Der Fokus dieser Dissertation liegt auf den gemischt-metallischen Dysprosium-Nitrid-Clusterfullerenen. Durch die Inklusion von bis zu drei Lanthanoiden mit unvollständig gefüllten 4f-Orbitalen weisen diese Clusterfullerene eine Vielzahl interessanter magnetischer Eigenschaften auf. Die magnetische Charakterisierung der Nitrid-Clusterfullerene DyxSc3-xN@C80-Ih (x = 1 - 3) zeigte bereits 2014 den Einfluss der Stöchiometrie auf das magnetische Verhalten und stufte diese Verbindungen als Einzelmolekülmagnete ein. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Zusammenspiel zwischen den strukturellen Eigenschaften und dem magnetischen Verhalten der Clusterfullerene untersucht. Der Fokus lag auf der Synthese und der magnetischen Charakterisierung von Clusterfullerenen mit unterschiedlicher Kohlenstoffkäfiggröße bzw. -isomerie, unterschiedlicher Clusterzusammensetzung bzw. Cluster-bildender Metalle und dem Einfluss des nichtmetallischen Zentralatoms des Clusters. Die Dysprosium-Nitrid-Clusterfullerene wurden über ein modifiziertes Krätschmer-Huffman-Verfahren und unter Verwendung der trimetallischen Nitridtemplatmethode synthetisiert und anschließend mittels HPLC fraktioniert und massenspektrometrisch analysiert. Die magnetische Charakterisierung der Clusterfullerene gelang mittels DC-SQUID-Magnetometrie. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Fullerene konnten als Einzelmolekülmagnete identifiziert werden. Das magnetische Verhalten der Nitrid-Clusterfullerene wird hauptsächlich durch den Cluster M3N und weniger durch den diamagnetischen Kohlenstoffkäfig bestimmt. Jedoch wurde für DySc2N@C80-D5h und Dy2ScN@C80-D5h eine verringerte Lebensdauer der Magnetisierung im Vergleich zu ihren Analoga mit Ih-Kohlenstoffkäfigsymmetrie beobachtet. Stärkeren Einfluss hat die Kohlenstoffkäfiggröße. Für DySc2N@C68, Dy2ScN@C84 und Dy2ScN@C88 wurde eine deutliche Abnahme der Remanenz, der Blocktemperaturen und der Relaxationzeiten festgestellt. Als Ursache werden die veränderten Dy-N-Bindungslängen diskutiert. Die Clusterfullerene Dy2MN@C80-Ih und DyM2N@C80-Ih (M = Gd, Er, Lu) enthalten neben Dysprosium ein weiteres Lanthanoid im Cluster. Das zweite Lanthanoid M ruft eine erhebliche Änderungen der magnetischen Eigenschaften hervor. Die paramagnetischen Metalle Gd und Er wirken sich stark negativ auf die magnetische Remanenz aus. Für Dy2LuN@C80-Ih und DyLu2N@C80-Ih wurde ein ähnliches magnetisches Verhalten wie für DyxSc3-xN@C80-Ih (x = 1, 2) verzeichnet. Durch die Verdünnung des Fullerens DyLu2N@C80-Ih mit der diamagnetischen Verbindung Lu3N@C80-Ih wurde zusätzlich eine Erhöhung der Hysterese der Magnetisierung im untersuchten Temperaturbereich registriert. Der Einfluss der nichtmetallischen Clusterspezies auf die magnetischen Eigenschaften wurde anhand der Carbid-Clusterfullerene Dy2TiC@C80-Ih, -D5h und Dy2TiC2@C80-Ih untersucht. Obwohl die Fullerene Dy2TiC@C80-Ih bzw. -D5h sich nur durch die isoelektronische Ti-C-Clustereinheit von den Nitrid-Clusterfullerenen unterscheiden, ist deren Remanenz nur halb so groß. Ein weiteres Kohlenstoffatom im Cluster, wie in Dy2TiC2@C80-Ih, ruft eine weitere Abnahme der Hysterese der Magnetisierung hervor. Die veränderte Bindungssituation der Carbid-Cluster wird als Ursache für das beobachtete magnetische Verhalten herangezogen.

