Die vorliegende Arbeit beschreibt verschiedene Synthesewege zur Oberflächenmodifizierung silikatischer Partikel mit 1,3-Divinylimidazolidin-2-on (Bisvinylethylenharnstoff, BVH) und Vinylformamid (VFA), z. B. radikalische Pfropfpolymerisationen („grafting from/to“) und radikalisch vernetzende Copolymerisation von VFA mit BVH. Es werden Versuche zur sauren Verseifung der Formamidgruppen und zur Charakterisierung der gebildeten Polyvinylamin (PVAm)/Kieselgel Hybridmaterialien vorgestellt. Die Eigenschaften der PVAm/Kieselgel Hybridmaterialien sind je nach zugrundeliegendem Polymerisationsprozeß verschieden und werden mittels 13 C{1 H}-CP-MAS-NMR-Spektroskopie, Zetapotentialmessungen, SANS, Quelltests und rheologischen Methoden untersucht. Die kationische Oberflächenpolymerisation von BVH unter Verwendung des Initiatorsystems Triphenylmethylchlorid/Kieselgel wird ausführlich erläutert. Die Struktur der resultierenden Hybridmaterialien wird mittels quantitativer Elementaranalyse, 13 C{1 H}-CP-MAS-NMR-, DRIFT- und ESCA- Spektroskopie, sowie TGA und Zetapotentialmessungen untersucht. Die Anwendung der Poly-BVH/KG Hybridmaterialien zur Adsorption von Schwermetallsalzen wird am Beispiel der Adsorption von CuCl2, CoCl2, CoI2 und FeCl3 beschrieben. Dabei werden der Einfluß des Polymergehaltes der Hybride und des Metallanions auf die adsorbierte Sättigungsstoffmenge diskutiert. Eine quantitative Beschreibung der Adsorption nach dem LANGMUIR-Modell wird gegeben, welche in einem Vorschlag für die Wechselwirkung zwischen Hybridmaterial und Metallsalz mündet. Mit der Adsorption von Goldnanoclustern an Poly-BVH/Kieselgel Hybriden wird eine weitere Möglichkeit der Modifizierung und des Aufbaus von funktionellen Multischichtsystemen vorgestellt.

In der vorliegenden Arbeit wurde die kationische Polymerisation der heterocyclischen Monomere 2-Vinylfuran, 5-Methyl-2-vinylfuran und 2-Vinylthiophen in der Gegenwart silikatischer Partikel untersucht. Produkte dieser Reaktion sind Polymer/SiO2-Hybridpartikel und lösliche Polymere. Zu ihrer Untersuchung wurden NMR-spektroskopische Verfahren, IR-, UV/Vis-, MALDI TOF-Spektroskopie, Elementaranalyse und GPC angewandt. Damit gelang es, die Struktur der Polymere weitgehend aufzuklären. Der Einfluß der Reaktionsbedingungen auf die Ergebnisse der kationischen Oberflächenpolymerisation wurde untersucht und diskutiert. Die Ausbildung vernetzter Polymere bei der kationischen Polymerisation von 2-Vinylfuran bewirkte eine besonders starke Anbindung der Poly(2-vinylfuran)-Schicht und hohe Polymergehalte an den SiO2-Partikeln. Im Falle des Poly(2-vinylthiophens) (PVT) waren die Polymergehalte der Hybridpartikel deutlich niedriger. Es wurde eine lineare Polymerstruktur vorgeschlagen. Poly(2-vinylthiophen) und Poly(2-vinylthiophen)/Kieselgel-Hybridpartikel wurden in polymeranalogen Reaktionen mit Hydridakzeptoren und FeCl3 umgesetzt. Ziele dieser Reaktionen waren die Erzeugung von konjugierten Strukturelementen und die kontrollierte Vernetzung des Polymers über Bisthiopheneinheiten. Der Einfluß der Reaktionszeit und der Natur der eingesetzten Reagenzien auf die Reaktion von PVT mit Hydridakzeptoren wurde ausführlich studiert. Der Einfluß der Reaktionsbedingungen auf die Vernetzungsreaktion mit FeCl3 wurde mit Hilfe von GPC, IR- und 13C{1H}-CP/MAS-NMR-Spektroskopie untersucht. / The following work examines the cationic polymerization of the heterocyclic monomers 2-vinylfuran, 5-methyl-2-vinylfuran und 2-vinylthiophen mediated by silica particles. The products of this reaction are polymer/SiO2-hybridpartikels and a soluble polymer part. For characterization of the products NMR-spectroscopical methods, IR-, UV/Vis-, MALDI TOF-spectroscopy, elemental analysis and GPC were used. With the help of this methods it succeeded to clear up the polymer structure. The influence of the reaction conditions on the results of the cationic polymerization was examined and discussed. Extensive crosslinking of the 2-vinylfuran monomer during cationic polymerization causes a very strong linkage of the poly(2-vinylfuran)-layer and a hight polymer content of the poly(2-vinylfuran)/SiO2-hybridpartikels. In case of poly(2-vinylthiophen) (PVT) the polymer content of the hybrid particles was notedly lower. A linear polymer structure was supposed. The reaction of poly(2-vinylthiophen) and poly(2-vinylthiophen)/silica hybrid particles with hydridacceptors and FeCl3 was studied. The objectives of this reactions were to generate conjugated structures and to cross-link the polymer by creating bisthiophene structures in a controlled manner. The influence of the reaction time and the nature of the acceptors on the reaction of PVT with the hydride acceptors was examined in detail. The influence of the reaction conditions on the cross-linking reaction with FeCl3 was studied with the help of GPC, IR- und 13C{1H} CP/MAS NMR spectroscopy.

