Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Berlin.

Techn. Hochsch., Diss., 2004--Aachen.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Berlin.

Techn. Hochsch., Diss., 2004--Aachen.

Bibliographische Beschreibung und Referat Frosch, W. Synthese und Reaktionsverhalten Bis(alkinyl)-Metallocen-stabilisierter monomerer Organo-Kupfer(I)-Verbindungen Technische Universität Chemnitz, Fakultät für Naturwissenschaften, Dissertation, 2001, 103 Seiten. In der vorliegenden Arbeit werden Synthese und Reaktionsverhalten von hetero-metallischen Ti(IV)-Cu(I)-Komplexen der Art {[Ti](CCR1)2}CuX {[Ti] = (h5-C5H4SiMe3)2Ti; R1 = einfach gebundener organischer Rest; X = anorganischer, organischer oder metallorganischer Rest} beschrieben. Diese Verbindungen können zwei bis fünf Übergangsmetall-Atome enthalten, welche durch verschiedene Komplex-Liganden und auf unterschiedliche Bindungsweise miteinander verknüpft sind. Zentrale Bausteine der in dieser Arbeit untersuchten Komplexe sind die metallorganischen pi-Pinzetten [Ti](CCR1)2 und der monomere Kupfer(I)-Methyl- Komplex {[Ti](CCR1)2}CuCH3. Letzterer kann in vielfältiger Weise zur Synthese verschiedener bis(h2-alkin)-stabilisierter Kupfer(I)-Verbindungen verwendet werden, welche im besonderen Interesse der vorliegenden Untersuchungen standen. Des Weiteren war das Augenmerk auf das Reaktionsverhalten von [Ti](CCR1)2 gegenüber ÜM-Komplexen von Metallen der Gruppe 12 des Periodensystems der Elemente in verschiedenen Oxidationsstufen gerichtet. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen lassen sich dabei in vier Schwerpunkte gliedern: 1) Mehrfach Carboxylat-funktionalisierte Ti(IV)-Cu(I)-Komplexe: Synthese, Fest-körperstruktur und Reaktionsverhalten. 2) Reaktion von Bis(alkinyl)-Titanocenen mit Metall-Verbindungen der Gruppe 10-12 des Periodensystems der Elemente. 3) Donor-funktionalisierte Bis(alkinyl)-Titanocene und deren Reaktionsverhalten. 4) Monomeres Kupfer(I)-Methyl als synthetisches Werkzeug: Synthese einer breiten Palette unterschiedlicher Kupfer(I)-Systeme. Stichworte: metallorganisch, heterometallisch, pi-Systeme, Metallocene, Alkine, Bis(alkinyl)-Titanocene, metallorganische pi-Pinzetten, Koordinationsverbindungen, Kupfer(I), monomere Kupfer(I)-Organyle.

Die Wandmaterialien innerhalb des Plasmagefäßes zukünftiger Fusionsreaktoren sind teilweise extremen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Der thermisch höchstbelastete Bereich der Wand des Torusgefäßes ist der Divertor. Hier werden die anfallende Fusionsasche (Helium) und erodierte Wandpartikel aus dem Plasma entfernt, wodurch aufgrund erhöhter Teilchen-Wand-Interaktion Wärmeflüsse von bis zu 15 MW/m² erreicht werden. Wolfram gilt momentan als ideales Wandmaterial mit direktem Plasmakontakt (Plasma-Facing-Material, PFM) für diese Beanspruchungen. Unterhalb des PFM muss die Wärme möglichst effizient in das Kühlmedium übertragen werden. Im zukünftigen Experimentalreaktor ITER wird dafür eine Kupferlegierung (CuCrZr) verwendet, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt und für Temperaturen von bis zu 350°C unter fusionsrelevanten Bedingungen einsetzbar ist. In dieser Konfiguration kann ITER mit einer Kühlmitteltemperatur von 150°C betrieben werden. Zur kommerziellen Energiegewinnung ist dies unzureichend, da die thermische Effizienz durch eine deutliche Anhebung der Kühlmitteltemperatur verbessert werden muss. Wird der konventionelle Ansatz einer Wasserkühlung zu Grunde gelegt, ist das Ziel die Kühlmitteltemperatur auf mindestens 300°C anzuheben. In der Folge ist CuCrZr als Wärmesenkenmaterial nicht mehr einsetzbar, da verstärkte Alterung und Festigkeitsverlust im Material auftritt. Zusätzlich vergrößern sich die thermisch induzierten Spannungen in der Komponente mit höheren Temperaturen, durch unterschiedlich große thermische Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien. Für höhere Temperaturen stellt faserverstärktes Kupfer eine mögliche Alternative