Les récepteurs moléculaires synthétiques sont au cœur de la chimie supramoléculaire. Ils procurent un apport théorique important en reconnaissance moléculaire et peuvent trouver des applications en nanoscience, science séparative, biologie, médecine, catalyse, chimie analytique, science des matériaux ou industrie alimentaire. Dans le cadre de la reconnaissance moléculaire, les calix[6]arènes sont des candidats de choix car ils possèdent des arguments structuraux uniques et une cavité hydrophobe de taille propice à l’inclusion de petites molécules organiques. De plus, de nombreuses méthodes ont été mises au point pour les modifier chimiquement. Ainsi, dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la complexation d’anions, de paires/triades d’ions de contact (anion et ammonium(s) associé(s)) ou de cations métalliques et de molécules neutres. Ces complexations sont classiquement mises en évidence par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN). Toutefois, cette méthode souffre d’un manque de sensibilité, et nous nous sommes donc proposé de développer une nouvelle génération de calix[6]arènes portant des fluorophores, ce qui permettait la détection d’analytes présents en faible concentration dans le milieu par des méthodes spectrophotométriques. A notre connaissance, seuls de rares exemples de calix[6]arènes porteurs de fluorophores ont été décrits pour la détection de paires/triades d’ions de contact ou de cations métalliques et de molécules neutres. Notre démarche est donc tout à fait originale dans le sens où la cavité du récepteur est exploitée, au contraire de la plupart des exemples décrits dans la littérature qui n’utilisent que des sites de complexation extra-cavité.<p><p>Deux types de récepteurs ont été étudiés :les calix[6]trisurées qui sont capables de complexer des anions et des paires d’ions et les calix[6]trisimidazoles qui peuvent coordiner un ion métallique et une molécule neutre. En ce qui concerne le fluorophore, nous nous sommes particulièrement intéressés au pyrène, connu pour son aptitude à former des excimères, facilement détectables par fluorimétrie. Ainsi, le calix[6]trispyrénylurée, portant un site de reconnaissance pour anions au niveau de son petit col, a été synthétisé avec succès. La haute flexibilité de la structure associée à la taille importante des groupes pyrène du récepteur ont conduit à des problèmes de stœchiométrie pour la complexation de la plupart des anions dans le CDCl3 et dans un mélange CDCl3/CD3CN. Toutefois, l’anion sulfate est le seul à être reconnu en stœchiométrie 1:1 par ce récepteur avec une constante d’association élevée, déterminée avec précision par fluorimétrie. Ce récepteur est même sélectif pour le sulfate dans le DMSO. Un problème de sélectivité du mode de reconnaissance, lié à la flexibilité du récepteur et à l’encombrement des groupes pyrène, a été observé avec des paires d’ions de type RNH3+X- (X-=anion). Toutefois, de manière remarquable, la complexation de triades d’ions de type ammoniumTBASO4 (ammonium = PrNH3+, HexNH3+, DodNH3+, TMA+, pyrrolidinium) a pu être observée au sein du récepteur avec une sélectivité assurée par la cavité du calixarène, ceci par spectroscopie de RMN ainsi que par des méthodes spectrophotométriques. Un mécanisme d’adaptation induite de la structure du récepteur a en outre été observé au cours de la complexation de ces ammoniums de tailles différentes. Trois récepteurs calix[6]trisimidazoles portant des fluorophores de type pyrène, dansyle ou dérivé du benzothiazole au niveau du grand col ont également été obtenus. La complexation de cations métalliques tels que Zn2+, Cd2+, Co2+, Mg2+, Cu+ ou Cu2+ a pu être détectée par fluorimétrie, méthode qui a également permis de déterminer les constantes d’association de ces complexes, ce qui n’était pas possible par spectroscopie RMN. Le complexe zincique du récepteur trisimidazole trispyrényle a pour sa part permis d’inclure des amines primaires linéaires (PrNH2, DodNH2) ainsi qu’un dérivé de la dopamine, composé d’importance biologique, au sein de la cavité avec une haute sélectivité assurée par un effet cavitaire du calixarène. En outre, la complexation de ces espèces a pu être mise en évidence par fluorimétrie avec une grande sensibilité via une modification du rapport IM/IE du fluorophore en présence de l’amine d’intérêt endo-complexée. La fonctionnalisation sélective d’un invité ditopique complexé dans la cavité du récepteur a également pu être réalisée. Enfin, l’utilisation de multiples méthodes d’analyse (RMN, UV-Vis, fluorimétrie, ITC) pour mettre en évidence les phénomènes de complexation a permis de montrer leur complémentarité et de mettre en lumière certaines de leurs limites.