Spectroscopic signatures from first principles calculations: from surface adsorbates to liquids and polymers

In dieser Arbeit werden drei wasserstoffverbrückte Systeme in der kondensierten Phase mit Hilfe von first-principles-Elektronenstruktur-Rechnungen untersucht, die auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) unter periodischen Randbedingungen basieren. Ihre lokalen Konformationen und Wasserstoffbrückenbindungen werden mittels ab-initio Molekulardynamiksimulationen berechnet und weiterhin durch die Bestimmung ihrer spektroskopischen Parameter charakterisiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf lokalen Strukturen und auf schnellen Fluktuationen der Wasserstoffbrückenbindungen, welche von zentraler Bedeutung für die physikalischen und chemischen Eigenschaften der betrachteten Systeme sind. Die für die lokalen, instantanen Konformationen berechneten Spektren werden verwendet, um die physikalischen Prozesse, die hinter den untersuchten Phänomenen stehen, zu erklären: die Wasseradsorption auf metallischen Oberflächen, die Ionensolvatisierung in wässrigen Lösungen und der Protonentransport in protonleitenden Polymeren, welche Prototypen von Membranen für Brennstoffzellen sind. Die Möglichkeit der Vorhersage spektroskopischer Parameter eröffnet vielfältige Möglichkeiten des Dialogs zwischen Experimenten und numerischen Simulationen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die Zuverlässigkeit dieser theoretischen Berechnungen inzwischen für viele experimentell relevante Systeme ein quantitatives Niveau erreicht hat.

Development of empirical potentials for amorphous silica

Development of empirical potentials for amorphous silica Amorphous silica (SiO2) is of great importance in geoscience and mineralogy as well as a raw material in glass industry. Its structure is characterized as a disordered continuous network of SiO4 tetrahedra. Many efforts have been undertaken to understand the microscopic properties of silica by classical molecular dynamics (MD) simulations. In this method the interatomic interactions are modeled by an effective potential that does not take explicitely into account the electronic degrees of freedom. In this work, we propose a new methodology to parameterize such a potential for silica using ab initio simulations, namely Car-Parrinello (CP) method [Phys. Rev. Lett. 55, 2471 (1985)]. The new potential proposed is compared to the BKS potential [Phys. Rev. Lett. 64, 1955 (1990)] that is considered as the benchmark potential for silica. First, CP simulations have been performed on a liquid silica sample at 3600 K. The structural features so obtained have been compared to the ones predicted by the classical BKS potential. Regarding the bond lengths the BKS tends to underestimate the Si-O bond whereas the Si-Si bond is overestimated. The inter-tetrahedral angular distribution functions are also not well described by the BKS potential. The corresponding mean value of theSiOSi angle is found to be ≃ 147◦, while the CP yields to aSiOSi angle centered around 135◦. Our aim is to fit a classical Born-Mayer/Coulomb pair potential using ab initio calculations. To this end, we use the force-matching method proposed by Ercolessi and Adams [Europhys. Lett. 26, 583 (1994)]. The CP configurations and their corresponding interatomic forces have been considered for a least square fitting procedure. The classical MD simulations with the resulting potential have lead to a structure that is very different from the CP one. Therefore, a different fitting criterion based on the CP partial pair correlation functions was applied. Using this approach the resulting potential shows a better agreement with the CP data than the BKS ones: pair correlation functions, angular distribution functions, structure factors, density of states and pressure/density were improved. At low temperature, the diffusion coefficients appear to be three times higher than those predicted by the BKS model, however showing a similar temperature dependence. Calculations have also been carried out on crystalline samples in order to check the transferability of the potential. The equilibrium geometry as well as the elastic constants of α-quartz at 0 K are well described by our new potential although the crystalline phases have not been considered for the parameterization. We have developed a new potential for silica which represents an improvement over the pair potentials class proposed so far. Furthermore, the fitting methodology that has been developed in this work can be applied to other network forming systems such as germania as well as mixtures of SiO2 with other oxides (e.g. Al2O3, K2O, Na2O).