dar. Die Kombination der hohen Wärmeleitfähigkeit der Kupfermatrix mit der hohen Steifigkeit und Festigkeit von Siliziumcarbidfasern soll die nötigen thermischen und mechanischen Eigenschaften des Wärmesenkenmaterials auch für Temperaturen über 350°C gewährleisten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei unterschiedlich hergestellte SiC-Verstärkungsfasertypen hinsichtlich ihrer Eignung für die Herstellung eines Kupfer-Matrix-Komposits (CuMMC) untersucht. Die Zielstellung für das CuMMC beinhaltet eine Festigkeit von 300 MPa bei 300°C sowie eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit von über 200 W m-1 K-1. Beide Parameter werden stark von der Faserfestigkeit und der Anbindung zwischen Faser und Matrix beeinflusst. Die Wärmeleitfähigkeit durch das CuMMC wird von der Kupfermatrix dominiert, wodurch geringere Faservolumenanteile von Vorteil sind. Höhere Faserfestigkeit erfordert geringere Faseranteile zum Erreichen mechanischer Vorgaben, womit die erzielbare Wärmeleitfähigkeit des CuMMCs steigt. Die Faserfestigkeit wird durch Einzel-Faser- Zugversuche validiert. Darüber hinaus ist die Anbindung zwischen Faser und Matrix essentiell, um die optimale Verstärkungswirkung durch die Fasern im CuMMC zu erzielen. Zur Faser-Matrix-Anbindung werden für jeden Fasertyp unterschiedliche Zwischenschichtsysteme verwendet, die anschließend durch Einzelfaser-Push-Out-Versuche validiert werden. Sind die Voraussetzungen von Faserfestigkeit und Anbindung für einen Fasertyp erfüllt, wird dieser für die Herstellung eines unidirektional verstärkten CuMMCs verwendet, welches bezüglich seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften charakterisiert wird. Die mechanische Charakterisierung des CuMMCs erfolgt durch Zugversuche und dehnungsgeregelte, zyklische Versuche, wobei der Fokus neben der Festigkeit auf der Plastifizierung, Verfestigung und Schädigung innerhalb des CuMMCs liegt. Die thermische Charakterisierung erfolgt anhand der Wärmeleitfähigkeitsbestimmung sowohl parallel, als auch transversal zur Faserrichtung. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften werden in Abhängigkeit von Faservolumenanteil und Temperatur untersucht. Um den Einfluss von längeren Betriebsphasen unter hoher thermischer Belastung analysieren zu können, wird das CuMMC bei 550°C für 400 h ausgelagert und anschließend wiederum mittels Vergleich seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften auf mögliche Schädigungen untersucht. Zur Begutachtung von Schliff- und Bruchflächen zur Schadensanalyse stehen als bildgebende Untersuchungsmethoden neben Lichtmikroskopen ebenso Rasterelektronenmikroskope (REM) zur Verfügung. / The wall materials in future fusion reactors will be operating under extreme thermal and mechanical load conditions. The divertor region of such a device is the most severely loaded component. This part is exposed to heat fluxes of up to 15 MW m-² due to the impinging plasma particle flux. Tungsten is currently considered as the best choice for the plasmafacing- materials (PFM) in the divertor region. An efficient heat sink material is required underneath the PFM for sufficient heat transfer to the cooling channels. In the research reactor ITER a copper alloy (CuCrZr) is foreseen as heat sink material, which is able to withstand temperatures of up to 350°C, corresponding to a water coolant temperature of 150°C. For the commercial use of fusion energy an increase of the thermal efficiency is necessary by increasing the coolant temperature to over 300°C. This will cause higher stresses in the connection area between PFM and the heat sink due to different coefficients of thermal expansion combined with higher temperatures. The mechanical properties of CuCrZr are insufficient for these conditions and fibre reinforced copper metal matrix composites (CuMMC) are considered as an alternative material to strengthen the critical connection area between the heat sink and the PFM. The