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Many-electron dynamics in molecules by means of time-dependent configuration interaction methods
(2007)
Hierarchical meso- and macropore architectures by liquid crystalline and polymer colloid templating
(2007)
Dynamic 1H NMR (500 MHz) investigation of aryl-N-(arylsulfonyl)-N-(triphenylphosphoranylidene)imidocarbamates in CDCl3, CD3COCD3, and CD3OD at the temperature range of 183-298 K is reported. The observed free energy barriers (almost 12 kcal mol;1) are attributed to conformational isomerization about the NùS bond and these barriers show very little solvent dependence.
CAMPHOR: A GOOD MODEL FOR ILLUSTRATING NMR TECHNIQUES. The use of Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy to establish the three-dimensional structures of molecules is an important component of modern Chemistry courses. The combination of techniques that can be used for this purpose is conveniently illustrated by their application to the camphor molecule. This paper presents applications of several techniques used in NMR spectral interpretation in an increasing order of complexity. The result of individual experiments is illustrated in order to familiarize the user with the way connectivity through bonds and through space is established from 1D/2D-NMR spectra and molecular stereochemistry is determined from different NMR experiments
The dynamic 1H NMR study of some primary carbamates in the solvents CDCl3 and CD3COCD3 between 183 and 298 K is reported. The free energies of activation, thus obtained (12.4 to 14.3 kcal mol-1), were attributed to the conformational isomerization about the N-C bond. These barriers to rotation show solvent dependence in contrast to the tertiary analogues and are lower in free energy by ca. 2-3 kcal mol-1.
A new synthetic approach to 2,3-dihydro-4H-1,3-thiazine derivatives based upon reductive rearrangement of 1,2- dithiole-3-ylidene thiones has been developed. In turn, the 1,2-dithiole derivatives were prepared by an efficient ring- opening-closing process of 2-alkylidene-4-oxothiazolidines, induced in the presence of Lawesson's reagent by intramolecular non-bonded 1,5-type S...O interactions in the 4-oxothiazolidine precursors.
Multinuclear dynamic NMR spectroscopy of 3,5-bis(trifluoromethylsulfonyl)-1,3,5-oxadiazinane (3) revealed the existence of two conformers with differently oriented CF3 groups with respect to the ring, and two dynamic processes: ring inversion and restricted rotation about the N-S bond. Two transition states connecting the two conformers and corresponding to clockwise and counterclockwise rotations about the N-S bond were found; the calculated activation barriers of about 12 kcal/mol are in excellent agreement with those measured experimentally for the related molecule 1,3,5-tris(trifluoromethylsulfonyl)-1,3,5-triazinane (1). X-ray analysis proved the existence of the symmetric isomer of 3, which is the minor isomer in solutions but the only one in the crystal due to packing effects. The normal Perlin effect (JCHax < JCHeq)observed for 2(6)-CH2 in 3, whereas the reversed Perlin effect was found for the 4-CH2 group in 3 as well as for all CH2 groups in 1 both experimentally and theoretically. The latter effect in compounds 1, 3, and 1- (methylsulfonyl)-3,5-bis(trifluoromethylsulfonyl)-1,3,5-triazinane (2) can be considered as a genuine reverse Perlin effect since larger values of 1JCH are observed for longer C-H bonds.
The conformations of N-benzylideneani lines p-X-C6H4-CH=N-C6H4 p-Y (X, Y = NO2, CN, CF3, F, Cl, Br, H, Me, OMe, NMe2) have been studied by B3LYP density functional (DFT) hybrid method in combination with the 6-31G* or 6-311G* split valence basis set. The twist of the plane of the aniline ring with respect to the other part of the molecule (tau(2)) is systematically controlled by substituents X and Y, the effect of Y being larger. The value of the dihedral angle tau(2), correlates nicely with equation tau(2) = rho(F)(Y)(x)sigma(F)(Y)+rho(+R)(Y)(x)sigma(+)(R)(Y) + k(x) or tau(2) = rho(F)(X)(y)sigma(F)(X)+rho(-)(R)(X)(y)sigma(+)(R)(X) + k(y), respectively, when aniline or benzylidene substituent is varied. ED substituents X diminish the sensitivity of tau(2) to the aniline substituent Y[rho(F)(Y)(x) and rho(+)(R)(Y)(x)] while ED substituents Y increase the sensitivity Of T2 to the benzylidene substituent X[rho(F)(X)(y) and rho(+)(R)(X)(y)]. There seems to be two competitive conjugative interactions for the aniline ring n electrons: one with the nitrogen lone pair and one with the C=N unit. Substituents X and Y adjust the extent of these interactions and therefore the conformation of the molecule. A good correlation is observed between the dihedral angle tau(2) and the experimental C-13 NMR chemical shift of the C=N carbon of N-benzylideneanilines in CDCl3 (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.
