Electrochemistry of carbon based engineered structures

The main aims of my PhD research work have been the investigation of the redox, photophysical and electronic properties of carbon nanotubes (CNT) and their possible uses as functional substrates for the (electro)catalytic production of oxygen and as molecular connectors for Quantum-dot Molecular Automata. While for CNT many and diverse applications in electronics, in sensors and biosensors field, as a structural reinforcing in composite materials have long been proposed, the study of their properties as individual species has been for long a challenging task. CNT are in fact virtually insoluble in any solvent and, for years, most of the studies has been carried out on bulk samples (bundles). In Chapter 2 an appropriate description of carbon nanotubes is reported, about their production methods and the functionalization strategies for their solubilization. In Chapter 3 an extensive voltammetric and vis-NIR spectroelectrochemical investigation of true solutions of unfunctionalized individual single wall CNT (SWNT) is reported that permitted to determine for the first time the standard electrochemical potentials of reduction and oxidation as a function of the tube diameter of a large number of semiconducting SWNTs. We also established the Fermi energy and the exciton binding energy for individual tubes in solution and, from the linear correlation found between the potentials and the optical transition energies, one to calculate the redox potentials of SWNTs that are insufficiently abundant or absent in the samples. In Chapter 4 we report on very efficient and stable nano-structured, oxygen-evolving anodes (OEA) that were obtained by the assembly of an oxygen evolving polyoxometalate cluster, (a totally inorganic ruthenium catalyst) with a conducting bed of multiwalled carbon nanotubes (MWCNT). Here, MWCNT were effectively used as carrier of the polyoxometallate for the electrocatalytic production of oxygen and turned out to greatly increase both the efficiency and stability of the device avoiding the release of the catalysts. Our bioinspired electrode addresses the major challenge of artificial photosynthesis, i.e. efficient water oxidation, taking us closer to when we might power the planet with carbon-free fuels. In Chapter 5 a study on surface-active chiral bis-ferrocenes conveniently designed in order to act as prototypical units for molecular computing devices is reported. Preliminary electrochemical studies in liquid environment demonstrated the capability of such molecules to enter three indistinguishable oxidation states. Side chains introduction allowed to organize them in the form of self-assembled monolayers (SAM) onto a surface and to study the molecular and redox properties on solid substrates. Electrochemical studies on SAMs of these molecules confirmed their attitude to undergo fast (Nernstian) electron transfer processes generating, in the positive potential region, either the full oxidized Fc+-Fc+ or the partly oxidized Fc+-Fc species. Finally, in Chapter 6 we report on a preliminary electrochemical study of graphene solutions prepared according to an original procedure recently described in the literature. Graphene is the newly-born of carbon nanomaterials and is certainly bound to be among the most promising materials for the next nanoelectronic generation.

Aluminium- und Yttrium-Initiatoren für die koordinative Ringöffnungspolymerisation von Propylenoxid

Zielsetzung ist der synthetische Zugang zu metallorganischen Verbindungen, die Propylenoxid koordinativ polymerisieren und deren Aktivität sich durch gezielte Variation der sterischen oder elektronischen Eigenschaften kontrollieren läßt. Zur Bearbeitung dieser Aufgabe werden zwei verschiedene Klassen von Komplexen synthetisiert und charakterisiert: Vorwiegend durch Salzmetathese werden mehrere Yttriumamide der allgemeinen Formel Y(NRR´)3(THF)x erhalten. Dabei erfolgt eine Diskussion der Auswirkungen sterischer und elektronischer Variation der beiden Amido-Substituenten R und R´, die sich in der Bildung von „at“-Komplexen, Lösungsmitteladdukten und größeren Aggregaten äußern. Durch Alkaneliminierung wird eine umfassende Reihe von Aluminiumkomplexen methylen- und thioverbrückter Bisphenolatoliganden dargestellt. Die Verbindungen besitzen unter Ausschluß zusätzlicher Basen dimere oder mehrkernige Strukturen, deren Diskussion schwerpunktsmäßig anhand ihres Verhaltens in Lösung erfolgt. Die Aluminiumkomplexe werden in anschließenden Reaktionen zu Lösungsmitteladdukten und Aluminaten umgesetzt.Die Yttriumamide initiieren die Ringöffnungspolymerisation von Propylenoxid bei Temperaturen von 60 oder 80 °C. Die Polymerisation erfolgt nach einem koordinativen Mechanismus, eine zu niedrige Katalysatoreffizienz schließt jedoch die Yttriumamide als Vorläufer zu definierten „single site“-Katalysatoren aus. Mit der Kombination aus neutralen Aluminiumkomplexen mit den entsprechenden Aluminaten verläuft die Ringöffnungspolymerisation von Propylenoxid bei Raumtemperatur schnell und kontrolliert. Es läßt sich ein prinzipiell neuer Mechanismus belegen, bei dem die Polymerisation unter synergistischer Wirkung eines Aluminiumphenolato-Komplexes mit dem korrespondierenden „at“-Komplex erfolgt.

