Synthesis and characterization of Poly(vinylphosphonic acid) for proton exchange membranes in fuel cells

Vinylphosphonic acid (VPA) was polymerized at 80 ºC by free radical polymerization to give polymers (PVPA) of different molecular weight depending on the initiator concentration. The highest molecular weight, Mw, achieved was 6.2 x 104 g/mol as determined by static light scattering. High resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy was used to gain microstructure information about the polymer chain. Information based on tetrad probabilities was utilized to deduce an almost atactic configuration. In addition, 13C-NMR gave evidence for the presence of head-head and tail-tail links. Refined analysis of the 1H NMR spectra allowed for the quantitative determination of the fraction of these links (23.5 percent of all links). Experimental evidence suggested that the polymerization proceeded via cyclopolymerization of the vinylphosphonic acid anhydride as an intermediate. Titration curves indicated that high molecular weight poly(vinylphosphonic acid) PVPA behaved as a monoprotic acid. Proton conductors with phosphonic acid moieties as protogenic groups are promising due to their high charge carrier concentration, thermal stability, and oxidation resistivity. Blends and copolymers of PVPA have already been reported, but PVPA has not been characterized sufficiently with respect to its polymer properties. Therefore, we also studied the proton conductivity behaviour of a well-characterized PVPA. PVPA is a conductor; however, the conductivity depends strongly on the water content of the material. The phosphonic acid functionality in the resulting polymer, PVPA, undergoes condensation leading to the formation of phosphonic anhydride groups at elevated temperature. Anhydride formation was found to be temperature dependent by solid state NMR. Anhydride formation affects the proton conductivity to a large extent because not only the number of charge carriers but also the mobility of the charge carriers seems to change.

Anhydrous proton conducting polymer electrolytes based on polymeric ionic liquids

Imidazolium types of ionic liquids were immobilized by tethering it to acrylate backbone. These imidazolium salt containing acrylate monomers were polymerize at 70oC by free radical polymerization to give polymers poly(AcIm-n) with n being the side chain lenght. The chemical structure of the polymer electrolytes obtained by the described synthetic routes was investigated by NMR-spectroscopy. The polymers were doped with various amounts of H3PO4 and LiN(SO2CF3)2, to obtain poly(AcIm-n) x H3PO4 and poly(AcIm-2-Li) x LiN(SO2CF3)2. The TG curves show that the polymer electrolytes are thermally stable up to about 200◦C. DSC results indicates the softening effect of the length of the spacers (n) as well as phosphoric acid. The proton conductivity of the samples increase with x and reaches to 10-2 Scm-1 at 120oC for both poly(AcIm-2)2H3PO4 and poly(AcIm-6)2H3PO4. It was observed that the lithium ion conductivity of the poly(AcIm-2-Li) x LiN(SO2CF3)2 increases with blends (x) up to certain composition and then leveled off independently from blend content. The conductivity reaches to about 10-5 S cm-1 at 30oC and 10-3 at 100oC for poly(AcIm-2-Li) x LiN(SO2CF3)2 where x is 10. The phosphate and phosphoric acid functionality in the resulting polymers, poly(AcIm-n) x H3PO4, undergoes condensation leading to the formation of cross-linked materials at elevated temperature which may improve the mechanical properties to be used as membrane materials in fuel cells. High resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy was used to obtain information about hydrogen bonding in solids. The low Tg enhances molecular mobility and this leads to better resolved resonances in both the backbone region and side chain region. The mobile and immobile protons can be distinguished by comparing 1H MAS and 1H-DQF NMR spectra. The interaction of the protons which may contribute to the conductivity is observed from the 2D double quantum correlation (DQC) spectra.