<p><p>Tous ces travaux prometteurs permettent de valider le concept de détection d’espèces neutres ou chargées par des calix[6]arènes porteurs de fluorophores via des méthodes spectrophotométriques avec une haute sélectivité assurée par la cavité du calix[6]arène.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Chiral separation systems in capillary electrophoresis are in the scope of interest of many research groups all over the world. Therefore, the need to develop reliable theoretical models, which would help to explain phenomena connected with chiral separations or optimization of separation conditions, is obvious. In this thesis several mathematical models and approaches that can fulfill these requirements are presented. First part of the thesis deals with the determination of rate constants of interconversion of enantiomers by means of dynamic capillary electrophoresis. We focused on mixtures of chiral selectors and formulated a mathematical model, which enables to determine rate constants of interconversion in such systems. Mixtures of chiral selectors are very popular in separation practice due to their enhanced enantioselectivity. The theoretical model established in the thesis is able to explain the separation mechanisms of multi-chiral selector systems and to propose and verify possible ways of their optimization. In addition, the separation mechanism in systems with simultaneous cyclodextrin and borate complexation was revealed. Finally we present the complete mathematical model of electromigration in systems with complexation agents. The model is implemented into our simulation tool Simul 5...

The groundwater bacterium Pseudomonas fluorescens (CCUG 32456) isolated at a depth of 70 m in the Äspö Hard Rock Laboratory secretes a pyoverdin-mixture with four main components (two pyoverdins and two ferribactins). The dominant influence of the pyoverdins of this mixture could be demonstrated by an absorption spectroscopy study. The comparison of the stability constants of U(VI), Cm(III), and Np(V) species with ligands simulating the functional groups of the pyoverdins results in the following order of complex strength: pyoverdins (PYO) > trihydroxamate (DFO) > catecholates (NAP, 6­HQ) > simple hydroxamates (SHA, BHA). The pyoverdin chromophore functionality shows a large affinity to bind actinides. As a result, pyoverdins are also able to complex and to mobilize elements other than Fe(III) at a considerably high efficiency. It is known that EDTA may form the strongest actinide complexes among the various organic components in nuclear wastes. The stability constants of 1:1 species formed between Cm(III) and U(VI) and pyoverdins are by a factor of 1.05 and 1.3, respectively, larger compared to the corresponding EDTA stability constants. The Np(V)-PYO stability constant is even by a factor of 1.83 greater than the EDTA stability constant. The identified Np(V)-PYO species belong to the strongest Np(V) species with organic material reported so far. All identified species influence the actinide speciation within the biologically relevant pH range. The metal binding properties of microbes are mainly determined by functional groups of their cell wall (LPS: Gram-negative bacteria and PG: Gram-positive bacteria). On the basis of the determined stability constants raw estimates are possible, if actinides prefer to interact with the microbial cell wall components or with the secreted pyoverdin bioligands. By taking pH 5 as an example, U(VI)-PYO interactions are slightly stronger than those observed with LPS and PG. For Cm(III) we found a much stronger affinity to aqueous pyoverdin species than to functional groups of the cell wall compartments. A similar behavior was observed for Np(V). This shows the importance of indirect interaction processes between actinides and bioligands secreted by resident microbes.

