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The chelating ability of quinoxaline cores and the redox activity of organo-sulfide bridges in layered covalent-organic frameworks (COFs) offer dual active sites for reversible lithium (Li)-storage. The designed COFs combining these properties feature disulfide and polysulfide-bridged networks showcasing an intriguing lithium-storage mechanism, which can be considered as a lithium-organo-sulfide (Li-OrS) battery. The experimental-computational elucidation of three quinoxaline COFs containing systematically enhanced sulfur atoms in sulfide bridging demonstrates fast kinetics during Li interactions with the quinoxaline core. Meanwhile, bilateral covalent bonding of sulfide bridges to quinoxaline core enables a redox-mediated reversible cleavage of the sulfur-sulfur bond and the formation of covalently anchored lithium-sulfide chains or clusters during Li-interactions, accompanied by a marked reduction of Li-polysulfide (Li-PS) dissolution into the electrolyte, a frequent drawback of lithium-sulfur (Li-S) batteries. The electrochemical behavior of model compounds mimicking the sulfide linkages of the COFs and operando Raman studies on the framework structure unravels the reversibility of the profound Li-ion-organo-sulfide interactions. As a result, nearly 84% retention of specific capacity was observed at 100 mA/g for the polysulfide-bridged COF after 500 charge-discharge cycles. Thus, integrating redox-active organic-framework materials with covalently anchored sulfides enables a stable Li-OrS battery mechanism which shows benefits over a typical Li-S battery.

Flexible metal–organic frameworks (MOFs) are promising materials in gas-related technologies. Adjusting the material to processes requires understanding of the flexibility mechanism and its influence on the adsorption properties. Herein, we present the mechanistic understanding of CO2-induced pore-opening transitions of the water-stable MOF JUK-8 ([Zn(oba)(pip)]n, oba2– = 4,4′-oxybis(benzenedicarboxylate), pip = 4-pyridyl-functionalized benzene-1,3-dicarbohydrazide) as well as its potential applicability in gas purification. Detailed insights into the global structural transformation and subtle local MOF–adsorbate interactions are obtained by three in situ techniques (XRD, IR, and 13CO2-NMR). These results are further supported by single-crystal X-ray diffraction (SC-XRD) analysis of the solvated and guest-free phases. High selectivity toward carbon dioxide derived from the single-gas adsorption experiments of CO2 (195 and 298 K), Ar (84 K), O2 (90 K), N2 (77 K), and CH4 (298 K) is confirmed by high-pressure coadsorption experiments of the CO2/CH4 (75:25 v/v) mixture at different temperatures (288, 293, and 298 K) and in situ NMR studies of the coadsorption of 13CO2/13CH4 (50:50 v/v; 195 K).

Vinylene-linked two-dimensional covalent organic frameworks (V-2D-COFs) have shown great promise in electronics and optoelectronics. However, only a few reactions for V-2D-COFs have been developed hitherto. Besides the kinetically low reversibility of C=C bond formation, another underlying issue facing the synthesis of V-2D-COFs is the attainment of high ( E )-alkene selectivity to ensure the appropriate symmetry of 2D frameworks. Here, we tailor the E/Z selectivity of the Wittig reaction by employing a proper catalyst (i.e., Cs 2 CO 3 ) to obtain more stable intermediates and evaluate the temperature across the reaction barrier. Subsequently, the Wittig reaction is innovatively utilized for the synthesis of four crystalline V-2D-COFs by combining aldehydes and ylides. Importantly, the efficient conjugation and decent crystallinity of the resultant V-2D-COFs are demonstrated by their high charge carrier mobilities over 10 cm 2 V -1 s -1 , as revealed by non-contact terahertz (THz) spectroscopy.

Advanced materials 34, 2108682 (2022). doi:10.1002/adma.202108682, D transition metal carbides and/or nitrides, so-called MXenes, are noted as ideal fast-charging cation-intercalation electrode materials, which nevertheless suffer from limited specific capacities. Herein, it is reported that constructing redox-active phosphorus−oxygen terminals can be an attractive strategy for Nb$_4$C$_3$ MXenes to remarkably boost their specific capacities for ultrafast Na$^+$ storage. As revealed, redox-active terminals with a stoichiometric formula of PO$_2$- display a metaphosphate-like configuration with each P atom sustaining three P-O bonds and one P=O dangling bond. Compared with conventional O-terminals, metaphosphate-like terminals empower Nb$_4$C$_3$ (denoted PO$_2$-Nb$_4$C$_3$) with considerably enriched carrier density (fourfold), improved conductivity (12.3-fold at 300 K), additional redox-active sites, boosted Nb redox depth, nondeclined Na$^+$-diffusion capability, and buffered internal stress during Na$^+$ intercalation/de-intercalation. Consequently, compared with O-terminated Nb$_4$C$_3$, PO$_2$-Nb$_4$C$_3$ exhibits a doubled Na$^+$-storage capacity (221.0 mAh g$^{-1}$), well-retained fast-charging capability (4.9 min at 80% capacity retention), significantly promoted cycle life (nondegraded capacity over 2000 cycles), and justified feasibility for assembling energy−power-balanced Na-ion capacitors. This study unveils that the molecular-level design of MXene terminals provides opportunities for developing simultaneously high-capacity and fast-charging electrodes, alleviating the energy−power tradeoff typical for energy-storage devices., Published by Wiley-VCH, Weinheim

An aliovalent mixed-metal framework DUT-174 [LiAl(2-methyl imidazolate)4]n, isostructural to ZIF-8, was synthesized from lithium aluminum hydride (LiAlH4) and 2-methylimidazole(2-mImH) through dehydrogenation. Lithium and aluminum cations acting as alternating framework nodes are coordinated tetrahedrally by (2-mIm)-. DUT-174 has a high specific surface area of1149 m2 g−1 and CO2 uptake of 11.57 mmol g−1 at 195 K.

Diatoms are algae producing micro- and nano-structured cell walls mainly containing amorphous silica. The shape and patterning of these cell walls is species-specific. Herein, the biosilica of Cyclotella cryptica , a centric marine diatom with a massive organic matrix, is studied. Solid-state NMR spectroscopy is applied to gain deeper insight into the interactions at the organic–inorganic interface of the cell walls. The various organic compounds like polysaccharides as well as proteins and long-chain polyamines (LCPAs) are detected by observation of heteronuclei like 13 C and 15 N whereas the silica phase is studied using 29 Si NMR spectroscopy. The sensitivity of the NMR experiments is strongly enhanced by isotope-labeling of the diatoms during cultivation with 13 C, 15 N and 29 Si. The presence of two different chitin species in the biosilica is demonstrated. This observation is supported by a monosaccharide analysis of the silica-associated organic matrix where a high amount of glucosamine is found. Moreover, the Rotational Echo Double Resonance (REDOR) experiment provides distance information for heteronuclear spins. 13 C{ 29 Si} REDOR experiments reveal proximities between different organic compounds and the silica phase. The closest contacts between silica and organic compounds appear for different signals in the 13 C-chemical shift range of 40–60 ppm, the typical range for LCPAs.

Luminescent organic materials with high photostability are essential in optoelectronics, sensor, and photocatalysis applications. However, small organic molecules are generally sensitive to UV irradiation, giving rise to chemical decompositions. In this work, we demonstrate two novel CN-substituted two-dimensional sp²-carbon-linked conjugated polymers (2D CCPs) containing a chromophore triphenylene unit. The Knoevenagel polymerization between 2,3,6,7,10,11-hexakis(4-formylphenyl)triphenylene (HFPTP) and 1,4-phenylenediacetonitrile (PDAN) or 2,2’-(biphenyl-4,4’-diyl)diacetonitrile (BDAN), provides the crystalline 2D CCP-HFPTP-PDAN (2D CCP-1) and 2D CCP-HFPTP-BDAN (2D CCP-2) with dual pore structures, respectively. 2D CCP-1 and 2D CCP-2 exhibit the photoluminescence quantum yield (PLQY) up to 24.9% and 32.3%, which are the highest values among the reported 2D conjugated polymers and π-conjugated 2D covalent organic frameworks. Furthermore, compared with the well-known emissive small molecule tetrakis(carbazol-9-yl)-4,6-dicyanobenzene (4CzIPN), both 2D CCPs show superior photostability under UV irradiation for two hours, profiting from the twisted and rigid structures of the CN-substituted vinylene linkages. The present work will trigger the further explorations of novel organic emitters embedded in 2D CCPs with high PLQY and photostability, which can be useful for optoelectronic devices.

Flexible metal-organic frameworks (MOFs) are capable of changing their crystal structure as a function of external stimuli such as pressure, temperature, and type of adsorbed guest species. DUT-49 is the first MOF exhibiting structural transitions accompanied by the counterintuitive phenomenon of negative gas adsorption (NGA). Here, we present high pressure in situ ¹²⁹Xe NMR spectroscopic studies of a novel isoreticular MOF family based on DUT-49. These po-rous materials differ only in the length of their organic linkers causing changes in pore size and elasticity. The series encompasses both, purely microporous materials as well as materials with both, micropores and small mesopores. The chemical shift of adsorbed xenon depends on xenon-wall interactions and thus, on the pore size of the material. The xenon adsorption behavior of the different MOFs can be observed over the whole range of relative pressure. Chemical shift adsorption/desorption isotherms closely resembling the conventional, uptake-measurement based isotherms were obtained at 237 K where all materials are rigid. The comparable chemical environment for adsorbed xenon in these isoreticular MOFs allows establishing a correlation between the chemical shift at a relative pressure of p/p₀ = 1.0 and the mean pore diameter. Furthermore, the xenon adsorption behavior of the MOFs is studied also at 200 K. Here, struc-tural flexibility is found for DUT 50, a material with an even longer linker than the previously known DUT-49. Its structural transitions are monitored by ¹²⁹Xe NMR spectroscopy. This compound is the second known MOF showing the phenomenon of negative gas adsorption. Further increase in the linker length results in DUT-151, a material with interpenetrated network topology. In situ ¹²⁹Xe NMR spectroscopy proves that this material exhibits another type of flexibility compared to DUT-49 and DUT-50. Further surprising observations are made for DUT-46. Volumetric xenon adsorption measurements show that this non-flexible microporous material does not exhibit any hysteresis. In contrast, in situ ¹²⁹Xe NMR spectroscopically detected xenon chemical shift isotherms exhibit a hysteresis even after longer equilibration times than in the volumetric experiments. This indicates kinetically hindered re-distribution processes and long-lived metastable states of adsorbed xenon within the MOF persisting at the time scale of hours or longer.

Electrical double layer capacitors are in the special focus of current energy storage research due to their high power density. They store charge physically by quick electrosorption of electrolyte ions on the surface of porous carbon electrodes. However, fundamental insight into the storage mechanism, especially on a molecular level is limited despite of the crucial importance to understand and improve this promising technology. We have investigated and quantified the mobility of electrolyte ions in supercapacitor electrodes by means of solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. We could discriminate between the mobility of cations, anions, and solvent molecules. The exchange of these species between different pore systems as well as between pore system and external bulk environment is studied in detail by NMR spectroscopic methods.

It has been discovered during the past few years that demosponges of the order Verongida such as Aplysina cavernicola exhibit chitin-based skeletons. Verongida sponges are well known to produce bioactive brominated tyrosine derivatives. We could recently demonstrate that brominated compounds do not exclusively occur in the cellular matrix but also in the skeletons of the marine sponges Aplysina cavernicola and Ianthella basta. Our measurements imply that these yet unknown compounds are strongly, possibly covalently bound to the sponge skeletons. In the present work, we determined the skeletal amino acid composition of the demosponge A. cavernicola especially with respect to the presence of halogenated amino acids. The investigations of the skeletons before and after MeOH extraction confirmed that only a small amount of the brominated skeleton-bound compounds dissolves in MeOH. The main part of the brominated compounds is strongly attached to the skeletons but can be extracted for example by using Ba(OH)2. Various halogenated tyrosine derivatives were identified by GC-MS and LC-MS in these Ba(OH)2 extracts of the skeletons.

International audience; Diatoms contribute 20% of global primary production and form the basis of many marine food webs. Although their species diversity correlates with broad diversity in cell size, there is also an intraspecific cell-size plasticity owing to sexual reproduction and varying environmental conditions. However, despite the ecological significance of the diatom cell size for food-web structure and global biogeochemical cycles, our knowledge about genes underpinning the size of diatom cells remains elusive. Here, a combination of reverse genetics, experimental evolution and comparative RNA-sequencing analyses enabled us to identify a previously unknown genetic control of cell size in the diatom Thalassiosira pseudonana. In particular, the targeted deregulation of the expression of the cell-wall protein silacidin caused a significant increase in valve diameter. Remarkably, the natural downregulation of the silacidin gene transcript due to experimental evolution under low temperature also correlated with cell-size increase. Our data give first evidence for a genetically controlled regulation of cell size in T. pseudonana and possibly other centric diatoms as they also encode the silacidin gene in their genomes.

The present Book of Abstracts includes most of the contributions to the International Symposium XeMAT 2015, Xenon/hyperpolarized noble gases in magnetic resonance. This symposium took place from September 13-17, 2015 in Dresden in the new chemistry building of TU Dresden and covered all aspects of the use of xenon and hyperpolarized gases in magnetic resonance. This included for example materials science, biosensing, imaging, and molecular bioimaging as well as all aspects of gas hyperpolarization. The conference program included 15 invited lectures, 14 contributed talks as well as more than 20 posters.

Electrical double-layer capacitors, lithium-ion batteries, and fuel cells are among the most important devices for storage and conversion of electrochemical energy. Further improvement of these systems and their single components is needed to meet the future requirements in terms of higher energy and power densities. In all of these devices, the interactions between carbonaceous materials and electrolyte components play crucial roles. In electrical double-layer capacitors and lithium-ion batteries, electrolyte ions get in direct contact with carbon electrode materials for energy storage. In fuel cells, carbon-supported electrode catalysts and polymeric membranes are among the most important components. For a directed improvement of these devices, a profound understanding of the processes taking place on the carbon-electrolyte interfaces is crucial. Especially nuclear magnetic resonance spectroscopy is qualified for the characterization of these interactions due to its chemical specificity, the local nature of NMR-relevant interactions, the possibility to investigate both amorphous and crystalline compounds, and the potential to monitor dynamic processes that occur over a wide timescale. This review addresses recent NMR spectroscopic investigations of the interactions between electrolytes and carbon materials in electrical double-layer capacitors, lithium-ion batteries, and fuel cells. Structures and properties of the most important carbon nanomaterials relevant for these devices are discussed, and the general principles of the electrochemical energy storage systems are introduced. Fundamental principles as well as hardware aspects of in situ and ex situ NMR measurements are addressed. The relationships between the properties of the carbon materials, the electrochemical characteristics, and the NMR data are explained. NMR spectroscopy as the profound analytical method is considered in combination with the operating principles of the electrochemical energy storage devices.

Diatom biosilica is an inorganic/organic hybrid with interesting properties. The molecular architecture of the organic material at the atomic and nanometer scale has so far remained unknown, in particular for intact biosilica. A DNP-supported ssNMR approach assisted by microscopy, MS, and MD simulations was applied to study the structural organization of intact biosilica. For the first time, the secondary structure elements of tightly biosilica-associated native proteins in diatom biosilica were characterized in situ. Our data suggest that these proteins are rich in a limited set of amino acids and adopt a mixture of random-coil and β-strand conformations. Furthermore, biosilica-associated long-chain polyamines and carbohydrates were characterized, thereby leading to a model for the supramolecular organization of intact biosilica.

Triple resonance solid-state NMR experiments using the spin combination 1H-13C-29Si are still rarely found in the literature. This is due to the low natural abundance of the two heteronuclei. Such experiments are, however, increasingly important to study hybrid materials such as biosilica and others. A suitable model substance, ideally labeled with both 13C and 29Si, is thus very useful to optimize the experiments before applying them to studies of more complex samples such as biosilica. Tetraphenoxysilane could be synthesized in an easy, two-step synthesis including double isotope labelling. Using tetraphenoxysilane, we established a 1H-13C-29Si double CP-based HETCOR experiment and applied it to diatom biosilica from the diatom species Thalassiosira pseudonana. Furthermore, we carried out 1H-13C{29Si} CP-REDOR experiments in order to estimate the distance between the organic matrix and the biosilica. Our experiments on diatom biosilica strongly indicate a close contact between polyamine-containing parts of the organic matrix and the silica. This corroborates the assumption that the organic matrix is essential for the control of the cell wall formation.

Porosity switching in the crystalline solid state is a unique phenomenon observed only in a limited number of materials. The switching behavior of two metal-organic frameworks as well as their respective solid solutions of composition [Zn2(BME-bdc)x(DB-bdc)2-xdabco]n (x = 2; 1.5; 1.0; 0.5; 0) is studied in situ during the adsorption of CO2 and Xe using X-ray diffraction and NMR techniques. The diffraction data, measured during the adsorption suggest a direct one-step phase transition (switching) from the narrow pore phase to the large pore phase beyond the transition pressure. An intermediate phase was found only in one compound within a narrow pressure range around the phase transition pressure region. In situ high-pressure 13C NMR spectroscopy of adsorbed CO2 also allowed following the gating behavior of the studied materials by monitoring the signal of adsorbed CO2. The 13C NMR spectra exhibit a pronounced broadening indicating a certain degree of order for the adsorbed molecules inside the pores. This ordering effect and the resulting line broadening depend on the linker functionalization as could be confirmed by corresponding molecular dynamics (MD) simulations.

Unusual suspect: The complex [(Cp*Mo)2(,3-P3)(,2-PS)] reacts with CuI and Ag[Al{OC(CF3)3}4] to form two novel linear polymers (see structure of CuI derivative; Cu light blue, I violet, Mo blue, P pink, S yellow). Even with X-ray crystallographic data available, the fact that the sulfur atoms in these polymers do not coordinate to the Group 11 metal centers could only be established with the help of 31P MAS NMR spectroscopy. Cp*=C5Me5

Ein ungewöhnlicher Baustein: Der Komplex [(Cp*Mo)2(,3-P3)(,2-PS)] bildet mit CuI und Ag[Al{OC(CF3)3}4] neue lineare Koordinationspolymere (siehe die Struktur das CuI-Derivats im Kristall; Cu hellblau, I violett, Mo blau, P rosa, S gelb). Erst anhand der 31P-MAS-NMR-Spektren konnte gezeigt werden, dass in den Polymerketten die Schwefelatome nicht an die Gruppe-11-Metalle koordinieren.

Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) sind hochporöse Materialien, welche aus Metallionen oder –clustern und sogenannten organischen Linkern bestehen. Aufgrund ihres modularen Aufbaus lassen sich gewünschte Eigenschaften der Materialien relativ leicht konstruieren und somit für Anwendungen hoch spezialisierte Materialien generieren. Neben klassischen Anwendungen poröser Materialen wie Gasspeicherung, Gastrennung und Katalyse kommen sie auch für speziellere Anwendungsgebiete in Sensoren oder als Wirkstoffträger für Medikamente in Frage. Insbesondere das flexible Verhalten einiger MOFs unter physikalischen oder chemischen Stimuli schafft dabei interessante Möglichkeiten. Flexible MOFs verändern zum Beispiel unter Einwirkung von Druck oder Gasen ihre Kristallstruktur, sodass bei Adsorptionsprozessen variables Verhalten auftreten kann. Einer der MOFs, welcher derartiges Verhalten aufweist ist DUT-13 (Dresden University of Technology Material Nummer 13). Dieser MOF hat eine offenporige (op) Phase, welche bei der Adsorption von Gasen wie Stickstoff, Methan und CO2 zu einer geschlossenen (cp) Phase kontrahiert. Eine weitere Drucksteigerung beim Adsorptionsprozess öffnet das Porensystem wieder. Diese Art der Flexibilität wird als breathing bezeichnet. Ein anderer MOF der diese Art von Flexibilität aufweist, ist DUT-49. Im Gegensatz zu DUT 13 zeigt dieser MOF allerdings zusätzlich das kontraintuitive Phänomen der negativen Gasadsorption (NGA). Bei dieser wird während des Adsorptionsprozesses in einem bestimmten Druckbereich bei der Phasentransformation von der op zur cp Phase Gas desorbiert, da in der op Phase zu diesem Zeitpunkt bereits mehr Gas adsorbiert ist, als in die cp Phase hineinpasst. Wichtig für das Auftreten dieses Phänomens ist also die Metastabilität der teilweise beladenen op Phase. Diese kann durch Faktoren wie Kristallitgröße, Temperatur, Adsorptiv, Metall im MOF und Porengröße beeinflusst werden. Da das Phänomen bisher nur in DUT-49 und isoretikulären Strukturen (Strukturen gleicher Netzwerktopologie) aufgetreten ist, soll das Phänomen im Rahmen dieser Arbeit auf andere Netzwerktopologien übertragen werden. Da der Flexibilitätsmechanismus in DUT-49 auf dem Verbiegen des Linkers beruht und dessen Eigenschaften somit großen Einfluss auf die Phasentransformation haben, wurde mit der näheren Untersuchung eines MOFs mit sehr ähnlichem Linker, DUT-13, begonnen. In dieser Arbeit wird die bisher unbekannte cp Phase von DUT-13 und der zugrundeliegende Flexibilitätsmechanismus des Netzwerkes aufgeklärt. Außerdem wird der Einfluss der Temperatur auf das Adsorptionsverhalten von DUT-13 geprüft. Zusätzlich wird durch die Synthese einer isoretikulären Serie von DUT-13-analogen MOFs der Einfluss der Porengröße auf die Flexibilität des Netzwerkes untersucht. So wird unter Anderem der hochflexible neue MOF DUT-190 hergestellt, welcher über den gesamten Temperaturbereich von Siedepunkt bis zum kritischen Punkt bei der Methanadsorption flexibles Verhalten zeigt. Außerdem wird an diesem neuen MOF der Einfluss des Metalls auf die Flexibilität untersucht, indem ein postsynthetischer Metallaustausch durchgeführt wird. Da die synthetisierten Linker der isoretikulären Reihe zu hohe Flexibilität in den MOFs induziert haben, wurden außerdem Linker hergestellt, welche die beiden äußeren Phenylringe am Linker durch eine Ethyleneinheit verbrücken. Auf Basis der so entstandenen Linker wurden weitere neue MOFs synthetisiert, welche das seltene Motiv von Siebenringen in MOFs einführen. Einer der so erhaltenen MOFs, DUT-193, weist dabei eine bisher unbekannte neue Netzwerktopologie auf. DUT 193 zeigt zudem hohe Porosität und rigides Verhalten. Um das Verständnis für die Anforderungen an den Linker zur Erzeugung von NGA zu erweitern, wurden abschließend einige Tests zum postsynthetischen Linkeraustausch an DUT-13 und DUT-49 durchgeführt, um den rigideren DUT-49-Linker in DUT-13 einzubauen und umgekehrt.:Danksagung I Inhaltsverzeichnis III Abkürzungsverzeichnis VI Theoretischer Teil 1 1 Motivation 1 2 Stand der Forschung 3 2.1 Was sind Metallorganische Gerüstverbindungen? 3 2.2 Isoretikuläre Chemie und Netzwerktopologien 4 2.3 MOF-Synthese und Aktivierung 8 2.3.1 Konventionelle Synthesen 8 2.3.2 Postsynthetischer Linkeraustausch 9 2.3.3 Postsynthetischer Metallaustausch 10 2.3.4 Aktivierung von MOFs 11 2.4 Röntgendiffraktometrie 12 2.5 Adsorption 16 2.6 Strukturelle Flexibilität in MOFs 22 Experimenteller Teil 28 3 Generelle Angaben 28 3.1 Chemikalien 28 3.2 Methoden 30 3.2.1 Methoden zur Charakterisierung der organischen Verbindungen 30 3.2.2 Methoden zur Handhabung und Charakterisierung synthetisierter MOFs 31 4 Synthesen.. 37 4.1 Linkersynthesen 37 4.1.1 Synthese des Linkers H4ndtb (Naphthalen-2,6-diamin-tetrabenzoesäure) 37 4.1.2 Synthese des Linkers H4benztb (Benzidintetrabenzoesäure) 38 4.1.3 Route 1 zur Synthese des Linkers H4benztpb (Benzidin-tetra-(p-phenylbenzoesäure)) 39 4.1.4 Route 2 zur Synthese des Linkers H4benztpb 40 4.1.5 Synthese des Linkers H4tpdatb (p-Terphenyldiamin-tetrabenzoesäure) 42 4.1.6 Synthese des Linkers H4BBCDC (9,9'-([1,1'-Biphenyl]-4,4'-diyl)bis(9H-carbazole-3,6-dicarbonsäure)) 44 4.1.7 Synthese der Linker H4TBBDDADC (5,5'-(3,3',5,5'-Tetramethyl-[1,1'-biphenyl]-4,4'-diyl)bis(10,11-dihydro-5H-dibenzo[b,f]azepin-2,8-dicarbonsäure)) und H4BBDDADC (5,5'-([1,1'-Biphenyl]-4,4'-diyl)bis(10,11-dihydro-5H-dibenzo[b,f]azepin-2,8-dicarbonsäure)) 45 4.1.8 Synthesen weiterer Linker und Linkervorstufen 51 4.2 MOF-Synthesen 53 4.2.1 Basierend auf H4ndtb 53 4.2.2 Basierend auf H4benztb 54 4.2.3 Basierend auf H4tpdatb 54 4.2.4 Basierend auf H4benztpb 55 4.2.5 Basierend auf H4BBCDC 56 4.2.6 Basierend auf den Azepinlinkern H2DDADC, H4TBBDDADC und H4BBDDADC 56 5 Ergebnisse und Diskussion 58 5.1 DUT-13 (Zn4O(benztb)3/2) 58 5.1.1 Charakterisierung von DUT-13cp und dem Mechanismus der Phasentransformation 58 5.1.2 Methanadsorption bei unterschiedlichen Temperaturen 60 5.2 H4tpdatb basierte MOFs DUT-180 und DUT-190 61 5.2.1 DUT-180 (Zn2(tpdatb)(H2O)2) 62 5.2.2 DUT-190 (Zn4O(tpdatb)3/2) 64 5.2.3 Metallaustausch an DUT-190(Zn) 70 5.3 H4ndtb und H4benztpb basierte MOFs (DUT-181 und DUT-191 bzw. DUT-182 und DUT-192) 76 5.3.1 DUT-181 und DUT-191 basierend auf Zink und H4ndtb 77 5.3.2 DUT-182 und DUT-192 basierend auf Zink und H4benztpb 78 5.4 Azepinlinker basierte MOFs DUT-183, DUT-184, DUT-193 und DUT-194 81 5.4.1 DUT-193 (Zn4O(TBBDDADC)3/2) 84 5.4.2 DUT-184 (Zn2(BBDDADC)(NMP)2) 87 5.4.3 DUT-194 89 5.4.4 DUT-183 (Zn4O(DDADC)3) 90 5.5 DUT-13 und DUT-49 mit gemischten Linkern 91 6 Zusammenfassung und Ausblick 97 Literaturverzeichnis 101 Anhang 106 Kristallstrukturdaten 106 Abbildungen der Analytik zum Experimentalteil 108 NMR-Spektren: 111 ATR-IR-Spektren: 131 Ergänzende Abbildungen zur Auswertung 135

Metal-Organic Frameworks (MOFs) are highly porous materials built from inorganic nodes joined by organic linkers forming extended crystalline networks. One of the distinguishing features of metal-organic frameworks is the ability to adaptively change their crystal structure in response to external stimuli with significant porosity switching. Such structural switchability of MOFs offers new opportunities in gas separation, selective recognition, sensing, and energy storage. However, there are still open questions in understanding factors affecting switchability. The electronic structure of the metal in the building blocks, host-guest interactions, but also particle size, morphology, surface, desolvation conditions are involved into the responsiveness of the system. One of the representative of switchable metal-organic frameworks is pillared-layer DUT-8 (M2(2,6-ndc)2(dabco), M = Ni, Co, Cu, Zn, 2,6-ndc = 2,6-naphthalenedicarboxylate, dabco = 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane). Depending on the metal node and particle size, it is possible to synthesize either switchable or rigid materials differing in physisorption isotherm profiles. In order to understand switching behaviour of DUT-8, the important parameters influencing structural switchability are addressed in my work. For this purpose, the impact of crystal size and morphology, as well as crystal surface on adsorption-induced structural transformations of DUT-8(Ni) were investigated. DUT-8(Ni) shows reversible structural transition between open (op) and closed pore phase (cp) upon adsorption/removal of guest molecules. To understand which particular crystal surfaces dominate the phenomena observed, crystals similar in size and differing in morphology were involved in a systematic study. The analysis of the data shows that the width of the rods (corresponding to the crystallographic directions along the layer) represents a critical parameter governing the dynamic properties upon adsorption of nitrogen at 77 K. This observation is related to the anisotropy of the channel-like pore system and the nucleation mechanism of the solid-solid phase transition triggered by gas adsorption. To investigate the influence of external surface on adsorption-induced switchability, DUT-8(Ni) samples were exposed to different treatment techniques. By means of analytical methods, it was revealed that the surface of samples was modified leading to a significant increase of the gate-opening pressure, reflecting the increase of activation barrier for phase switching form cp to op upon adsorption of nitrogen at 77 K. Furthermore, the properties of DUT-8(Zn) were studied precisely, focusing on the variation of particle size and morphology, host-guest interactions, desolvation conditions, selectivity and thermoresponsivity. Depending on the synthesis conditions, DUT-8(Zn) can be synthesised in macro-sized regime (150 µm) and micron-sized regime (0.5 µm). The solvent removal process (pore desolvation stress contracting the framework) significantly controls the cp/op ratio after desolvation and, subsequently, the adsorption induced switchability characteristics of the system. Among the applied desolvation techniques, the solvent exchange with subsequent heating causes phase transition from open (op) to closed pore phase (cp). After desolvation, the dense cp phase of DUT-8(Zn) shows no adsorption-induced reopening and therefore is non-porous for N2 at 77 K and CO2 at 195 K. However, polar molecules with a higher adsorption enthalpy, such as chloromethane at 249 K and dichloromethane (DCM) at 298 K can reopen the macro-sized crystals upon adsorption, while micron-sized crystals retain the cp phase. For macro-sized particles (160 µm), the outer surface energy is negligible and only the type of metal (Zn, Co, Ni) controls the DCM-induced gate opening pressure. The node hinge stiffness increases from Zn to Ni as confirmed by DFT calculations, X-ray crystal structural analysis, and low frequency Raman spectroscopy. This softer Zn-based node hinges and overall increased stabilization of cp vs. op phase shift the critical particle size at which switchability starts to become suppressed to even lower values. Hence, the three factors affecting switchability (energetics of the empty host, (Eop–Ecp) (i), particle size (ii), and desolvation stress (iii)) appear to be of the same order of magnitude and should be considered collectively, not individually. Crystal downsizing (0.5 µm) facilitates the responsivity of DUT-8(Zn) towards different guest molecules, not opening for macro-sized crystals. Among investigated adsorptives, the alcohols are in the center of attention due to ability to induce so called shape-memory effect in micron-sized crystals. The adsorption of alcohols stimulates the change of initial shape of pores (cp) into a temporary shape (op) which is maintained even after desorption. To brighten the crystal size range and to study the dependence of gate opening pressure from crystal size and morphology, differently shaped crystals in micron-sized regime were produced by face-selective coordination modulation. Morphology modification allowed to determine the critical parameter controlling switchable transformations in DUT-8(Zn). Thus, the crystal size engineering and morphology modification provide an opportunity not only to control the structural dynamics of MOFs, but also to tailor responsivity towards guest molecules, influencing the selective adsorption behaviour.

The photocathode is one of the key components of particle accelerator facilities that provides electrons for experiments in many disciplines such as biomedicine, security imaging, and condensed matter physics. The requirements for the electron emitting material, the so-called photocathode, are rather high because these materials should provide a high quantum efficiency, a low thermal emittance, a fast response, and a long operational lifetime. At present, none of the state-of-the-art photocathodes can fully meet all the desired requirements. Therefore, new materials that can be used as potential photocathodes are urgently needed for future developments in accelerator research. Semiconductor photocathodes such as cesium telluride are the preferred materials in particle accelerators. These photocathodes provide high quantum efficiencies of above 10 %, making them highly attractive. The crystal growth of cesium telluride, as a compound semiconductor photocathode, requires the deposition of cesium and tellurium on a suitable substrate with an ideal chemical ratio, which seems elaborate and difficult to handle. In contrast, III-V semiconductors, such as gallium arsenide and gallium nitride (GaN), represent another type of semiconductor photocathode. These commercially available semiconductors are already grown on a substrate and only require a thin film of cesium and optional oxygen to obtain a photocathode. An atomically clean surface is necessary to achieve a negative electron affinity surface, which is the main prerequisite for high quantum efficiency. In this work, p-GaN grown on sapphire by metal-organic chemical vapor deposition, was wet chemically cleaned, and transferred into an ultra-high vacuum chamber, where it underwent a subsequent thermal cleaning. The cleaned p-GaN samples were activated with Cs to obtain p-GaN:Cs photocathodes and their performance was monitored with respect to their quality, especially concerning their quantum efficiency and storage lifetime. The surface topography and morphology were examined ex-situ by atomic force microscopy and scanning electron microscopy in combination with energy dispersive X-ray spectroscopy. Treatments at different temperatures resulted in various quantum efficiency values and storage lifetimes. Moderate temperatures of 400–500 °C were found to be more beneficial for the p-GaN surface quality, which was reflected by achieving higher quantum efficiency values. After the thermal cleaning, the samples were activated with a thin layer of cesium at an average pressure of 1 x E-9 mbar. The surface morphology was studied with scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy after the samples were thermally cleaned and activated with cesium. The results showed that the surface appeared inhomogeneous when the samples were cleaned at a high temperature above 600 °C. A thermal cleaning from the back side through the substrate represented another possibility but did not yield higher quantum efficiency values. An in-situ analysis method facilitates following and understanding the changes in the surface electronic states before, during, and after any treatment of p-GaN:Cs photocathodes. For this purpose, an X-ray photoelectron spectrometer was applied that was built into an ultra-high vacuum system to prepare and characterize photocathodes. It allowed the in-situ monitoring of the photocathode surfaces beginning immediately after their cleaning and throughout the activation and degradation processes. The realization of the adaption of an X-ray photoelectron spectroscopy chamber to the preparation chamber presented a significant constructional challenge. Thus, this work paid special attention to the technical aspects of in-situ sample transportation between these chambers without leaving the ultra-high vacuum environment. The p-GaN surface was cleaned with different solutions and studied by X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy, revealing that cleaning with a so-called 'piranha' solution in combination with rinsing in ethanol works best for the p-GaN surface. A cleaning step that solely uses ethanol is also possible and represents a simple cleaning procedure that is manageable in all laboratories. Afterward, the cleaned p-GaN samples underwent a subsequential thermal vacuum cleaning at various temperatures to achieve an atomically clean surface. Each treatment step was followed by X-ray photoelectron spectroscopy analysis without leaving the ultra-high vacuum environment, revealing residual oxygen and carbon on the p- GaN surface. A thermal treatment under vacuum did not entirely remove these organic contaminations, although the thermal cleaning reduced their peak intensities. The remaining oxygen and carbon contaminants were assumed to be residuals derived from the metal-organic chemical vapor deposition process. After the cesium activation, a shift toward a higher binding energy was observed in the X-ray photoelectron spectroscopy spectra of the related photoemission peaks. This shift indicated that the cesium was successfully adsorbed to the p-GaN surface. Before the cesium activation, adventitious carbon at a binding energy of approximately 284 eV was found, which was also present after the cesium activation but did not shift in its binding energy. It was also shown that the presence of remaining carbon significantly influenced the photocathode’s quality. After the cesium deposition, a new carbon species at a higher binding energy (approximately 286 eV) appeared in the carbon 1s spectrum. This new species showed a higher binding energy than adventitious carbon and was identified as a cesium carbide species. This cesium carbide species grew over time, resulting in islands on the surface. The X-ray photoelectron spectroscopy data facilitated the elucidation of the critical role of thiscesium carbide species in photocathode degradation. Typically, the quantum efficiency of photocathodes decays exponentially. Conversely, an immense quantum efficiency loss was observed after the p-GaN:Cs photocathodes were studied by X-ray photoelectron spectroscopy. The origin of the quantum efficiency loss derived from X-rays as an external influence and was not caused by the sample’s transportation. Therefore, potential X-ray damages to the p-GaN:Cs photocathodes were investigated. These experiments showed that the adsorbed cesium and its adhesion to the p-GaN surface were strongly influenced by X-ray irradiation. The cesium photoemission peaks shifted toward a lower binding energy, while the relative cesium concentration did not. This shift indicated that X-ray irradiation accelerated the external aging of the p-GaN photocathodes and thus it was proposed to use lower X-ray beam power or cool the samples to prevent X-ray damage to cesiated photocathodes. This work shows that an exclusive activation with cesium is feasible and that a re-activation of the same sample is possible. Quantum efficiency values of 1–12% were achieved when the p-GaN, grown on sapphire, was activated. The capability of an X-ray photoelectron spectroscopy analysis allowed the in-situ monitoring of the photocathode surface and shed light on the surface compositions that changed during the photocathodes’ degradation process.

