No description available.

Adhesion between solid bodies plays a prominent role in a wide variety of situations ranging from tribological applications to dust coagulation initiating the formation of planets. It can be due to various reasons like capillary, electrostatic, van der Waals, and hydrophobic forces. Among these, adhesion due to van der Waals force| which has its origin in permanent or instantaneous electric dipoles present in all atoms and molecules|is of special significance as it is present in all cases. Computational studies on adhesion due to van der Waals force commonly assume it as a surface force due to its short effective range, which is about a few tens of nanometers, in comparison to the length-scales commonly encountered. However, such restrictions are often violated in various important problems. For example, the characteristic dimensions of asperities| which are the smallest roughness elements interacting to cause friction and wear| are usually of nanometer length-scale. In addition, the assumptions inherent in development of surface force model are exact only when the deformations are small. In all such situations, the van der Waals force must be assumed as distributed over the volume. In this work, a computational model is developed by incorporating van der Waals force and short-range repulsion (steric repulsion or Pauli repulsion) as body forces distributed over the volume in a large deformation, static/transient, finite element framework. First the development of the general formulation is discussed, and then it is specialized for various considerations like handling symmetry and interaction between an elastic body and a rigid half-space, which offer significant computational advantages over the general formulation. The applicability of the model is illustrated by using a number of benchmark and practical problems. The comparison of the analysis results and well-established analytical models are provided, which validates our method. As a specific example, the smooth change of interaction force from a thin-rod model to a at-plate model on increasing the cross-sectional areas of two interacting elastic rods is demonstrated. The impact of elastic bodies in presence adhesion, and the associated energy loss is an important concern in studies regarding the origin of friction. Therefore, adhesive impact of elastic rods and spheres is studied using our formulation. Emphasis of the study is on finding the apparent energy loss during impact, which represents the part of energy lost to elastic stress waves remaining in the body after the impact, and hence not available for rebound motion. In case of impact of elastic rods on a rigid half-space, it is shown that the apparent energy loss is a unique function of the tensile strain energy developed in the rod due to van der Waals attraction. A one-dimensional model is developed for this case to determine the energy loss based on the specified problem parameters, which can be used to predict practically relevant phenomena like capture. In case of impact of elastic spheres, which is often correlated with asperity interactions, the energy loss is found to be significant only if adhesion-induced instabilities occur. The behavior shown by rods and spheres are probably at the two extremes with regards to energy loss during impact of elastic bodies in presence of adhesion. Practical use of the formulation is demonstrated by applying it to the study of amplitude variation and phase shifts in tapping-mode atomic force microscopy. Specifically, the advantage of operating the AFM cantilever just below its natural frequency as compared to operating it just above the natural frequency is demonstrated. Bistable behavior, which is the coexistence of two stable vibration modes under exactly same operating conditions, is shown to be severe when the driving frequency is higher than the natural frequency of AFM cantilever even in the absence of adhesion, which can result in spurious contrast-reversal artifacts during imaging. The hysteresis loop associated with the bistable behavior may lead to erroneous conclusions regarding presence of adhesion. Since this model overcomes the limitations of lumped parameter models and the computational models based on surface force approximation, the results can be used for much more realistic interpretation of experimental data. Computational framework developed in this study achieves the capability for analysis of adhesive contact problems directly from van der Waals interaction and steric repulsion. Such a model can be used for revisiting the fundamental problems in contact mechanics, as well as for providing better insights into experimental observations.

This thesis considers atom`s attributes, which affects shape of molecules. It describes rules that are basic for molecule creation. This text features basic attributes and rules, which affects the final shape of molecule. Next part of this text explains several ways to display molecule. Following parts of this thesis describes several ways how to store and represent atom and molecules in computer technology along with solution of these problems that are used for this thesis.