The present thesis deals with the investigation of liquid-phase and gas-phase adsorption of metal-organic frameworks (MOFs) using NMR spectroscopy. NMR-based methods are developed and then applied to characterize the surface polarity of studied materials and the influence of structural flexibility on the adsorption selectivity. In the first part of the thesis a new methodology for surface polarity screening of MOFs is proposed based on quantitative 1H NMR spectroscopic measurements of liquid-phase adsorption. The influence of the surface polarity on the adsorption process was studied on several materials, e.g. activated carbons, PAF-1, MIL-101(Cr), HKUST-1, and UiO-67-series. The surface polarity was characterized through the difference in the 1,4-dioxane adsorption uptake from two solvents of opposite polarity, namely n-heptane and N,N-dimethylformamide. An NMR-derived surface polarity index was defined where the polarity of the MOF corresponds to its affinity to polar substances. It was demonstrated that the structural modifications of MOF materials, which should affect the polarity of these MOFs, are indeed reflected by the proposed polarity index. The second part of the thesis focuses on gas mixture adsorption experiments. Metal-organic frameworks are promising candidates for selective separation processes such as CO2 from methane. Framework flexibility is observed only for some special MOFs. The main question is: Does framework flexibility influence the adsorption selectivity? High-pressure in situ 13C NMR spectroscopy was used to monitor the adsorption of 13CO2/13CH4 gas mixtures. This method allows to distinguish between the two gases as well as between adsorbed molecules and the interparticle gas phase. Gas mixture adsorption was performed under isothermal conditions. The selectivity factor for CO2 adsorption from CO2/CH4 mixtures was measured as a function of total gas pressure. The flexible material SNU-9 as well as the flexible and the non-flexible forms of DUT-8(Ni) were compared. Maximum selectivity factors for CO2 were observed for the flexible form of DUT-8(Ni) in its open-pore state. In contrast, the rigid form of DUT-8(Ni) and SNU-9 especially in its intermediate state exhibit lower adsorption selectivity factors. This observation indicates significant influence of the framework flexibility on the adsorption selectivity.

Mikroplastik (Kunststoff-Partikel < 5 mm) wurde in den vergangenen Jahren vermehrt in verschiedenen marinen Ökosystemen nachgewiesen und erreicht regelmäßig wissenschaftliche und öffentliche Aufmerksamkeit. Es wird als potentielle Gefahr für die marine Umwelt angesehen. Aufgrund der geringen Größe kann Mikroplastik von marinen Organismen mit der Nahrung verwechselt werden und infolge dessen in den Magen-Darm-Trakt gelangen. Ob die so aufgenommenen Partikel zu einer Schädigung der Organismen führen und welche Wirkungsmechanismen dabei eine Rolle spielen, ist derzeit noch nicht umfassend geklärt. In diesem Zusammenhang wird Mikroplastik beispielsweise als Transportvehikel für enthaltene Kunststoffadditive, für adsorbierte persistente organische Schadstoffe sowie für potentiell pathogene Mikroorganismen diskutiert. Für eine Risikobewertung sind in erster Linie zuverlässige Daten über die Mikroplastik-Gehalte in verschiedenen Umweltkompartimenten nötig. Dazu werden geeignete und sichere analytische Verfahren zur Identifizierung und Quantifizierung von Mikroplastik in Umweltproben benötigt. Ziel dieser Arbeit war es bestehende Wissenslücken im Bereich der Mikroplastik-Analytik zu schließen und Möglichkeiten und Grenzen der FTIR- und Raman-Spektroskopie für die analytische Untersuchung von marinen Mikroplastik-Proben aufzuzeigen. Dazu wurde zunächst ein Filtersubstrat entwickelt, das für eine umfassende Untersuchung von filtrierten Mikroplastik-Proben sowohl mittels Transmission FTIR- als auch mittels Raman-Mikroskopie geeignet ist. Des Weiteren wurde Raman Imaging als neuartige Methode zur Identifizierung von Mikroplastik etabliert und hinsichtlich verschiedener Messparameter optimiert. Die Anwendbarkeit dieses neuen Analyseansatzes wurde an realen Umweltproben gezeigt. Beide spektroskopische Verfahren (IR und Raman) wurden anhand von Modellproben und realen Umweltproben miteinander verglichen und validiert. Zusätzlich dazu wurden die spektroskopischen Ergebnisse an ausgewählten Proben mit der thermoanalytischen py-GC/MS-Methode verglichen und beurteilt. Im dritten Teil der Arbeit wurden die Mikroplastik-Gehalte in Sedimentproben aus dem Mündungsbereich der Warnow, einem bedeutenden Zufluss zur Ostsee, bestimmt. Dabei wurden lokale Eintragspfade abgeschätzt sowie Senke von Mikroplastik identifiziert.:1 Motivation und Zielstellung 2 Wissenschaftlicher Hintergrund 3 Experimenteller Teil 4 Ergebnisse und Diskussion 5 Zusammenfassung und Ausblick Anhang Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Danksagung Publikationsliste Versicherung