Azobenzol- und Perylendiimid-funktionalisierte Polyphenylen-Dendrimere

Die Dissertation 'Azobenzol- und Perylendiimid-funktionalisierte Polyphenylen-Dendrimere - Synthese, Charakterisierung und Eigenschaften' gliedert sich in vier Themengebiete. Der erste Abschnitt beschäftigt sich mit der Synthese unterschiedlich dichter Dendrimere um einen Azobenzol-Kern. Einkristallstrukturen und Molekülvisualisierungen verdeutlichen die dreidimensionale Gestalt der Dendrimere. Die Dendrimere zeigen erstmalig eine Abhängigkeit des Isomerisationsverhaltens von der das Chromophor umgebenden Struktur. Der zweite Abschnitt hat Interaktionen von Chromophoren, deren Distanz und Orientierung zueinander gezielt durch einen äußeren Impuls geändert werden können, zum Thema. Die Verbindung von Azobenzol und PMI führt durch deren gegenseitige Beeinflussung zu einem Verlust der charakteristischen Eigenschaften der Chromophore. Eine Oligo-L-Lysinkette, deren Enden mit NMI und PMI funktionalisiert sind, stellt ein FRET-System dar. Distanz und Orientierung der Chromophore zueinander werden durch den mittels TFE induzierten Übergang des Peptids vom Knäuel zur Helix verändert. Der dritte Abschnitt führt die Synthese von PDI-gekernten Dendrimeren durch Substitution in der bay-Region des Chromophors ein. Die Eignenschaften der Verbindungen wurden mittels optischer Methoden und cyclovoltammetrischen Studien untersucht. Weiter wurde die Oberflächenfunktionalisierung mit Aminosäuren und Oligopeptiden zu wasserlöslichen Dendrimeren mit hoher Oberflächenladung verfolgt. Das letzte Kapitel stellt Untersuchungen zur Organisation von Polyphenylen-Dendrimeren auf HOPG vor. Es lassen sich einerseits Nanofasern formieren, andererseits können auch geordnete Mono- und Multilagen erzeugt werden.

Mg for hydrogen storage: synthesis, nanostructure and thermodynamics properties

Nowadays alternative energies are an extremely important topic and the possibility of using hydrogen as an energy carrier must be explored. Many problems infer the technological application of this abundant and powerful resource, one of them the possibility of storage. In the framework of suitable materials for hydrogen storage, magnesium has been the center of this study because it is cheap and the amount of stored hydrogen that it achieves (7.6 wt%) is extremely appealing. Nanostructure helps to overcome the slow hydrogen diffusion and the functionalization of surfaces with transition metals or oxides favors the hydrogen molecule dissociation/recombination. The aim of this research is the investigation of the metal-hydride transformation in magnesium nanoparticles synthesized by inert-gas condensation, exploiting the fact that they are a simple model system. The so produced nanostructured powder has been analyzed in response to nanoparticles surface functionalization by transition metal clusters, specifically palladium, nickel and titanium, chosen on the basis of their completely different Mg-related phase diagrams. The role of the intermetallic phases formed upon heating and hydrogenation treatments will be presented to provide a comprehensive picture of hydrogen sorption in this class of nanostructured storage materials.

