Kinetic modeling and experiments on gas uptake and chemical transformation of organic aerosol in the atmosphere

Aerosolpartikel beeinflussen das Klima durch Streuung und Absorption von Strahlung sowie als Nukleations-Kerne für Wolkentröpfchen und Eiskristalle. Darüber hinaus haben Aerosole einen starken Einfluss auf die Luftverschmutzung und die öffentliche Gesundheit. Gas-Partikel-Wechselwirkunge sind wichtige Prozesse, weil sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolen wie Toxizität, Reaktivität, Hygroskopizität und optische Eigenschaften beeinflussen. Durch einen Mangel an experimentellen Daten und universellen Modellformalismen sind jedoch die Mechanismen und die Kinetik der Gasaufnahme und der chemischen Transformation organischer Aerosolpartikel unzureichend erfasst. Sowohl die chemische Transformation als auch die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von toxischen und allergenen Aerosolpartikeln, wie Ruß, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Proteine, sind bislang nicht gut verstanden.rn Kinetische Fluss-Modelle für Aerosoloberflächen- und Partikelbulk-Chemie wurden auf Basis des Pöschl-Rudich-Ammann-Formalismus für Gas-Partikel-Wechselwirkungen entwickelt. Zunächst wurde das kinetische Doppelschicht-Oberflächenmodell K2-SURF entwickelt, welches den Abbau von PAK auf Aerosolpartikeln in Gegenwart von Ozon, Stickstoffdioxid, Wasserdampf, Hydroxyl- und Nitrat-Radikalen beschreibt. Kompetitive Adsorption und chemische Transformation der Oberfläche führen zu einer stark nicht-linearen Abhängigkeit der Ozon-Aufnahme bezüglich Gaszusammensetzung. Unter atmosphärischen Bedingungen reicht die chemische Lebensdauer von PAK von wenigen Minuten auf Ruß, über mehrere Stunden auf organischen und anorganischen Feststoffen bis hin zu Tagen auf flüssigen Partikeln. rn Anschließend wurde das kinetische Mehrschichtenmodell KM-SUB entwickelt um die chemische Transformation organischer Aerosolpartikel zu beschreiben. KM-SUB ist in der Lage, Transportprozesse und chemische Reaktionen an der Oberfläche und im Bulk von Aerosol-partikeln explizit aufzulösen. Es erforder im Gegensatz zu früheren Modellen keine vereinfachenden Annahmen über stationäre Zustände und radiale Durchmischung. In Kombination mit Literaturdaten und neuen experimentellen Ergebnissen wurde KM-SUB eingesetzt, um die Effekte von Grenzflächen- und Bulk-Transportprozessen auf die Ozonolyse und Nitrierung von Protein-Makromolekülen, Ölsäure, und verwandten organischen Ver¬bin-dungen aufzuklären. Die in dieser Studie entwickelten kinetischen Modelle sollen als Basis für die Entwicklung eines detaillierten Mechanismus für Aerosolchemie dienen sowie für das Herleiten von vereinfachten, jedoch realistischen Parametrisierungen für großskalige globale Atmosphären- und Klima-Modelle. rn Die in dieser Studie durchgeführten Experimente und Modellrechnungen liefern Beweise für die Bildung langlebiger reaktiver Sauerstoff-Intermediate (ROI) in der heterogenen Reaktion von Ozon mit Aerosolpartikeln. Die chemische Lebensdauer dieser Zwischenformen beträgt mehr als 100 s, deutlich länger als die Oberflächen-Verweilzeit von molekularem O3 (~10-9 s). Die ROIs erklären scheinbare Diskrepanzen zwischen früheren quantenmechanischen Berechnungen und kinetischen Experimenten. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der chemischen Transformation sowie in den negativen Gesundheitseffekten von toxischen und allergenen Feinstaubkomponenten, wie Ruß, PAK und Proteine. ROIs sind vermutlich auch an der Zersetzung von Ozon auf mineralischem Staub und an der Bildung sowie am Wachstum von sekundären organischen Aerosolen beteiligt. Darüber hinaus bilden ROIs eine Verbindung zwischen atmosphärischen und biosphärischen Mehrphasenprozessen (chemische und biologische Alterung).rn Organische Verbindungen können als amorpher Feststoff oder in einem halbfesten Zustand vorliegen, der die Geschwindigkeit von heterogenen Reaktionenen und Mehrphasenprozessen in Aerosolen beeinflusst. Strömungsrohr-Experimente zeigen, dass die Ozonaufnahme und die oxidative Alterung von amorphen Proteinen durch Bulk-Diffusion kinetisch limitiert sind. Die reaktive Gasaufnahme zeigt eine deutliche Zunahme mit zunehmender Luftfeuchte, was durch eine Verringerung der Viskosität zu erklären ist, bedingt durch einen Phasenübergang der amorphen organischen Matrix von einem glasartigen zu einem halbfesten Zustand (feuchtigkeitsinduzierter Phasenübergang). Die chemische Lebensdauer reaktiver Verbindungen in organischen Partikeln kann von Sekunden bis zu Tagen ansteigen, da die Diffusionsrate in der halbfesten Phase bei niedriger Temperatur oder geringer Luftfeuchte um Größenordnungen absinken kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen wie halbfeste Phasen die Auswirkung organischeer Aerosole auf Luftqualität, Gesundheit und Klima beeinflussen können. rn

