Diese Arbeit ist ein Beitrag zur theoretischen Chemie sowie zur Oberflächenchemie. Durch Kombination von computergestützten und experimentellen Untersuchungen wird die atomare Struktur von dünnen SiO2-Filmen auf Ru(0001)-Unterlagen, von eisendotierten SiO2-Filmen auf diesen Unterlagen und von H2O-Filmen auf MgO(001)-Oberflächen bestimmt. Die atomaren Strukturmodelle wurden entweder mit dem neu entworfenen und im Paket DoDo implementierten genetischen Algorithmus oder mittels auf Sachkenntnis gestützter Vermutungen erhalten. Die simulierten Eigenschaften der so erhaltenen Strukturen stimmen sehr gut mit den experimentellen Daten (Raster-Tunnel-Mikroskopie, Infrarot-Spektroskopie) überein. Die erfolgreiche Strukturbestimmung mithilfe des DoDo-Programms zeigt, dass genetische Algorithmen zur systematischen und extensiven Erkundung der Energielandschaften 2D-periodischer Systeme geeignet sind. / This work is a contribution in the field of theoretical chemistry and surface science. The joint computational and experimental studies investigated the atomic structure of ultrathin silica and iron-doped silica films formed on the Ru(0001) surface and water films formed on the MgO(001) surface. The atomic structure models were obtained using either the educated guess approach or the genetic algorithm that was designed and implemented within the DoDo package. The properties simulated for the resulting models are in a very good agreement with the experimental data (scanning tunnelling microscopy, infrared spectroscopy). The successful structure determination using the DoDo program shows that the genetic algorithm technique is capable of systematic and extensive exploration of the energy landscapes for 2D-periodic systems.

Die Unsicherheit analytischer Ergebnisse lässt Rückschlüsse auf die Zuverlässigkeit der angewandten Analyseverfahren zu. Entsprechend den Qualitätsanforderungen an akkreditierte Prüf- und Kalibrierlaboratorien (siehe u.a. Norm ISO/IEC 17025) ist daher die Angabe der Messunsicherheit erforderlich. Zur Ermittlung der Messunsicherheit typischer FT-IR-spektroskopischer Analysen von Feststoffen und Flüssigkeiten wurde eine systematische Untersuchung des Einflusses zahlreicher FT-, proben- und gerätespezifischer Parameter auf den Messwert durchgeführt. Die Überprüfung der Ordinatenrichtigkeit bei FT-IR-spektroskopischen Messungen an Gläsern erfolgte mit Hilfe eines Transmissionsstandards des National Physical Laboratory (NPL), der aus einem Schott NG11 Neutralglasfilter besteht, und bei Messungen an Flüssigkeiten durch Vergleich der nach einem Absolutverfahren bestimmten Extinktionskoeffizienten des Dichlormethans mit von der IUPAC publizierten Standardwerten. Nach Optimierung der Messbedingungen stimmen die Transmissionswerte des NPL-Standards und die Extinktionskoeffizienten des Dichlormethans mit den entsprechenden Standardwerten überein. Die für die Bestimmung dieser Messgrößen aufgestellten Unsicherheitsbilanzen gestatten die quantitative Abschätzung des Einflusses einzelner Parameter auf die Gesamtunsicherheit. Bei Anwendung der KBr-Presstechnik für die quantitative Analyse von unlöslichen Feststoffen haben die Partikelgröße des Analyten und die Homogenität der Presslinge einen dominierenden Einfluss auf die Qualität der Spektren. Um die Unsicherheit zu minimieren, die auf dem Einfluss der Partikelgröße beruht, muss es ein Ziel der Probenvorbereitung sein, dass die Partikeldurchmesser der Kalibriersubstanz und des Analyten einen Wert von ca. 2 µm nicht überschreiten und möglichst gleich groß sind. Bei Untersuchungen mit Calciumcarbonat-Proben unterschiedlicher Partikeldurchmesser hat sich die Halbwertsbreite der auszuwertenden Bande, die mit der Partikelgröße korreliert, als ein geeignetes Maß für die Beurteilung erwiesen, wie gut letztere Bedingung erfüllt ist. Eine inhomogene Verteilung der absorbierenden Partikel im Pressling kann durch Durchstrahlen der gesamten Oberfläche des Presslings oder durch Mitteln der an verschiedenen Positionen des Presslings gemessenen Spektren berücksichtigt werden. Diese Arbeiten zeigen, dass die Anwendung der KBr-Presstechnik bei sorgfältiger Probenvorbereitung und Einhaltung optimaler Messbedingungen im Rahmen der Messunsicherheit zu richtigen Ergebnissen führt. / The uncertainty of analytical results allows to assess the reliability of the applied analytical methods. According to quality requirements for accredited laboratories (see e.g. ISO/IEC 17025) it is necessary to report the uncertainty of measurement. In order to evaluate the uncertainty of typical quantitative FT-IR spectroscopic analysis of solids and liquids a detailed study of the influence of numerous FT-, sample- and instrument-specific parameters on the measurand was performed. The trueness of FT-IR spectroscopic measurements on glasses was tested with a transmittance standard of the National Physical Laboratory (NPL) that consists of a Schott NG11 neutral density filter. The trueness of FT-IR spectroscopic measurements on liquids was checked by the comparison of the molar absorptivities of dichloromethane determined by transmission