Hundertneunundzwanzig Xe NMR for investigations of complex and dynamic systems

In this work, the remarkable versatility and usefulness of applications of Xe-129 NMR experiments is further extended. The application of Xe-129 NMR spectroscopy to very different system is studied, including dynamic and static, solid and liquid, porous and non-porous systems. Using the large non-equilibrium polarization created by hyperpolarization of Xe-129, time-resolved NMR measurements can be used for the online-monitoring of dynamic systems. In the first part of this work, several improvements for medical applications of hyperpolarized Xe-129 are achieved and their feasibility shown experimentally. A large gain in speed and reproducibility of the accumulation process of Xe-129 as ice and an enhancement of the usable polarization in any experiment requiring prior accumulation are achieved. An enhancement of the longitudinal relaxation time of Xe-129 is realized by admixture of a buffer gas during the storage of hyperpolarized Xe-129. Pursuing the efforts of simplifying the accumulation process and enhancing the storage time of hyperpolarized Xe-129 will allow for a wider use of the hyperpolarized gas in (medical) MRI experiments. Concerning the use of hyperpolarized Xe-129 in MRI, the influence of the diffusion coefficient of the gas on parameters of the image contrast is experimentally demonstrated here by admixture of a buffer gas and thus changing the diffusion coefficient. In the second part of this work, a polymer system with unique features is probed by Xe-129 NMR spectroscopy, proving the method to be a valuable tool for the characterization of the anisotropic properties of semicrystalline, syndiotactic polystyrene films. The polymer films contain hollow cavities or channels with sizes in the sub-nanometer range, allowing for adsorption of Xe-129 and subsequent NMR measurements. Despite the use of a ’real-world’ system, the transfer of the anisotropic properties from the material to adsorbed Xe-129 atoms is shown, which was previously only known for fully crystalline materials. The anisotropic behavior towards atomar guests inside the polymer films is proven here for the first time for one of the phases. For the polymer phase containing nanochannels, the dominance of interactions between Xe-129 atoms in the channels compared to interactions between Xe atoms and the channel walls are proven by measurements of a powder sample of the polymer material and experiments including the rotation of the films in the external magnetic field as well as temperature-dependent measurements. The characterization of ’real-world’ systems showing very high degrees of anisotropy by Xe-129 are deemed to be very valuable in future applications. In the last part of this work, a new method for the online monitoring of chemical reactions has been proposed and its feasibility and validity are experimentally proven. The chemical shift dependence of dissolved Xe-129 on the composition of a reaction mixture is used for the online monitoring of free-radical miniemulsion polymerization reactions. Xe-129 NMR spectroscopy provides an excellent method for the online monitoring of polymerization reactions, due to the simplicity of the Xe-129 NMR spectra and the simple relationship between the Xe-129 chemical shift and the reaction conversion. The results of the time-resolved Xe-129 NMR measurements are compared to those from calorimetric measurements, showing a good qualitative agreement. The applicability of the new method to reactions other than polymerization reactions is investigated by the online monitoring of an enzymatic reaction in a miniemulsion. The successful combination of the large sensitivity of Xe-129, the NMR signal enhancements due to hyperpolarization, and the solubility of Xe-129 gives access to the large new field of investigations of chemical reaction kinetics in dynamic and complex systems like miniemulsions.

Struktur- und Funktionsuntersuchungen des C 4-Dicarboxylat-Sensors DcuS von Escherichia coli

Das Zweikomponentensystem DcuSR reguliert die Expression der Gene der anaeroben Fumaratatmung in E. coli in Abhängigkeit von externen C4-Dicarbonsäuren. Die membranständige Histidinkinase DcuS detektiert den Reiz und leitet ihn über die Membran an den Responseregulaor DcuR weiter, der die Aktivität der Zielgene reguliert. Das Substratspektrum von DcuS wurde näher untersucht und strukturelle Eigenschaften der Substrate sowie ihre Affinität zu DcuS bestimmt. Es wird vermutet, dass Histidinkinasen im aktiven Zustand als Dimere oder höhere Oligomere vorliegen. Der Oligomerisierungszustand von DcuS in der Membran wurde mittels EPR-Spektroskopie untersucht. Es wurden funktionelle Cysteinmutanten von DcuS hergestellt, die nur an bestimmten Positionen der periplasmatischen Domäne Cysteinreste, aber sonst keine weiteren Cysteinreste, enthielten. Die Proteine wurden isoliert, über die Cysteinreste mit Nitroxiden markiert und in Liposomen rekonstituiert. Erste EPR-Messungen zeigten, dass rekonstituiertes DcuS in einem geordneten Zustand in der Membran vorliegt, der diskrete Abstände zwischen den Monomeren aufweist. Die Struktur von rekonstituiertem DcuS in der Membran soll durch Festkörper-NMR aufgeklärt werden. Ein geeignetes C-terminal verkürztes Konstrukt, DcuS-PD/PAS wurde zu diesem Zweck hergestellt. Das Protein ließ sich in hoher Reinheit isolieren und konnte wieder in Liposomen rekonstituiert werden. Vorbereitende NMR-Messungen zeigten, dass eine Strukturaufklärung an diesem Protein möglich ist. Weitere Strukturuntersuchungen werden zur Zeit durchgeführt.

Synthese und Analytik von sauer katalysiert dargestellten Polyorganosiloxan-Nanokugeln mit Kern-Schale-Architektur

