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Six N-alkylpyridinium salts [CnPy](2)[MCl4] (n = 4 or 12 and M = Co, Cu, Zn) were synthesized, and their structure and thermal properties were studied. The [C4Py](2)[MCl4] compounds are monoclinic and crystallize in the space group P2(1)/n. The crystals of the longer chain analogues [C12Py](2)[MCl4] are triclinic and crystallize in the space group P (1) over bar. Above the melting temperature, all compounds are ionic liquids (ILs). The derivatives with the longer C12 chain exhibit liquid crystallinity and the shorter chain compounds only show a melting transition. Consistent with single-crystal analysis, electron paramagnetic resonance spectroscopy suggests that the [CuCl4](2-) ions in the Cu-based ILs have a distorted tetrahedral geometry.
Six N-alkylpyridinium salts [CnPy](2)[MCl4] (n = 4 or 12 and M = Co, Cu, Zn) were synthesized, and their structure and thermal properties were studied. The [C4Py](2)[MCl4] compounds are monoclinic and crystallize in the space group P2(1)/n. The crystals of the longer chain analogues [C12Py](2)[MCl4] are triclinic and crystallize in the space group P (1) over bar. Above the melting temperature, all compounds are ionic liquids (ILs). The derivatives with the longer C12 chain exhibit liquid crystallinity and the shorter chain compounds only show a melting transition. Consistent with single-crystal analysis, electron paramagnetic resonance spectroscopy suggests that the [CuCl4](2-) ions in the Cu-based ILs have a distorted tetrahedral geometry.
The title compound was prepared by the reaction of 1,4,10,13-tetraoxa-7,16-diazacyclo-octadecane with 4-chloro-2-methyl-phenoxyacetic acid in a ratio of 1:2. The structure has been proved by the data of elemental analysis, IR spectroscopy, NMR ( 1 H, 13 C) technique and by X-ray diffraction analysis. Intermolecular hydrogen bonds between the azonium protons and oxygen atoms of the carboxylate groups were found. Immunoactive properties of the title compound have been screened. The compound has the ability to suppress spontaneous and Con A-stimulated cell proliferation in vitro and therefore can be considered as immunodepressant.
Quality attributes of fruit determine its acceptability by the retailer and consumer. The objective of this work was to investigate the potential of absorption (μa) and reduced scattering (μs’) coefficients of European pear to analyze its fruit flesh firmness and soluble solids content (SSC). The absolute reference values, μa* (cm−1) and μs’* (cm−1), of pear were invasively measured, employing multi-spectral photon density wave (PDW) spectroscopy at preselected wavelengths of 515, 690, and 940 nm considering two batches of unripe and overripe fruit. On eight measuring dates during fruit development, μa and μs’ were analyzed non-destructively by means of laser light backscattering imaging (LLBI) at similar wavelengths of 532, 660, and 830 nm by means of fitting according to Farrell’s diffusion theory, using fix reference values of either μa* or μs’*. Both, the μa* and the μa as well as μs’* and μs’ showed similar trends. Considering the non-destructively measured data during fruit development, μa at 660 nm decreased 91 till 141 days after full bloom (dafb) from 1.49 cm−1 to 0.74 cm−1 due to chlorophyll degradation. At 830 nm, μa only slightly decreased from 0.41 cm−1 to 0.35 cm−1. The μs’ at all wavelengths revealed a decreasing trend as the fruit developed. The difference measured at 532 nm was most pronounced decreasing from 24 cm−1 to 10 cm−1, while at 660 nm and 830 nm values decreased from 15 cm−1 to 13 cm−1 and from 10 cm−1 to 8 cm−1, respectively. When building calibration models with partial least-squares regression analysis on the optical properties for non-destructive analysis of the fruit SSC, μa at 532 nm and 830 nm resulted in a correlation coefficient of R = 0.66, however, showing high measuring uncertainty. The combination of all three wavelengths gave an enhanced, encouraging R = 0.89 for firmness analysis using μs’ in the freshly picked fruit.
