In der Arbeit wurde erstmals die Eignung von Silizium-Bauelementen mit monolithisch integrierten Thermosäulen als Wärmeleistungstransducer für thermochemische Sensoren zur Detektion flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) untersucht. Dabei wurden bereits in massensensitiven und kapazitiven Sensoren bewährte Polymerschichten als chemisch sensitive Rezeptoren verwendet. Als Kriterien für die Bewertung des Sensors dienten Empfindlichkeit, Signal-Rausch-Verhältnis, Reproduzierbarkeit und Signaldynamik. Weiterhin konnte die für die Anwendung der Silizium-Thermosäulen entwickelte Methodik zur Charakterisierung neuer organischer Clathratbildner als potentielle Rezeptormaterialien genutzt werden. Für die untersuchten Clathratbildner wurden die Empfindlichkeiten und die Signaldynamik gegenüber einer Auswahl typischer organischer Lösungsmittel gemessen. Es konnte festgestellt werden, dass die Empfindlichkeitsrelationen deutlich von den Eigenschaften der Rezeptorschichten bestimmt werden und damit eine Mustererkennung in entsprechend konfigurierten Sensorarrays möglich sein sollte. Entgegen den Erwartungen spielt jedoch für die Selektivität der Rezeptorschichten der stereoselektive Effekt der Clathratbildung keine Rolle, da entsprechende Phasenumwandlungen erst oberhalb sensorrelevanter Partialdrücke auftreten und der Messeffekt lediglich durch Adsorption erzeugt wird.

Gegenstand der Arbeit sind Grundlagenuntersuchungen zu einem technischen Messsystem für Gerüche. Das System besteht aus Quarzmikrowaagen als Sensoren und einer Anreicherungseinheit zur Erhöhung der Sensitivität der Sensoren. Als neuartige chemisch sensitive Schichten der Quarzmikrowaage wurden 2 Typen von polymeren Komplexverbindungen untersucht und Erklärungen des Verhaltens vorgeschlagen. Feste Phasen aus der Gaschromatografie besitzen jedoch für den Sensor-Einsatz günstigere Eigenschaften. Die wichtigsten Betriebs-Parameter der Anreicherungseinheit werden unter praxisnahen Bedingungen mit einer rein empirischen Methode untersucht. Damit kann die Empfindlichkeit des Messsystems bei Reinstoffen die menschliche Nase übertreffen.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung intermolekularer C-H...F-, F...F- und Aryl-Perfluorarylwechselwirkungen in Konkurrenz zu potenziell stärkeren Wasserstoffakzeptoren wie Sauerstoff und Stickstoff im organischen Kristall. Darüber hinaus ist die Abhängigkeit der von der Position und der Anzahl der des aromatisch gebundenen Fluors von Interesse. Hierzu wurden Modellverbindungen ausgewählt, die über carbonylischen Sauerstoff, resp. tertiär gebundenen Stickstoff verfügen. Insgesamt lässt sich feststellen, dass selbst unter den vorliegenden Bedingungen strukturell ausgewählter fluororganischer Modellverbindungen zwar supramolekulare Fluorkontakte im Kristall tendenziell lokalisierbar scheinen, jedoch nicht vorhersagbar zu definieren sind. Insbesondere, wenn wie in den studierten Verbindungen Konkurrenzsituationen mit anderen Heteroatomen möglich werden. Dies ist aber gerade ein häufiger Fall in der Praxis, z.B. im Zusammenhang mit pharmazeutischen Wirkstoffen.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung, Synthese und Charakterisierung von fluorogenen Calixaren-Wirtverbindungen. An die zunächst synthetisierten kopplungsfähigen Calix[4]arene mit gezielt eingestellter Lipophilie wurden in einem zweiten Schritt Dansyl- bzw. Pyrenylreste kovalent angeknüpft. Auf diesem Wege gelang es, dreizehn Zielverbindungen darzustellen, die sich in ihrer konformativen Flexibilität unterscheiden und durch eine ausgewogene Hydrophilie-Lipophilie-Balance in der Lage sind, Neutralmoleküle spezifisch zu komplexieren. Von acht Zielstrukturen wurde mit der direkten Anknüpfung des Dansylrestes an die Hydroxylgruppen des unteren Randes eines methylenverbrückten Calixarens ein neuer Pfad auf dem Wege zu potenziell sensoraktiven Verbindungen beschritten. Besonderes Augenmerk wurde auf die notwendige Untersuchung der Konformation der dargestellten Calixarene durch NMR-Spektroskopie gelegt. Eine große Anzahl an zugehörigen Ziel- und Zwischenverbindungen konnte ebenfalls durch Röntgeneinkristallstrukturanalyse charakterisiert werden.

