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An investigation of the microstructure-mechanical property relationships for gray cast iron and a vintage ASTM A7 steel are presented herein. Gray cast iron was shown to have a moderate sensitivity to strain rate and a large disparity in behavior between compression, tension, and torsion. ASTM A7 steel was shown to behave in a more complex manor with the strain rate sensitivity having a negative relationship in tension and positive relationship in compression and torsion, the tensile stress-state producing the highest stress response, and the material producing a higher stress response when exposed to elevated temperatures. The counterintuitive behavior observed in A7 steel was attributed to dynamic strain aging. The Mississippi State University Internal State Variable Plasticity-Damage model was updated to accurately capture negative strain rate sensitivity and DSA embrittlement by developing kinematic, thermodynamic, and kinetic constitutive relationships for dynamic strain aging. A parametric study was performed to elucidate the behavior of the new internal state variable for dynamic strain aging. Gray cast iron was successfully calibrated to a pre-DSA version of the plasticity-damage model and A7 steel was successfully calibrated to the updated plasticity-damage model.

Organic semiconducting polymers are widely employed in organic electronics such as organic photovoltaics (OPVs), organic field-effect transistors (OFETs) and organic light emitting diodes (OLEDs). Their remarkable mechanical and charge transport properties as well as solution processability allow low-cost fabrication of light-weight and flexible devices. Among them indacenodithiophene (IDT)-based materials are promising candidates for application in organic electronics. Due to their low energetic disorder, extended conjugation and high electron density the IDT-based polymers show high field-effect mobilities and high absorption coefficients. However, their synthesis suffers from long reaction sequences and is often accomplished using toxic materials. Commercialization requires development of more efficient and sustainable reaction pathways to ease tailoring of structures and to limit molecular defects. Herein, the development of new synthetic pathways towards IDT-based polymers is presented in which all C-C coupling steps are achieved by C-H activation – an atom-economic alternative to conventional transition-metal catalyzed cross couplings. Two different strategies were established to synthesize a series of well-defined IDT-based homo- and copolymers with different side chain patterns and varied molecular weights. The first way starts by synthesis of a precursor polymer and subsequent cyclization affording IDT homopolymers. In the second approach, cyclized IDT monomers were prepared first and then polymerized using direct arylation polycondensation (DAP) yielding IDT homo- and copolymers. The synthetic pathways were optimized in terms of maximizing molecular weights and limiting defect structures. While the first pathway enables synthesis of well-defined homopolymers, the latter is the method of choice for preparation of IDT-based copolymers in high yields and adjustable molecular weights. The polymers were further characterized in detail by optical, thermal, electrical and morphological analyses. OFETs as well as all-polymer solar cells (all-PSCs) were fabricated to investigate the influence of structural modifications and molecular weight on their optoelectronic performance. Thus, this thesis provides a comprehensive study of the structure-property correlations of IDT-based polymers and simplified synthetic protocols for the design and preparation of donor-acceptor copolymers in the future.