Struktur-Dynamik-Beziehungen in amorphen festen Lösungen

Feste Lösungen homogen dispergierter Wirkstoffmoleküle in amorphen Polymermatrizen sind wichtige Materialien in vielen pharmazeutischen Anwendungen, bei denen eine kontrollierte Abgabe wasserunlöslicher Wirkstoffe in wässrige Systeme eine Rolle spielt. Die intermolekulare Bindungs-stärke zwischen Polymer- und Wirkstoffmolekülgruppen bestimmt die Stabilität der festen Lösung und steuert somit die biologische Aktivität der Wirkstoffmoleküle. In festen Lösungen, die aus acryl-säurehaltigen Copolymeren (Protonendonoren) und basischen Wirkstoffmolekülen (Protonenakzepto-ren) hergestellt werden, sind intermolekulare Wasserstoffbrücken zwischen den Systemkomponenten Triebkraft für die Bildung einer stabilen homogenen Dispersion und für die Entstehung struktureller Merkmale zwischen den Molekülgruppen der Systemkomponenten. Zudem ist die Bindungsstärke der Wasserstoffbrücken im Hinblick auf die kontrollierte Abgabe der Wirkstoffe von Bedeutung. Da dynamische chemische Gleichgewichte bei der Bildung der Wasserstoffbrücken eine wichtige Rolle spielen müssen neben strukturellen Parametern auch dynamische Faktoren beleuchtet werden. Ziel dieser Arbeit ist neben der Ermittlung von intermolekularen Bindungsstärken vor allem die Identifika-tion struktureller Verhältnisse zwischen den Systemkomponenten auf molekularer Ebene. Die Be-stimmung der Abhängigkeit dieser Parameter von der Struktur der verwendeten Polymere und einer Vielzahl weiterer Einflüsse wie z.B. Feuchtigkeit, Lagerdauer oder Wirkstoffkonzentration soll ein kontrolliertes Design fester Lösungen mit definierten anwendungsspezifischen Eigenschaften ermögli-chen. Temperaturabhängige 1H-Festkörper-MAS-NMR (Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance) Experimente an festen Lösungen mit unterschiedlichen Copolymer-Zusammensetzungen weisen die Existenz dynamischer chemischer Gleichgewichte in den komplexen Wasserstoffbrücken-netzwerken nach. Veränderungen in der chemischen Verschiebung und in der Linienform der Reso-nanzlinien acider Protonen erlauben einen tiefen Einblick in die Architektur dieser Netzwerke und legen die Bindungsverhältnisse unter Berücksichtigung der Polymerchemie und der Mobilität der Systemkomponenten dar, wobei die Befunde mithilfe quantenchemischer Rechnungen untermauert werden können. Die Gegenwart acider Protonen ermöglicht einen einfachen 1H-2H-Austausch, wor-aufhin mithilfe rotorsynchronisierter temperaturabhängiger 2H-MAS-NMR Experimente die Wasser-stoffbrückenbindungsstärke bestimmt werden kann. Mit 1H-1H-Korrelationsexperimenten (Doppelquantenspektroskopie) stehen Methoden für die Bestimmung homonuklearer dipolarer 1H-1H-Kopplungen zur Verfügung, die strukturelle Aussagen aufgrund von bevorzugten räumlichen Kontak-ten bestimmter Molekülgruppen ermöglichen. Weiterhin können diese Experimente verwendet werden, um Wasserstoffbrücken zwischen Polymergruppen von Polymer-Wirkstoff-Wasserstoffbrücken zu unterscheiden, wodurch eine quantitative Beschreibung des Bindungsnetzwerks und der Konkurrenz-prozesse zwischen den einzelnen wasserstoffverbrückten Spezies ermöglicht wird. Eine Kristallisation der Wirkstoffmoleküle ist in vielen Anwendungen unerwünscht, da sie die biologische Verfügbarkeit des Wirkstoffs reduzieren. Mit 1H-Festkörper-MAS-NMR Experimenten können kristalline von amorph dispergierten Wirkstoffmolekülen unterschieden werden, wodurch eine Quantifizierung der Destabilisierungsprozesse ermöglicht wird, die durch Exposition der festen Lösungen mit Wasserdampf ausgelöst werden können. Die Zeit- und Konzentrationsabhängigkeit der Wasseraufnahme kann mit NMR-Experimenten verfolgt werden, wobei unterschiedlich mobile Was-serspezies an unterschiedlichen Bindungsorten identifiziert werden können, was zum molekularen Verständnis der Destabilisierungsprozesse beiträgt. Zusätzlich wird die Mobilität der Wirkstoffmole-küle bestimmt, die sich – wie auch die Wirkstoffkonzentration - als wichtige Größe in der Beschrei-bung der Destabilisierung erweist. Aufbauend auf den Beobachtungen wird ein Zusammenhang zwischen der Copolymerzusammensetzung und einer kritischen Wirkstoffkonzentration hergestellt, der für die Anwendungen amorpher fester Lösungen in biologischen Systemen von großer Bedeutung ist.

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.

