Abstract Twenty-seven phosphine and six bipyridine ligands were synthesised and characterized. Additionally, a new route to the family of phosphine ligands via o-thioanisyldichlorophosphine was found. The phosphine ligands contain thiomethylphenyl, methoxyphenyl, dimethylaminophenyl, pyridyl, naphthyl and anthracenyl groups, and the bipyridine ligands thiomorpholine and piperidine groups. Metal complexes of 3-pyridyldiphenylphosphine, 6,6'-bis(methylthiomorpholine)-2,2'-bipyridine and 4,4'-dimethyl-6,6'-bis(methylthiomorpholine)-2,2'-bipyridine were prepared. Ligands and complexes were characterized by 1H-, 13C-, 31P- and two-dimensional HSQC-NMR spectroscopy, and crystal structures were determined for the ligands and two of the metal complexes. Tertiary phosphine ligands were prepared for catalytic purposes and tested in hydroformylation reaction at the Helsinki University of Technology and the University of Joensuu. Bipyridine ligands were designed for bimetallic coordination. The phosphine ligands cover a wide range of electronic and steric properties. The spectroscopic parameters and crystal structures were studied with the purpose of charting trends in the basicities and steric effects of the ligands.

The spectroscopic analysis of cellulose is experimentally challenging while computationally accessible with recent developments in NMR code. However, prior to using density functional theory to calculate the NMR chemical shifts of cellulose, smaller, sugar-like molecule systems need to be benchmarked against experimental values. The quantum mechanical / molecular mechanical (QM/MM) calculations presented herein utilize six test systems: ethanol, pyridine, pyrrolidine, pyrrole, myo-inositol and scyllo-inositol in conjunction with the reference tetramethylsilane used to scale the calculated isotropic shielding tensors to relative chemical shifts. The effect of solvent on calculated NMR chemical shifts has also been investigated with regard to quantity of solvent surrounding the molecule of interest. Lastly, a mixed basis approach with two quantum regions has additionally been employed to investigate the effects of the number of basis functions on the relative cost of QM/MM NMR calculations.

Abstract Collagen prolyl 4-hydroxylase is the key enzyme in the biosynthesis of collagens, a family of extracellular matrix proteins. Vertebrate collagen prolyl 4-hydroxylases are α2β2 tetramers, the β subunit being identical to the multifunctional protein disulphide isomerase (PDI). Several isoforms of the catalytic α subunit have been identified in various organisms. Prolyl 4-hydroxylases have also been isolated from plants, where they hydroxylate proline-rich structural glycoproteins of the cell walls. The structural and functional properties of the peptide-substrate-binding domain of human collagen prolyl 4-hydroxylase are characterized here. Data obtained from NMR studies indicate that the domain consists of five α helices and one short β strand, this structure being quite different from those of other proline-rich peptide-binding modules. Several residues involved in the binding of a short synthetic peptide were also identified by NMR. Kd values for the binding of several synthetic peptides to the α(I) and α(II) domains were determined by surface plasmon resonance and isothermal calorimetry, and the results indicated that the binding properties of the type I and type II collagen prolyl 4-hydroxylase tetramers can mainly be explained by the binding of peptides to this domain rather than to the catalytic domain. The peptide-substrate-binding domain of human type I collagen prolyl 4-hydroxylase was also crystallized. The crystals were well ordered and diffracted to at least 3 Å, the asymmetric unit most probably containing a domain dimer. The genome of Arabidopsis thaliana was found to encode at least six putative prolyl 4-hydroxylase polypeptides, one of which was cloned and characterized here as a recombinant protein. All the catalytically critical residues identified in animal prolyl 4-hydroxylases were also conserved in this plant prolyl 4-hydroxylase, and their mutagenesis led to inactivation of the enzyme. The recombinant plant enzyme was effective in hydroxylating poly(L-proline) and several synthetic proline-rich peptides. Surprisingly, contrary to previous reports on plant prolyl 4-hydroxylases, the collagen-like peptides were found to be good substrates, the enzyme preferentially hydroxylating prolines in the Y positions of the -X-Y-Gly- triplets, thus resembling the vertebrate collagen prolyl 4-hydroxylases even in this respect. The recombinant plant prolyl 4-hydroxylase also hydroxylated peptides representing the N and C-terminal hydroxylation sites present in the hypoxia-inducible transcription factor α. The fact that these peptides contain only one proline residue indicated that a poly(L-proline) type II conformation was not required for hydroxylation.