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Die globalen Herausforderungen unserer Zeit sind wesentlich geprägt vom Klimawandel und der Umweltzerstörung auf dem Planeten Erde, hervorgerufen durch die Existenz des Menschen. Damit sind die Themen der Nachhaltigkeit, des Umweltschutzes und der alternativen Energieerzeugung, verbunden mit der Energiespeicherung, allgegenwärtig. Auf dem Gebiet der mobilen Energiespeicher sind die Lithium-Ionen-Batterien (LIB) fest etabliert. Jedoch sind die Ressourcen für das Metall Lithium endlich und die großtechnische Anwendung dieser Systeme ist mit hohen Sicherheitsmaßnahmen und damit hohen Kosten verbunden. Deshalb wird zunehmend an Lithium-freien Batterien geforscht. Diese Arbeit befasste sich mit der Entwicklung von Komponenten einer Lithium-freien, rein-organischen Festkörperbatterie. Die Herausforderungen an solche komplexen Systeme sind besonders hoch, sodass sich diese Arbeit auf die gezielte Entwicklung geeigneter Elektrolytmaterialien für organische Festkörperbatterien fokussierte. Die bisher genutzten Flüssigelektrolytsysteme in LIB bringen einige Nachteile mit sich (z.B. Feuchtigkeitsempfindlichkeit, Toxizität, leichte Entzündlichkeit), welche adressiert werden müssen. Kohlenstoffhaltige Polymere sind prinzipiell relativ leicht synthetisierbar und die Verfügbarkeit an Kohlenstoff, ist im Vergleich zu Lithium deutlich größer. Weiterhin sind Polymere flexibler als herkömmliche Batteriekomponenten, was die Anwendung für dünne elektronische Geräte attraktiv macht. Basierend auf den Vorarbeiten der Arbeitsgruppe Pospiech, welche sich mit Bis(trifluormethansulfonyl)imid-haltigen ionisch-flüssigen Polymerelektrolyten für LIB beschäftigten, sollten in dieser Arbeit ebenfalls ionische Flüssigkeiten als Grundlage für Polymerelektrolyte für organische Redox-Batterien dienen. Der Neuheitsgrad dieser Arbeit liegt jedoch in der Verwendung von Chlorid-Ionen-haltigen, ionisch-flüssigen Polymerelektrolyten, welche als Chlorid-Ionen-Leiter in der organischen Batterie fungieren sollen. Aufgrund der festen Polymermatrix agieren diese dabei nicht nur als Festelektrolyte, sondern auch als Separatoren, weshalb eine gewisse mechanische Festigkeit mit einer ausreichenden Flexibilität kombiniert werden muss. Zur Realisierung der Aufgabenstellung wurden zunächst neuartige Chlorid-Ionen-haltige Polymerelektrolyte, sowohl als lineare Homopolymere als auch als vernetzte Polymere, synthetisiert. Dabei war das Ziel, die Systeme im Hinblick auf die ionischen Leitfähigkeiten und damit verbunden den Ladungstransfer der Chlorid-Ionen zu optimieren. Dies sollte zum einen durch strukturelle Veränderungen (Wahl des Spacers und der Endgruppe) als auch durch die Verwendung von verschiedenen Vernetzer- und Leitsalzkonzentrationen realisiert werden. Im zweiten Schritt wurde die systematische Variation der Polymerstruktur genutzt, um Struktur-Eigenschafts-Beziehungen, insbesondere hinsichtlich der ionischen Leitfähigkeit auszuarbeiten. Im dritten Schritt fanden ausgewählte Systeme dann letztendlich Anwendung in Batteriezellen, um die Frage zu beantworten, ob die Anforderungen an den Festkörperelektrolyten tatsächlich erreicht werden können und es damit möglich ist, in solchen Systemen lösungsmittelfrei zu arbeiten, oder ob die Eigenschaften, wie z.B. die ionische Leitfähigkeit, nicht ausreichen und durch Zugabe geeigneter Zusätze ein Gelelektrolyt angewandt werden sollte. Mit der dargestellten Vorgehensweise ist es im Rahmen dieser Doktorarbeit gelungen, neuartige Chlorid-Ionen-leitende Polymerelektrolyte für Batteriesysteme zu entwickeln, welche auf ionisch-flüssigen Monomeren basieren und somit ein deutlich geringeres Sicherheitsrisiko mit sich bringen, als es herkömmliche Flüssigelektrolytsysteme bisher tun. Das Gesamtziel dieser Arbeit wurde somit erfolgreich erreicht. Es wurden folgende wesentliche Ergebnisse erzielt: (1) Durch systematische Variationen in der Monomerstruktur, verschiedene Polymerisationsmethoden und Additive konnte eine Vielzahl an neuartigen Chlorid-haltigen Polymerelektrolyten synthetisiert und chemisch sowie chemisch-physikalisch charakterisiert werden. (2) Die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der Polymere wurden sehr detailliert herausgearbeitet. Dabei wurde insbesondere der Einfluss der C-Atom-Anzahl in der acrylischen