In der vorliegenden Arbeit wurde die Phasenbildung im ternären System Ni(OH)2-NiCl2-H2O systematisch untersucht. Die basischen Nickel(II)-chlorid Phasen NiCl(OH), Ni2Cl(OH)3, NiClx(OH)2-x, Ni3Cl2+x(OH)4-x ∙ 2 H2O mit x = 0,26; 0,48; 0,82 und Ni3Cl2+x(OH)4-x ∙ 4 H2O mit x = 0,10 konnten phasenrein hergestellt und deren Kristallstrukturen mittels hochauflösender Röntgenpulverdiffraktometrie aufgeklärt werden. Die so erhaltenen strukturellen Daten wurden durch Anwendung von IR-und Spektroskopie, UV/VIS-Spektroskopie, SQUID-Messungen, Thermoanalysen und temperaturaufgelöster in-situ Röntgenpulverdiffraktometrie als komplementäre Methoden bestätigt. Weiterhin konnte eine allgemein anwendbare Routine zur Beschreibung der Diffraktionseffekte stapelfehlerbehafteter Schichtverbindungen für das Programm TOPAS entwickelt werden. Die Bildung und Stabilität der basischen Nickel(II)-chlorid Phasen in wässriger Nickel(II)-chlorid Lösung wurde systematisch bei 200°C und 25°C über Zeiträume von zwei Jahren untersucht und Löslichkeitsdaten ermittelt. Des Weiteren erfolgte die Untersuchung der Wechselwirkung von Magnesium Oxid und basischen Magnesiumchlorid Phasen mit wässrigen nickelhaltigen Magnesiumchlorid Lösungen. Hierbei konnte die Mischkristallbildung zwischen analogen basischen Magnesium- und Nickel(II)-chloridphasen beobachtet werden. Es wurde festgestellt, dass basische Magnesiumchloride und Magnesiumoxid ein gutes Rückhaltevermögen für gelöstes Nickel aufweisen und dass ein Zutritt von gelöstem Nickel weder die Pufferwirkung noch die Beständigkeit der basischen Magnesiumchlorid Phasen beeinträchtigt.

It is known that boron containing compounds exhibit interesting chemical and physical properties. In the past 50 years modern preparative methods have led to an overwhelming number of different structures of novel and often unexpected boron–sulfur and boron–selenium compounds. Among all these new compounds, there was only one which comprises rare earth metal (RE), boron and heavier chalcogen, namely sulfur, the europium thioborate Eu[B2S4] [1]. Selenoborates of rare earth metals are hitherto unknown. On the other hand, rare earth oxoborates represent a well-known class of compounds [2] with a wide range of applications, especially in the field of optical materials. In addition, well-defined boron compounds containing the heavier group 16 elements are fairly difficult to prepare due to the high reactivity of in situ formed boron chalcogenides towards most container materials at elevated temperatures. The chalcogenoborates of the heavier chalcogens are sensitive against oxidation and hydrolysis and therefore have to be handled in an inert environment. Therefore, developing and optimization of preparative routes for the syntheses of pure and crystalline RE thio- and selenoborates was needed. In the course of this study, the application of different preparation routes, such as optimized high-temperature routes (HT), metathesis reactions and high-pressure high-temperature routes (Hp – HT), led to sixteen new rare earth thioborates. Their crystal structures were solved and/or refined from powder and single crystal X-ray diffraction data, while the local structure around rare earth metal was confirmed from the results of the EXAFS analyses. Quantum mechanical calculations were used within this work in order to investigate the arrangement of intrinsic vacancies on the boron sites in the crystal structures of rare earth thioborates. Thermal, magnetic and optical properties of these compounds are also discussed. The rare earth thioborates discovered during this work are the first examples of ternary thioborates containing trivalent cations. These compounds can be divided into two groups of isotypic compounds: the rare earth orthothioborates with general formula REIII[BS3] (RE = La – Nd, Sm, Gd and Tb) [3] and the rare earth thioborate sulfides with general formula REIII¦9B5S21, (RE = Gd – Lu, and Y) [4]. In the crystal structure of RE[BS3] (orthorhombic, space group Pna21, Z = 4), the sulfur atoms form the vertices of corrugated kagome nets, within which every second triangle is occupied by boron and the large hexagons are centered by RE cations. The structural features of the isotypic RE[BS3] phases show great similarities to those of rare earth oxoborates RE[BO3] and orthothioborates of alkali and alkaline earth metals as well as to thallium orthothioborate, yet pronounced differences are also observed: the [BS3]3– groups in the crystal structures of RE[BS3] are more distorted, where the distortion decreases with the decreasing size of the RE element, and the coordination environments of the [BS3]3– groups in the crystal structures of RE[BS3] are different in comparison with the coordination environments of the [BO3]3– groups