Die vorliegende Arbeit beschreibt verschiedene Synthesewege zur Oberflächenmodifizierung silikatischer Partikel mit 1,3-Divinylimidazolidin-2-on (Bisvinylethylenharnstoff, BVH) und Vinylformamid (VFA), z. B. radikalische Pfropfpolymerisationen („grafting from/to“) und radikalisch vernetzende Copolymerisation von VFA mit BVH. Es werden Versuche zur sauren Verseifung der Formamidgruppen und zur Charakterisierung der gebildeten Polyvinylamin (PVAm)/Kieselgel Hybridmaterialien vorgestellt. Die Eigenschaften der PVAm/Kieselgel Hybridmaterialien sind je nach zugrundeliegendem Polymerisationsprozeß verschieden und werden mittels 13 C{1 H}-CP-MAS-NMR-Spektroskopie, Zetapotentialmessungen, SANS, Quelltests und rheologischen Methoden untersucht. Die kationische Oberflächenpolymerisation von BVH unter Verwendung des Initiatorsystems Triphenylmethylchlorid/Kieselgel wird ausführlich erläutert. Die Struktur der resultierenden Hybridmaterialien wird mittels quantitativer Elementaranalyse, 13 C{1 H}-CP-MAS-NMR-, DRIFT- und ESCA- Spektroskopie, sowie TGA und Zetapotentialmessungen untersucht. Die Anwendung der Poly-BVH/KG Hybridmaterialien zur Adsorption von Schwermetallsalzen wird am Beispiel der Adsorption von CuCl2, CoCl2, CoI2 und FeCl3 beschrieben. Dabei werden der Einfluß des Polymergehaltes der Hybride und des Metallanions auf die adsorbierte Sättigungsstoffmenge diskutiert. Eine quantitative Beschreibung der Adsorption nach dem LANGMUIR-Modell wird gegeben, welche in einem Vorschlag für die Wechselwirkung zwischen Hybridmaterial und Metallsalz mündet. Mit der Adsorption von Goldnanoclustern an Poly-BVH/Kieselgel Hybriden wird eine weitere Möglichkeit der Modifizierung und des Aufbaus von funktionellen Multischichtsystemen vorgestellt.

In der vorliegenden Arbeit wurde die kationische Polymerisation der heterocyclischen Monomere 2-Vinylfuran, 5-Methyl-2-vinylfuran und 2-Vinylthiophen in der Gegenwart silikatischer Partikel untersucht. Produkte dieser Reaktion sind Polymer/SiO2-Hybridpartikel und lösliche Polymere. Zu ihrer Untersuchung wurden NMR-spektroskopische Verfahren, IR-, UV/Vis-, MALDI TOF-Spektroskopie, Elementaranalyse und GPC angewandt. Damit gelang es, die Struktur der Polymere weitgehend aufzuklären. Der Einfluß der Reaktionsbedingungen auf die Ergebnisse der kationischen Oberflächenpolymerisation wurde untersucht und diskutiert. Die Ausbildung vernetzter Polymere bei der kationischen Polymerisation von 2-Vinylfuran bewirkte eine besonders starke Anbindung der Poly(2-vinylfuran)-Schicht und hohe Polymergehalte an den SiO2-Partikeln. Im Falle des Poly(2-vinylthiophens) (PVT) waren die Polymergehalte der Hybridpartikel deutlich niedriger. Es wurde eine lineare Polymerstruktur vorgeschlagen. Poly(2-vinylthiophen) und Poly(2-vinylthiophen)/Kieselgel-Hybridpartikel wurden in polymeranalogen Reaktionen mit Hydridakzeptoren und FeCl3 umgesetzt. Ziele dieser Reaktionen waren die Erzeugung von konjugierten Strukturelementen und die kontrollierte Vernetzung des Polymers über Bisthiopheneinheiten. Der Einfluß der Reaktionszeit und der Natur der eingesetzten Reagenzien auf die Reaktion von PVT mit Hydridakzeptoren wurde ausführlich studiert. Der Einfluß der Reaktionsbedingungen auf die Vernetzungsreaktion mit FeCl3 wurde mit Hilfe von GPC, IR- und 13C{1H}-CP/MAS-NMR-Spektroskopie untersucht. / The following work examines the cationic polymerization of the heterocyclic monomers 2-vinylfuran, 5-methyl-2-vinylfuran und 2-vinylthiophen mediated by silica particles. The products of this reaction are polymer/SiO2-hybridpartikels and a soluble polymer part. For characterization of the products NMR-spectroscopical