Die Messung der Schichtdicke und die Charakterisierung von Oberflächen ist in modernen Produktionsprozessen von elementarem Interesse. Fehler wirken sich nicht nur unmittelbar sondern auch in der Weiterverarbeitung zum Endprodukt aus. In der Praxis werden zunehmend immer dünnere Schichten und edlere Materialien verarbeitet, was neue Verfahren notwendig macht. In dieser Arbeit sind mechanischer Aufbau, optische Komponenten, elektronische Bauteile und Eigenschaften eines Messsystems beschrieben, welches erstmals in der Lage ist, den Mengenauftrag trockener Konversions-Schutzschichten auf Aluminiumsubstraten hochempfindlich, berührungslos und nicht-destruktiv zu bestimmen. Das Messsystem ist bereits seit einigen Monaten im industriellen Einsatz. Die Messergebnisse wurden im Rahmen dieser Arbeit in einen Kontext vielfältiger Analysemethoden gesetzt und es konnte gezeigt werden, dass die anorganischen Komponenten der Konversionsschicht maßgeblichen Anteil an der Signalbildung haben. Entscheidend für die Qualität der Beschichtung von Substraten mit Vorbehandlung ist die Bestimmung des Zirkoniumgehalts. Die Robustheit der Methode gegenüber Störungen durch andere Parameter (Abstand, Energie, Trocknungs- Temperatur und anderen) wurde erwiesen. Im Vergleich mit anderen kommerziell verfügbaren Methoden zeigt das entwickelte Messsystem keine größeren Schwächen. Es kann prinzipiell nicht nur für Konversionsschichten, sondern außerdem für viele andere Schichtsysteme genutzt werden. Das in dieser vorgestellte Messsystem und seine grundlegende Funktionsweise wurden am 18. Februar 2014 zum Patent in den USA eingereicht.

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Bioinspirierte Polymere, die die Multidomänenstruktur des Muskelproteins Titin imitieren, wurden auf Grundlage von zuvor synthetisierten, zyklischen Präpolymeren, die Wasserstoffbrückenbindungen-tragende Monomere enthalten, hergestellt und hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften untersucht.  Zunächst wurde die Ringexpansionspolymerisation (REP) zur Erzeugung zyklischer Makromoleküle, die auf einer von Nishikubo et al. entwickelten, lebenden Gruppentransferpolymerisation von Thiiranmonomeren mit Acylgruppen-tragenden Initiatoren basiert, eingehend untersucht. Im Speziellen wurde ein System, bestehend aus dem zyklischen Initiator 2,4-Thiazolidindion (TZD) und Derivaten desselben, dem Katalysator Tetrabutylammoniumchlorid, verschiedenartig substituierten Thiiranmonomeren 2-(Phenoxymethyl)thiiran (PMT), 2-Methylthiiran (MT), 2-(tert-Butoxymethyl)thiiran (TBMT), 2-((o-Methylphenoxy)methyl)thiiran (MPMT) und dem Lösungsmittel N-Methylpyrrolidin-2-on verwendet. Bei der Insertion der Monomere MT, TBMT und MPMT in TZD, die unter guter Kontrolle des Polymerisationsgrads und der Dispersität stattfand, wurde eine Verschmelzung der Ringe zu größeren Ringstrukturen mit einem Verschmelzungsgrad von bis zu zwei, bei Verwendung von PMT sogar von bis zu vier beobachtet. Der Grad dieser Verschmelzung nahm im Fall von PMT mit zunehmender Monomerkonzentration, zunehmendem molaren Monomer-zu-Initiator-Verhältnis und zunehmender Reaktionstemperatur ab, während er bei den anderen Monomeren keine Konzentrations- und Temperaturabhängigkeit zeigte. Durch Anpassung der Molmassenverteilungen mittels einer Summe von Gauß-Funktionen im Fall der PMT-Polymere konnte die zeitliche Änderung der molaren Anteile der verschiedenen Ringspezies verfolgt werden. So wurden für Polymerkonzentrationen von 14 bis 52 Gew-% Geschwindigkeitskoeffizienten der Verschmelzung, die sich über Größenordnungen von 10^(−2) bis 10^(−6) L/mol/s erstrecken, ermittelt. Bei Verwendung von in 3-Position substituierten TZD-Derivaten wurde eine Zunahme der Anzahl verschmolzener Makrozyklen von bis zu sieben festgestellt. Die Bildung zyklischer Strukturen wurde mittels Massenspektrometrie und rasterkraftmikroskopischer (AFM) Aufnahmen gezeigt.  Neben den Homopolymerisationen wurden zyklische (AB)n-Multiblockcopolymere aus MT und PMT mit bis zu acht aus der Ringverschmelzung resultierenden Blöcken synthetisiert. Sie zeigten im Zugversuch, aufgrund der verschiedenen Topologien, im Vergleich zu linearen Diblockcopolymeren ähnlicher Zusammensetzung, deutliche Unterschiede in der maximalen Zugdehnung und der Zähigkeit.  Weiterhin wurden die eingangs erwähnten bioinspirierten Polymere durch Kombination von zyklischen und linearen Segmenten hergestellt und auf ihre mechanischen Eigenschaften untersucht. Dazu wurden zyklische (ABC)n-Multiblockcopolymere, die zusätzlich einen kurzen Block des Monomers Ethyl-2-(4-(thiiran-2-ylmethoxy)benzamido)acetat (ETBAA) enthielten, der zur Ausbildung selbstkomplementärer Wasserstoffbrückenbindungen in der Lage ist, synthetisiert. Diese Präpolymere wurden mittels 1,3-dipolarer Cycloaddition in einer Polyadditionsreaktion mit einem niedermolekularen, bifunktionellen Verknüpfungsagens oder mit monofunktionellem Poly-n-butylacrylat (PBA) bzw. Polymethylacrylat (PMA), welche mittels RAFT-Polymerisation hergestellt wurden, verknüpft. So konnte im ersten Fall eine Poly-Ringpolymer-Topologie mit bis zu 19 nachgewiesenen Wiederholeinheiten und im zweiten Fall ein Polymer mit Kette–Ring–Kette-Topologie erhalten werden.  Untersuchungen der Proben im Zugversuch zeigten beim Kette–Ring–Kette-Polymer bis auf eine höhere Elastizität keine verbesserten Materialeigenschaften im Vergleich zum linearen PMA-Präpolymer. Die Poly-Ringpolymere hingegen zeigten im Gegensatz zu den Ringpolymeren ein einzigartiges Spannungs-Dehnungsverhalten, bessere Elastizitätseigenschaften und eine Erhöhung der anwendbaren Spannung bei gleicher Dehnung. Dies wurde durch den Einfluss inter- und intramolekular ausgebildeter physikalischer Bindungen durch die enthaltenen selbstkomplementären Wasserstoffbrückenbindungsmotive hervorgerufen. Eines der untersuchten Poly-Ringpolymere zeigte aufgrund der Ausbildung eines reversiblen physikalischen Netzwerkes sogar ein Formgedächtnis und die Fähigkeit zu einer partiellen Selbstheilung.