in the crystal structures of λ-Nd[BO3] [5] and of o-Ce[BO3] [6]. The results of the IR and Raman investigations are in agreement with the presence of [BS3]3– anions in the crystal structure of RE[BS3]. Thermal analyses revealed the thermal stability of these compounds under inert conditions up to ~ 1200 K. Analyses of the magnetic properties of the Sm, Gd and Tb thioborates showed that both Gd and Tb phases order antiferromagnetically. The magnetic susceptibility for Sm orthothioborate approximately follows the Van-Vleck theory for Sm3+. Between 50 K and 62 K a transition appears which is independent of the magnetic field: the magnetic susceptibility becomes lower. This effect might indicate a discontinuous valence transition of Sm which was further investigated by means of XANES and X-ray diffraction using synchrotron radiation, both at low temperatures. The series of isotypic RE thioborate sulfides with composition RE9B5S21, was obtained by the application of Hp – HT conditions to starting mixtures with the initial chemical composition “REB3S6“, after careful optimization of the pressure, temperature and treatment time, as well as the composition of the starting mixtures. Their crystal structures adopt the Ce6Al3.33S14 [7] structure type (hexagonal, space group P63, Z = 2/3). The special features of the RE9B5S21 crystal structures, concerning boron site occupancies and different coordination environments of the two crystallographically independent boron sites, were investigated in more detail by means of quantum chemical calculations, electron diffraction methods, optical and X-ray absorption spectroscopy as well as by 11B NMR spectroscopy. The results obtained from these different experimental and computational methods are in good mutual agreement. The crystal structures of the RE9B5S21 compounds are characterized by two types of anions: tetrahedral [BS4]5– and trigonal planar [BS3]3– as well as [(S2–)3] units. Isolated [BS4]5– tetrahedra (all pointing with one of their apices along the polar [001] direction) represent a unique feature of the crystal structure which is observed for the first time in a thioborate compound. These tetrahedra are stacked along the three-fold rotation axes. Vacancies are located at the trigonal-planar coordinated boron site with preferred ordering –B–B––B–B–– along [001]. No superstructure is observed by means of electron diffraction methods as adjacent columns are shuffled along the c axis, giving rise to a randomly distributed vacancy pattern. Positions of the sulfur atoms within the [(S2–)3] substructure as well as planarity of the [BS3]3– units were investigated in more detail by means of quantum mechanical calculations. Results of the IR and Raman spectroscopy, as well as of the 11B NMR spectroscopy are in agreement with the presence of the boron atoms in two different coordination environments. Thermal analyses showed that compounds RE9B5S21 are stable under inert conditions up to ~ 1200 K. In accordance with the combined results of experimental and computational investigations, the chemical formula of the RE9B5S21 compounds is consistent with RE3[BS3]2[BS4]3S3. A short overview of investigations towards rare earth selenoborates, where in most of the cases only known binary rare earth selenides could be identified, is presented as well in this work. Investigations in the RE–B–Se systems were conducted by the application of different preparation routes by varying the experimental parameters and the initial compositions of the starting mixtures. Although no crystal structure of a ternary phase in these systems could be solved, there are indications that such phases exist, but further investigations are needed. [1] M. Döch, A. Hammerschmidt, B. Krebs, Z. Anorg. Allg. Chem., 2004, 630, 519. [2] H. Huppertz, Chem. Commun., 2011, 47, 131; and references therein. [3] J. Hunger, M. Borna, R. Kniep, J. Solid State Chem., 2010, 182, 702; J. Hunger, M. Borna, R. Kniep, Z. Kristallogr. NCS, 2010, 225, 217; M. Borna, J. Hunger, R. Kniep, Z. Kristallogr. NCS, 2010, 225, 223; M. Borna, J. Hunger, R. Kniep, Z. Kristallogr. NCS, 2010, 225, 225. [4] M. Borna, J. Hunger, A. Ormeci, D. Zahn, U. Burkhardt, W. Carrillo-Cabrera, R. Cardoso-Gil, R. Kniep, J. Solid State Chem., 2011, 184, 296; [5] H. Müller-Bunz, T. Nikelski, Th. Schleid, Z. Naturforsch. B, 2003, 58, 375. [6] H. U. Bambauer, J. Weidelt, J.-St. Ysker, Z. Kristallogr., 1969, 130, 207. [7] D. de Saint-Giniez, P. Laruelle, J. Flahaut, C. R. Séances, Acad. Sci. Ser. C, 1968, 267, 1029.:I INTRODUCTION ......................................................................... 7 1. Motivation and scope of the work .............................................. 9 2. Literature overview .................................................................. 