Molecular templating with organic substrates during a sol gel process

Abstract

Ziel dieser Dissertation war die Herstellung nanoporöser silikatischer Materialien mittels organischen Templat-Molekülen in Kombination mit einem Sol-Gel Prozess. Im Allgemeinen handelt es sich bei diesen Templat-Molekülen um Amphiphile- Moleküle, welche in wässrigen Systemen Mesophasen ausbilden können und diese dann während eines Sol-Gel Prozesses Struktur dirigierend wirken. Abhängig vom jeweils verwendeten Amphiphil entstehen unterschiedliche Mesophasen, mit welchen man die Porengröße in einem silikatischem Material einstellen kann. Die Bandbreite der Porengrößen reicht von Mikroporen (< 2 nm) über Mesoporen (2-50 nm) und Makroporen (> 50 nm). Im Zuge dieser Dissertation wurden verschiedene Amphiphile Templat-Moleküle dargestellt, und diese in weiterer Folge zur Herstellung von porösen Materialien verwendet. Die Herstellung stereospezifischer Mikroporen erfolgte über Kohlenhydrat modifizierter Amphiphile Moleküle. Um ein Kohlenhydrat-Molekül mit einem Amphiphil zu verbinden, wurden zwei verschiedene Synthesewege gewählt.<br />Zum einen erfolgte die Darstellung über eine stereoselektive Glykosylierungs-Reaktion zum anderen wurde eine Sharpless/Huisgen 1,3-dipolare cycloaddition durchgeführt. Die Darstellung microporöser silikatischer Materialien (d. h. Filme und Pulver) erfolgte mittels eines "evaporation induced self assembling process" (EISA). Des Weiteren wurden verschiedene Wasserlösliche Cyclodextrin-derivate mittels einer Sharpless/Huisgen 1,3-dipolare cycloaddition dargestellt. In Kombination mit einem Struktur-dirigierendem Block-copolymer erfolgte die Herstellung von micro und mesoporösen silikatischen Materialien mittels des "true liquid templating" Prozesses. Die Darstellung macroporöser Materialien erfolgte unter Verwendung von Lipid- Vesikel (Größenordnung 100 nm - 1 mym), welche mittels des Sol-Gel Prozesses verkapselt wurden und hohle silikatische Kapseln entstanden. Die Darstellung dieser Kapseln erfolgte mittels verschiedener Lipide (DODAB, DOPC) in Kombination mit hydrophoben und hydrophilen Nanopartikeln und Viren, um zusätzlich Einschlussverbindungen zu untersuchen. Die erhaltenen porösen silikatischen Materialien wurden mittels SAXS, BET, REM und TEM Messungen untersucht, um Informationen über deren innere Oberfläche und Ordnung zu erhalten.<br />

The aim of this dissertation thesis was the preparation of nanoporous silica materials via the "sol-gel" process by the use of different template molecules. The preparation of ordered porous silica systems is commonly conducted via an amphiphilic templating approach within the "sol-gel" process. In order to receive various porous materials different amphiphilic templates have been prepared. Depending on the type of surfactant micro (< 2 nm), meso (2 nm - 50 nm) and macroporous (> 50 nm) silica materials have been prepared via different preparation methods. In order to obtain microporous systems with a stereo-specific imprint within the micropores, different amphiphiles bearing a carbohydrate head group have been prepared. The attachment of a carbohydrate head group onto an amphiphil has been achieved via two different synthetically approaches. One approach followed a commonly used glycosylation method in a second approach the attachment has been accomplished via a Sharpless/Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition reaction.<br />The preparation of various silica materials (films and powders) followed an evaporation induced self assembling process (EISA). In order to prepare micro and mesoporous silica materials the combination of a structure directing amphiphilic block-copolymer (P123) with prepared water soluble cyclodextrins has been applied. The preparation of water soluble cyclodextrin derivatives has been conducted as well via the 1,3-dipolar-cycloaddition reaction. The following preparation of micro- and mesoporous silica monoliths has been accomplished via the true liquid templating process. In order to obtain macroporous silica materials the preparation followed an encapsulation process of lipid vesicles within this approach hollow silica spheres with a size of 100 nm - 1 mym have been prepared. In order to obtain a wide variety of templates different types of vesicles have been use (DODAB and DOPC) as well as the inclusion of various hydrophobic and hydrophilic nanoparticles and viruses.<br />The obtained materials have been characterized by means of SAXS, BET, REM and TEM images in order to obtain information about their inner surface areas as well as their intern order.<br />