New polymeric materials for vascular surgery

The dramatic impact that vascular diseases have on human life quality and expectancy nowadays is the reason why both medical and scientific communities put great effort in discovering new and effective ways to fight vascular pathologies. Among the many different treatments, endovascular surgery is a minimally-invasive technique that makes use of X-ray fluoroscopy to obtain real-time images of the patient during interventions. In this context radiopaque biomaterials, i.e. materials able to absorb X-ray radiation, play a fundamental role as they are employed both to enhance visibility of devices during interventions and to protect medical staff and patients from X-ray radiations. Organic-inorganic hybrids are materials that combine characteristics of organic polymers with those of inorganic metal oxides. These materials can be synthesized via the sol-gel process and can be easily applied as thin coatings on different kinds of substrates. Good radiopacity of organic-inorganic hybrids has been recently reported suggesting that these materials might find applications in medical fields where X-ray absorption and visibility is required. The present PhD thesis aimed at developing and characterizing new radiopaque organic-inorganic hybrid materials that can find application in the vascular surgery field as coatings for the improvement of medical devices traceability as well as for the production of X-ray shielding objects and garments. Novel organic-inorganic hybrids based on different polyesters (poly-lactic acid and poly-ε-caprolactone) and polycarbonate (poly-trimethylene carbonate) as the polymeric phase and on titanium oxide as the inorganic phase were synthesized. Study of the phase interactions in these materials allowed to demonstrate that Class II hybrids (where covalent bonds exists between the two phases) can be obtained starting from any kind of polyester or polycarbonate, without the need of polymer pre-functionalization, thanks to the occurrence of transesterification reactions operated by inorganic molecules on ester and carbonate moieties. Polyester based hybrids were successfully coated via dip coating on different kinds of textiles. Coated textiles showed improved radiopacity with respect to the plain fabric while remaining soft to the touch. The hybrid was able to coat single fibers of the yarn rather than coating the yarn as a whole. Openings between yarns were maintained and therefore fabric breathability was preserved. Such coatings are promising for the production of light-weight garments for X-ray protection of medical staff during interventional fluoroscopy, which will help preventing pathologies that stem from chronic X-ray exposure. A means to increase the protection capacity of hybrid-coated fabrics was also investigated and implemented in this thesis. By synthesizing the hybrid in the presence of a suspension of radiopaque tantalum nanoparticles, PDMS-titania hybrid materials with tunable radiopacity were developed and were successfully applied as coatings. A solution for enhancing medical device radiopacity was also successfully investigated. High metal radiopacity was associated with good mechanical and protective properties of organic-inorganic hybrids in the form of a double-layer coating. Tantalum was employed as the constituent of the first layer deposited on sample substrates by means of a sputtering technique. The second layer was composed of a hybrid whose constituents are well-known biocompatible organic and inorganic components, such as the two polymers PCL and PDMS, and titanium oxide, respectively. The metallic layer conferred to the substrate good X-ray visibility. A correlation between radiopacity and coating thickness derived during this study allows to tailor radiopacity simply by controlling the metal layer sputtering deposition time. The applied metal deposition technique also permits easy shaping of the radiopaque layer, allowing production of radiopaque markers for medical devices that can be unambiguously identified by surgeons during implantation and in subsequent radiological investigations. Synthesized PCL-titania and PDMS-titania hybrids strongly adhered to substrates and show good biocompatibility as highlighted by cytotoxicity tests. The PDMS-titania hybrid coating was also characterized by high flexibility that allows it to stand large substrate deformations without detaching nor cracking, thus being suitable for application on flexible medical devices.

Tris(trimethylsilyl)silyl substituted alkali- and transition metal guaiazulenides