Eine Nierentransplantation ist das einzig kurative Behandlungsverfahren für Patienten mit terminaler Niereninsuffizienz. Jedoch ist Mangel an Spenderorganen ein zentrales Problem der Transplantationsmedizin. Die Diskrepanz zwischen Bedarf und Verfügbarkeit führte zur zunehmenden Akzeptanz von Spendern mit Marginalitätskritierien. Deren Transplantate sind jedoch mit einem erhöhten Risiko der primären Nichtfunktion oder des verzögerten Transplantatversagens verbunden und die Akzeptanz dieser risikoreicheren Organe ist limitiert. Viele potenzielle Spenderorgane bleiben ungenutzt aufgrund der Schwierigkeit, den Funktionszustand von Organen im Zeitraum der Konservierung mit der klinisch etablierten statisch kalten Lagerung auf Eis vorherzusagen. So ist die Bestimmung der Eignung eines Organs für eine Transplantation weitgehend abhängig von der subjektiven Beurteilung durch den Chirurgen bzw. von Kriterien, die Limitierungen hinsichtlich der Vorhersage der postoperativen Transplantatfunktion besitzen. Die Konservierung von Organen mittels Maschinenperfusion eröffnet für die Transplantationsmedizin neue Chancen. Besonders vielversprechend hierfür ist die normotherme Maschinenperfusion (NMP), welche physiologische Konditionen simuliert und damit eine Evaluation der Funktionsfähigkeit eines Organs bei Aufrechterhaltung des zellulären Metabolismus erlaubt. Nach fast zwei Dekaden intensiver Forschung an der NMP genießt die Etablierung von Bewertungsstrategien für Nieren jedoch zu wenig Aufmerksamkeit. An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit an mit dem Bestreben, eine objektive Funktionsbewertung von Nieren während der NMP zu gewährleisten. Aus dieser Zielstellung ergeben sich folgende vier Forschungsschwerpunkte: 1. Etablierung einer Perfusatlösung für die NMP 2. Bestimmung der Nierenfunktion während der NMP 3. Identifizierung von Blut-, Urin- und Gewebemarkern 4. Funktionelle Klassifizierung der Nieren 1. Etablierung einer Perfusatlösung für die NMP Ausgangspunkt dieser Arbeit ist die Etablierung eines standardisierten Versuchs-Setups mit geeigneter Organkonservierungslösung. Vier Perfusatvarianten werden auf ihr Potential zum Einsatz bei der NMP von Schlachthofschweinenieren untersucht. Die Basis aller Lösungen ist autologes Vollblut, welches mit unterschiedlichen Additiven (Gerinnungshemmer, Energielieferanten) versetzt wird. Die Beurteilung des Einflusses der Perfusatvarianten wird anhand von Kriterien durchgeführt, die das Anlaufverhalten der Nieren und die hämolytische Schädigung der Erythrozyten berücksichtigen. Das entwickelte standardisierte Versuchs-Setup, welches als Perfusatmedium Vollblut, Citrat und Glucose integriert, gewährleistet eine länger währende NMP mit stabiler Perfusionphase und geringen Hämolyseraten. Dieser etablierte Versuchsablauf mit geeigneter Perfusatlösung bildet die Grundlage für standardisierte und reproduzierbar durchführbare NMP-Experimente. 2. Bestimmung der Nierenfunktion während der NMP Eine Voraussetzung für die Entwicklung von Organbewertungsstrategien während der NMP ist ebenfalls die Etablierung einer bis dato noch nicht realisierten Bewertung der renalen Funktionsfähigkeit. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Goldstandard für den Nachweis der glomerulären Filtrationsrate (GFR), die Inulin-Clearance, herangezogen und deren Messung erstmalig in einem Großtiermodell ex vivo für die Funktionscharakterisierung von isolierten Nieren in einem NMP-Kreislauf etabliert. Hierfür werden Nieren von Tier-OP-Schweinen (n = 28) und von Schlachthofschweinen (n = 20) mit unterschiedlicher ischämischer Vorschädigung für vier Stunden normotherm perfundiert. Die Charakterisierung der Organqualität von Nieren unterschiedlicher Tiermodelle zeigt, dass Nieren von Schweinen aus einem standardisierten Tier-OP-Versuchs-Setup drei unterschiedliche Funktionszustände – funktionsfähig, eingeschränkt funktionsfähig und nichtfunktionsfähig – aufweisen. Marginale Nieren von Schlachthofschweinen hingegen zeigen stets funktionelle Beeinträchtigungen und weisen keinerlei physiologisch funktionsfähiges Verhalten auf. Für nachfolgende Untersuchungen wird das Schweinemodell der Tier-OP-Schweine präferiert. 3. Identifizierung von Blut-, Urin- und Gewebemarkern Die Bestimmung der Inulin-Clearance kann aufgrund des labortechnischen Zeitaufwands im Einsatzszenario der NMP keine Anwendung finden. Im Rahmen dieser Arbeit dienen jedoch deren Ergebnisse als Referenz für die Nierenfunktion, um diese im nächsten Arbeitsschwerpunkt mit Funktions- und Schadensmarker aus Blut, Urin und Gewebe zu korrelieren und damit bewertungsrelevante Marker für den Organzustand während der NMP zu identifizieren. Blut- und Urinproben werden vor und während der NMP entnommen. Daraus werden Funktionsmarker abgeleitet, die die Stoffwechselaktivität (Sauerstoffangebot, -verbrauch, -extraktion, Kohlenstoffdioxidproduktion), die Regulation der Hämodynamik (renaler Blutfluss, arterieller Perfusionsdruck, intrarenaler Widerstand, Nierentemperatur) sowie die Filterfunktion (Urinproduktion, Harnstoffkonzentration) berücksichtigen. Zudem wird Glutathion-S-Transferase, ein Schadensmarker des renalen Tubulussystems, betrachtet. Eine funktionelle Differenzierung der Nieren können acht - Sauerstoffangebot, -verbrauch, renaler Blutfluss, arterieller Perfusionsdruck, intrarenaler Widerstand, Nierentemperatur, Urinproduktion, Harnstoffkonzentration - von den elf untersuchten Markern gewährleisten. Zudem können anhand zweier Funktionsmarker der Hämodynamik (renaler Blutfluss, arterieller Perfusionsdruck) Abbruchkriterien für die NMP vorgeschlagen werden, die ein Anzeichen für eine nicht ordnungsgemäße Versorgung der Nieren mit Sauerstoff sind. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Untersuchung des Zusammenhangs zwischen den Gewebemarkern und dem Funktionszustand von ex vivo Nieren. Dafür wird erstmals die Anwendung des bildgebenden Verfahrens der hyperspektralen Bildgebung (HSI) für den Einsatz bei isolierten Organen etabliert. Die Eignung des verwendeten HSISystems wird anhand von Referenzmessungen mit einem Spektrometer und einem kalibrierten optischen Testchart überprüft. Diese Untersuchung bestätigt die Verwendbarkeit der HSI-Kamera zur Analyse von Gewebemarkern und bildet damit die Voraussetzung für die Bestimmung der Gewebeoxygenierung, des Gewebewassergehalts sowie des Gewebelipidgehalts. Die generelle Methodik für die Etablierung der Gewebemarker ist jeweils die Erstellung eines geeigneten Trainingsdatensatzes, die entsprechende Vorverarbeitung der HSI-Daten sowie die Auswahl eines optimalen Wellenlängenbereichs für die PLSRModellbildung mit schlussendlicher Darstellung des Verlaufs des Gewebemarkers auf der Nierenrinde der Tier-OP-Schweine. Die Marker der Gewebeoxygenierung und des Gewebewassergehalts können mit dem funktionellen Zustand der Nieren korreliert werden und zeigen keine signifikanten Abhängigkeiten. Für den Gewebelipidgehalt kann im hier betrachteten Wellenlängenbereich von 500 nm bis 995 nm keine adäquate PLSR-Modellbildung erfolgen. 4. Funktionelle Klassifizierung der Nieren Um erstmalig mithilfe der etablierten Funktions- und Schadensmarker aus Blut, Urin- und Gewebe eine Einteilung der Organe zu gewährleisten werden Methoden des überwachten Lernens (Support Vector Machine, Random Forest, k-nächste-Nachbarn, logistische Regression, Naive Bayes) eingesetzt. Zudem wurde mittels eines Convolutional Neural Network eine Differenzierung der Nierenqualität ausschließlich auf Grundlage von HSI-Daten realisiert. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden abschließend mit den Resultaten des in der Klinik etablierten präoperativen, histologischen Remuzzi-Scores verglichen. Auf der Basis von mathematischen Methoden des überwachten Lernens ist es ausschließlich unter der Verwendung einiger Blut- und Urinmarker (renaler Blutfluss, arterieller Perfusionsdruck, Nierentemperatur, Sauerstoffverbrauch, Urinproduktion und Harnstoffkonzentration) möglich, funktionsfähige Nieren von vermindert funktionsfähigen Nieren zu unterscheiden. Eine differenziertere Einteilung des Nierenzustandes in funktionsfähig, eingeschränkt funktionsfähig und nicht-funktionsfähig ist jedoch unter der Verwendung einer Kombination aus HSI-Daten und KidneyResNet möglich. Im Vergleich dazu korreliert der histologische Remuzzi-Score nach vierstündiger NMP nicht mit der Funktion der Nieren. Die in dieser Arbeit etablierten Methoden gewährleisten eine vielfältige, umfassende sowie objektive Bewertungsmöglichkeit zur Charakterisierung des Nierenzustandes. Dieses Potential kann zukünftig genutzt werden, um eine gezielte Entscheidung über die Annahme oder die Ablehnung für eine Transplantation zu sichern und somit letztendlich zur Ausweitung des verfügbaren Spenderpools beizutragen.

As the UN summit in September 2015 addressed with the Sustainable Development Goals (SDG), our planet faces great challenges.[1] Not only since then has the role of synthetic materials chemistry been discussed in this context.[2–16] This not only concerns the development of new materials with outstanding properties such as catalysts, materials for energy conversion, and cost-efficient energy converting and storage materials, but also a reduction of the energy consumption of established functional material syntheses. Therefore, new approaches addressing the three main categories to promote the potential for energy and resource efficiency have been proposed: lowering the temperature of the synthetic processes, improving the yield and purity of the materials, and reducing the amount of waste materials. In this context a number of low-temperature processes have been established, in which mainly solvents, i.e. amines and alcohols, are used in combination with previously synthesised precursors as the solubility of the starting materials limits their usability and most elements are not soluble in these solvents. Novel solvents like ionic liquids (ILs) showcase growing interest as they are considered particularly resource-efficient.[17,18] ILs are defined as liquids that are comprised entirely of ions, with melting points below 100 °C. Continuing on from the reported work in this field, this thesis focuses on investigating the ability of ILs in the syntheses for known chalcogenides at lower temperatures and the synthesis of new materials. The main focus lies on conversions with high atom economy, especially by starting from the elements and completely recycling the IL afterwards, and mechanistic studies elucidating the intermediate dissolved species. Furthermore, as imidazolium based ILs, and their derived LEWIS-acidic ILs [BMIm]Cl/nAlCl3 mixtures, have proven to be good crystallisation media in inorganic syntheses, and the class of mostly room-temperature liquid ILs (RTILs) based on phosphonium cations [P66614]Cl showcased the ability to dissolve red phosphorous, Pred, and the heavier chalcogens S, Se, and Te, this work mainly focuses on these two IL systems. This was also chosen as an in-depth understanding of the activation and resource-efficient synthesis of these chalcogenides has still not been established. As they are RTILs, they also made the characterisation of the reactive and dissolved species by liquid state NMR, Raman, UV/Vis spectroscopy and electrochemical characterisation possible. This expands the knowledge of which main group elements and ore-like starting materials can be used in ionothermal synthesis. As a starting point the thermoelectrically interesting materials class of tellurides is addressed. The under normal conditions hard to dissolve element tellurium readily dissolves in phosphonium ILs with the cations [P66614]+ and [P4444]+. In ILs with carboxylate anions a deep purple hue of the IL already occurred by dissolving tellurium at temperatures of 60 °C. Investigations on the solutions in the acetate ILs revealed the formation of tellurium anions (Ten)2– with chain lengths up to at least n = 5, which are in a dynamic equilibrium with each other. Since external influences could be excluded and no evidence of an IL reaction was found, disproportionation of the tellurium is the only possible dissolution mechanism. However, the spectroscopic detection of tellurium cations in these solutions is difficult, but the coexistence of tellurium cations, such as (Te4)2+ and (Te6)4+, and tellurium anions could be proven by cyclic voltammetry and electrodeposition experiments. DFT calculations indicate that electrostatic interactions with the ions of the ILs are sufficient in stabilizing both types of tellurium ions in solution.[19] In contrast, the acetate ILs show insufficient conversion in reactions of coin metals (Cu, Ag, Au) with tellurium to the corresponding tellurides, especially at low temperatures, however the chloride ILs successfully synthesise Cu2–xTe, CuTe, AuTe2 and Ag2Te. As the synthesis of the tellurides in neat ILs at temperatures down to 60 °C was only sufficient for the system Ag-Te, with a full conversion of the elements to Ag2Te, this was chosen as a model system for further investigations. Even at room temperature, a quantitative yield was achieved by using either 2 mol% of [P66614]Cl in dichloromethane or a planetary ball mill. The unexpected finding that phosphane-free [P66614]Cl also allows the quantitative synthesis of Ag2Te at 60°C implies an additional activation mechanism independent from the phosphane, which is yet unknown.[20] Subsequently, the manifoldly-used lighter chalcogen sulphur is tested for the synthesis of sulphides. Direct synthesis of binary sulphides of B, Bi, Ge, Mo, Cu, Au, Sn, In, Ti, V, Fe, Co, Ga, Ni, Al, Zn, and Sb in [P66614]Cl was tested at 100 °C, i.e. below the melting point of sulphur. Under these conditions, substantial sulphide formation occurred only for nickel (Ni3S4, Ni3S2, NiS) and copper (Cu2S, CuS). Sb showed no formation of crystalline sulphide, but after addition of EtOH, an orange material precipitated which was identified as amorphous metastibnite.[21] As generating these elements from their ores is highly energy consuming, direct dissolution experiments of the crystalline stibnite in [P66614][OAc] and Cl– were investigated and resulted in yellow solutions, from which the amorphous form can be precipitated upon exposure to EtOH air without any sign of decomposition of the IL. In particular, follow-up investigations were conducted on the solubility of Sb2S3 for follow-up chemistry in the LEWIS-acidic IL [BMIm]Cl · 4.7 AlCl3 at 160 °C which resulted in the formation of the novel chloride-terminated [Sb13S16Cl2]5+ quadruple-heterocubane cation-containing compound [Sb13S16Cl2][AlCl4]5.[21] Addition of CuCl in a slightly modified reaction resulted in the formation of the layered semiconductor Cu(Sb2S3)[AlCl4]. From this the AlCl3 can be leached by treatment with 0.1 molar hydrochloric acid, yielding a compound with the presumed composition Cu(Sb2S3)Cl.[22] As ILs showed to be able to activate elements that are insoluble in common solvents, and the formation of Sb2S3 from reactions mixtures of the elements raised the question of whether only the sulphur forms a mobile species or if antimony could additionally activated, the synthesis of binary antimony compounds directly from elements was explored as they are highly discussed as replacements for silicon-based semiconductors. Therefore the 12 elements Ti–Cu, Al, Ga, In, and Te, which are known to form binary compounds with Sb, were reacted with Sb in [P66614]Cl under inert conditions in a simple closed glass flask with vigorous stirring for 16 h at 200 °C. This resulted in the formation of NiSb, InSb, Cu2Sb and Sb2Te3. The applied reaction temperature is several hundred degrees below the temperatures required for solvent-free conversions. Compared to reactions based on diffusions in the solid state, reaction times are much shorter. The IL is not consumed and can be recycled. Since the reaction with Cu showed almost complete conversion, the influences of reaction time, temperature and medium were further investigated. In a diffusion experiment, Cu2Sb formed on the copper, which indicates that antimony forms mobile species in these ILs. These systematic studies hence deliver a contribution to how ILs can help in the synthesis of new materials and how they can make a difference in the synthesis of inorganic materials as well in the context of “GREEN CHEMISTRY”. This can help in developing a more educated choice/toolbox of IL systems for reducing energy costs by reducing the temperature from high temperature inorganic syntheses to syntheses near room-temperature by using the elements as starting materials, with a high atom economy for the synthesis of known and new materials.

The silica-based cell walls of diatoms are outstanding examples of nature’s capability to synthesize complex porous structures with genetically controlled patterns from the nanometer scale to the range of hundreds of micrometers. Formation of the cell wall building blocks (valves and girdle bands) occurs in membrane-bound compartments, termed silica deposition vesicles (SDVs), which are unique organelles in silica-forming protists. Isolation of the SDVs has not yet been achieved, which has severely hampered the efforts to understand the mechanisms of biological silica morphogenesis. The present thesis aimed to address this shortcoming. The foundation was the development of an improved cell cycle synchronization and a fluorescence labeling method for the model diatom Thalassiosira pseudonana that enabled rapid identification of valve SDVs in a cell lysate. Correlative fluorescence and electron microscopy allowed visualizing the development of valve silica with unprecedented spatio-temporal resolution. Elemental analysis and demineralization of immature valves provided the first direct chemical evidence that silica morphogenesis is an interplay of inorganic and organic molecules inside the valve SDVs. Cryo TEM imaging of valve SDVs indicated the formation of organic patterns that precede silica depostion. From these observations, an organic biomolecule dependent, liquid-liquid phase separation based model for pore formation in the diatom T. pseudonana was proposed. The second part of this thesis was focused on the enrichment of valve SDVs from T. pseudonana and the subsequent proteomics based identification of more than 40 potential valve SDV proteins. Among these, three diatom-specific proteins contained conserved protein protein interaction domains (ankyrin-repeats) and were surprisingly predicted to be located in the cytoplasm. The fluorescent tagging of the three proteins (termed dANK1-3) confirmed their association with the valve SDVs. When the respective dank genes were knocked out by CRISPR/Cas9, the valves displayed permanent anomalies in the quantity and the pattern of ~22 nm sized pores. Double knockout mutants lacking both dank1 and dank3 were almost completely devoid of pores. The analysis of valve morphogenesis in the single and double knockout mutants revealed phenotypic changes that were consistent with the liquid-liquid phase separation based model for pore pattern formation in diatom biosilica. The work of this thesis has provided for the first time direct access to valve SDVs, which has opened entirely new possibilities for studying the composition, properties, and working mechanism of an organelle that forms a complex shaped mineral.

Wirtschaftliches Wachstum und steigende Nachfrage führten in den letzten Jahren zu einer erheblichen Zunahme des Energieverbrauches in der Welt. Verbrennung der fossilen Brennstoffe zu Zwecken der Energiegewinnung resultiert in einer zunehmenden CO2-Emission, was auch die globale Erwärmung wesentlich beschleunigt. Aufgrund dessen spielen erneuerbare Energiequellen im Energieversorgungssystem eine wichtige Rolle. Die sog. „Energiewende“ erfordert aber leistungsfähigere Speichermedien wie Batterien, Superkondensatoren und Brennstoffzellen, da die Menge der gewonnenen Energie von den Wetterbedingungen abhängt und während des Tages variiert. Superkondensatoren werden aktuell wegen ihrer ausgezeichneten Eigenschaften intensiv erforscht. Sie besitzen eine hohe Masse-Leistungsdichte, Lade-/Entladeeffizienz, sie können schnell geladen und entladen werden und arbeiten stabil über 1 Mio. Zyklen. Um Superkondensatoren weiterzuentwickeln, werden verschiedene poröse Elektrodenmaterialien in Kombination mit unterschiedlichen Elektrolyten untersucht. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, die Wechselwirkung zwischen Elektrolyten und porösen Kohlenstoffmaterialien mittels Festkörper- und in situ NMR-Spektroskopie auf molekularer Ebene zu untersuchen. Als Elektrodenmaterialien wurden mikroporöses TiC-CDC1000, mikroporöses kommerzielles YP50F, mesoporöses CMK-3, sowie ein hierarchisches, mikro- und mesoporöses OM-CDC gewählt. Als Elektrolyte wurden organische Elektrolyte, ionische Flüssigkeiten (ILs) sowie 85 Ma.-% Phosphorsäure benutzt. Festkörper-NMR-Spektroskopie erlaubt die Unterscheidung zwischen adsorbierten und desorbierten Elektrolytbestandteilen. Es wurde gezeigt, dass die Beweglichkeit der adsorbierten Ionen von der Porengröße des Kohlenstoffmaterials abhängt. Die Ionen sind in den Mikroporen (wie in TiC-CDC1000) stärker immobilisiert, was die Kapazität eines Superkondensators bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten mindert. Für das mesoporöse Material CMK-3 ist eine höhere Beweglichkeit der Ladungsträger charakteristisch. Dadurch konnte eine hohe Kapazität über einen großen Bereich von Vorschubgeschwindigkeiten nachgewiesen werden. Die innere Oberfläche besitzt ebenfalls wesentlichen Einfluss auf die Kapazität. Durch die große Anzahl kleiner Mikroporen ist die innere Oberfläche bei TiC-CDC1000 größer als bei CMK-3. Deshalb ist die Kapazität für TiC-CDC1000 bei geringeren Vorschubgeschwindigkeiten entsprechend höher. Hierarchische Kohlenstoffmaterialien (wie OM-CDC), die aus Mikro- und Mesoporen bestehen und eine große innere Oberfläche besitzen, bieten gute Transporteigenschaften der Elektrolytbestandteile und sind daher für die Energiespeicherung besonders vielversprechend. Es wurde auch mittels Festkörper-NMR-Spektroskopie gezeigt, dass die verschiedenen Elektrolytbestandteile im Porensystem unterschiedlich beweglich sind. So tauschen große Ionen langsamer mit der Umgebung aus als kleine. Die Ionengröße wirkt sich außerdem auf die Ionenverteilung in den Poren aus. Es wurde festgestellt, dass sich die kleineren Anionen des organischen Elektrolyts tendenziell näher an der Porenwand aufhalten. Die großen Kationen sind hingegen tendenziell weiter von der Porenwand entfernt. Die Lösungsmittelmoleküle besitzen im Mittel den größten Abstand zur Porenwand. Außerdem wurden mittels 2D Exchange Spectroscopy (EXSY) zum ersten Mal zwei verschiedene Austauschprozesse separat sichtbar gemacht: Austausch an der Partikeloberfläche und Diffusion in den Poren. Der Einfluss der Ionen- und Porengrößen auf die Kapazität wurde auch für eine IL untersucht. ILs bestehen im Vergleich zu den organischen oder wässrigen Elektrolyten in der Regel aus relativ großen Ionen und sind viskoser. Daraus resultierten Einschränkungen bezüglich Adsorptionsverhalten und Beweglichkeit. Dies trifft besonders für mikroporöse Kohlenstoffmaterialien aufgrund ihrer kleinen Poren zu. Durch die Verdünnung der IL mit Acetonitril im Verhältnis 60 vol.-% IL/40 vol.-% AN konnte ein Optimum erzielt werden. Der Elektrolyt wurde vollständig im mikroporösen Material adsorbiert und es wurden immer noch hohe Ionenbeweglichkeiten und Kapazitäten erreicht2. Des Weiteren wurde der Effekt des Größenausschlusses in Mikroporen für die Superkondensator-Diode (CAPode) mittels NMR-Spektroskopie nachgewiesen. In der CAPode ist eine Elektrode mikroporös und die andere mesoporös. Es wurde ex situ, d.h. ohne Spannung gezeigt, dass die Mikroporen nur mit dem Lösungsmittel gefüllt sind, wenn die Kationen wesentlich größer als Poren des Materials sind - auch wenn die Anionen in die Poren passen würden. Alle Ionen befinden sich dann ausschließlich außerhalb den Poren. Mit in situ NMR-Experimenten wurde gezeigt, dass bei positiv geladener mikroporöser Elektrode die Anionen in die Mikroporen eindringen und adsorbiert wurden. In der CAPode fließt der Ladestrom und eine signifikante Kapazität ist messbar. Wird die mikroporöse Elektrode aber negativ geladen, bleiben die Kationen aus sterischen Gründen außerhalb der Poren. Die Anionen bleiben dann ebenfalls außerhalb der Poren. Es wird dann weder ein signifikanter Ladestrom noch eine Kapazität gemessen. Bei der Untersuchung der Adsorption von 85 Ma.-% Phosphorsäure an Kohlenstoffmaterialien mittels Festkörper-NMR-Spektroskopie wurde gezeigt, dass sich die Phosphorsäuremoleküle in den Poren überwiegend an der Porenwand befinden, die Wassermoleküle dagegen in der Porenmitte und/oder außerhalb der Poren. Aus den 1H NMR-Spektren wurde auch auf eine hohe Austauschgeschwindigkeit von Protonen zwischen Wasser und Phosphorsäure sowie zwischen adsorbiertem und desorbiertem Zustand geschlossen, was die hohe Leitfähigkeit der Säure erklärt. Zusätzlich wurde die Selbstentladung eines Superkondensators mittels in situ NMR-Spektroskopie untersucht. Es wurde eine Korrelation zwischen der Diffusionsgeschwindigkeit der Ionen in den Poren, welche die Austauschgeschwindigkeit bestimmt, und der Spannung der Zelle demonstriert. Je höher die Spannung, desto schneller waren Austausch und Diffusion. Die erhöhte Ionenbeweglichkeit wurde für die schnelle Selbstentladung zu Beginn des Entladevorganges verantwortlich gemacht. Mit der Zeit verlangsamt sich die Diffusion und somit auch die Selbstentladung. Außerdem wurde gezeigt, dass eine lange Haltezeit beim Laden zur langsameren Selbstentladung führt.:Abkürzungs- und Formelverzeichnis iii 1 Motivation und Zielstellung 1 2 Einleitung 5 2.1 Superkondensatoren 5 2.2 Selbstentladung von Superkondensatoren 10 2.3 Materialien für die Elektrodenherstellung 10 2.4 Elektrolyte für Superkondensatoren 12 2.5 Brennstoffzellen 19 3 Methoden 23 3.1 MAS NMR-Spektroskopie 23 3.2 Untersuchung von Adsorptionsprozessen mittels Festkörper-MAS NMR-Spektroskopie 30 3.3 Untersuchung von Superkondensatoren mittels in situ NMR Spektroskopie 35 3.4 Zyklovoltammetrie 44 3.5 Elektrochemische Impedanzspektroskopie 45 4 Experimenteller Teil 49 4.1 Untersuchte Kohlenstoffmaterialien 49 4.2 NMR-Spektroskopie 51 4.3 Elektrochemische Experimente 54 5 Ergebnisse und Diskussion 55 5.1 Untersuchung der Beweglichkeit von Elektrolytmolekülen in Kohlenstoffmaterialien mit hierarchischer Porenstruktur und mit enger Poren-Radius-Verteilung 55 5.2 Untersuchung der Wechselwirkung zwischen einer IL und den Elektrodenmaterialien mittels NMR Spektroskopie, Zyklovoltammetrie und Impedanzspektroskopie. 70 5.3 Untersuchung der selektiven Adsorption von Elektrolytbestandteilen in Superkondensatoren (CAPoden) 80 5.4 Untersuchung der Adsorption von Phosphorsäure an Kohlenstoffmaterialien mit unterschiedlichen Porengrößen 87 5.5 Der Einfluss der Diffusion auf die Selbstentladung von Superkondensatoren 94 6 Zusammenfassung 103 Danksagung 108 Literaturverzeichnis 110 Anhang 1: Einfluss der N-dotierung auf die Eigenschaften des YP50F 119 Anhang 2: Adsorption verschiedener ILs an YP50F 124 Anhang 3: Bestimmung des Schmelzpunktes an freier und adsorbierter IL 131 Anhang 4: MAS NMR-Experimente an 2D MXene 134 Abbildungsverzeichnis 137 Tabellenverzeichnis 141 Veröffentlichungen 142 Poster 142 Vorträge 142 Publikationen 142 Selbstständigkeitserklärung 144

