Die Biopolyester Cutin und Suberin stellen hydrophobe Grenzbarrieren dar, die sich im Laufe der Evolution der Landpflanzen entwickelt haben. Cutin bildet den Hauptbestandteil der Cuticula, die den Pflanzen Schutz vor unkontrollierter Transpiration bietet. Die Einlagerung von Suberin in die Zellwände definierter Zellen des Wurzelgewebes ermöglicht eine kontrollierte Aufnahme von Wasser und Nährstoffen. Zu den wichtigsten monomeren Bestandteilen dieser biologischen Polyester gehören langkettige α,ω-Dicarbonsäuren und ω-Hydroxycarbonsäuren. Bisher wurde der mikrobielle Abbau der Makromoleküle unzureichend erforscht. Zur Entschlüsselung der Zersetzung ist es notwendig, den Kreislauf der monomeren Bestandteile im Boden zu betrachten. Hierzu eignen sich vor allem Experimente mit positionsspezifisch ¹³C -markierten α,ω-Dicarbonsäuren und ω-Hydroxycarbonsäuren, die in der vorliegenden Arbeit erstmals synthetisch zugänglich gemacht wurden. Die Synthesen umfassten Dicarbonsäuren der geradzahligen Kettenlängen C12 bis C30, deren Carboxygruppen ¹³C -markiert sind. Ebenfalls wurde die Synthese von ω-Hydroxycarbonsäuren der Kettenlängen C14, C18, C22 und C30 mit ¹³C-Markierung an der Carboxygruppe realisiert. Weitere Zielverbindungen waren ω-Hydroxycarbonsäuren der Kettenlängen C14, C15, C18, C22 und C30, deren terminales hydroxyliertes Kohlenstoffatom mit ¹³C markiert ist. Im Rahmen der durchgeführten Arbeit gelang es, alle 19 Zielcarbonsäuren erfolgreich in hohen Ausbeuten und Reinheiten darzustellen. Die Synthese der isotopenmarkierten Verbindungen erforderte die Entwicklung spezieller auf die jeweiligen Zielsubstanzen individuell angepasster Syntheserouten, die den Einbau des Kohlenstoffisotops ¹³C ermöglichten. Für alle Zielverbindungen erfolgte die Einführung des ¹³C durch die Verwendung von ¹³C -markiertem Kaliumcyanid (99 at%). Wegen der hohen Kosten des ¹³C -markierten Ausgangsstoffes wurden alle Reaktionen zunächst unter der Verwendung analoger unmarkierter Edukte optimiert. Der letzte Teil der Arbeit bestand in der Ausführung eines Inkubationsexperimentes mit den ¹³C -markierten α,ω-Dicarbonsäuren der Kettenlängen C12, C18, C22 und C30. Mittels Phospholipidfettsäure-Analyse konnte gezeigt werden, dass die ¹³C -Dicarbonsäuren zu unterschiedlichen Anteilen von verschiedenen Mikroorganismengruppen zum Aufbau von Phospholipidfettsäuren verwendet wurden. Außerdem konnte durch die Anreicherung des CO2 mit dem Isotop ¹³C nachgewiesen werden, dass die ¹³C -markierten Fettsäuren von den Mikroorganismen zur Energiegewinnung abgebaut wurden. Für zukünftige Arbeiten wäre es interessant, Ausschnitte der Cutin- und Suberinstruktur nachzubilden. Durch die Veresterung der ¹³C -markierten α,ω-Dicarbonsäuren und der ¹³C -markierten ω-Hydroxycarbonsäuren untereinander oder mit Alkoholen könnten Dimere und Oligomere hergestellt werden.
Die vorliegende Doktorarbeit hatte zum Ziel zu prüfen, ob Emulsionspolymere auf Acrylatbasis als neuartige Photokatalysatoren bzw. Katalysatoren genutzt werden können.
Auf Grund der Beschaffenheit und der Eigenschaften von Emulsionspolymeren ist davon auszugehen, dass die Nutzung selbiger als Katalysatoren eine neue Art einer chemischen Katalyse ermöglicht. So sollen die Vorteile der heterogenen und homogenen Katalyse vereint und die jeweiligen Nachteile minimiert werden. Als besonders erfolgversprechend hat sich während der praktischen Arbeit die Nutzung von Emulsionspolymeren als Photokatalysatoren herausgestellt.
Die Anbindung der photokatalytisch aktiven Moleküle an/in den Polymerstrang soll kovalent erfolgen. Deshalb war ein erstes Teilziel dieser Arbeit prototypische Katalysatormoleküle zu synthetisieren, die über einen Acrylat-Substituenten verfügen, der in einer radikalischen Polymerisationsreaktion reagieren kann. Als Photokatalysatoren wurden Ruthenium- Polypyridin-Komplexe ausgewählt, die sowohl für eine inter- als auch intramolekulare Photokatalyse zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser geeignet sind. Für organokatalytische Zwecke wurde ein L-Prolin-Derivat synthetisiert, welches jedoch nicht auf seine Polymerisierbarkeit getestet wurde.