Polyarene dendrimers with rigid aromatic regions are of interest due to their shape persistent nature. A novel series of G1 dendrimers containing a substituted 1,3-phenyl core are reported and were found to exhibit atropisomerism. This was investigated in the solid state (X ray), in solution (NMR), and via computational studies. The synthesis of fluorinated G1 dendrimers allowed for the analysis of interconversion between conformations via 19F-19F EXSY NMR (exchange spectroscopy). These were shown to exist as two distinct sets of three interconverting atropisomers. Each atropisomer was identified as well as their respective interconversion pathway. By increasing the size of the core of the G1 dendrimers resulted in physical separation of atropisomers by preparative HPLC. Results suggest certain conformers are energetically unfavourable reducing the total number of atropisomers observed.

This thesis concentrates on diffusion-ordered spectroscopy (DOSY): a technique in liquid state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy that is able to distinguish different chemical species by their size in solution, and measure species’ diffusion coefficients. DOSY is an invaluable tool to analyse and resolve the signals of mixtures of chemicals in solution. DOSY measures an ensemble of nuclei in a mixture, using pulsed field gradients (PFGs) to encode, and later decode, the positions of spins. This provides information on the root mean square distance that spins diffuse during a delay between a pair of PFGs, which allows the determination of diffusion coefficients. However, DOSY is susceptible to a number of complications. Where a sample convects, the distance molecules move during the delay is greater than for simple diffusion, and the estimate of the diffusion coefficient becomes greater than the true value. Rayleigh-Bénard convection has been known in NMR for a long time, and is known to result from heating the base of an NMR sample, giving rise to negative vertical temperature gradients. Here, cooling the base (and inadvertently the sides) of the sample is also shown to cause convection from transverse temperature gradients, known as Hadley convection and commonly observed in atmospheric circulation. The theory for convection from transverse temperature gradients is given and recommendations to reduce convection in NMR are made. DOSY analysis can also be challenging where signals from different species overlap. In such instances, it can help to reduce the overlap, which can be achieved by collapsing multiplets into singlet signals: pure shift NMR is a technique that uses band-selection in order to refocus scalar coupling during the free induction decay, leaving pure chemical shift information. However, PFGs can vary in strength across the sample, which can have an effect on band selective experiments, such as Zangger-Sterk pure shift experiments, in the measured peak amplitudes, and where DOSY is combined with the Zangger-Sterk pure shift sequence, the apparent diffusion coefficients are also altered, seemingly as a function of chemical shift. A correction for this is given, simply using a DOSY and a DOSY pure shift experiment, as an alternative to the current literature method (gradient mapping).An investigation into an emulsion, agrochemically important for the delivery of active ingredients (fertiliser,pesticides, etc.) to plants, was then undertaken, in the hopes of finding restricted diffusion, but instead discovering substantial chemical exchange on the diffusional timescale. Finally a program was written for the automated acquisition of DOSY data, without the need for a human controller to calibrate DOSY parameters for the optimum acquisition.