The trithiocarbonate 2-(benzylsulfanylthiocarbonylsulfanyl) propanoic acid is formed as minor by-product in the synthesis of the dithioester 2-((2-phenylthioacetyl)sulfanyl) propanoic acid via the Grignard route. The mechanism for this side reaction is not clear. The isolated trithiocarbonate may act as unsymmetrical but bifunctional RAFT agent in the aqueous polymerization of N,N-dimethyl acrylamide. Therefore, it is important to separate it completely from the dithioester before engaging the latter in controlled free radical polymerization to guarantee a maximum control.
Phototropic microalgae have a large potential for producing valuable substances for the feed, food, cosmetics, pigment, bioremediation, and pharmacy industries as well as for biotechnological processes. Today it is estimated that the microalgal aquaculture worldwide production is 5000 tons of dry matter per year (not taking into account processed products) making it an approximately $1.25 billion U.S. per year industry. In this work, several spectroscopic techniques were utilized for the investigation of microalgae cells. Specifically, photondensity wave spectroscopy was applied as a technique for the on-line observation of the culture. For effective evaluation of the photosynthetic growth processes, fast and non-invasive sensor systems that analyze the relevant biological and technical process parameters are preferred. Traditionally, the biomass in a photobioreactor is quantified with the help of turbidimetry measurements, which require extensive calibration. Another problem frequently encountered when using spectral analysis for investigating solutions is that samples of interest are often undiluted and highly scattering and do not adhere to Beer-Lambert's law. Due to the fluorescence properties of chlorophyll, fluorescence spectroscopy techniques including fluorescence lifetime imaging and single photon counting could be applied to provide images of the cells as well as determine the effects of excitation intensity on the fluorescence lifetime, which is an indicator of the condition of the cell. A photon density wave is a sinusoidally intensity-modulated optical wave stemming from a point-source of light, which propagates through diffuse medium and exhibits amplitude and phase variations. Light propagation though strongly scattering media can be described by the P1 approximation to the Boltzmann transport equation. Photon density wave spectroscopy enables the ability to differentiate between scattered and absorbed light, which is desired so that an independent determination of the reduced scattering and absorption coefficients can be made. The absorption coefficient is related to the pigment content in the cells, and the reduced scattering coefficient can be used to characterize physical and morphological properties of the medium and was here applied for the determination of the average cell size.
Zur selektiven Entfernung von Schwermetallen aus industriellen Abwässern und Prozesslösungen der metallverarbeitenden Industrie werden synthetische metallkomplexierende funktionelle Polymere – mit Iminodiessigsäure (IDE) als aktive Spezies – seit Jahren erfolgreich zur Eliminierung störender Kationen eingesetzt. Ständig steigende Anforderungen an die Qualität der aufzubereitenden Wässer verlangen nach leistungsfähigen Selektivaustauschern, die den Erhalt der Eigenschaften von Prozesslösungen (z. B. pH-Wert, Salzgehalt) ermöglichen. Ziel der Untersuchungen war es, die strukturellen Matrixeinflüsse auf Beladung, Kapazität, Selektivität und Kinetik durch Variation der Matrix und der experimentellen Bedingungen näher zu untersuchen. Auf Basis einer monodispersen Erstsubstitution eines Styren-Divinylbenzen-Copolymerisates wurde durch gezielten Einbau funktioneller Gruppen – Synthese mit differenziertem Substitutionsgrad (TK/N 1-2) – versucht, systematisch den Einfluss des Substitutionsgrades der Matrix auf die Eigenschaften der Ionenaustauscher zu analysieren. Methodisch geordnet wurden zunächst die Versuche nach dem Batch- und anschließend nach dem Säulenverfahren durchgeführt und parallel dazu die Matrix charakterisiert. Das Verhalten der funktionellen Ankergruppen in Abhängigkeit vom pH-Wert der Lösung (pH-Bereich 2 - 5) wurde untersucht, der optimale Anreicherungs-pH-Wert, die maximale Beladung (Kapazität) und Selektivität der unterschiedlich substituierten Proben für die Schwermetall-Ionen Cu, Zn, Ni, Cd, Pb und Co ermittelt. Den statischen Versuchen folgten dynamische Untersuchungen im Säulenverfahren. Ziel war die Ermittlung des Durchbruchverhaltens und der Durchbruchkapazität bei optimalem pH-Wert in Abhängigkeit vom Substitutionsgrad gegenüber den Einzelmetallionen (Cu, Ni, Zn) und ausgewählten Paaren (Cu/Ni, Cu/Zn, Ni/Zn). Alle Ionenaustauscher wurden ausschließlich in der Ca-Form eingesetzt.