The present dissertation focuses on the synthesis of iron(II) complexes and the study of their SCO behavior. The equilibrium between the HS and the LS states gives to the SCO systems large potential applications for molecular electronics. However, today there is not a single molecular device from SCO compounds in the market. This is due to the fact that the SCO systems discovered up to now were unable (e.g. TLIESST « 300 K) for these applications. The aim of this thesis is to synthesize new SCO compounds with sustainable properties for applications. In the beginning of the thesis, [Fe(rac-22a))]2+∙2[BF4]- and [Fe(rac-22b)]2+∙2[BF4]- employing rigid hexadentate ligands were described. In contrast to the expectation, the N-methylation of the amines shifts the equilibrium towards the LS state. [Fe(rac-22b)2+∙2[BF4]- shows a T1/2 higher at 74 K and 52 K than the non methylated [Fe(rac-22a)2+∙2[BF4]- respectively in nitrobenzene and acetonitrile. The T1/2 are solvent-dependent for these complexes. After that, ligand series 9-R2-2-(6-R1-pyridin-2-yl)-1,10-phenanthroline 25b (R2 = Me), 25f (R2 = Ph), 25d (R2 = C(O)H), 25c (R1 = Ph), 25l (R1 = oxylphenyl-4-oxymethylene), 25m (R1 = oxymesitylene) and 25j (R1 = pyrol-1-yl) were synthesized. It was observed that the size of the substituent influences the SCO properties (T1/2). In addition, the influence of the counterion was shown with [Fe(25c)2]2+∙2[BF4]- and [Fe(25c)2]2+∙2[B(Ph)4]-. The B(Ph)4- conterions bring π∙∙∙π interactions in the molecular cell which shift the T1/2 parameter to a high temperature (200 K) compared to the complex with BF4- ions (175 K). Moreover the substituents R1 on the terminal position of the pyridine effect on T1/2 more than the substituents R2 on the terminal position of the phenanthroline. For example, [Fe(25f)]2+∙2[BF4]- (R1 = Ph) is a pure HS complex while the complex [Fe(25c)]2+∙2[BF4]- (R2 = Ph) is a SCO system (T1/2 = 175 K). The expansion of the coordination mode from N6 to N8 was investigated by the synthesis of the tetradentate ligands. This expansion shows an unexpected coordination mode, [Fe(25i)2]2+∙2[BF4]- (R2 = pyrazol-1-yl) forms a distorted square antiprism coordination geometry (HS iron(II)-complex) and does not show any Fe-N bond breaking over the application of the temperature as expected. / Die vorliegende Dissertation behandelt die Synthese von Eisen(II)-Komplexen und ihr spin crossover (SCO)-Verhalten. Das Gleichgewicht zwischen high-spin (HS)- und low-spin (LS)-Zustand verleiht den SCO-Systemen eine großes Anwendungspotential im Bereich der molekularen Elektronik. Dennoch existiert bis heute kein SCO-basiertes molekulares Bauteil auf dem Markt. Hauptgrund hierfür ist, dass die bislang bekannten SCO-Systeme keine hinreichenden Eigenschaften (z.B. TLIESST « 300 K) aufweisen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Synthese neuer SCO-Verbindungen mit geeigneten Eigenschaften für die Anwendung. Zu Beginn der Arbeit werden die Komplexe [Fe(rac-22a)]2+∙2[BF4]– und [Fe(rac-22b)]2+ ∙2[BF4]– mit starren hexadentaten Liganden beschrieben. Entgegen der Erwartung verschiebt die N-Methylierung der Amine das Gleichgewicht in Richtung des LS-Zustandes. Verglichen mit dem nicht-methylierten Komplex Fe(rac-22b)]2+∙2[BF4]– zeigt Fe(rac-22a)]2+∙2[BF4]– eine höhere Übergangstemperatur T1/2, welche in Nitrobenzen 74 K und in Acetonitril 52 K beträgt. Für die Komplexe ist T1/2 lösungsmittelabhängig. Im Folgenden wurde die Ligandenserie 9-R2-2-(6-R1-pyridin-2-yl)-1,10-phenanthrolin mit den Vertretern 25b (R2= Me), 25f (R2 = Ph), 25d (R2 = C(O)H, 25c (R1 = Ph), 25l (R1 = oxyphenyl-4-oxymethylen), 25m (R1 = oxymesitylen) und 25j (R1 = pyrol-1-yl) hergestellt. Es wurde beobachtet, dass die Größe des Substituenten das SCO-Verhalten (T1/2) beeinflusst. Ergänzend wurde der Einfluss des Gegenions anhand der Komplexe [Fe(25c)]2+∙2[BF4]– und [Fe(25c)]2+∙2[B(Ph)4]– untersucht. Das Gegenion B(Ph)4– ermöglicht intra- und intermolekulare π···π-Wechselwirkungen in der Zelle, welche die Übergangstemperature T1/2 (200 K) gegenüber dem BF4–-Komplex (175 K) erhöhen. Des Weiteren beeinflussen die Substituenten R1 an der Pyridin-Einheit die ubergangskomplexes T1/2 stärker als die Substituenten R2 an der Phenanthrolin-Einheit. So ist [Fe(25f)]2+∙2[BF4]– (R1 = Ph) ein reiner HS-Komplex, während der Komplex [Fe(25c)]2+∙2[BF4]– (R2 = Ph) ein SCO-System ist (T1/2 = 175 K). Die Erhöhung der Koordinationszahl von N6 auf N8 wurde über die Synthese von tetradentaten Liganden untersucht. Diese Erhöhung führt zu einem unerwarteten Koordinationsmodus. So bildet [Fe(25i)]2+∙2[BF4]– (R2 = pyrazol-1-yl) eine quadratisch-antiprismatische Koordinationssphäre (HS Eisen(II)-Komplex) und zeigt, wie erwartet, über den untersuchten Temperaturbereich keine Fe–N-Bindungsspaltung.