In der vorliegenden Arbeit wird ein prochirales, aus natürlichen Resourcen gewonnenes Azulen, das Guajazulen genutzt, um neuartige chirale Cyclopentadienyl-Systeme aufzubauen. Mit Alkalimetallhypersilaniden als starke und sperrige Nukleophile gelingt es hypersilylsubstituierte Gujazulenide zu synthetisieren. Diese wurden mittels Elementaranalyse, NMR-Spektroskopie und Röntgendiffraktometrie charakterisiert. Durch nachfolgende Metathesen mit Übergangsmetallhalogeniden konnten in vielen Fällen die entsprechenden Metallocene erhalten werden. Die Experimente enthüllen eine ausgeprägte Regioselektivität der Addition des sperrigen Hypersilyanions an das Guajazulen, die durch das eingesetzte Lösungsmittel graduell verändert werden kann. In nicht-koordinierenden Lösungsmitteln findet man ausschließlich eine Addition an der 6-Position, die 6-Hypersilyl-2,6-dihydroguajazulenide (6-Hyp-Hgual) (M=Li 1, K 2, Cs 4) in ausgezeichneten Ausbeuten liefert. In polaren Solventien erhält man hingegen Mischungen der 6- und 8-Regioisomeren: 2 bzw. (8-Hyp-Hgual) (3). 2 bleibt aber hierbei das Hauptprodukt. Röntgenbeugungsexperimente zeigen, dass 1 im Kristall als dimerer Sandwich-Komplex, meso-[Li2(6-Hyp-Hgual)2], und die THF-Solvate (thf)4K(6-Hyp-Hgual) (2a) sowie (thf)4K(8-Hyp-Hgual) (3a) jeweils als Halb-Sandwich-Komplexe in einer racemischen Mischung vorliegen. Die Verbindungen 1, 2, 3 and 4 eignen sich sehr gut dazu, in Metathesereaktionen als Precursor für neuartige chirale Metallozen-Komplexe eingesetzt zu werden. Insbesondere das Kaliumderivat 2 besticht durch die einfache und relativ preiswerte Synthese, die erzielten hohen Ausbeuten (>80%) und seine leichte Handhabbarkeit. In THF als Solvent wurden die Metallocene 5:5-M’(6-Hyp-Hgual)2 (M’ = Mn 5, Fe 6, Ni 8) und 5:5-Fe(8-Hyp-Hgual)2 (7) erhalten. Bei Verwendung einiger redox-aktiver Metallhalogenide beobachtet man jedoch die Zersetzung der Metallocene unter Bildung des oxidativen Kopplungsproduktes (3-Hyp-6-Hgual)2 (9) sowie der Ausscheidung von Metall. Die Umsetzung von Halogeniden der Gruppe 4 (TiCl3 and M’’Cl4 (M’’ = Ti, Zr, Hf)) mit 2 liefert in THF ausschließlich die Metallozendichloride M’’(6-Hyp-Hgual)2Cl2 (M’’ = Ti (10), Zr (11), Hf (12)). Die erhaltenen Metallozenderivate fallen als Diastereomeren-Gemische an, die sich durch fraktionierende Kristallisation teilweise oder vollständig in ihre Bestandteile, das jeweilige R,R-Racemat und das R,S-meso-Diastereomer auftrennen lassen. Die Strukturen der rac-Diastereomere konnten durch Beugungsexperimente aufgeklärt werden. Durch eine Metathese von 2 mit Hyp-Cl kann eine zweite Hypersilylgruppe in die 2-Position des Guajazulen-Gerüstes eingeführt werden. Das entstehende 2,6-bis(Hyp)-H2gua (14) kann anschließend mit nBuLi in das extrem luft- und feuchtigkeitsempfindliche Li[2,6-bis(Hyp)-Hgual] (15) überführt werden, dass wie 1 eine dimere Sandwich-Struktur aufweist. Durch Einführung des zweiten Hypersilylrestes werden die chemischen Eigenschaften des Azulenids dramatisch verändert. Während Verbindung 1 sich als guter Precursor für Metallocene erwies, gelang es uns bislang nicht, entsprechende Derivate der Verbindung 15 zu isolieren.

Stereoselective synthesis of heterocycles as intermediates of biologically active compounds

The aim of this thesis was to investigate the synthesis of enantiomerically enriched heterocycles and dehydro-β-amino acid derivatives which can be used as scaffolds or intermediates of biologically active compounds, in particular as novel αvβ3 and α5β1 integrin ligands. The starting materials of all the compounds here synthesized are alkylideneacetoacetates. Alkylidene derivates are very usefull compounds, they are usually used as unsaturated electrophiles and they have the advantage of introducing different kind of functionality that may be further elaborated. In chapter 1, regio- and stereoselective allylic amination of pure carbonates is presented. The reaction proceeds via uncatalyzed or palladium-catalyzed conditions and affords enantiopure dehydro-β-amino esters that are useful precursor of biologically active compounds. Chapter 2 illustrates the synthesis of substituted isoxazolidines and isoxazolines via Michael addition followed by intramolecular hemiketalisation. The investigation on the effect of the Lewis acid catalysis on the regioselectivity of the addition it also reported. Isoxazolidines and isoxazolines are interesting heterocyclic compounds that may be regarded as unusual constrained -amino acids or as furanose mimetics. The synthesis of unusual cyclic amino acids precursors, that may be envisaged as proline analogues, as scaffolds for the design of bioactive peptidomimetics is presented in chapter 3. The synthesis of 2-substituted-3,4-dehydropyrrole derivatives starting from allylic carbonates via a two step allylic amination/ring closing metathesis (RCM) protocol is carried out. The reaction was optimized by testing different Grubbs’ catalysts and carbamate nitrogen protecting groups. Moreover, in view of a future application of these dehydro-β-amino acids as central core of peptidomimetics , the malonate chain was also used to protect nitrogen prior to RCM. Finally, chapter 4 presents the synthesis of two novel different classes of integrin antagonists, one derived from dehydro-β-amino acid prepared as described in chapter 1 and the other one has isoxazolidines synthesized in chapter 2 as rigid constrained core. Since that these compounds are promising RGD mimetics for αvβ3 and α5β1 integrins, they have been submitted to biological assay. and to interpret on a molecular basis their different affinities for the αvβ3 receptor, docking studies were performed using Glide program.