11 2.1. The binary subsystems of the ternary systems RE–B–Q (RE = rare earth metals, Y; Q = S, Se) ......................................................... 12 2.1.1. RE–Q ............................................................................... 12 2.1.2. RE–B ............................................................................... 19 2.1.3. B–Q ................................................................................. 22 2.2. Related ternary compounds ................................................... 25 2.2.1. RE oxoborates .................................................................. 25 2.2.2. Thio- and selenoborates of alkaline, alkaline earth, transition and post transition metals ......................................................................... 33 2.2.3. The RE thioborate Eu[B2S4]................................................ 45 II PREPARATIVE METHODS AND EXPERIMENTAL TECHNIQUES .......... 47 1. Starting materials and their characterization ............................... 49 2. Synthetic approaches and optimizations .................................... 51 2.1. High-temperature routes ...................................................... 52 2.2. Metathesis reactions ............................................................ 53 2.3. Spark Plasma Sintering (SPS) ............................................... 54 2.4. High-Pressure High-Temperature (Hp – HT) Syntheses ........... 55 3. Analytical methods and samples characterization ....................... 55 3.1. Powder X-ray diffraction ...................................................... 55 3.2. Crystal structure investigations using synchrotron radiation .... 57 3.3. Single crystal X-ray diffraction analysis .................................. 57 3.4. Metallographic investigations ................................................ 58 3.5. Electron microscopy ............................................................ 58 3.5.1. Scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy ............................................................................ 58 3.5.2. Transmission electron microscopy ...................................... 59 3.6. Optical spectroscopy ........................................................... 59 3.6.1. Infra-Red spectroscopy .................................................... 59 3.6.2. Raman spectroscopy ........................................................ 60 3.7. X-ray absorption spectroscopy ............................................ 60 3.8. Thermal analysis ................................................................. 62 3.9. Magnetic susceptibility measurements ................................... 63 3.10. 11B NMR spectroscopy ..................................................... 63 3.11. Quantum chemical calculations ........................................... 64 3.11.1. Total energy calculations ................................................ 64 3.11.2. Charge transfer analysis ................................................ 64 3.11.3. Chemical bonding........................................................... 64 III RARE EARTH THIOBORATES ................................................. 67 1. Reinvestigation of the only reported rare earth thioborate – EuB2S4 ....69 2. RE[BS3] (RE = La – Nd, Sm, Gd, Tb) .................................... 69 2.1. Syntheses and phase analyses .......................................... 70 2.2. Crystal structure determinations ........................................ 74 2.3. X-ray absorption spectroscopy: EXAFS data analysis for Pr[BS3] ..... 79 2.4. Crystal chemistry .............................................................. 80 2.5. Optical spectroscopy ......................................................... 83 2.6. Thermal analysis ............................................................... 86 2.7. Magnetic susceptibility ....................................................... 88 2.8. X-ray absorption spectroscopy: XANES data analysis for Sm[BS3] .. 91 2.9. Crystal structure investigation at low temperature using synchrotron radiation ................................................................................... 91 2.10. Summary ......................................................................... 95 3. Gd[BS3] : Ce, Eu, Tb ............................................................. 97 3.1. Syntheses and phase analyses ............................................. 97 3.2. Crystal structure determinations ......................................... 101 3.3. Crystal chemistry .............................................................. 103 3.4. Optical spectroscopy ......................................................... 104 3.5. Thermal analysis ............................................................... 