In recent years supramolecular chemistry has established as one of the most active fields of science. The most significant feature of supramolecular chemistry is the use of building blocks which reversibly held together by intermolecular forces, electrostatic or H-bonding. Therefore, the synthesis of supramolecular systems using different non-covalent assemblies provides some unique architectures and features which are extremely difficult to be obtained via covalent synthesis. One main application of such influencing supramolecular systems is the preparation of self-healing materials. Among various approaches to self-healing effects, reversible bond formation has become prominent in the last years. To achieve both acceptable mechanical performance and self-healing behaviour from a polymeric material, proper balance between covalent and non-covalent bonding is important. The covalent bonding gives a basic strength to the material while the non-covalent bonding generates self-healing effects in the case of damage. The main aim of this study was to synthesize an organic moiety which is capable of forming supramolecular assemblies in the presence of suitable counterparts, followed by its incorporation on to polymer matrix and investigation of the final properties. For reversible bond forming technique H-bonding is exploited in this work. 4-substituted-2,6-diaminopyridine is selected as the organic moiety as it has a clear DAD (donor-acceptor-donor) structure and thus able to undergo self-association or triple hydrogen bonded complex formation with respective counterparts. Chichibabin reaction was utilised for the synthesis and 4-hydroxy-2,6-diamido pyridine was synthesised as the key compound. Initially different derivatives of 4-hydroxy-2,6 diamino pyridine was synthesized and utilised towards the formation of supramolecular network with a suitable monomeric counterpart. Poly (butadiene-co-maleic anhydride) is used as the base polymer as it has the possibility to introduce non-covalent bonding sites through grafting reactions on the double bonds or on maleic anhydride groups. The free amine group present in the main compound was grafted onto the backbone of poly (butadiene-co-maleic anhydride) via reaction of amine with maleic anhydride group. The main design of supramolecular self-assembly within poly (butadiene-co-maleic anhydride) with a suitable counterpart poly (butadiene-co-maleimide), is prepared and used in this thesis. The miscibility of the two polymers is proven by the presence of a single Tg in the DSC results of the mixture and also by the formation of homogeneous films with no phase separation in AFM. However the formation of hydrogen bonding within the monomer was proven by 1H NMR, IR studies. Further formation of complex between two polymers was established from the results of viscosity. Also the interactions between the complexes exert a distinct influence on the rheological behavior of the blend. Lastly the reversibility of this supramolecular blend was assured by temperature dependent viscosity values. In the final part of this work, bromobutyl rubber (BIIR) is selected as the model elastomer which has vast application in the tire industry; as the inner-liner that holds the air in the tire and also used as rubber stoppers for sealing medicine vials and bottles The bromine functionality can be substituted with an amine group making it more susceptible towards the incorporation of different organic moieties. In this way, the derivative of 2,6-diaminopyridine having a pendant amine group is incorporated in BIIR. As a counterpart uracil is used as its H-bond forming ability with diaminopyridine moieties is well established and supported by different previous research works. The supramolecular network formed between these two monomers help to generate self-healing effects within BIIR rubber. Fig. 2 represents the supramolecular network formed between chains of BIIR. The self-healing effect of the rubber material is examined through the stress-strain experiments where up to 82% healing was observed when heated up to 70 °C. With increasing temperature better healing was observed whereas at room temperature a 40% healing tendency was noticed. It is also interesting to note that the thermal and dynamic mechanical properties of this tailor made self-healing BIIR is identical with sulphur cured conventional BIIR.