Structural transformations related to organic solid-state reactions: correlation studies of NMR and X-ray analysis

Eine zielgerichtete Steuerung und Durchführung von organischen Festkörperreaktionen wird unter anderem durch genaue Kenntnis von Packungseffekten ermöglicht. Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch den kombinierten Einsatz von Einkristallröntgenanalyse und hochauf-lösender Festkörper-NMR an ausgewählten Beispielen ein tieferes Verständnis und Einblicke in die Reaktionsmechanismen von organischen Festkörperreaktionen auf molekularer Ebene gewonnen werden. So konnten bei der topotaktischen [2+2] Photodimerisierung von Zimt-säure Intermediate isoliert und strukturell charakterisiert werden. Insbesondere anhand statischer Deuteronen- und 13C-CPMAS NMR Spektren konnten eindeutig dynamische Wasserstoffbrücken nachgewiesen werden, die transient die Zentrosymmetrie des Reaktions-produkts aufheben. Ein weiterer Nachweis gelang daraufhin mittels Hochtemperatur-Röntgen-untersuchung, sodass der scheinbare Widerspruch von NMR- und Röntgenuntersuchungen gelöst werden konnte. Eine Veresterung der Zimtsäure entfernt diese Wasserstoffbrücken und erhält somit die Zentrosymmetrie des Photodimers. Weiterhin werden Ansätze zur Strukturkontrolle in Festkörpern basierend auf der molekularen Erkennung des Hydroxyl-Pyridin (OH-N) Heterosynthon in Co-Kristallen beschrieben, wobei vor allem die Stabilität des Synthons in Gegenwart funktioneller Gruppen mit Möglichkeit zu kompetetiver Wasserstoffbrückenbildung festgestellt wurde. Durch Erweiterung dieses Ansatzes wurde die molekulare Spezifität des Hydroxyl-Pyridin (OH-N) Heterosynthons bei gleichzeitiger Co-Kristallisation mit mehreren Komponenten erfolgreich aufgezeigt. Am Beispiel der Co-Kristallisation von trans--1,2-bis(4-pyridyl)ethylen (bpe) mit Resorcinol (res) in Gegenwart von trans-1,2-bis(4-pyridyl)ethan (bpet) konnten Zwischenprodukte der Fest-körperreaktionen und neuartige Polymorphe isoliert werden, wobei eine lückenlose Aufklärung des Reaktionswegs mittels Röntgenanalyse gelang. Dabei zeigte sich, dass das Templat Resorcinol aus den Zielverbindungen entfernbar ist. Ferner gelang die Durchführung einer seltenen, nicht-idealen Einkristall-Einkristall-Umlagerung von trans--1,2-bis(4-pyridyl)ethylen (bpe) mit Resorcinol (res). In allen Fällen konnten die Fragen zur Struktur und Dynamik der untersuchten Verbindungen nur durch gemeinsame Nutzung von Röntgenanalyse und NMR-Spektroskopie bei vergleichbaren Temperaturen eindeutig und umfassend geklärt werden.

Spectroscopic properties from hybrid QM, MM molecular dynamics simulation

The central aim of this thesis work is the application and further development of a hybrid quantum mechanical/molecular mechanics (QM/MM) based approach to compute spectroscopic properties of molecules in complex chemical environments from electronic structure theory. In the framework of this thesis, an existing density functional theory implementation of the QM/MM approach is first used to calculate the nuclear magnetic resonance (NMR) solvent shifts of an adenine molecule in aqueous solution. The findings show that the aqueous solvation with its strongly fluctuating hydrogen bond network leads to specific changes in the NMR resonance lines. Besides the absolute values, also the ordering of the NMR lines changes under the influence of the solvating water molecules. Without the QM/MM scheme, a quantum chemical calculation could have led to an incorrect assignment of these lines. The second part of this thesis describes a methodological improvement of the QM/MM method that is designed for cases in which a covalent chemical bond crosses the QM/MM boundary. The development consists in an automatized protocol to optimize a so-called capping potential that saturates the electronic subsystem in the QM region. The optimization scheme is capable of tuning the parameters in such a way that the deviations of the electronic orbitals between the regular and the truncated (and "capped") molecule are minimized. This in turn results in a considerable improvement of the structural and spectroscopic parameters when computed with the new optimized capping potential within the QM/MM technique. This optimization scheme is applied and benchmarked on the example of truncated carbon-carbon bonds in a set of small test molecules. It turns out that the optimized capping potentials yield an excellent agreement of NMR chemical shifts and protonation energies with respect to the corresponding full molecules. These results are very promising, so that the application to larger biological complexes will significantly improve the reliability of the prediction of the related spectroscopic properties.