Stimuli responsive polymers (SRP) have attracted a lot of attention, due to their potential and promising applications in many fields, as protein-ligand recognition, on-off switches for modulated drug delivery or artificial organs. Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) is one of the most widely studied polymers due to its lower critical solution temperature (LCST) at ~ 32° C in aqueous solution. Additionally, glycopolymers, where free sugar units are present, have potentially interesting applications especially in bio-recognition where sugars play an important role. In this work, our interest was focused on the synthesis of glycomonomers and its block- and random- copolymers with NIPAM. NIPAM homopolymers with an active chain transfer unit at the chain end could be prepared by RAFT. They were used as macro-chain transfer agents to prepare a variety of sugar containing responsive block copolymers from new glycomonomers by the monomer addition concept. The LCSTs of the aqueous solutions of the copolymers are affected strongly by the comonomer content, spacer chain length of the glycomonomer and the chain architecture of the copolymers. These polymers were coated on a solid substrate by spin coating and crosslinked by plasma immobilization. Characterization of the polymers was performed by nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), ultraviolet (UV), dynamic light scattering (DLS, detection of aggregation behaviour) and gel permeation chromatography (GPC). Polymer films were investigated by ellipsometry, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and atomic force microscopy (AFM) regarding their surface properties. Afterwards sulfation of sugar – OH groups was performed in order to obtain heparin like structure, as heparin exhibits numerous important biological activities, like good interaction with diverse proteins. Finally, affinity of the polymers (sulfated and non sulfated form) on a solid support to the endothelial cells was investigated.

Self-organization of block copolymers becomes attractive for several branches of the current science and technology, which requires a cheap way of fabrication of well-ordered arrays of various nanoobjects. High ratio between the surface (or the interface) and the volume of the nanoobjects enables development of very efficient devices. The work within this thesis profits from the chemical dissimilarity between blocks of polystyrene-block-poly(4‑vinylpyridine) copolymers, where polystyrene forms “a body” of nanostructures and poly(4‑vinylpyridine) is “a link” for assemblies with low-molar-mass additives. Procedures and phenomena are demonstrated (observed) on few sorts of PS‑b‑P4VP copolymers with respect to their molecular weight and ratio of blocks. Although there are many kinds of nanostructures based on block copolymers, only nanotemplates are involved in the study. Their properties, like an influence of substrate roughness on microphase separation, stability of porous nanotemplates in ionized solutions, or a role of additives in their supramolecular assembly, respectively, are investigated. All of them appears to be important in development of various devices based on the nanotemplates. With respect to optoelectronic applications, electrical current transport and fluorescence are two basic phenomena studied on functionalized nanotemplates, developed in the thesis. DC transport is studied on nanostructures developed via sputtering of chromium into porous nanotemplates. Sputtering process is optimized in dependence of chromium deposition rate, composition and pressure of ambient gas. It is shown that a reactive nature of PS-b-P4VP nanotemplates enables development of resistant organometallic nanotemplates. On the other hand, suppression of the polymer reactivity is achieved by oxidation of a metal during sputtering in a reactive gas, which enables e. g. development of highly ordered TiO2 nanodots. Current-voltage characteristics are measured on “sandwich” devices (like LEDs) with various electrodes and composition. Several recent theoretical models fitting the characteristics are applied together with structural characterization techniques (like AFM or x-ray reflectivity) in order to elucidate relations among surface roughness, distribution of sputtered clusters, and carrier injection and transport. Fluorescence is studied on nanotemplates with organic low-molar-mass dyes, developed either via direct blending with the copolymer or via soaking of porous nanotemplates in dye solutions. Several relations between structure and fluorescence are observed. For instance, excimer emission in pyrene assemblies is supressed after ordering of the nanotemplate. Solvent induced orientation of fluorescein molecules in the nanotemplate results in fluorescence enhancement. Dimerization of Rhodamine 6G is dependent on the way of its impregnation in the nanotemplates (solvent, concentration, speed).