In dieser Arbeit wurden zwei Wege zur sauer katalysierten Synthese von Polyorganosiloxan-Kern-Schale-Nanopartikeln mit monomodaler Größenverteilung erarbeitet. Zum einen führt eine Erhöhung der Rührergeschwindigkeit auf 14000 rpm unter Verwendung eines Ultrathorax, während der ersten Stunde der Kondensation des Kernes zu Nanokugeln mit einer monomodalen Größenverteilung mit einem hydrodynamischen Radius von 33.1 nm +/- 22%. Zum anderen eröffnete die Reduktion des Flottenverhältnisses S, d.h. des Verhältnisses von Tensid- zu Monomermenge, von S=0.02 auf S=0.001 einen zweiten Weg zur Synthese von Nanokugeln mit monomodaler Größenverteilung. Der Radius dieser Kugeln beträgt 54.2 nm +/- 20%. Durch diese beiden Synthesewege sind Polyorganosiloxan-Nanokugeln in zwei verschiedenen Größen zugänglich. Durch 29Si-NMR-Messungen der Kerndispersion konnte gezeigt werden, dass die Ursache der bimodalen Größenverteilung der Polyorganosiloxan-Nanokugeln in der Synthese der Kerndispersion zu finden ist. Aus den hieraus ermittelten Ergebnissen geht hervor, dass sich während der sauer katalysierten Kondensation von Diethoxydimethylsilan neben den PDMS-Ketten auch zyklische Kondensationsprodukte bilden. Die während der Reaktion fortschreitende Bildung von Zyklen - insbesondere von Vierringen - bewirkt eine Phasenseparation der Dispersion. Dies führt zur beobachteten Bildung der bimodalen Größenverteilung der Polyorganosiloxan-Nanokugeln. Wird die Rührergeschwindigkeit auf 14000 rpm während der ersten Stunde der Kondensation des Kernes erhöht, wird eine verminderte Ringbildung gefunden. Der erhöhte Energieeintrag und die damit verbundene bessere Durchmischung der Dispersion während der ersten Stunde der Kondensation des Kerns führt bevorzugt zum Kettenwachstum, so dass die Tendenz zur Ringbildung verringert wird. Es tritt keine Phasenseparation auf, wodurch die beobachtete monomodale Größenverteilung der Nanokugeln erklärt wird. Wird das Flottenverhältnis reduziert und somit der pH-Wert der Lösung erhöht, werden bevorzugt offenkettige PDMS-Produkte gebildet. Die Bildung von Vierringen erfolgt nicht, Ringe höherer Ordnung werden nur in untergeordneter Menge gebildet. Es erfolgt keine Phasenseparation der Dispersion und eine monomodale Größenverteilung der Polyorganosiloxan-Nanokugeln wird erhalten. Die durch Erniedrigung des Flottenverhältnisses synthetisierten Polyorganosiloxan-Nanokugeln zeigten in AFM-Experimenten interessante Eigenschaften. So ist es möglich, die Nanokugeln auf einer Mica-Oberfläche mittels der AFM-Spitze zu manipulieren, ohne sie hierbei sie degradieren. Die sauer katalysierte Synthese ermöglicht die Einführung von basenlabilen Hydridgruppen in die Polyorganosiloxan-Nanokugeln. Ausgehend von in organischen Lösungsmitteln redispergierbaren Polyorganosiloxan-Nanokugeln, deren Oberfläche mit Hydridgruppen funktionalisiert wurde, konnten durch Hydrosilylierung mit allylterminiertem Polyethylenoxid wasserlösliche potentielle Nanokontainer synthetisiert werden.