We present a fluorescence excitation-emission-matrix spectrometer with superior data acquisition rates over previous instruments. Light from a white light emitting diode (LED) source is dispersed onto a digital micromirror array (DMA) and encoded using binary n-size Walsh functions ("barcodes"). The encoded excitation light is used to irradiate the liquid sample and its fluorescence is dispersed and detected using a conventional array spectrometer. After exposure to excitation light encoded in n different ways, the 2-dimensional excitation-emission-matrix (EEM) spectrum is obtained by inverse Hadamard transformation. Using this technique we examined the kinetics of the fluorescence of rhodamine B as a function of temperature and the acid-driven demetalation of chlorophyll into pheophytin-a. For these experiments, EEM spectra with 31 excitation channels and 2048 emission channels were recorded every 15 s. In total, data from over 3000 EEM spectra were included in this report. It is shown that the increase in data acquisition rate can be as high as [{n(n + 1)}/2]-fold over conventional EEM spectrometers. Spectral acquisition rates of more than two spectra per second were demonstrated.
Despite the myriad of organic donor:acceptor materials, only few systems have emerged in the life of organic solar cells to, exhibit considerable reduced bimolecular recombination, with respect to the random encounter rate given by the Langevin equation. Monte Carlo simulations have revealed that the rate constant of the formation of electron-hole bound states depends on the random encounter of opposite charges and is nearly given by the Langevin equation for the domain sizes relevant to efficient bulk heterojunction systems. Recently, three studies :suggested that charge transfer states dissociating much faster than their decay rate to the ground state, can result in reduced bimolecular recombination by lowering the recombination rate to the ground state as a loss pathway. A separate study identified another loss pathway and suggested that forbidden back electron transfer from triplet charge transfer states to triplet excitons is a key to achieving reduced recombination. Herein we further explain the reduced bimolecular recombination by investigating the limitations of these two proposals. By solving kinetic rate equations for a BHJ system with realistic rates, we show that both of these previously presented conditions must only be held at the same time fora system to exhibit non-Langevin behavior. We demonstrate that suppression of both of the parallel loss channels of singlet and triplet states can be achieved through increasing the dissociation rate of the charge transfer states; a crucial requirement to achieve a high charge carrier extraction efficiency.
In our search for new antiplasmodial agents, the CH2Cl2/CH3OH (1:1) extract of the roots of Tephrosia aequilata was investigated, and observed to cause 100% mortality of the chloroquine-sensitive (3D7) strain of Plasmodium falciparum at a 10 mg/mL concentration. From this extract three new chalconoids, E-2,6-dimethoxy-3,4-(2,2-dimethyl)pyranoretrochalcone (1, aequichalcone A), Z-2,6-dimethoxy-3,4-(2,2-dimethyl)pyranoretrochalcone (2, aequichalcone B), 4-ethoxy-3-hydroxypraecansone B (3, aequichalcone C) and a new pterocarpene, 3,4:8,9-dimethylenedioxy-6a,11a-pterocarpene (4), along with seven known compounds were isolated. The purified compounds were characterized by NMR spectroscopic and mass spectrometric analyses. Compound 1 slowly converts into 2 in solution, and thus the latter may have been enriched, or formed, during the extraction and separation process. The isomeric compounds 1 and 2 were both observed in the crude extract. Some of the isolated constituents showed good to moderate antiplasmodial activity against the chloroquine-sensitive (3D7) strain of Plasmodium falciparum.
Porous silicon single layer (PSM), bilayer (PSB) and pillar (PSP) structures have been evaluated as nucleation centers for vanadium pentoxide (V2O5) crystals. Deposition of vanadium precursor over different substrates (drop casting technique), followed by annealing treatment under Ar-H-2 (5% H-2) atmosphere, induced crystallization of vanadium oxide. With respect to c-Si/SiO2 substrate, V2O5 nanorods with relatively large aspect ratio were formed over and within PSP structures. On the other hand, pores in PSM and PSB were found to be filled with relatively smaller crystals. Additionally, PSB provided a nucleation substrate capable to align the nanocrystals in a preferential orientation, while V2O5 crystals grown on PSP were found to be randomly aligned around the nanoporous pillar microstructure. Nanorods and nanocrystals were identified as V2O5 by temperature-controlled XRD measurements and evidence of their crystalline nature was observed via transmission electron microscopy. A careful analysis of electronic microscopy images allows the identification of the facets composing the ends of the crystals and its corresponding surface free energy has been evaluated employing the Wulff theorem. Such high surface area composite structures have potential applications as cathode material in Lithium-ion batteries.