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des Hydratationsverhaltens von alkylsubstituierten Aminen und deren korrespondierenden Ammoniumionen mit Hilfe von Car-Parrinello-Moleküldynamik Simulationen (CPMD). Dabei konnten Fragestellungen hinsichtlich der Koordinationszahlen, des Lösungsmittelaustausches und der molekülspezifischen pKB-Werte beantwortet werden. Des Weiteren lässt die Arbeit Aussagen über einen Zusammenhang von Hydratation und anormaler Basiszitätsreihenfolge der Amine zu und ermöglicht zusätzlich die Beschreibung von Systemen mit mehreren Aminfunktionen durch die Anwendung der gewählten Bedingungen. Zur Simulation des Hydratationsverhaltens wurden Wasser enthaltende Lösungsmittelboxen erstellt, bei denen das zu untersuchende Molekül zentral angeordnet war. Nach dem Ausschluss dimensionsabhängiger Effekte durch die Equilibrierung auf Grundlage einer kraftfeldbasierten Moleküldynamik, konnte eine geeignete Boxgröße bestimmt werden, die neben der Berechnung der ersten Hydratationssphäre auch die Beschreibung einer möglichen zweiten Hydratationssphäre erlaubt. Anhand der erhaltenen CPMD-Trajektorien aus den erfolgreichen Simulation wurden Verteilungsfunktionen berechnet. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit experimentell bekannten Werten und Berechnungen an reinem Wasser zeigte, dass das System real vorliegende Bedingungen wiedergibt. Die ermittelten gNO(r) -Verteilungsfunktionen der Amine bzw. deren korrespondierender Ammoniumionen weisen signifikante Unterschiede auf und spiegeln einen grundsätzlich verschiedenen Aufbau der Hydratationssphären wieder. Dabei besitzen alle freien Amine eine starke Wasserstoffbrückenbindung unter Einbeziehung des freien Elektronenpaares am Stickstoffatom, während sich an den Aminwasserstoffatomen nur sehr schwache Wechselwirkungen beobachten ließen. Abgesehen vom Trimethylamin sind die Hydratationssphären der Amine wenig strukturiert und der Wasseraustausch zwischen erster und zweiter Hydratationssphäre verläuft sehr schnell. Im Gegensatz dazu ist die Umgebung der Ammoniumionen stark strukturiert. Alle Ammoniumwasserstoffatome sind in Wasserstoffbrückenbindungen einbezogen und es existiert ein vergleichsweise langlebiger Käfig aus Wassermolekülen um das Ammoniumion. Zusätzlich befindet sich zeitweise ein weiteres, wesentlich mobileres Wassermolekül in der ersten Hydratationssphäre, das in der Lage ist einen Wasseraustausch einzuleiten. Dabei konnten für das Ammoniumion und das Methylammoniumion konkrete Mechanismen des Wasseraustausches bestimmt werden. Die Berechnung der pKB- bzw. pKA -Werte für die untersuchten Systeme war ein weiterer Bestandteil der Arbeit. Dazu wurde ein statistischer Ansatz zur Ermittlung der freien Energie herangezogen, bei dem die Mittelwerte der Verteilungsfunktionen verwendet werden, so dass die zu erwartende Genauigkeit eng mit der Simulationszeit verknüpft ist. Auf Grundlage von Strukturoptimierungen an Ammoniumionen, die mit wenigen Wassermolekülen umgeben waren, konnten unter Variation der NH-Bindungslängen Energiegradienten ermittelt werden, die eine Aussage über die möglichen Übergangszustände bei der Deprotonierung lieferten. Als gute Näherung des Übergangszustandes kann demnach für alle Methylammoniumionen eine NH-Bindungslänge von 1,22 Ǻ in Betracht gezogen werden. Mit Hilfe dieser Bindungslänge wurde die Wahrscheinlichkeit der Deprotonierung für alle Ammoniumionen berechnet, wobei Simulationen bei denen ein spontaner Protonenübergang auftrat keine Berücksichtigung fanden. Die Ergebnisse der methylsubstituierten Amine zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Werten mit einer Abweichung von maximal +0,3 pK-Einheiten. Diese Abweichung entspricht in etwa 1,5 