Modifikation von Sub-Mikrometerpartikeln aus Kieselgel mit einem aromatischen Amin

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es sub-mikrometergroße Kieselgelpartikel mit einem aromatischen Amin kovalent zu modifizieren. Dazu wurde das bisher unbekannte redoxaktive organische Molekül 4'-Amino-3',5'-di-tert-butyl-1,1'-biphenyl-4-carbonsäure an die Oberfläche von sphärischen, monodispersen und unporösen Kieselgelpartikeln, die als Trägermaterial dienten, gebunden. Hierfür wurden die Kieselgelpartikel nach dem Stöber-Prozess hergestellt und mit Hilfe von rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen, Lichtstreuungsmessungen und der BET-Messung charakterisiert. Ein wichtiges Kriterium bei der Darstellung der Partikel war, möglichst einheitliche Bindungsstellen für die redoxaktive Verbindung bereitzustellen (nicht-poröses Material). Es wurden unporöse Kieselgelpartikel mit einem möglichst kleinen Durchmesser synthetisiert, um dennoch eine große, effektive Oberfläche pro Gramm der Partikel zu erhalten. Diese wurden zunächst mit dem Spacer 3-Aminopropyl-triethoxysilan beschichtet. Über die endständige Aminogruppe des kovalent an die Partikel gebundenen Spacers war es dann möglich, die redoxaktive Aminobiphenylcarbonsäure durch die Bildung einer Amidbindung an die Kieselgeloberfläche zu binden. Als Kupplungsreagenz zur Amidbildung wurde dabei N-(3-Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimid-hydrochlorid verwendet. Das so modifizierte Kieselgel wurde spektroskopisch mittels 1H-Suspensions-NMR und 13C-Festkörper-NMR und elektrochemisch mit Hilfe der cyclischen Voltammetrie untersucht. Bei CV-Messungen konnte eine spontane Adsorption der modifizierten Partikel an der Platinelektrodenoberfläche festgestellt werden. Zudem wurde gezeigt, dass die mit den redoxaktiven Zentren beschichteten Partikel in zwei chemisch reversiblen Elektronenübergängen oxidiert werden können. Damit könnte das modifizierte Kieselgel wichtige Kriterien eines effektiven redoxaktiven Katalysators (Mediators) erfüllen: Es sollte sich durch die Verwendung von unlöslichem Kieselgel als Träger leicht aus dem Reaktionsgemisch entfernen lassen und zudem aufgrund des reversiblen Elektronentransfers auf einfachem Weg elektrochemisch regeneriert werden.

The goal of this project was to covalently modify silica particles of sub-micrometer dimensions using aromatic amines. Thus, the previously unknown redox-active organic molecule 4'-amino-3',5'-di-tert-butyl-1,1'-biphenyl-4-carboxylic acid was linked to the surface of spherical, monodisperse and non-porous silica particles, which served as the carrier material. The particles were synthesized according to the Stöber-Process, and were characterized by means of SEM-, light scattering and BET-measurements. An important criterion for the synthesis of the particles was to provide binding sites as uniform as possible for the redox-active compound (non-porous material). The silica particles were synthesized with a diameter as small as possible in order to obtain a large area of effective surface per gram particles. First, the particles were coated with the spacer 3-aminopropyl-triethoxysilane. Having a terminal amino group, it was then possible to bind the redox-active aminobiphenylcarboxylic acid to the silica surface by forming an amidebond. N-(3-Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimide-hydrochloride was used as a coupling agent. The silica modified in this way was examined spectroscopically using 1H-suspension-NMR and 13C-solid-state-NMR, and electrochemically using cyclic voltammetry (CV). The CV-measurement showed spontaneous adsorption of the modified particles on the platinum electrode. In addition, it could be shown that the particles coated with the redox-active centers can be oxidized via two chemically reversible electron transfers. Thus, the modified silica material might fulfill important criteria of an effective catalyst (mediator): due to employing insoluble silica gel as a carrier it should be easily removable from the reaction mixture. Additionally, it can be expected to be electrochemically regenerative in a simple way because of the reversible electron transfers.