The decomposition of anthracene endoperoxides has been investigated under various conditions. Thermolyses proceed via radical intermediates and afford anthracenes and rearrangement products, depending on the substitution pattern. Interestingly, not only the O-O but also the C-O bond can be cleaved homolytically. Under basic conditions fragmentations take place, affording anthraquinone, and reactive oxygen species. This mechanism explains the often observed decomposition of endoperoxides during work-up. Finally, an acid-catalyzed cleavage has been observed under release of hydrogen peroxide. The results should be interesting for the mechanistic understanding of peroxide decomposition and the endoperoxides might serve as mild sources of reactive oxygen species for future applications. Copyright (C) 2016 John Wiley & Sons, Ltd.
The reaction of oxygen-substituted naphthalenes with singlet oxygen (O-1(2)) has been investigated, and labile endoperoxides have been isolated and characterized at -78 degrees C for the first time. Low-temperature kinetics by UV spectroscopy revealed that alkoxy and silyloxy substituents remarkably increase the rate of photooxygenations compared to 1,4-dimethylnaphthalene, whereas acyloxy-substituted acenes are inert towards O-1(2). The reactivities nicely correlate with HOMO energies and free activation energies, which we determined by density functional theory calculations. The lability of the isolated endoperoxides is due to their very fast back reaction to the corresponding naphthalenes even at -20 degrees C under release of O-1(2), making them to superior sources of this reactive species under very mild conditions. Finally, a carbohydrate-substituted naphthalene has been synthesized, which reacts reversibly with O-1(2) and might be applied for enantioselective oxidations in future work.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zum einen erste Oligospiro(thio)ketal (OS(T)K)-basierte Modellsysteme (molekulare Sonden) für abstandsabhängige Messungen mittels Förster-Resonanz-Energietransfer (FRET) und zum anderen Sensorfluorophore, basierend auf einem DBD-Fluorophor und BAPTA, zur Messung der intrazellulären Calcium-Konzentration dargestellt.
Für die Synthese von molekularen Sonden für abstandsabhängige Messungen wurden verschiedenste einfach- und doppelt-markierte OS(T)K-Stäbe entwickelt und spektroskopisch untersucht. Die OS(T)K-Stäbe, sogenannte molekulare Stäbe, dienten als starre Abstandshalter zwischen den Fluorophoren. Als Fluorophore wurden Derivate von 6,7-Dihydroxy-4-methylcoumarin (Donor) und Acyl-DBD (Akzeptor) verwendet, die zusammen ein FRET-Paar bilden. Die Fluorophore wurden so funktionalisiert, dass sie sowohl unbeweglich bzw. „starr“, als auch beweglich bzw. „flexibel“ an den OS(T)K-Stab gebunden werden konnten. Für die Synthese der OS(T)K-Stäbe wurden ebenfalls eine Reihe an unterschiedlich langen und kurzen Stabbausteinen synthetisiert. Auf diese Weise wurden eine Vielzahl an verschiedensten einfach- und doppelt-markierten OS(T)K-Stäben dargestellt, deren Fluorophore sowohl „starr“ als auch „flexibel“ gebunden sind. Die dargestellten Stäbe wurden in verschiedensten Lösungsmitteln spektroskopisch untersucht, um anschließend das Verhalten in Vesikel, die eine biomimetische Umgebung darstellen, zu beurteilen. Es wurde festgestellt, dass sich die Stäbe erfolgreich in die Vesikelmembran einlagerten und hohe FRET-Effizienzen aufweisen.
Des Weiteren wurde ein FRET-Paar dargestellt, das sich durch 2-Photonenabsorpion im NIR-Bereich anregen lässt. Es wurde in den lebenden Zellen mittels Fluoreszenzlebenszeitmikroskopie (FLIM) untersucht.