kJ/mol, was für theoretische Arbeiten einen sehr kleinen Fehler darstellt. Auf Grund der gewählten Bedingungen ist beim Ammoniumion die Wahrscheinlichkeit für die Deprotonierung unterschätzt wurden. Dadurch ist der entsprechende pKB -Wert kleiner als der experimentell ermittelte Wert. Im Verlauf der Arbeit konnte weiterhin gezeigt werden, dass das Verfahren und die gewählten Bedingungen auch für ethylsubstituierte Alkylamine und deren korrespondierende Ammoniumionen angewendet werden können. Die Genauigkeit der Ergebnisse hängt dabei hauptsächlich von der Simulationszeit ab. Ein entscheidender Punkt der Arbeit ist der Nachweis, das mit Hilfe dieser Moleküldynamik-Simulationen auch Moleküle mit mehreren Aminfunktionen berechnet werden können. Es ist somit möglich Differenzierungen in der Protonierung und Hydratation der einzelnen Aminfunktionen vorherzusagen.

Elektroden aus Legierungen der Übergangsmetalle Vanadium, Titan und Niob und der reinen Metalle reagieren in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und des mit ihnen im Kontakt stehenden wässrigen Elektrolyten in höchst unterschiedlicher Weise. Für eine systematische Untersuchung der elektrochemischen Eigenschaften der Elektroden wurden neben den reinen Metallen binäre und ternäre Legierungen aus Vanadium, Titan und Niob, die jeweils Vanadium enthalten, hergestellt. Es wurden zum ersten Mal zusammenhängend ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften durch Strukturuntersuchungen und Untersuchungen der Zusammensetzung der Oberfläche sowie der Morphologie bestimmt. Von den, sich mit einer halbleitenden Oxidschicht überziehenden Metallen, wurden die Halbleitereigenschaften im Elektrolytkontakt studiert, die grundlegenden Korrosionseigenschaften sowie ihr elektrochemisches Verhalten als Elektrodenmaterial in potentiometrischen Zellen und durch Strom-Spannungsmessungen bestimmt. Zur Aufklärung der Kinetik der Oxidschichtbildung wurden potentiostatische Stromtransienten ermittelt und mit bekannten Modellen verglichen.

Neben der Komplexbildung mit kationischen Spezies hat das Gebiet der Anionenerkennung und -komplexierung in den letzten Jahren eine beeindruckende Entwicklung genommen, die zu vielfältigen neuen Ansätzen hinsichtlich Bindung und Stofftransport geführt hat. Diese beruhen einerseits auf neuen Erkenntnissen zur biologischen Rolle von Anionen und den dabei genutzten Prinzipien, sowie anderseits auf Fortschritten, welche die supramolekulare Chemie in diesem Zusammenhang durch den zielgerichteten Aufbau maßgeschneiderter Rezeptoren eröffnet. Gegenwärtig sind eine Vielzahl unterschiedlicher Liganden zur Komplexierung von Kationen und Anionen bekannt. Dabei ist besonders die Komplexbildung mit anionischen Spezies interessant ist, da zur Differenzierung geometrische Faktoren in Kombination mit multiplen elektrostatischen, hydrophoben und &amp;amp;#61552;-Wechselwirkungen sowie Wasserstoffbrücken-bindungen genutzt werden. Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung neuer Azacryptanden sowie strukturanaloger Podandsysteme als Rezeptoren und Extraktionsmittel für Kationen und Anionen, mit Anwendungsoptionen in der Trenntechnik und Medizin. Es wurden sowohl die bei der Synthese primär gebildeten Schiffschen Basen, als auch die entsprechenden Aminverbindungen untersucht. Darüber hinaus waren strukturanaloge Azapodandsysteme von großem Interesse, da diese besondere Bindungseigenschaften mit sich bringen. Unter Einsatz der Flüssig-Flüssig-Extraktion konnten Struktur-Wirkungsbeziehungen zur Kationen- und Anionenbindung abgeleitet werden. Röntgenstrukturanalysen an ausgewählten Perrhenat- und Iodidkomplexen zeigen in Abhängigkeit von der Ligandprotonierung signifikante Unterschiede im Bindungsmuster.