Seitenkette, die Menge an Vernetzer und Leitsalz auf das thermische, mechanische, chemische und elektrochemische Verhalten der Proben untersucht und verstanden. (3) Damit wurde das Basiswissen für eine effiziente Übertragung auf ein Batteriesystem erarbeitet. (4) Erste Implementierungen der neuen Systeme als Elektrolyte in Poly(2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyl-methacrylat)/ Zink-Batterien wurden erfolgreich durchgeführt und zeigten mit Leitfähigkeiten von 10-3 S·cm-1 vielversprechende Ergebnisse. Eine solche Breite an strukturellen Variationen in Chlorid-Ionen-haltigen Polymeren, welche mit zahlreichen Methoden detailliert analysiert und anschließend in Batteriezellen als Gel- und Festelektrolyte getestet wurden, konnte bisher in der Literatur noch nicht gefunden werden und stellt einen erheblichen Neuheitsgrad dieser Arbeit und einen guten Ausgangspunkt zur Implementierung in Batterien dar.:Inhaltsverzeichnis Danksagung i Inhaltsverzeichnis iii Abbildungsverzeichnis vii Tabellenverzeichnis xiv Abkürzungs- und Symbolverzeichnis xvi 1 Einleitung 1 2 Theoretischer Hintergrund 6 2.1 Die Lithium-Ionen-Batterie (LIB) 6 2.2 Struktur und Aufbau von polymerbasierten Batterien 8 2.2.1 Redox-Flow-Batterien (RFB) 8 2.2.2 Organische Festkörperbatterien (SSB) 11 2.3 Elektrolyttypen für (polymerbasierte) Batterien 19 2.3.1 Überblick 19 2.3.2 Flüssigelektrolyte 20 2.3.2.1 Lösungsmittel 20 2.3.2.2 Leitsalz 22 2.3.2.3 Elektrolyte basierend auf ionischen Flüssigkeiten 23 2.3.3 Polymerelektrolyte (PEL) 27 2.3.3.1 Überblick 27 2.3.3.2 Festelektrolyte (SPE) 28 2.3.3.3 Gelpolymerelektrolyte (GPE) 30 2.3.3.4 Elektrolyte aus polyionischen Flüssigkeiten (PIL) 30 2.4 Synthese polymerer ionischer Flüssigkeiten 37 2.4.1 Freie radikalische Polymerisation (FRP) von IL-Monomeren 38 2.4.2 Reaktionsverfolgung 42 3 Zielstellung und Aufbau der Arbeit 44 4 Experimenteller Teil 47 4.1 Verwendete Chemikalien 47 4.2 Synthesen 49 4.2.1 Monomersynthesen 49 4.2.2 Polymersynthesen 56 4.2.2.1 Lineare Homopolymere (LHP) 56 4.2.2.2 PIL-Netzwerke 59 4.3 Angewandte Methoden, Verfahren und Geräte 60 4.3.1 Raman-Spektroskopie als Methode zur Reaktionsverfolgung 60 4.3.2 Charakterisierung der linearen Homopolymere 61 4.3.2.1 Kernspinresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie) 61 4.3.2.2 Thermische Feld-Fluss-Fraktionierung (ThFFF) 61 4.3.2.3 Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation gekoppelt mit Flugzeit-Massenspektrometrie (MALDI-TOF MS) 63 4.3.3 Methoden zur thermischen und mechanischen Stabilität bzw. Eigenschaften 64 4.3.3.1 Thermogravimetrische Analyse (TGA) 64 4.3.3.2 Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) 64 4.3.3.3 Rheologie 64 4.3.3.4 Quelluntersuchungen 66 4.3.4 Methoden zur Bestimmung elektrochemischer Eigenschaften 67 4.3.4.1 Elektrochemische Impedanz-Spektroskopie (EIS) 67 4.3.4.2 Linear-Sweep-Voltammetrie (LSV) 71 4.3.4.3 Cyclovoltammetrie (CV) 72 4.3.4.4 Raster-Kelvin-Mikroskopie (KPFM) 75 4.3.5 Methoden zur Untersuchung der morphologischen Struktur bzw. Eigenschaften 76 4.3.5.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 76 4.3.5.2 Kleinwinkelröntgenstreuung (SAXS) 76 4.4 Batterietests 77 4.4.1 Zellaufbau 77 4.4.2 Parameter und Materialien für Zyklisierungstests 77 5 Ergebnisse und Diskussion 78 5.1 Darstellung des Forschungskonzeptes 78 5.2 Synthese und Polymerisation der IL-Monomere 80 5.2.1 Monomersynthesen 80 5.2.2 Polymersynthesen 82 5.2.2.1 Lineare Homopolymere 82 5.2.2.2 PIL-Netzwerke 83 5.3 Quellverhalten der PIL-Netzwerke 86 5.4 Charakterisierung der linearen Homopolymere und der PIL-Netzwerke 91 5.4.1 Bestimmung der molaren Massen der linearen Homopolymere 91 5.4.1.1 Thermische Feld-Fluss-Fraktionierung 91 5.4.1.2 Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation gekoppelt mit Flugzeit-Massenspektrometrie 94 5.4.2 Thermisches Verhalten 95 5.4.2.1 TGA-Untersuchungen der linearen Homopolymere 95 5.4.2.2 TGA-Untersuchungen der PIL-Netzwerke 97 5.4.2.3 DSC-Untersuchungen der linearen Homopolymere 98 5.4.2.4 DSC-Untersuchungen der PIL-Netzwerke 