Zur Untersuchung von intrazellulärem Calcium wurden zwei verschiedene DBD-Fluorophore über einen kurzen Linker mit dem Calcium-Chelator BAPTA verknüpft. Die dargestellten Fluorophore wurden sowohl in vitro als auch in vivo auf ihre Calcium-Sensitivität überprüft. Mittels FLIM wurden in lebenden Zellen die Fluoreszenzlebenszeitverteilungen der Fluorophore nach Calcium-Konzentrationsänderungen detektiert.
Macrocycles based on L-cystine were synthesized by ring-closing metathesis (RCM) and subsequently polymerized by entropy-driven ring-opening metathesis polymerization (ED-ROMP). Monomer conversion reached similar to 80% in equilibrium and the produced poly (ester-amine-disulfide-alkene)s exhibited apparent molar masses (M-w(app)) of up to 80 kDa and dispersities (D) of similar to 2. The polymers can be further functionalized with acid anhydrides and degraded by reductive cleavage of the main-chain disulfide.
In Zeiten eines sich schnell ändernden und vielseitigen Energiemarktes müssen Kohlenstoffmaterialien für verschiedene Anforderungen einsetzbar sein. Dies erfordert flexibel synthetisierbare Kohlenstoffmaterialien bevorzugt aus günstigen und nachhaltigen Kohlenstoffquellen. Es ist allerdings nicht leicht Vorläuferverbindungen auszumachen, welche sich einerseits für verschiedene Herstellungsverfahren eignen und deren Kohlenstoffprodukte andererseits in spezifischen Eigenschaften, wie der Struktur, des Stickstoffanteils, der Oberfläche und der Porengrößen, eingestellt werden können. In diesem Zusammenhang können natürliche Polyphenole, etwa überschüssige Tannine aus der Weinproduktion, eine neue Welt zu hoch funktionalen und vielseitig einstellbaren Kohlenstoffmaterialien mit hohen Ausbeuten öffnen.
Das Hauptziel dieser vorliegenden Thesis war es neue funktionale, einstellbare und skalierbare nanostrukturierte Kohlenstoffmaterialien aus Tanninen (insbesondere Tanninsäure) für unterschiedliche elektrochemische Zwecke zu synthetisieren und zu charakterisieren. Ermöglicht wurde dies durch unterschiedliche synthetische Herangehensweisen, wie etwa der polymeren Strukturdirektion, dem ionothermalen Templatieren und der weichen Templatierung. An Stelle des weitläufig gebräuchlichen, aber kanzerogenen Vernetzungsagens Formaldehyd wurden bei den vorgestellten Synthesen Harnstoff und Thioharnstoff gewählt, um zugleich die synthetisierten Kohlenmaterialien variabel dotieren zu können.
Daher wurden im ersten Teil der Arbeit die Wechselwirkungen, Reaktionen und thermischen Verhaltensweisen von Tanninsäure und Mixturen von Tanninsäure und Harnstoff bzw. Thioharnstoff untersucht, um daraus wichtige Erkenntnisse für die verschiedenen Kohlenstoffsynthesen zu gewinnen.
Durch die Verwendung eines polymeren Strukturierungsagenz Pluronic P123 konnten in einer ersten Kohlenstoffsynthese nachhaltige und dotierbare Kohlenstoffpartikel mit Durchmessern im Nanometerbereich aus Tanninsäure und Harnstoff hergestellt werden. Es konnte dabei gezeigt werden, dass durch die Modifikation der verschiedenen Syntheseparameter die Kohlenstoffnanopartikel gemäß ihres gemittelten Partikeldurchmessers, ihrer BET-Oberfläche, ihrer Komposition, ihrer Leitfähigkeit und ihrer chemischen Stabilität einstellbar sind. Dies eröffnete die Möglichkeit diese Kohlenstoffpartikel als alternatives und nachhaltiges Rußmaterial einzusetzen.
Weiterhin war es durch die ionothermale Templatierung möglich poröse, dotierte und kontrollierbare Kohlenstoffpartikel mit hohen spezifischen Oberflächen aus den gewählten Präkursorverbindungen zu synthetisieren, die sich für den Einsatz in Superkondensatoren eignen.