Regioselektive Halogenasen sind Enzyme, die für die Biosynthese verschiedener halogenierter Metaboliten verantwortlich sind. Der Stamm Streptomyces rugosporus produziert die bioaktive halogenierte Verbindung Pyrroindomycin B. In dieser Arbeit wurde ein Gen einer Tryptophan-5-Halogenase aus dem Pyrroindomycinproduzenten Streptomyces rugosporus isoliert. Durch gezielte Mutation des Gens konnte die Beteiligung der Halogenase an der Biosynthese von Pyrroindomycin B nachgewiesen werden. Das Tryptophan-5-Halogenase-Gen wurde heterolog exprimiert. In einem spezifischen Enzymtest konnte die Aktivität der Tryptophan-5-Halogenase gezeigt werden. Tryptophan wurde im Enzymtest durch dieses Enzym monobromiert und monochloriert. Das Protein konnte über Nickelaffinitäts-Chromatographie gereinigt werden. / Regioselectively acting halogenases are enzymes which are responsible for the biosynthesis of a large variety of halogenated secondary metabolites. In many cases the biological activity of these metabolites is influenced by the halogen substituents. Isolation and characterization of the genes of specific halogenases and understanding the biochemistry of these enzymes are prerequisites for genetic engineering aiming at the production of novel halogenated compounds by combinatorial biosynthesis. In the work presented here a halogenase with novel regioselectivity was isolated. It is one of only three specific halogenases for which the enzymatic activity and the involvement in the biosynthesis of a halogenated metabolite could be shown. The availability of this specific tryptophan 5-halogenase is expected to open up novel possibilities for combinatorial biosynthesis and the enzymatic production of halogenated compounds.

All living things are driven by chemical reactions. Reactions provide energy and transform matter. Thus, maintaining the system out of equilibrium. However, these chemical reactions have to be organized in space. One way for this spatial organization is via the process of phase separation. Motivated by the recent discovery of liquid-like droplets in cells, this thesis studies the organization of chemical reactions in phase-separated systems, with and without broken detailed balance. After introducing the underlying thermodynamic principles, we generalize mass-action kinetics to systems with homogeneous compartments formed by phase separation. Here, we discuss the constraints resulting from phase equilibrium on chemical reactions. We study the relaxation kinetics towards thermodynamic equilibrium and investigate non-equilibrium states that arise when detailed balance is broken in the rates of reactions such that phase and chemical equilibria contradict each other. We then turn to spatially continuous systems with spatial gradients within formed compartments. We derive thermodynamic consistent dynamical equations for reactions and diffusion processes in such systems. Again, we study the relaxation kinetics towards equilibrium and discuss non-equilibrium states. We investigate the dynamics of droplets in the presence of reactions with broken detailed balance. Furthermore, we introduce active droplet systems maintained away from equilibrium via coupling to reservoirs at their boundaries and organizing reactions solely within droplets. Here, detailed balance is only broken at the boundaries. Nevertheless, stationary chemically active droplets exist in open systems, and droplets can divide. To quantitatively study chemically active droplet systems in multi-component mixtures, we introduce an effective description. Therefore, we couple linearized reaction-diffusion equations via a moving interface within a sharp interface limit. At the interface, the boundary conditions are set by a local phase equilibrium and the continuity of fluxes. Equipped with these tools, we introduce and study protocell models of chemically active droplets. We explicitly