First studies of electron transfer in [N]phenylenes were performed in bimolecular quenching reactions of angular [3]- and triangular [4]phenylene with various electron acceptors. The relation between the quenching rate constants kq and the free energy change of the electron transfer (ΔG0CS ) could be described by the Rehm-Weller equation. From the experimental results, a reorganization energy λ of 0.7 eV was derived. Intramolecular electron transfer reactions were studied in an [N]phenylene bichomophore and a corresponding reference compound. Fluorescence lifetime and quantum yield of the bichromophor display a characteristic dependence on the solvent polarity, whereas the corresponding values of the reference compound remain constant. From the results, a nearly isoenergonic ΔG0CS can be determined. As the triplet quantum yield is nearly independent of the polarity, charge recombination leads to the population of the triplet state.
We have investigated the influence of dimensionality on the excitation-transfer dynamics in a conjugated polymer blend. Using time-resolved photoluminescence spectroscopy, we have measured the transfer transients for both a three-dimensional blend film and for quasi-two-dimensional monolayers formed through intercalation of the polymer blend between the crystal planes of an inorganic SnS2 matrix. We compare the experimental data with a simple, dimensionality- dependent model based on electronic coupling between electronic transition moments taken to be point dipoles. Within this approximation, the energy-transfer dynamics is found to adopt a three-dimensional character in the solid film and a two-dimensional nature in the monolayers present in the SnS2-polymer nanocomposite.
In ihrer Vorlesung zeigt Sabine Beuermann, unter welchen Bedingungen Kohlendioxid als Reaktionsmedium für die Herstellung von polymeren Materialien genutzt werden kann. Fluides Kohlendioxid ist ein attraktives Reaktionsmedium, da es ungiftig und nicht brennbar ist. Zudem leistet es einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung nachhaltiger chemischer Prozesse, da durch den Einsatz von Kohlendioxid die Verwendung von organischen Lösungsmitteln vermieden werden kann.
First studies of electron transfer in [N]phenylenes were performed in bimolecular quenching reactions of angular [3]- and triangular [4]phenylene with various electron acceptors. The relation between the quenching rate constants k(q) and the free energy change of the electron transfer (Delta G(CS)(0)) could be described by the Rehm- Weller equation. From the experimental results, a reorganization energy lambda of 0.7 eV was derived. Intramolecular electron transfer reactions were studied in an [N]phenylene bichomophore and a corresponding reference compound. Fluorescence lifetime and quantum yield of the bichromophor display a characteristic dependence on the solvent polarity, whereas the corresponding values of the reference compound remain constant. From the results, a nearly isoenergonic charge separation process can be determined. As the triplet quantum yield is nearly independent of the polarity, charge recombination leads to the population of the triplet state.
An investigation of the conformational landscape of 1,3-dithian-2-yl bearing porphyrins and the rotational behavior of the dithianyl substituents in meso position was carried out by variable-temperature (VT) NMR spectroscopy. Additionally, theoretical results for alternative conformations and energy barriers were obtained by molecular modeling. The study revealed different NH trans tautomers with regard to the orientation of the dithianyl ligands for the free base porphyrins 1-3. Relatively ruffled porphyrin core conformations were established for the transition states of the dithianyl rotation, resulting in a lower rotational energy barrier for the nickel(II) complex 4 compared to that of the free base systems. The data obtained and the first depiction of a rotational transition state for the rotation of bulky meso-alkyl substituents illustrate the close structural interplay between meso-alkyl substituents and the macrocycle conformation in porphyrins.