Auf diesen Erkenntnissen aufbauend konnten mittels der Rotationsbeschichtung poröse binderfreie und strukturierte Kohlenstofffilme synthetisiert werden, die eine spinodale Struktur aufwiesen. Anhand der Modifikation der Stammlösungskonzentration, der Rotationsgeschwindigkeit und der verwendeten Substrate konnten die Filmdicke (100-1000 nm), die Morphologie und Gesamtoberfläche gezielt beeinflusst werden. Die erweiterte elektrochemische Analyse zeigte außerdem ein sehr gut zugängliches Porensystem der porösen Kohlenstofffilme.
Allumfassend konnten demnach verschiedene Synthesewege für Kohlenstoffmaterialien aus Tanninen aufgezeigt werden, die verschiedenartig strukturiert und kontrolliert werden können und sich für diverse Anwendungsgebiete eignen.
In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Polymere hergestellt, die bestimmte funktionelle Gruppen beinhalten. Diese Gruppen werden zum Teil durch Alkylketten geschützt, zum Teil liegen sie ungeschützt im Polymer vor. Mit diesen Polymeren wurden Untersuchungen mit knochenähnlichen Materialien sogenanntem Calciumphosphat durchgeführt. Es wurde der Einfluss der verschiedenen Polymere auf die Bildung dieser knochenähnlichen Substanzen untersucht und auch der Einfluss auf die Stabilität und das Auflösungsverhalten der Calciumphosphate. Dabei sollte ein besonderes Augenmerk auf die funktionellen Gruppen, sogenannte Phosphonsäuren und deren Ester, die die Phosphonsäuren schützen, gesetzt werden. Es stellte sich heraus, dass bei der Bildung der knochenähnlichen Materialien die Polymere mit Estergruppen eine leichte Förderung der Calciumphosphat-Bildung verursachen, während die ungeschützten Polymere die Bildung des „Knochenmaterials“ sehr stark verzögern. Dieser Effekt verstärkt sich noch, wenn eine weitere bestimmte Komponente zum Polymer hinzukommt und somit ein Copolymer gebildet wird. Diese Copolymere beschleunigen bzw. verlangsamen die Calciumphosphatbildung noch stärker. Werden Polymere mit einem anderen Polymergerüst aber den gleichen Phosphonsäuresetern in den Seitenketten verwendet, ändert sich der Einfluss der Calciumphosphat-Bildung wenig. Verglichen mit Polymeren ohne solche Phosphonsäuregruppen wird erkennbar, dass es weniger die Phosphonsäuregruppe ist, die die Mineralisation beeinflusst, sondern es eher eine Folge der Säure im Polymer ist.
Wird die Stabilisierung und Auflösung der Knochenähnlichen Substanzen betrachtet, fällt auf, dass auch hier wieder die Säuren den größten Effekt ausüben. Die Phosphonsäuregruppen scheinen dabei jedoch tatsächlich einen besonderen Effekt auszuüben, da bei diesen die Stabilisierung und auch das Auflösungsvermögen von Calciumphospaht von allen untersuchten Polymeren am größten sind.
In der Arbeit konnte außerdem gezeigt werden, dass die Polymere und Copolymere mit Phosphonsäuregruppen einen leicht positiven Effekt auf die Zahngesundheit zeigen. Die Zahl von Bakterien auf der Zahnoberfläche konnte reduziert werden und bei der Untersuchung der Zahnauflösung wurde eine glattere Zahnoberfläche erhalten, jedoch wurde auch mit den untersuchten Polymeren der Zahn im Inneren angegriffen. Weitere Untersuchungen können hier noch genaueren Aufschluss geben. Außerdem sollten auch die Polymere mit dem unterschiedlichen Polymergerüst und Phosphonsäureestergruppen untersucht werden.
Letztere Polymere wurden verwendet, um festere “gelartige“ Polymernetzwerke herzustellen und deren Einfluss auf die Calciumphosphatmineralisation zu untersuchen. Es stellte sich heraus, dass ohne das Einbetten einiger Calciumphosphatteilchen keine Bildung von Calciumphospaht an den Materialien ausgelöst wurde, wurden die sogenannten Hydrogele jedoch mit Calciumphosphatpartikeln geimpft, konnte deutliches weiteres Calciumphosphatwachstum beobachtet werden. Das Material lässt sich auch in verschiedene Formen bringen. Somit könnte das System nach weiteren Untersuchungen zur Verträglichkeit mit Zellen oder Geweben ein mögliches Material für Implantate darstellen, mit denen gezielt Knochenwachstum eingeleitet werden könnte.