measurements with the standard values published by IUPAC. After optimisation of the measurement conditions the transmittance values of the NPL standard and the molar absorptivities of dichloromethane are in accordance with the corresponding standard values. The uncertainty budgets evaluated for these measurends makes it possible to assess the contribution of a single parameter on the combined uncertainty. By using the KBr pressed pellet technique for the quantitative analysis of insoluble solids the particle size of the analyte and the homogeneity of the pellets are the major contributions to the quality of spectra. In order to minimize the uncertainty due to the particle size a purpose of the sample preparation must be to reduce the particle sizes of the calibration sample and the analyte to a maximum size of 2 µm and both particle sizes should agree. A detailed study with calcium carbonate samples with different mean particle sizes has shown that the half-width of the analysed band depends on the particle size and is suitable to test how far the last mentioned condition is fulfilled. In order to minimize the uncertainty due to an inhomogeneous distribution of the absorbing particles in the pellets the infrared beam must pass through the whole surface area of a pellet or the mean value of the spectra measured at different positions on the surface area has to be evaluated. This work proves that the use of the pressed pellet technique can lead to correct results within the limits of the uncertainty if the sample preparation is carried out carefully and optimal measurement conditions are kept.

Für die makroskopischen Eigenschaften und Funktionen biologisch relevanter Materie spielen schwache, intra- und intermolekulare Wechselwirkungen dispersiver und elektrostatischer Natur auf molekularem Niveau eine große Rolle. Um diese schwachen Wechselwirkungen zu untersuchen, können Modellsysteme, isoliert in der Gasphase, herangezogen werden. Benzoldimer, ein schwach gebundener Van der Waals Komplex, kann beispielsweise als Modellsystem für dispersive Wechselwirkungen dienen. In der vorliegenden Arbeit werden die strukturellen Eigenschaften und die (interne) Dynamik des Benzoldimers mit Hilfe spektroskopischer Methoden in den Energiebereichen der Rotationen, Vibrationen und elektronischen Übergänge untersucht und im Kontext der Symmetrie diskutiert. Die in dieser Arbeit vorgestellten Experimente tragen zu einem tieferen Verständnis des Benzoldimers bei, jedoch zeigt das Experiment zur internen Dynamik auch, dass eine ausreichende theoretische Beschreibung des Benzoldimers nach wie vor eine Herausforderung darstellt. Schwingungsübergänge hochsymmetrischer Moleküle sind oft optisch inaktiv, können jedoch mit der hier vorgestellten Methode der Symmetrieerniedrigung durch Komplexierung zugänglich gemacht werden, wie am Beispiel des Benzols demonstriert wird. Außerdem wird ein Mechanismus vorgstellt, der kollisionsinduzierte Konformationsänderungen in einem Molekularstrahl beschreibt. Dieses Modell kann generell für Molekularstrahlexperimente an flexiblen Molekülen hilfreich sein, einerseits um die beobachtete Konformationsverteilung zu verstehen, andererseits um die experimentellen Parameter gezielt zu verändern und somit Konformerpopulationen zu manipulieren. Die in dieser Dissertation vorgestellten spektroskopischen Experimente liefern einerseits molekülspezifische Informationen und ermöglichen andererseits, Modelle, die von allgemeiner Bedeutung sind, zu entwickeln. / The macroscopically observable properties and functionalities of biological matter are often determined by weak intra- and intermolecular interactions on the microscopic level. Such weak interactions are for example hydrogen bonding and van der Waals interactions and can be investigated best on isolated model systems in the gas phase. The benzene dimer, for example, is a prototype system to investgate dispersive interactions. The spectroscopic experiments, covering the energy ranges of rotations, vibrations and electronic transitions, presented in this thesis, contribute to a deeper understanding of the benzene dimer. However, from the experiments investigating the internal dynamics it becomes clear that an appropriate theoretical description of the benzene dimer is still a challenge. Vibrational transitions of highly symmetric molecules, as for example of the benzene, are often optically inactive. Here, a method is presented, which exploits symmetry reduction upon complexation and thus allows one to access such modes. Furthermore, a model is proposed describing collision induced conformational interconversion in a molecular beam. This model can be helpful for molecular beam experiments of flexible molecules to understand the observed relative conformational population and to adapt the experimental conditions allowing for the manipulation of the relative conformer abundances. In this thesis, results are presented that allow one on the one hand to deduce molecular specific information and that on the other hand also give a broader insight into phenomena of general importance.