Comprehensive understanding of chirality has played a crucial role for ensuring safety and efficacy of drug products. In many cases, two optical configurations of a chiral molecule exhibit substantially different physiological behaviour, and thus the preparation of single enantiomers has become as an essential topic in the pharmaceutical industry.1-2 Enantiomerically pure compounds could generally be achieved by separation from racemic mixtures or direct synthesis of enantiopure molecules. Either way, chiral materials which are employed as stationary phase in chiral columns or chiral catalysis, are a basic condition to decide to enantiomeric excess of resulting mixtures. Despite obtaining high enantiomeric purity, the chiral separation of racemic mixtures is considered as an expensive and inefficient approach due to undesired enantiomers, while asymmetric synthesis, which enables dominant formation of the single enantiomers, is an atom-economical method. However, the development of efficient heterogeneous chiral catalysts has been still required further investigations to provide more potential options for asymmetric organic reactions, especially carbon-carbon bond formations, which are key steps in organic synthesis.1-3 In recent years, metal-organic frameworks have emerged as one of the most intriguing solid porous materials. Together with the highly active catalytic centers, wide structural and functional variations, MOFs have been successfully employed as heterogeneous catalysts for a variety of organic transformations.4-5 However, very few achievements relating to MOFs as asymmetric catalysts have been reported to date because of their low thermal and chemical stabilities. Such solid stable frameworks, the Zr-MOFs offers great opportunities for designing novel effective asymmetric catalysts.1, 6-9 This is an interesting, but also challenging topic with many open issues: • How can we introduce effectively enantiopure active sites into Zr-MOFs? • Are there any positive or negative impacts of Zr-nets on the performance of chiral catalytic sites? • If any, is it possible to control these effects during the reaction phase? • How is the recyclability of these chiral Zr-MOFs? Finding answers for these questions are the core of this thesis. In Chapter 3, DUT-67, an 8-connected zirconium and 2,5-thiophenedicarboxylate based MOF, was post synthetically functionalized by L-proline via solvent assisted linker incorporation to obtain a chiral base catalyst. The parent monocarboxylate could be almost completely exchanged by L-proline after 5 days of treatment. The resulting chiral DUT-67, DUT-67-Pro, was demonstrated to be a promising heterogeneous catalyst for the asymmetric Michael addition of cyclohexanone to trans-β-nitrostyrene with excellent yield (up to 96%) and enantioselectivity comparable to that of L-proline in homogeneous reaction (ee approximately 38%). The Zr-MOF could be reused at least 5 times without substantial degradation in crystallinity or catalytic activity. No leaching of catalytically active species into the liquid phase was detected over 5 cycles. A further understanding regarding the role of catalytic active sites, including Zr-clusters and L-proline, in asymmetric aldol addition of cyclohexanone and 4-nitro-benzaldehyde is investigated in Chapter 4 to clarify the predominant formation of syn-products as well as the absence of enantioselectivity in previous catalytic systems. The presence and location of L-proline into DUT-67 was confirmed by Solid-state MAS and DNP NMR data. The chiral DUT-67-Pro catalyst exhibits an excellent catalytic activity at low temperature (298 K) with an unprecedented syn-(S,S)-product selectivity in an asymmetric aldol addition reaction of cyclohexanone to 4-nitrobenzaldehyde (yield = 95%, ee = 96%). Comparative catalytic studies using a molecular Zr6-cluster model compound indicate the Zr6-moiety to be responsible for this inverse diastereoselectivity compared to well-established L-proline organocatalysis and a mechanism is proposed to explain the Zr6-cluster-mediated syn-selectivity. Masking residual acidic active sites in the cluster of the framework was found to be a key prerequisite to achieve the high enantioselectivity. The purely heterogeneous catalytic system based on DUT-67-Pro is highly stable and can be recycled several times. Lastly, a novel chiral diimine Zr-MOF, namely DUT-136, synthesized from one-pot reaction of ZrCl4 with 4-formylbenzoic acid, and (R,R)-1, 2-diphenylethylenediamine as an enantiopure core will be described in Chapter 5. Inspired from the versatile transformation of the C=N double bonds, a variety of post-synthetic methods, including oxidation, reduction, and metalation, was employed to modify DUT-136 for formation of the chiral amide-, amine-, and Ni-DUT-136, respectively. The catalytic behaviour of these post-synthetically modified materials was then evaluated in a wide range of asymmetric organic transformations, including the Friedel Craft alkylation, the Michael addition, the aldol reaction and the Ni-catalyzed C-C coupling. The research on synthesis of chiral Zr-MOFs and their catalytic behavior in this work are expected to provide a better understanding or at least give to other scientists open ideas for further deeper studies regarding this topic in the future.

The ultimate goal of this work is providing insights into fundamental (physico-) chemical (redox) behavior of hexavalent uranium (U(VI)), trivalent europium (Eu(III)) and selenium (Se), and upon their interaction with ubiquitous small biomolecules (in case of U(VI) and Eu(III)) or alkaline earth metal ions (in case of Se(IV) and Se(VI)) by application of Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy. NMR spectroscopy is a powerful method proving its usefulness also to environmental and nuclear waste related studies in aqueous solutions by determination of (potential) binding sites, molecular structures (even conformation and configuration) as well as intra- and intermolecular dynamics, (redox) reaction pathways and mechanisms. The present work comprises extensive NMR spectroscopic investigations in aqueous (D2O) solutions on (i) glutathione (GSH) and glutathione disulfide (GSSG) interactions with trivalent lanthanides (Ln(III), particularly Eu(III)) and U(VI), (ii) molecular structures of citrate (Cit) complexes of U(VI), and their reactions upon light-irradiation, as well as (iii) pH- and temperature-dependent speciation of selenium oxyanions, i.e., Se(VI) (selenate) and Se(IV) (selenite and, notably, hydrogen selenite) as well as Se(VI) and Se(IV) interaction with alkaline earth metal ions. These investigations are supported by time-resolved laser-induced fluorescence spectroscopy (TRLFS), ultraviolet-visible-near infrared (UV-Vis-NIR), IR/Raman, and extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM), as well as quantum chemical calculations on density functional theory (DFT) level. For NMR spectroscopic data on GSH/GSSG complexation towards both Eu(III) and U(VI) are lacking, the herein presented results are new, and nicely complement other spectroscopic studies. Ln(III) complexes of GSH are characterized by their high solubility at least up to 300 mM and pD 5. However, the formation constant of the Eu(III)–GSH 1:1 complex is quite low with log K = 1.71 ± 0.01 as determined by Eu(III)-TRLFS. The diamagnetic La(III) and Lu(III) showed only little effect on the NMR spectra (< 2 ppm) while analogous Eu(III) solutions revealed hyperfine shifts up to 40 ppm. Eu(III)-induced 1H chemical shift changes are solely upfield and attributed to be predominantly due to pseudocontact contribution caused by dipolar interaction. In contrast, Eu(III)-induced 13C chemical shift changes of adjacent atoms – at least for the carboxyl and α-carbons – show alternating signs, indicating spin polarization effects owing to contact contribution. As expected for hard LEWIS acids and shown by other spectroscopies, complexation facilitates by the carboxyl groups. Qualitative differences between the glutamyl and glycyl carboxylate in metal ion complexation are ascribed to COULOMB repulsion due to the positively charged NH3+ in direct vicinity. Investigations of the U(VI)–GSH system covered experiments under both oxidizing and reducing conditions, performed with GSH’s oxidized form, GSSG, at ambient conditions, while samples with reduced GSH were handled under N2 atmosphere. For either condition, U(VI) showed interaction in aqueous (D2O) solution with both GSH and GSSG as determined by U(VI)-induced 1H and 13C chemical shift changes and U(VI) TRLFS, the latter comprising measurements at 25 °C and –120 °C. In principle, the interactions are stronger as compared to the Ln(III) system, and the speciation in both solution and solid is more complex owing to the aqueous chemistry of uranium. Observed binary GSH complexes are [UO2(H2GSH)]2+ for pD values up to ≈ 2.3, and [UO2(HGSH)]+ predominating for pD > 2.3. Complementary to the Eu(III) results, whenever net neutral binary GSH/GSSG or ternary hydroxo GSH/GSSG U(VI) complexes form in solution, both these U(VI) systems revealed extensive precipitation because of the low solubility of these complexes. Binary U(VI) GSSG and ternary U(VI) hydroxo GSSG complexes yield solid phases from pD 2 through 8, even in carbonatic media. The largest quantities of aqueous GSSG–U(VI) complexes are observed for pD ≈ 3.5, with the association constant for pH 3 determined by TRLFS as log K = 4.81 ± 0.08 for a 1:1 complex. GSH cannot compete with hydroxo ligands for complexation as of pD 6, whereas GSSG can at least partially compete with hydroxo and carbonate ligands upon formation of both quaternary U(VI) hydroxo carbonate GSSG, and ternary U(VI) carbonate GSSG (poly-)anionic species of high solubility. Under reducing and near-neutral conditions (pD 6 – 9) GSH immediately reduced U(VI) with subsequent formation of nanocrystalline UO2+x. After centrifugation of the starting material and allowing the decanted supernatant to age, the dissolved nanocrystals assemble network-like as disclosed by TEM, and further analysed by selected-area electron diffraction (SAED), energy-dispersive X-ray (EDX) and UV-Vis spectroscopy, revealing hyper-stoichiometric UO2+x phases. Such network-like assembled actinide containing nanocrystals, with the arrangement most likely provoked by the presence of GSSG, have never been shown before. Complementary, the precipitate that has also been allowed to age as a wet paste, showed color changes from yellow via olive to black, indicating a reaction to proceed. The repeatedly probed and dissolved material exhibited GSSG in NMR spectra, and UV-Vis-NIR absorption bands attributed to U(IV) and, notably, U(V), the latter implying a one-electron transfer with subsequent disproportionation of U(V) to U(IV) and U(VI). Therefore, obtained results advance the understanding of both fundamental redox behavior of uranium and the role of GSH (and related molecules) in U(VI) detoxification processes in vivo. Although investigated for over 70 years, there are still controversial discussions on both speciation and structures of U(VI)–Cit complexes. By means of NMR’s strength in both structure determination and sensitivity to dynamic processes, studies regarding the U(VI)–Cit system allowed further fundamental insights into the structures of the formed complexes on a molecular level. Upon complexation a chiral center is induced in Cit’s central carbon, resulting in the formation of two diastereomeric pairs of enantiomers, whereupon the dimeric complexes exhibit syn and anti configured isomers. In fact, the combination of 17O NMR (note: at natural abundance) and quantum chemical calculations allowed an unambiguous decision on complex geometry and overall configurations. It is evidenced for the first time that the syn isomer is favored in aqueous solution in contrast to the preferably crystallizing anti isomer. Both isomers coexist and interconvert among one another, with a rate estimated to be in the order of 102 s–1 at 25 °C in acidic media, and a corresponding activation energy of approximately 60 kJ mol–1. Moreover, clear indications for uranium chirality is observed for U4+, with the 1:1 U(IV)–Cit complexes also forming two diastereomeric pairs of enantiomers. Comprehensive spectroscopic experiments combined with quantum chemical calculations improved basic understanding of the photo-reaction mechanism in the U(VI)–Cit system. Regardless of sample conditions, Cit is degraded to β-ketoglutarate, acetoacetate, and acetone, while U(VI) was reduced to U(IV) at pD 2 and U(V) at pD 5, suggesting a two- and a one-electron transfer, respectively. NMR signals observed for pD 5 samples at remarkable 1H chemical shift values between 25 and 53 ppm, in combination with UV-Vis-NIR absorptions at about 750 and 930 nm, are assigned to U(V) complexes of citrate. With regard to reported pH dependence on reaction rate and yield in the literature combined with observations in this work, H+/D+ are considered mechanistically crucial constituents. Furthermore, the photoreaction proceeds intermolecularly, requiring for free Cit to be present in solution. In consideration of both the U(VI)–Cit photoreaction and the U(VI)–GSH chemical redox reaction, regardless of the particular mechanism, in both cases the process is intermolecular. This is not only a highly interesting, but the more a very important result, rendering the reductants not required to be bound to U(VI) in order to reduce it. Owing to the suitability of 77Se as NMR-active but non-radioactive Se isotope, this spectroscopy was also applied to study chemical behavior of the nuclear waste related long-lived 79Se. For the first time spectroscopic evidence is given for hydrogen selenite dimerization in aqueous solution upon formation of homo-dimers by hydrogen bonding that are stable up to 60 °C and so are other selenium oxyanionic species. Additionally, a remarkably higher 77Se chemical shift temperature coefficient of the dimer – as compared to corresponding selenite and selenous acid – was found. These findings are attributed to a significant deshielding upon heating due to remarkably different rovibrational modes upon stretching the dimer as a whole instead of its dissociation into monomers owing to the rather strong hydrogen bonds. Interaction of selenium oxyanions with ubiquitous alkaline earth metals, i.e., Ca2+ and Mg2+, showed formation of weak aqueous complexes of both selenite and hydrogen selenite dimer for excessive selenium, however, at high ionic strength (5.6 M) for equimolar Ca2+ and Se(IV) even at pHc 5 crystalline calcium selenite is formed.

The present thesis deals with the investigation of liquid-phase and gas-phase adsorption of metal-organic frameworks (MOFs) using NMR spectroscopy. NMR-based methods are developed and then applied to characterize the surface polarity of studied materials and the influence of structural flexibility on the adsorption selectivity. In the first part of the thesis a new methodology for surface polarity screening of MOFs is proposed based on quantitative 1H NMR spectroscopic measurements of liquid-phase adsorption. The influence of the surface polarity on the adsorption process was studied on several materials, e.g. activated carbons, PAF-1, MIL-101(Cr), HKUST-1, and UiO-67-series. The surface polarity was characterized through the difference in the 1,4-dioxane adsorption uptake from two solvents of opposite polarity, namely n-heptane and N,N-dimethylformamide. An NMR-derived surface polarity index was defined where the polarity of the MOF corresponds to its affinity to polar substances. It was demonstrated that the structural modifications of MOF materials, which should affect the polarity of these MOFs, are indeed reflected by the proposed polarity index. The second part of the thesis focuses on gas mixture adsorption experiments. Metal-organic frameworks are promising candidates for selective separation processes such as CO2 from methane. Framework flexibility is observed only for some special MOFs. The main question is: Does framework flexibility influence the adsorption selectivity? High-pressure in situ 13C NMR spectroscopy was used to monitor the adsorption of 13CO2/13CH4 gas mixtures. This method allows to distinguish between the two gases as well as between adsorbed molecules and the interparticle gas phase. Gas mixture adsorption was performed under isothermal conditions. The selectivity factor for CO2 adsorption from CO2/CH4 mixtures was measured as a function of total gas pressure. The flexible material SNU-9 as well as the flexible and the non-flexible forms of DUT-8(Ni) were compared. Maximum selectivity factors for CO2 were observed for the flexible form of DUT-8(Ni) in its open-pore state. In contrast, the rigid form of DUT-8(Ni) and SNU-9 especially in its intermediate state exhibit lower adsorption selectivity factors. This observation indicates significant influence of the framework flexibility on the adsorption selectivity.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese phosphorhaltiger anorganischer Verbindungen in ionischen Flüssigkeiten (engl. ionic liquids, ILs) und legt einen Schwerpunkt auf die Untersuchung der grundlegenden mechanistischen Abläufe, insbesondere auf die Aktivierung von elementarem Phosphor in ILs. Durch die Kombination spektroskopischer und theoretischer Methoden wurde ausführlich das chemische Verhalten von Phosphorhalogeniden in halogenidhaltigen ILs analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass nach der Auflösung von rotem Phosphor mit Iod ein Gleichgewicht in der Lösung vorliegt, welches zu der Bildung von Tetrachlorophosphat führt. Insgesamt weist der beobachtete, dynamische Koordinationsprozess der Liganden Ähnlichkeiten zu einer strukturellen Diffusion bzw. Grotthuss-Diffusion auf. Diese Mischungen könnten somit potenziell als kostengünstige Elektrolyte verwendet werden. In weiteren Untersuchungen gelang es, aus Cu und rotem Phosphor in halogenidhaltigen ILs reproduzierbar und in hoher Reinheit Cu3−xP (x = 0,05) zu synthetisieren. Die Optimierung der Reaktion ermöglichte dabei Ausbeuten von über 99 %. Während der Reaktion kommt es zu einer IL-induzierten nukleophilen Aktivierung des roten Phosphors, wodurch hochreaktive P4-Moleküle gebildet werden. Durch die direkte Verwendung von P4 in ILs konnte nachfolgend erstmals kupferarmes Cu3−xP (0,1 < x < 0,7) gezielt synthetisiert werden, ohne das phosphorreiche Nebenprodukte gebildet wurden. Die elektrochemische Charakterisierung unterschiedlicher Cu3−xP-Phasen als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Akkumulatoren zeigte, dass sich das chemische Verhalten gegen Li mit der Zusammensetzung des Materials ändert. Da sich kupferarmes Cu3−xP durch eine höhere Kapazität und kupferreiches Material durch eine bessere Zykelnstabilität auszeichnet, erlauben die Ergebnisse dieser Arbeit die weitere Optimierungen dieses Materials für den Einsatz in Akkumulatoren.:1. Motivation und Einleitung 1 1.1. Klassische Flussmittel in der Materialsynthese 2 1.2. Ionische Flüssigkeiten 4 1.2.1. Struktur und Eigenschaften 4 1.2.2. Anwendung in der Synthese von anorganischen Materialien 6 1.3. Reaktionen mit elementarem Phosphor in ionischen Flüssigkeiten 8 1.3.1. Struktur und Eigenschaften der Phosphormodifikationen 8 1.3.2. Synthetische Verwendung in ionischer Flüssigkeit 10 1.4. Zielstellung der Arbeit 11 2. Allgemeiner experimenteller Teil 12 2.1. Schutzgasatmosphäre 12 2.2. Verwendeten Chemikalien 12 2.2.1. Anorganische Ausgangsverbindungen 12 2.2.2. Ionische Flüssigkeiten 13 2.2.3. Lösungsmittel 14 2.2.4. Präparationsvorschriften 14 2.3. Charakterisierungsmethoden 15 2.3.1. Röntgenpulverdiffraktometrie 15 2.3.2. Einkristall-Röntgenstrukturanalyse 15 2.3.3. Rasterelektronenmikroskopie 15 2.3.4. Energiedispersive Röntgenspektroskopie 16 2.3.5. Elementaranalyse 16 2.3.6. Kernspinresonanzspektroskopie 17 2.3.7. Raman-Spektroskopie 17 2.3.8. Röntgenabsorptionsspektroskopie 18 2.3.9. Elektronenspinresonanz-Spektroskopie 18 2.3.10. Elektrische Transportmessungen 18 2.3.11. Elektrochemische Charakterisierung 19 2.3.12. Wärmekapazitätsmessungen 20 2.3.13. Quantenchemische Berechnungen 20 3. Untersuchungen zur Bildung von Phosphorhalogeniden aus rotem Phosphor 22 3.1. Einleitung 22 3.2. Experimenteller Teil 23 3.3. Reaktion von rotem Phosphor mit Iod in [BMIm]X (X = Cl, I) 24 3.4. Anionenaustausch von PX3 in [HMIm]X (X = Cl, Br, I) 25 3.4.1. Reaktion von rotem Phosphor mit Iod in [HMIm]X (X = Cl, Br, I) 25 3.4.2. Phosphortrihalogenid-Referenzsystem 26 3.5. Das molekulare Verhalten von PCl3 in [HMIm]Cl 30 3.6. Quantenchemische Rechnungen 33 3.6.1. Molekulardynamische Simulationen 33 3.6.2. Statische DFT-Rechnungen 38 3.6.3. Mechanismus des Halogenaustausches 40 3.7. Zusammenfassung 41 4. Die Synthese von Cu3−xP – ein Modellsystem zur Reaktionsanalyse 43 4.1. Einleitung 43 4.2. Darstellungsmethoden – eine Literaturübersicht 45 4.3. Synthese von Cu3−xP (x = 0,05) in ionischen Flüssigkeiten 47 4.3.1. Synthesevorschrift 47 4.3.2. Produktcharakterisierung 47 4.3.3. Die Stabilität der ionischen Flüssigkeiten unter Synthesebedingungen 49 4.3.4. Analyse des Cu3−xP-Homogenitätsbereiches 50 4.4. Synthese von Cu3−xP (0,1 < x < 0,7) in ionischen Flüssigkeiten 52 4.4.1. Synthesevorschrift 52 4.4.2. Produktcharakterisierung 53 4.4.3. Analyse des Cu3−xP-Homogenitätsbereiches 55 4.5. Mechanistische Untersuchungen zur Cu3−xP-Bildung in [P66614]Cl 57 4.5.1. Experimenteller Teil 57 4.5.2. Diffusionsexperimente mit rotem Phosphor 58 4.5.3. Aktivierung von rotem Phosphor in [P66614]Cl 59 4.5.4. Mechanistische Diskussion der Cu3−xP-Phasenbildung 61 4.6. Untersuchungen zur Optimierung der Phosphoraktivierung 63 4.6.1. Donor- und Akzeptoreigenschaften ionischer Flüssigkeiten 64 4.6.2. Experimenteller Teil 66 4.6.3. Ergebnisse und Diskussion 66 4.7. Anioneneinfluss auf die Cu3−xP-Phasenbildung 69 4.7.1. Experimenteller Teil 69 4.7.2. Ergebnisse und Diskussion 70 4.8. Temperaturabhängige Kristallstrukturanalyse von Cu3−xP 72 4.8.1. Kristallzüchtung 72 4.8.2. Ergebnisse und Diskussion 73 4.9. Physikalische Charakterisierung unterschiedlicher Cu3−xP-Phasen 77 4.9.1. Elektronische Transporteigenschaften 77 4.9.2. Elektrochemische Charakterisierung 79 4.10. Zusammenfassung 82 5. Hochschmelzende ionische Flüssigkeiten in der Synthese von CuP2 84 5.1. Einleitung 84 5.2. Synthesevorschrift 85 5.3. Ergebnisse und Diskussion 85 5.4. Zusammenfassung 88 6. Fazit und Ausblick 89 A. Anhang 91 A.1. Röntgenpulverdiffraktometrie 91 A.2. Einkristall-Röntgenstrukturbestimmung 95 A.3. Rasterelektronenmikroskopie 99 A.4. Energiedispersive Röntgenspektroskopie 101 A.5. Elementaranalyse 107 A.6. Kernspinresonanzspektroskopie 108 A.6.1. Untersuchungen zur Bildung von Phosphorhalogeniden 108 A.6.2. Untersuchungen zur Bildung von Kupferphosphid 114 A.7. Raman-Spektroskopie 119 A.8. Röntgenabsorptionsspektroskopie 121 A.9. Elektronenspinresonanz-Spektroskopie 122 A.10. Elektrische Transportmessungen 123 A.11. Elektrochemische Charakterisierung 124 A.12. Wärmekapazitätsmessungen 125 A.13. Strukturbilder 126 A.14. Fotografien und Skizzen 128 A.14.1. Reaktionsapparaturen 128 A.14.2. Auflösungsversuche von elementarem Phosphor 129 B. Literaturverzeichnis 131 C. Danksagung 145 D. Liste der Publikationen 147 E. Liste der Kooperationen 149 F. Versicherung und Erklärung 151