Une percée majeure aura lieu dans le domaine de la santé lorsque les patients pourront surveiller les molécules indicatives de leurs conditions médicales dans le confort de leur salon. L’efficacité d’une telle stratégie a déjà été validée par des millions de patients diabétiques via l’utilisation du glucomètre. Toutefois, des technologies de détection similaires restent à être développées pour améliorer le traitement de d’autres maladies chroniques. Les capteurs électrochimiques à base d’ADN (capteurs eDNA) ont récemment attiré beaucoup d’attention grâce à leur capacité à détecter plusieurs marqueurs moléculaires dans le sang tout en utilisant un dispositif bon marché et facile d’utilisation. Dans ce type de capteurs, l’ADN est typiquement employé comme élément de reconnaissance ou pour concevoir le mécanisme de signalisation permettant de capturer des cibles moléculaires spécifiques et traduire cet événement de liaison en un signal électrochimique. Des défis particuliers, toutefois, limitent toujours la commercialisation des capteurs eDNA. Par exemple, la plupart de ces capteurs produisent encore d’importantes variations non spécifiques du courant électrique lorsque plongés dans un échantillon de sang. De plus, ces capteurs demeurent sensibles au processus de fabrication et au vieillissement, et nécessitent des modifications chimiques complexes et un long processus d’optimisation pour leur mise au point. L’objectif principal de ma thèse consiste à régler ces limitations via le développement de nouveaux mécanismes de signalisation plus performants. Dans le chapitre 2, nous introduisons un nouveau type de capteurs eDNA basé sur l’hybridation d’ADN que nous avons nommé « essaie d’hybridation électrochimique par encombrement stérique et inhibition rédox (eSHRI) ». Ce mécanisme de signalisation potentiellement universel intègre trois niveaux d’encombrement stérique et un nouveau mécanisme d’inhibition rédox par contact. Nous avons démontré que le eSHRI peut détecter et quantifier de faibles concentrations (nanomolaire) de protéines dans une goutte de sang en moins de 3 min via une diminution de signal électrique allant jusqu’à -93.6 ± 1.36 % du signal initial. De plus, l’essai d’hybridation eSHRI demeure essentiellement indépendant de la densité du brin de capture à la surface de l’électrode et donc insensible aux variations lors de la fabrication et du vieillissement du capteur. Malgré ses caractéristiques impressionnantes, le eSHRI requiert généralement des modifications chimiques complexes pour attacher l’élément de reconnaissance et l’élément rédox à la même extrémité du brin d’ADN. Ainsi, dans le chapitre 3, nous avons développé un nouveau mécanisme de signalisation potentiellement universel, l’essaie de barrière moléculaire, qui nécessite uniquement une modification par brin d’ADN. Dans cet essai, l’élément de reconnaissance et l’élément rédox sont respectivement conjugués à l’ADN de capture (surface de l’électrode) et l’ADN de signalisation (libre en solution). L’essai fonctionne via la formation d’une barrière moléculaire utilisant l’analyte à détecter, une protéine. Lorsque cette dernière se lie à la surface du capteur, cela réduit l’efficacité d’hybridation entre l’ADN de signalisation et l’ADN de capture. En utilisant ce nouveau capteur, nous avons démontré la détection de deux protéines, la streptavidine et un anticorps, directement dans une goutte de sang. Ces dernières années, les anticorps à base d’ADN, nommés aptamères, ont considérablement augmenté notre capacité à détecter des analytes cliniquement pertinents. Toutefois, les capteurs eDNA à base d’aptamères nécessitent un long processus de développement et d’optimisation, et demeurent très dépendants de la densité de surface tout en présentant d’importantes variations de signal lorsqu'ils sont déployés dans le sang. Dans le chapitre 4, nous introduisons un essai simple, hautement modulable et universel qui emploie une chimie dynamique constitutionnelle (CDC) cinétiquement programmée. Cet essai fonctionne en programmant la cinétique de trois réactions concurrentes permettant la détection moléculaire directement dans une goutte de sang. Nous avons démontré que cet essai est potentiellement universel en détectant quantitativement quatre marqueurs moléculaires : la quinine, l’ATP, la thrombine et la PDGF. Nous avons également démontré le potentiel de ce nouveau