Sulfate-reducing bacteria (SRB) frequently occur in the deep granitic rock aquifers at the Äspö Hard Rock Laboratory (Äspö HRL), Sweden. The new SRB strain Desulfovibrio äspöensis could be iso-lated. The objective of this project was to explore the basic interaction mechanisms of uranium, curium, neptunium and plutonium with cells of D. äspöensis DSM 10631T. The cells of D. äspöensis were successfully cultivated under anaerobic conditions as well in an optimized bicarbonate-buffered mineral medium as on solid medium at 22 °C. To study the interaction of D. äspöensis with the actinides, the cells were grown to the mid-exponential phase (four days). The collected biomass was usually 1.0±0.2 gdry weight/L. The purity of the used bacterial cultures was verified using microscopic techniques and by applying the Amplified Ribosomal DNA Restriction Enzyme Analysis (ARDREA). The interaction experiments with the actinides showed that the cells are able to remove all four actinides from the surrounding solution. The amount of removed actinide and the interaction mechanism varied among the different actinides. The main U(VI) removal occurred after the first 24 h. The contact time, pH and [U(VI)]initial influence the U removal efficiency. The presence of uranium caused a damaging of the cell membranes. TEM revealed an accumulation of U inside the bacterial cell. D. äspöensis are able to form U(IV). A complex interaction mechanism takes place consisting of biosorption, bioreduction and bioaccumulation. Neptunium interacts in a similar way. The experimental findings are indicating a stronger interaction with uranium compared to neptunium. The results obtained with 242Pu indicate the ability of the cells of D. äspöensis to accumulate and to reduce Pu(VI) from a solution containing Pu(VI) and Pu(IV)-polymers. In the case of curium at a much lower metal concentration of 3x10-7 M, a pure biosorption of Cm(III) on the cell envelope forming an inner-sphere surface complex most likely with organic phosphate groups was detected. To summarize, the strength of the interaction of D. äspöensis with the selected actinides at pH 5 and actinide concentrations ≥10 mg/L ([Cm] 0.07 mg/L) follows the pattern: Cm > U > Pu >> Np.

Objective of this project was the study of basic interaction and migration processes of actinides in the environment in presence of humic acids (HA). To obtain more basic knowledge on these interaction processes synthetic HA with specific functional properties as well as 14C-labeled HA were synthesized and applied in comparison to the natural HA Aldrich. One focus of the work was on the synthesis of HA with distinct redox functionalities. The obtained synthetic products that are characterized by significantly higher Fe(III) redox capacities than Aldrich HA were applied to study the redox properties of HA and the redox stability of U(VI) humate complexes. It was confirmed that phenolic OH groups play an important role for the redox properties of HA. However, the results indicate that there are also other processes than the single oxidation of phenolic OH groups and/or other functional groups contributing to the redox behavior of HA. A first direct-spectroscopic proof for the reduction of U(VI) by synthetic HA with distinct redox functionality was obtained. The complexation behavior of synthetic and natural HA with actinides (Th, Np, Pu) was studied. Structural parameters of Pu(III), Th(IV), Np(IV) and Np(V) humates were determined by X-ray absorption spectroscopy (XAS). The results show that carboxylate groups dominate the interaction between HA and actinide ions. These are predominant monodentately bound. The influence of phenolic OH groups on the Np(V) complexation by HA was studied with modified HA (blocked phenolic OH groups). The blocking of phenolic OH groups induces a decrease of the number of maximal available complexing sites of HA, whereas complex stability constant and Np(V) near-neighbor surrounding are not affected. The effects of HA on the sorption and migration behavior of actinides was studied in batch and column experiments. Th(IV) sorption onto quartz and Np(V) sorption onto granite and its mineral constituents are affected by the pH value and the presence of HA. HA exhibits a significant influence on the transport of U(IV) and U(VI) in a laboratory quartz sand system. In order to provide the basis for a more reliable modeling of the actinide transport, the metal ion complexation with HA has to be integrated into existing geochemical speciation codes. Within this project the metal ion charge neutralization model was embedded into the geochemical modeling code EQ3/6. In addition to that, a digital data base was developed which covers HA complexation data basing on the charge neutralization model.