Functionalization of hyperbranched polycarbosilanes - block copolymers and electrochemistry

Polycarbosilanes are a class of polymers at the interface between organic and inorganic chemistry. They are characterized by a high thermal and chemical inertness and high flexibility, especially pronounced for branched structures. Linear polycarbosilanes are well known as precursors for the preparation of SiCx ceramics. Additionally, more sophisticated architectures like dendrimers, hyperbranched polymers or block copolymers have been the subject of research for more than a decade. The scope of this work was to expand the properties and fields of application for polycarbosilane-containing structures. Thus, the work is divided in two major parts. The first part covers the synthesis and characterization of hyperbranched polycarbosilanes containing organometallic moieties. Hyperbranched poly-carbosilanes were synthesized using hydrosilylation of diallylmethylsilane and methyldiundecenylsilane. The degree of branching for polydiallymethylsilane was determined using standard 1H-NMR spectroscopy. The functional building blocks ferrocenyldimethylsilane and diferrocenylmethylsilane were synthesized which contain an isolated ferrocene unit or two ferrocenes bridged by silicon, respectively. Hyperbranched polycarbosilanes functionalized with ferrocenyl moieties were synthesized by modification of preformed polymers or by copolymerization of AB2 carbosilane monomers with AX-type ferrocenylsilanes. Polymers with Mn = 2500-9000g/mol and ferrocene contents of up to 67wt% were obtained. Electrochemical characterization by cyclic voltammetry revealed that polymers functionalized with isolated ferrocene units showed a single reversible oxidation wave, while voltammograms for polymers functionalized with diferrocenyl silane exhibited two well-separated reversible oxidation-reduction waves. This shows that the polymer bound ferrocenes bridged by silicon are electronically communicating and thus oxidation of the first ferrocene shifts the oxidation potential for the adjacent one. The polymers were utilized successfully for the preparation of modified electrodes with persistent and reproducible electrochemical response in organic solvents as well as in aqueous solution. The presented work has proven that ferrocenyl-functionalized hyperbranched polymers exhibit similar electrochemical properties as the analogous dendrimers. In a further approach it was shown that hyperbranched polymers containing organometallic moieties can be synthesized by polymerization of a new ferrocene-containing AB2 monomer - diallylferrocenylsilane. The second part of this work is dedicated to the preparation of core-functional hyperbranched polycarbosilanes. Low molecular weight ambifunctional molecules were synthesized that contain double bonds for the attachment of a polycarbosilane polymer as well as a second functionality available for further reaction and modification. Reactive vinyl groups in the core molecule allow an efficient attachment of hyperbranched polycarbosilane which was proven by MALDI-ToF and GPC. In combination with slow monomer addition techniques molecular weight and polydispersity of the polymers were controlled successfully. Core-functional polymers were characterized by NMR-spectroscopy, MALDI-ToF and GPC. Polymers with polydispersities <2 and molecular weights up to 5300g/mol were obtained. Transformation of the double bonds of the carbosilane was demonstrated with various silanes using hydrosilylation reaction or hydrogenation. Additionally, the core-functionality was varied resulting in polymers with bromo-, phthalimide-, amine- or azide moieties. Thus, a versatile synthetic strategy was developed that allows the synthesis of tailor-made polymers.A promising approach is the application of the polymer building blocks in copolymer synthesis. Bisglycidolization of amine-functional polycarbosilanes produces macro-initiators that are suitable for the multibranching-ring opening polymerization of glycidol. This experiments lead to the first example of hyperbranched-hyperbranched amphiphilic block copolymers, hb-PG-b-hb-PCS. Furthermore, the implementation of copper-catalyzed cycloaddition between azide-functional polycarbosilane and alkyne-functional poly(ethoxyethyl glycidylether) resulted in linear-hyperbranched block copolymers. The facile removal of acetal protecting groups provided convenient access to lin-PG-b-hb-PCS.