Studies of pure rotational spectra of isolated molecules and molecular adducts using pulsed jet Fourier transform microwave (PJ-FTM) spectroscopy

This thesis focuses on studying molecular structure and internal dynamics by using pulsed jet Fourier transform microwave (PJ-FTMW) spectroscopy combined with theoretical calculations. Several kinds of interesting chemical problems are investigated by analyzing the MW spectra of the corresponding molecular systems. First, the general aspects of rotational spectroscopy are summarized, and then the basic theory on molecular rotation and experimental method are described briefly. ab initio and density function theory (DFT) calculations that used in this thesis to assist the assignment of rotational spectrum are also included. From chapter 3 to chapter 8, several molecular systems concerning different kind of general chemical problems are presented. In chapter 3, the conformation and internal motions of dimethyl sulfate are reported. The internal rotations of the two methyl groups split each rotational transition into several components line, allowing for the determination of accurate values of the V3 barrier height to internal rotation and of the orientation of the methyl groups with respect to the principal axis system. In chapter 4 and 5, the results concerning two kinds of carboxylic acid bi-molecules, formed via two strong hydrogen bonds, are presented. This kind of adduct is interesting also because a double proton transfer can easily take place, connecting either two equivalent or two non-equivalent molecular conformations. Chapter 6 concerns a medium strong hydrogen bonded molecular complex of alcohol with ether. The dimer of ethanol-dimethylether was chosen as the model system for this purpose. Chapter 7 focuses on weak halogen…H hydrogen bond interaction. The nature of O-H…F and C-H…Cl interaction has been discussed through analyzing the rotational spectra of CH3CHClF/H2O. In chapter 8, two molecular complexes concerning the halogen bond interaction are presented.

Regio- e stereocontrollo nell'addizione viniloga di alchilidenossindoli a nitrostireni via organocatalisi.

The topic of this work is the simultaneous activation, promoted by 9-epi-NH2-DHQA-TU, of alkylideneoxindole and nistirene derivatives, respectively via base catalysis and hydrogen-bond catalysis. The chosen substrates, of high biological interest, are used as starting materials for a vinylogous Michael addition where we wish to control the stereochemistry of the two asymmetric carbons far away from the active site, respectively in γ and δ position. Due to the particular structure of the starting oxindoles, it is hereby presented the first variant of this reaction performed at its highest level of stereochemical complexity. It is possible as a matter of fact, to generate 24 isomers of the product. Specifically, given that the nucleophilic attack can occur from various, non equivalent regions of the starting molecule, our main goal was to achieve a complete regio- and stereocontrol of the reaction. We have verified that the reported organocatalyzed vinylogous reaction represents a valid integration of the metal-catalyzed one, since it affords highly stereochemically complex products in good to high yields and excellent optical purity.

Sorption and direct speciation of neptunium(V) on aluminium oxide and montmorillonite

This study comprised batch experiments, direct speciation studies via EXAFS, and modelling with the 2SPNE SC/CE model to elucidate the mechanisms of Np(V) sorption on montmorillonite and, for reference, on γ-Al2O3. The sorption of pM 239Np(V) and µM 237Np(V) on montmorillonite (STx-1, 4 g/L) and γ-Al2O3 (0.5 g/L) was studied at room temperature in the presence and absence of ambient CO2 covering a pH-range from 2.5 (STx-1) or 5 (γ-Al2O3) to 10.5 with 0.01 or 0.1M NaClO4 as background electrolyte. The Np(V) uptake was determined by γ spectroscopy of the supernatants and calculated as percentage as well as distribution coefficient Kd. Sorption starts from pH ~6 and, under exclusion of CO2, increases continuously, while, in the presence of ambient air, it reaches a maximum at pH ~8.5 (γ-Al2O3: log Kd max ≈ 4 mL/g; STx-1: log Kd max ≈ 2.7 mL/g). Beyond that it decreases again due to the formation of queous neptunium carbonate complexes. Furthermore, neptunium sorption on montmorillonite is influenced by ionic strength at pH <6 through ion exchange processes pointing towards the formation of outer-sphere surface complexes there. Isotherms measured at the sorption maximum showed the precipitation of resumably neptunium carbonate complexes above 3∙10^-5 M under ambient air conditions. Additionally, they indicated progressive saturation of the sorption sites of γ-Al2O3. At selected pH (STx-1: 5.0, 7.0, 8.0, 8.5, 9.0, 9.5; γ-Al2O3: 8.5, 9.5) EXAFS samples were prepared as wet pastes with µM 237Np and measured at room temperature in fluorescence mode at ANKA and ESRF. Several spectra were averaged and analysed with EXAFSPAK and FEFF 8.20 employing models of NaNpO2(CO3) or soddyite, (UO2)2SiO4∙2(H2O). The shorter atomic distances of the neptunyl ion at pH 5 compared to the others hinted at the retention of the hydration shell and, thus, at outer-sphere sorption. On average the bond lengths for Np(V) sorbed on STx-1 at high pH were Oax ≈ 1.84 Å and Oeq ≈ 2.53 Å. At high pH, ternary neptunyl carbonate surface complexes could be identified for montmorillonite (C ≈ 3.00 Å), but not for γ-Al2O3, where an interaction of neptunium with the aluminium surface atoms according to the soddyite model gave better agreement with the experimental data. However, neither structure as suggested by the two models could be excluded for both systems rendering a combination most likely. Modelling of the sorption data provided further evidence for the existence of ternary neptunium carbonate surface complexes in both cases. The results of this study can aid environmental risk assessment for clay-based nuclear waste repositories by providing valuable input data for simulations of radionuclide migration from a final disposal site.