Self-assembly of Tetraurea Calix[4]arenes

We have elaborated a multistep strategy to synthesize ABAB-type tetraureas. There are overall nine steps but they involve very simple chemistry. The sequence starts with a 1,3-dialkylation and this is the step in which a difference between distal phenolic units is introduced. The selective ipso-nitration in the next step is based on the difference in reactivity between free phenolic units and alkylated ones. The direct reaction of tetraamino calixarene with tolylisocyanate appears not to be an appropriate method to synthesize 1,3-ditolylurea calixarenes but can be used to get tetraureas of ABBB- and AABB-types in two steps with yields of about 60%. A complete regioselective dimerization was obtained with mono-loop derivatives in which two adjacent urea residues are covalently connected. As predicted/expected the loop prevents the formation of one regioisomer, and only the dimer in which the open-chain residue slips through the loop is formed. To synthesize mono-loop tetraureas 1,2-diBoc protected tetraamino calixarene was acylated with activated di-urethanes under high dilution conditions. Di-loop compounds were synthesized by two different ways. In the reaction of tetraamine and di-urethanes the yield is about 30-40%. The second method is based on the metathesis reaction within a suitable heterodimer. For this strategy, tetraurea derivatives with residues which have terminal double bonds were prepared. The exclusive formation of the heterodimer with tetratosylurea as template is the key point in this strategy. Metathesis followed by hydrogenation give exceptionally good yields (> 80%) of the loop compounds. All the NMR data for di-loop compounds confirm that the loops prevent the interaction of the urea residues which are connected and thus, as expected, the di-loop derivatives do not form homodimers. The heterodimer between di-loop compounds and tetratolylurea (open-chain tetraureas) was the only species observed for a 1:1 mixture in benzene or chloroform. The rational synthesis of bis-[2]catenanes was a consequence of the selective formation of one regioisomer of mono-loop derivatives and the exclusive formation of heterodimers by di-loop derivatives. The formation of interlocking-ring in the synthesis of bis-[2]catenanes is an additional evidence that one open-chain residue slips through the loop in mono- or di-loop derivatives. Exceptionally good yields in the synthesis of bis-[2]catenanes are due to the high preorganization in the dimer which undergoes the metathesis. This preorganization decreases the number of the wrong connections and favors the new connections to be formed. Although the procedure for working up the reaction mixture should be still improved, these results are promising. A C2-symmetrical bis-[2]catenane was successfully resolved by column chromatography using a chiral stationary phase. Thus it should be possible to separate a larger amount to obtain pure enantiomers for further studies.

Synthesis and application of new ion-tagged ligands and organocatalysts

We report the synthesis and application of some ion-tagged catalysts in organometallic catalysis and organocatalysis. With the installation of an ionic group on the backbone of a known catalyst, two main effects are generally obtained. i) a modification of the solubility of the catalyst: if judicious choice of the ion pair is made, the ion-tag can confer to the catalyst a solubility profile suitable for catalyst recycling. ii) the ionic group can play a non-innocent role in the process considered: if stabilizing interaction between the ionic group and the developing charges in the transition state are established, the reaction can speed up. We describe the use of ion-tagged diphenylprolinol as Zn ligand. The chiral ligand grafted onto an ionic liquid (IL) was recycled 10 times with no loss of reactivity and selectivity, when it was employed in the first example of enantioselective addition of ZnEt2 to aldehydes in ILs. An ammonium-tagged phosphine displayed the capability to stabilize Pd catalysts for the Suzuki reaction in ILs. The ionic phase was recycled 6 times with no detectable loss of activity and very low Pd leaching in the organic phase. This catalytic system was also employed for the functionalization of the challenging substrate 5,11-dibromotetracene. In the field of organocatalysis, we prepared two ion-tagged derivatives of the McMillan imidazolidinone. The results of the asymmetric Diels-Alder reaction between trans-cinnamaldehyde and cyclopentadiene exhibited great dependence on the position and nature of the ionic group. Finally, when O-TMS-diphenylprolinol was tagged with an imidazolium ion, exploiting a silyl ether linker, an efficient catalyst for the asymmetric addition of aldehydes to nitroolefins was achieved. The catalyst displayed enhanced reactivity and the same high level of selectivity of the untagged parent catalyst and it could be employed in a wide range of reaction conditions, included use of water as solvent.