In einem ersten Schritt wurden die prototypischen 2,2’-Bipyridin-Liganden synthetisiert. Dabei konnte eine verbesserte Synthesemethode für 4-Brom-2,2’-bipyridin ausgearbeitet werden. Die Funktionalisierung erfolgte letztendlich durch eine Horner-Wadsworth-Emmons-Reaktion, die anschließend an eine Eintopfsynthese zur Darstellung von 4-Formyl-2,2’-biypridin erfolgte. Die prototypischen Photokatalysatoren zeigten mäßige Erfolge (TON: 37-136, 6h, 10% H2O, 470 nm) in Bezug auf die photokatalytische Wasserstoffproduktion, sodass an dieser Stelle eine Verbesserung der entsprechenden katalytischen Systeme erfolgen sollte.
Die Polymerisationsreaktion konnte für zwei intermolekulare Photokatalysatoren und zwei intramolekulare Photokatalysatoren durchgeführt werden. Dabei fiel auf, dass die intermolekularen Photokatalysatoren besser polymerisieren als die intramolekularen Photokatalysatoren. Es wird angenommen, dass dies mit der Löslichkeit der Substanzen im Monomer Ethylmethacrylat zusammen hängt.
Die photokatalytisch funktionalisierten Emulsionspolymere zeigten eine ähnliche photokatalytische Aktivität (TON: 9-101, 6h, 10% H2O, 470 nm) wie die jeweiligen Ausgangsstoffe selbst. Es konnte jedoch bewiesen werden, dass Emulsionspolymere als Photokatalysatoren genutzt werden können, wenn auch noch weitere Arbeiten zur Optimierung der Systeme nötig sind.
Identifizierung und Quantifizierung von Mikroplastik mittels quantitativer ¹H-NMR Spektroskopie
(2021)
Plastic, and so microplastics (MP), are globally present and represent an increasingly significant problem for the environment. In order to understand the distribution and impact of MP it is important to identify and quantify MP over a wide range of sizes and to ensure comparability of studies. However, comparability of studies is made difficult or even impossible by different MP concentration data. There still is a great need for research in the field of size-independent, quantitative analysis of MP in environmental samples, especially with regard to mass-based MP concentration information. Therefore, this thesis aims to utilize quantitative ¹H-NMR spectroscopy (qNMR) as an alternative method in MP analysis. The qNMR method is a size-independent, mass-based method which can be used as an alternative for MP analysis and has potential for routine analysis. The proof-of-concept was demonstrated for LDPE, PET and PS particles (Chapter 2). Additionally, PVC, PA, and ABS particles were tested to cover the most important polymer types for MP-analysis (Chapter 3). Moreover, using PET, PVC and PS as examples it was examined whether the qNMR method can also be transferred to the more cost-effective NoD method (Chapter 4). Results of method validation of both methods (1D and NoD) show that quantification using the qNMR method is not only possible in principle, but also shows high accuracy (88.0-110 %) and detection limits (1 – 84 µg) that lie within the environmentally relevant range. Furthermore, it was examined whether not only high-field instruments are suitable for MP analysis, but also benchtop devices (low-field instruments), which are much more cost-effective in purchase and maintenance. Increasing measurement times for PET and PS to 30 min and for PVC to 140 min, the lower measuring frequency especially concerning resolving capacity could be compensated (Chapter 4). To address the question of potential matrix effects of environmental samples, matrix effects and recovery rates of sample preparation procedures, which have been developed specifically for the application of the qNMR method were investigated using PET fibers as an example (Chapter 5). It could be shown that environmental matrices do not interfere with the quantitative analysis of MP using qNMR methods. Specific sample preparation methods developed for qNMR analysis can be used with recovery rates > 80 % for different environmental matrices (Chapter 5). Finally, first orienting investigations for the simultaneous determination of several polymer types in one sample are reported (Chapter 6).
The present study deals with the synthesis of N-phenacylpyridinium salts and their use as photoinitiators for epoxy resins. The use and suitability of phenacyl salts as photoinitiators for epoxy resins has already been described in previous studies. The individual impact of the specific components on the rate constants of epoxy reaction has not been investigated in detail. Based on the structure of N-phenacylpyridinium salt the substances described in the present study were varied due to the exchange of counter ion and different substituents. Investigating the impact of the specific substituent with focus on the reaction of epoxy groups there is a dependence found for three main factors. First, depending on whether to use a phenyl or methyl group as substituent there was found an impact on the process of photolysis. Furthermore, concerning the dependences on the pyridine derivative and the counter ion, it was found that pyridine derivatives with electron withdrawing groups and counter ions, which can build strong acids, accelerate the rate constants of the epoxy reaction. Vice versa, pyridine derivatives with electron donating groups and counter ions, which can form weaker acids, decrease the rate constants.
The determined rate constants and the formulation of substances discussed in the present thesis in an adhesive formulation show the suitability of selected substances as photoinitiators for the polymerization of epoxy resins.
