An electrochemical gas sensor based on paper supported room temperature ionic liquids

A sensitive and fast-responding membrane-free amperometric gas sensor is described, consisting of a small filter paper foil soaked with a room temperature ionic liquid (RTIL), upon which three electrodes are screen printed with carbon ink, using a suitable mask. It takes advantage of the high electrical conductivity and negligible vapour pressure of RTILs as well as their easy immobilization into a porous and inexpensive supporting material such as paper. Moreover, thanks to a careful control of the preparation procedure, a very close contact between the RTIL and electrode material can be achieved so as to allow gaseous analytes to undergo charge transfer just as soon as they reach the three-phase sites where the electrode material, paper supported RTIL and gas phase meet. Thus, the adverse effect on recorded currents of slow steps such as analyte diffusion and dissolution in a solvent is avoided. To evaluate the performance of this device, it was used as a wall-jet amperometric detector for flow injection analysis of 1-butanethiol vapours, adopted as the model gaseous analyte, present in headspace samples in equilibrium with aqueous solutions at controlled concentrations. With this purpose, the RTIL soaked paper electrochemical detector (RTIL-PED) was assembled by using 1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl) imide as the wicking RTIL and printing the working electrode with carbon ink doped with cobalt(II) phthalocyanine, to profit from its ability to electrocatalyze thiol oxidation. The results obtained were quite satisfactory (detection limit: 0.5 mu M; dynamic range: 2-200 mu M, both referring to solution concentrations; correlation coefficient: 0.998; repeatability: +/- 7% RSD; long-term stability: 9%), thus suggesting the possible use of this device for manifold applications.

Nicht-wässrige Emulsionspolymerisationen

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Darstellung von Latexpartikeln in nicht-wässrigen Emulsionssystemen. Hintergrund der Untersuchungen war die Frage, ob es durch die Anwendung von nicht-wässrigen Emulsionen ermöglicht werden kann, sowohl wassersensitive Monomere als auch feuchtigkeitsempfindliche Polymerisationen zur Darstellung von Polymer-Latexpartikeln und deren Primärdispersionen einzusetzen. Das Basiskonzept der Arbeit bestand darin, nicht-wässrige Emulsionen auf der Basis zweier nicht mischbarer organischer Lösungsmittel unterschiedlicher Polarität auszubilden und anschließend die dispergierte Phase der Emulsion zur Synthese der Latexpartikel auszunutzen. Hierzu wurden verschiedene nicht-wässrige Emulsionssysteme erarbeitet, welche als dispergierte Phase ein polares und als kontinuierliche Phase ein unpolares Lösungsmittel enthielten. Auf Basis dieser Ergebnisse wurde in den nachfolgenden Untersuchungen zunächst die Anwendbarkeit solcher Emulsionen zur Darstellung verschiedener Acrylat- und Methacrylatpolymerdispersionen mittels radikalischer Polymerisation studiert. Um zu zeigen, dass die hier entwickelten nicht-wässrigen Emulsionen auch zur Durchführung von Stufenwachstumsreaktionen geeignet sind, wurden ebenfalls Polyester-, Polyamid- und Polyurethan-Latexpartikel dargestellt. Die Molekulargewichte der erhaltenen Polymere lagen bei bis zu 40 000 g/mol, im Vergleich zu wässrigen Emulsions- und Miniemulsions¬polymerisationssystemen sind diese um den Faktor fünf bis 30 höher. Es kann davon ausgegangen werden, dass hauptsächlich zwei Faktoren für die hohen Molekulargewichte verantwortlich sind: Zum einen die wasserfreien Bedingungen, welche die Hydrolyse der reaktiven Gruppen verhindern, und zum anderen die teilweise erfüllten Schotten-Baumann-Bedingungen, welche an der Grenzfläche zwischen dispergierter und kontinuierlicher Phase eine durch Diffusion kontrollierte ausgeglichene Stöchiometrie der Reaktionspartner gewährleisten. Somit ist es erstmals möglich, hochmolekulare Polyester, -amide und -urethane in nur einem Syntheseschritt als Primär¬dispersion darzustellen. Die Variabilität der nicht-wässrigen Emulsionen wurde zudem in weiteren Beispielen durch die Synthese von verschiedenen elektrisch leitfähigen Latices, wie z.B. Polyacetylen-Latexpartikeln, aufgezeigt. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die entwickelten nicht-wässrigen Emulsionen eine äußerst breite Anwendbarkeit zur Darstellung von Polymer-Latexpartikeln aufweisen. Durch die wasserfreien Bedingungen erlauben die beschriebenen Emulsionsprozesse, Latexpartikel und entsprechende nicht-wässrige Dispersionen nicht nur traditionell radikalisch, sondern auch mittels weiterer Polymerisationsmechanismen (katalytisch, oxidativ oder mittels Polykondensation bzw. -addition) darzustellen.