101 5.4.3 Dynamisch-mechanisches Verhalten der PIL-Netzwerke 105 5.4.3.1 Komplexe Viskosität als Funktion der Temperatur 105 5.4.3.2 Bestimmung der Maschenweite und Vernetzungsdichte der PIL-Netzwerke 110 5.4.4 Ionische Leitfähigkeit und elektrochemisches Verhalten 113 5.4.4.1 EIS-Messungen der linearen Homopolymere 113 5.4.4.2 EIS-Messungen der PIL- Netzwerke 115 5.4.4.3 Linear-Sweep Voltammetrie der linearen Homopolymere und PIL-Netzwerke und Cyclovoltammetrie der linearen Homopolymere 123 5.4.5 Untersuchungen zum Ladungsträgertransport 125 5.4.5.1 Chlorid-Ionen-Diffusion 125 5.4.5.2 Raster-Kelvin-Mikroskopie 127 5.4.6 Strukturaufklärung mittels Kleinwinkelröntgenstreuung 131 5.5 Integration ausgewählter Systeme als Polymerelektrolyte in Batteriezellen 138 5.5.1 Wahl geeigneter Elektroden- und Elektrolytkombinationen 138 5.5.2 Zyklisierungstests 141 6 Zusammenfassung und Ausblick 146 7 Literaturverzeichnis 154 8 Anhang A 9 Publikationsliste L 10 Selbstständigkeitserklärung M

Les modèles pharmacocinétiques à base physiologique (PBPK) permettent de simuler la dose interne de substances chimiques sur la base de paramètres spécifiques à l’espèce et à la substance. Les modèles de relation quantitative structure-propriété (QSPR) existants permettent d’estimer les paramètres spécifiques au produit (coefficients de partage (PC) et constantes de métabolisme) mais leur domaine d’application est limité par leur manque de considération de la variabilité de leurs paramètres d’entrée ainsi que par leur domaine d’application restreint (c. à d., substances contenant CH3, CH2, CH, C, C=C, H, Cl, F, Br, cycle benzénique et H sur le cycle benzénique). L’objectif de cette étude est de développer de nouvelles connaissances et des outils afin d’élargir le domaine d’application des modèles QSPR-PBPK pour prédire la toxicocinétique de substances organiques inhalées chez l’humain. D’abord, un algorithme mécaniste unifié a été développé à partir de modèles existants pour prédire les PC de 142 médicaments et polluants environnementaux aux niveaux macro (tissu et sang) et micro (cellule et fluides biologiques) à partir de la composition du tissu et du sang et de propriétés physicochimiques. L’algorithme résultant a été appliqué pour prédire les PC tissu:sang, tissu:plasma et tissu:air du muscle (n = 174), du foie (n = 139) et du tissu adipeux (n = 141) du rat pour des médicaments acides, basiques et neutres ainsi que pour des cétones, esters d’acétate, éthers, alcools, hydrocarbures aliphatiques et aromatiques. Un modèle de relation quantitative propriété-propriété (QPPR) a été développé pour la clairance intrinsèque (CLint) in vivo (calculée comme le ratio du Vmax (μmol/h/kg poids de rat) sur le Km (μM)), de substrats du CYP2E1 (n = 26) en fonction du PC n octanol:eau, du PC sang:eau et du potentiel d’ionisation). Les prédictions du QPPR, représentées par les limites inférieures et supérieures de l’intervalle de confiance à 95% à la moyenne, furent ensuite intégrées dans un modèle PBPK humain. Subséquemment, l’algorithme de PC et le QPPR pour la CLint furent intégrés avec des modèles QSPR pour les PC hémoglobine:eau et huile:air pour simuler la pharmacocinétique et la dosimétrie cellulaire d’inhalation de composés organiques volatiles (COV) (benzène, 1,2-dichloroéthane, dichlorométhane, m-xylène, toluène, styrène, 1,1,1 trichloroéthane et 1,2,4 trimethylbenzène) avec un modèle PBPK chez le rat. Finalement, la variabilité de paramètres de composition des tissus et du sang de l’algorithme pour les PC tissu:air chez le rat et sang:air chez l’humain a été caractérisée par des simulations Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC). Les distributions résultantes ont été utilisées pour conduire des simulations Monte Carlo pour prédire des PC tissu:sang et sang:air. Les distributions de PC, avec celles des paramètres physiologiques et du contenu en cytochrome P450 CYP2E1, ont été incorporées dans un modèle PBPK pour caractériser la variabilité de la toxicocinétique sanguine de quatre COV (benzène, chloroforme, styrène