Reaktivität von Dihypersilylhalogenorganylplumbanen

Organylhalogenide RX reagieren formal gemäß einer oxidativen 1,1-Addition mit Dihypersilylplumbylen) PbHyp2 zu Dihypersilyl-halogenorganylplumbanen PbHyp2RX. Diese Umsetzung gelingt mit nahezu allen untersuchten Organylresten, lediglich beispielsweise der Mesitylrest erweist sich als zu sperrig (R = Me, Et, nPr, iPr, tBu, Hx, cHx, Ad, Ph, C6F5, oTo, mTo, pTo, Naph, Anthr).rnrnFür einige Halogenorganyle wird eine analoge Addition auch an das zinnhomologe Dihypersilylstannylen beschrieben.rnrnDie untersuchten Addukte sind thermisch und gegenüber UV-Strahlung, Sauerstoff und Wasser deutlich weniger empfindlich als vergleichbare andere blei- und zinnorganische Verbindungen.rnrnUmfangreiche NMR-Datensätze beschreiben eine markante Hoch-feldverschiebung der Hypersilylprotonen beim Übergang von PbHyp2 hin zu PbHyp2RX, die für Arylreste stärker ausfällt als für Alkylreste.rnrnEin Großteil der Addukte wurde einkristallin erhalten und wird anhand der röntgendiffraktometrisch ermittelten Strukturparameter detailliert charakterisiert. rnrnEs finden sich gegenüber dem idealen Tetraderwinkel auffällig stark aufgeweitete Si Pb Si-Winkel von 130-143°, während die anderen Winkel mehrheitlich unter dem theoretischen Idealwert bleiben (Si Pb X: 94 103°; Si Pb C: 98-112°; C Pb X: 95-103°). Insbesondere größere, weichere Reste und planare Arylplumbane rücken näher an das Halogen heran.rnDie insgesamt recht hohen Blei-Halogen-Abstände nehmen von den Chloriden hin zu den Iodiden zu. Die Iodoplumbane zeigen dabei generell die kleinsten Pb Si und die größten Pb C Abstände. Alkylplumbane weisen längere Pb C Bindungen auf als ansonsten vergleichbare Arylplumbane.rnrnViele der gefundenen Molekülstrukturen zeigen Anzeichen hoher sterischer Spannung in Form von Substituentenverzerrungen. rnrnDie Bildungsgeschwindigkeit der Addukte ist auch bei tiefen Temperaturen hoch. Sie nimmt von X = Cl über Br hin zu I zu und ist für Alkylreste höher als für Aryle. Die Zerfallsgeschwindigkeiten verhalten sich genau entgegengesetzt. Bei den Thermolysen wird regelmäßig Hypersilylhalogenid eliminiert. Dabei entstehen in Abwesenheit koordinierender Solventien Dihypersilyl-diorganylplumbane PbHyp2R2.rnAndere, unbekannte Zerfallskanäle führen zu unerwarteten Produkten, wie dem Iodonium-verbrückten, cyclischen Tetraplumbetan Pb4I(C6F5)Hyp3.rnrnIn Anwesenheit von Lewis-Basen hingegen können sich hetero-leptische Plumbylene bilden, wie am Beispiel eines Bitolyldiylbisplumbylens gezeigt wird. Dieses zeigt auch, dass prinzipiell eine zweifache Addition von Dihalogenorganylen an zwei Äqui-valente Dihypersilylplumbylen möglich ist. Entsprechende Untersuchungen beschäftigen sich ausführlich mit dafür geeigneten und ungeeigneten Organdiylresten.rnrnUnter günstigen reduktiven Bedingungen lassen sich mittels Metal-lierungsreagenz aus den Dihypersilylhalogenorganylplumbanen unter Halogenidentzug Plumbanide erhalten, die in Form getrennter Ionenpaare isolierbar sind. Diese lassen sich in Ana-logie zu den zuvor beschriebenen Plumbanen ebenfalls als Addukt aus Dihypersilylplumbylen und Lithiumorganylen darstellen.rnrnUnter geeigneten speziellen Bedingungen sind neben metallierten auch formal hydridierte Halogenplumbanide zugänglich.rnrnEntsprechend einer geringen Hybridisierung am zentralen Blei-atom, also eines hohen p-AO-Charakters der bindenden Molekülorbitale und s-AO-Charakters des LEP-Orbitals ergeben sich keine trigonal-planaren, sondern Strukturen mit Substituenten-winkeln sogar nahe bei 90°. Die Bindungslängen zum Blei sind deutlich größere als bei den entsprechenden Halogenplumbanen.rnrnEin besonderes Augenmerk der Arbeit liegt auf der Betrachtung von langlebigen und persistenten heteroleptischen Plumbyl-Radikalen, die durch milde Oxidation mittels PbNsi23) aus den Dihypersilylorganylplumbaniden erhalten werden. Während bislang nur homoleptische Vertreter bekannt waren, die aufgrund des sterischen Anspruchs der Substituenten und aufgrund von Hyperkonjugation von axialsymmetrischer nahezu planarer Geometrie sind, findet sich für die heteroleptischen Plumbyle dieser Arbeit eine stärker pyramidale Geometrie. Ausführlich diskutierte EPR-Experimente liefern Spektren, die gut mit Simulationen für die entsprechenden Radikale übereinstimmen.rnrnDie im Zentrum der Betrachtungen dieser Arbeit stehenden Dihypersilylhalogenorganylplumbane stellen somit einen aussichtsreichen und darüber hinaus persistenten und gut zu handhabenden Ausgangspunkt bei der Darstellung neuartiger und interessanter Spezies dar.