methods, IR-, UV/Vis-, MALDI TOF-spectroscopy, elemental analysis and GPC were used. With the help of this methods it succeeded to clear up the polymer structure. The influence of the reaction conditions on the results of the cationic polymerization was examined and discussed. Extensive crosslinking of the 2-vinylfuran monomer during cationic polymerization causes a very strong linkage of the poly(2-vinylfuran)-layer and a hight polymer content of the poly(2-vinylfuran)/SiO2-hybridpartikels. In case of poly(2-vinylthiophen) (PVT) the polymer content of the hybrid particles was notedly lower. A linear polymer structure was supposed. The reaction of poly(2-vinylthiophen) and poly(2-vinylthiophen)/silica hybrid particles with hydridacceptors and FeCl3 was studied. The objectives of this reactions were to generate conjugated structures and to cross-link the polymer by creating bisthiophene structures in a controlled manner. The influence of the reaction time and the nature of the acceptors on the reaction of PVT with the hydride acceptors was examined in detail. The influence of the reaction conditions on the cross-linking reaction with FeCl3 was studied with the help of GPC, IR- und 13C{1H} CP/MAS NMR spectroscopy.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuartigen Initiierungsmethode zur Polymerisation von Vinylmonomeren über die Kombination von gewöhnlichen organischen Isocyanaten und Iminbasen. Der radikalische Charakter dieses Polymerisationstyps wurde durch Copolymerisationsexperimente verifiziert. Mit verschiedenen Iminbase / Isocyanat-Kombinationen als Initiatoren wurde die Homopolymerisation von diversen (Meth)-Acrylaten, Styrol, Acrylnitril und Methacrylnitril untersucht. Parameter, wie die Brutto-Polymerisationsgeschwindigkeitskonstante und die Aktivierungsenergie wurden ermittelt und Aussagen zur Polymerisation getroffen. Über die Auswertung von Massenspektren niedermolekularer Polymer-Proben wurden Vermutungen zum ablaufenden Initiierungsmechanismus abgeleitet. Das Anwendungspotential dieser Methode wurde in Hinblick auf die Synthese diverser Polymerarchitekturen untersucht. Neben der Oberflächenpolymerisation an funktionalisierten Kieselgel-Partikeln mittels „grafting-from“ wurden neuartige Block- und Kammpolymer-Strukturen hergestellt und analysiert. Zudem wurde die durch reine Iminbasen vermittelte Polymerisation von (Meth-)Acrylaten untersucht. Ferner wird der positive Einfluss der Zugabe katalytischer Mengen Ionischer Flüssigkeiten auf beide Systeme gezeigt und diskutiert.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuartigen Initiierungsmethode zur Polymerisation von Vinylmonomeren über die Kombination von gewöhnlichen organischen Isocyanaten und Iminbasen. Der radikalische Charakter dieses Polymerisationstyps wurde durch Copolymerisationsexperimente verifiziert. Mit verschiedenen Iminbase / Isocyanat-Kombinationen als Initiatoren wurde die Homopolymerisation von diversen (Meth)-Acrylaten, Styrol, Acrylnitril und Methacrylnitril untersucht. Parameter, wie die Brutto-Polymerisationsgeschwindigkeitskonstante und die Aktivierungsenergie wurden ermittelt und Aussagen zur Polymerisation getroffen. Über die Auswertung von Massenspektren niedermolekularer Polymer-Proben wurden Vermutungen zum ablaufenden Initiierungsmechanismus abgeleitet. Das Anwendungspotential dieser Methode wurde in Hinblick auf die Synthese diverser Polymerarchitekturen untersucht. Neben der Oberflächenpolymerisation an funktionalisierten Kieselgel-Partikeln mittels „grafting-from“ wurden neuartige Block- und Kammpolymer-Strukturen hergestellt und analysiert. Zudem wurde die durch reine