Diss. Univ. Hamburg, 2007.

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In Analogie zu natürlichen Proteingerüsten wurden poly-Acrylamid-Hydrogele mit polaren funktionellen Gruppen modifiziert, die in der Biomineralisation eine wichtige Rolle spielen. Durch gezielte Variation der Synthesebedingungen ist es möglich, Art, Gehalt und räumliche Anordnung der ionischen Funktionalitäten in den Copolymernetzwerken einzustellen. Die Hydrogele wurden in einer Doppeldiffusionsanordnung zur Mineralisation von CaCO3 eingesetzt und die Ergebnisse mit Gelatinegel als natürlichem Reaktionsmedium verglichen. Entgegen der ursprünglichen Erwartungen konnten in Gelatinegel keine Hinweise auf molekular-chemische Wechselwirkungen zwischen dem Proteinnetzwerk und den Mineralisationsprodukten nachgewiesen werden. Im Verlauf der Kristallisation wird die organische Matrix lediglich passiv inkorporiert. Allerdings bewirkt die heterogene Verteilung in den hantelähnlichen Kompositpartikeln die Auffächerung der Wachstumsfronten, so daß sich im Verlauf des Kristallwachstums eine Zwillingsstruktur der makroskopischen Produkte ausbildet. Der Netzwerkeffekt der organischen Matrix wird jedoch von dem lokalen chemischen Milieu in dem Gelkörper überlagert. Die Ähnlichkeit der Produkte mit natürlichen Biomineralen weist darauf hin, daß auch Biomineralisationsprozesse lediglich Folge eines unspezifischen chemischen Milieus sein können. Deutliche Analogien zu natürlichen Biomineralisationsprodukten wurden bei der Materialabscheidung in unfunktionalisierten poly-Acrylamid-Hydrogelen beobachtet. Die oktaedrische Form der Mineralisationsprodukte ist untypisch für Calcit und kennzeichnet einen spezifischen Kristallisationsmechanismus. Obwohl die Aggregate aus zahlreichen rhomboedrischen Calcit-Bausteinen zusammengefügt sind, weisen die makroskopischen Produkte eine gestörte einkristalline Struktur auf. Das große Mosaik der Röntgenbeugungsmaxima ist auf die Fehlorientierung kohärent streuender Bereiche zurückzuführen. Basierend auf den Untersuchungsergebnissen wurde ein Aggregationsmodell postuliert: Die simultane orientierte Verwachsung rhomboedrischer Untereinheiten sowie das Flächenwachstum dieser Bausteine führt zu der oktaedrischen Morphologie der Aggregate. Die prinzipielle Analogie der Mineralisationsprodukte mit vielen Biomineralen richtet den Blick auf die Frage, inwieweit alleine die physikalische Struktur extrazellulärer Matrices eine wichtige Rolle bei der Biomineralisation spielt. Die Ergebnisse der Mineralisationsversuche in Sulfonat-funktionalisierten Hydrogelen untermauern den dominanten Effekt der Netzwerkstruktur. Die stark polaren funktionellen Gruppen modifizieren lediglich die Morphologie der Aggregate, führen aber nicht zu einer grundlegenden Veränderung der Nukleation und des Wachstumsmechanismus. Demgegenüber zeigt sich in Carboxylat-funktionalisiertem poly-Acrylamid eine deutlich erhöhte Keimdichte und eine intermediäre Stabilisierung von Vaterit. Dieser spezifische Einfluß der Carboxylatgruppen auf die Keimbildung relativiert das oft für Biomineralisationsvorgänge postulierte ionotrope Nukleationsmodell und unterstreicht die Notwendigkeit einer stereochemischen Verwandtschaft zwischen den organischen Funktionalitäten und der entstehenden Kristallphase. Besonders deutlich wird die Bedeutung der Carboxylatgruppen bei der Mineralisation in Gelmatrices, die mit poly-L-Aspartat versetzt wurden. Die Wirkungsweise des Gelatinegels sowie der Kompartimenteffekt des poly-Acrylamid wird durch die Wechselwirkung des Additivs mit der anorganischen Phase überkompensiert: Im Verlauf der Doppeldiffusion entstehen in den untersuchten Hydrogelen Vaterit-Agglomerate, die permanent stabilisiert sind. Da die Kristallisationsmechanismen der reinen Gelmatrices rhomboedrische Calcit-Keimkristalle voraussetzen, werden die Netzwerkeffekte durch die Bildung sphärischer Vaterit-Partikel außer Kraft gesetzt. Möglicherweise beruht auch die Morphogenese natürlicher Biomineralisationsprodukte auf einem Wechselspiel des physikalischen Netzwerkeffekts einer extrazellulären Matrix und der Wirkungsweise modifikationsselektiver Makromoleküle. In den unterschiedlichen Hydrogelmatrices sind, trotz einheitlicher Versuchsbedingungen, drei grundsätzlich verschiedene Kristallisationsmechanismen des Calcits