et trichloroéthylène) par simulation Monte Carlo. Globalement, les approches quantitatives mises en œuvre pour les PC et la CLint dans cette étude ont permis l’utilisation de descripteurs moléculaires génériques plutôt que de fragments moléculaires spécifiques pour prédire la pharmacocinétique de substances organiques chez l’humain. La présente étude a, pour la première fois, caractérisé la variabilité des paramètres biologiques des algorithmes de PC pour étendre l’aptitude des modèles PBPK à prédire les distributions, pour la population, de doses internes de substances organiques avant de faire des tests chez l’animal ou l’humain. / Physiologically-based pharmacokinetic (PBPK) models simulate the internal dose metrics of chemicals based on species-specific and chemical-specific parameters. The existing quantitative structure-property relationships (QSPRs) allow to estimate the chemical-specific parameters (partition coefficients (PCs) and metabolic constants) but their applicability is limited by their lack of consideration of variability in input parameters and their restricted application domain (i.e., substances containing CH3, CH2, CH, C, C=C, H, Cl, F, Br, benzene ring and H in benzene ring). The objective of this study was to develop new knowledge and tools to increase the applicability domain of QSPR-PBPK models for predicting the inhalation toxicokinetics of organic compounds in humans. First, a unified mechanistic algorithm was developed from existing models to predict macro (tissue and blood) and micro (cell and biological fluid) level PCs of 142 drugs and environmental pollutants on the basis of tissue and blood composition along with physicochemical properties. The resulting algorithm was applied to compute the tissue:blood, tissue:plasma and tissue:air PCs in rat muscle (n = 174), liver (n = 139) and adipose tissue (n = 141) for acidic, neutral, zwitterionic and basic drugs as well as ketones, acetate esters, alcohols, ethers, aliphatic and aromatic hydrocarbons. Then, a quantitative property-property relationship (QPPR) model was developed for the in vivo rat intrinsic clearance (CLint) (calculated as the ratio of the in vivo Vmax (μmol/h/kg bw rat) to the Km (μM)) of CYP2E1 substrates (n = 26) as a function of n-octanol:water PC, blood:water PC, and ionization potential). The predictions of the QPPR as lower and upper bounds of the 95% mean confidence intervals were then integrated within a human PBPK model. Subsequently, the PC algorithm and QPPR for CLint were integrated along with a QSPR model for the hemoglobin:water and oil:air PCs to simulate the inhalation pharmacokinetics and cellular dosimetry of volatile organic compounds (VOCs) (benzene, 1,2-dichloroethane, dichloromethane, m-xylene, toluene, styrene, 1,1,1-trichloroethane and 1,2,4 trimethylbenzene) using a PBPK model for rats. Finally, the variability in the tissue and blood composition parameters of the PC algorithm for rat tissue:air and human blood:air PCs was characterized by performing Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulations. The resulting distributions were used for conducting Monte Carlo simulations to predict tissue:blood and blood:air PCs for VOCs. The distributions of PCs, along with distributions of physiological parameters and CYP2E1 content, were then incorporated within a PBPK model, to characterize the human variability of the blood toxicokinetics of four VOCs (benzene, chloroform, styrene and trichloroethylene) using Monte Carlo simulations. Overall, the quantitative approaches for PCs and CLint implemented in this study allow the use of generic molecular descriptors rather than specific molecular fragments to predict the pharmacokinetics of organic substances in humans. In this process, the current study has, for the first time, characterized the variability of the biological input parameters of the PC algorithms to expand the ability of PBPK models to predict the population distributions of the internal dose metrics of organic substances prior to testing in animals or humans.