capteur en exécutant un suivi direct de la quinine dans le sang de souris vivantes. En sommes, nous croyons que ces nouveaux mécanismes de signalisation permettent de résoudre les principales limitations des capteurs eDNA actuels et présentent toutes les caractéristiques pour être développés en dispositifs commercialisables analogues aux glucomètres. / A breakthrough will occur in the healthcare system when patients are allowed to monitor blood molecules indicative of their condition in the comfort of their home. Such an objective has already been realized for diabetic patients through the development of the glucometer. Similar sensors urgently need to be developed to improve the monitoring and treatment of other chronic conditions. Electrochemical DNA-based sensors (eDNA sensors) have recently attracted increasing attention due to their ability to detect multiple blood markers using low-cost and easy-to-use devices. In eDNA sensors, DNA is typically employed either as a recognition element or to design a signaling mechanism that captures specific target molecules and transduces this binding event into an electrochemical signal. Specific challenges, however, limit the commercialization process of eDNA sensors. For example, most eDNA sensors exhibit strong baseline drift when employed in blood, remain sensitive to fabrication processes and aging, and require complex chemical modification and time-consuming optimization processes. The main objective of my Ph.D. project was to solve these limitations through the development of novel improved signaling mechanisms. Chapter 2 introduces a novel hybridization-based eDNA sensing architecture called electrochemical steric hindrance and redox inhibition (eSHRI) hybridization assay. This potentially universal signaling mechanism integrates three levels of steric hindrance and a novel contact redox inhibition mechanism. We have shown that eSHRI can detect low nanomolar concentrations of protein analytes in a drop of blood in less than 3 min with up to -93.6 ± 1.36 % in signal gain. Moreover, the eSHRI hybridization assay remains primarily independent of the sensor density on the surface of the electrode and thus insensitive towards variations in fabrication or aging time. Despite its impressive characteristics, eSHRI may see its universality limited by the complicated chemical modifications required to attach both the recognition element and the redox molecule on the same extremity of a DNA strand. In response, in chapter 3, we develop a novel, potentially universal signaling mechanism, the molecular barrier-based assay, that only requires a single modification of its DNA strands. In this assay, the recognition element and redox molecule are conjugated to the surface-attached capturing DNA and the free-moving signaling DNA. The assay works by having the protein analytes create a molecular barrier upon binding to the sensor surface, reducing the hybridization efficiency between the capturing DNA and the signaling DNA. Using this novel sensor, we have demonstrated the detection of two proteins, streptavidin and antibody, directly in a drop of blood. DNA-based antibodies, called aptamers, have drastically expanded our ability to detect a large proportion of clinically relevant analytes in recent years. However, the development of aptamer-based eDNA sensors still requires a long optimization process, remains highly dependent on specific surface densities, and displays significant signal drift when deployed in the blood. In response, we present in chapter 4 a simple, highly modular, universal assay that employs kinetically programmed constitutional dynamical chemistry (CDC). This assay works by programming the kinetics of three competing reactions to enable molecular detection directly in a drop of blood. We show that this assay is potentially universal by demonstrating the quantitative detection of four molecular markers: quinine, adenosine triphosphate (ATP), thrombin, and platelet-derived growth factor (PDGF). We further show the point-of-care potential of this new sensor by performing direct quinine monitoring in living mouse blood. Overall, we believe that these new sensing mechanisms solve the main weaknesses of current eDNA sensors and display all the characteristics required for the development of commercialized devices analogous to glucose meters.

No description available.