wirksam: In Gelatinegel kommt es zu lagenweisem Wachstum, die oktaedrischen Produkte aus poly-Acrylamid gehen auf die Aggregation vorgeformter Untereinheiten zurück und in Carboxylat-funktionalisierten Netzwerken entstehen sphärolithische Kristalle. Diese Ergebnisse belegen auf anschauliche Weise eine Wechselwirkung der organischen Matrix mit der anorganischen Phase. In natürlichen Systemen wird dieser Effekt durch komplexe genetische und zelluläre Prozesse gesteuert, die sich in-vitro nicht simulieren lassen. Allerdings weisen die Analogien der Mineralisationsversuche mit natürlichen Biomineralisationsprozessen auf vergleichbare Prinzipien hin. Demzufolge können die Mechanismen der Biomineralisation verhältnismäßig trivial sein, allein die biologische Reproduzierbarkeit der Materialabscheidung setzt ein hohes Maß an genetischer Steuerung voraus. Von einer weiterführenden Untersuchung der Mechanismen, die der Biomineralisation zugrunde liegen, sind wesentliche Impulse für eine biomimetische Materialsynthese zu erwarten. Wie die spezifische Wechselwirkung der Carboxylatgruppen mit der Kristallphase nahelegt, sollten die molekular-chemischen Effekte polarer funktioneller Gruppen im Mittelpunkt des Interesses stehen. Für ein besseres Gesamtverständnis muß daher eine Brücke zwischen der "mesoskopischen" Wirkung gelartiger Medien und entsprechenden Vorgängen auf atomarer Skala geschlagen werden. Die atomaren Mechanismen bei der Kristallisation von CaCO3 in Gegenwart verschiedener Additive werden in einem Partnerprojekt an der Universität Münster untersucht [Set03]. Die Zusammenführung dieser beiden Sichtweisen läßt ein tiefgreifendes Verständnis der allgemeinen Prinzipien der Biomineralisation erwarten. / By analogy to natural protein networks poly-acrylamide hydrogels were modified with polar functional groups, that are relevant for biomineralization processes. The copolymer synthesis is modified in order to adjust the type, content and spatial arrangement of ionic functional groups within the network. CaCO3 particles are grown in these matrices using a counter-diffusion arrangement. The results are compared to the mineralization in a natural reference medium of gelatin hydrogel. Although the microstructural analysis revealed a heterogeneous intergrowth of gelatin and inorganic phases within the particles, the composite growth is rather a consequence of the local chemical environment. The incorporated organic matrix, however, interacts with the crystal faces of a rhombohedral nucleus. For steric reasons, the lamellar assembly of the organic and inorganic material leads to twinning of the macroscopic products in the course of crystal growth. The analogy of the dumbbell-shaped composite particles to some biominerals suggests that biological crystallization may take place under comparable conditions. The crystal aggregates isolated from unfunctionalized poly-acrylamide hydrogel show striking similarities to natural biomineralization products. The octahedral morphology of the aggregates is unexpected for calcite crystals. Although the aggregates consist of independent rhombohedral calcite building blocks, the structure of the macroscopic products corresponds to distorted single crystals. The large mosaic spread of the X-ray diffraction spots is a consequence of the misalignment of coherent scattering domains within the macrocrystal structure. Based on the results a specific aggregate growth model is proposed: The observed octahedral morphology is attributed to the simultaneous oriented attachment of rhombohedral subunits and the layer-by-layer growth of these building blocks. Because of the general analogy of the hydrogel-grown aggregates with many biominerals the question arises, whether the physical structure of extracellular matrices is important for biomineralization as well. Experiments in copolymers containing sulfonate groups confirm the dominant effect of the network structure for the mineralization within hydrogel matrices. The morphology of the aggregates is just slightly altered by the highly polar functional groups. The aggregation-based growth of the products corresponds to the mechanism observed for the mineralization in unfunctionalized poly-acrylamide. On the other hand, the crystallization in matrices containing carboxylate groups is fundamentally