Between the scales: Water from different perspectives

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Wassermodelle in sogenannten Multiskalen-Computersimulationen mit zwei Auflösungen untersucht, in atomistischer Auflösung und in einer vergröberten Auflösung, die als "coarse-grained" bezeichnet wird. In der atomistischen Auflösung wird ein Wassermolekül, entsprechend seiner chemischen Struktur, durch drei Atome beschrieben, im Gegensatz dazu wird ein Molekül in der coarse-grained Auflösung durch eine Kugel dargestellt.rnrnDie coarse-grained Modelle, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, werden mit verschiedenen coarse-graining Methoden entwickelt. Hierbei kommen hauptsächlich die "iterative Boltzmann Inversion" und die "iterative Monte Carlo Inversion" zum Einsatz. Beides sind struktur-basierte Ansätze, die darauf abzielen bestimmte strukturelle Eigenschaften, wie etwa die Paarverteilungsfunktionen, des zugrundeliegenden atomistischen Systems zu reproduzieren. Zur automatisierten Anwendung dieser Methoden wurde das Softwarepaket "Versatile Object-oriented Toolkit for Coarse-Graining Applications" (VOTCA) entwickelt.rnrnEs wird untersucht, in welchem Maße coarse-grained Modelle mehrere Eigenschaftenrndes zugrundeliegenden atomistischen Modells gleichzeitig reproduzieren können, z.B. thermodynamische Eigenschaften wie Druck und Kompressibilität oder strukturelle Eigenschaften, die nicht zur Modellbildung verwendet wurden, z.B. das tetraedrische Packungsverhalten, welches für viele spezielle Eigenschaft von Wasser verantwortlich ist.rnrnMit Hilfe des "Adaptive Resolution Schemes" werden beide Auflösungen in einer Simulation kombiniert. Dabei profitiert man von den Vorteilen beider Modelle:rnVon der detaillierten Darstellung eines räumlich kleinen Bereichs in atomistischer Auflösung und von der rechnerischen Effizienz des coarse-grained Modells, die den Bereich simulierbarer Zeit- und Längenskalen vergrössert.rnrnIn diesen Simulationen kann der Einfluss des Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerks auf die Hydration von Fullerenen untersucht werden. Es zeigt sich, dass die Struktur der Wassermoleküle an der Oberfläche hauptsächlich von der Art der Wechselwirkung zwischen dem Fulleren und Wasser und weniger von dem Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerk dominiert wird.rn

Modellkomplexe zur Untersuchung der Radikal-Metall-Wechselwirkung innerhalb des wasseroxidierenden Zentrums im Photosystem II