Synthese und Photochemie von Dendrimeren mit stilbenoiden Chromophoren

Dendrimere spielen als strukturtreue Nanopartikel eine herausragende Rolle. Ziel dieser Arbeit war, Dendrimere mit einer hohen Dichte an photoaktiven Chromophoren herzu-stellen und zu untersuchen. Dazu wurden die terminalen Aminogruppen von Poly(propylenimin)dendrimeren 1. und 2. Generation, Astramol DAB-Am-4R und DAB-Am-8R, mit Stilbenen und Styrylstilbenen als Chromophor verknüpft. Mittels Wittig-Horner- und Heck-Reaktion wurden (E)-Stilbene aufgebaut, die auf der einen Seite drei Propoxygruppen zur Verbesserung der Löslichkeit und auf der anderen Seite eine passende Funktionalität zur Verknüpfung mit dem dendritischen Core tragen. Als Verknüpfungsmethoden wurden die Verknüpfung als Amid (PSDA), Schiffsche Base (PSDS) und Harnstoff (PSDH) getestet. Die Schiffschen Basen wurden außerdem zur Erhöhung der Hydrolysestabilität zum sekundären Amin reduziert (PSDR und PQDR). Durch die Verknüpfung mit dem Core werden die stilbenoiden Chromophore sehr stark photoaktiviert. Das beruht auf einem Singulett-Energietransfer (Förster-Mechanismus) von Chromophor zu Chromophor. Dieser Prozeß konkurriert zu den Deaktivierungsprozessen, verlängert die mittlere S1-Lebensdauer und erhöht somit die Chancen der Photochemie. Der Styrylstilben-Chromophor hat darüber hinaus einen erheblichen Teil seiner UV-Absorbtion bereits im Tageslicht und photopolymerisiert daher bereits im Tageslicht. Vor allem bei den Dendrimeren 2. Generation stellte sich die Frage nach der vollständigen, d.h. achtfachen Umsetzung; das Core sollte als Knäuel vorliegen, die Arme zum Teil nach innen gefaltet und somit dem Reaktand nur bedingt zugänglich. Auch dort konnten unter optimierten Reaktionsbedingungen alle Aminogruppen umgesetzt werden. Die vollständige Umsetzung der Dendrimere wurde mittels NMR und massenspektroskopischen Methoden untersucht. Bei den Absorptionsspektren der Dendrimere 1. Generation ändert sich die Lage der Maxima je nach Art der Verknüpfung der Chromophore mit dem Core. Die Verlängerung des Chromophors um eine Styryleinheit bedingt eine beträchtliche Rotverschiebung. Die Lage der Emissionsmaxima differiert stärker als die Lage der Absorptionsmaxima. Den geringsten Stokes-Shift weist der Harnstoff auf, dann folgt das sekundäre Amin, dann die Schiffsche Base. Dies weist auf unterschiedlich relaxierte S1-Geometrien hin. Die Verbindungen PSDS1, PSDR1 und PSDH1 aus 3,4,5-Tripropoxystilbeneinheit und Astramol-Core 1. Generation DAB-Am-4 wurden in einer Konzentration von 10-5 mol/L belichtet. Der vollständige Photoabbau durch Belichtung in Chloroform mit einer Xenon-Lampe erfolgte ohne jeglichen Filter innerhalb von zehn Minuten (PSDH1), 20 Minuten (PSDR1) und einer Stunde (PSDS1). Allen drei Verbindungen gemeinsam ist das Entstehen eines intermediären neuen Maximums geringer Intensität, das um etwa 100 nm bathochrom verschoben ist. Das Harnstoffsystem weist außerdem ein weiteres intermediäres Maximum bei 614 nm auf. Diese Maxima können (laut früherer Untersuchungen) durch Oxidation entstandenen chinoiden Strukturen zugeordnet werden, deren Lebensdauer (im Sekundenbereich) zu kurz für eine NMR-Charakterisierung ist. PSDR1 wurde außerdem bei höheren Konzentrationen (10-4 und 10-3 mol/L) mit einer Quecksilberlampe mit Pyrex-Filter (lambda > 300 nm) belichtet. Dabei wird, wie erwartet, eine Verbreiterung der NMR-Signale beobachtet. Es bildet sich zunächst cis-Stilben. Außerdem läßt sich bei 4.3 ppm ein Signal beobachten, das von inter- oder intramolekular gebildeten Methinprotonen herrührt. Auch wenn laut MOPAC- und Kraftfeldrechnung die Doppelbindungen ungünstig für eine [pi2s + pi2s]-Cyclodimerisierung zueinander stehen, kann im photochemisch angeregten Zustand eine Geometrie vorherrschen, die die intramolekulare Kopf-Kopf-Cyclobutanbildung ermöglicht. Die massenspektrometrischen Untersuchungen der Belichtungsprodukte (FD, ESI, MALDI-TOF) zeigen als höchste Masse lediglich das Monomer. Allerdings kann dadurch nicht auf eine rein intramolekulare Reaktion geschlossen werden. Die fortschreitende statistische CC-Verknüpfung kann schnell zu vernetzten Nanopartikeln führen, die im Massenspektrometer nicht fliegen. Die NMR-Spektren der mit zunehmender Vernetzung immer schlechter löslich werdenden Teilchen belegen die Oligomerisierung.

Synthetical engineering of supramolecular properties of large polycyclic aromatic hydrocarbons

An important property for devices is the charge-carrier mobility values for discotic organic materials like hexa-peri-hexabenzocoronenes. A close relation exists between the degree of their columnar self-arrangement of the molecules and their mobilities. Within this first step an induction of a higher order via hydrogen-bonding was considered, which mainly pointed towards the improvement of the intracolumnar stacking of the materials. For the analytics a broad range of methods was used including differential scanning calorimetry (DSC), wide-angle X-ray diffractometry (WAXS), solid-state NMR spectroscopy and scanning tunneling microscopy (STM). Indeed, a specific influence of the hydrogen-bonds could be identified, although in several cases by the cost of a severe reduction of solubility and processability. This effect was dampened by the addition of a long alkyl chain next to the hydrogen-bond exerting functional group, which resulted in an improved columnar arrangement by retention of processability. In contrast to the before mentioned example of inducing a higher intracolumnar order by hydrogen-bonding, the focus was also be set upon larger aromatic systems. The charge-carrier mobility is also in close relation to the size of the aromatic core and larger π-areas are expected to lead to improved mobilities. For photovoltaic applications a high extinction coefficient over a broad range of the spectrum is favorable, which can also be achieved by enlarging the aromatic core component. In addition the stronger π-interactions between the aromatic core components should yield an improved columnar stability and order. However the strengthening of the π-interactions between the aromatic core components led to a reduction of the solubility and the processability due to the stronger aggregation of the molecules. This required the introduction of efficiently solubilizing features in terms of long alkyl chains in the corona of the aromatic entity, in combination of a distortion of the aromatic core moiety by bulky tert-butyl groups. By this approach not only the processing and cleaning of the materials with standard laboratory techniques became possible, but moreover the first structure-rich UV/vis and a resolved 1H-NMR spectra for an aromatic system two times larger than hexa-peri-hexabenzocoronene were recorded. The bulk properties in an extruded fiber as well as on the surface showed a columnar self-assembly including a phase in which a homeotropic alignment on a substrate was observed, which turns the material into an interesting candidate for future applications in electronic devices.