The title compound, bis(5-methylthio-1,2-dithiole-3-thione)-disulfide, was yielded for the first time as by- product of the reaction of nickel(II) and cobalt(II) ions with 5-methylthio-1,2-dithiole-3-thione-4-thiolate. The compound can be obtained directly by oxidation of the ammonium salt of the ligand. C8H6S10 forms three polymorphs: (I), which crystallizes in the orthorhombic space group P212121, (II) and (III), which crystallize in the monoclinic space groups P21/c and P21/n, respectively. The crystal and molecular structures are presented here. The determination of the absolute configuration of (I) indicated the P-helical enantiomer. In contrast to this, the crystals of (II) und (III) are racemic, containing P- and M-helical enantiomers. The polymorphs differ in the kind of skewing around the disulfide bond and of the positions of the both dithiole rings to the S-S-moiety
Through space NMR shieldings of aromatic (benzene, mono-substituted and annelated benzenes, ferrocene, [14]- and [18]-annulenes, phenylenes and tetra- to heptahelicene) and anti-aromatic molecules (cyclobutadiene and pentalene) were assessed by ab initio molecular-orbital calculations. Employing the nucleus-independent chemical shifts (NICS) concept, these through space NMR shieldings were visualized as iso-chemical-shielding surfaces (ICSSs) and can be applied quantitatively to determine the stereochemistry of proximal nuclei. In addition, the distances in Å at ICSS values of ±0.1 ppm in-plane and perpendicular-to-center of the aromatic ring system were employed as a simple means to compare and estimate qualitatively the aromaticity of the systems at hand.
Mono- and trans-1,4-dialkoxy substituted cyclohexanes (alkyl=Me, Et, i-Pr, t-Bu) were prepared using the solvomercuration-demercuration (SM-DM) procedure. The axialaxial and axial,axialequatorial, equatorial conformational equilibria of the products were studied by low temperature 1H and 13C NMR spectroscopy in CD2Cl2. The structures and relative energies of the participating conformers were calculated at both the B3LYP (6-311G*//6-311+G*) and MP2 (6-311+G*//6-311G*) levels of theory. In the case of DFT, good correlations of ;Gocalcd versus ;Goexptl were obtained. Both the structures and the energy differences of the conformers have been discussed with respect to established models of conformational analysis, viz. steric and hyperconjugative interactions. In addition, 1JH,C coupling constants were considered with respect to the hyperconjugation present.
Heterochitooligosaccharides possess interesting biol. properties. Isobaric mixts. of such linear heterochitooligosaccharides can be obtained by chem. or enzymic degrdn. of chitosan. However, the sepn. of such mixts. is a challenging anal. problem which is so far unresolved. It is shown that these isobaric mixts. can be sequenced and quantified simultaneously using std. derivatization and multistage tandem mass spectrometric techniques. A linear ion trap mass spectrometer equipped with a vacuum matrix-assisted laser desorption ionization (vMALDI) source is used to perform MS2 as well as MS3 expts. [on SciFinder (R)].
Both the stoichiometry and complex stability constants of crown ether complexes with metal ions have been determined by examining gradual changes in their diffusional behavior in nonaqueous solution. Diffusion coefficients, D, were evaluated by pulsed field gradient (PFG) NMR titration experiments whilst complex stability constants were determined by nonlinear curve-fitting procedures, D versus csol., which also allow the treatment of multiple complexation equilibria (1:1 to 1:2 stoichiometries). Differences in the diffusion coefficients of the various free crown ethers with respect to their metal ion complexes indicate great sensitivity to both conformational changes and changes in molecular size upon complexation.