Since the 18th-century scientists are studying diatoms, fascinated by their beauty and diversity. Their nano- and micropatterned biosilica cell walls are outstanding examples of biologically controlled mineral formation. Although the knowledge about diatom cell wall formation increased over the last 60 years, the process is still far away from being completely understood. Diatom cell walls exhibit highly interesting material properties, making them appealing to material scientists. Due to those properties, diatom cell walls are on the brink of becoming powerful tools in nanotechnology. However, the production of tailored silica structures for nanotechnology requires a much better understanding of the processes and components involved in cell wall morphogenesis. Recent studies set the focus on insoluble organic matrices as important parts of this process, suggesting that they act as templates in silica morphogenesis. Therefore, in this study, the occurrence of insoluble organic matrices and their possible silica precipitation activity was analyzed in the three diatom species T. pseudonana, T. oceanica and C. cryptica. For all three species girdle band and valve derived insoluble organic matrices could be identified. The extracted insoluble organic matrices exhibited structural features present in the corresponding biosilica cell walls. The highest similarities were found in the valve derived matrices of C. cryptica. Accessibility studies showed that the biosilica associated insoluble organic matrices of T. pseudonana were only partially accessible, arguing for an entrapment of insoluble organic matrices in the silica, rather than an attachment to the surface of the cell wall. All examined insoluble organic matrices of the three species exhibited intrinsic silica precipitation activity. The most intriguing structures were formed by the insoluble organic matrices of C. cryptica, yielding a porous silica pattern. The addition of biosilica derived soluble components or long-chain polyamines promoted this process and moreover lead to the reconstitution of biosilica-like hierarchical silica pore patterns. The generated silica structures were templated by the underlying structure of the insoluble organic matrix. The result presented in this thesis make this the first study reporting the in vitro generation of diatom biosilica-like hierarchical silica pore patterns using all natural cell wall components. It supports the hypothesis of microplates acting as templates for biosilica morphogenesis and introduces an interesting experimental setup for silica-based in vitro studies on the mechanism of pore formation in diatoms.

The object of this thesis is to get a deeper understanding of the role of modulator agents in the synthesis of Zr- and Hf-based metal-organic frameworks (MOFs) and their impact on framework properties, such as textural properties, stability, hydrophobicity, and catalytic activity. For this purpose, MOFs are investigated that are built up by the commercially available linker 2,5-thiophenedicarboxylate and the Zr6(µ3-O)4(µ3-OH)412+ cluster. With proper choice of the modulator a new structure, namely DUT-126 (DUT = Dresden University of Technology), could be presented in the course of this work, besides the already known polymorphs of DUT-67, DUT-68 and DUT-69. Furthermore, DUT-67 is chosen as a model structure to functionalise the metal cluster of the framework by exchanging the modulator post-synthetically with hydrophobic fluorinated monocarboxylic acids. With the introduction of these fluorinated molecules, the surface polarities and the stability against water removal can be tuned. In addition, the metal clusters of DUT-67 were modified with a complete removal of the pristine modulator molecules by means of an acidic treatment in order to generate open metal sites that can function as Lewis acid sites. The suitability of DUT-67 and its acid treated analogues as heterogenous catalyst was tested on the Meerwein-Ponndorf-Verley reduction of cyclohexanone. Furthermore, the UiO-67 analogue DUT-122, which contains the luminescent linker 9-fluorenone-2,7-dicarboxylate, was tested as sensor material to detect solvent vapours. It could be shown that DUT-122 is sensitive to various solvent vapours, which induce photoluminescent shifts and intensity changes of the fluorescence emission profile depending on the polarity and the functionality of the respective solvent.

Die Microfading-Methode, die eine kontrollierte, aber extrem hohe Beleuchtungsstärke und gleichzeitige Farbmessung auf einer maximal 0,5 mm großen Testfläche verbindet, erlaubt den Test der Lichtechtheit direkt auf Kunstobjekten. Lichtechtheitsinformationen zu Kunstwerken sind ohne einen Test nicht verfügbar, es sei denn indirekt über die Kenntnis der Materialzusammensetzung und deren Eigenschaften. Lichtechtheitsinformationen bilden jedoch die Grundlage für ein objektangepasstes Lichtmanagement. Darum ist ein erhöhter Bedarf nach Microfading-Testern (MFT) im Bereich Konservierung und Restaurierung festzustellen, wenngleich die Lichtechtheitsklassifizierung beim MFT noch nicht standardisiert ist. In dieser Arbeit wird ein mobiler Microfading-Tester zusammengestellt, aufgebaut, getestet und charakterisiert. In der Folge werden mehrere Studien vorgestellt, die dazu beitragen das Anwendungsfeld der Methode zu erweitern, die Qualität der Testaussagen zu optimieren und Farbveränderungsverläufe bei hohen Beleuchtungsstärken mit denen bei niedrigerer Beleuchtungsstärke zu vergleichen. Neue Anwendungsfälle der MFT-Methode werden exemplarisch analysiert und diskutiert. Eine bisher nicht analysierte Objektgruppe mit dem MFT sind lose Pulver, an denen exemplarische Messungen in dieser Arbeit gezeigt werden. Als andere, wenig untersuchte Objektgruppe werden Gemälde mit dem MFT getestet. Für das Anwendungsfeld des MFT mit zusätzlicher UV-Strahlung im Beleuchtungsspektrum werden praktische Beispiele aus dem Bereich der Konservierungswissenschaften aufgezeigt, bei denen mittels Mehrfachtests mit und ohne UV-Anteil im Spektrum der Beleuchtung die Schadensursache bzw. das Schadenspotential von UV-Strahlung nachgewiesen werden konnte. Erstmals ist in einem direkten Vergleich zwischen Galerie-Belichtung und MFT-Belichtung anhand von selbst hergestellten Mustertafeln und Messpunkten auf Gemälden die Frage analysiert worden, inwieweit die MFT-Ergebnisse bei hoher Beleuchtungsstärke auf die tatsächlichen Farbveränderungen bei niedriger Beleuchtungsstärke übertragbar sind. Im Ergebnis ist festzuhalten, dass die realen Veränderungen von Preußisch Blau bei Galerie-Beleuchtungsstärke auf den untersuchten Gemälden durch die MFT-Untersuchung überschätzt werden, während die Veränderungen des Lichtechtheitsstandards BW1 vom MFT im Vergleich zu Real-Bedingungen unterschätzt werden. Bei den Farbaufstrichen kam es ebenfalls zu großen Unterschieden zwischen MFT-Belichtung und Galerie-Belichtung, die auf Vergilbungen des Bindemittels zurückzuführen sind. Der BW1-Lichtechtheitstyp ist für Microfading nicht ideal, trotzdem wird er mangels Alternativen zur relativen Bestimmung der Lichtechtheit eingesetzt. Als erster Schritt in die Richtung von MFT-spezifischen Lichtechtheitsstandards werden in dieser Arbeit neue Lichtechtheitsreferenzen auf Grundlage der bestehenden Referenzen durch Zerkleinerung und optional zusätzliche Pressung hergestellt und mit den Eigenschaften der ursprünglichen Standards verglichen. Die neuen Testkörper zeigen klare Vorteile (geringere Streuung der Messergebnisse, leichtere Handhabung) gegenüber den bisherigen Standards, weisen aber eine deutlich erhöhte Lichtempfindlichkeit im Test auf. Der weitere Forschungsbedarf in dieser Richtung wird aufgezeigt. Die Auswertungsmethode bei Microfading-Tests sieht vor, absolute Farbveränderungen zum Ende der Testbelichtung zu vergleichen. Dadurch wird außer Acht gelassen, wie die Farbveränderungen ablaufen. In der Folge kann es bei ungewöhnlichen Farbveränderungen (z. B. einem exponentiellen Anstieg der Veränderungen) aufgrund der Testergebnisse zu einer Unterschätzung der tatsächlichen Veränderungen kommen. Es wird eine Erweiterung der bisherigen Auswertungsmethode vorgestellt, die die Farbveränderungsrate bei der Lichtechtheitsklassifizierung mit einbezieht und so die Ausbleich-Charakteristik im Test berücksichtigt wird. Angewandt auf mehr als 40 Proben führt dies in ca. 30 % der Fälle zu einer anderen, meist niedrigeren Lichtechtheitsklassifizierung. Diese neue Auswertungsstrategie wird in dieser Arbeit genutzt, insofern es die Messergebnisse als notwendig erscheinen lassen.:Danksagung Kurzfassung Abstract Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen Publikationen 1 Einleitung 2 Theorie 2.1 Photochemie 2.2 Farbmessung 2.2.1 CIELab-Farbsystem 2.2.2 Farbabstände 2.3 Microfading 3 Zielstellung 4 Methoden: Aufbau und Eigenschaften 4.1 Farbmessgerät 4.2 Micro-Fading-Tester 4.2.1 Aufbau 4.2.2 Beleuchtungsspektren 4.2.3 Größe des Messpunkts 4.2.4 Einfluss auf Probentemperatur 4.2.5 Drift und Messfehler 4.2.6 Zusammenfassung und Festlegung der Standardeinstellungen 4.3 Vergleich Farb- und Farbabstandsmessung mit Spektralphotometer und MFT 5 Praktische Untersuchungen 5.1 Weiterentwicklung des MFT-Auswertungsverfahrens 5.1.1 Pulver- und Pellet-Präparation der Blau-Woll-Standards 5.1.2 Einführung der Farbveränderungsrate in die MFT-Auswertung 5.2 Microfading mit UV-Anteil in der Beleuchtung 5.2.1 Test auf UV-Strahlung als Schadensursache 5.2.2 Test auf Wirksamkeit von UV-Schutzlack 5.2.3 Fazit zu den Tests bei Beleuchtung mit UV-Anteil 5.3 Microfading an Farbpulvern 5.3.1 Pulver von Wilhelm Ostwald 5.3.2 Pulver von Wolfram Jaensch 5.4 Microfading an Gemälden 5.4.1 Gemälde von Fritz Tröger 5.4.2 Gemälde von Hans Stübner 5.4.3 Gemälde von Gerhard Richter 5.4.4 Fazit der MFT-Untersuchungen an Gemälden 5.5 Vergleich Langzeit-Monitoring und Microfading 5.5.1 Vorbereitung und Datenerhebung 5.5.2 Microfading an Mustertafeln 5.5.3 Monitoring an Mustertafeln 5.5.3.1 Farbveränderungen der Aufstriche 5.5.3.2 Farbveränderungen der belichteten Blau-Woll-Standards 5.5.4 Vergleich Microfading und Monitoring an Mustertafeln 5.5.5 Microfading auf Gemälde und Partikel 5.5.6 Monitoring auf Gemälden 5.5.7 Vergleich Microfading und Monitoring auf Gemälden 5.5.8 Fazit 6 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang A Einzelkomponenten MFT B CERAM Farbfliesen und Graumaßstab C Teilchengrößen der Blau-Woll-Pulver D Lackfarbstoffe – Übersicht und MFT-Messdaten E Dokumentation der MFT-Messpunkte auf Gal. Nr. 616 F Beleuchtungssituation und Datenerhebung der Belichtung in der Gemäldegalerie

Poröse Kohlenstoffmaterialien zeichnen sich durch hohe spezifische Oberflächen und Porenvolumina, eine gute elektrische Leitfähigkeit sowie hohe mechanische und chemische Stabilität aus. Sie werden in Anwendungen wie der Gasspeicherung oder der elektrochemischen Energiespeicherung eingesetzt. Besondere Aufmerksamkeit erfährt momentan die Energiespeicherung, unter anderem durch die fortschreitende Verbreitung der Elektromobilität. Als besonders effizient haben sich elektrochemische Energiespeichermaterialien, zum Beispiel für Doppelschichtkondensatoren (EDLCs) und Batterien, herausgestellt. Ein vielversprechendes Batteriesystem ist die Lithium-Schwefel-Batterie (LiS-Batterie). Mit diesem System können wesentlich höhere gravimetrische Energiedichten als mit Lithium-Ionen-Batterien erreicht werden. Poröser Kohlenstoff stellt aufgrund der hohen Porosität, der guten elektrischen Leitfähigkeit und der chemischen Beständigkeit ein ideales Elektrodenmaterial für die Anwendung sowohl in EDLCs als auch in LiS-Batterien dar. Bei den im industriellen Maßstab am häufigsten eingesetzten Aktivkohlen ist nachteilig, dass während der Synthese nur begrenzte Kontrolle über das Porensystem vorhanden ist. Zudem sind die Poren oft flaschenhalsartig, was zu einer schlechten Zugänglichkeit des Porensystems führt und dadurch den Stofftransport limitiert. Eine verbesserte Kontrolle über das Porennetzwerk bieten das Templatverfahren oder die Synthese von Kohlenstoffen aus Carbiden. Diese Methoden ermöglichen es zudem, Poren unterschiedlicher Größe, das heißt, ein hierarchisches Porensystem, einzubringen. Dies ist vorteilhaft für Prozesse, in denen sowohl eine hohe Adsorptionskapazität als auch ein schneller Stofftransport notwendig sind. Die meisten dieser Synthesen haben die Nachteile, dass sie komplex sind und viel Abfall produzieren. Eine vergleichbar neue Methode zur Herstellung von hierarchischen Kohlenstoffen ist die Synthese von Kroll-Kohlenstoffen über eine reduktive Carbochlorierung. Dieses Verfahren ist dem Schlüsselschritt des Kroll-Prozesses zur Herstellung von Titan nachempfunden. Dafür werden oxidische Nanopartikel mit Kohlenstoff beschichtet und durch Behandlung mit heißem Chlorgas in Kohlenstoff überführt. Diese Synthese ermöglicht neben der Kontrolle der Mesoporengröße über die Größe der Nanopartikel gleichzeitig die Einbringung von Mikroporen durch das Ätzen von Kohlenstoff während der Carbochlorierung, sodass in wenigen Syntheseschritten ein hierarchisches Porensystem generiert werden kann. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob sich der Ansatz der Carbochlorierung auf weitere Systeme übertragen lässt. Durch postsynthetische Aktivierung wurde die Porosität von Kroll-Kohlenstoff unter Erhalt der Porenstruktur gesteigert. So war es möglich, Kohlenstoffe mit spezifischen Oberflächen von mehr als 2700 m²/g und Porenvolumina von 3 cm³/g zu synthetisieren. Die Mesoporenstruktur konnte aufrechterhalten werden, während sowohl der Anteil von Meso- als auch Mikroporen erhöht werden konnte. Aktivierter Kroll-Kohlenstoff wurde in EDLCs als Elektrodenmaterial untersucht. Mit 1 M Schwefelsäure als Elektrolyt konnten spezifische Kapazitäten von 160 F/g über galvanostatische Lade-/Entlademessungen erreicht werden, wobei bei hohen Lade-/Entladeströmen von 10 A/g noch 87 % der Maximalkapazität abgerufen werden konnten. Weiterhin wurde der Frage nachgegangen, ob mittels Carbochlorierung geordnete mesoporöse Kohlenstoffe synthetisiert werden können. Dafür wurden sowohl Harttemplat- als auch Weichtemplatmethoden eingesetzt. Im Harttemplatverfahren war es möglich, geordneten mesoporösen Kohlenstoff DUT-118 zu synthetisieren.7 DUT-118 weist eine höhere spezifische Oberfläche und ein höheres Porenvolumen im Vergleich zu Kohlenstoff auf, der über das klassische „Nanocasting“ hergestellt wird. Durch die Carbochlorierung kann zudem der Mikroporenanteil des Materials im Vergleich zur klassischen Templatentfernung gesteigert werden, was durch Präadsorptionsexperimente mit n-Nonan nachgewiesen wurde. In einer weichtemplatgestützten Synthese konnte geordneter mesoporöser Kohlenstoff DUT-119 aus Oxid/Kohlenstoff-Kompositen mittels Carbochlorierung synthetisiert werden. DUT-119 verfügt über eine spezifische Oberfläche von über 2200 m²/g, ein Porenvolumen von mehr als 2 cm³/g und ein hierarchisches Porensystem. Aufgrund des hierarchischen Mikro-/Mesoporensystems ist DUT-119 hervorragend als Kathodenmatrix in LiS-Batterien geeignet. Besonders hervorzuheben ist die geringe Menge an eingesetztem Elektrolyt von nur 5 μL/mgSchwefel. Die gefertigte Zelle ist über 50 Zyklen stabil und verfügt über eine herausragende Flächenkapazität von 3,7 mAh/cm² nach 50 Zyklen. Verstärkt im Fokus der Forschung stehen Kohlenstoffe, welche mit Heteroatomen dotiert sind. Durch Dotierung können die Eigenschaften der Kohlenstoffe hinsichtlich Polarität oder elektrochemischer Eigenschaften optimiert werden.8,9 Deshalb wurde untersucht, ob über die Carbochlorierung stickstoffdotierter Kohlenstoff synthetisiert werden kann. Dafür wurde ein metallorganisches Netzwerk (MOF) zu Kroll-Kohlenstoff DUT-127 umgesetzt. In Abhängigkeit von der Synthesetemperatur von 600–900 °C konnten spezifische Oberflächen von 1450–2750 m²/g und Porenvolumina zwischen 0,8 und 2 cm³/g erreicht werden. Da das eingesetzte MOF Aminogruppen enthielt, sind in DUT-127 Stickstoffdotierungen vorhanden, was zu einer verringerten Hydrophobie führt. DUT-127 wurde als Elektrodenmaterial in EDLCs eingesetzt. Mit 1 M Schwefelsäure konnten spezifische Kapazitäten von 165 F/g, ermittelt über galvanostatische Lade-/Entlademessungen, erreicht werden. Besonders bei hohen Lade-/Entladeströmen von 12,5 A/g konnten über 90 % der maximalen Kapazität abgerufen werden. Weiterhin ist die hohe Arbeitsfrequenz von über 25 Hz hervorzuheben. Beides wird durch die gute Benetzbarkeit, das ausgeprägte Transportporensystem sowie die geringe Partikelgröße ermöglicht. Der große Vorteil der Synthese von Kroll-Kohlenstoffen über die Carbochlorierung ist der Verzicht auf Lösemittel während der Templatentfernung. Wünschenswert ist es, zukünftig ebenfalls die Synthese der Präkursoren und Template möglichst lösemittelfrei zu gestalten. Die Porenstruktur (Textur) eines porösen Materials bestimmt in großem Maße die Leistungsfähigkeit in einer bestimmten Anwendung. Deshalb wird der exakten Charakterisierung des Porensystems viel Aufmerksamkeit gewidmet. Neben Methoden wie der Gasadsorption sind bildgebende Verfahren ein wichtiges Hilfsmittel, um Informationen über Porengröße, -geometrie und -konnektivität zu erhalten. In einem ersten „Proof of Concept“ wurden die Porensysteme nanoporöser Materialien mit definierter Porenstruktur durch Röntgenmikroskopie untersucht. Dabei konnten Poren bis zu einer Größe von etwa 60 nm aufgelöst werden. Weiterhin war es möglich, aus den aufgenommenen Bilderserien Rekonstruktionen zu erstellen, wodurch Einblicke in das Innere des Partikels möglich wurden. Für die erfolgreiche Rekonstruktion einer Bilderserie ist es notwendig, dass diese optimal ausgerichtet ist. Aufgrund der hohen Uniformität der untersuchten Proben ist dies ein anspruchsvoller Prozess, der noch weiter optimiert werden muss. Dadurch könnten weitere Einblicke in die untersuchten Proben, beispielsweise durch eine quantitative Diskussion der Porosität, gewonnen werden.