The objective of this project was the study of basic interaction processes in the systems actinide - clay organics - aquifer and actinide - natural clay - clay organics - aquifer. Thus, complexation, redox, sorption and diffusion studies were performed. To evaluate the influence of nitrogen, phosphorus and sulfur containing functional groups of humic acid (HA) on the complexation of actinides in comparison to carboxylic groups, the Am(III) and U(VI) complexation by model ligands was studied by UV-Vis spectroscopy and TRLFS. The results show that Am(III) is mainly coordinated via carboxylic groups, however, probably stabilized by nitrogen groups. The U(VI) complexation is dominated by carboxylic groups, whereas nitrogen and sulfur containing groups play a minor role. Phosphorus containing groups may contribute to the U(VI) complexation by HA, however, due to their low concentration in HA they play only a subordinate role compared to carboxylic groups. Applying synthetic HA with varying sulfur contents (0 to 6.9 wt.%), the role of sulfur functionalities of HA for the U(VI) complexation and Np(V) reduction was studied. The results have shown that sulfur functionalities can be involved in U(VI) humate complexation and act as redox-active sites in HA for the Np(V) reduction. However, due to the low content of sulfur in natural HA, its influence is less pronounced. In the presence of carbonate, the U(VI) complexation by HA was studied in the alkaline pH range by means of cryo-TRLFS (-120°C) and ATR FT-IR spectroscopy. The formation of the ternary UO2(CO3)2HA(II)4− complex was detected. The complex formation constant was determined with log β0.1 M = 24.57 ± 0.17. For aqueous U(VI) citrate and oxalate species, luminescence emission properties were determined by cryo-TRLFS and used to determine stability constants. The existing data base could be validated. The U(VI) complexation by lactate, studied in the temperature range 7 to 65°C, was found to be endothermic and entropy-driven. In contrast, the complex stability constants determined for U(VI) humate complexation at 20 and 40°C are comparable, however, decrease at 60°C. For aqueous U(IV) citrate, succinate, mandelate and glycolate species stability constants were determined. These ligands, especially citrate, increase solubility and mobility of U(IV) in solution due to complexation. The U(VI) sorption onto crushed Opalinus Clay (OPA, Mont Terri, Switzerland) was studied in the absence and presence of HA or low molecular weight organic acids, in dependence on temperature and CO2 presence using OPA pore water as background electrolyte. Distribution coefficients (Kd) were determined for the sorption of U(VI) and HA onto OPA with (0.0222 ± 0.0004) m3/kg and (0.129 ± 0.006) m3/kg, respectively. The U(VI) sorption is not influenced by HA (50 mg/L), however, decreased by low molecular weight organic acids (> 1×10-5 M), especially by citrate and tartrate. With increasing temperature, the U(VI) sorption increases both in the absence and in the presence of clay organics. The U(VI) diffusion in compacted OPA is not influenced by HA at 25 and 60°C. Predictions of the U(VI) diffusion show that an increase of the temperature to 60°C does not accelerate the migration of U(VI). With regard to uranium-containing waste, it is concluded that OPA is suitable as host rock for a future nuclear waste repository since OPA has a good retardation potential for U(VI).

The objective of the work described in this thesis was to understand sorption reactions of uranium occurring at the water-clay mineral interfaces in the presence and absence of arsenic and other inorganic ligands. Uranium(VI) removal by clay minerals is influenced by a large number of factors including: type of clay mineral, pH, ionic strength, partial pressure of CO2, load of the sorbent, total amount of U present, and the presence of arsenate and other inorganic ligands such as sulfate, carbonate, and phosphate. Both sulfate and carbonate reduced uranium sorption onto IBECO bentonite due to the competition between SO42- or CO32- ions and the uranyl ion for sorption sites, or the formation of uranyl-sulfate or uranyl-carbonate complexes. Phosphate is a successful ligand to promote U(VI) removal from the aqueous solution through formation of ternary surface complexes with a surface site of bentonite. In terms of the type of clay mineral used, KGa-1b and KGa-2 kaolinites showed much greater uranium sorption than the other clay minerals (STx-1b, SWy-2, and IBECO montmorillonites) due to more aluminol sites available, which have higher affinity toward uranium than silanol sites. Sorption of uranium on montmorillonites showed a distinct dependency on sodium concentrations because of the effective competition between uranyl and sodium ions, whereas less significant differences in sorption were found for kaolinite. A multisite layer surface complexation model was able to account for U uptake on different clay minerals under a wide range of experimental conditions. The model involved eight surface reactions binding to aluminol and silanol edge sites of montmorillonite and to aluminol and titanol surface sites of kaolinite, respectively. The sorption constants were determined from the experimental data by using the parameter estimation code PEST together with PHREEQC. The PEST- PHREEQC approach indicated an extremely powerful tool compared to FITEQL. In column experiments, U(VI) was also significantly retarded due to adsorptive interaction with the porous media, requiring hundreds of pore volumes to achieve breakthrough. Concerning the U(VI) desorption, columns packed with STx-1b and SWy-2 exhibited irreversible sorption, whereas columns packed with KGa-1b and KGa-2 demonstrated slow, but complete desorption. Furthermore, most phenomena observed in batch experiments were recognized in the column experiments, too. The affinity of uranium to clay minerals was higher than that of arsenate. In systems containing uranium and arsenate, the period required to achieve the breakthrough in all columns was significantly longer when the solution was adjusted to pH 6, due to the formation of the uranyl-arsenate complex. In contrast, when pH was adjusted to 3, competitive sorption for U(VI) and As(V) accelerated the breakthrough for both elements. Finally, experiments without sorbing material conducted for higher concentrations of uranium and arsenic showed no loss of total arsenic and uranium in non-filtered samples. In contrast, significant loss was observed after filtration probably indicating the precipitation of a U/As 1:1 phase.