Synthesis and characterisation of the bis-MPA based branched materials was performed. Thymine derivative was incorporated into the polymer structure as a core moiety and an active centre for H-bonding. The formation of assemblies was investigated. / Im Rammen der Doktorarbeit wurden bis-MPA basierter dendrititsche und hochverzweigte Polymeren synthetisiert. Sie haben Thymin Derivat als Kernmolecule. Die H-Brücken zwischen Polymeren und DAPy Derivate wurden untersucht.

In this thesis, bulk and local scale spectroscopic and microscopic tools have been applied to investigate the purified raw material of SWCNT and synthesized MWBNNT, BN-nanocapsules, B-doped SWCNT and SiC nanostructures. Using bulk scale sensitive techniques, including optical absorption spectroscopy, Raman spectroscopy, high-resolution electron energy-loss spectroscopy, the average response of the whole sample is obtained. On the other hand, on a local scale transmission and scanning electron microscopy as well as TEM-electron energy-loss spectroscopy provide information on single tubes or other nanostructures. First, diverse chemical and oxidation methods for the purification of as-produced SWCNT were presented. Purified samples were investigated using TEM and OAS. The analysis of the optical absorption spectra in the UV-Vis energy range revealed that some of the chemical treatments are harmful to nanotubes. In contrast to the chemical treatments an oxygen burning procedure was used on the raw material in high vacuum and a temperature range 450?650oC. The purification processes of SWCNT by HNO3 and oxygen burning procedures resulted in SWCNT comprised of selected diameters and a reduced diameter distribution. Both HNO3 and oxygen burning treatments can be used to selectively remove SWCNT with smaller diameters from the samples. In addition, an adapted substitution reaction was used for the synthesis of multiwall boron nitride nanotubes. It was shown that the IR-response of MWBNNT can be used as a fingerprint to analyse MWBNNT. As in h-BN for the analysis one has to be aware of the sample texture and the LO-TO splitting of the IR-active modes. TEM images and B1s and N 1s excitation edges of the grown material reveal the presence of multiwall BN nanotubes with an inner diameter of 3.1 nm and with a larger interplanar distance than in h-BN. The electronic properties of the multiwall BN nanotubes as derived from the q-dependent dielectric function e(w,q) are dominated by the band structure of the hexagonal-like BN sheets, as revealed by the large degree of momentum dispersion observed for the p and s+p plasmons, in agreement with that previously reported for different graphitic allotropic forms. Moreover, a fast and highly efficient synthesis route to produce BN nanocapsules with a narrow size distribution was developed. This was achieved by an adapted substitution process using SWCNT as templates followed by a rapid cooling treatment. The IR responses reveal the strong dipole active fingerprint lines of h-BN with distinct differences, which are due to texturing effects and which highlight the BN nanocapsules potential application as a reference source when deriving the sp2 to sp3 ratio in BN species due to their random orientation Furthermore, the idea of substitution was used for the systematic studies of B-doped SWCNT. The experiments carried out have resulted in 1, 5, 10, and 15 % boron incorporated into the single wall carbon nanotubes. Core level excitation spectroscopy of the B1s and C1s edges revealed that the boron atoms substitute carbon atoms in the tube lattice keeping an sp2-like bond with their nearest C neighbour atoms. Our results show that a simple rigid band model as has been applied previously to intercalated SWCNT is not sufficient to explain the changes in the electronic properties of highly doped B-SWCNT and a new type of a highly defective BC3 SWNT with new electronic properties is obtained. Finally, different silicon carbide nanostructures were produced. The spectroscopic and microscopic data led to a good understanding of the formation process. NH3 acts as a source of hydrogen that plays a key role in the formation of the structures through its ability to decompose SiC at high temperature such that along with the stacking faults that arise from the many polytypes of SiC the produced SiC nanorods become porous then hollow and eventually are completely decomposed.