composite should combine the high heat conductivity of a copper matrix with the high stiffness and mechanical strength of silicon-carbide fibres (SiC-fibres). During this investigation SiC-fibres of two different production principles were studied regarding their usage for the manufacturing of a CuMMC. The main goals for the CuMMC are a tensile strength of 300 MPa combined with a heat conductivity of more than 200 W m-1 K-1. Both of these parameters are affected by the single fibre tensile strength and by the bonding between the fibres and the copper matrix. The achievable heat conductivity in the CuMMC depends on the fibre volume ratio within the composite. Higher fibre strength reduces the necessary fibre volume ratio and hence increases the heat conductivity of the CuMMC. The fibre strength was validated by single fibre tension tests. Furthermore, a good bonding between fibre and matrix is necessary to optimize the fibre reinforcement, which is based on load transfer between fibre and matrix. Therefore, both fibre types were coated with interlayer systems and the effectiveness of the bonding was validated by single fibre push-outtests. For those cases where fibre strength and bonding were sufficient, a unidirectional fibre reinforced CuMMC was manufactured, who’s mechanical and thermal properties were then characterised. The mechanical tests included tensile tests and strain-controlled cycling tests which gave information about strength, plasticity, hardening and the effect of damage within the CuMMC. To verify that the CuMMC heat sink material achieves the thermal requirements, heat conductivity measurements parallel and perpendicular to the fibre direction were performed. These characterizations were done as a function of fibre volume fraction in the CuMMC and temperature. To investigate the influence of long term exposure to operation temperatures, a heat treatment was carried out for 400 h at 550°C and the mechanical and thermal properties were compared to their initial values. Different optical microscopes and scanning electron microscopes (REM) were used for the analysis of crack surfaces and grindings. For the engineering design of divertor components numerical models of the used material are required. These models need to be developed by adjusting their input parameters to fit experimental results. To that end, strain-controlled cycling tests allowed the analysis of the copper matrix hardening behaviour. This is necessary to understand stress development during operational load cycles of the CuMMC. The comparison of room temperature tests with 300°C tests showed the effects of fabrication-induced residual stress in the CuMMC.

Bei der Cu-Zn-Lagerstätte bei Kupferberg, 10 km nordöstlich von Kulmbach, handelt es sich um Bayerns größten, historischen Buntmetallabbau. Der etwa 4 km lange Zug einzelner, stratiformer Erzlinsen befindet sich im Nordwesten in der parautochthonen Randschiefer Formation und im Südosten in der Prasinit-Phyllit Formation, die ein Teil der allochthonen Münchberger Gneismasse ist. Bisherige Versuche, die Genese der Lagerstätte zu erklären, scheiterten daran, den versatzlosen Übertritt einer stratiformen Lagerstätte über eine regional bedeutende Störungszone zu erklären. U-Pb Zirkondatierungen an mafischen und felsischen Vulkaniten im Umfeld der Lagerstätte bestätigten das Bild eines kambrisch-ordovizischen Extensionsvulkanismus. Das Fehlen von N-MORB-ähnlichen geochemischen Signaturen in den untersuchten Proben der gesamten südwestlichen, saxothuringischen Vogtland Synklinale deutet auf eine gescheiterte Riftbildung am Nordrand Gondwanas hin und setzt somit den geotektonischen Rahmen für die Ablagerung der Wirtsformation(en). Die Cu-Zn-Vererzung selbst liegt hier im Wesentlichen als Vergesellschaftung von Pyrit, Chalkopyrit, Sphalerit, Quarz und Kalzit in kohlenstoffreichem Tonschiefer vor. Die verschiedenen Untersuchungen an den beiden Erzlinsen zeigten, dass in der „St. Veits“ Erzlinse eine syngenetische Pyrit-Anreicherung mit charakteristisch niedrigen Co/Ni-Verhältnissen (ø = 3,7) vorliegt. Darüber hinaus konnte dort noch mindestens eine hydrothermale Pyrit-Generation (Co/Ni-Verhältnis ca. 35) nachgewiesen werden, die nur dort auftritt, wo auch Chalkopyrit angereichert ist und deutlich höhere Co/Ni-Verhältnisse aufweist (ø = 35). Die Ermittlung der Cu-Isotopenverhältnisse des Chalkopyrits zeigte ein δ65Cu-Spektrum von -0,26 bis 0,36 ‰, was stark für eine hydrothermale Anreicherung unter hohen (>250 °C) Temperaturbedingungen spricht. Während sich die Erzlinsen in der Randschiefer und Prasinit-Phyllit Formation hinsichtlich ihrer Sulfid-Mineralogie so ähnlich sind, dass sie bisher immer als eine Lagerstätte angesprochen wurden, erbrachte ein statistischer Vergleich der beiden δ34S-Datensätze, dass es sich hier nur mit einer Wahrscheinlichkeit von ca. 2 % um Stichproben der gleichen Grundgesamtheit handelt. Entsprechend liegen innerhalb der Kupferberger Lagerstätte zwei unterschiedliche Schichten, reich an syngenetischem Pyrit, vor. Die Tatsache, dass das δ34S-Spektrum potentieller Schwefelquellen für die hydrothermale Chalkopyrit-Mineralisation theoretisch sehr groß, de facto aber mit dem δ34S-Spektrum der syngenetischen Sulfidanreicherung fast identisch ist (δ34S = 3,2 ± 0,6 ‰ bzw. δ34S = 3,1 ± 0,9 ‰), spricht für eine schichtinterne Sulfidmobilisierung. Aus den hier erbrachten Ergebnissen wird ein genetisches Modell für die Kupferberger Lagerstätte geschlussfolgert, in dem jeweils eine der zahlreichen sedimentären, Pyrit-reichen Schichten aus der Randschiefer und der Prasinit-Phyllit Formation bei der Überschiebung der Münchberger Gneismasse tektonisch in Kontakt gebracht wurden. Im Zuge eben dieser Raumnahme der allochthonen Masse wurden Teile der Randschiefer Formation unter Grünschiefer-fazielle Bedingungen gebracht. Dabei kam es sowohl zur Freisetzung von Buntmetallen, die vorher zum Großteil in Pyrit gebunden waren, als auch zur Entwässerung der umliegenden Tonschiefer. Durch die überlagernden, impermeablen metamorphen Decken wurde das entstandene metallreiche Fluid an der Überschiebungsbahn kanalisiert. Durch den Druckabfall in der Spröde-Duktil-Übergangszone kam es zum Sieden des aufsteigenden Fluids, was zur Ausfällung der Sulfide führte. Die Bildung bedeutender Erzlinsen erfolgte vor allem dort, wo das übersättigte Fluid auf Pyrit-reiche Schwarzschiefer bzw. Phyllite traf. Da die Abbauwürdigkeit dieser Erzlinsen im Wesentlichen auf die epigenetische Überprägung im Zuge der Deckenüberschiebung zurückzuführen ist, handelt es sich bei der Kupferberger Cu-Zn-Vererzung um eines der seltenen Beispiele für eine tatsächliche metamorphogene bzw. syntektonische Buntmetalllagerstätte. / Kupferberg is located c. 10 km in the east of Kulmbach in Upper Franconia (northeastern Bavaria). The stratiform Cu-Zn deposit represents Bavaria´s largest base metal deposit, for which up to now no decent genetic model existed. In the northeast, the c. 4 km long string of separate, stratiform ore lenses is part of the parautochthonous Randschiefer Formation and in the southeast, it is hosted by the high-grade, allochthonous Münchberg metamorphic complex. None of the previous investigations were able to explain, why this stratiform ore deposit cross-cuts on of the region´s major fault zones without any offset. The ore itself has a remarkably simple mineralogy, it consists mainly of pyrite with variable amounts of chalcopyrite and sphalerite, accompanied by quartz and calcite. Various investigations (among others U-Pb zircon dating, Cu- and S-isotopic analyses) revealed a two-stage genetic model for the Kupferberg Cu-Zn deposit: A syngenetic pyrite-enrichment and a hydrothermal sulfide-enrichment. The latter was the product of a syn-orogenic fluid-expulsion from beneath the Münchberg metamorphic complex, which makes Kupferberg a syntectonic, metamorphogenic base metal deposit.