Um das Verhalten von Actiniden im Menschen (Stoffwechsel), in geologischen und in biologischen Systemen vorherzusagen, ist es erforderlich deren Speziation genau zu kennen. Zur Bestimmung dieser wird das chemische Verhalten des Urans hinsichtlich Komplexbildungsreaktionen und Redoxreaktionen in Modellsystemen untersucht. Anhand der gewonnenen thermodynamischen Konstanten und dem Redoxverhalten können Risikoabschätzungen für das jeweilige untersuchte System getroffen werden. Das umweltrelevante Uran(IV)-Uran(VI)-Redoxsystem besitzt mit der metastabilen fünfwertigen Oxidationsstufe einen zumeist kurzlebigen Zwischenzustand. Innerhalb dieser Arbeit gelang es erstmalig die Uran(V)-Fluoreszenz mittels laserspektroskopischer Methoden nach zu weisen. Beispielsweise konnte das Bandenmaximum von aquatischem Uranyl(V) im perchlorhaltigem Medium (λex = 255 nm) mit 440 nm, bei einer Fluoreszenzlebensdauer von 1,10 ± 0,02 µs bestimmt werden. Die fluoreszenzspektroskopische Untersuchung eines aquatischen [U(V)O2(CO3)3]5--Komplexes (λex= 255 nm und 408 nm) zeigte bei Raumtemperatur keine Fluoreszenz. Durch Anwendung der Tieftemperaturtechnik wurden bekannte Quencheffekte des Carbonats unterdrückt, so dass bei beiden Anregungswellenlängen ein für Uran(V) typisches Fluoreszenzspektrum im Bereich von 375 nm bis 450 nm, mit Bandenmaxima bei 401,5 nm (λex = 255 nm) und 413,0 nm (λex = 408 nm) detektiert werden konnte. Darüber hinaus konnte bei 153 K (λex = 255 nm) eine Fluoreszenzlebensdauer von 120 ± 0,1 µs bestimmt werden. Untersetzt wurden diese fluoreszenzspektroskopischen Nachweise durch mikroskopische Studien verschiedener Uran(IV)-Festphasen (Uraninit…UO2, Uran(IV) Tetrachlorid…UCl4) und einer sulfathaltigen Uran(IV)-Lösung (UIVSO4). Diese wurden durch kontinuierliche Sauerstoffzufuhr zu Uran(VI) oxidiert. Die ablaufende Oxidation wurde mit dem konfokalen Laser Scanning Mikroskop (CLSM) verfolgt, wobei die Proben mit einer Wellenlänge von 408 nm zur Fluoreszenz angeregt wurden. Die auftretenden Bandenmaxima bei 445,5 nm (UO2), bei 445,5 nm (UCl4) und bei 440,0 nm (UIVSO4) konnten eindeutig der Uran(V)-Fluoreszenz zugeordnet werden. Zur Bestimmung thermodynamischer Konstanten mit Hilfe der Tieftemperaturfluoreszenz wurde zunächst der Einfluss der Temperatur auf das Fluoreszenzverhalten des freien Uranyl(VI)-Ions näher betrachtet. Es zeigte sich, dass mit Erwärmung der Probe (T>298 K) die Fluoreszenzlebensdauer von 1,88 µs (298 K) deutlich absinkt. Die Fluoreszenzintensität verringerte sich dabei um 2,3 % pro 1 K zwischen 273 K und 313 K. Im Gegensatz dazu, steigt die Fluoreszenzlebensdauer um das 150-fache auf 257,9 µs bei einer Verminderung der Temperatur (T <298 K) auf 153 K. Das weitere Absenken der Temperatur (T <153 K) zeigte keinen Einfluss auf die Fluoreszenzlebensdauer. Die Lage der Hauptemissionsbanden des freien Uranyl(VI)-Ions (488,0 nm, 509,4 nm, 532,4 nm, 558,0 nm, 586,0 nm) zeigte bei diesen Untersuchungen keine temperaturabhängige Verschiebung. Die Validierung der Tieftemperaturtechnik zur Bestimmung thermodynamischer Konstanten mittels zeitaufgelöster laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie erfolgte anhand des Uran(VI)-Citrat-Systems. Im Gegensatz zu bisherigen fluoreszenzspektroskopischen Betrachtungen bei Raumtemperatur wurde das Fluoreszenzsignal bei tiefen Temperaturen mit einsetzender Komplexierung nicht gequencht, woraus die Ausprägung einer gut interpretierbaren Fluoreszenz