Kohlenhydrat-Auxiliare in der asymmetrischen Synthese chiraler Stickstoffheterocyclen und Alkaloide

In dieser Arbeit wurden durch Verwendung eines stereodifferenzierenden Kohlenhydrat-Auxiliars chirale Stickstoffheterocyclen und enantiomerenreine Piperidin-Alkaloide synthetisiert. Alkaloide mit einer Piperidin-Grundstruktur sind in der Natur weit verbreitet und weisen vielfältige biologische Aktivitäten auf. Zusammen mit synthetischen Derivaten sind sie daher von großem Interesse für die Wirkstoffforschung. Mit dem aus D-Arabinose zugänglichen 2,3,4-Tri-O-pivaloyl-D-arabinosylamin wurden mit hoher Stereoselektivität N-Glycosyl-dehydropiperidinone aufgebaut, die vielfältig modifizierbare Ausgangsverbindungen zur Synthese unterschiedlich substituierter Stickstoffheterocyclen darstellen. In einer Vielzahl vor allem metallorganischer Reaktionen waren regio- und stereoselektive Derivatisierungen an allen Positionen der N-glycosidisch gebundenen Dehydropiperidinone möglich. Durchgeführt wurden z. B. die Addition aktivierter Cuprate, elektrophile Substitutionen, Reduktionen, Iod-Magnesium-Austausch sowie palladium- und kupferkatalysierte Kupplungen. Die Kombination dieser Methoden führte zu mehrfach substituierten Piperidinen. In einer Ringschlussmetathese wurde zudem ein Zugang zu bicyclischen Heterocyclen geschaffen. Das Kohlenhydrat-Auxiliar steuert den stereochemischen Verlauf der Bildung der Dehydropiperidinone und der daran durchgeführten Funktionalisierungen. Die Konfigurationen der neu gebildeten Stereozentren wurden mittels Röntgenstrukturanalysen und NMR-Spektroskopie sowie durch die Überführung der Piperidin-Derivate in Alkaloide mit bekanntem Drehwert ermittelt. Die Stickstoffheterocyclen können nach Entfernen der Enamin-Doppelbindung durch milde Acidolyse vom Kohlenhydrat-Auxiliar abgespalten werden, wodurch man die enantiomerenreinen Alkaloide erhält.

Funktionalisierte Polyphenylen-Dendrimere als nanoskopische Bausteine in der Sensorik

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese funktionalisierter Polyphenylen-Dendrimere für den Einsatz als Nanobausteine in übermolekularen 3-D Aggregaten für potentielle sensorische Anwendungen. Im ersten Teil werden zwei Konzepte zur Synthese von funktionalisierten Cyclopentadienonbausteinen vorgestellt: einer führt zu Bausteinen die zur Synthese von peripher-funktionalisierten Polyphenylen-Dendrimere geeignet sind, und ein zweiter Ansatz zielt auf Cyclopentadienonbausteine, die es erlauben Polyphenylen-Dendrimere im Inneren zu funktionalisieren. Für das erste Ziel erwies sich die Suzuki-Kreuzkupplung von Arylboronsäuren und Arylboronsäurenester mit Arylhalogeniden als ein optimales synthetisches Werkzeug. Demgegenüber wurden für das zweite Ziel -methylesterfunktionalisierten Cyclopentadienonbausteine anhand der Knoevenagel-Kondensation von bereits funktionstragenden-Partnern synthetisiert. Im zweiten Teil der Arbeit werden die Synthesen von funktionalisierten Polyphenylen-Dendrimeren vorgestellt. Hierbei kamen zwei verschiedene synthetische Ansätze zum Einsatz: Einerseits wurden durch die Diels-Alder-Addition der funktionalisierten Cyclopentadienonbausteine an ethinylfunktionalisierten Polyphenylen-Grundkörper unterschiedlicher Generation die verfolgten funktionalisierten Zielverbindungen erhalten. Andererseits wurde in bestimmten Fällen die polymeranaloge Konversion von „Übergangsfunktionen“ in einem a posteriori-Funktionalisierungsschritt angewendet. Dementsprechend wurde die Einführung von funktionellen Gruppen möglich die entweder die alkalischen Bedingungen der Knoevenagel – Kondensation oder die hohen Temperaturen der Diels-Alder-Cycloaddition nicht überstehen. Die synthetischen Werkzeuge, die bei der a posteriori-Funktionalisierung zum Einsatz kamen, mussten die vollständige und nebenreaktionsfreie Konversion der Übergangsfunktionen ermöglichen. Als Reaktionen, die dieser Bedingungen genügen, wurden die Williamson –Ethersynthese und die Esterknüpfung nach der DCC-Methode in Verbindung mit hydroxyfunktionalisierten Polyphenylen-Grundkörper und die basische Esterspaltung an methyleseterfunktionalisierten Dendrimeren angewandt. Die aufgezählten Reaktionen führten zu Endprodukten, die ihre Monodispersität beibehielten und eine definierte Anzahl an Funktionalität aufwiesen. Anhand eingehenden Untersuchungen (der Aufbau von Sensorschichten für flüchtige organische Lösungsmittel, die Untersuchungen an elektrostatisch-wechselwirkenden übermolekularen Aggregaten sowie die Einlagerung von Gastmolekülen) wird es ersichtlich dass die synthetisierten Polyphenylen-Dendrimere vielseitig als Nanobausteine zur Erzeugung von funktionalen Materialien von potenzieller Bedeutung sind.