106 3.6. Summary ......................................................................... 107 4. RE9B5S21 (RE = Tb – Lu, Y) ................................................ 107 4.1. Syntheses and phase analyses ........................................... 108 4.2. Crystal structure determinations ........................................ 109 4.3. Crystal chemistry .............................................................. 112 4.4. Electronic structure, charge transfer and chemical bonding .... 115 4.5. X-ray absorption spectroscopy: EXAFS data analysis for Lu9B5S21 .............................................................................. 119 4.6. Thermal analysis ............................................................... 121 4.7. 11B NMR investigations ..................................................... 122 4.8. Optical spectroscopy ......................................................... 123 4.9. Summary ......................................................................... 126 IV ON THE WAY TO RARE EARTH SELENOBORATES .................... 127 1. Towards ternary phases in the systems RE–B–Se, with RE = Sm, Tb – Lu.......................................................................................... 129 2. The system La–B–Se ........................................................... 134 3. The system Gd–B–Se .......................................................... 136 4. The system Y–B–Se ............................................................ 137 5. Summary ........................................................................... 139 V SUMMARY AND OUTLOOK ..................................................... 141 VI APPENDIX .......................................................................... 149 VII REFERENCES .................................................................... 163 VIII LIST OF FIGURES ............................................................. 181 IX LIST OF TABLES ................................................................ 193 X CURRICULUM VITAE ........................................................... 199 XI VERSICHERUNG ............................................................... 203

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Synthesis of d10 complexes of monovalent coinage metals, copper(I) and gold(I), with dithiophosphinate/diphosphine ligands -- along with their targeted characterization and screening for inorganic or organic light emitting diodes (LEDs or OLEDs, respectively) -- represents the main scope of this dissertation's scientific contribution in inorganic and materials chemistry. Photophysical studies were undertaken to quantify the phosphorescence properties of the materials in the functional forms required for LEDs or OLEDs. Computational studies were done to gain insights into the assignment of the phosphorescent emission peaks observed. The gold(I) dinuclear complexes studied would be candidates of OLED/LED devices due to room temperature phosphorescence, visible absorption/excitation bands, and low single-digit lifetimes -- which would promote higher quantum yield at higher voltages in devices with concomitant lower roll-off efficiency. The copper(I) complexes were not suited to the OLED/LED applications but can be used for thermosensing materials. Crystallographic studies were carried to elucidate coefficients of thermal expansion of the crystal unit cell for additional usage in materials applications besides optoelectronic devices. This has uncovered yet another unplanned potential application for both copper(I) and gold(I) complexes herein, as both types have been found to surpass the literature's threshold for "colossal" thermal expansion coefficients. Two other investigations represent contribution to the field of chemistry education have also been accounted for in this dissertation. First, a 12-week advanced research discovery experiment for inorganic chemistry has been designed to help students develop application-based content expertise, as well as to introduce students to research experiences that are similar to those found in academia, industry, and government research laboratories. Students are expected to develop a novel research project through conducting a literature search to find suitable reaction protocols, incorporating synthetic techniques, collecting data, characterizing products and applications of those products, and presenting their results. This multi-week research discovery experiment is centered on applications of inorganic synthetic techniques to design, analyze, and screen d10 coinage metal complexes for possible LED/OLED-based applications that were presented in chapter 3 of the dissertation. The second chemistry education contribution