Les modèles pharmacocinétiques à base physiologique (PBPK) permettent de simuler la dose interne de substances chimiques sur la base de paramètres spécifiques à l’espèce et à la substance. Les modèles de relation quantitative structure-propriété (QSPR) existants permettent d’estimer les paramètres spécifiques au produit (coefficients de partage (PC) et constantes de métabolisme) mais leur domaine d’application est limité par leur manque de considération de la variabilité de leurs paramètres d’entrée ainsi que par leur domaine d’application restreint (c. à d., substances contenant CH3, CH2, CH, C, C=C, H, Cl, F, Br, cycle benzénique et H sur le cycle benzénique). L’objectif de cette étude est de développer de nouvelles connaissances et des outils afin d’élargir le domaine d’application des modèles QSPR-PBPK pour prédire la toxicocinétique de substances organiques inhalées chez l’humain. D’abord, un algorithme mécaniste unifié a été développé à partir de modèles existants pour prédire les PC de 142 médicaments et polluants environnementaux aux niveaux macro (tissu et sang) et micro (cellule et fluides biologiques) à partir de la composition du tissu et du sang et de propriétés physicochimiques. L’algorithme résultant a été appliqué pour prédire les PC tissu:sang, tissu:plasma et tissu:air du muscle (n = 174), du foie (n = 139) et du tissu adipeux (n = 141) du rat pour des médicaments acides, basiques et neutres ainsi que pour des cétones, esters d’acétate, éthers, alcools, hydrocarbures aliphatiques et aromatiques. Un modèle de relation quantitative propriété-propriété (QPPR) a été développé pour la clairance intrinsèque (CLint) in vivo (calculée comme le ratio du Vmax (μmol/h/kg poids de rat) sur le Km (μM)), de substrats du CYP2E1 (n = 26) en fonction du PC n octanol:eau, du PC sang:eau et du potentiel d’ionisation). Les prédictions du QPPR, représentées par les limites inférieures et supérieures de l’intervalle de confiance à 95% à la moyenne, furent ensuite intégrées dans un modèle PBPK humain. Subséquemment, l’algorithme de PC et le QPPR pour la CLint furent intégrés avec des modèles QSPR pour les PC hémoglobine:eau et huile:air pour simuler la pharmacocinétique et la dosimétrie cellulaire d’inhalation de composés organiques volatiles (COV) (benzène, 1,2-dichloroéthane, dichlorométhane, m-xylène, toluène, styrène, 1,1,1 trichloroéthane et 1,2,4 trimethylbenzène) avec un modèle PBPK chez le rat. Finalement, la variabilité de paramètres de composition des tissus et du sang de l’algorithme pour les PC tissu:air chez le rat et sang:air chez l’humain a été caractérisée par des simulations Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC). Les distributions résultantes ont été utilisées pour conduire des simulations Monte Carlo pour prédire des PC tissu:sang et sang:air. Les distributions de PC, avec celles des paramètres physiologiques et du contenu en cytochrome P450 CYP2E1, ont été incorporées dans un modèle PBPK pour caractériser la variabilité de la toxicocinétique sanguine de quatre COV (benzène, chloroforme, styrène et trichloroéthylène) par simulation Monte Carlo. Globalement, les approches quantitatives mises en œuvre pour les PC et la CLint dans cette étude ont permis l’utilisation de descripteurs moléculaires génériques plutôt que de fragments moléculaires spécifiques pour prédire la pharmacocinétique de substances organiques chez l’humain. La présente étude a, pour la première fois, caractérisé la variabilité des paramètres biologiques des algorithmes de PC pour étendre l’aptitude des modèles PBPK à prédire les distributions, pour la population, de doses internes de substances organiques avant de faire des tests chez l’animal ou l’humain. / Physiologically-based pharmacokinetic (PBPK) models simulate the internal dose metrics of chemicals based on species-specific and chemical-specific parameters. The existing quantitative structure-property relationships (QSPRs) allow to estimate the chemical-specific parameters (partition coefficients (PCs) and metabolic constants) but their applicability is limited by their lack of consideration of variability in input parameters and their restricted application domain (i.e., substances containing CH3, CH2, CH, C, C=C, H, Cl, F, Br, benzene ring and H in benzene ring). The objective of this study was to develop new knowledge and tools to increase the applicability domain of QSPR-PBPK models for predicting the inhalation toxicokinetics of organic compounds in humans. First, a unified mechanistic algorithm was developed from existing models to predict macro (tissue and blood) and micro (cell and biological fluid) level PCs of 142 drugs and environmental pollutants on the basis of tissue and blood composition along with physicochemical properties. The resulting algorithm was applied to compute the tissue:blood, tissue:plasma and tissue:air PCs in rat muscle (n = 174), liver (n = 139) and adipose tissue (n = 141) for acidic, neutral, zwitterionic and basic drugs as well as ketones, acetate esters, alcohols, ethers, aliphatic and aromatic hydrocarbons. Then, a quantitative property-property relationship (QPPR) model was developed for the in vivo rat intrinsic clearance (CLint) (calculated as the ratio of the in vivo Vmax (μmol/h/kg bw rat) to the Km (μM)) of CYP2E1 substrates (n = 26) as a function of n-octanol:water PC, blood:water PC, and ionization potential). The predictions of the QPPR as lower and upper bounds of the 95% mean confidence intervals were then integrated within a human PBPK model. Subsequently, the PC algorithm and QPPR for CLint were integrated along with a QSPR model for the hemoglobin:water and oil:air PCs to simulate the inhalation pharmacokinetics and cellular dosimetry of volatile organic compounds (VOCs) (benzene, 1,2-dichloroethane, dichloromethane, m-xylene, toluene, styrene, 1,1,1-trichloroethane and 1,2,4 trimethylbenzene) using a PBPK model for rats. Finally, the variability in the tissue and blood composition parameters of the PC algorithm for rat tissue:air and human blood:air PCs was characterized by performing Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulations. The resulting distributions were used for conducting Monte Carlo simulations to predict tissue:blood and blood:air PCs for VOCs. The distributions of PCs, along with distributions of physiological parameters and CYP2E1 content, were then incorporated within a PBPK model, to characterize the human variability of the blood toxicokinetics of four VOCs (benzene, chloroform, styrene and trichloroethylene) using Monte Carlo simulations. Overall, the quantitative approaches for PCs and CLint implemented in this study allow the use of generic molecular descriptors rather than specific molecular fragments to predict the pharmacokinetics of organic substances in humans. In this process, the current study has, for the first time, characterized the variability of the biological input parameters of the PC algorithms to expand the ability of PBPK models to predict the population distributions of the internal dose metrics of organic substances prior to testing in animals or humans.

