circuit model is proposed to qualitatively describe the HC sodiation mechanism, based on the recorded data. The obtained knowledge is used to develop a method for the preparation of closed porous and non-porous materials from open porous ones, proving not only the necessity of closed pores for efficient sodium storage, but also providing a method for effective pore closure and hence the increase of the sodium storage capacity and efficiency of carbon materials. 
The insights obtained and methods developed within this work hence not only contribute to the better understanding of the sodium storage mechanism in carbon materials of SIBs, but can also serve as guidance for the design of efficient electrode materials.
N2  - Eine nachhaltige Energiewirtschaft kann nur durch die Abkehr von fossilen Brennstoffen als Energiequellen und den ausschließlichen Einsatz erneuerbarer Quellen für die Energieerzeugung erreicht werden. Da diese jedoch naturgemäß nur diskontinuierlich zur Verfügung stehen und sich die tageszeitliche Verfügbarkeit kaum mit dem Bedarf deckt, muss erneuerbar gewonnene Energie zwischengespeichert werden. Dies kann mittels elektrochemischer Energiespeicher geschehen, wobei sich die Lithium-Ionen-Batterie (LIB) aufgrund ihrer hohen Energiedichte und Effizienz besonders dafür eignet. Da jedoch Ressourcen, welche für entscheidende Zellkomponenten der LIB benötigt werden, knapper werden und oft in geopolitisch komplizierten Regionen vorkommen, muss auch dafür eine Alternative gefunden werden. Die Natrium-Ionen-Batterie (NIB) bietet sich als Nachfolger für LIBs an, da sich die Zellchemie der beiden Systeme ähnelt und somit Kenntnisse direkt aus der LIB-Forschung übernommen werden können. Es erweist sich allerdings als problematisch, dass das kommerziell wichtigste negative Elektrodenmaterial in LIBs, Graphit, nicht für die Anwendung in NIBs eignet und daher eine andere Kohlenstoffmodifikation, sogenannter nicht-graphitisierbarer Kohlenstoff, oder aus dem Englischen hard carbon (HC), verwendet werden muss. HC ist durch eine besondere Art der Fehlordnung geprägt und besteht im Wesentlichen aus Regionen, in denen die Kohlenstoffschichten parallel zueinander verlaufen und aus Regionen, in denen die Schichten innere Hohlräume, sogenannte geschlossene Poren bilden. Die Lade-Entladekurve von HCs ist geprägt von diesen Strukturmerkmalen, sodass sie in einen linear-abflachenden, aus dem Englischen sloping Bereich, und einen Plateaubereich unterteilt werden kann. Die Speicherung im für Energieanwendungen relevanteren Plateaubereich erfolgt durch Abscheidung quasimetallischer Natriumstrukturen in eingangs erwähnten geschlossenen Poren, bei geringen, konstanten Spannungen, wie zahlreiche Forschungsarbeiten unter Berufung auf verschiedene Strukturcharakterisierungsmethoden � uberzeugend nahelegen. Jedoch ist über den Einfluss der Größe und Form der geschlossenen Poren sowie derer chemischer Eigenschaften auf die Natriumspeicherung nur wenig bekannt.
Eben diese Fragestellung soll in der vorliegenden Arbeit behandelt werden. Durch die Herstellung von Materialien mit genau definierter und bekannter Morphologie, Porenstruktur sowie chemischer Beschaffenheit wird die Bedeutung dieser Merkmale für die Natriumabscheidung bei geringen Potentialen beleuchtet. Mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie wird desweiteren der Natriumspeichermechanismus detailliert untersucht und die Kinetik der reversiblen Natriumspeicherung mit der der irreversiblen Metallabscheidung verglichen, wobei eine bemerkenswerte Ähnlichkeit der beiden Prozesse zu beobachten ist. Abschließend ist die gezielte Herstellung geschlossenporiger Materialien aus offenporigen Vorläufermaterialien gelungen, welche es nicht nur ermöglicht, geschlossen- und offenporige Materialien ansonsten gleicher Porenstruktur zu vergleichen und die Notwendigkeit geschlossener Poren nachzuweisen, sondern auch die Speicherkapazität und Effizienz der Elektrodenmaterialien zu erhöhen. Insgesamt tragen die im Rahmen der vorliegenden Dissertation gewonnenen Erkenntisse nicht nur zum tiefergehenden Verständnis des Natriumspeichermechanismus in HCs bei, sondern es werden auch synthetische und analytische Methoden vorgestellt, die der weiteren Forschung auf diesem Gebiet dienen werden.
KW  - sodium-ion batteries
KW  - energy storage
KW  - carbon
KW  - Natrium-Ionen-Akkumulator
KW  - Energiespeicher
KW  - Kohlenstoff
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-541894
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kirchhofer, Tabea
T1  - The development of multi - compartmentalised systems for the directed organisation of artificial cells
N2  - Membrane contact sites are of particular interest in the field of synthetic biology and biophysics. They are involved in a great variety of cellular functions. They form in between two cellular organelles or an organelle and the plasma membrane in order to establish a communication path for molecule transport or signal transmission.  
The development of an artificial membrane system which can mimic membrane contact sites using bottom up synthetic biology was the goal of this research study. For this, a multi - compartmentalised giant unilamellar vesicle (GUV) system was created with the membrane of the outer vesicle mimicking the plasma membrane and the inner GUVs posing as cellular organelles.  
In the following steps, three different strategies were used to achieve an internal membrane - membrane adhesion.
N2  - Viele bedeutende Prozesse einer Zelle spielen sich an den Berührungsstellen zwischen Zellmembranen und auch zwischen Zellmembranen und der Plasmamembran ab. An diesen, aus spezifischen Lipiden und Proteinen aufgebauten Kontaktstellen, können auf Grund der geringen Entfernung Signale und auch Moleküle ausgetauscht werden. 
Ziel dieses Forschungsprojektes war die Entwicklung eines künstlichen Zellmembransystems, das in der Lage ist diese Kontaktstellen nachzubilden. Dafür wurden multikompartmentalisierte riesige unilamellare Vesikel (GUVs) aufgebaut. Dies bedeutet, dass sich ein GUV innerhalb eines anderen GUVs befindet. Das äußere Vesikel bildet in diesem System die Plasma Membran, während das Innere als Zellorganelle fungiert. Dieses System wird auch als Vesosom bezeichnet. Im Folgenden wurden drei verschiedene Strategien entwickelt, um interne Haftung (Adhäsion) zwischen den Membranen zu erzeugen.
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Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-528428
ER  -