Glucocorticosteroide (GC) spielen für viele endogene Prozesse im Organismus eine wichtige Rolle. Sie regulieren die Gluconeogenese sowie den Lipid- und Proteinstoffwechsel. Außerdem sind sie für die Stressregulierung über die Hypothalamus-Nebennierenrinden-Achse verantwortlich. Therapeutisch kommen die GCs wegen ihrer entzündungshemmenden Wirkung zum Einsatz und werden u.a. bei Asthma und Gelenkentzündungen angewandt. Diese Eigenschaft macht sie auch interessant für den Gebrauch im Sportbereich. Dort wird ihre Anwendung über die Weltantidopingagentur reguliert. Ihr oraler, intramuskulärer, intravenöser und rektaler Gebrauch ist im Wettkampf verboten. Diese Einschränkung bzgl. des Applikationszeitraumes und des Applikationsweges erschwert die diagnostische Aussagekraft von Routinedopingproben, welche im Urin durchgeführt werden. Ein Grenzwert von 30 ng/ml soll einen legalen Gebrauch von einem Missbrauch abgrenzen. Die endogenen Glucocorticosteroide stellen hierbei jedoch einen Graubereich dar. Endogen wird Cortisol in einem zirkadianen Rhythmus produziert und die Produktion ist stressinduziert. Somit kommt es zu ausgeprägten intra- und interindividuellen Streuungen der endogenen Produktion. Dadurch bedingt ist eine Abgrenzung der endogenen Produktion von einer legalen Anwendung bzw. einem Missbrauch im Rahmen der Dopingrichtlinien im Urin nicht möglich. Speziell für den Nachweis von endogenen Substanzen ist es wichtig, eine Methode zu finden, mit der es möglich ist, die endogene Produktion von einer exogenen Bezugsquelle abzugrenzen. Dabei haben sich zwei Wege als hilfreich herausgestellt. Zum einen, wenn die Differenzierung nicht an Hand von Absolutkonzentrationen sondern durch die Anwendung von Analytverhältnissen durchgeführt wird. Zum anderen, wenn zusätzliche Untersuchungen im Speichel oder Haar durchgeführt werden. Haar- und Speichelproben zählen zu den ergänzenden Matrizes der Routineuntersuchungsmedien Urin und Blut und werden bereits in vielen forensischen und klinischen Laboren für diagnostische Fragestellungen verwendet. Diese Matrizes liefern wichtige Hinweise auf den akuten (Speichel) oder chronischen/ zurückliegenden (Haar) Gebrauch bzw. Missbrauch von Medikamenten und Drogen. Sowohl die Haar- als auch Speichelmatrix sollen den physiologisch aktiven Anteil von Substanzen im Blut widerspiegeln und somit korrektere Rückschlüsse auf deren Wirksamkeit zulassen. Das endogene Glucocorticosteroid Cortisol steht seit der Jahrtausendwende im Blickpunkt vieler Forschungen, welche sich mit dessen Bedeutung für die Stressantwort befassen und Cortisol u.a. im Speichel und Haar nachweisen. Auffällig ist dabei, dass die ersten Arbeiten fast ausschließlich mittels immunchemischen Nachweisverfahren erfolgten. Erst in den letzten fünf Jahren wurde vermehrt LC-MS/MS-Verfahren angewandt. Vorteil dieser ist, dass der Nachweis von Substanzen selektiv erfolgt und Kreuzreaktionen nicht stattfinden. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Konzentrationen von mehreren Analyten mit einer Messung bestimmt werden können. So ist es zum Beispiel möglich Cortisol und andere Steroide, z.B. dem Cortison parallel nachzuweisen. Cortison spielt für die physiologische Wirkung der Glucocorticosteroide im Körper keine Rolle, da es selbst nicht biologisch aktiv ist. Deshalb wurde es in bisherigen Forschungen für diagnostische Aussagen nicht berücksichtigt. Mit Verwendung der LC-MS/MS-Technologie werden jedoch beide endogenen GCs zunehmend nebeneinander bestimmt. Bei der Betrachtung von unterschiedlichen Untersuchungsmedien ist auffällig, dass sich die Konzentrationsverhältnisse Cortisol zu Cortison unterscheiden. Entgegengesetzte Verhält-nisse werden ersichtlich, wenn die GC-Konzentrationen im Blut mit denen im Speichel bzw. Haar verglichen werden. Bisher wurden diese Beobachtungen mit der lokalen Wirksamkeit von Enzymen, welche die Corticosteroide ineinander umwandeln, erklärt. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde folgender Fragestellung für die Nachweisbarkeit der Glucocorticosteroide nachgegangen: „Wie hoch ist der Anteil der Plasmaproteinbindung der GCs im Blut und welche Rückschlüsse lassen sich daraus auf die Konzentrationsverschiebung innerhalb der einzelnen Matrizes ziehen?“ Basierend auf die einzelnen Teilprojekte wurden sowohl Plasmaproben als auch Speichel- und Haarproben hinsichtlich ihrer GC-Konzentrationen analysiert. Die Untersuchung von Kontrollproben ermöglichte es, Referenzwerte unter Normalbedingungen zu erheben. Die Ergebnisse aus den Projekten ergaben, dass die beiden endogen GCs Cortisol und Cortison in unterschiedlichen Konzentrationsverhältnissen in den Analysenmedien vorkommen: Plasma: Gesamtkonzentration F:E ca. 3:1 freie Konzentrationen F:E ca. 1:1 Speichel: F:E ca. 1:5 Haar: F:E ca. 1:3 Die Bestimmung der Plasmaproteinbindung (PPB) beider endogener GCs hat gezeigt, dass Cortisol mit ca. 96 % stärker an die Transportproteine CBG und Albumin bindet als Cortison mit ca. 85 %. Dies führt dazu, dass sich die freien, nicht-proteingebundenen Konzentrationen angleichen und es zu einer Verhältnisverschiebung von Cortisol zu Cortison von 3:1 auf 1:1 kommt. Somit stehen vergleichbare Konzentrationen für die Inkorporation ins Haar bzw. die Diffusion in den Speichel zur Verfügung. Es konnte gezeigt werden, dass die freien Plasmakonzentrationen beider GC stark mit den Speichelkonzentrationen korrelieren. Cortisol aber unterproportional und Cortison überproportional vom Plasma in den Speichel übergeht. Dies kann mit zwei weiteren Mechanismen, welche während der Diffusion eine Rolle spielen, der unterschiedlichen Lipophilie und der Inaktivierung durch lokale Enzym-reaktionen, erklärt werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich die Tagesrhythmik der GC-Produktion im Speichel abbilden lässt und eine starke Korrelation zwischen Cortison und Cortisol vorliegt. Mit Hilfe einer Grenzfunktion können endogene Referenzkonzentrationen definiert und Messdaten eingeordnet werden. Unter anderem wurde gezeigt, dass eine Hormonersatztherapie mit Hydrocortison zu einer Verschiebung der Metabolisierung und der PPB führt und somit ein Gebrauch/Missbrauch von GCs durch abweichende Konzentrationsverhältnisse nachweisbar ist. Speicheluntersuchungen während einer chronischen Stresssituation (Schwangerschaft) zeigen, dass die GC-Produktion stetig ansteigt und sich besonders die morgendlichen Werte unterscheiden. Um die tageszeitlichen und stressbedingten Schwankungen der GC-Produktion auszublenden und eine längere Zeitspanne zu betrachten, wurden zusätzlich Haarproben analysiert. In diesen wurde ein kontinuierlicher Anstieg der GCs in den proximalen Haarsegmenten nachgewiesen, was auf eine kontinuierlich erhöhte Inkorporation während der chronischen Stresssituation schließen lässt. Außerdem wurde gezeigt, dass die Haarkonzentrationen dem Auswascheffekt unterliegen und die nachweisbaren Konzentrationen geringer werden, je älter das Haar wird. Schlussfolgernd kann gesagt werden, dass beide Mechanismen (Einlagerung und Auswaschung) konkurrieren und deshalb Referenzdaten nur für das proximale Segment erhoben werden können. Für weitere Segmente sind die Auswirkungen der individuellen Einflüsse nicht mehr allgemeingültig kalkulierbar und nur noch intraindividuelle Vergleiche nach mehrmaliger Beprobung aussagekräftig. Sind die Effekte der verstärkten Inkorporation größer als die Auswaschung, lassen sich diese auch Monate später erkennen. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Plasmaproteinbindung der GCs zur Verhältnisverschiebung der Konzentrationen im Blut, Speichel und Haar beiträgt. Etwa 50 % des beobachteten Effekts kann der PPB zugeordnet werden. Weitere Quellen sind die unterschiedliche Lipophilie der GCs und die enzymatische Umwandlung, welche im Rahmen der vorliegenden Arbeit jedoch nicht „quantitativ“ betrachtet wurden. Die enzymatische Inaktivierung wurde bis dato als Hauptverantwortliche für die Konzentrationsverschiebung diskutiert. Mit der aktuellen Arbeit wurde dies widerlegt, und die Plasmaproteinbindung als Hauptquelle identifiziert.

Die Synthese von oberflächengepfropften Polypeptoidbürsten durch die Oberflächeninitiierte Ringoffnungspolmerisation von N-substituierten N-carboxyanhydriden wird beschrieben. Die entstehenden Schichten werden durch Zelladhäsionsexperimente und Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie auf ihre Antibiofouling-Eigenschaften untersucht. UV-Lithographie und Mikrokontaktdrucken wird zur Herstellung von strukturierten Oberflächen verwendet. Eine Funktionalisierung der Strukturen wird mit Fluoreszenzmikroskopie und Fluoreszenzmapping nachgewiesen. Ein zweiter Schwerpunkt befasst sich mit der Synthese von Kompositschichten. Oberflächengepropfte polykationische Polymerbürsten dienen als Einlagerungsmedium für negativ geladene Nanopartikel. Durch calcinieren werden poröse Schichten erhalten. Die Anwendung des Verfahrens auf ein Partikelsystem generiert poröse Core-Shell-Partikel.

Milch dient der Versorgung neugeborener Säugetiere mit allen lebensnotwendigen Nährstoffen, wie Proteinen, Fetten, Kohlenhydraten, Vitaminen und Mineralstoffen. Insbesondere die Proteingruppe der Caseine, die in der Milch zum Großteil zu Caseinmicellen assoziiert vorliegen, stellen essentielle Aminosäuren bereit und transportieren große Mengen Calcium und Phosphor (Fox, 2008; Horne, 2008). Neben der Bedeutung als erste Nahrungsquelle für Neugeborene haben sich Milch und Milchprodukte zu einem der wichtigsten Handels- und Verarbeitungsgüter entwickelt. In Deutschland ist vorrangig der Konsum von Kuhmilch verbreitet. Zunehmend wird aber auch die Milch von Büffel, Schaf und Ziege direkt oder verarbeitet konsumiert (Fox, 2008; Töpel, 2016). Dabei unterscheidet sich die Zusammensetzung der Milch zwischen den verschiedenen Tierarten zum Teil beträchtlich. Diese Unterschiede betreffen nicht nur die Anteile der Hauptnährstoffe, sondern auch die Eigenschaften und die Zusammensetzung der Caseinmicellen (CM) (Fox, 2008). Die Eigenschaften und die Stabilität gegenüber einer Calciumkomplexierung wurden für bovine Caseinmicellen in der Literatur bereits ausführlich diskutiert (Horne, 1984; Banon & Hardy, 1992; Needs et al., 2000; O’Connell et al., 2001; Huppertz et al., 2004). Über die Micellen anderer Tierarten lagen zu Beginn der Untersuchungen hingegen kaum Informationen vor. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war es deshalb, die Caseinmicellen aus der Milch der wiederkäuenden Paarhufer Kuh, Büffel, Schaf, Ziege und Kamel und der nicht wiederkäuenden Unpaarhufer Pferd und Esel sowie aus Humanmilch bezüglich Größe, Struktur, Zusammensetzung und Stabilität zu charakterisieren und daraus Erkenntnisse zum tierartspezifischen Micellaufbau abzuleiten. Hierzu wurden die Caseinmicellen mit Hilfe der Ultrazentrifugation von der Molke abgetrennt und in tierartspezifischem, synthetischem Milchultrafiltrate (SMUF) resuspendiert. Untersuchungen der hydrodynamischen Durchmesser mittels dynamischer Lichtstreuung zeigten, dass die CM der Nicht-Wiederkäuer Stute und Esel sowie des Kamels deutlich größer waren als die der Wiederkäuer Kuh, Büffel, Schaf und Ziege, wohingegen sich die humanen CM als die kleinsten zeigten. Mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) konnten aufgrund der beobachteten unterschiedlichen Oberflächenstrukturen für einige Tierarten Hinweise hinsichtlich einer größen- und κ-Casein-abhängigen Ausbildung von κ Casein ‚bunches‘ oder einer ‚hairy layer‘ an der Oberfläche der kolloidalen Partikel erhalten werden. Anhand der Aminosäurezusammensetzung der micellaren Proteine konnte abgeleitet werden, dass bei allen Tierarten vor allem Phosphoserin sowie die hydrophoben Aminosäuren maßgeblich am Aufbau der CM beteiligt sein dürften. Hierbei wurden jedoch tierartspezifische Unterschiede festgestellt. Bei den Wiederkäuern wurde eine besonders starke Assoziation der Caseinmonomere über Phosphoserincluster vermutet, während bei den Nicht-Wiederkäuern und insbesondere bei den humanen CM auch hydrophobe Wechselwirkungen eine entscheidende Rolle spielen. Calcium und anorganischer Phosphor konnten als die bedeutendsten micellaren Salze identifiziert werden, die in besonders hohen Gehalten in den CM von Stute und Esel vorkamen. Humane Micellen wiesen deutlich niedrigere Mineralstoffgehalte auf, weshalb die Bedeutung der elektrostatischen Wechselwirkungen für die Verknüpfung der Caseinmonomere geringer eingeschätzt wurde als bei den weiteren untersuchten Tierarten. In Bezug auf die Stabilität gegenüber einer Calciumkomplexierung mit Ethylenglycol-bis(2-aminoethylether)-N,N,N\',N\'-tetraessigsäure (EGTA) unterschieden sich die CM der Tiere sehr deutlich voneinander. Instabile Micellen zeichneten sich durch eine starke Abnahme der Trübung, eine Zunahme des extra-micellaren Caseins sowie eine schneller einsetzende Verkleinerung des hydrodynamischen Durchmessers aus. Für die Micellstabilität ergab sich die folgende Reihenfolge: Kuh << Büffel < Ziege < Schaf < Kamel = Stute < Esel < Mensch. Caseinmicellen eignen sich, neben dem natürlichen Transport von Aminosäuren und Mineralstoffen, als Nanotransporter für bioaktive Substanzen wie Vitamin D2 (Semo et al., 2007), β-Carotin (Sáiz-Abajo et al., 2013), Curcumin (Sahu et al., 2008), Triclosan (Roach et al., 2009) oder auch dem antibakteriellen Enzym Lysozym (de Roos et al., 1998; Anema & de Kruif, 2013). Da zu Beginn der Untersuchungen ausschließlich Daten zur Beladung boviner Caseinmicellen mit Hühnereiweißlysozym (HEWL) verfügbar waren, sollte zunächst die Stabilität der tierartspezifischen Micellen und die Effektivität der Beladung mit Lysozym beurteilt werden. Zusätzlich sollte die antibakterielle Wirksamkeit der mit Lysozym beladenen Caseinmicellen verschiedener Säugetiere sowohl in vitro als auch in orientierenden Untersuchungen gegenüber Bakterien erfasst werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass die CM aller untersuchten Tierarten mit HEWL beladen werden können. Hinsichtlich der Stabilität der CM sowie der Aufnahmekapazität wurden jedoch tierartspezifische Unterschiede festgestellt. Allgemein konnten die CM aus Wiederkäuer- und aus Humanmilch als stabiler beschrieben werden, wobei die HEWL-Aufnahme bei den CM der Wiederkäuer höher war. Die lytische Enzymaktivität des HEWL in vitro veränderte sich infolge der Micellassoziation für die meisten untersuchten Tierarten im Vergleich zu frei vorliegendem HEWL nicht. Für die antibakterielle Wirksamkeit gegenüber Bacillus subtilis wurden hingegen Unterschiede zwischen den verschiedenen Tierarten beobachtet. Für die HEWL-haltigen CM von Büffel und Ziege ergaben sich die gleichen Wachstumsverzögerungen wie bei freiem HEWL in SMUF. Im Gegensatz dazu wurde die bakteriostatische Wirkung durch die HEWL-Micellen von Kuh, Kamel und Mensch inhibiert, durch die von Schaf, Stute und Esel hingegen verstärkt. Neben der Funktionalisierung der Caseinmicellen durch den Einbau bioaktiver Substanzen, können die Partikel auch chemisch modifiziert werden. Eine Möglichkeit stellt hierbei die Glykierung dar. Glykierungsreaktionen zwischen den Carbonylgruppen reduzierender Zucker und Aminosäureseitenketten wurden für nicht-micellare Caseine in einer Vielzahl an Studien untersucht (Zin El-Din & Aoki, 1993; Morales & van Boekel, 1996; Pellegrino et al., 1999; Lima et al., 2009; Akıllıoğlu & Gökmen, 2014). Über den Einfluss der micellaren Anordnung der Caseine auf die Glykierungsreaktionen war nur wenig bekannt. Erkenntnisse diesbezüglich könnten einen Beitrag zur Aufklärung des Aufbaus der Caseinmicellen leisten. Die Untersuchungen zeigten, dass bei der Erhitzung von micellaren und nicht-micellaren Caseinen für 0 - 4 h bei 100 °C in Gegenwart der reduzierenden Zucker Lactose und Glucose hauptsächlich die frühe Phase der Maillard Reaktion abläuft. Die Bildung der Amadori-Produkte erfolgte dabei in den CM und im nicht micellaren Natrium-Caseinat (NaCas) in gleichem Maße. Hieraus wurde eine ähnliche Zugänglichkeit der reaktiven Aminosäureseitenketten in den micellaren und nicht micellaren Caseinen geschlussfolgert. Signifikante Unterschiede konnten hinsichtlich der Produktbildung der späten Phase der Maillard-Reaktion beobachtet werden. Während Nε-Carboxymethyllysin (CML) im NaCas in höheren Gehalten detektiert wurde, trat in den CM eine verstärkte Pyrralin-Bildung auf. Zudem bewirkte eine Inkubation in Gegenwart von Lactose eine bevorzugte CML-Bildung, wohingegen mit Glucose Pyrralin in höheren Mengen gebildet wurde. Die Maillard-induzierten Proteinquervernetzungsprodukte Glyoxal-Lysin-Dimer und Pentosidin wurden im Vergleich zum zuckerunabhängig gebildeten Lysinoalanin in deutlich geringeren Gehalten erfasst. Hohe Oligomerisierungsgrade zwischen 50 und 84 % zeigten jedoch, dass die Proteinquer-vernetzungen, die im Zuge der Glykierung entstehen, quantitativ von größerer Bedeutung sind. Anhand der Bestimmung der hydrodynamischen Durchmesser und mit Hilfe von REM-Aufnahmen konnte eine weitgehend intra-micellare Proteinquervernetzung abgeleitet werden. Die Ausbildung intra-micellarer Oligomere bewirkte dabei eine höhere Micellstabilität gegenüber einem Calciumentzug durch EGTA. Die vorliegenden Untersuchungen deuten darauf hin, dass die hydrophilen Zuckermoleküle über die von Dalgleish (2011) vorgeschlagenen Wasserkanäle in die CM eindringen und die frühe Phase der Maillard-Reaktion anschließend vor allem in diesen Regionen erfolgt. Die weiteren Phasen der Maillard-Reaktion könnten dann, durch ein tieferes Eindringen der reaktiven Komponenten, zunehmend auch in dehydratisierteren Bereichen ablaufen. Bezüglich des Aufbaus der Caseinmicellen unterstützen die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse die Vorstellungen des Internal Structure Modells.