In der vorliegenden Dissertation konnten erfolgreich neben der Entwicklung und Optimierung neuer Methoden in der Kettenverlängerung von Aldosen und Ketosen auch neue Farbstoffe zur Untersuchung von Protonierungs- und Wasserdynamiken designt und synthetisiert werden. Die Erweiterung des Verständnisses im Zusammenspiel von Aminosäuren und Kohlenhydraten hat einen großen Einfluss in der wissenschaftlichen Gesellschaft der Kohlenhydratchemie. Die Kontrolle im Aufbau von Stereotetraden und -pentaden führt zu einer Ausweitung der bekannten Möglichkeiten in der stereoselektiven Synthese von Naturstoffen und Biomimetika. Außerdem konnten durch eine einfache Methode die C-Glykoside seltener Kohlenhydrate dargestellt werden. Einbau von Aminosäuren in Kohlenhydratstrukturen konnten in hohen Stereoselektivitäten und der Möglichkeit der Stereomanipulation durch Wahl des Isocyanides erreicht werden. Die Synthese des zellgängigen Farbstoffes PAc-SNARF, sowie des Biolinkers IA-SNARF ermöglicht eine bildgebenden ratiometrischen pH-Untersuchungen in Zellen und auf Proteinoberflächen. Die Verallgemeinerung der Synthese der Farbstoff-Precursor für die SNARF-Derivate über eine Friedel-Crafts-Acylierung erlaubt eine kostengünstige Darstellung einer großen Bandbreite von Farbstoffen. Mithilfe der neu synthetisierten sterisch anspruchsvollen N-Methyl-6-oxychinoliniumbetain-Derivate verbunden mit der Fluoreszenzaufkonvertierungs-Spektroskopie konnte eine Verlangsamung von Wasser an hydrophoben Oberflächen bewiesen werden. Die gesammelten Ergebnisse und Erkenntnisse in diesen verschiedenen Themengebieten werden in Zukunft einen großen Einfluss in der Wissenschaftswelt haben. / In the presented dissertation new methods in the chain elongation of carbohydrates could be established and optimized. Besides that, new probes for the investigation of protonation and water dynamics could be designed and synthesized. The extension of comprehension in the interaction between amino acids and carbohydrates through hydrogen bonds has a great impact in the scientific community of carbohydrate research. The stereochemical control in the construction of stereotetrads and –pentads leads to a considerable extension of known methods in the synthesis of natural compounds and biomimetics. Additionally the C-glycosides of rare carbohydrates could be synthesized through simple methods. Installation of amino acids into carbohydrate structures could be achieved with very high stereoselectivity and the potential of manipulating the stereochemical course through the choice of different isocyanides. The synthesis of the cell permeable PAc-SNARF and the cysteine-bioapplicable IA-SNARF allow the ratiometric pH-imaging of cells and protein surfaces. The generalization of the synthesis of dye-precursors for SNARF-derivatives through friedel-crafts-acylation allow an inexpensive approach in synthesizing a broad spectrum of dyes. Through deployment of newly developed sterical demanding N-Methyl-6-oxyquinolinium betaine-derivates together with the fluorescence upconversion spectroscopy a deceleration of water reorientation near hydrophobic surfaces could be proven. The here summarized results and insights in the different topics will have a considerable influence in academic sciences.