Die klassische Physik/Chemie unterscheidet zwischen drei Bindungstypen: Der kovalenten Bindung, der ionischen Bindung und der metallischen Bindung. Moleküle untereinander werden hingegen durch schwache Wechselwirkungen zusammen gehalten, sie sind trotz ihrer schwachen Kräfte weniger verstanden, aber dabei nicht weniger wichtig. In zukunftsweisenden Gebieten wie der Nanotechnologie, der Supramolekularen Chemie und Biochemie sind sie von elementarer Bedeutung.
Um schwache, intermolekulare Wechselwirkungen zu beschreiben, vorauszusagen und zu verstehen, sind sie zunächst theoretisch zu erfassen. Hierzu gehören verschiedene quantenchemische Methoden, die in dieser Arbeit vorgestellt, verglichen, weiterentwickelt und schließlich auch exemplarisch auf Problemstellungen in der Chemie angewendet werden. Aufbauend auf einer Hierarchie von Methoden unterschiedlicher Genauigkeit werden sie für diese Ziele eingesetzt, ausgearbeitet und kombiniert.
Berechnet wird die Elektronenstruktur, also die Verteilung und Energie von Elektronen, die im Wesentlichen die Atome zusammen halten. Da Ungenauigkeiten von der Beschreibung der Elektronenstruktur von den verwendeten Methoden abhängen, kann man die Effekte detailliert untersuchen, sie beschreiben und darauf aufbauend weiter entwickeln, um sie anschließend an verschiedenen Modellen zu testen. Die Geschwindigkeit der Berechnungen mit modernen Computern ist eine wesentliche, zu berücksichtigende Komponente, da im Allgemeinen die Genauigkeit mit der Rechenzeit exponentiell steigt, und die damit an die Grenzen der Möglichkeiten stoßen muss.
Die genaueste der verwendeten Methoden basiert auf der Coupled-Cluster-Theorie, die sehr gute Voraussagen ermöglicht. Für diese wird eine sogenannte spektroskopische Genauigkeit mit Abweichungen von wenigen Wellenzahlen erzielt, was Vergleiche mit experimentellen Daten zeigen. Eine Möglichkeit zur Näherung von hochgenauen Methoden basiert auf der Dichtefunktionaltheorie: Hier wurde das „Boese-Martin for Kinetics“ (BMK)-Funktional entwickelt, dessen Funktionalform sich in vielen nach 2010 veröffentlichten Dichtefunktionalen wiederfindet.
Mit Hilfe der genaueren Methoden lassen sich schließlich semiempirische Kraftfelder zur Beschreibung intermolekularer Wechselwirkungen für individuelle Systeme parametrisieren, diese benötigen weit weniger Rechenzeit als die Methoden, die auf der genauen Berechnung der Elektronenstruktur von Molekülen beruhen.
Für größere Systeme lassen sich auch verschiedene Methoden kombinieren. Dabei wurden Einbettungsverfahren verfeinert und mit neuen methodischen Ansätzen vorgeschlagen. Sie verwenden sowohl die symmetrieadaptierte Störungstheorie als auch die quantenchemische Einbettung von Fragmenten in größere, quantenchemisch berechnete Systeme.
Die Entwicklungen neuer Methoden beziehen ihren Wert im Wesentlichen durch deren Anwendung:
In dieser Arbeit standen zunächst die Wasserstoffbrücken im Vordergrund. Sie zählen zu den stärkeren intermolekularen Wechselwirkungen und sind nach wie vor eine Herausforderung. Im Gegensatz dazu sind van-der-Waals Wechselwirkungen relativ einfach durch Kraftfelder zu beschreiben. Deshalb sind viele der heute verwendeten Methoden für Systeme, in denen Wasserstoffbrücken dominieren, vergleichsweise schlecht.
Eine Untersuchung molekularer Aggregate mit Auswirkungen intermolekularer Wechselwirkungen auf die Schwingungsfrequenzen von Molekülen schließt sich an. Dabei wird auch über die sogenannte starrer-Rotor-harmonischer-Oszillator-Näherung hinausgegangen.