Core-shell macromolecules with dendritic polyphenylene core and polymer shells

Core-shell macromolecules with dendritic polyphenylene core and polymer shell Zusammenfassung / Abstract Core-shell macromolecular structures have become of great interest in materials science because they gave an opportunity to combine a large variety of chemical and physical properties in the single molecule, by combination of different (in terms of chemistry and physics) cores and shells. The interest in such complex structures was provoked by their potential applications in the coating and painting industry (latexes), as supports for catalysts in polymer industry, or as nano-containers and transporters for genes or drug delivery. The aim of this study was the synthesis, characterization and further application of core-shell macromolecules possessing a hydrophobic stiff core (polyphenylene dendrimers) surrounded with a hydrophilic, soft, covalently bonded polymer shell (poly(ethylene oxide) and its copolymers). The requirements for such complex substances were that they should be well-defined in terms of molecular weight (narrow molecular weight distribution) and in molecular structure. The preparation of core-shell molecules containing dendrimer as a core was possible via two synthetic routs: “grafting-onto” and “grafting-from”. The resulting core-shell macromolecules possessed narrow polydispersity as guaranteed by the excellent structural and functional definition of the dendrimer and the narrow polydispersity of the PEO, PS-b-PEO and PI-b-PEO attached to the dendrimer surface. Additional investigation of the size of the particles indicated a relation between both the length and the number of the polymer chains and the hydrodynamic radius determined by Dynamic Light Scattering and Fluorescent Correlation Spectroscopy. Core-shell nano-particles were applied as metallocene supports in heterogeneous olefin polymerizations. Our results indicate that such catalyst systems, that have a size of at least one order of magnitude smaller than the used by now organic supports, could be very useful as model compounds for investigations on catalyst fragmentation and its influence on the product parameters.

Multiscale fabrication of functional materials for life sciences

Regenerative medicine claims for a better understanding of the cause-effect relation between cell behaviour and environment signals. The latter encompasses topographical, chemical and mechanical stimuli, electromagnetic fields, gradients of chemo-attractants and haptotaxis. In this perspective, a spatial control of the structures composing the environment is required. In this thesis I describe a novel approach for the multiscale patterning of biocompatible functional materials in order to provide systems able to accurately control cell adhesion and proliferation. The behaviour of different neural cell lines in response to several stimuli, specifically chemical, topographical and electrical gradients is presented. For each of the three kind of signals, I chose properly tailored materials and fabrication and characterization techniques. After a brief introduction on the state of art of nanotechnology, nanofabrication techniques and regenerative medicine in Chapter 1 and a detailed description of the main fabrication and characterization techniques employed in this work in Chapter 2, in Chapter 3 an easy route to obtain accurate control over cell proliferation close to 100% is described (chemical control). In Chapter 4 (topographical control) it is shown how the multiscale patterning of a well-established biocompatible material as titanium dioxide provides a versatile and robust method to study the effect of local topography on cell adhesion and growth. The third signal, viz. electric field, is investigated in Chapter 5 (electrical control), where the very early stages of neural cell adhesion are studied in the presence of modest steady electric fields. In Chapter 6 (appendix) a new patterning technique, called Lithographically Controlled Etching (LCE), is proposed. It is shown how LCE can provide at the same time the micro/nanostructuring and functionalization of a surface with nanosized objects, thus being suitable for applications both in regenerative medicine in biosensing.