Synthesis and investigation of functional polymer materials

Funktionelle Materialien sind in einer Vielzahl von Materialklassen wie Polymeren, Biomaterialien, Gläsern, Metallen, Keramiken und Verbundwerkstoffen anzutreffen. Sie besitzen eine spezifische, intrinsische Funktion, welche auf dem zu Grunde liegenden Design der Verbindung beruht. In dieser Dissertation wurden zwei funktionelle Materialien studiert: ein durch Phosphonatadditive mechanisch verstärktes Epoxidharz und protonenleitende Blockcopolymere, welche Potential für den Einsatz in Brennstoffzellen besitzen. Die Materialien wurden vorranging mittels Festkörper Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) untersucht, welche sich besonders für die Untersuchung der lokalen Struktur und Dynamik amorpher Polymere eignet.rnrnPhosphonate sind eine neue Klasse sogenannter molekularer Verstärker, die die mechanischen und thermischen Kennzahlen geeigneter Epoxidharze erhöhen. Es wurde eine Reihe von Phosphonatderivaten synthetisiert um systematische den Effekt der chemischen Struktur und des Aushärteprozesses auf die Eigenschaften eines Modellepoxidharzes zu untersuchen. Die Aufklärung des Verstärkungsmechanismus ergab, dass die Phosphonate währen der thermischen Aushärtung des Epoxidharzes die Aminofunktionalitäten des Härters alkylieren. Dies führt zu der Bildung von homogen verteilten, positiven Ladungen auf der Polymerkette, während negative Phosphonatanionen als Gegenionen wirken. Es konnte gezeigt werden, dass die Struktur des Additivs einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften des ausgehärteten Epoxidharzes sowie seine Alterung, d.h. den allmählichen Verlust der Verstärkung, hat.rnrnDes Weiteren wurde eine Serie von sulfonierten Blockcopolymeren synthetisiert. Es handelte sich hierbei um Multiblockcopolyimide, wobei die Polymerketten aus einer alternierenden Sequenz von sulfonierten (hydrophilen) und unsulfonierten (hydrophoben) Blöcken bestanden. Diese Polymere bilden nach einem ‚solvent cast‘ Prozess feste, duktile und transparente Membrane. Sulfonierte Blockcopolymermembrane zeigten im Vergleich mit statistisch sulfonierten Vergleichssubstanzen eine erhöhte Leitfähigkeit, sowie eine erhöhte Wasseraufnahme. Dies wurde auf eine bessere Phasenseparation im Festkörper zurückgeführt. Die Morphologie der Filme war eindeutig anisotrop und stark abhängig von der Blocklänge der Polymere. Durch diverse Festkörper-NMR Methoden konnte gezeigt werden, dass die Protonenmobilität in den Membranen von der betrachteten Längenskala abhängig ist und nicht notwendigerweise mit der makroskopisch beobachteten Leitfähigkeit korreliert.