Synthese von Sialyl-Lewis-X-Mimetika durch stereoselektive ortho-C-Glycosylierung von Phenolen

Ziel der Arbeit war es, Sialyl-LewisX-Mimetika auf Basis ortho-C-glycosylierter Phenole als Inhibitoren für die Selektin-Ligand-Wechselwirkungen zu synthetisieren. Dazu wurde zunächst die Stereoselektivität der ortho-C-Mannosylierung untersucht. Dabei wurde gezeigt, dass bei der Umsetzung von Phenolen mit dem benzylgeschützten Mannosyl-trichloracetimidat in Gegenwart von TMSOTf selektiv das β-C-Mannosid erhalten wurde. Gleichzeitig konnte anhand der NMR-spektroskopischen Untersuchungen nachgewiesen werden, dass die in der Literatur beschriebenen α-C-Mannoside von Phenolen tatsächlich β-konfiguriert sind. Wenn Naphthole als Glycosylakzeptoren verwendet wurden, konnten durch Modifikation des Promotors auch die für die Synthese der Mimetika benötigten α-C-Mannoside erhalten werden, wobei ZnCl2 als Promotor die besten Ergebnisse lieferte. Allerdings zeigten die synthetisierten α-C-Mannoside und α-C-Galactoside eine Inversion des Pyranoseringes und lagen in der ungewöhnlichen 1C4-Konformation vor.rnAnschließend konnte auf diese Weise das durch Docking-Studien gefundene Mimetikum (2S)-3-Cyclohexyl-2-[7-hydroxy-8-(α-D-mannosyl)naphthalin-2-yloxy]propionsäure syntheti-siert werden. Es besaß jedoch in Zelladhäsionstests keine ausreichende Aktivität bei der Inhibierung der Selektin-Ligand-Wechselwirkung. Bei den ursprünglichen Dockingstudien war allerdings von der gewohnten 4C1-Konformation ausgegangen worden. Spätere NMR-Experimente und DFT-Berechnungen zeigten, dass das Mimetikum tatsächlich in der 1C4-Konformation vorlag und es deshalb nicht aktiv war. Die synthetisierten Stereo- und Regioisomere zeigten in Zelladhäsionstests ebenfalls keine Aktivität.rnVersuche, die α-1-C-Mannosylnaphthole zu den benötigten 1-C-2-O-Diglycosyl-naphthalinen umzusetzen waren nicht erfolgreich, da die phenolische OH-Gruppe sterisch zu sehr abgeschirmt war, um unter milden Reaktionsbedingungen glycosyliert zu werden, bzw. die α-1-C-Mannosylnaphthaline unter drastischeren Reaktionsbedingungen nicht stabil waren. Daher wurde 1-(2′,3′,4′,6′-Tetra-O-benzyl-β-D-galactopyranosyl)-2-naphthol mit 2,3,4,6-Tetra-O-acetyl-α-D-mannopyranosyl-trichloracetimidat in Gegenwart von TMSOTf zum ersten synthetischen 1-C-2-O-Diglycosyl-phenol umgesetzt. Nach Abspaltung der Schutzgruppen sollte das erhaltene 1-Galactosyl-2-O-mannosyl-naphthalin enzymatisch zum Sialyl-LewisX-Mimetikum verlängert werden. Es wurde vom Enzym jedoch nicht als Substrat erkannt. Versuche zur chemischen Anbindung des Säurebausteins stehen noch aus.rn

Heteronuclear recoupling methods in solid-state NMR

This thesis is focused on the development of heteronuclear correlation methods in solid-state NMR spectroscopy, where the spatial dependence of the dipolar coupling is exploited to obtain structural and dynamical information in solids. Quantitative results on dipolar coupling constants are extracted by means of spinning sideband analysis in the indirect dimension of the two-dimensional experiments. The principles of sideband analysis were established and are currently widely used in the group of Prof. Spiess for the special case of homonuclear 1H double-quantum spectroscopy. The generalization of these principles to the heteronuclear case is presented, with special emphasis on naturally abundant 13C-1H systems. For proton spectroscopy in the solid state, line-narrowing is of particular importance, and is here achieved by very-fast sample rotation at the magic angle (MAS), with frequencies up to 35 kHz. Therefore, the heteronuclear dipolar couplings are suppressed and have to be recoupled in order to achieve an efficient excitation of the observed multiple-quantum modes. Heteronuclear recoupling is most straightforwardly accomplished by performing the known REDOR experiment, where pi-pulses are applied every half rotor period. This experiment was modified by the insertion of an additional spectroscopic dimension, such that heteronuclear multiple-quantum experiments can be carried out, which, as shown experimentally and theoretically, closely resemble homonuclear double-quantum experiments. Variants are presented which are well-suited for the recording of high-resolution 13C-1H shift correlation and spinning-sideband spectra, by means of which spatial proximities and quantitative dipolar coupling constants, respectively, of heteronuclear spin pairs can be determined. Spectral editing of 13C spectra is shown to be feasible with these techniques. Moreover, order phenomena and dynamics in columnar mesophases with 13C in natural abundance were investigated. Two further modifications of the REDOR concept allow the correlation of 13C with quadrupolar nuclei, such as 2H. The spectroscopic handling of these nuclei is challenging in that they cover large frequency ranges, and with the new experiments it is shown how the excitation problem can be tackled or circumvented altogether, respectively. As an example, one of the techniques is used for the identification of a yet unknown motional process of the H-bonded protons in the crystalline parts of poly(vinyl alcohol).

