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‘Smart’ Janus emulsions
(2021)
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.
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.
"Water-in-salt" (WIS) electrolytes have emerged as an excellent superconcentrated ionic medium for high-power energy storage systems such as supercapacitors due to their extended working potential compared to the conventional dilute aqueous electrolyte. In this work, we have investigated the performance of WIS supercapacitors using hollow carbon nanoplates as electrodes and compared it to that based on the conventional "salt-in-water" electrolytes. Moreover, the potentiostatic electrochemical impedance spectroscopy has been employed to provide an insightful look into the charge transport properties, which also, for the first time, reveals the formation of a solid-electrolyte interphase (SEI and their temperature-dependent impedance for charge transfer and adsorption. Furthermore, the effect of temperature on the electrochemical performance of the WIS supercapacitors in the temperature range from 15 to 60 degrees C has been studied, which presents a gravimetric capacitance of 128 F g(-1) and a volumetric capacitance of 197.12 F cm(-3) at 55 degrees C compared to 87.5 F g(-1) and 134.75 F cm(-3) at 15 degrees C. The in-depth understanding about the formation of SEI layer and the electrochemical performance at different temperatures for WIS supercapacitors will assist the efforts toward designing better aqueous electrolytes for supercapacitors.
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.
The nanoscale combination of a conductive carbon and a carbon-based material with abundant heteroatoms for battery electrodes is a method to overcome the limitation that the latter has high affinity to alkali metal ions but low electronic conductivity. The synthetic protocol and the individual ratios and structures are important aspects influencing the properties of such multifunctional compounds. Their interplay is, herein, investigated by infiltration of a porous ZnO-templated carbon (ZTC) with nitrogen-rich carbon obtained by condensation of hexaazatriphenylene-hexacarbonitrile (HAT-CN) at 550-1000 degrees C. The density of lithiophilic sites can be controlled by HAT-CN content and condensation temperature. Lithium storage properties are significantly improved in comparison with those of the individual compounds and their physical mixtures. Depending on the uniformity of the formed composite, loading ratio and condensation temperature have different influence. Most stable operation at high capacity per used monomer is achieved with a slowly dried composite with an HAT-CN:ZTC mass ratio of 4:1, condensed at 550 degrees C, providing more than 400 mAh g(-1) discharge capacity at 0.1 A g(-1) and a capacity retention of 72% after 100 cycles of operation at 0.5 A g(-1) due to the homogeneity of the composite and high content of lithiophilic sites.
Umbrella inversion of ammonia is a prototypical example of large-amplitude vibrational motion, described with a symmetric double-well potential. The transition state of the latter corresponds to a planar (D-3h) molecular geometry, whereas the two equilibrium configurations are equivalent (C-3v) pyramidal structures, with the nitrogen atom being either 'above' or 'below' the plane of the hydrogen atoms. As commonly understood, inversion motion of ammonia corresponds to the coherent, anharmonic, vibrational motion of the molecule, which shuttles back and forth between the two potential wells; that is, oscillation of the nitrogen atom from one side of the H-3 plane to the other, via coherent tunneling. However, this intuitively appealing view of umbrella inversion results from a reduced description of the dynamics, which includes only the inversion vibrational coordinate and fully neglects all the other molecular degrees of freedom. As such, this textbook picture of inversion motion ignores the fact that the two equilibrium structures of ammonia are superimposable, and can only be distinguished by labelling the identical hydrogen nuclei. A correct description of umbrella inversion, which incorporates nuclear permutations, requires the inclusion of other molecular modes. Indeed, it is well known that the quantum symmetrization postulate engenders entanglement between ammonia's nuclear-spin, inversion, and rotation. Using the explicit expressions of the corresponding zeroth-order eigenstates, we clearly show that the inversion density of any multilevel wavepacket of ammonia, including the case of perfectly aligned molecules, is symmetrically distributed between the two potential wells, at all times. This follows from a rigorous demonstration based on the evaluation of the expectation values of the inversion coordinate or equivalent projection operators. However, provided that these wavepackets involve inversion-rotation levels with opposite parity, the inversion density may exhibit dynamical spatial localization. In the latter case, the space-fixed inversion density or, equivalently, the expectation values of the projections of the inversion coordinate on the space-fixed axes, may oscillate between opposite directions in the space-fixed frame. Nevertheless, in all cases, localization of ammonia in a single potential well is impossible, even partially or transiently. This is equivalent to saying that the nitrogen atom has the same probability (one-half) to be on either side of the H-3 plane, for any wavepacket of the molecule and at all times-a conclusion which is in perfect accord with the principle of the indistinguishability of identical particles (nuclei).
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.
Training OC
(2021)
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.
In diesem Artikel werden die Synthese von Thymolblau als Schülerexperiment und passende Augmented-Reality (AR)-gestützte Lernmaterialien vorgestellt. Zudem wird der Kenntnisstand zur Synthese von Thymolblau sowie dessen pH-abhängige Struktur-Eigenschafts-Beziehung vor dem Hintergrund neuerer Erkenntnisse diskutiert und es wird über Erfahrungen mit dem Einsatz des Experimentes in der schulischen und universitären Praxis und im Rahmen von Fortbildungen berichtet.
Bio-interactive hydrogel formation in situ requires sensory capabilities toward physiologically relevant stimuli. Here, we report on pH-controlled in situ hydrogel formation relying on latent cross-linkers, which transform from pH sensors to reactive molecules. In particular, thiopeptolide/thio-depsipeptides were capable of pH-sensitive thiol-thioester exchange reactions to yield a,co-dithiols, which react with maleimide-functionalized multi-arm polyethylene glycol to polymer networks. Their water solubility and diffusibility qualify thiol/thioester-containing peptide mimetics as sensory precursors to drive in situ localized hydrogel formation with potential applications in tissue regeneration such as treatment of inflamed tissues of the urinary tract.