resultierte. Die Analyse der spektralen Daten mit SPECFIT ergaben mit log β101 = 7,24 ± 0,16 für den [UO2(Cit)]--Komplex und log β202 = 18,90 ± 0,26 für den [(UO2)2(Cit)2]2 -Komplex exakt die in der Literatur angegebenen Stabilitätskonstanten. Zudem konnten Einzelkomponentenspektren mit Bandenmaxima bei 475,3 nm, 591,8 nm, 513,5 nm, 537,0 nm und 561,9 nm für den 1:0:1-Komplex und 483,6 nm, 502,7 nm, 524,5 nm, 548,1 nm und 574,0 nm für den 2:0:2-Komplex und Fluoreszenzlebensdauern von 79 ± 15 µs (1:0:1) und 10 ± 3 µs (2:0:2) bestimmt werden. Zur Modellkomplexierung des Uran-Citrat-Systems wurde in dieser Arbeit auch das Komplexbildungsverhalten von U(IV) in Gegenwart von Citronensäure untersucht. Hierbei wurden über den gesamten pH-Wertbereich gelöste Uran-Citrat-Spezies spektroskopisch nachgewiesen und die Stabilitätskonstanten sowie die Einzelkomponentenspektren für die neu gebildeten Uran(IV) und (VI)-Spezies bestimmt. Für die neu gebildeten Citrat-Komplexe des sechswertigen Urans wurden Komplexbildungskonstanten von log β203 = 22,67 ± 0,34 ([(UO2)2(Cit)3]5-) und log β103 = 12,35 ± 0,22 ([UO2(Cit)3]7-) und für die Komplexe des vierwertigen Urans von log β1-21 = -9,74 ± 0,23 ([U(OH)2Cit]-) und log β1 31 = -20,36 ± 0,22 ([U(OH)3Cit]2-) bestimmt. Untersuchungen zum Redoxverhalten von Uran in Gegenwart von Citronensäure zeigten unter aeroben und anaeroben Versuchsbedingungen eine photochemische Reduktion vom U(VI) zu U(IV), welche spektroskopisch nachgewiesen werden konnte. Dabei zeigt speziell die Reaktion unter oxidierenden Bedingungen, welchen großen Einfluss vor allem organischen Liganden auf das chemische Verhalten des Urans haben können. Sowohl die Reduktion unter O2- als auch die unter N2-Atmosphäre, weisen ein Maximum bei einem pH Wert von 3,5 bis 4 auf. Unter anaeroben Bedingungen reduziert die Citronensäure mit ca. 66 %, 14 % mehr Uran(VI) zu Uran(IV) als unter anaeroben Bedingungen mit ca. 52 %. Ab einem pH-Wert von 7 konnte eine Reduktion nur unter sauerstofffreien Bedingungen festgestellt werden. Die Wechselwirkung von U(VI) in Gegenwart von Glucose wurde hinsichtlich Reduktion und Komplexierung des Uran(VI) betrachtet. Mit Hilfe der zeitaufgelösten laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie bei tiefen Temperaturen wurde dabei ein Uranyl(VI)-Glucose-Komplex nachgewiesen. Die Komplexierung wurde lediglich bei pH 5 beobachtet und weist eine Komplexbildungskonstante von log βI=0,1 M = 15,25 ± 0,96 für den [UO2(C6H12O6)]2+-Komplex auf. Mit einer Fluoreszenzlebensdauer von 20,9 ± 2,9 µs und den Hauptemissionsbanden bei 499,0nm, 512,1 nm, 525,2 nm, 541,7 nm und 559,3 nm konnte der Uranyl(VI)-Glucose-Komplex fluoreszenzspektroskopisch charakterisiert werden. Unter reduzierenden Bedingungen wurde, ab pH-Wert 4 eine auftretende Umwandlung vom sechswertigen zum vierwertigen Uran durch Glucose in Gegenwart von Licht beobachtet. Der Anteil an gebildetem Uran(IV) steigt asymptotischen bis zu einem pH-Wert von 9, wo das Maximum mit 16 % bestimmt wurde. Als Reaktionsprodukt der Redoxreaktion wurde eine Uran(VI)-Uran(IV)-Mischphase mit der Summenformel [UIV(UVIO2)5(OH)2]12+ identifiziert. Mit Hilfe der cryo-TRLFS wurde, durch Verminderung von Quencheffekten die Uranspeziation in natürlichen Medien (Urin, Mineralwasser) direkt bestimmt. Proben mit Uran Konzentrationen von < 0,1 µg/L konnten dadurch analysiert werden. In handelsüblichen Mineralwässern wurde die zu erwartende Komplexierung durch Carbonat nachgewiesen. Im Urin zeigte sich in Abhängigkeit vom pH-Wert eine unterschiedliche Uranspeziation. Die fluoreszenzspektroskopische Untersuchung wies bei niedrigerem pH Wert (pH<6) eine Mischung aus Citrat- und Phosphat-Komplexierung des U(VI) und bei höheren pH-Wert (pH>6) eine deutliche Beteilung von Carbonat an der Komplexierung auf. Diese Ergebnisse stehen in sehr guter Übereinstimmung mit theoretischen Modellrechnungen zur Uranspeziation im Urin. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass für eine zuverlässigere Prognose des Urantransportes in Geo- und Biosphäre in Zukunft nicht nur Betrachtungen zur Komplexchemie, sondern auch zum Redoxverhalten des Urans nötig sind, um die Mobilität in der Natur richtig abschätzen zu können.:I. Zusammenfassung XI II. Summary XV III. Danksagung XIX 1. Motivation und Zielstellung 1 2. Grundlagen 2 2.1. Zur Chemie des Urans 2 2.1.1. Uran im aquatischen System 2 2.1.2. Redoxchemie des Urans 7 2.2. Citronensäure 10 2.3. Glucose 16 2.4. Komplexbildungskonstanten 22 3. Spektroskopie 28 3.1. Spektroskopie des Urans 30 3.1.1. UV/VIS-Spektroskopie 30 3.1.2. Zeitaufgelöste laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie 32 3.1.3. Infrarot-Spektroskopie 36 3.1.4. Spektroskopie bei tiefen Temperaturen 38 3.2. Spektroskopie organischer Verbindungen 40 4. Ergebnisse und Diskussion 43 4.1. Zur Fluoreszenz des Urans 43 4.1.1. Uran(V)-Fluoreszenz 43 4.1.1.1. Nachweis der Uran(V)-Fluoreszenz 43 4.1.1.2. Mikroskopische Visualisierung der Uran(V)-Fluoreszenz 47 4.1.1.3. Verifizierung der Anregungswellenlänge 408 nm 50 4.1.2. Temperaturabhängigkeit der Fluoreszenz des freien Uranyl(VI)-Ions 52 4.2. Wechselwirkung von Uran mit Citronensäure 54 4.2.1. Uran(VI)-Komplexierung durch Citronensäure 54 4.2.1.1. Photochemische Stabilität 54 4.2.1.2. Spektroskopische Untersuchung zur Uran(VI) Komplexierung durch Citronensäure 55 4.2.1.3. Bestimmung der Komplexbildungskonstanten 63 4.2.2. Uran(IV)-Komplexierung mit Citronensäure 68 4.2.2.1. Spektroskopische Untersuchung zur Uran(IV) Komplexierung durch Citronensäure 68 4.2.2.2. Bestimmung der Komplexbildungskonstanten zwischen Uran(IV) und Citronensäure 69 4.2.3. Uran(VI)-Reduktion durch Citronensäure 72 4.3. Wechselwirkung von Uran mit Glucose 79 4.3.1. Komplexierung von Uran(VI) mit Glucose 79 4.3.1.1. Photochemische Stabilität 79 4.3.1.2. pH-Abhängigkeit der Komplexierung 82 4.3.1.3. Bestimmung der Komplexbildungskonstante 89 4.3.2. Reduktion von Uran(VI) durch Glucose 92 4.3.2.1. pH-Abhängigkeit 92 4.3.2.2. Identifizierung der Reaktionsprodukte der Redoxreaktion 94 4.3.2.3. Reduktion durch verschiedene Zuckerderivate 97 4.3.2.4. Reduktion im gepufferten System 99 4.4. Zur Bestimmung der Uranspeziation in natürlichen Proben 101 5. Anwendung der Erkenntnisse auf die zukünftige Betrachtung uranhaltiger Umweltsysteme 108 5.1. Komplexbildungsreaktionen 108 5.2. Redoxreaktionen 112 6. Experimenteller Teil 115 6.1. Chemikalien 115 6.2. Bestimmung der molaren Extinktionskoeffizienten von Uran(IV) 116 6.3. Uran(V)-Fluoreszenz 119 6.4. Temperaturabhängigkeit der Uranyl(VI)-Fluoreszenz 120 6.5. Stabilität citronensäurehaltigen Uranyl(VI)-Lösungen 120 6.6. Komplexierung zwischen Uran(VI) und Citronensäure 121 6.7. Komplexierung zwischen Uran(IV) und Citronensäure 122 6.8. Reduktion von Uran(VI) durch Citronensäure 122 6.9. Stabilität glucosehaltigen Uranyl(VI)-Lösungen 122 6.10. Komplexierung zwischen Uran(VI) und Glucose 123 6.11. Reduktion von Uran(VI) durch Glucose 124 6.12. Uran in natürlichen Proben 125 7. Geräte 127 7.1. Lasersysteme 127 7.2. UV/VIS-System 129 7.3. IR-Systeme 129 7.4. Neonlicht 131 7.5. Elementaranalysen 131 7.6. pH-Wert-Messung 132 7.7. Experimente unter Inertgas 132 7.8. Proben schütteln 132 7.9. Probenzentrifugation 132 8. Literaturverzeichnis 133 9. Abkürzungen und Symbole 147 10. In Verbindung mit dieser Arbeit entstandene Publikationen 151