Wirtschaftliches Wachstum und steigende Nachfrage führten in den letzten Jahren zu einer erheblichen Zunahme des Energieverbrauches in der Welt. Verbrennung der fossilen Brennstoffe zu Zwecken der Energiegewinnung resultiert in einer zunehmenden CO2-Emission, was auch die globale Erwärmung wesentlich beschleunigt. Aufgrund dessen spielen erneuerbare Energiequellen im Energieversorgungssystem eine wichtige Rolle. Die sog. „Energiewende“ erfordert aber leistungsfähigere Speichermedien wie Batterien, Superkondensatoren und Brennstoffzellen, da die Menge der gewonnenen Energie von den Wetterbedingungen abhängt und während des Tages variiert. Superkondensatoren werden aktuell wegen ihrer ausgezeichneten Eigenschaften intensiv erforscht. Sie besitzen eine hohe Masse-Leistungsdichte, Lade-/Entladeeffizienz, sie können schnell geladen und entladen werden und arbeiten stabil über 1 Mio. Zyklen. Um Superkondensatoren weiterzuentwickeln, werden verschiedene poröse Elektrodenmaterialien in Kombination mit unterschiedlichen Elektrolyten untersucht. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, die Wechselwirkung zwischen Elektrolyten und porösen Kohlenstoffmaterialien mittels Festkörper- und in situ NMR-Spektroskopie auf molekularer Ebene zu untersuchen. Als Elektrodenmaterialien wurden mikroporöses TiC-CDC1000, mikroporöses kommerzielles YP50F, mesoporöses CMK-3, sowie ein hierarchisches, mikro- und mesoporöses OM-CDC gewählt. Als Elektrolyte wurden organische Elektrolyte, ionische Flüssigkeiten (ILs) sowie 85 Ma.-% Phosphorsäure benutzt. Festkörper-NMR-Spektroskopie erlaubt die Unterscheidung zwischen adsorbierten und desorbierten Elektrolytbestandteilen. Es wurde gezeigt, dass die Beweglichkeit der adsorbierten Ionen von der Porengröße des Kohlenstoffmaterials abhängt. Die Ionen sind in den Mikroporen (wie in TiC-CDC1000) stärker immobilisiert, was die Kapazität eines Superkondensators bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten mindert. Für das mesoporöse Material CMK-3 ist eine höhere Beweglichkeit der Ladungsträger charakteristisch. Dadurch konnte eine hohe Kapazität über einen großen Bereich von Vorschubgeschwindigkeiten nachgewiesen werden. Die innere Oberfläche besitzt ebenfalls wesentlichen Einfluss auf die Kapazität. Durch die große Anzahl kleiner Mikroporen ist die innere Oberfläche bei TiC-CDC1000 größer als bei CMK-3. Deshalb ist die Kapazität für TiC-CDC1000 bei geringeren Vorschubgeschwindigkeiten entsprechend höher. Hierarchische Kohlenstoffmaterialien (wie OM-CDC), die aus Mikro- und Mesoporen bestehen und eine große innere Oberfläche besitzen, bieten gute Transporteigenschaften der Elektrolytbestandteile und sind daher für die Energiespeicherung besonders vielversprechend. Es wurde auch mittels Festkörper-NMR-Spektroskopie gezeigt, dass die verschiedenen Elektrolytbestandteile im Porensystem unterschiedlich beweglich sind. So tauschen große Ionen langsamer mit der Umgebung aus als kleine. Die Ionengröße wirkt sich außerdem auf die Ionenverteilung in den Poren aus. Es wurde festgestellt, dass sich die kleineren Anionen des organischen Elektrolyts tendenziell näher an der Porenwand aufhalten. Die großen Kationen sind hingegen tendenziell weiter von der Porenwand entfernt. Die Lösungsmittelmoleküle besitzen im Mittel den größten Abstand zur Porenwand. Außerdem wurden mittels 2D Exchange Spectroscopy (EXSY) zum ersten Mal zwei verschiedene Austauschprozesse separat sichtbar gemacht: Austausch an der Partikeloberfläche und Diffusion in den Poren. Der Einfluss der Ionen- und Porengrößen auf die Kapazität wurde auch für eine IL untersucht. ILs bestehen im Vergleich zu den organischen oder wässrigen Elektrolyten in der Regel aus relativ großen Ionen und sind viskoser. Daraus resultierten Einschränkungen bezüglich Adsorptionsverhalten und Beweglichkeit. Dies trifft besonders für mikroporöse Kohlenstoffmaterialien aufgrund ihrer kleinen Poren zu. Durch die Verdünnung der IL mit Acetonitril im Verhältnis 60 vol.-% IL/40 vol.