Solid-state NMR investigation of phosphonic acid based proton conducting materials

In this work, new promising proton conducting fuel cell membrane materials were characterized in terms of their structure and dynamic properties using solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and X-ray diffraction. Structurally different, phosphonic acid (PA) containing materials were systematically evaluated for possible high-temperature operation (e.g. at T>100°C). Notably, 1H, 2H and 31P magic angle spinning (MAS) NMR provided insight into local connectivities and dynamics of the hydrogen bonded network, while packing arrangements were identified by means of heteronuclear dipolar recoupling techniques.rnThe first part of this work introduced rather crystalline, low molecular weight ionomers for proton conducting membranes, where six different geometries such as line, triangle, screw, tetrahedron, square and hexagon, were investigated. The hexagon was identified as the most promising geometry with high-temperature bulk proton conductivities in the range of 10-3 Scm-1 at a relative humidity of 50%. However, 2H NMR and TGA-MS data suggest that the bulk proton transport is mainly due to the presence of crystal water. Single crystal X-ray data revealed that in the tetrahedron phosphonic acids form tetrameric clusters isolating the mobile protons while the phosphonic acids in the hexagon form zigzag-type pathways through the sample.rnThe second part of this work demonstrates how acid-base pairing and the choice of appropriate spacers may influence proton conduction. Different ratios of statistical copolymers of poly (vinylphosphonic acid) and poly (4-vinylpyridine) were measured to derive information about the local structure and chemical changes. Though anhydrous proton conductivities of all statistical copolymers are rather poor, the conductivity increases to 10-2 S cm-1 when exposing the sample to relative humidity of 80%. In contrast to PVPA, anhydride formation of phosphonic acids in the copolymer is not reversible even when exposing the sample to a relative humidity of 100%.rnIn addition, the influence of both spacers and degree of backbone crystallinity on bulk proton conductivity was investigated. Unlike in systems such as poly benzimidazole (PBI), spacers were inserted between the protogenic groups along the backbone. It was found that dilution of the protogenic groups decreases the conductivity, but compared to PVPA, similar apparent activation energies for local motions were obtained from both variable temperature 1H NMR and impedance spectroscopy data. These observations suggest the formation of phosphonic acid clusters with high degrees of local proton motion, where only a fraction of motions contribute to the observable bulk proton conductivity. Additionally, it was shown that gradual changes of the spacer length lead to different morphologies.rnIn summary, applying advanced solid-state NMR and X-ray analysis, structural and dynamic phenomena in proton conducting materials were identified on a molecular level. The results were discussed with respect to different proton conduction mechanisms and may contribute to a more rational design or improvement of proton conducting membranes.rn

Relaxationsuntersuchungen in unterkühlten und glasig erstarrten Polyalkoholen mittels dielektrischer und NMR Spektroskopie

Es wurde eine homologe Reihe von Polyalkoholen mit der allgemeinen Summenformel CNHN+2(OH)N (N=3-6) hinsichtlich ihrer Glaseigenschaften ober- und unterhalb der Glasübergangstemperatur TG untersucht. Dabei kamen die dielektrische und magnetische Resonanzspektroskopie (NMR) zum Einsatz. Es ergab sich oberhalb TG eine systematische Zunahme aller untersuchten dynamischen Parameter wie Fragilität, Breite der angenommenen Korrelationszeitenverteilungen und der Sprungwinkel der primären Glasrelaxation mit zunehmendem N. Dies kann insgesamt als eine Abnahme des Netzwerkcharakters, der durch Wasserstoffbrückenbindungen bedingt ist, bei zunehmender Kettenlänge interpretiert werden. Unterhalb TG entwickelt sich mit zunehmendem N die Sekundärrelaxation von einem 'Wing Szenario' zu einem ausgeprägten Johari - Goldstein (JG) - Prozess. Ein Sprungmodell, welches eine eingeschränkte Reorientierung auf einem Konusrand beschreibt, erzeugt mit Hilfe der parametrisierten dielektrischen Verlustspektren Sprungwinkel, die mit denen aus aktuellen ²H - NMR spektroskopischen Untersuchungen vergleichbar sind. Durch den Vergleich unterschiedlich deuterierter Derivate von Glyzerin (N=3) und Sorbitol (N=6) wurde gefolgert, dass auch unterhalb TG der Netzwerkcharakter mit zunehmender Kettenlänge abnimmt.Aufgrund der hier durchgeführten Untersuchungen konnte eine Zeitskala für einen Johari - Goldstein - Prozess im Modellglasbildner Glyzerin extrapoliert werden. Eine Deutung des Wings als Hochfrequenzausläufer des JG - Prozesses ist dadurch möglich.Der JG - Prozess kann somit als universeller Glasprozess interpretiert werden, der in verschiedenen Glasbildnern in unterschiedlicher Ausprägung auftritt.