Diblock copolymer - nanocrystal hybrids for optoelectronic applications

Small, smaller, nano - it is a milestone in the development of new materials and technologies. Nanoscience is now present in our daily lives: in the car industry with self-cleaning surfaces, in medicine with cancer therapies, even our clothes and cosmetics utilize nanoparticles. The number and variety of applications has been growing fast in recent years, and the possibilities seem almost infinite. Nanoparticles made of inorganic materials have found applications in new electronic technologies, and organic nanomaterials have been added to resins to produce very strong but light weight materials.rnThis work deals with the combination of organic and inorganic materials for the fabrication of new, functional hybrid systems. For that purpose, block copolymers were made with a long, solubility-enhancing and semiconducting block, and a short anchor block. They were synthesized by either RAFT polymerization or Siegrist polycondensation. For the second block, an active ester was grafted on and subsequently reacted with the anchor molecules in a polymer analogue reaction. The resulting block copolymers had different properties; poly(para-phenylene vinylene) showed self-assembly in organic solvents, which resulted in gelling of the solution. The fibers from a diluted solution were visible through microscopy. When polymer chains were attached to TiO2 nanorods, the hybrids could be integrated into polymer fibers. A light-induced charge separation was demonstrated through KPFM. The polymer charged positively and the charge could travel along the fibers for several hundred nanometers. Polymers made via RAFT polymerization were based on poly(vinyltriphenylamine). Ruthenium chromophores which carried anchor groups were attached to the second block. These novel block copolymers were then attached to ZnO nanorods. A light-induced charge separation was also demonstrated in this system. The ability to disperse inorganic nanoparticles within the film is another advantage of these block copolymers. This was shown with the example of CdSe tetrapods. Poly(vinyltriphenylamine dimer) with disulfide anchor groups was attached to CdSe tetrapods. These four-armed nanoparticles are supposed to show very high charge transport. A polymer without anchor groups was also mixed with the tetrapods in order to investigate the influence of the anchor groups. It was shown that without them no good films were formed and the tetrapods aggregated heavily in the samples. Additionally, a large difference in the film qualities and the aggregation of the tetrapods was found in the sample of the polymer with anchor groups, dependent on the tetrapod arm length and the polymer loading. These systems are very interesting for hybrid solar cells. This work also illustrates similar systems with quantum dots. The influence of the energy level of the polymer on the hole transport from the polymer to the quantum dots, as well as on the efficiency of QLEDs was studied. For this purpose two different polymers were synthesized with different HOMO levels. It was clearly shown that the polymer with the adjusted lower HOMO level had a better hole injection to the quantum dots, which resulted in more efficient light emitting diodes.rnThese systems all have in common the fact that novel, and specially designed polymers, were attached to inorganic nanocrystals. All of these hybrid materials show fascinating properties, and are helpful in the research of new materials for optoelectronic applications.

From defined polymer architectures to structure-property relationships in vivo

Makromolekulare Wirkstoffträgersysteme sind von starkem Interesse bezüglich der klinischen Anwendung chemotherapeutischer Agenzien. Um ihr klinisches Potential zu untersuchen ist es von besonderer Bedeutung das pharmakokinetische Profil in vivo zu bestimmen. Jede Veränderung der Polymerstruktur beeinflusst die Körperverteilung des entsprechenden Makromoleküls. Aufgrund dessen benötigt man detailliertes Wissen über Struktur-Eigenschaftsbeziehungen im lebenden Organismus, um das Nanocarrier System für zukünftige Anwendungen einzustellen. In dieser Beziehung stellt das präklinische Screening mittels radioaktiver Markierung und Positronen-Emissions-Tomographie eine nützliche Methode für schnelle sowie quantitative Beobachtung von Wirkstoffträgerkandidaten dar. Insbesondere poly(HPMA) und PEG sind im Arbeitsgebiet Polymer-basierter Therapeutika stark verbreitet und von ihnen abgeleitete Strukturen könnten neue Generationen in diesem Forschungsbereich bieten.rnDie vorliegende Arbeit beschreibt die erfolgreiche Synthese verschiedener HPMA und PEG basierter Polymer-Architekturen – Homopolymere, Statistische und Block copolymere – die mittels RAFT und Reaktivesterchemie durchgeführt wurde. Des Weiteren wurden die genannten Polymere mit Fluor-18 und Iod-131 radioaktiv markiert und mit Hilfe von microPET und ex vivo Biodistributionsstudien in tumortragenden Ratten biologisch evaluiert. Die Variation in Polymer-Architektur und darauffolgende Analyse in vivo resultierte in wichtige Schlussfolgerungen. Das hydrophile / lipophile Gleichgewicht hatte einen bedeutenden Einfluss auf das pharmakokinetische Profil, mit besten in vivo Eigenschaften (geringe Aufnahme in Leber und Milz sowie verlängerte Blutzirkulationszeit) für statistische HPMA-LMA copolymere mit steigendem hydrophoben Anteil. Außerdem zeigten Langzeitstudien mit Iod-131 eine verstärkte Retention von hochmolekularen, HPMA basierten statistischen Copolymeren im Tumorgewebe. Diese Beobachtung bestätigte den bekannten EPR-Effekt. Hinzukommend stellen Überstrukturbildung und damit Polymergröße Schlüsselfaktoren für effizientes Tumor-Targeting dar, da Polymerstrukturen über 200 nm in Durchmesser schnell vom MPS erkannt und vom Blutkreislauf eliminiert werden. Aufgrund dessen wurden die hier synthetisierten HPMA Block copolymere mit PEG Seitengruppen chemisch modifiziert, um eine Verminderung in Größe sowie eine Reduktion in Blutausscheidung zu induzieren. Dieser Ansatz führte zu einer erhöhten Tumoranreicherung im Walker 256 Karzinom Modell. Generell wird die Körperverteilung von HPMA und PEG basierten Polymeren stark durch die Polymer-Architektur sowie das Molekulargewicht beeinflusst. Außerdem hängt ihre Effizienz hinsichtlich Tumorbehandlung deutlich von den individuellen Charakteristika des einzelnen Tumors ab. Aufgrund dieser Beobachtungen betont die hier vorgestellte Dissertation die Notwendigkeit einer detaillierten Polymer-Charakterisierung, kombiniert mit präklinischem Screening, um polymere Wirkstoffträgersysteme für individualisierte Patienten-Therapie in der Zukunft maßzuschneidern.rn