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zweikernige Modellkomplexe zur Untersuchung der Radikal-Metallwechselwirkung innerhalb des wasseroxidierenden Zentrums des Photo¬systems II synthetisiert und eine magneto-strukturelle Korrelation dieser Komplexe erstellt. Als Liganden wurden diverse sechs- bis siebenzähnige Chelatliganden verwendet, welche über zwei Koordinationstaschen und eine verbrückende Phenolatgruppe verfügen. Zwei daran gebundene Manganionen liegen in einer wohl definierten Umgebung nicht koordinativ gesättigt vor. An die freien Koordinationsstellen können weitere ein bis zwei Brückenliganden binden, bei denen es sich in dieser Arbeit hauptsächlich um Carboxylate handelt. Durch die Verwendung eines diamagnetischen Brückenliganden konnte die magnetische Spin-Spin-Austauschwechselwirkung zwischen den spintragenden Manganionen über die verbrücken¬de Phenolatgruppe bestimmt werden. Komplexe, welche über Manganionen in den gleichen Oxidationsstufen, aber über unterschiedliche Carboxylatbrückenliganden verfügen, weisen ähnliche magnetische Austauschwechselwirkungen zwischen den Metallzentren auf. Diese Beobachtung konnte durch eine strukturelle Ähnlichkeit dieser Komplexe erklärt werden. Mittels Aufsummieren der Bindungslängen der verbrückenden Phenolateinheit zu beiden Zentralionen kann innerhalb dieser Komplexe jeweils die Länge des Wechselwirkungspfades erhalten werden, welcher die magnetische Austauschwechselwirkung maßgeblich beein¬flusst. Je länger der Wechselwirkungspfad ist, desto kleiner ist die Austausch¬wechsel¬wirkung. Durch Austausch der diamagnetischen Carboxylate durch paramagnetische benzoat¬substituierte Nitronyl Nitroxid Radikale wurden den Komplexen ein bis zwei weitere Spinzentren hinzugefügt, welche mit den Spins der Zentralionen wechselwirken können. Simulationen der magnetischen Suszeptibilitätsmessungen liefern Werte für die magneti¬schen Austausch¬wechselwirkungen zwischen den Nitronyl Nitroxid Radikalen und den Manganionen, die in allen Fällen schwach ferromagnetisch zwischen 0 und 4,7 cm-1 sind. In einer Auftragung dieser Austauschwechselwirkungen gegen die Mangan-Carboxylat-Bindungs¬längen von strukturell charakterisierten äquivalenten acetatverbrückten Komplexen, kann eine lineare Abhängigkeit gezeigt werden.

Non-Covalent Interaction: Revealed by Rotational Spectroscopy

The pulsed jet Fourier transform microwave spectroscopy have been applied to several molecular complexes involving H2O, freons, methane, carboxylic acids, and rare gas. The obtained results showcase the suitability of this technique for studying the intermolecular interactions. The rotational spectra of three water adducts of halogenated organic molecules, i.e. chlorotrifluoroethylene, isoflurane and alfa,alfa,alfa,-trifluoroanisole, have been investigated. It has been found that, the halogenation of the partner molecules definitely changes the way in which water will link to the partner molecule. Quadrupole hyperfine structures and/or the tunneling splittings have been observed in the rotational spectra of difluoromethane-dichloromethane, chlorotrifluorometane-fluoromethane, difluoromethane-formaldehyde and trifluoromethane-benzene. These features have been useful to describe their intermolecular interactions (weak hydrogen bonds or halogen bonds), and to size the potential energy surfaces of their internal motions. The rotational spectrum of pyridine-methane pointed out that methane prefers to locate above the ring and link to pyridine through a C-H•••π weak hydrogen bond, rather than the C-H•••n interaction. This behavior, typical of complexes of pyridine with rare gases, suggests classifying CH4, in relation to its ability to form molecular complexes with aromatic molecules, as a pseudo rare gas. The conformational equilibria of three bi-molecules of carboxylic acids, acrylic acid-trifluoroacetic acid, difluoroacetic acid-formic acid and acrylic acid-fluoroacetic acid have been studied. The increase of the hydrogen bond length upon H→D isotopic substitution (Ubbelohde effect) has been deduced from the elongation of the carboxylic carbons C•••C distance. The van der Waals complex tetrahydrofuran-krypton shows that the systematic doubling of the rotational lines has been attributed to the residual pseudo-rotation of tetrahydrofuran in the complex, based on the values of the Coriolis coupling constants, and on the type (mu_b) of the interstate transitions.