Zu den eleganten Methoden des Aufbaus supramolekularer Architekturen gehören Selbstorganisationsprozesse, die auf Übergangsmetall-Ligand-Wechselwirkungen beruhen und ganz wesentlich von dem verwendeten Metallion und der Ligandstruktur sowie den gewählten experimentellen Bedingungen (Lösungsmittel, Gegenion und pH-Wert) bestimmt werden. Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Synthese neuer mehrzähniger oligofunktioneller Pyridinliganden und die Charakterisierung ihrer Komplexbildungseigenschaften. Ein Schwerpunkt betraf dabei Strukturuntersuchungen an kristallinen Silber(I)-, Palladium(II)- und Kupfer(II)-Komplexen. Aussagen zum Phasentransfer und zur Selektivität wurden durch Flüssig-Flüssig-Extraktion und Membrantransportuntersuchungen erhalten. Neue Ligandmoleküle wurden durch die Anknüpfung der chelatisierenden Donorfunktionseinheiten 2,2’-Dipyridylamin bzw. Di(2-picolyl)amin an unterschiedliche strukturgebende Plattformen, Benzol, 2,6-Lutidin, 1,3,5-Triazin, Cyclohexan oder an eine tripodale Polyamineinheit realisiert. Es wurden Komplexe der 2,2’-Dipyridylamin-Liganden mit Ag(I) in Anwesenheit von Nitrat, Perchlorat, Tetrafluoroborat und Hexafluorophosphat hergestellt und strukturell charakterisiert. Dabei konnten einfache 1:1-Komplexe bzw. makrocyclische und polymere Architekturen beobachtet werden. In der Mehrzahl der Ag(I)-Komplexe wird das Metallzentrum von zwei Pyridin-N-Atomen unterschiedlicher 2,2’-Dipyridylamin-Einheiten verbrückend koordiniert, wobei Lösungsmittelmoleküle (CH3CN, CH3OH) bzw. Anionen (Nitrat, Perchlorat) die Koordinationssphäre des Ag(I) ergänzen. Die Koordinationszahlen für Ag(I) variieren dabei zwischen zwei bis vier. Intermolekulare Ag(I)–π-Wechselwirkungen (3.0-3.9Å) erweitern außerdem die Koordinationssphäre von Ag(I). Die vielseitigen Koordinationsmöglichkeiten der zweizähnigen 2,2’-Dipyridylamin-Liganden zeigen sich darüber hinaus in den Komplexen mit Pd(II) und Cu(II). Im wässrig-organischen Zweiphasensystem erwiesen sich die synthetisierten Liganden insbesondere gegenüber Silber(I) als sehr effektive Extraktionsmittel. Die Kupfer(II)-Komplexe mit Di(2-picolyl)amin demonstrieren die dirigierende Wirkung des Anions auf die Struktur. Strukturell ähnlich sind die Cu(II)-Komplexe der mono- bzw. disubstituierten Di(2-picolyl)amin-Derivate. Flüssig-Flüssig-Extraktionsergebnisse mit den Di(2-picolyl)amin-Derivaten zeigen im Zweiphasensystem insbesondere gegenüber Silber(I) hohe Extraktionsausbeuten und liegen deutlich über denen der strukturanalogen 2,2’-Dipyridylamin-Liganden.