Magnetische Wechselwirkung Spin-Austauschgekoppelter Systeme mit Nitroxid und Nitronyl-Nitroxid Radikalen

Bei der Untersuchung molekularer magnetischer Materialien spielen Metall-Radikal Verbindungen eine bedeutende Rolle. Ein Forschungsschwerpunkt stützt sich auf die Familie der Nitronyl-Nitroxid (NIT) Radikale, die sich durch eine hohe chemische Stabilität auszeichnen. Im sogenannten „Metall-Radikal Ansatz“ wurden die starken Austauschwechselwirkungen zwischen stabilen Radikalen und Übergangsmetallionen in mehrdimensionalen Netzwerken ausgiebig untersucht. Um diese Netzwerke mit NIT Radikalen aufzubauen, müssen zusätzliche funktionelle Gruppen, mit einem Abstand zur spintragenden Einheit, in das Molekül eingebaut werden. Dies kann zu einer zusätzlichen schwachen Spinaustauschwechselwirkung führen. Um diese Wechselwirkung zwischen Metalldimeren mit einem einzelnen Benzoat annalogen NIT-Radikal zu untersuchen, wurden dimere Mangan(II), Kobalt(II) und Zink(II) Komplexe mit dem Chelatliganden N,N,N',N'-Tetrakis(2-benzimid-azolylalkyl)-2-hydroxy-1,3-diamino-propan synthetisiert und zusätzlich über eine periphere Carboxylat Gruppe eines NIT Radikals verbrückt.rnDie Messungen der magnetischen Suszeptibilität weisen auf eine dominante antiferromagnetische Wechselwirkung in der Metall-Radikal Verbindung hin, bei der es sich um die Spin-Austauschwechselwirkung innerhalb des Metalldimers handelt. Durch den Vergleich mit analogen Nitrobenzoat- verbrückten Mangan(II) und Kobalt(II) Verbindungen konnte gezeigt werden, dass keine Metall-Radikal Wechselwirkung beobachtet wird, obwohl eine Wechselwirkung der pi*-orbitale mit den delokalisierten pi-System des Phenylrings durch Spin-Polarisation grundsätzlich möglich ist. Auch ESR - Messungen bestätigen dies, da der Spingrundzustand das anisotrope Signal des freien NIT Radikals aufweist. Das Radikal verhält sich somit wie ein isoliertes S=1/2 Spin-Zentrum, was zusätzlich durch DFT-Rechnungen bekräftigt werden konnte. Zusammenfassend führt also die Koordination eines NIT-Benzoats an ein antiferromagnetisch gekoppeltes Metalldimer nur zur Anhebung des Spingrundzustandes und hat keinen signifikanten Effekt auf die Austauschwechselwirkung. Um trotzdem eine Metall-Radikal Wechselwirkung beobachten zu können, ist es notwendig Koordinationsverbindungen zu synthetisieren in denen hohe Spingrundzustände besetzt werden. Dies trifft auf das analoge Kupferdimer zu, wofür eine ferromagnetische Wechselwirkung zu beobachten ist.rnNach den Regeln der Spin-Polarisation müsste die Verkürzung des Austauschpfades um eine Bindung zu einer Umkehrung des Vorzeichens der magnetischen Wechselwirkung führen. Diese Verkürzung kann man durch die Verwendung des alternativen stabilen NOA-Radikals (tert-Butyl Nitroxid) erreichen. Sowohl das NIT als auch das NOA-Radikal werden an ein Kupfer(II)-dimer koordiniert, das durch die Verwendung des oben erwähnten N6O-Liganden gebildet wurde. In der Modellverbindung, ohne einen paramagnetischen Substituenten am Benzoat, zeigen die Kupferionen eine ferromagnetische Wechselwirkung mit einem Triplett Grundzustand, dessen Existenz durch die Messung der magnetischen Suszeptibilität und ESR-Spektroskopie belegt werden kann. Aufgrund der nahezu identischen Koordinationsumgebung bleibt bei allen synthetisierten Verbindungen die Kupfer-Kupfer Wechselwirkung dabei gleich. Die Daten von ESR und magnetischen Messungen zeigen weiterhin auf eine signifikante zusätzliche Metall-Radikal Wechselwirkung hin. Bei der NIT-Verbindung ist diese Austauschwechselwirkung schwach antiferromagnetisch, während die NOA-Verbindung eine schwache ferromagnetische Kopplung aufzeigt. Diese Resultate können durch DFT Rechnungen bekräftigt werden. Der Vorzeichenwechsel des Kopplungsparameters kann durch die Verkürzung des Austauschpfades vom NIT zum NOA-Benzoat um eine Bindung erklärt werden. Durch die Wahl von geeigneten Radikal- Liganden und Metallionen, zeigt sich die Möglichkeit, Systeme zu erzeugen, in denen die Radikal-Metall Wechselwirkung auch über größere Distanzen den Spin-Grundzustand des gesamten Systems signifikant beeinflussen kann. die Anwendung dieses Konzeptes auf Metall-Radikal Cluster System sollte Von großem Interesse sein.rn