Reaktive Polymere zur funktionellen Oberflächenbeschichtung

Ziel dieser Arbeit war die gezielte Modifizierung von Oberflächen mittels multifunktioneller Polymere, die ausgehend von Aktivesterpolymeren durch polymeranaloge Reaktionen unter milden Bedingungen hergestellt werden konnten. Dazu wurden die neuartigen Akivestermonomere Pentafluorphenylacrylat PFA und Pentafluorphenylmethacrylat PFMA hergestellt und polymerisiert. PFMA konnte unter RAFT-Bedingungen mittels Cumyldithiobenzoat bzw. 4-Cyano-4-((thiobenzoyl)sulfanyl)pentansäure kontrolliert polymerisiert werden. Durch den RAFT-Prozess wurden weiterhin reaktive Blockcopolymere aus PFMA und Methylmethacrylat, N Acryloylmorpholin bzw. N,N Diethylacrylamid synthetisiert. Zur Herstellung alpha, omega-endfunktionalisierter Polymere wurde PFA mit Dithiobenzoesäure-(4-dodecylbenzyl)ester polymerisiert und durch anschließende polymeranaloge Reaktionen zu thermoschaltbaren Polymeren mit unterschiedlichem LCST-Verhalten umgesetzt, die den Aufbau polymerunterstützter Lipiddoppelschichten ermöglichen. Ausgehend von poly(PFA) wurden oberflächenaktiven multifunktionellen Polymeren hergestellt und zur Oberflächenmodifizierung von anorganischen TiO2 Nanopartikeln, TiO2-Nanodrähten und MoS2-Nanopartikeln eingesetzt. Es konnten so lösliche fluoreszierende TiO2-Nanopartikel sowohl durch in situ- als auch post-Funktionalisierung hergestellt werden. Zudem konnte durch Verwendung eines multifunktionellen Polymers mit NTA-Einheiten das Enzym Silicatein auf TiO2-Nanodrähten immobilisert werden, das durch Biokristallisation Aggregate aus TiO2-Nanodrähten und Goldnanopartikeln erzeugte.

Discotic materials for organic electronics

Die Kontrolle der ausgeprägten Aggregationsfähigkeit von alkylsubstituierten Hexa-peri-hexabenzocoronenen (HBC) wurde durch die Reduktion der intermolekularen Wechselwirkungen erreicht. Sterisch anspruchsvolle, verzweigte Alkylketten, mit einem Verzweigungspunkt naher des aromatischen Kerns, wurden in die Corona der aromatischen Scheiben eingebracht und verleihen den Derivaten Schmelzbarkeit ohne thermische Zersetzung. Dies erlaubte eine kostengünstige Verarbeitungstechniken direkt aus der Schmelze wie z.B. Zonenschmelzen, um uniaxial organisierte makroskopische Filme zu erhalten. Abhängig von dem sterischen Anspruch, der durch die Seitenkette erzeugt wird, wurden unterschiedliche molekulare Orientierungen auf Oberflächen erhalten, was eine wichtige Voraussetzung ist, um diskotische Materialien in elektronische Bauteile zu implementieren. Eine weitere Voraussetzung sind hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten und Ladungsträgerlebenszeiten in den Halbleitermaterialien, die mit time-resolved pulse-radiolysis microwave conductivity (TR-PRMC) und time-of-flight (TOF) auch für die synthetisieren Materialien bestimmt wurden. Die neuen Materialien zeigten bereits in organischen Solarzellen gute Leistungen. Den Einfluss des Perimeters auf die elektronischen Eigenschaften der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAKs) wurde theoretisch vorhergesagt und in dieser Arbeit durch die Synthese einer homologe Serie von PAKs experimentell bestätigt. Geht man von der „arm-chair“ Peripherie des HBC sukzessive zu einer partiellen „zickzack“ Peripherie, so findet man eine Abhängigkeit der elektronischen Banden von Symmetrie und Größe des aromatischen Systems. Die spontan ausgebildete Überstruktur dieser Derivate zeigte eine Abhängigkeit von Substitutionsmuster und der Natur der Alkylketten. Zusammenfassend wurden neben der Synthese von neuartigen Materialien für den Einsatz in der organischen Elektronik Synthesen entwickelt, die eine vereinfachte Funktionalisierung von ausgedehnten PAKs ermöglicht. Diese Konzepte erlauben eine Justierung der molekularen und supramolekularen Eigenschaften, eines der wichtigsten Voraussetzungen für den Einsatz von Materialien in elektronischen Bauelementen.