Self-assembly processes were used to construct supramolecular architectures based on metal-ligand interactions. The structures formed strongly depend on the used metal ion, the ligand type, the chosen counter ion and solvent as well as on the experimental conditions. The focus of the studies was the design of multifunctional N-donor ligands and the characterization of their complexing and structural properties. This work was divided into three distinct main parts: The bis(2-pyridylimine), the bis(2-hydroxyaryl) imine and the tripodal imine / amine ligand approach. In the first part a series of bis(2-pyridylimine) derivatives having different linking elements were employed as building blocks for novel supramolecular architectures. Reaction of individual d-block metal salts with these ligands has led to the isolation of coordination polymers, a metallamacrocycle, double-stranded helicates, triple-stranded helicates as well as of circular meso-helicates. The nature of the spacer in the Schiff base ligands, the noncovalent weak interactions, such as hydrogen bond, face-to-face π-π and edge-to-face CH-π interactions, are all important factors influencing the architecture of the final products. Topological control of the assembly process of the hexanuclear meso-helicates is clearly associated with the bidentate coordination of the sulfate anion which directs the formation of a double- rather than a triple-stranded helicate around the octahedrally coordinated Cu(II). Surprisingly, the variation of the linker function in the ligands, which significantly changes the linking angle of the pyridylimine strands, has only a little influence of the resulting structure. Also the use of a mixture of ligands does not influence the meso-helicate topology; the result is the symmetrically mixed meso-helicate. The new iron(II) triple helicate [Fe2(L5)3](PF6)4 14 {L5 = bis[4-(2-pyridylmethyleneimino)phenyl]-1,1-cyclohexane} in its chloride form binds strongly to DNA as confirmed by induced circular dichroism signals in both the metal-to-ligand charge transfer (MLCT) and in-ligand bands of the helicate. The induced CD spectrum gives some evidence that [Fe2(L5)3]4+ interacts with the DNA in a single binding mode, which is consistent with major groove binding. The cytotoxicity of the new iron(II) triple helicate 14 was evaluated on human lung cancer A549 cells and compared with that of cisplatin and that of the previously reported iron(II) triple helicate [Fe2(L1)3]4+{L1 = bis[4-(2-pyridylmethyleneimino)phenyl]methane}. The first results show some distinguishing features for 14 obviously caused by the existing structural differences of the complexes. In the second part of the thesis, novel uranyl complexes of the bis(2-hydroxyaryl) imine ligands have been synthesized and characterized. 1D coordination polymers and mononuclear structures were formed. In all complexes a distorted hexagonal bipyramidal coordination geometry around the uranyl centre is observed. The imine nitrogen atoms of the ligands do not bind to the metal centre but interact strongly with the hydroxy group via H-bonding. DFT calculations made with L8 ( α,α’-Bis(salicylimino)-m-xylene) are in good agreement with the X-ray crystal structure data. Liquid-liquid extraction studies involving selected ligands and Eu(III) or U(VI) indicate remarkably high selectivity for U(VI) over Eu(III) at weak acidic pH conditions. We believe that the study made opens up new possibilities for uranyl ion extraction which could be interesting in view of the treatment of nuclear waste. In the third part of the thesis, a series of multifunctional tripodal ligands with different N-donor centres were used for U(VI) and lanthanide, Nd(III), Eu(III) and Yb(III), binding and extraction. Reaction of these metal ions with selected tripodal ligands afforded complexes which were characterized by ESI mass spectroscopy. The complex composition was found to be 1:1 in all cases. The extraction behaviour of the tripodal ligands towards Eu(III) and U(VI) was studied both in the absence and presence of octanoic acid as co-ligand using the extraction system Eu(NO3)3 or UO2(NO3)2–buffer–H2O/ ligand–CHCl3. These separation systems show a remarkably high selectivity for U(VI) over Eu(III). It is interesting to note that the addition of the octanoic acid to the extraction system leads to high synergistic effects. A series of Eu(III) extraction experiments were done to clarify the composition of the extracted complexes. The results clearly point to the formation of various species with changing composition.