different. Within these hydrogels the density of nucleation is increased and vaterite is intermediatly stabilized. This specific influence of the functional groups on the crystallization of CaCO3 extends the commonly proposed ionotropic model of biomineral nucleation. Within the biomimetic model system the mineralization is highly affected by the stereochemical matching of organic functional groups and the inorganic crystal phase. The significance of the carboxylate groups for the mineralization of CaCO3 is emphasized by the experimental results using hydrogels containing poly-L-aspartate. The addition of poly-L-aspartate to the pore solution of either gelatin or poly-acrylamide hydrogel appears to overcompensate the physical properties of the organic matrix, leading to permanently stabilized vaterite agglomerates. Since the crystal growth mechanism in pure hydrogel matrices is based on rhombohedral calcite nuclei, the morphogenetic effect of the physical hydrogel structure is suspended due to formation of spherical vaterite particles. Possibly, the interaction between the network structure of extracellular matrices and the polymorph selective effect of organic macromolecules is relevant for the morphogenesis in biological systems as well. Three fundamentally different mechanisms of crystal growth are observed for the mineralization in the matrices used: Corresponding to classical models of crystallization the products isolated from gelatin hydrogel grow by a layer-by-layer mechanism, assembly of preformed building blocks within unfunctionalized poly-acrylamide leads to octahedral aggregates and within networks containing carboxylate groups spherolitic crystal growth is observed. These results obviously prove extensive interactions between the organic matrix and the inorganic phase. In natural systems these effects are adjusted by complex genetic and cellular processes, that are not accessible for in-vitro methods. However, the analogies of the experiments with biomineralization processes indicate comparable principles. Whereas the biological reproducibility of biomineralization implies a high degree of genetic control, the underlying mechanisms could be rather trivial. It is expected that further investigations of the mechanisms of biomineralization will provide fundamental stimuli for the field of biomimetic materials synthesis. As indicated by the specific interactions of carboxylate groups and the evolving crystal phase, further research should focus on the molecular-chemical influence of polar functional groups. To unravel the mechanisms of biomineralization the described mesoscopic effects of the hydrogel matrices and the respective processes at an atomar scale should be combined. The molecular-chemical mechanisms in the course of CaCO3 crystallization in aqueous solutions containing various organic additives are studied within an associate project at the University of Münster [Set03]. The combination of both approaches should provide an improved understanding of the general principles of biomineralization.

Es wurden Versuche zur Verbesserung der pH–Wert-Abhängigkeit der elektrochemischen Aktivität von Polyanilin (PANI) durch elektrochemische Copolymerisation von Anilin (ANI) mit o-Aminophenol (OAP), einem Anilinderivat mit zwei oxidierbaren Gruppen (Amino- und Hydroxylgruppe), durchgeführt. Diese Eigenschaft ist für die Anwendung in Sensoren, Biosensoren, Biokraftstoffzellen und Akkus erstrebenswert. Die Copolymerisation wurde mit verschiedenen Konzentrationen von OAP und einer konstanten Konzentration von AN in wässriger Schwefelsäurelösung durchgeführt. Die Überwachung der Copolymerisation erfolgte mit Hilfe zyklischer Voltammetrie (CV) und in situ UV-Vis Spektroskopie wurde die verfolgt. Homo- und Copolymere wurden mittels CV, in situ Leitfähigkeitsmessungen, FTIR-Spektroskopie, in situ UV-Vis und Raman-spektroelektrochemischen Untersuchungen charakterisiert. Die Copolymerisationsrate und die Eigenschaften der Copolymere hängen in hohem Maße von der Monomerkonzentration ab. Bei hohen OAP–Molarbrüchen wurde eine starke Hemmung der Elektropolymerisation beobachtet. Die unter optimalen Bedingungen hergestellten CVs der Copolymere zeigen eine Verschiebung des ersten Redoxpaares um 0,10 V in positive Richtung. Der Reduktionspeak des ersten PANI-Redoxpaares