The work presented in the thesis is focused on the synthesis of diverse colloidal semiconductor NCs in organic media, their surface design with tiny inorganic and hybrid capping species in solution phase, and subsequent assembling of these NC building units into two-dimensional close-packed thin-films and three-dimensional non-ordered porous superstructures.

Die Schwammskelette der Ordnung Verongida zeichnen sich durch das Fehlen mineralischer Komponenten aus. Stattdessen bestehen sie aus Spongin, einem kollagenartigen Protein, und Chitin. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die aus solch einem Chitin-Protein-Komplex bestehenden Skelette der Schwammspezies Aplysina cavernicola und Ianthella basta aus der Ordnung Verongida untersucht. Aufgrund ihrer morphologischen Unterschiede wurde für jede Schwammart eine eigene Methode zur Isolierung der Schwammskelette entwickelt. Die isolierten Skelette konnten anschließend mit verschiedenen Methoden wie REM, ATR-FTIR-Spektroskopie und NMR-Spektroskopie charakterisiert werden. Weiterhin wurde eine Methode zur Extraktion und Analyse der in den Skeletten befindlichen Aminosäuren mittels GC-MS entwickelt. Die Untersuchungen zeigten deutlich, dass es sich bei Spongin um ein kollagenartiges und halogeniertes Protein handelt, welches je nach Schwammart Unterschiede in der Aminosäurezusammensetzung aufweist. Darüber hinaus gelang es zum ersten Mal das Chitin aus dem Chitin-Protein-Komplex mittels Phosphorsäure zu entfernen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen konnte abschließend ein Modell zum Aufbau des Chitin-Protein-Komplexes in der Schwammspezies Aplysina cavernicola entwickelt werden.

Durch die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit ist es erfolgreich gelungen die beiden gram-positiven Mikroorganismen Lysinibacillus sphaericus JG-A12 und Lysinibacillus sphaericus JG-B53 unter geregelten und idealen Kultivierungsbedingungen im Bioreaktor in hinreichenden Biomasseausbeuten zu kultivieren. Aus der Biomasse beider Stämme ist es anschließend gelungen, die primären Zellwandkomponenten bestehend aus Membranlipiden, Peptidoglykan mit sekundären Zellwandpolymeren und S-Layer-Proteinen in reiner Form und in guten Ausbeuten zu extrahieren. Diese Zellwandkomponenten wurden dann unter Verwendung von biochemischer und strukturanalytischer Methoden charakterisiert. Dabei ist es erstmals gelungen, die Membranlipide beider genutzter Mikroorganismen in Bezug auf deren Zusammensetzungen der enthalten hydrophoben Fettsäuren und der hydrophilen phosphathaltigen Kopfgruppen zu charakterisieren. Durch die vergleichend durchgeführten Metallbindungsversuche im Batch-Verfahren konnten Bindungspräferenzen intakter Zellen von Lysinibacillus sphaericus JG-A12 und Lysinibacillus sphaericus JG-B53 und deren isolierten Zellwandkomponenten mit den Metallen As, Au, Cd, Eu, Pb, Pd, Pt bzw. U untersucht werden. Dabei konnten sowohl in den Untersuchungen intakter Zellen und der primären Zellwandbestandteile deutlich höhere Metallsorptionsraten und Metallentfernungseffizienzen für Lysinibacillus sphaericus JG-B53 festgestellt werden als dies bei Lysinibacillus sphaericus JG-A12 nachzuweisen war. Dies macht diesen Stamm für potentielle technische Anwendungen als metallselektives biosorptives Material weitaus interessanter. Die Untersuchungen der Einzelkomponenten in Suspension lieferten jedoch nur begrenzt Informationen zur Interaktion der Metalle mit den Schichten wie sie unter natürlichen Bedingungen in der Zelle vorkommen. Daher wurden unter Verwendung der QCM-D erstmals die primären Zellwandkomponenten beider Mikroorganismen (S-Layer und Peptidoglykan) sowie von Referenzlipiden an Grenzflächen erfolgreich im nanoskaligen Bereich abgeschieden und online verfolgt. Dadurch war es möglich vereinfachte Einzelschichtsysteme der gram-positiven bakteriellen Zellwand nachzubilden. In den Untersuchungen konnten stabile Schichten generiert werden, welche vergleichbar zu dem Schichtsystem vitaler Zellen sind. Zusätzlich konnte bei den Abscheidungen der S-Layer-Proteine SlfB und Slp1 der positive Effekt von Polyelektrolytmodifizierungen auf das Rekristallisationsverhalten, die Schichtstabilität und den Bedeckungsgrad auf der technischen Oberfläche aufgezeigt werden. Zur Untersuchung der Metallinteraktion zellulärer Einzelschichtsysteme wurden in dieser Arbeit exemplarisch nach den erfolgreichen Untersuchungen zur Rekristallisation, die S-Layer-Proteine als erste Interaktionsschicht des Gesamtzellsystems mit der QCM-D untersucht. Diese stabilen und intakten Schichten konnten analog zu den Schichtuntersuchungen der reinen biologischen Komponenten und nach den QCM-D Metallinteraktionsstudien mit den S-Layer Strukturen mittels der Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht und bildgebend dargestellt werden. In weiteren spektroskopischen Untersuchungen (TRLFS) der Zellwandkomponenten konnten die lumineszierenden Eigenschaften von Europium ausgenutzt werden, um das Metallbindungsverhalten der einzelnen Komponenten als auch des Gesamtsystems der Zellen beider Mikroorganismen zu bestimmen. Somit konnte Europium als spektroskopische Sonde eingesetzt werden um Rückschlüsse die Biomolekül-Metallwechselwirkungen zu ermöglichen. Dabei konnten vor allem mit den beiden oberflächennahen Zellschichten Lösung teilweise sehr starke Metall-Biomolekül-Wechselwirkungen beobachtet werden.

The chemical element carbon plays a key role in the 21st century. “The new carbon age” is associated with the global warming due to increasing carbon dioxide emissions. The latter are a major consequence of the continued combustion of fossil fuels for energy generation. However, carbon is also one key component to overcome these problems. Especially porous carbon materials are highly attractive for many environmentally relevant applications. These materials provide high specific surface area, high pore volume, thermal/chemical stability, and high electrical conductivity. They are promising candidates for the removal of carbon dioxide or other environmentally relevant gases from exhaust gas mixtures. Furthermore, porous carbons are used in electrochemical energy storage devices (e.g. batteries or electrochemical capacitors). The performance of the materials in these applications depends on their pore structure. Hence, precise control over the pore size and the pore geometry is important to achieve. Besides a high specific surface area (SSA) and a well-defined pore size, pore accessibility must be ensured because the surface must be completely available. If the porous carbons exhibit ink-bottle pores, the high surface area is useless because the guest species do not reach the pore interior. Therefore, carbon materials with hierarchical pore structure are attractive. They combine at least two different pore systems of different size which contribute with their individual advantages. While smaller pores provide large specific surface area, larger pores ensure efficient mass transport. Numerous methods for the targeted synthesis of carbide-derived carbon materials (CDCs) with hierarchical pore architectures were developed within this thesis (Figure 1). CDCs are produced by the extraction of metal- or semi-metal atoms from carbide precursors leading to the formation of a microporous carbon network with high specific surface area. PolyHIPE-CDCs with porosity on three hierarchy levels and total pore volumes as high as 8.5 cm3/g were prepared by a high internal phase emulsion technique. CO2 activation increases the SSA to values above 3100 m2/g. These materials are promising for the filtration of non-polar organic compounds from gas mixtures. CDC nanospheres with diameters below 200 nm were obtained from polycarbosilane-based miniemulsions. They show high capacitance of up to 175 F/g in symmetrical EDLCs in 1 M H2SO4 aqueous electrolyte. Besides such emulsion techniques, the hard-templating concept (also referred to as nanocasting) was presented as an efficient approach for the synthesis of CDC mesofoam powders and meso-macroporous CDC monoliths starting from silica templates and polycarbosilane precursors. As a wide range of pore sizes is approachable, the resulting materials are highly versatile in terms of application. Due to their high nanopore volume, well-defined mesopores and large SSA, they show outstanding properties as electrode materials in EDLCs or in Li-S batteries as well as high and rapid uptake in gas adsorption processes. CDC aerogels were produced by pyrolysis and high-temperature chlorine treatment of cross-linked polycarbosilane aerogels. These materials can be tailored for efficient CO2 adsorption and show outstanding performance in EDLC electrodes at high current densities of up to 100 A/g due to the very short electron diffusion pathways within the aerogel-type pore system. It was further shown that CDCs can be combined with mesopores by the sacrificial template method starting from PMMA particles as the pore-forming material. The use of highly toxic hydrofluoric acid for template removal and large amounts of organic solvents as typical for hard- and soft-templating approaches can be overcome. SSAs and total pore volumes of 2434 m2/g and 2.64 cm3/g are achieved ensuring good performance of PMMA-CDCs in Li-S batteries cathodes. Besides the characterization of CDCs in real energy storage devices and adsorption processes, their use as model substances in energy- and environmentally relevant applications was part of this thesis. The questions “How does it work?” and “What do we need?” must be clearly answered before any material can be tailored under the consideration of economic and ecological perspectives. The high potential of CDCs for this purpose was shown in this thesis. These carbons were used as model substances in combination with nuclear magnetic resonance (NMR) techniques to get a detailed understanding of the adsorption processes on porous carbon surfaces. However, such investigations require the use of model substances with a tailored and well-defined pore structure to clearly differentiate physical states of adsorbed species and to understand fundamental mechanisms. The characterization of the interaction of electrolyte molecules with the carbon surface was performed with solid-state NMR experiments. The materials were also studied in the high-pressure adsorption of 129Xe using an in-situ NMR technique. Both NMR studies enable the analysis of ions or gas atoms adsorbed on the carbon surface on an atomic level and experimentally demonstrate different strength of interaction with pores of variable size and connectivity. In addition, the novel InfraSORP technology was used for the investigation of the thermal response of CDCs and templated carbon and carbide materials during n-butane adsorption. These model systems lead to a more profound understanding of this technique for the rapid characterization of porous materials. The Kroll-Carbon (KC) concept is a highly attractive alternative for the synthesis of well-defined carbons on the large scale. In this technique, the porous materials are produced by the reductive carbochlorination reaction between oxidic nanoparticles and a surrounding carbon matrix. First KC materials were produced with high SSA close to 2000 m2/g and total pore volumes exceeding 3 cm3/g. This method was established with template particles of various dimensions as well as by using various types of oxides (silica, alumina, titania). Hence, porous carbon materials with various textural parameters are approachable. The first generation of KCs is promising for the use in Li-S battery cathodes and as electrode materials in EDLCs.

Moderne analytische Verfahren ermöglichen eine höchst effiziente Auftrennung und eine selektive Detektion von Zielanalyten. Dies ist vor allem in der Medizin von Bedeutung, da eine frühzeitige Diagnose von Krankheiten in den meisten Fällen zu einer wesentlich erfolgreicheren Behandlung beiträgt. In unserer heutigen Industriegesellschaft werden daher hochsensitive und effiziente Analysemethoden stärker benötigt als je zuvor. Diverse Umweltgifte oder gesundheitliche Schadstoffe gelangen vermehrt in Grundwasser und Umwelt. Eine Analyse ist aufgrund der oft nur geringen Konzentrationen und der Komplexität diverser Proben häufig mit großen Schwierigkeiten verbunden. Obwohl die Sensitivität und Effizienz zur Bestimmung von Krankheitsmarkern (Biomarker) und Schadstoffen immer weiter zunimmt, stoßen selbst höchstsensitive Analysemethoden an ihre Grenzen. Gerade bei kleinsten Konzentrationen an Zielanalyten oder bei komplexen Gemischen ist eine direkte Detektion ohne weitere Vorbehandlung, wie Aufkonzentrierungen oder Markierungen, äußerst schwierig oder nicht möglich. Eine Optimierung dieser Methoden, deren Automatisierung sowie sensitivere Detektorsysteme werden benötigt. Darüber hinaus ist die Entwicklung von neuartigen, selektiveren mobilen und stationären Phasen ein hochinteressantes und umfangreich untersuchtes Forschungsgebiet. Die Verwendung von hochselektiven Additiven, wie Cyclodextrinen, Kronenethern, Mizellen und andere chirale Selektoren in der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC), Kapillarelektrophorese (CE)[1,2] oder in der Dünnschicht-Chromatographie (TLC)[3] wurde bereits umfangreich untersucht und etabliert. Hochfunktionalisierte Polymere als äußerst spezifische Selektoren mit hoher Selektivität stellen vielversprechende Materialien dar, die ebenfalls eine Optimierung in der HPLC und CE erzielen.[4-9] Der Einsatz von Polymeren in molekular geprägten Matrizen (molecular imprinted polymers, MIP) oder in monolithischen Trennsäulen wird bereits äußerst erfolgreich in der TLC, HPLC und CE genutzt.[7-11] Eine solch hochselektive Säulenmodifizierung bietet eine sehr gute Performance und hervorragende Trennleistungen. Ein Nachteil dieser hochselektiven Modifizierung ist jedoch die Spezialisierung nur auf das jeweilige Problem. Eine universelle Verwendung für komplexe Gemische und eine Fülle von Analyten ist limitiert. Ein sehr vielversprechender Aspekt ist der Einsatz von Polymeren als chirale Selektoren in der stationären wie auch in der mobilen Phase. Die große Anzahl an kommerziell erhältlichen Trennsäulen mit einer Polymermodifizierung und das ständig umfangreichere Angebot solcher Säulen[12] verdeutlichen diesen Trend und zeigen, dass die Nutzung von polymeren Architekturen für eine weitere Optimierung diverse Möglichkeiten bietet. Hochverzweigte Polymere stellen unter den Polymeren vielversprechende Materialien dar, die aufgrund ihrer Vorteile zu einer effektiven Optimierung beitragen können.[12] Die hohe Anzahl an terminalen Gruppen ermöglichen es, gut zugängliche anwendungsorientierte Modifizierungen durchzuführen, um gewünschte Eigenschaften zu generieren. Durch die hohe Variabilität der Polymere selbst und der diversen Modifizierungsmöglichkeiten zeigen maßgeschneiderte Polymere ein enormes Potential und die Möglichkeit hochselektive Wechselwirkungen mit Zielanalyten zu etablieren. Die Modifizierung mit einer Schale um den polymeren Kern ermöglicht weitere Optimierungen für den Einsatz von Kern-Schale-Architekturen. Beispiele hierfür sind unter anderem die Vermittlung höherer Löslichkeit durch eine Modifizierung des hydrophilen/hydrophoben polymeren Kerns zur Etablierung einer äußeren Schale. Ebenso können durch die Modifizierung gezielte Eigenschaften generiert werden, die eine spezifische Interaktion mit Oberflächen oder Wirkstoffen ermöglichen. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist die Synthese und die Untersuchung von Kern-Schale-Architekturen als chromatographische Selektoren. Als polymerer Kern wird hochverzweigtes Poly(ethylenimin) (PEI) verwendet, das mit einer Oligosaccharidschale modifiziert wird. Das PEI wird mit den Kerngrößen 5 und 25 kDa verwendet, wodurch eine Untersuchung des Kerneinflusses möglich ist. Weiterhin wird die Dichte der Oligosaccharidschale eingestellt. Dafür wird eine dichte, moderate bis offene und eine sehr offene Oligosaccharidschale um den polymeren Kern generiert. Infolge dessen kann der Einfluss der Schalendichte auf die Interaktion mit Beispielanalyten evaluiert werden. Für die Oligosaccharidschale (OS) werden darüber hinaus drei verschiedene Oligosaccharide (Maltose, Lactose und Maltotriose) verwendet, um den Einfluss der Art der Schale zu prüfen. Durch diese Variationen können 15 unterschiedliche PEI-OS Kern-Schale-Architekturen synthetisiert und untersucht werden. Weiterhin soll der hydrophobe Anteil der Kern-Schale-Architekturen durch die Anbindung von unpolaren Seitenketten an einen PEI-Kern erhöht werden. Auf diese Art und Weise können nicht-kovalente Wechselwirkungen mit lipophilen Systemen untersucht werden. Um polymere Kern-Schale-Architekturen möglichst effizient in der TLC, HPLC und CE einsetzen zu können, ist es essentiell, ihre Eigenschaften und die Art und Weise der Wechselwirkungen zu kennen, die sie mit möglichen Gastmolekülen eingehen. Durch die Untersuchung dieser Wechselwirkungen können Informationen über deren Interaktionen und eine mögliche Manipulation bzw. Optimierung dieser erhalten werden. Ein zielgerichteter und effektiver Einsatz mit diesen Kern-Schale Architekturen kann so vorbereitet werden. [1] T. J. Ward, K. D. Ward, Anal. Chem. 2012, 84, 626-35. [2] W. J. Cheong, S. H. Yang, F. Ali, J. Sep. Sci. 2013, 36, 609-28. [3] M. D. Bubba, L. Checchini, L. Lepri, Anal. Bioanal. Chem. 2013, 405, 533-554. [4] M. Hanson, K. K. Unger, Trends Anal. Chem. 1992, 11, 368-373. [5] J. Kirkland, J. Chromatogr. A 2004, 1060, 9-21. [6] F. Gasparrini, D. Misiti, R. Rompietti, C. Villani, J. Chromatogr. A 2005, 1064, 25-38. [7] A. Martin-Esteban, Trends Anal. Chem. 2013, 45, 169-181. [8] I. Nischang, J. Chromatogr. A 2013, 1287, 39-58. [9] R. D. Arrua, M. Talebi, T. J. Causon, E. F. Hilder, Anal. Chim. Acta 2012, 738, 1-12. [10] P. Jandera, J. Chromatogr. A 2013, 1313, 37-53. [11] F. Svec, J. Sep. Sci. 2004, 27, 1419-1430. [12] M. Tang, J. Zhang, S. Zhuang, W. Liu, Trends Anal. Chem. 2012, 39, 180-194.

Es wurden verschiedene NMR-spektrokopische Messungen an flexiblen und chiralen MOFs durchgeführt. Zur Untersuchung der Porensysteme kamen 129Xe-NMR und 13C-NMR an adsorbiertem CO2 zum Einsatz, während die MOF-Gitter und ihre Wechselwirkungen mit adsorbierten Gastmolekülen mittels 13C- und 1H-MAS-NMR-Spektroskopie studiert wurden. Während DUT-8(Ni) Flexibilität zeigt, weist DUT-8(Cu) ein starres Gitter auf. Die Flexibilität der sogenannten Solid-Solutions hängt in ausgeprägter Weise vom Verhältnis der funktionalisierten bdc-Linker 2,5-bme-bdc und db-bdc ab. Dieses Verhältnis hat zudem einen großen Einfluss auf die Orientierung der adsorbierten CO2-Moleküle. Es wurde erstmals eine Methode vorgestellt, die den Festkörper-NMR-spektroskopischen Nachweis chiraler Seitengruppen in chiralen MOFs erlaubt, wie anhand des chiral modifizierten UMCM-1 (ChirUMCM-1) demonstriert wurde. Die Chiralität kann einen NMR-spektroskopisch messbaren Einfluss auf die intrinsische Dynamik des MOF-Gitters ausüben, wie am chiral modifizierten DUT-32 deutlich wurde, dessen chirale Seitengruppe selektiv 15N- und 13C-isotopenmarkiert wurde.