Modellkomplexe oligonuklearer Metalloproteine auf Basis von Salen-Liganden und Spin-Crossover-Verbindungen als Chemosensoren

Der erste Teil der hier vorgestellten Arbeit verfolgt die Synthese potentieller Modellverbindungen oligonuklearer Metalloproteine auf Basis von Salen-Liganden. Dazu wurden zwei Ligandensysteme mit unterschiedlich raumerfüllenden Alkyl-Substituenten modifiziert und auf ihre koordinativen Eigenschaften hin untersucht. Für das Ligandensystem auf Basis des Bis-(salicylidenamino)-propan-2-ols konnten fünf Derivate (H3L1, H3L2A,H3L2B, H3L3, H3L4), für das zweite verwendete Ligandensystem auf Basis des 1H-3,5-Bis-(salicylidenaminomethyl)-pyrazols konnten zwei weitere Derivate (H3L5A, H3L5B) dargestellt und zu Koordinationsverbindungen umgesetzt werden.rnFür den hier verwendeten Bis-(salicylidenamino)-propan-2-ol Liganden H3L1, welcher die geringsten sterischen Anforderungen stellt, konnten mono-, tri- und tetranukleare Koordinationsverbindungen synthetisiert werden. Dabei gelingt es dem Liganden, sich sowohl in planarer als auch in unterschiedlich stark gewinkelter Konformation um ein oder mehrere Metallzentren anzuordnen, wobei der Ligand ein N2O2- seines N2O3-Donorsets zur Koordination nutzt. Die Verbindung {[Ni7(HL1)2(L1)2(OBz)4(OMe)(H2O)]}n zeigt, dass eine Verkettung der so gestalteten dreikernigen Einheiten über das freie Propanol-Sauerstoffatomdes Ligandenrückgrats möglich ist. Mit zunehmendem sterischen Anspruch der angefügten Alkylsubstituenten nimmt die geometrische Flexibilität und somit das Potential des Liganden zur Ausbildung höhernuklearer Strukturen ab. So ist für Liganden mit mittlerem sterischen Anspruch neben mononuklearen Komplexen noch die Gestaltung dinuklearer Systeme möglich. Erhöht man den sterischen Anspruch des Liganden weiter, findet nur noch eine Reaktion zu mononuklearen Verbindungen statt.rnMit den Pyrazol-basierten Ligandensystemen H3L5A und H3L5B konnten dinukleare Kupfer- und Nickelverbindungen synthetisiert werden.rnDer zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Gestaltung von Spin-Crossover Systemen (SCO). Dazu soll ein Spinübergang innerhalb des gestalteten schaltbaren Systems an die Anwesenheit eines Signalstoffs gekoppelt werden, so dass diese SCO-Verbindung als Sensor für den Signalstoff eingesetzt werden kann. Dazu wurden zwei unterschiedliche Ansätze entwickelt und untersucht.rnDie erste Methode beruht auf der Kombination eines zum Spin-Crossover befähigten Metallzentrums, eines Capping-Liganden, eines zur Signalstofferkennung funktionalisierten Co-Liganden sowie eines entsprechenden Signalstoffs. Als Capping-Liganden wurden tetra- und pentadentateLigandensysteme eingesetzt und mit unterschiedlich Picolyl-substituierten Monoaza-[12]-krone-4-Derivaten umgesetzt, wobei die Monoazakrone zur Komplexierung des Signalstoffs,hier in Form eines Alkalimetallions, zur Verfügung steht. Nach dieser ersten Methode konnten im Zeitraum dieser Arbeit noch keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt werden.rnEine vielversprechende zweite Möglichkeit beruht auf der Verwendung eines mehrzähnigen, etablierten Spin-Crossover Liganden,welcher in seiner Peripherie mit einer Bindungstasche zur Aufnahme des Signalstoffmodifiziert wird.Mit Hilfe des so gestalteten Liganden 4'-(4'''-Benzo-[15]-krone-5)-methyloxy-2,2':6',2''-terpyridin ([b15c5]-tpy) gelang die Umsetzung zu entsprechenden Eisen(II)- und Kobalt(II)komplexen der Zusammensetzung [M([b15c5]-tpy)2]2+. Alle synthetisierten Eisen(II)-Komplexe liegen aufgrund der hohen Ligandenfeldstärke des Terpyridins über einen Temperaturbereich von 300 – 400 K in ihrer diamagnetischen Low Spin Form vor. Die entsprechenden Kobalt(II)-Komplexe zeigen über einen Temperaturbereich von 2 – 350 K ein kontinuierliches, aber unvollständiges Spin-Crossover Verhalten.rnDer Einfluss von Signalstoffen auf das Spin-Crossover Verhalten der Kobalt(II)-Systeme wurde in einem ersten Versuch unter der Verwendung von Natriumionen als Signalstoff untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass Natriumionen für dieses System zwar nicht als Auslöser eines SCO verwendet werden können, sie aber dennoch eine starke Auswirkung auf den Verlauf des Spin-Crossovers haben.