Characterisation of silica in Equisetum hyemale and its transformation into biomorphous ceramics
(2007)
Equisetum spp. (horsetail / “Schachtelhalm”) is the only surviving genus of the primitive Sphenopsids vascular plants which reached their zenith during the Carboniferous era. It is an herbaceous plant and is distinguished by jointed stems with fused whorl of nodal leaves. The plant has been used for scouring kitchen utensils and polishing wood during the past time due to its high silica encrustations in the epidermis. Equisetum hyemale (scouring rush) can accumulate silica up to 16% dry weight in its tissue, which makes this plant an interesting candidate as a renewable resource of silica for the synthesis of biomorphous ceramics. The thesis comprises a comprehensive experimental study of silica accumulations in E.hyemale using different characterisation techniques at all hierarchical levels. The obtained results shed light on the local distribution, chemical form, crystallinity, and nanostructure of biogenic silica in E.hyemale which were quite unclear until now. Furthermore, isolation of biogenic silica from E.hyemale to obtain high grade mesoporous silica with high purity is investigated. Finally, syntheses of silicon carbide (b-SiC) by a direct thermoconversion process of E.hyemale is attempted, which is a promising material for high performance ceramics. It is found that silica is deposited continuously on the entire epidermal layer with the highest concentration on the knobs. The highest silicon content is at the knob tips (≈ 33%), followed by epidermal flank (≈ 17%), and inner lower knob (≈ 6%), whereas there is almost no silicon found in the interior parts. Raman spectroscopy reveals the presence of at least two silica modifications in E.hyemale. The first type is pure hydrated amorphous silica restricted to the knob tips. The second type is accumulated on the entire continuous outer layer adjacent to the epidermis cell walls. It is lacking silanol groups and is intimately associated with polysaccharides (cellulose, hemicellulose, pectin) and inorganic compounds. Silica deposited in E.hyemale is found to be mostly amorphous with almost negligible amounts of crystalline silica in the form of a-quartz (< 7%). The silica primary particles have a plate-like shape with a thickness of about 2 nm. Pure mesoporous amorphous silica with an open surface area up to 400 m2/g can be obtained from E.hyemale after leaching the plant with HCl to remove the inorganic impurities followed by a calcination treatment. The optimum calcination temperature appears to be around 500°C. Calcination of untreated E.hyemale causes a collapse of the biogenic silica structure which is mainly attributed to the detrimental action of alkali ions present in the native plant. Finally, pure b-SiC with a surface area of about 12 m2/g is obtained upon direct pyrolysis of HCl-treated E.hyemale samples in argon atmosphere. The original structure of native E.hyemale is substantially retained in the biomorphous b-SiC. The results of this thesis lead to a better understanding of the silicification process and allow to draw conclusions about the role of silica in E.hyemale. In particular, a templating role of the plant biopolymers for the synthesis of the nanostructured silica within the plant body can be deduced. Moreover, the high grade ultrafine amorphous silica isolated from E.hyemale promises applications as adsorbent and catalyst support and as silica source for the fabrication of silica-based composites. The synthesis of biomorphous b-SiC from sustainable and low-cost E.hyemale is still in its initial stage. The present thesis demonstrates the principal possibility of carbothermal synthesis of SiC from E.hyemale with the prospect of potential applications, for instance as refractory materials, catalyst supports, or high performance advanced ceramics.