Die chemische Zusammensetzung pharmazeutisch verwendeter Gläser (Ampullen, Infusionsglas, Fertigspritzenbehältnisse) wurde mit Laser-Ablation-ICP-Massenspektrometrie (LA-ICP-MS) untersucht. Dazu kam ein Nd:YAG-Laser mit einer Frequenz von 10 Hz im q-switch mode mit der Grundwellenlänge sowie der 4. Harmonischen (1064 und 266 nm) zum Einsatz. Ziel war die Identifizierung verschiedener Arten pharmazeutisch eingesetzter Gläser. Folgende Isotope wurden zur Charakterisierung bestimmt: 7Li, 11B, 23Na, 24Mg, 27Al, 28Si, 29Si, 30Si, 39K, 42Ca, 47Ti, 57Fe, 90Zr, 121Sb, 137Ba. Die quantitativen Ergebnisse zeigten relative Standardabweichungen von 1.8 % bis 8.0 %. Die Normierung der Daten erfolgte unter Bezug auf 29Si. Mit Referenzmaterial verschiedener Zusammensetzung (Natron-Kalk-Glas, Borosilikatglas und Bleiglas) wurden externe Mehrpunktkalibrationen erstellt. Für alle gemessenen Isotope konnten lineare Kalibrierfunktionen festgestellt werden. Die Richtigkeit des Verfahrens wurde durch Aufschluß des Standardmaterials wie auch der untersuchten Proben mit Flußsäure/Salpetersäure und Messung der Aufschlußlösungen nach externer Kalibration durch Multielement-Standards gezeigt. Aufschluß- und Laserablation-Ergebnisse zeigten gute Übereinstimmung und wichen um bis zu 8 % voneinander ab. Zur Prüfung repräsentativer Ablation der Proben wurden die Isotopenverhältnisse bestimmt. Auch hier zeigte sich eine ausreichende Übereinstimmung mit den theoretischen Werten. Weiterhin wurden Präzision, Empfindlichkeit, Selektivität, Nachweisgrenze, Bestimmungsgrenze und Robustheit des Verfahrens bestimmt. Im Unterschied zu den Ergebnissen unter der Grundwellenlänge führte die Verwendung der Laserwellenlänge 266 nm zu keinen signifikanten Verbesserungen der Resultate. Die Aufnahme transienter Signale sollte zur Erkennung von Elementverteilungen in Glasoberflächen dienen. Am Beispiel eines Natron-Kalk-Glases wurden in einzelnen Schichten verschiedene Elementkonzentrationen festgestellt. Weiterhin konnten mit dieser Technik Glasampullen erkannt werden, deren Oberflächen durch ein Silikonisierungsverfahren vergütet waren. Zum Abschluß der Untersuchungen wurde versucht, auf Grundlage der unnormierten Intensitätsdaten der LA-Messungen Gläser zu klassifizieren. Hierzu wurde die lineare Diskriminanzanalyse eingesetzt, mit deren Hilfe nach Variablenreduktion (8 von 13 Isotopen) alle eingesetzten Glasarten korrekt identifiziert werden konnten. Durch das entwickelte und validierte LA-ICP-MS-Verfahren steht eine leistungsfähige Technik zur quantitativen Untersuchung der chemischen Zusammensetzung von Gläsern sowie zur Identifizierung der jeweiligen Glassorte zur Verfügung. / The chemical composition of pharmaceutical glasses (ampoules, infusion bottles, plunger) has been determined by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS). A Nd:YAG laser with 10 Hz repetition rate in the q-switch mode at its fundamental wavelength and its 4th harmonic (1064 and 266 nm) was used to identify common types of pharmaceutical glasses. The following isotopes were used for measurements: 7Li, 11B, 23Na, 24Mg, 27Al, 28Si, 29Si, 30Si, 39K, 42Ca, 47Ti, 57Fe, 90Zr, 121Sb, 137Ba. Relative standard deviations between 1.8 % and 8.0 % of the quantitative results were obtained. 29Si was used as internal standard. Standard reference materials (soda-lime-, lead- and borosilicate glasses) were used for external calibration of laser sampling. Linear calibration functions for each isotope were found. The accuracy was determined by digestion of all samples and standard materials in a two-step-procedure by nitric/fluoric acid, measurement and external calibration by ICP-MS with multi-elemental standard solutions. Digestion and laser ablation results agreed within 8 % with the certified values. The proof of representative ablation was given by sufficient agreement of intensity ratios of most isotopes with the corresponding theoretical values. Further precision, sensititivity, selectivity, limit of detection, limit of quantitation and robustness were determined. In contrast to the fundamental wavelength the laserablation technique with 266 nm showed no significant improvement in the quality of the results. By measuring transient signals element concentrations of surface layers should be detected. Differing concentrations could be determined in soda-lime-glass samples. Also different surface-treated borosilicate-glass ampoules were examined by this method. Silicon-treated glass surfaces could be identified. Finally raw data of LA measurements were used for applying linear discriminant analysis. After reduction of the used variables (8 of 13 isotopes) all types of glasses could be distinguished only by their intensity data of LA measurements. The developed LA-ICP-MS method is a powerful technique to distinguish different types of pharmaceutical glasses and to examine their chemical composition.

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