pertains to designing a pilot research study to investigate undergraduate chemistry majors' perceptions of environmental sources/influences, self-efficacy, outcome expectations, career interests, and career choice goals in the lab designed in chapter 4 of the dissertation. Specifically, this research aims to gauge students' perceptions of their ability to perform synthetic and analytical methods for the creation of materials that were used in a novel research experiment in the context of an inorganic chemistry laboratory. This research study used a survey to collect data on students' motivation, self-efficacy, career interests, and career goals upon graduation, along with their perceived barriers within the course. This research study is guided by the following research question: How does an inorganic chemistry laboratory course, following a research discovery model, impact undergraduate students' (a) confidence with techniques and skills, (b) perception of ability to conduct research, and (c) interest in pursuing careers involving chemistry?

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die Synthese und Charakterisierung eines thermisch-kontrollierten und eines photochemisch-kontrollierten reversiblen Polymersystems vorgestellt. Weiterhin werden Poly(dimethyl)siloxan-Oberflächen mit Amino-, Isocyanat-, Furan-, Maleimid- und Cumarin-Gruppen funktionalisiert. Hierbei werden sowohl bekannte als auch neuartige Wege der Oberflächenmodifizierung vergleichend untersucht und bewertet. Ausgehend von den hergestellten Cumarin-funktionalisierten Poly(dimethyl)siloxan-Oberflächen wird eine Anbindung des synthetisierten photochemisch-kontrollierten reversiblen Polymersystems an diese Oberflächen untersucht. Des Weiteren wird die Anbindung des synthetisierten thermisch kontrollierten reversiblen Polymersystems sowohl an den hergestellten Maleimid- als auch an den Furan-funktionalisierten Poly(dimethyl)siloxan-Oberflächen analysiert. Basierend auf den vorgestellten Cumarin-Funktionalisierungen werden photoaktive Oberflächen beschrieben und mittels ATR-IR-spektroskopischer und UV/Vis-spektroskopischer Methoden analysiert.:Inhaltsverzeichnis 6 Abkürzungsverzeichnis 10 Kapitel I Einleitung und Zielstellung 13 I.I Poly(dimethyl)siloxan 13 I.II Funktionalisierung von Oberflächen 15 I.III Reversible Polymere an Oberflächen 18 I.IV Photoaktive Oberflächen 20 Kapitel II Sauerstoffplasma-Modifizierung 21 II.I Vorbetrachtung 21 II.I. a) Plasmen – Definition und Charakterisierung 21 II.I. b) Technisch angewandte Plasmaprozesse 24 II.II Hintergrund und Motivation Sauerstoffplasma-modifizierter PDMS-Oberflächen 27 II.II. a) ATR-IR-spektroskopische Charakterisierung von Sauerstoffplasma-modifizierten PDMS-Oberflächen 28 II.II. b) Rasterkraftmikroskopische Charakterisierung von Sauerstoffplasma-modifizierten PDMS-Oberflächen 34 II.II. c) Untersuchungen zum Quellverhalten von PDMS 35 II.III Zusammenfassung 38 II.IV Experimenteller Teil 39 II.IV. a) Herstellung von Substraten aus Poly(dimethyl)siloxan 39 II.IV. b) Sauerstoffplasma-Modifikation von Poly(dimethyl)siloxan 39 Kapitel III Amino-funktionalisierte Oberflächen 40 III.I Hintergrund und Motivation Amino-funktionalisierter Oberflächen 40 III.I. a) Amino-Funktionalisierung mittels 3 Aminopropyltriethoxysilan (APTES) 41 III.I. b) Amino-Funktionalisierung nach Balachander & Sukenik 43 III.I. c) Amino-Funktionalisierung mittels Phenylendiisocyanat (PDI) 45 III.II Kontaktwinkelanalyse von unterschiedlichen Amino-Beschichtungen 48 III.III Zusammenfassung 49 III.IV Experimenteller Teil 50 III.IV. a) Amino-Funktionalisierung von PDMS-Substraten mittels APTES 50 III.IV. b) Amino-Funktionalisierung von PDMS-Substraten nach Balachander & Sukenik 50 III.IV. c) Amino-Funktionalisierung von PDMS-Substraten mittels PDI 51 Kapitel IV Maleimid-funktionalisierte Oberflächen 52 IV.I Hintergrund und Motivation Maleimid-funktionalisierter Oberflächen 52 IV.II Synthese Maleimid-funktionalisierter PDMS-Oberflächen 53 IV.II. a) Syntheseroute via Maleinsäureanhydrid (MSA-Route) 53 IV.II. b) Trichlorosilyl-funktionalisierte Maleimid-Derivate 56 IV.III Experimenteller Teil 59 IV.III. a) Synthese eines furangeschützten Maleimids 59 IV.III. b) Synthese eines furangeschützten Undec-10-enyl-1-maleimids (13) 59 IV.III. c) Synthese eines furangeschützten 11-Trichlorosilyl-undecyl-1-maleimids (14) 60 IV.III. d) Maleimid-Funktionalisierung von PDMS-Substraten mittels MSA 61 IV.III. e) Maleimid-Funktionalisierung von PDMS-Substraten mittels trichlorosilyl-funktionalisierter Maleimid-Derivate 62 Kapitel V Furan-funktionalisierte Oberflächen 63 V.I Hintergrund und Motivation Furan-funktionalisierter Oberflächen 63 V.II Herstellung Furan-funktionalisierter PDMS-Oberflächen 65 V.II. a) Trichlorosilyl-funktionalisierte