Synthesis, properties and application of polyphenylene phosphonium salts

The central objective of this work was to generate weakly coordinating cations of unprecedented molecular size providing an inherently stable hydrophobic shell around a central charge. It was hypothesized that divergent dendritic growth by means of thermal [4+2] Diels-Alder cycloaddition might represent a feasible synthetic method to circumvent steric constraints and enable a drastic increase in cation size.rnThis initial proposition could be verified: applying the divergent dendrimer synthesis to an ethynyl-functionalized tetraphenylphosphonium derivative afforded monodisperse cations with precisely nanoscopic dimensions for the first time. Furthermore, the versatile nature of the applied cascade reactions enabled a throughout flexible design and structural tuning of the desired target cations. The specific surface functionalization as well as the implementation of triazolyl-moieties within the dendrimer scaffold could be addressed by sophisticated variation of the employed building block units (see chapter 3). rnDue to the steric screening provided by their large, hydrophobic and shape-persistent polyphenylene shells, rigidly dendronized cations proved more weakly coordinating compared to their non-dendronized analogues. This hypothesis has been experimentally confirmed by means of dielectric spectroscopy (see chapter 4). It was demonstrated for a series of dendronized borate salts that the degree of ion dissociation increased with the size of the cations. The utilization of the very large phosphonium cations developed within this work almost achieved to separate the charge carriers about the Bjerrum length in solvents of low polarity, which was reflected by approaching near quantitative ion dissociation even at room temperature. In addition to effect the electrolyte behavior in solution, the steric enlargement of ions could be visualized by means of several crystal structure analyses. Thus an insight into lattice packing under the effect of extraordinary large cations could be gathered. rnAn essential theme of this work focused on the application of benzylphosphonium salts in the classical Wittig reaction, where the concept of dendronization served as synthetic means to introduce an exceptionally large polyphenylene substituent at the -position. The straightforward influence of this unprecedented bulky group on the Wittig stereochemistry was investigated by NMR-analysis of the resulting alkenes. Based on the obtained data a valuable explanation for the origin of the observed selectivity was brought in line with the up-to-date operating [2+2] cycloaddition mechanism. Furthermore, a reliable synthesis protocol for unsymmetrically substituted polyphenylene alkenes and stilbenes was established by the design of custom-built polyphenylene precursors (see chapter 5).rnFinally, fundamental experiments to functionalize a polymer chain with sterically shielded ionic groups either in the pending or internal position were outlined within this work. Thus, inherently hydrophobic polysalts shall be formed so that future research can invesigate their physical properties with regard to counter ion condensation and charge carrier mobility.rnIn summary, this work demonstrates how the principles of dendrimer chemistry can be applied to modify and specifically tailor the properties of salts. The numerously synthesized dendrimer-ions shown herein represent a versatile interface between classic organic and inorganic electrolytes, and defined macromolecular structures in the nanometer-scale. Furthermore the particular value of polyphenylene dendrimers in terms of a broad applicability was illustrated. This work accomplished in an interdisciplinary manner to give answer to various questions such as structural modification of ions, the resulting influence on the electrolyte behavior, as well as the stereochemical control of organic syntheses via polyphenylene phosphonium salts. rn