Strahlungsbegleitete Pion-Photoproduktion am Proton

Im Jahre 1997 wurden von Tatischeff et al. bei der Reaktion p p -> X p pi+ resonanzartige Zustände im Spektrum der invarianten Masse des fehlenden Nukleons X bei M = 1004, 1044 und 1094 MeV gefunden. In einem zweiten Experiment von Filkov et al. beobachtete man bei der Reaktion p d -> p p X Resonanzstrukturen bei M = 966, 986 und 1003 MeV. Solche exotischen Resonanzen widersprechen etablierten Nukleonenmodellen, die die Delta(1232)-Resonanz als ersten Anregungszustand beschreiben. Zur Deutung der beobachteten Strukturen wurden Quarkcluster-Modelle mit und ohne Farb-Magnet-Wechselwirkungen entwickelt. Lvov et al. zweifelten die experimentellen Ergebnisse an, da keine Strukturen in den Daten zur reellen Comptonstreuung gefunden wurden. Als Gegenargument wurde von Kobushkin vorgeschlagen, dass diese Resonanzen eine total-antisymmetrische Spin-Flavour-Wellenfunktion haben und nur der N-2Gamma-Zerfall erlaubt wäre. In dieser Arbeit wurde die Reaktion g p -> X pi+ -> n g g pi+ zur Suche nach diesen exotischen Resonanzen verwendet. Die Daten wurden parallel zur Messung der Pion-Polarisierbarkeiten am Mainzer Beschleuniger MAMI genommen. Durch Bremsstrahlung der Elektronen an einer Radiatorfolie wurden reelle Photonen erzeugt, deren Energie von der A2-Photonenmarkierungsanlage (Glasgow-Tagger) bestimmt wurde. Als Protontarget wurde ein 10 cm langes Flüssigwasserstoff-Target verwendet. Geladene Reaktionsprodukte wurden unter Vorwärtswinkeln Theta < 20 Grad bezüglich der Strahlachse in einer Vieldraht-Proportionalkammer nachgewiesen, während Photonen im Spektrometer TAPS mit 526 BaF2-Kristallen unter Polarwinkeln Theta > 60 Grad detektiert wurden. Zum Nachweis von Neutronen stand ein Flugzeitdetektor mit insgesamt 111 Einzelmodulen zur Verfügung. Zum Test der Analysesoftware und des experimentellen Aufbaus wurden zusätzlich die Reaktionskanäle g p -> p pi0 und g p -> n pi0 pi+ ausgewertet. Für die Ein-Pion-Produktion wurden differentielle Wirkungsquerschnitte unter Rückwärtswinkeln bestimmt und mit theoretischen Modellen und experimentellen Werten verglichen. Für den Kanal g p -> n pi0 pi+ wurden Spektren invarianter Massen für verschiedene Teilchenkombinationen ermittelt und mit einer Simulation verglichen. Die Daten legen nahe, dass die Reaktion hauptsächlich über eine Anregung der Delta0(1232)-Resonanz verläuft. Bei der Suche nach exotischen Resonanzen wurden keine statistisch signifikanten Strukturen gefunden. Es wurden Obergrenzen für den differentiellen Wirkungsquerschnitt ermittelt.

Characterisation of supramolecular structures by novel recoupling methods in solid-state NMR