COORDINATION CHEMISTRY OF BIS(BENZYL)PHOSPHINATE

The work presented in this dissertation deals with the coordination chemistry of the bis(benzyl)phosphinate ligand with vanadium, tungsten and cobalt. The long term goal of this project was to produce and physically characterize high oxidation state transition metal oxide phosphinate compounds with potential catalytic applications. The reaction of bis(benzyl)phosphinic acid with VO(acac)2 in the presence of water or pyridine leads to the synthesis of trimeric vanadium(IV) clusters (V3(µ3-O)O2)(µ2-O2P(CH2C6H5)2)6(H2O) and (V3(µ3-O)O2)(µ2-O2P(CH2C6H5)2)6(py). In contrast, when diphenylphosphinic acid or 2-hydroxyisophosphindoline-2-oxide were reacted with VO(acac)2, insoluble polymeric compounds were produced. The trimeric clusters were characterized using FTIR, elemental analysis, single crystal diffraction, room temperature magnetic susceptibility, thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry. The variable-temperature, solid-state magnetic susceptibility was measured on (V3(µ3-O)O2)(µ2-O2P(CH2C6H5)2)6(py). The polymeric compounds were characterized using FTIR, powder diffraction and elemental analysis. Two different cubane clusters made of tungsten(V) and vanadium(V) were stabilized using bis(benzyl)phosphinate. The oxidation of (V3(µ3-O)O2)(µ2-O2P(CH2C6H5)2)6(H2O) with tBuOOH led to the formation of V4(µ3-O)4(µ2-O2P(Bn)2)4(O4). W4(µ3-O)4(µ2-O2P(Bn)2)4(O4) was produced by heating W(CO)6 in a 1:1 mixture of EtOH/THF at 120 ˚C. Both compounds were characterized using single crystal diffraction, FTIR, 31P-NMR, 1H-NMR and elemental analysis. W4(µ3-O)4(µ2-O2P(Bn)2)4(O4) was also characterized using UV-vis. Cobalt(II) reacted with bis(benzyl)phosphinate to produce three different dinuclear complexes. [(py)3Co(µ2-O2P(Bn)2)3Co(py)][ClO4], (py)3Co(µ2-O2P(Bn)2)3Co(Cl) and (py)(µ2-NO3)Co(µ2-O2P(Bn)2)3Co(py) were all characterized using single crystal diffraction, elemental analysis and FTIR. Room temperature magnetic susceptibility measurements were performed on [(py)3Co(µ2-O2P(Bn)2)3Co(py)][ClO4] and (py)3Co(µ2-O2P(Bn)2)3Co(Cl). The variable-temperature, solid-state magnetic susceptibility was also measured on [(py)3Co(µ2-O2P(Bn)2)3Co(py)][ClO4].

Chemical composition of mineral phases of serpentinized and steatized peridotite from the Mid Atlantic Ridge (15°20'N Fracture Zone, ODP Leg209)