COX deficiency in human presents a plethora of phenotypes which is not surprising given the complexity of the enzyme structure and the multiple factors and many steps required for its assembly. A functional COX requires three mitochondrially encoded subunits (Cox1p, Cox2p and Cox3p), at least 10 nuclearly encoded subunits, some of which are tissue specific, and a yet unknown number of assembly factors. Mutations in four of these factors, hSco1p, hSco2p, hCox10p and hSurf1p, have been associated with lethal COX deficiency in patients. Sco proteins, conserved from prokaryotes to eukaryotes, are probably involved in the insertion of copper in COX. The role of hSco1p and hSco2p in this process was investigated in this work. Moreover the importance of some hSco mutations found in patients was analysed. Both in vitro and in vivo analyses show that the hSco proteins are localised in the mitochondria. Both proteins are per se unable to substitute for ySco1p. However, a chimeric construct consisting of the N-terminal portion, the TM and a part of the C-terminal portion of ySco1p and the remaining C-terminal part derived from hSco1p was able to complement a ysco1 null mutant strain. This construct was used to define the role of a point mutation (P174L) found in the hSCO1 gene of infants suffering from ketoacidotic coma. These mutation was shown to affect the COX activity and the levels of Cox1p and Cox2p. The fact that copper was able to suppress this mutation, strongly outlined the importance of Sco proteins in the copper insertion in COX. The C-terminal portions of recombinant hSco1p and hSco2p were purified from E. coli by affinity chromatography. The purified proteins were subjected to atomic emission and absorption analyses and were shown to specifically bind copper. A stoichiometry of 1:1 for hSco2p and of 0,6:1 for hSco1p was determined. To identify the Aa residues involved in copper binding, in vitro mutagenesis was performed. hSco1p and hSco2p, lacking the cysteines of the predicted metal binding site CxxxC, show a dramatic decrease in the ability to bind copper. A model for the structure of the metal binding site in hSco proteins is proposed. hSco proteins could bind copper with trigonal coordination, involving the two cysteines of the CxxxC motif and a conserved histidine. The purified recombinant proteins were also used in an enzymatic assay to test their ability to reduce disulfide bridges, similar to thioredoxin-like proteins involved in the assembly of bacterial COX. Both hSco proteins were not able to act as thioredoxins suggesting a role for the hSco proteins as copper chaperones. To define the pathway of the copper transfer to COX, hSco proteins were tested for their ability to interact with hCox17p, a mitochondrial copper chaperone, and with Cox2p, which contains two copper ions. An interaction between hSco1p and Cox2p was detected. Both hSco proteins were shown to homomerise and to form heterodimers one with each other. Two mutations found in hSCO2 patients suffering from hypertrophic cardiomyopathy, (E140K and S225F) were shown not to affect the copper binding properties, the intracellular localisation and the ability to form homomers. In accordance to these data, a model is proposed in which hSco2p dimers transfer copper to hSco1p dimers. hSco1p dimers interact with COX and insert copper in the binuclear centre of Cox2p.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese und Charakterisierung ethylenglykolfunktionalisierter Carboxylate der Münzmetalle sowie deren Verwendung als Präkursoren in der Herstellung von Nanopartikeln und leitfähigen Metallschichten. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Verwendung von Kupfer(II)-carboxylaten zur Herstellung von druckbaren Kupfertinten. Es wird gezeigt, wie zentrale Präkursoreigenschaften durch Variation der Carboxylatreste optimiert werden können. Einen zweiten Schwerpunkt bildet die Herstellung von Kupfernanopartikeln durch thermische Zersetzung ethylenglykolfunktionalisierter Kupfercarboxylate. Der Einsatz von Bis- und Tris(triphenylphosphan)kupfer(I)-carboxylaten ermöglicht hierbei die Herstellung von oxidfreien sphärischen Kupfernanopartikeln sowie von Kupferstäbchen unter einfachen experimentellen Bedingungen. Weitere Arbeiten widmen sich der Verwendung von ethylenglykolfunktionalisierten Silber(I)-carboxylaten zur Synthese von Silbernanopartikeln. Der entwickelte Prozess erlaubt die Herstellung blättchenförmiger Silbernanopartikel bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen. Auch die Herstellung von blättchenförmigen Kupfersulfidpartikeln durch Thermolyse eines ethylenglykolfunktionalisierten Bis(triphenylphosphan)kupfer(I)-thiocarboxylates wird beschrieben. Schließlich wird gezeigt, wie thermolytisch hergestellte Goldnanopartikel an ethylenglykolfunktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren abgeschieden werden können. Der Prozess wurde auf einem Wafer durchgeführt. Die erhaltenen Strukturen ermöglichen eine Verwendung als optischer Sensor.