The rapidly increasing power conversion efficiencies (PCEs) of organic solar cells (OSCs) above 10% were made possible by concerted international research activities in the last few years, aiming to understand the processes that lead to the generation of free charge carriers following photon absorption. Despite these efforts, many details are still unknown, especially how these processes can be improved already at the drawing board of molecular design. To unveil this information, dicyanovinyl end-capped oligothiophene derivatives (DCVnTs) are used as a model system in this thesis, allowing to investigate the impact of small structural changes on the molecular properties and the final solar cells. On thin films of a methylated DCV4T derivative, the influence of the measurement temperature on the charge carrier generation process is investigated. The observed temperature activation in photoinduced absorption (PIA) measurements is attributed to an increased charge carrier mobility, increasing the distance between the charges at the donor/acceptor (D/A) interface and, thus, facilitating their final dissociation. The correlation between the activation energy and the mobility is confirmed using a DCV6T derivative with lower mobility , exhibiting a higher activation energy for charge carrier generation. Another parameter to influence the charge carrier generation process is the molecular structure. Here, alkyl side chains with varying length are introduced and their influence on the intramolecular energy levels as well as the absorption and emission properties in pristine and blend films with the acceptor C60 are examined. The observed differences in intermolecular order (higher order for shorter side chains) and phase separation in blend layers (larger phase separation for shorter side chains) are confirmed in PIA measurements upon comparing the temperature dependence of the triplet exciton lifetimes. A proposed correlation between the side chain length and the coupling between D and A, which is crucial for efficient charge transfer, is not confirmed. The presented flat heterojunction solar cells underline this conclusion, giving similar photocurrent densities for all compounds. Differences in PCE are related to shifts of the energy levels and the morphology of the blend layer in bulk heterojunction devices. Furthermore, the impact of the electric field on the charge carrier generation yield is investigated in a proof-of-principle study, introducing PIA measurements in transmission geometry realized using semitransparent solar cells. The recombination analysis of the photogenerated charge carriers reveals two recombination components. Trapped charge carriers or bound charge pairs at the D/A interface are proposed as an explanation for this result. The miscibility of D and A, which can be influenced by heating the substrate during layer deposition, is of crucial importance to obtain high PCEs. In this work, the unusual negative influence of the substrate temperature on DCV4T:C60 blend layers in solar cells is investigated. By using optical measurements and structure determination tools, a rearrangement of the DCV4T crystallites is found to be responsible for the reduced absorption and, therefore, photocurrent at higher substrate temperature. The proposed blend morphology at a substrate temperature of 90° C is characterized by a nearly complete demixing of the D and A phases. This investigation is of particular relevance, because it shows the microscopic origins of a behavior that is contrary to the increase of the PCE upon substrate heating usually reported in literature. Finally, the optimization steps to achieve a record PCE of 7.7% using a DCV5T derivative as donor material are presented, including the optimization of the substrate temperature, the active layer thickness, and the transport layers. / Der rasante Anstieg des Wirkungsgrads von organischen Solarzellen über die Marke von 10% war nur durch länderübergreifende Forschungsaktivitäten während der letzten Jahre möglich. Trotz der gemeinsamen Anstrengungen, die Prozesse, die zwischen der Absorption der Photonen