Furan-Derivate an Hydroxyl-Oberflächen 65 V.II. b) Furfural an Amino-Oberflächen 67 V.II. c) Furfurylalkohol an Isocyanat-Oberflächen 69 V.III Zusammenfassung 71 V.IV Experimenteller Teil 72 V.IV. a) Synthese von Undec-10-enyl-furan-2-carboxylat (15) vgl. 72 V.IV. b) Synthese von 11-(Trichlorosilyl)undecyl- furan-2-carboxylat (16) vgl. 72 V.IV. c) Furan-Funktionalisierung mittels 11 (Trichlorosilyl)undecyl furan 2 carboxylat (16) 73 V.IV. d) Furan-Funktionalisierung mittels Furfural nach 74 V.IV. e) Furan-Funktionalisierung mittels Furfurylalkohol vgl. 74 Kapitel VI Reversible Polymere 75 VI.I Hintergrund und Motivation reversibler Polymere 75 VI.II Thermisch-kontrollierte reversible Polymerisation (DIELS-ALDER-Reaktion) 77 VI.II. a) Hintergrund thermisch-kontrollierter reversibler Polymerisationen 77 VI.II. b) DIELS-ALDER-AB-Monomer mit flexiblem Spacer 80 VI.II. c) Charakterisierung der thermisch-kontrollierten Polymerisation 83 VI.III Zusammenfassung 96 VI.IV Photochemisch-kontrollierte reversible Polymerisation 97 VI.IV. a) Hintergrund photochemisch-kontrollierter reversibler Polymerisationen 97 VI.IV. b) Synthese geeigneter Biscumarine 101 VI.V Experimenteller Teil 108 VI.V. a) Thermisch-kontrollierte reversible Polymerisationen 108 VI.V. b) Photochemisch-kontrollierte reversible Polymerisationen 114 Kapitel VII Reversible Polymere an Oberflächen 117 VII.I Anbinden von DIELS-ALDER-AB-Polymeren an Maleimid- und Furan-Oberflächen 117 VII.I. a) ATR-IR-spektroskopische Charakterisierung 119 VII.II Zusammenfassung 121 VII.III Anbinden von Biscumarinen an Cumarin-Oberflächen 122 VII.III. a) ATR-IR-spektroskopische Charakterisierung 123 VII.IV Zusammenfassung 125 VII.V Experimenteller Teil 126 VII.V. a) Anbinden von DIELS-ALDER-AB-Polymeren an Maleimid-Oberflächen 126 VII.V. b) Anbinden von DIELS-ALDER-AB-Polymeren an Furan-Oberflächen 126 VII.V. c) Anbinden von Biscumarin an Cumarin-Oberflächen 126 Kapitel VIII Photoaktive Oberflächen 127 VIII.I Hintergrund und Motivation Cumarin-funktionalisierter Oberflächen 127 VIII.II Synthese Cumarin-funktionalisierter PDMS-Oberflächen 129 VIII.II. a) Funktionalisierung von PDMS-Oberflächen mit Cumarin-Gruppen 129 VIII.II. b) Allgemeine Bemerkung zur Wahl des Lösungsmittels 130 VIII.II. c) Photochemie von Cumarin-funktionalisierten PDMS-Oberflächen 131 VIII.II. d) ATR-IR-spektroskopische Charakterisierung photoaktiver Cumarin-Beschichtungen 132 VIII.III UV/Vis-spektroskopische Charakterisierung photoaktiver Cumarin-Beschichtungen 137 VIII.III. a) Belichtung mit UVA-Strahlung 137 VIII.III. b) Belichtung mit UVC-Strahlung 140 VIII.IV Zusammenfassung 142 VIII.V Experimenteller Teil 144 VIII.V. a) Funktionalisierung von PDMS-Substraten mit Isocyanat 144 VIII.V. b) Funktionalisierung von PDMS-Substraten mit Cumarin 144 VIII.V. c) Photochemisch-kontrollierte Modifikation von PDMS-Substraten mit Cumarin-Beschichtung 144 Kapitel IX Zusammenfassung und Ausblick 145 Kapitel X Anhang 150 X.I Messmethoden 150 X.I. a) ATR-IR-Spektroskopie 150 X.I. b) UV/Vis-Spektroskopie 150 X.I. c) Kontaktwinkelanalyse 151 X.I. d) Rasterkraftmikroskopie (AFM) 151 X.I. e) NMR-Spektroskopie 152 X.I. f) Größenausschluss-Chromatographie (SEC) 152 X.I. g) Thermoanalyse (TA) 152 X.I. h) Thermogravimetrie (TGA) 153 X.I. i) Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) 153 X.II Trocknen von Lösungsmitteln , 153 Kapitel XI Literatur 154 Selbstständigkeitserklärung 161 Lebenslauf 162 Danksagung 163

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuartigen Initiierungsmethode zur Polymerisation von Vinylmonomeren über die Kombination von gewöhnlichen organischen Isocyanaten und Iminbasen. Der radikalische Charakter dieses Polymerisationstyps wurde durch Copolymerisationsexperimente verifiziert. Mit verschiedenen Iminbase / Isocyanat-Kombinationen als Initiatoren wurde die Homopolymerisation von diversen (Meth)-Acrylaten, Styrol, Acrylnitril und Methacrylnitril untersucht. Parameter, wie die Brutto-Polymerisationsgeschwindigkeitskonstante und die Aktivierungsenergie wurden ermittelt und Aussagen zur Polymerisation getroffen. Über die Auswertung von Massenspektren niedermolekularer Polymer-Proben wurden Vermutungen zum ablaufenden Initiierungsmechanismus abgeleitet. Das Anwendungspotential dieser Methode wurde in Hinblick auf die Synthese diverser Polymerarchitekturen untersucht. Neben der Oberflächenpolymerisation an funktionalisierten Kieselgel-Partikeln mittels „grafting-from“ wurden neuartige Block- und Kammpolymer-Strukturen hergestellt und analysiert. Zudem wurde die durch reine Iminbasen vermittelte Polymerisation von (Meth-)Acrylaten untersucht. Ferner wird der positive Einfluss der Zugabe katalytischer Mengen Ionischer Flüssigkeiten auf beide Systeme gezeigt und diskutiert.