Ce mémoire traite de la chimie des complexes pinceurs de nickel (II) cationiques ayant un ligand de type POCOP. Elle se divise en deux parties. La première traite de la synthèse, de la caractérisation et de la réactivité des complexes cationiques pinceurs de Ni(II) de type POCOP (POCOP = 1,3-bis(phosphinitobenzene), où C fait partie d’un cycle benzénique et est lié au métal, et P est un ligand phosphoré aussi lié au métal). Ces complexes ont un ligand acétonitrile coordonné au centre métallique et sont du type [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3], où R est un substituant du cycle benzénique et R’ est un substituant sur le ligand phosphoré (R’ = iPr: R = H (1), p-Me(2), p-OMe(3), p-CO2Me(4), p-Br(5), m,m-tBu2(6), m-OMe(7), m-CO2Me(8); R’ = t-Bu : R = H (9), p-CO2Me(10)). Les complexes cationiques sont préparés en faisant réagir le dérivé Ni(II) neutre correspondant R-(POCOPR’)Ni-Br avec Ag(OSO2CF3¬) dans l’acétonitrile à température ambiante. L’impact des groupements R et R’ du ligand POCOP sur la structure et sur les propriétées électroniques du complexe a été étudié par spectroscopies RMN, UV-VIS et IR, analyse électrochimique, et diffraction des rayons X. Les valeurs de fréquence du lien C≡N (ν(C≡N)) augmentent avec le caractère électroattracteur du complexe, dans l’ordre 7 < 3 ~ 2 ~ 6 < 1 < 5 ~ 8 < 4 et 9 < 10. Ces résultats sont en accord avec le fait qu’une augmentation du caractère électrophile du centre métallique devrait résulter en une augmentation de la donation σ MeCN→Ni. De plus, les complexes cationiques montrent tous un potentiel d’oxydation Ni(II)/Ni(III) plus élevé que leurs analogues neutres Ni-Br. Ensuite, une étude d’équilibre entre un complexe neutre (R-POCOPR’)NiBr et un complexe cationique [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3] démontre l’échange facile des ligands MeCN et Br. La deuxième partie de ce mémoire consiste en deux chapitres. Le premier (Chapitre 3) est une étude structurelle permettant une meilleure compréhension du mécanisme d’hydroamination des oléfines activées promue par les complexes présentés au chapitre 1, suivi de tentatives de synthèse de nouveaux composés POCOP cationiques comportant un ligand amine et nitrile, et de déplacement du groupement amine par un groupement nitrile. Le deuxième chapitre (4) décrit la réactivité et la cinétique de la réaction d’hydroamination et d’hydroalkoxylation d’oléfines activées, qui permet ainsi de mieux comprendre l’impact des différentes variables du système (groupements R et R’, température, substrats, solvent, etc.) sur la réactivité catalytique. / This thesis describes the chemistry of nickel (II) cationic pincer complexes bearing a POCOP ligand. The content is divided into two parts. The first part (chapter 2) concerns the synthesis, characterization and reactivities of nickel (II) cationic POCOP pincer complexes with an acetonitrile ligand coordinated to the metal center via the nitrile moiety, [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3] where R is a ring substituent and R’ is a P-substituent (R’ = iPr : R = H (1), p-Me(2), p-OMe(3), p-CO2Me(4), p-Br(5), m,m-tBu2(6), m-OMe(7), m-CO2Me(8); R’ = t-Bu : R = H (9), p-CO2Me(10)). The cationic complexes are synthetized by reacting the neutral nickel (II) bromide derivatives R-(POCOPR’)Ni-Br with Ag(OSO2CF3) in acetonitrile at room temperature. The impact of R and R’ groups of the POCOP ligand on the structure and electronic proprieties of the complexes has been studied by NMR, UV-Vis and IR spectroscopy, as well as by single crystal x-ray diffraction studies and cyclic voltammetry measurements. The observed ν(C≡N) values were found to increase with the increasing electron-withdrawing nature of R, i.e., in the order 7 < 3 ~ 2 ~ 6 < 1 < 5 ~ 8 < 4 and 9 < 10. This trend is consistent with the anticipation that enhanced electrophilicity of the nickel center should result in an increase in net MeCN→Ni σ-donation. It is also interesting to note that all cationic complexes show a much higher Ni(II)/Ni(III) oxidation potential than their neutral Ni-Br analogues. Following this, an equilibrium study is presented that shows the facile exchange of the MeCN/Br ligands between the charge-neutral and cationic complexes (R-POCOPR’)NiBr and [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3]. The