und der Ladungsträgererzeugung liegen, genauer zu verstehen, sind einige Fragen jedoch immer noch ungelöst, z.B. wie diese Prozesse schon auf dem Reißbrett durch die gezielte Änderung bestimmter Molekülstrukturen optimiert werden können. Um dieses Ziel zu erreichen, werden in dieser Arbeit Dicyanovinyl-substituierte Oligothiophene (DCVnTs) verwendet. Diese Materialien bieten die Möglichkeit, kleine strukturelle Änderungen vorzunehmen, deren Einfluss auf die molekularen und auf die Solarzelleneigenschaften untersucht werden soll. Der Einfluss der Messtemperatur auf den Prozess der Ladungsträgertrennung wird hier an einer methylierten DCV4T-Verbindung in einer dünnen Schicht untersucht. Die bei photoinduzierter Absorptionsspektroskopie (PIA) beobachtete Aktivierung dieses Prozesses mit zunehmender Temperatur wird auf eine erhöhte Ladungsträgerbeweglichkeit zurückgeführt. Der dadurch erhöhte effektive Abstand der Ladungen an der Grenzfläche zwischen Donator (D) und Akzeptor (A) erleichtert die endgültige Trennung der Ladungsträger. Durch den Vergleich mit einer DCV6T-Verbindung wird der Zusammenhang zwischen der Aktivierungsenergie und der Beweglichkeit bekräftigt. Die kleinere Beweglichkeit äußert sich dabei in einer größeren Aktivierungsenergie. Darüber hinaus kann der Ladungsträgergenerationsprozess auch von der Molekülstruktur abhängen. In dieser Arbeit wird untersucht, wie sich die Länge von Alkylseitenketten auf die Energieniveaus der Moleküle, aber auch auf die Absorptions- und Lumineszenzeigenschaften der Materialien in reinen und in Mischschichten mit dem Akzeptor C60 äußert. Die ermittelten Unterschiede bezüglich der Molekülordnung (geordneter für kürzere Seitenketten) und der Phasengrößen in Mischschichten (größere Phasen bei kürzerer Kettenlänge) werden in der Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der Lebensdauer von Triplettexzitonen mittels PIA-Messungen bestätigt. Für Solarzellen ist von Bedeutung, ob sich die Seitenkettenlänge auf die Wechselwirkung zwischen D und A auswirkt. Der vermutete Zusammenhang wird hier nicht bestätigt. Ein ähnlicher Photostrom für alle untersuchten Verbindungen in Solarzellen mit planaren Heteroübergängen unterstreicht diese Schlussfolgerung. Unterschiede im Wirkungsgrad werden auf Änderungen der Energieniveaus und die Morphologie in Mischschichtsolarzellen zurückgeführt. Des Weiteren wird in einer Machbarkeitsstudie der Einfluss des elektrischen Felds auf die Generationsausbeute freier Ladungsträger untersucht. Dafür werden halbtransparente Solarzellen verwendet, die es ermöglichen, PIA-Messungen in Transmissionsgeometrie durchzuführen. Als mögliche Erklärung für das Auftreten zweier Rekombinationskomponenten in der Analyse des Rekombinationsverhaltens der durch Licht erzeugten Ladungsträger werden eingefangene Ladungsträger und gebundene Ladungsträgerpaare an der D/A-Grenzfläche genannt. Das Mischverhalten von D und A kann durch ein Heizen des Substrates während des Verdampfungsprozesses eingestellt werden, was von entscheidender Bedeutung für eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades ist. Für DCV4T:C60-Mischschichtsolarzellen wird jedoch eine Verschlechterung des Wirkungsgrads zu höheren Substrattemperaturen beobachtet. Durch optische Messungen und Methoden zur Schichtstrukturbestimmung wird dieser Effekt auf eine Umordnung der DCV4T-Kristallite für hohe Substrattemperaturen und die damit verbundene Verringerung der Absorption und damit auch des Photostroms zurückgeführt. Bei einer Substrattemperatur von 90° C sind die D- und A-Komponenten fast vollständig entmischt. Dieses Beispiel ist von besonderer Bedeutung, weil hier die Ursachen für ein Verhalten aufgezeigt werden, das entgegen den Beispielen aus der Literatur eine Abnahme des Wirkungsgrads beim Aufdampfen der aktiven Schicht auf ein geheiztes Substrat zeigt. Schließlich werden die Optimierungsschritte dargelegt, mit denen Solarzellen mit einer DCV5T-Verbindung als Donatormaterial auf einen Rekordwirkungsgrad von 7,7% gebracht werden. Dabei wird die Substrattemperatur, die Dicke der aktiven Schicht und die Transportschichten angepasst.