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese monodisperser, multifunktionaler Poly(amidoamine) (PAAs). Die Klasse der PAAs ist besonders interessant für eine Anwendung im Bereich der Biomedizin, da sie meist nicht toxisch ist, eine sehr geringe Immunogenizität zeigt und eine erhöhte Zellmembranpermeabilität besitzt. Allerdings ist der Einsatz linearer PAAs bisher limitiert, da ihre Synthese nur den Zugang von hoch-polydispersen Systemen mit einer streng alternierenden oder statistischen Verteilung von Funktionalitäten erlaubt. Es ist daher von großem Interesse diese Polymerklasse durch die Möglichkeit eines sequenzdefinierten Aufbaus und der Integration von neuen Funktionalitäten zu verbessern. Um dies zu ermöglichen, wurden, vergleichbar mit der etablierten Festphasensynthese von Peptiden, schrittweise funktionale Disäure- und Diamin-Bausteine an ein polymeres Träger-Harz addiert. Der sequenzielle Aufbau ermöglicht die Synthese monodisperser PAAs und die Kontrolle über die Monomersequenz. Die Wahl der Monomer-Bausteine und ihrer Funktionalitäten kann dabei für jede Addition neu getroffen werden und entscheidet so über die Sequenz der Funktionalitäten im Polymerrückgrat. Die verwendete Chemie entspricht dabei der Standardpeptidchemie, so dass mit Hilfe eines Peptidsynthese-Automaten die Synthese vollständig automatisiert werden konnte. Die Verwendung spezieller Trägerharze, die bereits mit einem synthetischen Polymerblock wie PEO oder auch mit einem Peptid vorbeladen waren, erlaubt die direkte Synthese von PEO- und Peptid-PAA Blockcopolymeren. Da die hier dargestellten PAAs später auf ihre Eignung als multivalente Polykationen in der Gentherapie getestet werden sollten, wurden zunächst Bausteine gewählt, die den Einbau verschiedener Aminfunktionalitäten ermöglichen. Die Bausteine müssen dabei so gewählt sein, dass sie kompatibel sind mit der Chemie des Peptidsynthesizers und eine quantitative Addition ohne Neben- oder Abbruchreaktionen garantieren. Darüber hinaus ist der Einbau von Peptidsequenzen und Disulfid-Einheiten in die PAA-Kette möglich, die z. B. für einen selektiven Abbau des Polymers im Organismus genutzt werden können. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die in dieser Arbeit vorgestellten PAA-Systeme großes Potenzial als nicht-virale Vektoren für die Gentransfektion bieten. Sie sind nicht toxisch und zeigen Zellaufnahme-Effizienzen von bis zu 77%. Die Gentransfereffizienz ist im Vergleich zu etablierten Polymer-Vektoren zwar noch sehr gering, aber die bisherigen Versuche zeigen bereits eine mögliche Ursache, nämlich die schlechte Freisetzung des Genmaterials innerhalb der Zelle. Eine Lösung dieses Problems bietet jedoch die weitere Modifizierung der PAA-Systeme durch den Einbau von Sollbruchstellen. Diese Sollbruchstellen ermöglichen einen programmierten Abbau des Polymers innerhalb der Zelle und damit sollte die Freisetzung des Genmaterials vom Träger deutlich erleichtert werden. Mögliche Bruchstellen sind z. B. enzymatisch gezielt spaltbare Peptideinheiten oder Disulfid-Einheiten, wie sie bereits als Bausteine für die PAA-Synthese vorgestellt wurden (vergl. Kapitel 4.4). Da nur innerhalb der Zelle ein reduzierendes elektrochemisches Potential besteht, werden z. B. Disulfid-Einheiten auch nur dort gespalten und bieten außerhalb der Zelle ausreichende Stabilität zum Erhalt der Polyplexstruktur. Neben einer Anwendung in der Gentherapie bieten die hier vorgestellten PAA-Systeme den Vorteil einer systematischen Untersuchung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der Polyplexe. Es wurden verschiedene Zusammenhänge zwischen der chemischen Struktur der PAA-Segmente und der Art und Stärke der DNS-Komprimierung aufgezeigt. Die Komprimierungsstärke wiederum zeigte deutlichen Einfluss auf die Internalisierungsrate und damit auch Transfektionseffizienz. Darüber hinaus zeigte sich ein drastischer Einfluss des PEO-Blocks auf die Stabilisierung der Polyplexe sowie deren intrazelluläre Freisetzung bei Zusatz von Chloroquin. Dennoch bleiben aufgrund der Komplexität der Zusammenhänge noch viele Mechanismen der Transfektion unverstanden, und es muss Aufgabe folgender Arbeiten sein, das Potential der hier eingeführten monodispersen PAA-Systeme weiter auszuloten. So wäre z. B. eine Korrelation der Kettenlänge mit den Parametern der Polyplexbildung, der Zellaufnahme und Transfektionseffizienz von großem Interesse. Darüber hinaus bietet der Einbau von Sollbruchstellen wie kurzen Peptidsequenzen oder den hier bereits eingeführten Disulfid-Einheiten neue Möglichkeiten der gezielten Freisetzung und des programmierten Abbaus, die näher untersucht werden müssen. Neben der Anwendung im Bereich der Gentransfektion sind außerdem andere Gebiete für den Einsatz von monodispersen multifunktionalen PAAs denkbar, da diese kontrollierbare und einstellbare Wechselwirkungen ermöglichen.