second part of this thesis consists of two chapters describing, respectively, structural studies that are relevant to our understanding of the mechanism of hydroamination reactions promoted by the title complexes (chapter 3), and reactivity and kinetic studies aimed at understanding the impact of different variables (R and R’; temperature; substrates; solvent; etc.) on the Michael-type hydroamination and hydroalkoxylation of acrylonitrile and its substituted derivatives (chapter 4). Chapter 3 will also discuss the attempted synthesis of new amine and nitrile POCOP cationic and neutral complexes, as well as the facile displacement of the amine moiety by a nitrile.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von funktionellen Magnetit-Nanokompositen durch Sprühtrocknung für die Anwendung in der Bioseparation. Dabei liegen die Schwerpunkte auf der Anwendung von Polyelektrolyten als Ionenaustauscher sowie auf der Nachhaltigkeit des Herstellungsprozesses. Basierend auf einem existierenden Herstellungsprozess wurde die Aufgabenstellung konkretisiert. Es wurden Möglichkeiten zur nachhaltigen Prozessgestaltung der Synthese von kationischen bzw. anionischen magnetischen Funktionspartikeln zur Proteinabtrennung vorgestellt. Als magnetische Komponente wurde Magnetit verwendet. Aufgrund seines pseudo-amphiphilen Charakters und seiner besonderen Eigenschaften in Bezug auf die Stabilisierung von Magnetit-Kolloiden wurde Polyvinylbutyral (Mowital B 30T) als Matrixpolymer bei der Sprühtrocknung benutzt. Für die nachhaltige Prozessgestaltung wurden Isopropanol und Tetrahydrofuran als Dichlormethan-Ersatz bei der Sprühtrocknung verwendet. Bei der Synthese kationischer Magnetic Beads wurden verzweigtes Polyethylenimin und lineares Poly(Allyamin) als Anionenaustauscher verwendet. Beide Polykationen sind schwache Polyelektrolyte mit Aminogruppen. Für die Verarbeitung der Polykationen als funktionelle Liganden in magnetischen Funktionspartikeln wurde zwei Herstellungsmethoden vorgestellt: eine Synthese ohne Oberflächenmodifizierung, wobei die mechanische und chemische Stabilität der Funktionspartikeln einzig von der chemischen Struktur der eingesetzten Materialien bzw. vom Matrixpolymer abhängt, und eine Synthese mit Oberflächenmodifizierung. Die Synthese mit Oberflächenmodifizierung ist gekennzeichnet durch die kovalente Bindung von Polyethylenimin bzw. Poly(Allyamin) an der Oberfläche der Funktionspartikeln (Polyvinylbutyral). Dafür wurde 1,1’-Carbonyldiimidazol als „zero length“-Crosslinker benutzt. Die nach beiden Methoden hergestellten Funktionspartikeln wurden charakterisiert, um ihre technische Eignung beurteilen zu können. Für die Charakterisierung der sorptiven Eigenschaften wurde unter anderem der Bowman-Birk Inhibitor (BBI) verwendet. Das Protein ist ein Sojaprodukt und für seine krebsvorbeugende Wirkung bekannt. Um die Selektivität der Abtrennung zu untersuchen, wurden BBI-Produkte mit unterschiedlichen Reinheitsgraden benutzt. Durch die zwei vorgestellten Methoden konnten kationische magnetische Funktionspartikeln erfolgreich hergestellt werden. Alle Funktionspartikeln sind superparamagnetisch, und der Medianwert ihrer Partikelgrößenverteilung liegt im einstelligen Mikrometerbereich. Aufgrund eines höheren Polykationanteils ist die Bindungskapazität der Funktionspartikeln ohne Oberflächenmodifizierung um den Faktor 2,4 größer als die BBI-Bindungskapazität der Funktionspartikeln mit Oberflächenmodifizierung (Qmax=322 mg/g). Das Fehlen eine feste Anbindung des funktionellen Liganden an den Funktionspartikeln ohne Oberflächenmodifizierung verleiht jedoch diesen eine sehr schlechte chemische Stabilität in Lösungen. Es wurde auch gezeigt, dass oberflächenmodifizierte Funktionspartikeln mit ähnlichen Eigenschaften durch den Einsatz von Dichlormethan bzw. Tetrahydrofuran als Lösungsmittelersatz während der Sprühtrocknung hergestellt werden können. Durch den Einsatz von mit Poly(allylamin) oberflächenmodifizierten Funktionspartikeln konnte BBI von technischen Sojamolken unterschiedlicher Reinheitsgrade erfolgreich abgetrennt werden. Anionische Magnetic Beads wurden mit Kationenaustauscherharz als funktionellem Ligand hergestellt. Dabei wurde Isopropanol als organisches Lösungsmittel während der Sprühtrocknung