-% AN konnte ein Optimum erzielt werden. Der Elektrolyt wurde vollständig im mikroporösen Material adsorbiert und es wurden immer noch hohe Ionenbeweglichkeiten und Kapazitäten erreicht2. Des Weiteren wurde der Effekt des Größenausschlusses in Mikroporen für die Superkondensator-Diode (CAPode) mittels NMR-Spektroskopie nachgewiesen. In der CAPode ist eine Elektrode mikroporös und die andere mesoporös. Es wurde ex situ, d.h. ohne Spannung gezeigt, dass die Mikroporen nur mit dem Lösungsmittel gefüllt sind, wenn die Kationen wesentlich größer als Poren des Materials sind - auch wenn die Anionen in die Poren passen würden. Alle Ionen befinden sich dann ausschließlich außerhalb den Poren. Mit in situ NMR-Experimenten wurde gezeigt, dass bei positiv geladener mikroporöser Elektrode die Anionen in die Mikroporen eindringen und adsorbiert wurden. In der CAPode fließt der Ladestrom und eine signifikante Kapazität ist messbar. Wird die mikroporöse Elektrode aber negativ geladen, bleiben die Kationen aus sterischen Gründen außerhalb der Poren. Die Anionen bleiben dann ebenfalls außerhalb der Poren. Es wird dann weder ein signifikanter Ladestrom noch eine Kapazität gemessen. Bei der Untersuchung der Adsorption von 85 Ma.-% Phosphorsäure an Kohlenstoffmaterialien mittels Festkörper-NMR-Spektroskopie wurde gezeigt, dass sich die Phosphorsäuremoleküle in den Poren überwiegend an der Porenwand befinden, die Wassermoleküle dagegen in der Porenmitte und/oder außerhalb der Poren. Aus den 1H NMR-Spektren wurde auch auf eine hohe Austauschgeschwindigkeit von Protonen zwischen Wasser und Phosphorsäure sowie zwischen adsorbiertem und desorbiertem Zustand geschlossen, was die hohe Leitfähigkeit der Säure erklärt. Zusätzlich wurde die Selbstentladung eines Superkondensators mittels in situ NMR-Spektroskopie untersucht. Es wurde eine Korrelation zwischen der Diffusionsgeschwindigkeit der Ionen in den Poren, welche die Austauschgeschwindigkeit bestimmt, und der Spannung der Zelle demonstriert. Je höher die Spannung, desto schneller waren Austausch und Diffusion. Die erhöhte Ionenbeweglichkeit wurde für die schnelle Selbstentladung zu Beginn des Entladevorganges verantwortlich gemacht. Mit der Zeit verlangsamt sich die Diffusion und somit auch die Selbstentladung. Außerdem wurde gezeigt, dass eine lange Haltezeit beim Laden zur langsameren Selbstentladung führt.:Abkürzungs- und Formelverzeichnis iii 1 Motivation und Zielstellung 1 2 Einleitung 5 2.1 Superkondensatoren 5 2.2 Selbstentladung von Superkondensatoren 10 2.3 Materialien für die Elektrodenherstellung 10 2.4 Elektrolyte für Superkondensatoren 12 2.5 Brennstoffzellen 19 3 Methoden 23 3.1 MAS NMR-Spektroskopie 23 3.2 Untersuchung von Adsorptionsprozessen mittels Festkörper-MAS NMR-Spektroskopie 30 3.3 Untersuchung von Superkondensatoren mittels in situ NMR Spektroskopie 35 3.4 Zyklovoltammetrie 44 3.5 Elektrochemische Impedanzspektroskopie 45 4 Experimenteller Teil 49 4.1 Untersuchte Kohlenstoffmaterialien 49 4.2 NMR-Spektroskopie 51 4.3 Elektrochemische Experimente 54 5 Ergebnisse und Diskussion 55 5.1 Untersuchung der Beweglichkeit von Elektrolytmolekülen in Kohlenstoffmaterialien mit hierarchischer Porenstruktur und mit enger Poren-Radius-Verteilung 55 5.2 Untersuchung der Wechselwirkung zwischen einer IL und den Elektrodenmaterialien mittels NMR Spektroskopie, Zyklovoltammetrie und Impedanzspektroskopie. 70 5.3 Untersuchung der selektiven Adsorption von Elektrolytbestandteilen in Superkondensatoren (CAPoden) 80 5.4 Untersuchung der Adsorption von Phosphorsäure an Kohlenstoffmaterialien mit unterschiedlichen Porengrößen 87 5.5 Der Einfluss der Diffusion auf die Selbstentladung von Superkondensatoren 94 6 Zusammenfassung 103 Danksagung 108 Literaturverzeichnis 110 Anhang 1: Einfluss der N-dotierung auf die Eigenschaften des YP50F 119 Anhang 2: Adsorption verschiedener ILs an YP50F 124 Anhang 3: Bestimmung des Schmelzpunktes an freier und adsorbierter IL 131 Anhang 4: MAS NMR-Experimente an 2D MXene 134 Abbildungsverzeichnis 137 Tabellenverzeichnis 141 Veröffentlichungen 142 Poster 142 Vorträge 142 Publikationen 142 Selbstständigkeitserklärung 144

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