Die Arbeit beschreibt die Synthese, Charakterisierung und Anwendung von meso- und mikroporösen Hochleistungspolymeren. Im ersten Teil wird die Synthese von mesoporösen Polybenzimidazol (PBI) auf der Basis einer Templatierungsmethode vorgestellt. Auf der Grundlage kommerzieller Monomere und Silikatnanopartikel sowie eines neuen Vernetzers wurde ein Polymer-Silikat-Hybridmaterial aufgebaut. Das Herauslösen des Silikats mit Ammoniumhydrogendifluorid führt zu mesoporösen Polybenzimidazolen mit spherischen Poren von 9 bis 11 nm Durchmesser. Die Abhängigkeit der beobachteten Porosität vom Massenverhältnis Silikat zu Polymer wurde ebenso untersucht wie die Abhängigkeit der Porosität vom Vernetzergehalt. Die Porosität vollvernetzter Proben zeigt eine lineare Abhängigkeit vom Verhältnis Silikat zu Polymer bis zu einem Grenzwert von 1. Wird der Grenzwert überschritten, ist teilweiser Porenkollaps zu beobachten. Die Abhängigkeit der Porosität vom Vernetzergehalt bei festem Silikatgehalt ist nichtlinear. Oberhalb einer kritischen Vernetzerkonzentration wird eine komplette Replikation der Nanopartikel gefunden. Ist die Vernetzerkonzentration dagegen kleiner als der kritische Wert, so ist der völlige Kollaps einiger Poren bei Stabilität der verbleibenden Poren zu beobachten. Ein komplett unporöses PBI resultiert bei Abwesenheit des Vernetzers. Die mesoporösen PBI-Netzwerke konnten kontrolliert mit Phosphorsäure beladen werden. Die erhaltenen Addukte wurden auf ihre Protonenleitfähigkeit untersucht. Es kann gezeigt werden, dass die Nutzung der vordefinierten Morphologie im Vergleich zu einem unstrukturierten PBI in höheren Leitfähigkeiten resultiert. Durch die vernetzte Struktur war des Weiteren genügend mechanische Stabilität gegeben, um die Addukte reversibel und bei sehr guten Leitfähigkeiten bis zu Temperaturen von 190°C bei 0% relativer Feuchtigkeit zu untersuchen. Dies ist für unstrukturierte Phosphorsäure/PBI - Addukte aus linearem PBI nicht möglich. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Synthese intrinsisch mikroporöser Polyamide und Polyimide vorgestellt. Das Konzept intrinsisch mikroporöser Polymere konnte damit auf weitere Polymerklassen ausgeweitet werden. Als zentrales, strukturinduzierendes Motiv wurde 9,9'-Spirobifluoren gewählt. Dieses Molekül ist leicht und vielfältig zu di- bzw. tetrafunktionellen Monomeren modifizierbar. Dabei wurden bestehende Synthesevorschriften modifiziert bzw. neue Vorschriften entwickelt. Ein erster Schwerpunkt innerhalb des Kapitels lag in der Synthese und Charakterisierung von löslichen, intrinsisch mikroporösen, aromatischen Polyamid und Polyimid. Es konnte gezeigt werden, dass das Beobachten von Mikroporosität stark von der molekularen Architektur und der Verarbeitung der Polymere abhängig ist. Die Charakterisierung der Porosität erfolgte unter Nutzung von Stickstoffsorption, Kleinwinkelröntgenstreuung und Molecular Modeling. Es konnte gezeigt werden, dass die Proben stark vom Umgebungsdruck abhängigen Deformationen unterliegen. Die starke Quellung der Proben während des Sorptionsvorgangs konnte durch Anwendung des "dual sorption" Modells, also dem Auftreten von Porenfüllung und dadurch induzierter Henry-Sorption, erklärt werden. Der zweite Schwerpunkt des Kapitels beschreibt die Synthese und Charakterisierung mikroporöser Polyamid- und Polyimidnetzwerke. Während Polyimidnetzwerke auf Spirobifluorenbasis ausgeprägte Mikroporosität und spezifische Oberflächen von ca. 1100 m²/g aufwiesen, war die Situation für entsprechende Polyamidnetzwerke abweichend. Mittels Stickstoffsorption konnte keine Mikroporosität nachgewiesen werden, jedoch konnte mittels SAXS eine innere Grenzfläche von ca. 300 m²/g nachgewiesen werden. Durch die in dieser Arbeit gezeigten Experimente kann die Grenze zwischen Polymeren mit hohem freien Volumen und mikroporösen Polymeren somit etwas genauer gezogen werden. ausgeprägte Mikroporosität kann nur in extrem steifen Strukturen nachgewiesen werden. Die Kombination der Konzepte "Mesoporosität durch Templatierung" und "Mikroporosität durch strukturierte Monomere" hatte