Im Rahmen dieses Promotionsprojektes wurde ein neues, chirales Orientierungsmedium zur Enantiomerenunterscheidung chiraler Amine vorgestellt. Ausgehend von dem enantiomerenreinen (R)- oder (S)-konfigurierten beta-Aminoalkohol, wurde in einer fünfstufigen Synthese (R)- respektive (S)-2-Acrylamido-2-phenylethansulfonsäure ((R)- / (S)-APhES), das zugrundeliegende chirale Monomer dieses neuen Polymergel-basierten Orientierungsmediums, hergestellt. Die daraus resultierenden chiralen Polymergele sind somit in beiden enantiomeren Formen zugänglich. Während die bisher existenten chiralen Orientierungsmedien auf wässrige Lösungen oder apolare organische Lösungsmittel beschränkt waren, zeichnet sich das neue Polymergel durch exzellente Quell- und Orientierungseigenschaften in polaren Lösungsmitteln, wie DMSO, DMF, MeOH und Wasser aus. Im Gegensatz zu den flüssigkristallinen Orientierungsmedien gibt es keine minimale, kritische Konzentration, sodass die Orientierungsstärke, je nach Bedarf, über einen weiten Bereich skaliert werden kann. Neben den exzellenten Orientierungseigenschaften, zeichnet sich dieses neue chirale Polymergel aber hauptsächlich durch seine enantiodiskriminierende Fähigkeit aus. So konnten die beiden Enantiomere des erythro-Mefloquin Hydrochlorids auf Grund unterschiedlicher dipolarer Restkopplungen (RDCs) erfolgreich unterschieden werden. Anhand von Strychnin Hydrochlorid und Menthylamin Hydrochlorid wurde das enantiodiskriminierende Potential der APhES-Gele an zwei weiteren Beispielen erfolgreich demonstriert. In einem unabhängigen Nebenprojekt konnte die absolute Konfiguration von erythro-Mefloquin Hydrochlorid, dem Wirkstoff eines hochrelevanten Anti-Malaria-Medikamentes, erfolgreich bestimmt werden. Bei dem racemisch eingesetzten Wirkstoff wurden seit dessen Entwicklung und besonders im vergangenen Jahrzehnt immer wieder kontroverse Strukturvorschläge bezüglich der absoluten Konfiguration publiziert. Da die beiden etablierten Methoden zur Bestimmung der absoluten Konfiguration, d.h. Totalsynthese oder Kristallstrukturanalyse, zu entgegengesetzten Ergebnissen führten, wurde im Rahmen dieser Promotion eine interdisziplinäre Methode gewählt, bestehend aus den spektroskopischen Verfahren NMR, ORD und ECD in Kombination mit quantenmechanischen DFT-Rechnungen. Basierend auf diesem Ansatz wurde die absolute Konfiguration von (–)-erythro-Mefloquin Hydrochlorid eindeutig als 11R,12S bestimmt. Dieses Ergebnis wurde kurze Zeit später, ebenfalls in dieser Abteilung, durch zwei unabhängige synthetische respektive synthetisch/analytische Methoden bestätigt.

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