The calcite(10-14) surface: a versatile substrate for molecular self-assembly

This thesis presents a detailed and successful study of molecular self-assembly on the calcite CaCO3(10-14) surface. One reason for the superior applicability of this particular surface is given by reflecting the well-known growth modes. Layer-by-layer growth, which is a necessity for the formation of templated two-dimensional (2D) molecular structures, is particularly favoured on substrates with a high surface energy. The CaCO3(10-14) surface is among those substrates and, thus, most promising. rnrnAll experiments in this thesis were performed using the non-contact atomic force microscope (NC-AFM) under ultra-high vacuum conditions. The acquisition of drift-free data became in this thesis possible owing to the herein newly developed atom-tracking system. This system features a lateral tip-positioning precision of at least 50pm. Furthermore, a newly developed scan protocol was implemented in this system, which allows for the acquisition of dense three-dimensional (3D) data under room-temperature conditions. An entire 3D data set from a CaCO3(10-14) surface consisting of 85x85x500 pixel is discussed. rnrnThe row-pairing and (2x1) reconstructions of the CaCO3(10-14) surface constitute most interesting research subjects. For both reconstructions, the NC-AFM imaging was classified to a total of 12 contrast modes. Eight of these modes were observed within this thesis, some of them for the first time. Together with literature findings, a total of 10 modes has been observed experimentally to this day. Some contrast modes presented themselves as highly distance-dependent and at least for one contrast mode, a severe tip-termination influence was found. rnrnMost interestingly, the row-pairing reconstruction was found to break a symmetry element of the CaCO3(10-14) surface. With the presence of this reconstruction, the calcite (10-14) surface becomes chiral. From high-resolution NC-AFM data, the identification of the enantiomers is here possible and is presented for one enantiomer in this thesis. rnrnFive studies of self-assembled molecular structures on calcite (10-14) surfaces are presented. Only for one system, namely HBC/CaCO3(10-14), the formation of a molecular bulk structure was observed. This well-known occurence of weak molecule-insulator interaction hinders the investigation of two-dimensional molecular self-assembly. It was, however, possible to force the formation of an island phase for this system upon following a variable-temperature preparation. rnFor the C60/CaCO3(10-14) system it is most notably that no branched island morphologies were found. Instead, the first C60 layer appeared to wet the calcite surface. rnrnIn all studies, the molecules arranged themselves in ordered superstructures. A templating effect due to the underlying calcite substrate was evident for all systems. This templating strikingly led either to the formation of large commensurate superstructures, such as (2x15) with a 14 molecule basis for the C60/CaCO3(10-14) system, or prevented the vast growth of incommensurate molecular motifs, such as the chicken-wire structure in the trimesic acid (TMA)/CaCO3(10-14) system. rnrnThe molecule-molecule and the molecule-substrate interaction was increased upon choosing molecules with carboxylic acid moieties in the third, fourth and fifth study, using terephthalic acid, TMA and helicene molecules. In all these experiments, hydrogen-bonded assemblies were created. rnrnDirected hydrogen bond formation combined with intermolecular pi-pi interaction is employed in the fifth study, where the formation of uni-directional molecular "wires" from single helicene molecules succeeded. Each "wire" is composed of heterochiral helicene pairs, well-aligned along the [01-10] substrate direction and stabilised by pi-pi interaction.

Liquid crystalline cellulose derivatives for mirrorless lasing

In this thesis cholesteric films made of liquid crystalline cellulose derivatives with improved optical properties were prepared. The choice of the solvent, hydrogen bond influencing additives, the synthetic realization of a very high degree of substitution on the cellulosic polymer and the use of mechanical stirring at the upper concentration limit of the liquid crystalline range were the basis for an improved alignment of the applied cellulose tricarbamates. In combination with a tuned substrate treatment and film preparation method, cholesteric films were obtained, with optical properties that were theoretically predicted and only known from low molecular weight liquid crystals so far. Subsequent polymerization allowed a permanent fixing of the alignment and the fabrication of free standing and insensitive films.rnThe incorporation of inorganic nanorods into the cholesteric host material was mediated with tailored block copolymers, available via controlled radical polymerization methods. In addition to the shape match between the rodlike mesogens of the host and the nanorods it was possible to increase the miscibility of both materials. Nevertheless, the size of the nanorods, in comparison to the mesogens, in these densely packed liquid crystalline phases as well as their long equilibration times were the reasons for phase separation. Nanorods are, in principle, valuable substitutes for organics, but their utilization in cellulosic CLC was not to be combined with a high quality alignment of the cholesteric structure.rnA swelling process of polymerized films in a dye solution or dissolving dyes in non-polymerized CLC was used for incorporation of the organic chromophores. With the first method the CLC could be aligned and polymerized without any disturbance due to dye molecules. The optical properties of dye and CLC were matched, with regard to mirrorless lasing devices. The dye was optically excited and laser emission supported by the cholesteric cavity was obtained. The polarization and wavelength of the emitted radiation as well as its bandwidth, the obtained interference pattern and threshold behavior of the emission proofed the feedback mechanism that was not believed to be realizable in liquid crystalline polymers. rnUtilization of a microfluidic co-flow injection device enabled us to transfer the properties of cellulosic CLC from the planar film shape to spherical micrometer sized particles. The pure material yielded particles with distorted mesogen alignment similar to films prepared by capillary flow. Dilution of the CLC with a solvent that migrated into the carrier phase during particle preparation provided the basis for particles with well ordered areas. rnAlthough cellulose derivatives were known for their liquid crystalline behavior for decades and synthesized in mass production, their application as feedback material was affected by bad optical properties. In comparison to low molar mass compounds, the low degree of order in the CLC phase was the cause. With the improved material, defined lasing emission was shown and characterized. Derivatives of cellulose are desirable materials, because, as a renewable resource, they are available in large amounts for a low price and need only simple derivatization reactions. The fabrication of CLC films with tunable lasing emission, for which this thesis can provide a starting point, is in good agreement with today's requirements of modern technology and its miniaturization.rn