ist durch ein Stromplateau zwischen 0,06 und 0,28 V ersetzt. Die Copolymere weisen eine gute Haftung auf der Elektrodenoberfläche auf und zeigen Redoxprozesse bis pH = 10,0 (Copolymere A und B). Wie bei PANI wurden bei den in situ Leitfähigkeitsmessungen der Copolymere zwei Umwandlungen beobachtet. Im Vergleich dazu waren die Leitfähig keiten jedoch um 2,5 bis 3,0 Größenordnungen geringer. Nach der Initiationsreaktion zeigte die Elektrosynthese von PANI auf POAP–modifizierten Elektroden eine Copolymerbildu ng und schließlich die Bildung eines PANI–Films an der Grenzfläche Copolymer/Lösung. Der “Memoryeffekt“ der Doppelschichtstrukturen beider Polymere wird in Bezug auf die während der Redoxprozesse stattfindenden Protonierung/Deprotonierung und Anionenver brauch diskutiert. In situ UV-Vis spektroelektrochemische Studien der Copolymerisation von OAP mit ANI bei konstanten Potentialen auf Indiumzinnoxid (ITO) beschichteten Glaselektroden zeigten die Bildung eines Zwischenproduktes bei der Initialisierung der Copolymerisation durch eine Reaktion der OAP–Kationenradikale mit denen des ANI. Es bilden sich Kopf-Schwanz-Dimere oder Oligomere. Im UV-Vis Spektrum wurde dem Zwischenprodukt ein Adsorptionspeak bei 520 nm zugeschri- eben. Weiterhin wurden charakteristische UV-Vis und Raman-Banden der Copolymere auf ITO–Glas - und Goldelektroden identifiziert und deren Einfluss auf das Elektrodenpotenzial erörtert. Die spektroelektrochemischen Ergebnisse zeigen die Bildung von auf PANI basierenden Copolymeren bei geringen OAP–Konzentrationen. Der vermehrte Einbau von OAP–Einheiten in das Copolymer bei höheren OAP–Konzentrationen führte jedoch zu signifikanten spektroelektrochemischen Unterschieden im Vergleich zu den beiden Homopolymeren, was auch die FTIR-Spektren unterstreichen. Die CVs der POAP–Filme, die potentiostatisch bei relativ niedrigen Elektrodenpotentialen (ESCE = 0,70…0,80 V) synthetisiert wurden, zeigen zwei Redoxprozesse, im Gegensatz zu den in der Literatur veröffentlichten Werten über potenziodynamisch hergestelltes POAP (ESCE = 0,29 V). Das Polymer wurde mittels in situ UV-Vis und in situ Raman Spektroelektrochemie untersucht. Unter Verwendung eines Kr+-Lasers (647.1 nm) wird das um 1645 cm-1 beobachtete Raman-Band diskutiert. Die Intensität dieses Bandes wächst in positive Potentialrichtung bis zu einem Maximum von ESCE = 0,30 V. Danach fällt es wieder ab, was auf das Vorhandensein von Zwischenprodukten schließen lässt.

Es wurden Versuche zur Verbesserung der pH–Wert-Abhängigkeit der elektrochemischen Aktivität von Polyanilin (PANI) durch elektrochemische Copolymerisation von Anilin (ANI) mit o-Aminophenol (OAP), einem Anilinderivat mit zwei oxidierbaren Gruppen (Amino- und Hydroxylgruppe), durchgeführt. Diese Eigenschaft ist für die Anwendung in Sensoren, Biosensoren, Biokraftstoffzellen und Akkus erstrebenswert. Die Copolymerisation wurde mit verschiedenen Konzentrationen von OAP und einer konstanten Konzentration von AN in wässriger Schwefelsäurelösung durchgeführt. Die Überwachung der Copolymerisation erfolgte mit Hilfe zyklischer Voltammetrie (CV) und in situ UV-Vis Spektroskopie wurde die verfolgt. Homo- und Copolymere wurden mittels CV, in situ Leitfähigkeitsmessungen, FTIR-Spektroskopie, in situ UV-Vis und Raman-spektroelektrochemischen Untersuchungen charakterisiert. Die Copolymerisationsrate und die Eigenschaften der Copolymere hängen in hohem Maße von der Monomerkonzentration ab. Bei hohen OAP–Molarbrüchen wurde eine starke Hemmung der Elektropolymerisation beobachtet. Die unter optimalen Bedingungen hergestellten CVs der Copolymere zeigen eine Verschiebung des ersten Redoxpaares um 0,10 V in positive Richtung. Der Reduktionspeak des ersten PANI-Redoxpaares ist durch ein Stromplateau zwischen 0,06 und 0,28 V ersetzt. Die Copolymere weisen eine gute Haftung auf der Elektrodenoberfläche auf und zeigen Redoxprozesse bis pH = 10,0 (Copolymere A und B). Wie bei PANI wurden bei den in situ Leitfähigkeitsmessungen der Copolymere zwei Umwandlungen beobachtet. Im Vergleich dazu waren die Leitfähig keiten jedoch um 2,5 bis 3,0 Größenordnungen geringer. Nach der Initiationsreaktion zeigte die Elektrosynthese von PANI auf POAP–modifizierten Elektroden eine Copolymerbildu ng und schließlich die Bildung eines PANI–Films an der Grenzfläche