Eine weitreichende Anwendung behandelt Adsorbate, hier die von Molekülen auf ionischen/metallischen Oberflächen. Sie können mit ähnlichen Methoden behandelt werden wie die intermolekularen Wechselwirkungen, und sind mit speziellen Einbettungsverfahren sehr genau zu beschreiben. Die Resultate dieser theoretischen Berechnungen stimulierten eine Neubewertung der bislang bekannten experimentellen Ergebnisse.
Molekulare Kristalle sind ein äußerst wichtiges Forschungsgebiet. Sie werden durch schwache Wechselwirkungen zusammengehalten, die von van-der-Waals Kräften bis zu Wasserstoffbrücken reichen. Auch hier wurden neuentwickelte Methoden eingesetzt, die eine interessante, mindestens ebenso genaue Alternative zu den derzeit gängigen Methoden darstellen.
Von daher sind die entwickelten Methoden, als auch deren Anwendung äußerst vielfältig. Die behandelten Berechnungen der Elektronenstruktur erstrecken sich von den sogenannten post-Hartree-Fock-Methoden über den Einsatz der Dichtefunktionaltheorie bis zu semiempirischen Kraftfeldern und deren Kombinationen. Die Anwendung reicht von einzelnen Molekülen in der Gasphase über die Adsorption auf Oberflächen bis zum molekularen Festkörper.
The aqueous solution behavior of thermoresponsive-hydrophilic block copolypeptoids, i.e., poly(N-(n-propyl)glycine) (x) -block-poly(N-methylglycine) (y) (x = 70; y = 23, 42, 76), in the temperature range of 20-45 A degrees C is studied. Turbidimetric analyses of the 0.1 wt% aqueous solutions reveal two cloud points at T (cp)similar to 30 and 45 A degrees C and a clearing point in between at T (cl)similar to 42 A degrees C. Temperature-dependent dynamic light scattering (DLS) suggest that right above the first collapse temperature, single polymer molecules assemble into large structures which upon further heating, i.e., at the clearing point temperature, disassemble into micelle-like structures. Upon further heating, the aggregates start to grow again in size, as recognized by the second cloud point, through a crystallization process.
The valorization of carbohydrates is one of the most promising fields in green chemistry, as it enables to produce bulk chemicals and fuels out of renewable and abundant resources, instead of further exploiting fossil feedstocks. The focus in this thesis is the conversion of fructose, using dehydration and hydrodeoxygenation reactions. The main goal is to find an easy continuous process, including the solubility of the sugar in a green solvent, the conversion over a solid acid as well as over a metal@tungsten carbide catalyst.
At the beginning of this thesis, solid acid catalysts are synthesized by using carbohydrate material like glucose and starch at high temperatures (up to 600 °C). Additionally a third carbon is synthesized, using an activation method based on Ca(OH)2. After carbonization and further sulfonation, using fuming sulfuric acid, the three resulting catalysts are characterized together with sulfonated carbon black and Amberlyst 15 as references. In order to test all solid acid catalysts in reaction, a 250 mm x 4.6 mm stainless steel column is used as a fixed-bed continuous reactor. The temperature (110 °C to 250 °C) and residence time (2 to 30 minutes) is varied, and a direct relationship between contact time and selectivity is determined. The reaction mechanism, as well as the product distribution is showing a dehydration step of fructose towards 5-hydroxymethylfurfural (HMF). These furan-ring molecules are considered as “sleeping giants”, due to the possibility of using them as fuel, but also for upgrading them to chemicals like terephthalic acid or p-xylene. Consecutive reactions are producing levulinic acid, as well as condensation products with ethanol and formic acid. The activated carbon is additionally showing a 2 % yield of 2,5-Dimethylfuran (DMF) production, pointing towards the extraordinary properties of this catalyst. Without a metal catalyst present, what is normally necessary for hydrogenation reactions, a transferhydrogenation (with formic acid) is observed. The active catalyst was therefore carbon itself, what activated the hydrogen on its surface. This phenomenon was just very rarely observed so far. Expensive noble metals are the material of choice, when it comes to hydrogenation reactions nowadays and cheaper alternatives are necessary.