Serpentinization of abyssal peridotites is known to produce extremely reducing conditions as a result of dihydrogen (H2,aq) release upon oxidation of ferrous iron in primary phases to ferric iron in secondary minerals by H2O.We have compiled and evaluated thermodynamic data for Fe-Ni-Co-O-S phases and computed phase relations in fO2,g-fS2,g and aH2,aq-aH2S,aq diagrams for temperatures between 150 and 400°C at 50MPa.We use the relations and compositions of Fe-Ni-Co-O-S phases to trace changes in oxygen and sulfur fugacities during progressive serpentinization and steatitization of peridotites from the Mid-Atlantic Ridge in the 15°20'N Fracture Zone area (Ocean Drilling Program Leg 209). Petrographic observations suggest a systematic change from awaruite- magnetite-pentlandite and heazlewoodite-magnetite-pentlandite assemblages forming in the early stages of serpentinization to millerite-pyrite-polydymite-dominated assemblages in steatized rocks. Awaruite is observed in all brucite-bearing partly serpentinized rocks. Apparently, buffering of silica activities to low values by the presence of brucite facilitates the formation of large amounts of hydrogen, which leads to the formation of awaruite. Associated with the prominent desulfurization of pentlandite, sulfide is removed from the rock during the initial stage of serpentinization. In contrast, steatitization indicates increased silica activities and that highsulfur-fugacity sulfides, such as polydymite and pyrite-vaesite solid solution, form as the reducing capacity of the peridotite is exhausted and H2 activities drop. Under these conditions, sulfides will not desulfurize but precipitate and the sulfur content of the rock increases. The co-evolution of fO2,g-fS2,g in the system follows an isopotential of H2S,aq, indicating that H2S in vent fluids is buffered. In contrast, H2 in vent fluids is not buffered by Fe-Ni-Co-O-S phases, which merely monitor the evolution of H2 activities in the fluids in the course of progressive rock alteration.The co-occurrence of pentlandite- awaruite-magnetite indicates H2,aq activities in the interacting fluids near the stability limit of water. The presence of a hydrogen gas phase would add to the catalyzing capacity of awaruite and would facilitate the abiotic formation of organic compounds.