Copolymer/Lösung. Der “Memoryeffekt“ der Doppelschichtstrukturen beider Polymere wird in Bezug auf die während der Redoxprozesse stattfindenden Protonierung/Deprotonierung und Anionenver brauch diskutiert. In situ UV-Vis spektroelektrochemische Studien der Copolymerisation von OAP mit ANI bei konstanten Potentialen auf Indiumzinnoxid (ITO) beschichteten Glaselektroden zeigten die Bildung eines Zwischenproduktes bei der Initialisierung der Copolymerisation durch eine Reaktion der OAP–Kationenradikale mit denen des ANI. Es bilden sich Kopf-Schwanz-Dimere oder Oligomere. Im UV-Vis Spektrum wurde dem Zwischenprodukt ein Adsorptionspeak bei 520 nm zugeschri- eben. Weiterhin wurden charakteristische UV-Vis und Raman-Banden der Copolymere auf ITO–Glas - und Goldelektroden identifiziert und deren Einfluss auf das Elektrodenpotenzial erörtert. Die spektroelektrochemischen Ergebnisse zeigen die Bildung von auf PANI basierenden Copolymeren bei geringen OAP–Konzentrationen. Der vermehrte Einbau von OAP–Einheiten in das Copolymer bei höheren OAP–Konzentrationen führte jedoch zu signifikanten spektroelektrochemischen Unterschieden im Vergleich zu den beiden Homopolymeren, was auch die FTIR-Spektren unterstreichen. Die CVs der POAP–Filme, die potentiostatisch bei relativ niedrigen Elektrodenpotentialen (ESCE = 0,70…0,80 V) synthetisiert wurden, zeigen zwei Redoxprozesse, im Gegensatz zu den in der Literatur veröffentlichten Werten über potenziodynamisch hergestelltes POAP (ESCE = 0,29 V). Das Polymer wurde mittels in situ UV-Vis und in situ Raman Spektroelektrochemie untersucht. Unter Verwendung eines Kr+-Lasers (647.1 nm) wird das um 1645 cm-1 beobachtete Raman-Band diskutiert. Die Intensität dieses Bandes wächst in positive Potentialrichtung bis zu einem Maximum von ESCE = 0,30 V. Danach fällt es wieder ab, was auf das Vorhandensein von Zwischenprodukten schließen lässt.

La Tesis està dividida en dues parts, en la primera part es descriu l’ús del diòxid de carboni com a dissolvent alternatiu en la reacció catalitzada amb complexos catiònics i dicatiònics de pal•ladi en la copolimerització de CO/vinyl arens comparant l’activitat catalítica amb el medi convencional (2,2,2-trifluoroetanol). S’ha estudiat el mecanisme d’iniciació i terminació de la reacció de copolimerització mitjançant l’estudi per MALDI-TOF dels copolímers. La química de coordinació del lligand hibrid bidentat P,N 2-(2’-pyridyl)-4,6-diphenylphosphinine (L4) amb Pd(II), Pt(II) i Rh(I) han estat investigats. La reactivitat dels complexos de Pd(II) i Pt(II) amb alcohols (quirals) i amines (quirals) a elevada temperatura, dóna lloc al complex [MCl2[L4H•XR] (XR = OR or NR1R2). En la segona part de la Tesis es descriu l’ús del diòxid de carboni com a matèria prima en la reacció de copolimerització de CO2 amb epòxid catalitzada amb complexos de zinc (II). L’efecte dels diferents substituents dels lligands aminoalcohols en front la productivitat i la selectivitat pel policarbonat es va estudiar en dita reacció. Per altra banda, es van sintetitzar i caracteritzar nous complexos de Zn(II) amb lligands N,N,O-tridentats i es van obtenir resultats catalítics preliminars. / The Thesis is divided in two parts, in the first part is described the use of carbon dioxide as green solvent in dicationic and cationic palladium catalysed CO/vinyl arenes copolymerisation comparing the catalytic activity with conventional media (2,2,2-trifluoroethanol). The initiation and termination mechanism of the copolymerisation reaction was studied by MALDI-TOF analysis of the copolymers. The coordination chemistry of the bidentate P,N hybrid ligand 2-(2’-pyridyl)-4,6-diphenylphosphinine (L4) towards Pd(II), Pt(II) and Rh(I) was investigated. Both Pd(II) and Pt(II) complexes reacted with (chiral) alcohols and (chiral) amines at the P=C double bond at elevated temperature, leading to the corresponding products [MCl2[L4H•XR] (XR = OR or NR1R2). In the second part is described the use of carbon dioxide as C1 building block in zinc (II) catalysed CO2/epoxides copolymerisation. The effect in the productivity and polycarbonate selectivity of the different amino-alcohol substituents were studied. Moreover, new zinc (II) Schiff base complexes were synthesized; characterized and preliminary catalytic studies were obtained.

Universiẗat, Diss., 2000--Stuttgart.