In this work, solid-state NMR methods suitable for the investigation of supramolecular systems were developed and improved. In this context, special interest was focussed on non-covalent interactions responsible for the formation of supramolecular structures, such as pi-pi interacions and hydrogen-bonds. In the first part of this work, solid-state NMR methods were presented that provide information on molecular structure and motion via the investigation of anisotropic interactions, namely quadrupole and dipole-dipole couplings, under magic-angle spinning conditions. A two-dimensional 2H double quantum experiment was developed, which is performed under off magic-angle conditions and correlates 2H isotropic chemical shifts with quasistatic DQ-filtered line shapes. From the latter, the quadrupole coupling parameters of samples deuterated at multiple sites can be extracted in a site-selective fashion. Furthermore, 7Li quadrupole parameters of lithium intercalated into TiO2 were determined by NMR experiments performed under static and MAS conditions, and could provide information on the crystal geometry. For the determination of 7Li-7Li dipole-dipole couplings, multiple-quantum NMR experiments were performed. The 1H-13C REREDOR experiment was found to be capable of determining strong proton-carbon dipole-dipole couplings with an accuracy of 500~Hz, corresponding to a determination of proton-carbon chemical-bond lengths with picometer accuracy In the second part of this work, solid-state NMR experiments were combined with quantum-chemical calculations in order to aid and optimise the interpretation of experimental results. The investigations on Calix[4]hydroquinone nanotubes have shown that this combined approach can provide information on the presence of disordered and/or mobile species in supramolecular structures. As a second example, C3-symmetric discs arranging in helical columnar stacks were investigated. In these systems, 1H chemical shifts experience large pi-shifts due to packing effects, which were found to be long-ranged. Moreover, quantum-chemical calculations revealed that helicity in these systems is induced by the propeller-like conformation of the core of the molecules.

Optimised polyolefin branch quantification by 13 C NMR spectroscopy

Quantitative branch determination in polyolefins by solid- and melt-state 13C NMR has been investigated. Both methods were optimised toward sensitivity per unit time. While solid-state NMR was shown to give quick albeit only qualitative results, melt-state NMR allowed highly time efficient accurate branch quantification. Comparison of spectra obtained using spectrometers operating at 300, 500 and 700 MHz 1H Larmor frequency, with 4 and 7~mm MAS probeheads, showed that the best sensitivity was achieved at 500 MHz using a 7 mm 13C-1H optimised high temperature probehead. For materials available in large quantities, static melt-state NMR, using large diameter detection coils and high coil filling at 300 MHz, was shown to produce comparable results to melt-state MAS measurements in less time. While the use of J-coupling mediated polarisation transfer techniques was shown to be possible, direct polarisation via single-pulse excitation proved to be more suitable for branch quantification in the melt-state. Artificial line broadening, introduced by FID truncation, was able to be reduced by the use of π pulse-train heteronuclear dipolar decoupling. This decoupling method, when combined with an extended duty-cycle, allowed for significant improvement in resolution. Standard setup, processing and analysis techniques were developed to minimise systematic errors contributing to the measured branch contents. The final optimised melt-state MAS NMR method was shown to allow time efficient quantification of comonomer content and distribution in both polyethylene- and polypropylene-co-α-olefins. The sensitivity of the technique was demonstrated by quantifying branch concentrations of 8 branches per 100,000 CH2 for an industrial ‘linear’ polyethylene in only 13 hours. Even lower degrees of 3–8 long-chain branches per 100,000 carbons were able to be estimated in just 24 hours for a series of γ-irradiated polypropylene homopolymers.

NMR studies on supramolecular aggregates in solution and the solid state

The aim of this work presented here is the characterization of structure and dynamics of different types of supramolecular systems by advanced NMR spectroscopy. One of the characteristic features of NMR spectroscopy is based on its high selectivity. Thus, it is desirable to exploit this technique for studying structure and dynamics of large supramolecular systems without isotopic enrichment. The observed resonance frequencies are not only isotope specific but also influenced by local fields, in particular by the distribution of electron density around the investigated nucleus. Barbituric acid are well known for forming strongly hydrogen-bonded complexes with variety of adenine derivatives. The prototropic tautomerism of this material facilitates an adjustment to complementary bases containing a DDA(A = hydrogen bond acceptor site, D = hydrogen bond donor site) or ADA sequences, thereby yielding strongly hydrogen-bonded complexes. In this contribution solid-state structures of the enolizable chromophor "1-n-butyl-5-(4-nitrophenyl)-barbituric acid" that features adjustable hydrogen-bonding properties and the molecular assemblies with three different strength of bases (Proton sponge, adenine mimetic 2,6-diaminopyridine (DAP) and 2,6-diacetamidopyridine (DAC)) are studied. Diffusion NMR spectroscopy gives information over such interactions and has become the method of choice for measuring the diffusion coefficient, thereby reflecting the effective size and shape of a molecular species. In this work the investigation of supramolecular aggregates in solution state by means of DOSY NMR techniques are performed. The underlying principles of DOSY NMR experiment are discussed briefly and more importantly two applications demonstrating the potential of this method are focused on. Calix[n]arenes have gained a rather prominent position, both as host materials and as platforms to design specific receptors. In this respect, several different capsular contents of tetra urea calix[4]arenes (benzene, benzene-d6, 1-fluorobenzene, 1-fluorobenzene-d5, 1,4-difluorobenzene, and cobaltocenium) are studied by solid state NMR spectroscopy. In the solid state, the study of the interaction between tetra urea calix[4]arenes and guest is simplified by the fact that the guests molecule remains complexed and positioned within the cavity, thus allowing a more direct investigation of the host-guest interactions.