verwendet. Die Synthese wurde analog zur Synthese der kationischen Magnetic Beads ohne Oberflächenmodifizierung durchgeführt. Es wurde auch hier gezeigt, dass anionische magnetische Funktionspartikeln mit guten sorptiven Eigenschaften durch den Einsatz von Isopropanol als organisches Lösungsmittel hergestellt werden können. Die anionischen Funktionspartikeln besitzen im Vergleich zu Literaturwerten höhere Bindungskapazitäten (bis 280 mg/g; ermittelt mit Lysozym). Im letzten Kapitel wird der kritische Prozessschritt des Lösungsmittelaustausches behandelt. Nach dem Lösungsmittelaustausch sollten die Magnetitnanopartikeln in der organischen Phase stabil sein. Dies ermöglicht sowohl eine homogene Verteilung der Nanopartikeln in der Matrix als auch deren bessere Verkapselung während der Sprühtrocknung. Es wurde festgestellt, dass sich eine vollständige Abtrennung von Dichlormethan durch die angewendete Destillationsmethode nicht erreichen lässt. Anhand von zwei Modellsystemen — Rizinolsäure- und Ölsäure-beschichteten Magnetitnanopartikeln — und Lösungsmittelgemischen wurde die Stabilität von sterisch stabilisierten Magnetitpartikeln in binären Lösungsmittelgemischen untersucht. Der Fokus bei dieser Untersuchung lag auf der Untersuchung der Stabilität der beschichteten Magnetitnanopartikeln in einer möglichst Dichlormethan- bzw. Isooktan-freien organischen Phase. Als zweites Lösungsmittel (als Lösungsmittelersatz betrachtet) wurden neben Tetrahydrofuran und Isopropanol technisch verbreitete Lösungsmittel wie Isooktan und 1-Butanol eingesetzt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die Anwendung der technischen Rizinolsäure bzw. Ölsäure einen zusätzlichen Einfluss auf die Stabilität der Magnetitpartikeln hat, da diese aus anderen Fettsäuren mit unterschiedlichen chemischen Strukturen bestehen. Die Diskrepanz zwischen der berechneten HANSEN-Distanzen und der Stabilität der Magnetitnanopartikeln mit reinen Fettsäuren lässt vermutet, dass die Zusammensetzung der Lösungsmittelgemische an der fest/flüssig-Grenzfläche anders ist als im freien Volumen. Ein Modell zur Beschreibung der Stabilität der Nanopartikeln, das auf einer Anreicherung des Ausgangslösungsmittels an der Grenzfläche basiert, wurde postuliert. Solange die Diffusion des zweiten Lösungsmittels in die Adsorptionsschicht nicht ausreichend genug ist, um die Löslichkeit der Fettsäureketten entscheidend zu reduzieren und somit einen Abfall der Abstoßungskräfte zwischen der Partikeln hervorzurufen, bleiben alle beschichteten Magnetitnanopartikeln stabil im Lösungsmittelgemisch. Dies ist der Fall für die mit der reinen Rizinolsäure beschichteten Magnetitnanopartikeln in allen verwendeten Lösungsmittelgemischen mit 0,5 Vol. % DCM in der kontinuierlichen Phase. Durch die vorgestellten Herstellungsmethoden wurde gezeigt, dass magnetische Funktionspartikeln sowohl mit festen partikelförmigen Ionenaustauschern als auch mit flüssigen schwachen Polyelektrolyten erfolgreich synthetisiert werden können. Eine nachhaltige Prozessgestaltung durch die Reduzierung der Dichlormethanmenge im Sprühtrocknungsprozess ist auch möglich. Für eine erfolgreiche industrielle Anwendung der Funktionspartikeln müssen aber ihre chemischen sowie mechanischen Eigenschaften deutlich verbessert werden. Dies könnte z.B. durch die Verwendung eines anderen Matrixpolymers oder durch die Entfernung von nicht gebundenen Bestandteilen durch gezielte Waschung der Funktionspartikeln erfolgen. Die Bindungskapazität sowie die Selektivität der oberflächenmodifizierten Funktionspartikeln sollte ebenfalls verbessert werden. Dafür wurde einen Ansatz durch die Quaternisierung der Aminogruppen präsentiert. Schließlich würde die Untersuchung der Stabilität der beschichteten Magnetitnanopartikeln in einphasigen reinen Lösungsmitteln nähere Erkenntnisse über das postulierte Modell der Anreicherung von Dichlormethan in der Adsorptionsschicht erbringen. Dabei könnte die Dichlormethanmenge durch mehrstufige Destillation bzw. Rektifikation beim Lösungsmittelaustausch entfernt werden. Eine vollständige Untersuchung dieses Effekts würde zusätzlich eine Antwort auf zahlreiche Fragestellungen der Kolloidchemie in Bezug auf das Stabilitätsverhalten von Pigmentdispersionen (Lacke) oder von beschichteten Nanopartikeln in Polymerlösungen erbringen.