Nos travaux ont porté sur le développement d'une méthode contrôlée de complexation de polyélectrolytes. La complexation est un processus spontané, sous contrôle cinétique et irréversible dans le cas de polysaccharides tels que le chitosane et les polysulfates, essentiellement le sulfate de dextrane ou l'héparine. Une conséquence de ce contrôle cinétique est que l'obtention d'objets de taille colloïdale requiert de travailler à fortes dilutions. De plus, les nanovecteurs obtenus ne sont pas toujours compatibles avec des conditions d'utilisation dans des milieux physiologiques. Le contrôle de l'association de polysaccharides se fait par écrantage des interactions électrostatiques attractives en présence de chlorure de sodium à la concentration au moins égale à 2 mol.L-1. L'élimination du sel par dialyse induit la formation d'hydrogels dont les caractéristiques et les propriétés dépendent principalement du rapport de charges n+/n- et de la cinétique d'élimination du sel. Ainsi, l'on peut former des hydrogels massifs ou des systèmes dispersés à des concentrations en polymères jusqu'à 30 fois plus élevées que par les méthodes sous contrôle cinétique. De plus, cette technologie permet l'encapsulation des principes actifs dans les particules qui peuvent aussi être fonctionnalisées par des biomolécules d'adressage. Le résultat majeur de ce travail réside en la maîtrise des associations entre polysaccharides de charges opposées, permettant d'obtenir des systèmes colloïdaux et massifs à fort potentiels d'applications biomédicales / Our work dealt with the development of a controlled method of polyelectrolyte complexation. The complexation is a spontaneous process, under kinetic control and irreversible in the case of polysaccharides such as the chitosan and polysulfates, essentially dextran sulfate or heparin. A consequence of this kinetic control is the requirement to work at high dilution to obtain objects of colloidal size. Moreover, the obtained nanovectors were not always adapted for use in physiological media. The control of the association of polysaccharides was achieved by screening the attractive electrostatic interactions in the presence of sodium chloride at concentration at least equal to 2 mol. L-1. Removal of salt by dialysis resulted in the formation of hydrogels, whose characteristics and properties depended mainly on the charge ratio n +/ n- and the kinetics of the salt elimination. Thus, massive or dispersed hydrogels were formed at polymer concentrations up to 30 times higher than by the methods under kinetic control. Furthermore, this technology allowed the encapsulation of active ingredients in the particles that could also be functionalized with biomolecules for targeting. The major result of this work was the control over the associations between oppositely charged polysaccharides which provided colloidal and massive systems of high potentialities in biomedical applications

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