Ο αρχικός στόχος της εργασίας μας ήταν η παρασκευή ετερομεταλλικών συμπλόκων Cd(II)/Ln(III) [Ln=λανθανίδιο] για να μελετηθούν οι φωτοφυσικές τους ιδιότητες. Διάφορα συστήματα αντιδράσεων Cd(II)/Ln(III)/οργανικός υποκαταστάτης έδωσαν μόνο ομομεταλλικές ενώσεις Cd(II) ή Pr(III).Χρησιμοποιώντας διάφορα αντιδρώντα Cd(II) και Pr(NO3)3∙6H2O, παρασκευάστηκαν τα ακόλουθα σύμπλοκα: [CdCl2(PhpaoH)]n (1), [Cd(O2CMe)2(NH2paoH)2] (2), [Cd(ΝΟ3)2(tzpy)2] (3), [CdI2(tzpy)2] (4), [Pr(ΝΟ3)3(tzpy)2]∙tzpy (5∙tzpy), [Cd4(NO3)4{(py)2C(H)(O)}4] (6) [(py)2C(H)(O)- είναι το ανιόν της δι-2-πυρίδυλο μεθανόλης που σχηματίζεται in-situ από τη μεταλλο-υποβοηθούμενη αναγωγή της (py)2CO με MeOH κάτω από σολβοθερμικές συνθήκες], [Cd(ΝΟ3)2(aphz)2] (7), [CdI2(aphz)2]n (8), [Pr(ΝΟ3)3(aphz)2] (9), [CdI2(bphz)2] (10), [Cd(NO3)2(bzdhz)2] (11). Η αντίδραση του Pr(NO3)3∙6H2O με δύο ισοδύναμα bzdhz σε H2O/Me2CO οδήγησε στην απομόνωση της Ν,Ν’-δι-ισοπροπυλιδενε-βενζίλιο διυδραζόνη (L’). Οι δομές των ενώσεων 1-11 προσδιορίσθηκαν με κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ μονοκρυστάλλου. Όλα τα σύμπλοκα χαρακτηρίσθηκαν με φασματοσκοπία IR, και επιλεγμένες ενώσεις με τεχνικές RAMAN και 1H NMR. Τα φασματοσκοπικά δεδομένα εξετάζονται σε σχέση με τις γνωστές δομές των ενώσεων και των τρόπων ένταξης των υποκαταστατών.Πιστεύουμε ότι τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στη Διπλωματική Εργασία συνιστούν συνεισφορά στη χημεία του καδμίου(ΙΙ) και του πρασεοδυμίου(ΙΙΙ), καθώς επίσης και στη χημεία ένταξης των οργανικών υποκαταστατών. / The original goal of this work was to prepare heterometallic Cd(II)/Ln(III) complexes (Ln=lanthanide) in order to study their photophysical properties. A variety of CdII/PrIII/organic ligand reaction schemes led to only homometallic Cd(II) or Pr(III) complexes.Employing various Cd(II) sources and Pr(NO3)3∙6H2O, as starting materials, the following complexes have been prepared: [CdCl2(PhpaoH)]n (1), [Cd(O2CMe)2(NH2paoH)2] (2), [Cd(ΝΟ3)2(tzpy)2] (3), [CdI2(tzpy)2] (4), [Pr(ΝΟ3)3(tzpy)2]∙tzpy (5∙tzpy), [Cd4(NO3)4{(py)2C(H)(O)}4] (6) [(py)2C(H)(O)- is the anion of di-2-pyridyl methanol formed in-situ by the metal ion-assisted reduction of (py)2CO in MeOH under solvothermal conditions], [Cd(ΝΟ3)2(aphz)2] (7), [CdI2(aphz)2]n (8), [Pr(ΝΟ3)3(aphz)2] (9), [CdI2(bphz)2] (10), [Cd(NO3)2(bzdhz)2] (11). The reaction of Pr(NO3)3∙6H2O and 2 equivalents of bzdhz in H2O/Me2CO led to the isolation of N,N’-di-isopropylidene-benzil dihydrazone (L’). The structures of 1-11 and L’ have been determined by single-crystal X-ray crystallography. All the complexes have been characterized by IR spectroscopy, and selected compounds by RAMAN and 1H NMR techniques. The spectroscopic data are discussed in terms of the known structures and the coordination modes of the ligands.We believe that our results contribute into the chemistry of cadmium(II) and the praseodymium(III), and into the coordination chemistry.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuartigen Initiierungsmethode zur Polymerisation von Vinylmonomeren über die Kombination von gewöhnlichen organischen Isocyanaten und Iminbasen. Der radikalische Charakter dieses Polymerisationstyps wurde durch Copolymerisationsexperimente verifiziert. Mit verschiedenen Iminbase / Isocyanat-Kombinationen als Initiatoren wurde die Homopolymerisation von diversen (Meth)-Acrylaten, Styrol, Acrylnitril und Methacrylnitril untersucht. Parameter, wie die Brutto-Polymerisationsgeschwindigkeitskonstante und die Aktivierungsenergie wurden ermittelt und Aussagen zur Polymerisation getroffen. Über die Auswertung von Massenspektren niedermolekularer Polymer-Proben wurden Vermutungen zum ablaufenden Initiierungsmechanismus abgeleitet. Das Anwendungspotential dieser Methode wurde in Hinblick auf die Synthese diverser Polymerarchitekturen untersucht. Neben der