Ziel der vorliegenden Arbeit war zum einen die Entwicklung einer Synthesestrategie und deren praktischen Umsetzung zur Verwirklichung der Idee eines organometallischen Koordinationspolymers, in dem das verknüpfende Bindungsmotiv Metall-Kohlenstoff-Bindungen sind. Der zweite und größere Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Synthese von neuen metallorganischen Gerüstverbindungen auf der Basis von Carboxylatliganden. Diese sollten Eigenschaften besitzen, die sie als Gasspeichermaterialien, vor allem für Methan und Wasserstoff, geeignet erscheinen lassen. Durch Kombination von H3BTB und Co(NO3)2•6H2O wurde ein strukturell hochkomplexes MOF, DUT-28, erhalten, dessen hohe theoretisch, geometrisch berechnete Oberfläche (3875 m2/g) gute Gasspeichereigenschaften hätte erwarten lassen. Leider schlugen sämtliche Versuche, die metallorganische Gerüstverbindung in lösungsmittelfreier Form zu erzeugen, fehl. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Raumgruppe, in der DUT-28 kristallisiert, bei Verringerung der Temperatur (298 K auf 100 K) von C2/m zu C2/c ändert. Die durch dieses Faktum implizierte strukturelle Flexibilität könnte ein Grund für das Scheitern aller Bemühungen, DUT-28 unter Erhalt der Struktur zu aktivieren, sein. Die Entdeckung eines metallorganischen Polyeders, bestehend aus sechs Kupferschaufelradeinheiten und 12 Carbazol-3,6-dicarbonsäuren, regte eine Änderung der Synthesestrategie für die Darstellung weiterer MOFs an. Im Gegensatz zu der explorativen Vorgehensweise bei der Synthese von DUT-28 wurden im Folgenden durch Anwendung des sogenannten SBB Konzepts vergleichsweise kontrolliert weitere hochporöse MOFs dargestellt. Das SBB Konzept beschreibt im Kern den Aufbau dreidimensionaler Strukturen durch geeignete Verknüpfung von metallorganischen Polyedern und wurde vor allem durch ZAWOROTKO und EDDAOUDI bekannt. Die Verknüpfung der MOPs kann dabei sowohl über koordinative als auch kovalente Bindungen erfolgen. Ausgehend von dem beschriebenen Carbazol-MOP wurden zwei verschiedene Strukturen generiert, die sich durch Reduktion der SBBs auf 12-konnektive Knoten, als fcu bzw. ftw-a beschreiben lassen. Beide Strukturen wurden jeweils einmal isoretikular erweitert. Im Fall des fcu Netzes wurden die Carbazole über ihren Stickstoff mit einer starren Phenylen (DUT-48) bzw. Biphenylen (DUT-49) verbunden. Zur Erzeugung des ftw-a Netzwerks wurde eine Carboxyphenyl- (DUT 75) bzw. Carboxybiphenyleinheit (DUT 76) an den Carbazolstickstoff gebunden (Abbildung 1). Alle vier Verbindungen müssen überkritisch mit Kohlendioxid getrocknet werden. Alle Verbindungen zeigen hohe bis sehr hohe Oberflächen und Porenvolumina und sehr gute bis herausragende Wasserstoffspeicher- und Methanspeicherkapazitäten. DUT-76 besitzt mit rund 6400 m2/g eine herausragende spezifische Oberfläche und mit 3,25 cm3/g ein sehr großes spezifisches Porenvolumen. Alle vier Verbindungen zeigen hohe bis sehr hohe gravimetrische Speicherkapazitäten für Wasserstoff und Methan. Dabei ragt DUT-49 mit einer Rekordkapazität für Methan von 308 mg/g, und DUT-76 mit einer Wasserstoffkapazität von 82 mg/g, heraus. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass es gelungen ist, eine Reihe metallorganischer Gerüstverbindungen zu synthetisieren, die sehr hohe bzw. rekordbrechende Gasspeicherkapazitäten für die alternativen Energieträger Wasserstoff und Methan aufweisen. Zur Synthese eines organometallischen Koordinationspolymers wurde ein besonders stabiler Übergangsmetallolefinkomplex als Bindungsmotiv gewählt (Abbildung 2a). Dieser Komplex ist nur ein lineares Verknüpfungsmotiv. Zur Herstellung von Dreidimensionalität wurden vier 7-norbornadienylreste, in jeweils 4-Position an ein Tetraphenylsilangerüst geknüpft. Die Synthese des Liganden (TNPS, vgl. Abbildung 2b) gelang in einer kurzen Sequenz von 3 Stufen ausgehend von reinem Norbornadien. Der TNPS-Ligand wurde in einer Ligandenaustauschreaktion mit dem oben genannten Rhodium-Norbornadienkomplex umgesetzt. Dabei wurde eine amorphe, gelartige Substanz erhalten (DUT-37) (vgl. Abbildung 2c und 3a). Durch Röntgenabsorptionspektroskopie, NMR-Experimente und Elementaranalyse konnte gezeigt werden, dass tatsächlich ein Ligandenaustausch stattgefunden hat, und die Bindungsverhältnisse innerhalb des Festkörpers denen im monomeren Komplex entsprechen. DUT-37 konnte ebenfalls nur durch überkritische Trocknung als permanent poröses Material erhalten werden. In diesen Zustand besitzt es eine spezifische Oberfläche von 470 m2/g und ein spezifisches Porenvolumen von 0,38 cm3/g. Es zeigt eine für poröse Polymere charakteristische Hysterese über den gesamten Relativdruckbereich und ist im aktivierten Zustand über mehrere Wochen stabil gegenüber atmosphärischen Bedingungen. DUT-37 zeigt eine merkliche Kapazität für Kohlenstoffmonoxid bei Raumtemperatur. Ein großer Anteil der CO-Moleküle wird allerdings chemisorbiert, was durch IR-Messungen gezeigt werden konnte. Durch Wasserdampfphysisorption konnte eine relativ hohe Hydrophobizität des Materials gezeigt werden, die möglicherweise eine Ursache für die überraschende Stabilität von DUT-37 ist. Abschließend, ist DUT-37 katalytisch aktiv in der Transferhydrierung von Cyclohexanon mit 2-Propanol (Abbildung 3b). Zusammenfassend ist es gelungen, im Rahmen dieser Arbeit erstmals ein poröses organometallisches Koordinationspolymer zu synthetisieren. Dieses zeigte interessante Adsorptionseigenschaften, eine unerwartete Stabilität und katalytische Aktivität.

Im Rahmen dieser Arbeit ist es durch die kombinierte Anwendung von P-31 Flüssigkeits (HR)- NMR-Spektroskopie sowie dynamischer Lichtstreuung (DLS) gelungen, die supramolekulare Struktur von mizellarem Casein aus ultrahocherhitzter (UHT) Milch unter dem Einfluss einer enzymatischen Vernetzung mittels mikrobieller Transglutaminase (mTG) zu charakterisieren. Die P-31 HR NMR-Spektroskopie erweist sich dabei als hervorragende Methode, um sowohl den Einbau von Casein aus dem Milchserum in die mizellaren Aggregate durch die enzymatische Reaktion als auch die bevorzugte mTG Vernetzung des beta-Caseins nachzuweisen. Durch die Kombination von P-31 HR NMR-Spektroskopie und Messungen der dynamischen Lichtstreuung war es weiterhin möglich, das Vorliegen vernetzter Caseinaggregate in Dispersionen mTG-behandelter Caseine zu belegen und besonders den Anteil an nicht vernetztem Casein „sichtbar“ zu machen, der durch EDTA-Zugabe aus den mTG-vernetzten Caseinnetzwerken freigesetzt wird. Es zeigt sich, dass die Caseinnetzwerke nach der EDTA-Behandlung eine geringere Proteindichte als mizellares Casein aufweisen, da sie nur ca. 20 % des Serinphosphats des mizellaren Caseins enthalten. P-31 Festkörper-NMR-spektroskopische Messungen legen außerdem nahe, dass die Beweglichkeit des phosphorylierten Ser149-Restes des kappa-Caseins in der äußeren Schicht der mizellaren Caseinaggregate durch die mTG-Behandlung nicht wesentlich verändert wird. Um die erhaltenen Caseinnetzwerke im Hinblick auf ihr Anwendungspotential zu untersuchen, wurden sie als Proteinkomponente bei der biomimetischen Calciumphosphatfällung sowie als Trägerstrukturen für bioaktives Lysozym verwendet. Durch den Einsatz von Caseinnetzwerken als Fällungsmedium während der Präzipitation von Calciumphosphat (CaP) ist es gelungen, eine hydratisierte, apatitische Phase zu stabilisieren, die sowohl ungeordnete als auch kristalline Bereiche enthält und damit strukturelle Ähnlichkeit zu biologisch und besonders biomimetisch gebildetem Apatit besitzt. Die in den Präzipitaten ebenfalls vorhandenen Phosphoratome in einer relativ ungeordneten OCP (Octacalciumphosphat)-ähnlichen Umgebung stehen höchstwahrscheinlich mit der apatitischen Phase in räumlich engem Kontakt und sind damit entweder Bestandteil dieser Phase oder befinden sich in einer getrennten Phase, die jedoch mit der apatitischen Phase in Form eines Nanokomposits mit sehr kleinen, eng benachbarten Kristalliten vorliegt. Bei der Fällung des Caseinnetzwerk/CaP-Präzipitats wird ebenfalls eine Dicalciumphosphat-Dihydrat (DCPD)-Phase gebildet. Diese ist separiert von den anderen CaP-Phasen und tritt in wesentlich geringerem Maße auf als in einem reinen CaP-Präzipitat, das ohne Proteinkomponente gefällt wurde. Damit konnte gezeigt werden, dass unter Bedingungen, bei denen ohne Proteinkomponente größtenteils DCPD entsteht, die Caseinnetzwerke eine apatitische Phase stabilisieren, die strukturelle Ähnlichkeit zu biologisch und biomimetisch gebildetem Apatit aufweist. Die qualitativ gleichen Ergebnisse konnten für vergleichsweise untersuchtes unvernetztes Casein gefunden werden. Die Caseinnetzwerke zeigen jedoch in Bezug auf die apatitische Phase einen stärkeren Stabilisierungseffekt als unvernetztes Casein. Es ist denkbar, dass dies unter anderem darauf zurückzuführen ist, dass die Phosphatzentren in den Caseinnetzwerken im Gegensatz zu Casein frei von CaP-Brücken sind, da diese durch die EDTA-Behandlung entfernt wurden. Da die Caseinnetzwerke zudem eine geringere Proteindichte und damit eine höhere „Porosität“ als die mizellaren Caseinaggregate aufweisen, kann sich die apatitische Phase möglicherweise auch innerhalb der Netzwerke bilden, während dies für die mizellaren Caseinaggregate wahrscheinlich nur begrenzt möglich ist. In der vorliegenden Arbeit konnte ebenfalls gezeigt werden, dass sich Caseinnetzwerke grundsätzlich als Transportsysteme für Lysozym eignen, da sie eine hohe Stabilität aufweisen und erfolgreich mit Lysozym beladen werden können. Während die Assoziation von Lysozym mit mizellaren Caseinaggregaten, die aus UHT-Milch gewonnenen wurden, zu einem fast vollständigen Verlust der Lysozymaktivität führt, bleibt die Aktivität des Enzyms bei der Bindung an Caseinnetzwerke erhalten. Das Anwendungspotential der Caseinnetzwerk/Lysozym-Assoziate wurde im Rahmen von zahnmedizinischen Versuchen in vitro und in situ untersucht. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Caseinnetzwerk/Lysozym-Assoziate in vitro eine dauerhafte Immobilisierung des Lysozyms in der in situ gebildeten Pellikel bewirken. Eine deutliche Anreicherung des Enzyms in situ wird mithilfe der Caseinnetzwerke allerdings nicht beobachtet. Dies könnte darin begründet sein, dass die im Vergleich zu den in vitro vorgefundenen Verhältnissen deutlich komplexeren Bedingungen in situ zu einem selektiveren Anreicherungsprozess von Enzymen in der Pellikel führen.

Zielstellung der durchgeführten Arbeiten war die Entwicklung neuer hochporöser metall-organischer Gerüststrukturen (engl.: metal-organic frameworks, MOFs) durch die Verwendung aufgeweiteter Linkermoleküle. Hierfür wurden verschiedene Synthesestrategien verfolgt. Zum einen wurde die Ausbildung von Layer-Pillar-Strukturen auf der Basis von Anthracen-Linkern genutzt, um poröse und sehr stabile metall-organische Gerüstverbindungen darzustellen. Außerdem wurden aufgeweitete trigonale Linkermoleküle bzw. eine Kombination von bi- und tridentaten Liganden verwendet, um hochporöse Koordinationspolymere zu synthetisieren. Zudem wurde die Synthese chiraler poröser Koordinationspolymere durch die Nutzung des modifizierten TADDOL-Katalysators als chirale organische Komponente verfolgt, um somit einen heterogenen Katalysator für die enantioselektive Katalyse zu gewinnen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten die verschiedenen Synthesestrategien erfolgreich angewendet werden. Durch die Umsetzung des bidentaten Linkers 4,4´-Anthracen-9,10-diyldibenzoesäure und dem Säulenliganden 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan (Dabco) mit verschiedenen Metallsalzen konnte eine neue Reihe isotyper, poröser Layer-Pillar-Verbindungen (DUT-30, DUT = Dresden University of Technology) mit einer sehr guten Stabilität gegenüber Luft und Feuchtigkeit dargestellt werden. Die Strukturen zeigen eine äußerst hohe Flexibilität, sodass sieben verschiedene Phasen der Verbindungen gefunden werden konnten. Dadurch sind diese Materialien prädestiniert zur Entfernung von Schadstoffen, wie z.B. organischen Lösungsmitteldämpfen, aus der Luft. Auch die Verwendung von trigonalen Linkern kann zur Synthese hochporöse Koordinationspolymere genutzt werden. Dies wurde anhand des Linkers 1,3,5-Tri-(4´-carboxy(1,1´-biphenyl)-4-yl)benzen erprobt. Die Umsetzung des Linkers mit Zinknitrat bzw. Cobaltnitrat führte zu den hexagonalen Schichtstrukturen DUT-40 und DUT-44. DUT-43 besteht ebenfalls aus einer derartigen hexagonalen Schichtstruktur, wobei hier jedoch die Verwendung von 4,4´-Biphenyldicarbonsäure als Co-Linker eine teilweise Verknüpfung der Schichten ermöglicht. Außerdem konnte durch die Umsetzung des tridentaten Linkers mit Kupfernitrat die Struktur von DUT-54 gebildet werden. In dieser liegen eindimensionale Stränge vor, wobei es zu einer gegenseitigen Durchdringung kommt und damit eine dreidimensionale Kanalstruktur entsteht. Eine weitere Synthesestrategie zur Erzeugung hochporöser Materialien nutzt die Verwendung von Co-Linkern für die Erzeugung der Koordinationspolymere. Hier war in der Vergangenheit vor allem die Kombination von bi- und tridentaten Linkern erfolgreich. Nutzt man als bidentaten Vertreter 9,10-Anthracendicarbonsäure, so eignet sich 4,4´,4´´-Benzen-1,3,5-triyltribenzoesäure als tridentater Co-Linker. Die solvothermale Umsetzung der beiden Linker in verschiedenen Lösungsmittelgemischen führte zu zwei neuen porösen Kooordinationspolymeren, welche beide Linkerarten enthalten. Um jedoch gezielt ein hochporöses und stabiles Material erzeugen zu können wurde eine Struktur simuliert, welche isoretikulär zu der bekannten Struktur DUT-6 ist, welche ebenfalls nach dem Prinzip der Kombination von bi- und tridentaten Liganden dargestellt wurde. Die zu erzeugende Struktur beruht auf dem tridentaten Linker 1,3,5-Tri-(4´-carboxy-(1,1´-biphenyl)-4-yl)-benzen und dem bidentaten Linker 1,4-Bi-p-carboxyphenylbuta-1,3-dien, welcher exakt die richtige Länge aufweist, um in diese Struktur eingebaut zu werden. Die Umsetzung von basischem Zinkacetat mit einem Gemisch der beiden Linker führte zu der zuvor simulierten Struktur. Für diese Verbindung, DUT-60, konnte eine spezifische Oberfläche von 6500 m2g-1 und ein Porenvolumen von 3.5 cm3g-1 berechnet werden, welche zu den höchsten jemals für poröse Koordinationspolymere ermittelten Werte gezählt werden können. Ein weiterer Bereich der vorliegenden Arbeit galt der Entwicklung eines neuen chiralen und porösen Koordinationspolymers, welches in der heterogenen enantioselektiven Katalyse eingesetzt werden kann. Dafür wurde der aus der homogenen Katalyse bekannte TADDOL-Linker modifiziert. Durch die solvothermale Umsetzung dieses Linkers mit Zinknitrat konnte die Verbindung DUT-39 erhalten werden. Diese zeigt hervorragende Werte bezüglich ihres Adsorptionsverhaltens für verschiedene Gase und zählt somit zu den chiralen, metall-organischen Gerüstverbindungen mit den höchsten Porositäten. Außerdem zeigt die Verbindung eine hohe thermische Stabilität sowie eine gute Stabilität gegenüber Luftfeuchte, was sie zu einem attraktiven Kandidaten für die heterogene enantioselektive Katalyse macht.

Die Entwicklung und Synthese im Bereich neuartiger poröser Systeme, im speziellen Metallorganische Gerüstverbindungen (engl.: Metall-organic Frameworks; MOFs), wird weltweit in vielen Forschergruppen intensiv bearbeitet. Aufgrund der Möglichkeit, dass sich die Materialeigenschaften individuell designen lassen und letztendlich spezifische Eigenschaften für eine ausgewählte Anwendung bereitgestellt werden können, stellen MOFs für einen weiten Forscherkreis eine interessante Materialienklasse dar. Im Rahmen dieser Arbeit stand die Synthese von neuartigen MOFs im Vordergrund, welche geeignete Eigenschaften für eine effiziente Speicherung von Gasen im Nieder- als auch im Hochdruckbereich besitzen. Dabei wurde zum einen Augenmerk auf die Synthese mesoporöser MOF-Systeme gelegt. Hier lag die größte Herausforderung darin, die erhaltenen hochporösen Materialien in einer stabilen gastfreien Form zu erhalten. Ein weiterer Schwerpunkt war die Untersuchung von flexiblen MOF-Verbindungen und deren Eigenschaften in Abhängigkeit der Synthesebedingungen und der adsorbierten Spezies. Auf Basis der Copolymerisation verschiedener multifunktioneller Linkermoleküle konnten zwei mesoporöse Verbindungen und dazugehörige Isomorphe synthetisiert werden (DUT-6, DUT-23; DUT = Dresden University of Technology). Mit diesen Verbindungen konnte über die Kombination von unterschiedlich funktionellen Linkermolekülen eine erhöhte Netzwerkstabilität und damit einhergehend erhöhte Porosität erhalten werden. Sämtliche Verbindungen zeigen ausgezeichnetes adsorp-tives Verhalten und können aufgrund ihrer verschiedenen Eigenschaften in Bereichen der Hochdruckadsorption, Katalyse oder enantioselektiven Trennung Einsatz finden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das flexible Verhalten der „pillar-layer“ Verbindungen DUT-8(M) (M = Ni, Co, Zn, Cu) näher untersucht. Diese isomorphe Reihe zeichnet sich durch ihre hohe Netzwerkflexibilität in Abhängigkeit der integrierten Gastmoleküle sowie dem vorliegendem Metall-Dimer aus. DUT-8(M) zeigt unterschiedliche Adsorptionseigenschaften und unterschiedliches Stabilitäts- sowie Flexibilitätsverhalten.

Die Schwingungsspektroskopie, besonders die Raman-Spektroskopie, stellt ein wichtiges Werkzeug für Untersuchungen von Biomineralien dar. Raman-Spektroskopie wurde zur Untersuchung der organischen und anorganischen Bestandteile von Schwammskeletten eingesetzt. Die Raman-Spektroskopie trug auch zur Charakterisierung von biomimetischen Silikat-Präzipitaten bei. Durch ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie konnte erstmalig die Verteilung von organischem Material in den extrahierten Silikatzellwänden von Kieselalgen nachgewiesen werden. Die ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie wurde ebenfalls zur Untersuchung des SERS-Effekts an Zellwänden von Kieselalgen an die Silber-Nanopartikel gekoppelt waren eingesetzt.