Geochemistry of abyssal peridotites from ODP Hole 209-1274A

Aqueous dihydrogen (H2,aq) is produced in copious amounts when seawater interacts with peridotite and H2O oxidizes ferrous iron in olivine to ferric iron in secondary magnetite and serpentine. Poorly understood in this process is the partitioning of iron and its oxidation state in serpentine, although both impose an important control on dihydrogen production. We present results of detailed petrographic, mineral chemical, magnetic and Mößbauer analyses of partially to fully serpentinized peridotites from the Ocean Drilling Program (ODP) Leg 209, Mid-Atlantic Ridge (MAR) 15°N area. These results are used to constrain the fate of iron during serpentinization and are compared with phase equilibria considerations and peridotite-seawater reaction path models. In samples from Hole 1274A, mesh-rims reveal a distinct in-to-out zoning from brucite at the interface with primary olivine, followed by a zone of serpentine + brucite ± magnetite and finally serpentine + magnetite in the outermost mesh-rim. The compositions of coexisting serpentine (Mg# 95) and brucite (Mg# 80) vary little throughout the core. About 30-50% of the iron in serpentine/brucite mesh-rims is trivalent, irrespective of subbasement depth and protolith (harzburgite versus dunite). Model calculations suggest that both partitioning and oxidation state of iron are very sensitive to temperature and water-to-rock ratio during serpentinization. At temperatures above 330 °C the dissolution of olivine and coeval formation of serpentine, magnetite and dihydrogen depends on the availability of an external silica source. At these temperatures the extent of olivine serpentinization is insufficient to produce much hydrogen, hence conditions are not reducing enough to form awaruite. At T < 330 °C, hydrogen generation is facilitated by the formation of brucite, as dissolution of olivine to form serpentine, magnetite and brucite requires no addition of silica. The model calculations suggest that the iron distribution observed in serpentine and brucite is consistent with formation temperatures ranging from <150 to 250 °C and bulk water-to-rock ratios between 0.1 and 5. These conditions coincide with peak hydrogen fugacities during serpentinization and are conducive to awaruite formation during main stage serpentinization. The development of the common brucite rims around olivine is either due to an arrested reaction olivine -> brucite -> serpentine + brucite, or reflects metastable olivine-brucite equilibria developing in the strong gradient in silica activity between orthopyroxene (talc-serpentine) and olivine (serpentine-brucite).

Petrology of mafic and ultramafic intrusions from the Portneuf-Mauricie Domain, Grenville Province, Canada

The Portneuf-Mauricie Domain (PMD), located in the south-central part of the Grenville Province, comprises several mafic and ultramafic intrusions hosting Ni-Cu ± platinum-group element (PGE) prospects and a former small mining operation (Lac Édouard mine). These meter- to kilometer-scale, sulfide-bearing intrusions display diverse forms, such as layered and tabular bodies with no particular internal structure, and zoned plutons. They were injected ~ 1.40 Ga into a mature oceanic arc, before and during accretion of the arc to the Laurentian margin. The pressure-temperature conditions of the magmas at the beginning of their emplacement were 3 kbar and 1319-1200 °C (according to the petrologic modeling results from this study). The PMD mineralized intrusions are interpreted to represent former magma chambers or magma conduits in the roots of the oceanic arc. The parent magmas of the mineralized intrusions resulted mainly from the partial melting of a mantle source composed of spinel-bearing lherzolite. Petrologic modeling and the occurrence of primary amphibole in the plutonic rocks indicate that these parent melts were basaltic and hydrous. In addition, fractional crystallization modeling and Mg/Fe ratios suggest that most of the intrusions may have formed from evolved magmas, with Mg# = 60, resulting from the fractionation of more primitive magmas (primary magmas, with Mg# = 68). Petrologic modeling demonstrates that 30% fractional crystallization resulted in the primitive to evolved characteristics of the studied intrusive rocks (as indicated by the crystallization sequences and mineral chemistry). Exceptions are the Réservoir Blanc, Boivin, and Rochette West parent magmas, which may have undergone more extensive fractional crystallization, since these intrusions contain pyroxenes that are more iron rich and have lower Mg numbers than pyroxenes in the other PMD intrusions. The PMD mafic and ultramafic intrusions were intruded into an island arc located offshore from the Laurentian continent. Thus, their presence confirms the existence of a well-developed magmatic network (responsible of the fractionation processes) beneath the Proterozoic arc, which resulted in the wide range of compositions observed in the various plutons.