Zusammenfassung: Die vorliegende Arbeit lässt sich thematisch in drei Bereiche gliedern. Der erste Teil handelt von der Synthese stark elektronenziehender Ligandensysteme und deren Umsetzung zu Metallocendichloriden. Es zeigt sich, dass die Umsetzung von pentafluorbenzolhaltigem Cyclopentadien, Inden oder Fluoren mit Silizium-Verbindungen nicht zu der gewünschten Reaktion zu Si-verbrücken Systemen führen, sondern, dass sich andersartige Si-F-Moleküle bilden. Zugängliche, unverbrückte Komplexe zeigen im besonderen eine geringe Stabilität im Vergleich zu ’nicht-C6F5-haltigen’ Metallocenen. Die Hauptthematik der Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese von in 2-Position funktionalisierter sowie verbrückter Indene und deren Umsetzung zu Metallocenkomplexen. Hierbei interessiert vor allem der sterische Einfluss der am Ligandensystem sitzenden Gruppen. Die Darstellung der Inden-2-verbrückten Indene erstreckt sich über eine Bromaddition, thermodynamische Freisetzung von HBr, Grignard-Reaktion und anschließender Brückenbildung mit Cyclopentadien- und tert.Butylamineinheiten. Weiterer Bestandteil dieses Abschnitts ist die Umsetzung der synthetisierten Moleküle zu Metallocenverbindungen. Dabei werden auf diesem Wege Sandwich- bzw. Halbsandwich-Komplexe in guter Ausbeute erhalten. Der dritte Bereich beschäftigt sich mit der Umsetzung von Titan-4-chlorid gegenüber unterschiedlichern Trimethylsilyl-substituierten Indenen. Durch Substitution eines Chloratoms durch eine Phenolatgruppe erhält man die Indenyldichlortitanphenolate.

Three advanced methodologies for the preparation of extremely sterically hindered tertiary alkyl amines have been developed. The syntheses of 28 novel tertiary alkylamines that accommodate unusual steric hindrance are detailed. The electrophilic amination of alkyl Grignard reagents with N-chlorodialkylamines, in the presence of N,N,N′,N′-tetramethylethylenediamine (TMEDA) as a key additive, gives a variety of unprecedentedly sterically hindered tertiary alkylamines in good yields. Alternative strategy to 1-adamantyl-substituted (1-Ad) sterically hindered tertiary amines, which involved instead an SN1 reaction between 1-Ad cation with various secondary amines, is described. A complementary strategy to 1-Ad-based sterically hindered tertiary amines, which involves an iminium salt intermediate, is also reported. Salient features of the three protocols that are detailed here include unusual tolerance of steric hindrance, mild reaction conditions employed, ease of product isolation-purification, and absence of catalysts/transition metals. The molecular structures of two faithful examples of extremely sterically hindered tertiary alkylamines were determined by single crystal X-ray diffraction, and the height “h” of nitrogen pyramid of these compounds were measured. The NMR spectra show a restriction in rotation at room temperature among many hindered tertiary amines, and some of them exhibit two complete sets of peaks for two non-equivalent rotamers at room temperature. 15N NMR has been applied to study the structural changes in highly sterically hindered tertiary amines. Most of these compounds have been shown to undergo Hofmann type elimination reaction upon thermolysis at 100 degree in inert solvents, like toluene. / In der vorliegenden Arbeit wurden drei Methoden zur Synthese von tertitären Aminen mit extremer sterischer Hinderung entwickelt und zur Synthese von 28 neuen tertiären Alkylaminen mit entsprechender sterischer Hinderung angewendet. Die elektrophile Aminierung von Grignard-Reagenzien mit N-Chlordialkylaminen, unter Zusatz von N,N,N′,N′-Tetramethylethylendiamin (TMEDA) als Schlüsselkomponente, ermöglicht einen einfachen Zugang zu einer Vielzahl von tertiären Aminen mit extremer sterischer Hinderung mit guten Ausbeuten. Eine alternative Synthesestrategie unter SN1-Bedingungen führt zu sterisch-gehinderten 1-Adamantyl-substituierten (1-Ad) tertiären Aminen durch die Reaktion eines 1-Ad-Kations mit unterschiedlichen sterisch-gehinderten sekundären Aminen. Angelehnt an die zuvor beschriebene Reaktion können auch sterisch gehinderte Imine über eine Iminium-Salz-Zwischenstufe zu sterisch-gehinderten 1-Ad-substituierten tertiären Aminen umgesetzt werden. Auch in diesen Fall zeichnet sich die Reaktion durch eine bemerkenswerte Toleranz gegenüber sterischer Hinderung, milden Reaktionsbedingungen, leichte Produktisolierbarkeit und die Abwesenheit von Übergangsmetallkatalysatoren aus. Die molekulare Struktur zweier repräsentativer tertiärer Alkylamine mit extremer sterischer Hinderung wurde mittels Röntgeneinkristallstrukturanalyse untersucht und die Höhe “h” ihrer Stickstoff-Pyramide bestimmt. Die NMR-Spektren zeigen bei RT eine Einschränkung der freien Rotation um die N-C-Bindungsachse, teilweise führt dies zu vollständig getrennten Signalsätzen für die einzelnen Rotamere. 15N-NMR-Spektroskopie wurde ebenfalls zur Untersuchung von Strukturveränderungen genutzt. In inerten Lösungsmitteln, wie Toluol, zeigen die Verbindungen bei 100 °C in den meisten Fällen eine Hofmann-Eliminierung.