Oberflächenpolymerisation an funktionalisierten Kieselgel-Partikeln mittels „grafting-from“ wurden neuartige Block- und Kammpolymer-Strukturen hergestellt und analysiert. Zudem wurde die durch reine Iminbasen vermittelte Polymerisation von (Meth-)Acrylaten untersucht. Ferner wird der positive Einfluss der Zugabe katalytischer Mengen Ionischer Flüssigkeiten auf beide Systeme gezeigt und diskutiert.:ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 6 1 EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG 10 1.1 Einleitung 10 1.2 Motivation und Zielsetzung 13 2 ALLGEMEINER TEIL UND THEORETISCHE GRUNDLAGEN 15 2.1 Grundlagen der freien radikalischen Polymerisation 15 2.2 Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP), Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer Polymerization (RAFT) und Nitroxide Mediated Radical Polymerization (NMP) als Beispiele für kontrollierte radikalische Polymerisationen 25 2.3 Theorie zur Copolymerisation von Vinylmonomeren 34 2.4 Applikation von Ionischen Flüssigkeiten bei der radikalischen Polymerisation 43 3 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 49 3.1 Iminbase/Isocyanat-vermittelte (IBI) Polymerisation von Vinylmonomeren 49 3.1.1 Empirische Befunde und Klassifizierung der IBI-Systeme 50 3.1.2 Ergebnisse zu den IBI-Polymerisationen mit unmittelbarem Verbrauch der Initiator- Komponenten (Typ A) 58 3.1.3 Verwendung der Iminbase–Isocyanat-Addukte zur Polymerisation von MMA 70 3.1.4 Ergebnisse der Polymerisationen mit Typ B IBI-Kombinationen 78 3.1.5 Bestimmung und Auswertung kinetischer Parameter der IBI-Polymerisation 85 3.1.6 Studien zum Initiierungsmechanismus durch die Iminbase/Isocyanat-Kombination 102 3.2 Iminbasen-(Meth-)Acrylat-induzierte (IBA) Polymerisation 124 3.2.1 Phänomenologische Untersuchungen zur IBA-Polymerisation 124 3.2.2 Kinetik der IBA-Polymerisation und mechanistische Studien 129 3.3 Beschleunigung beider Polymerisationstypen über die Zugabe katalytischer Mengen Ionischer Flüssigkeit 143 3.3.1 Untersuchungen zur Wechselwirkung von Ionischen Flüssigkeit mit den Reaktanden mit Hilfe der ATR-FT-MIR-Spektroskopie 144 3.3.2 Ergebnisse zu den IL-katalysierten IBI-Polymerisationen 151 3.3.3 Ergebnisse zu den IL-katalysierten IBA-Polymerisationen 162 3.4 Applikation der neuartigen Polymerisationssysteme zur Blockcopolymerisation 171 3.4.1 Oberflächenpolymerisation an Siliziumdioxid-Partikeln 172 3.4.2 Blockcopolymer-Synthese mit Typ A IBI-Oligomeren 186 3.4.3 Kammpolymer-Synthese über die Anwendung der IBI- bzw. IBA-Methode 192 4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 200 5 EXPERIMENTELLER TEIL 208 5.1 Verwendete Geräte 208 5.2 Verwendete Chemikalien 210 5.3 Details zur Berechnung der Copolymerisationsparameter, Beladungen und Pfropfgrade 210 5.4 Synthesen und Polymerisationen 213 5.4.1 Allgemeine Vorgehensweise und Ergebnisse bei den Homo- und Copolymerisationen 213 5.4.2 Synthese der Iminbase–Isocyanat Addukte 222 5.4.3 Synthese der funktionalisierten Siliziumdioxid-Partikel und deren Oberflächenpolymerisation 236 5.4.4 Abspaltung von kovalent gebundenem PMMA mittels Dimethylsulfat / NaOCH3 242 5.4.5 Vorgehensweise bei der Verwendung der Spritzenpumpen-Apparatur 246 5.4.6 Synthese und Charakterisierung der organischen Blockcopolymere 247 6 LITERATURVERZEICHNIS 253 7 ANHANG 264 7.1 Kristallographische Daten zu den ermittelten Strukturen 264 7.2 Weiterführende Details zu den durchgeführten Konzentrations-Zeit-Beziehungen 278 7.2.1 Iminbase / Isocyanat-vermittelte (IBI) Polymerisation 278 7.2.2 Iminbase-(Meth-)Acrylat-vermittelte (IBA) Polymerisation 302 7.3 Fineman und Ross Beziehungen und Copolymerisationsdiagramme 314 7.4 Nachtrag zu den konzentrationsbezogenen IR-Messungen 322 DANKSAGUNG 324 SELBSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG 327 LEBENSLAUF 328 LISTE AN VERÖFFENTLICHUNGEN 329