ein hierarchisch strukturiertes Polybenzimidazol zum Ergebnis. Die Präsenz einer Strukturierung im molekularen Maßstab konnte SAXS bewiesen werden. Das so strukturierte Polybenzimidazol zeichnete sich durch eine höhere Protonenleitfähigkeit im Vergleich zu einem rein mesoporösen PBI aus. Der letzte Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Entwicklung einer neuen Synthesemethode zur Herstellung von Polybenzimidazol. Es konnte gezeigt werden, dass lineares PBI in einer eutektischen Salzschmelze aus Lithium- und Kaliumchlorid synthetisiert werden kann. Die Umsetzung der spirobifluorenbasierten Monomere zu löslichem oder vernetztem PBI ist in der Salzschmelze möglich.
The aim of this work was the generation of carbon materials with high surface area, exhibiting a hierarchical pore system in the macro- and mesorange. Such a pore system facilitates the transport through the material and enhances the interaction with the carbon matrix (macropores are pores with diameters > 50 nm, mesopores between 2 – 50 nm). Thereto, new strategies for the synthesis of novel carbon materials with designed porosity were developed that are in particular useful for the storage of energy. Besides the porosity, it is the graphene structure itself that determines the properties of a carbon material. Non-graphitic carbon materials usually exhibit a quite large degree of disorder with many defects in the graphene structure, and thus exhibit inherent microporosity (d < 2nm). These pores are traps and oppose reversible interaction with the carbon matrix. Furthermore they reduce the stability and conductivity of the carbon material, which was undesired for the proposed applications. As one part of this work, the graphene structures of different non-graphitic carbon materials were studied in detail using a novel wide-angle x-ray scattering model that allowed precise information about the nature of the carbon building units (graphene stacks). Different carbon precursors were evaluated regarding their potential use for the synthesis shown in this work, whereas mesophase pitch proved to be advantageous when a less disordered carbon microstructure is desired. By using mesophase pitch as carbon precursor, two templating strategies were developed using the nanocasting approach. The synthesized (monolithic) materials combined for the first time the advantages of a hierarchical interconnected pore system in the macro- and mesorange with the advantages of mesophase pitch as carbon precursor. In the first case, hierarchical macro- / mesoporous carbon monoliths were synthesized by replication of hard (silica) templates. Thus, a suitable synthesis procedure was developed that allowed the infiltration of the template with the hardly soluble carbon precursor. In the second case, hierarchical macro- / mesoporous carbon materials were synthesized by a novel soft-templating technique, taking advantage of the phase separation (spinodal decomposition) between mesophase pitch and polystyrene. The synthesis also allowed the generation of monolithic samples and incorporation of functional nanoparticles into the material. The synthesized materials showed excellent properties as an anode material in lithium batteries and support material for supercapacitors.
Klassischerweise haben Salze, beispielsweise Kochsalz, Schmelzpunkte von einigen hundert Grad Celsius und mehr. Ionische Flüssigkeiten sind dagegen Salze, deren Schmelzpunkt zum Teil weit unter der Raumtemperatur liegt. Sie sind daher bei Raumtemperatur flüssig. Obwohl ionische Flüssigkeiten seit 1914 bekannt sind, hatten sie bis vor 15 Jahren keinerlei Bedeutung. Heute jedoch werden ionische Flüssigkeiten aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften, wie hohe Leitfähigkeit oder hohe Temperaturstabilität, unter anderem zur Papierverarbeitung oder in flexiblen Solarzellen eingesetzt. Die Antrittsvorlesung wird sich insbesondere mit der Herstellung anorganischer Partikel befassen und zeigen, wie ionische Flüssigkeiten zur Herstellung neuer Materialien für verschiedene Anwendungen genutzt werden können.