Iminbasen vermittelte Polymerisation von (Meth-)Acrylaten untersucht. Ferner wird der positive Einfluss der Zugabe katalytischer Mengen Ionischer Flüssigkeiten auf beide Systeme gezeigt und diskutiert.:ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 6 1 EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG 10 1.1 Einleitung 10 1.2 Motivation und Zielsetzung 13 2 ALLGEMEINER TEIL UND THEORETISCHE GRUNDLAGEN 15 2.1 Grundlagen der freien radikalischen Polymerisation 15 2.2 Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP), Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer Polymerization (RAFT) und Nitroxide Mediated Radical Polymerization (NMP) als Beispiele für kontrollierte radikalische Polymerisationen 25 2.3 Theorie zur Copolymerisation von Vinylmonomeren 34 2.4 Applikation von Ionischen Flüssigkeiten bei der radikalischen Polymerisation 43 3 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 49 3.1 Iminbase/Isocyanat-vermittelte (IBI) Polymerisation von Vinylmonomeren 49 3.1.1 Empirische Befunde und Klassifizierung der IBI-Systeme 50 3.1.2 Ergebnisse zu den IBI-Polymerisationen mit unmittelbarem Verbrauch der Initiator- Komponenten (Typ A) 58 3.1.3 Verwendung der Iminbase–Isocyanat-Addukte zur Polymerisation von MMA 70 3.1.4 Ergebnisse der Polymerisationen mit Typ B IBI-Kombinationen 78 3.1.5 Bestimmung und Auswertung kinetischer Parameter der IBI-Polymerisation 85 3.1.6 Studien zum Initiierungsmechanismus durch die Iminbase/Isocyanat-Kombination 102 3.2 Iminbasen-(Meth-)Acrylat-induzierte (IBA) Polymerisation 124 3.2.1 Phänomenologische Untersuchungen zur IBA-Polymerisation 124 3.2.2 Kinetik der IBA-Polymerisation und mechanistische Studien 129 3.3 Beschleunigung beider Polymerisationstypen über die Zugabe katalytischer Mengen Ionischer Flüssigkeit 143 3.3.1 Untersuchungen zur Wechselwirkung von Ionischen Flüssigkeit mit den Reaktanden mit Hilfe der ATR-FT-MIR-Spektroskopie 144 3.3.2 Ergebnisse zu den IL-katalysierten IBI-Polymerisationen 151 3.3.3 Ergebnisse zu den IL-katalysierten IBA-Polymerisationen 162 3.4 Applikation der neuartigen Polymerisationssysteme zur Blockcopolymerisation 171 3.4.1 Oberflächenpolymerisation an Siliziumdioxid-Partikeln 172 3.4.2 Blockcopolymer-Synthese mit Typ A IBI-Oligomeren 186 3.4.3 Kammpolymer-Synthese über die Anwendung der IBI- bzw. IBA-Methode 192 4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 200 5 EXPERIMENTELLER TEIL 208 5.1 Verwendete Geräte 208 5.2 Verwendete Chemikalien 210 5.3 Details zur Berechnung der Copolymerisationsparameter, Beladungen und Pfropfgrade 210 5.4 Synthesen und Polymerisationen 213 5.4.1 Allgemeine Vorgehensweise und Ergebnisse bei den Homo- und Copolymerisationen 213 5.4.2 Synthese der Iminbase–Isocyanat Addukte 222 5.4.3 Synthese der funktionalisierten Siliziumdioxid-Partikel und deren Oberflächenpolymerisation 236 5.4.4 Abspaltung von kovalent gebundenem PMMA mittels Dimethylsulfat / NaOCH3 242 5.4.5 Vorgehensweise bei der Verwendung der Spritzenpumpen-Apparatur 246 5.4.6 Synthese und Charakterisierung der organischen Blockcopolymere 247 6 LITERATURVERZEICHNIS 253 7 ANHANG 264 7.1 Kristallographische Daten zu den ermittelten Strukturen 264 7.2 Weiterführende Details zu den durchgeführten Konzentrations-Zeit-Beziehungen 278 7.2.1 Iminbase / Isocyanat-vermittelte (IBI) Polymerisation 278 7.2.2 Iminbase-(Meth-)Acrylat-vermittelte (IBA) Polymerisation 302 7.3 Fineman und Ross Beziehungen und Copolymerisationsdiagramme 314 7.4 Nachtrag zu den konzentrationsbezogenen IR-Messungen 322 DANKSAGUNG 324 SELBSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG 327 LEBENSLAUF 328 LISTE AN VERÖFFENTLICHUNGEN 329