Hydrocarbons, in particular polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), have been long discussed to be carriers of interstellar infrared (IR) emission and ultraviolet (UV) absorption features. Yet, their origin in dense phases of the interstellar medium (ISM), such as molecular clouds, remains unclear. In this work, growth mechanisms based on ion-molecule reactions between cationic PAHs/hydrocarbons and methyne (CH) were investigated. The reaction type and the precursor were derived and selected from known chemical and physical properties of the ISM. These chemical reactions were characterised by calculating branching ratios (based on cross sections) and capture rate coefficients, minimum reaction paths, reaction enthalpies, thermal equilibrium constants, and microcanonic isomerisation and radiative deactivation rate coefficients. In order to cope with the variety of reaction parameters, a hierarchic workflow scheme was set up. First, the reaction potential energy surface was sampled by molecular dynamics simulations. Then, minimum energy paths of the most probable reaction channels were investigated. Finally, molecular and kinetic properties of stationary points were calculated. The quantum chemical level of theory was increased at each step from DFTB (tight-binding density-functional), to DFT, and finally to post-Hartree-Fock methods. Results on CH based hydrocarbon growth showed the transition from non-cyclic hydrocarbons to cyclic and aromatic structures and from cyclic to polycyclic aromatic hydrocarbons. Additionally, the reactive collisions between hydrocarbons and CH were found to produce sufficient energy for isomerisation and fragmentation processes even at ultra low temperatures. In all, the results indicate that methyne might be a proper precursor for the formation of large interstellar PAHs. / Kohlenwasserstoffe, insbesondere polyzyklische Kohlenwasserstoffe (engl. PAHs), werden seit einigen Jahren als Mitverursacher interstellar IR-Emissions- und UV-Absorptionsbanden angesehen und diskutiert. Dabei ist die Herkunft dieser Moleküle in den dichten Phasen des interstellaren Mediums (ISM) aber noch nicht aufgeklärt. In dieser Arbeit wurden daher die Bildungsmechanismen, welche auf Ion-Molekül-Reaktionen zwischen kationischen PAHs und Kohlenwasserstoffen und dem Molekül CH beruhen, untersucht. Sowohl der Reaktionstyp als auch der Präkursor wurden anhand von bekannten physikalischen und chemischen Eigenschaften des ISM abgeleitet und ausgewählt. Die Analyse der chemischen Reaktionen basierte auf Berechnungen zur Produktzusammensetzung und Einfangsratenkoeffizienten (welche wiederum aus berechneten Reaktionsquerschnitten hervorgingen) Minimumenergiepfade (MEP), Reaktionsenthalpien, thermische Gleichgewichtskonstanten und mikrokanonische Isomerisierungs- und Strahlungsdeaktivierungs-Ratenkoeffizienten. Um der Vielzahl an Reaktionsparameter gerecht zu werden, wurden die Berechnungsmethoden entsprechend eines hierarischen Fließschemas kombiniert. Hierzu wurden zuerst durch Molekulardynamik-Simulationen die Reaktionspotentialenergieflächen abgerastert. Auf der nächsten Stufe wurden statistisch bedeutsame Reaktionskanäle bezüglich ihrer Minimumenergiepfade untersucht. Den Abschluss bildete die Berechnung molekularer und kinetischer Charakteristika stationärer Punkte auf einem MEP. Entsprechend dieses Schemas wurde die quantenchemische Genauigkeit auf jeder Stufe von approximativer DFT über DFT zu post-Hartree-Fock verändert. Die Ergebnisse des CH-basierten Kohlenwasserstoffwachstums zeigten einen Übergang von nichtzyklischen zu zyklischen and aromatischen Strukturen, sowie von zyklischen zu polyzyklischen Kohlenwasserstoffen. Außerdem zeigte sich, dass reaktive Kollisionen zwischen Kohlenwasserstoffen und CH auch bei Tiefsttemperaturen immer ausreichend Energie für Isomerisierungs- und Fragmentationsprozesse liefert. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen den Schluss zu, dass CH ein geeigneter Präkursor für die Bildung großer interstellarer PAH ist.