COX deficiency in human presents a plethora of phenotypes which is not surprising given the complexity of the enzyme structure and the multiple factors and many steps required for its assembly. A functional COX requires three mitochondrially encoded subunits (Cox1p, Cox2p and Cox3p), at least 10 nuclearly encoded subunits, some of which are tissue specific, and a yet unknown number of assembly factors. Mutations in four of these factors, hSco1p, hSco2p, hCox10p and hSurf1p, have been associated with lethal COX deficiency in patients. Sco proteins, conserved from prokaryotes to eukaryotes, are probably involved in the insertion of copper in COX. The role of hSco1p and hSco2p in this process was investigated in this work. Moreover the importance of some hSco mutations found in patients was analysed. Both in vitro and in vivo analyses show that the hSco proteins are localised in the mitochondria. Both proteins are per se unable to substitute for ySco1p. However, a chimeric construct consisting of the N-terminal portion, the TM and a part of the C-terminal portion of ySco1p and the remaining C-terminal part derived from hSco1p was able to complement a ysco1 null mutant strain. This construct was used to define the role of a point mutation (P174L) found in the hSCO1 gene of infants suffering from ketoacidotic coma. These mutation was shown to affect the COX activity and the levels of Cox1p and Cox2p. The fact that copper was able to suppress this mutation, strongly outlined the importance of Sco proteins in the copper insertion in COX. The C-terminal portions of recombinant hSco1p and hSco2p were purified from E. coli by affinity chromatography. The purified proteins were subjected to atomic emission and absorption analyses and were shown to specifically bind copper. A stoichiometry of 1:1 for hSco2p and of 0,6:1 for hSco1p was determined. To identify the Aa residues involved in copper binding, in vitro mutagenesis was performed. hSco1p and hSco2p, lacking the cysteines of the predicted metal binding site CxxxC, show a dramatic decrease in the ability to bind copper. A model for the structure of the metal binding site in hSco proteins is proposed. hSco proteins could bind copper with trigonal coordination, involving the two cysteines of the CxxxC motif and a conserved histidine. The purified recombinant proteins were also used in an enzymatic assay to test their ability to reduce disulfide bridges, similar to thioredoxin-like proteins involved in the assembly of bacterial COX. Both hSco proteins were not able to act as thioredoxins suggesting a role for the hSco proteins as copper chaperones. To define the pathway of the copper transfer to COX, hSco proteins were tested for their ability to interact with hCox17p, a mitochondrial copper chaperone, and with Cox2p, which contains two copper ions. An interaction between hSco1p and Cox2p was detected. Both hSco proteins were shown to homomerise and to form heterodimers one with each other. Two mutations found in hSCO2 patients suffering from hypertrophic cardiomyopathy, (E140K and S225F) were shown not to affect the copper binding properties, the intracellular localisation and the ability to form homomers. In accordance to these data, a model is proposed in which hSco2p dimers transfer copper to hSco1p dimers. hSco1p dimers interact with COX and insert copper in the binuclear centre of Cox2p.