By postulating a similar electronic structure of tungsten carbide (WC) to platinum by Lewy and Boudart, research is focusing on the replacement of Pt. The production of nano-sized tungsten carbide particles (7.5 ± 2.5 nm, 70 m2 g-1) is enabled by the so called “urea glass route” and its catalytic performances are compared to commercial material. It is shown, that the activity is strongly dependent on the size of the particles as well as the surface area. Nano-sized tungsten carbide is showing activity for hydrogenation reactions under mild conditions (maximum 150 °C, 30 bar). This material therefore opens up new possibilities for replacing the rare and expensive platinum with tungsten carbide based catalysts.
Additionally different metal nanoparticles of palladium, copper and nickel are deposited on top of WC to further promote its reactivity. The nickel nanoparticles are strongly connected to WC and showed the best activity as well as selectivity for upgrading HMF with hydrodeoxygenation. The Ni@WC is not leaching and is showing very good hydrodeoxygenation properties with DMF yields up to 90 percent. Copper@WC is not showing good activity and palladium@WC enables undesired consecutive reactions, hydrogenating the furan ring system.
In order to enable the upgrade of fructose to DMF directly in a continuous system, the current H CUBE Pro TM hydrogenation system is customized with a second reaction column. A 250 mm x 4.6 mm stainless steel reactor column is connected ahead of the hydrogen insertion, enabling the dehydration of fructose to HMF derivatives, before pumping these products into the second column for hydrogenation. The overall residence time in the two column reactor system is 14 minutes. The overall results are an almost full conversion with a yield of 38.5 % DMF and 47 % yield of EL. The main disadvantage is the formation of higher mass products, so called humins, which start depositing on top of the catalysts, blocking their active sites.
In general it can be stated, that a two column system goes along with a higher investment as well as more maintenance costs, compared to a one column catalytic approach. To develop a catalyst, which is on the one hand able to dehydrate as well as hydrodeoxygenate the reactants, is aimed for at the last part of the thesis. The activated carbon however shows already activity for hydrodeoxygenation without any metal present and offers itself therefore as an alternative to overcome the temperature instability of Amberlyst 15 (max. 120 °C) for a combined DMF production directly from fructose. The activity for the upgrade to DMF is increased from 2 % to 12 % DMF yield in one mixed continuous column.
In order to scale up the entire one column approach, an 800 mm x 28.5 mm inner diameter column was planned and manufactured. The system is scaled up and assembled, whereas this flow reactor system is able to be run with 50 mL min-1 maximum flow rate, to stand a pressure of maximum 100 bar and be heated to around 500 °C. The tubing and connections, as well as the used devices are planned according to be safe and easy in use. The scaled-up approach offers a reaction column 120 times bigger (510 ml) then the first extension of the commercial system. This further extension offers the possibility of ranging between 1 and 1000 mL min-1, making it possible to use the approach in pilot plant applications.
Surfactants are required for the formation and stabilization of hydrophobic polymeric particles in aqueous environment. In order to form submicron particles of varying sizes from oligo[3-(S)-sec-butylmorpholine-2,5-dione]diols ((OBMD)-diol), different surfactants were investigated. As new surfactants, four-armed star-shaped oligo(ethylene glycol)s of molecular weights of 5-20 kDa functionalized with desamino-tyrosine (sOEG-DAT) resulted in smaller particles with lower PDI than with desaminotyrosyl tyrosine (sOEG-DATT) in an emulsion/solvent evaporation method. In a second set of experiments, sOEG-DAT of M-n= 10 kDa was compared with the commonly employed emulsifiers polyvinylalcohol (PVA), polyoxyethylene (20) sorbitan monolaurate (Tween 20), and D-alpha-tocopherol polyethylene glycol succinate (VIT E-TPGS) for OBMD particle preparation. sOEG-DAT allowed to systematically change sizes in a range of 300 up to 900 nm with narrow polydispersity, while in the other cases, a lower size range (250-400 nm, PVA; 300 nm, Tween 20) or no effective particle formation was observed. The ability of tailoring particle size in a broad range makes sOEG-DAT of particular interest for the formation of oligodepsipeptide particles, which can further be investigated as drug carriers for controlled delivery. (C) 2016 Elsevier B.V. All rights reserved.