model these protocells’ nutrient and waste dynamics, leading to simple models of their metabolism. Next, we study the energetics of these droplets and identify processes responsible for growth or shrinkage and maintaining the system out of equilibrium. Furthermore, we discuss the energy balance leading to the heating and cooling of droplets. Finally, we show why chemically active droplets do not spontaneously divide in two-dimensional systems with bulk-driven reactions. Here, droplets can elongate but do not pinch off. To have a minimal two-dimensional model with droplet division, we introduce additional reactions. When these reactions are localized at the interface and dependent on its mean curvature, droplets robustly divide in 2D. In summary, this thesis contributes to the theoretical understanding of how the existence of droplets changes the kinetics of reactions and, vice versa, how chemical reactions can alter droplet dynamics.:1 Introduction 1.1 Thermodynamics of phase separation 1.1.1 Phase equilibrium in the thermodynamic limit 1.1.2 Relaxation dynamics towards equilibrium 1.1.3 Local stability of homogeneous phases 1.2 Thermodynamics of chemical reactions in homogenous mixtures 1.2.1 Conserved densities and reaction extents 1.2.2 Equilibrium of chemical reactions 1.2.3 Mass-action kinetics towards equilibrium 1.3 Simultaneous equilibrium of chemical reactions and phase separation 1.4 Chemical reactions maintained away from equilibrium 1.5 Structure of this thesis 2 Chemical reactions in compartmentalized systems 2.1 Mass-action kinetics for compartments built by phase separation 2.1.1 Dynamical equations for densities and phase volumes 2.1.2 Relaxation kinetics in a simple example 2.2 Driven chemical reactions in compartmentalized systems 2.2.1 Non-equilibrium steady states at phase equilibrium 2.2.2 The tie line selecting manifold 2.3 Discussion 3 Dynamics of concentration fields in phase-separating systems with chemical reactions 3.1 Reaction-diffusion equations for phase-separating systems 3.2 Relaxation towards thermodynamic equilibrium in spatial systems 3.2.1 Relaxation kinetics and fast diffusion 3.2.2 Relaxation kinetics with spatial gradients 3.3 Driven chemical reactions in phase-separating systems 3.3.1 Driven chemical reaction and fast diffusion 3.3.2 Non-equilibrium steady states and spatial gradients 3.3.3 Droplets growth and ripening with driven chemical reactions 3.4 Boundary-driven chemically active droplets 3.4.1 Droplets in open systems 3.4.2 Non-equilibrium steady droplets and shape instabilities 3.5 Discussion 4 Chemically active droplets in the sharp interface limit 4.1 Droplet dynamics via reaction-diffusion equations coupled by a moving interface 4.2 Stationary interface positions in spherical symmetry 4.2.1 Interface conditions in closed systems 4.2.2 Interface conditions in open systems 4.3 Shape instabilities of spherical droplets 4.4 Discussion 5 Models of protocells and their metabolism as chemically active droplets 5.1 Breaking detailed balance in protocell models 5.1.1 Boundary-driven protocell models 5.1.2 Bulk-driven protocell models 5.2 Protocell dynamics 5.2.1 Steady states droplets 5.2.2 Shape stability of spherical symmetric droplets 5.3 Energetics of protocells 5.3.1 Mass conservation and droplet growth or shrinkage 5.3.2 Energy conservation and droplet heating or cooling 5.4 Discussion 6 The role of dimensionality on droplet division 6.1 Stability of chemically active droplets in 2D vs. 3D 6.1.1 Stationary droplets in 1D, 2D and 3D 6.1.2 Elongation instability 6.1.3 Pinch-off instability 6.2 Pinch-off in 2D via curvature-dependent chemical reactions 6.2.1 Determining the mean curvature of the droplet interface 6.2.2 Chemical reactions at the interface 6.3 Discussion 7 Conclusion and Outlook A Free energy considerations B Surface tension in multi-component mixtures C Figure details Bibliography