Spectroscopic investigations of the interaction between uranyl(VI) and the cellulose degradation products -isosaccharic acid and acetate
Description
In this thesis the interaction between UOand the cellulose degradation products acetate (AcO) and α-isosaccharic acid ISA was investigated. Although acetate is formed only in very small amounts during the abiotic degradation of cellulose, it is of particular importance as a model for complex organic ligands with carboxyl groups in the context of studies on metal-ligand interaction. Accordingly, gaps should be closed regarding the spectroscopic characterization of the UO-AcO species. In the literature, it has only been described that the [UO(AcO)] complex does not luminesce at room temperature and the occurrence of static and dynamic quenching has been demonstrated. The underlying quenching mechanism could not be identified in a follow-up study based on theoretical calculations. The experimental conditions were chosen in this work to capture the three UO-AcO complexes described in the literature. This was investigated using UV/VIS spectroscopy in parallel to the luminescence measurements. Static and time-resolved luminescence spectra were recorded at 20C and at-125C. At low temperatures an intensive luminescence of the [UO(AcO)]-complex could be detected. In order to find an explanation for quenching at room temperature, theoretical calculations were performed, whereby bond strengths as well as the charges of the individual atoms in the ground and lowest excited state were calculated. Thus it could be shown that the excitation of the UO unit leads to a weakening of the UO-AcO bond. As a result, the complex can dissociate more easily in the excited state and thus the excitation energy of the UO unit can be emitted without radiation. However, the energy barrier of this dynamic process cannot be overcome at low temperatures, which explains the luminescence at -125C. Thus, in the context of this thesis the quenching in the UO-AcO-system could be described for the first time and thus the general understanding of photophysical processes in UO-systems could be extended. Within the scope of the luminescence measurements no third UO-AcO species could be found, therefore UV/VIS measurements were performed at the same UO concentration (50 μM). The evaluation was performed under the assumption that either two or three UO-AcO complexes exist. The formation of only two complexes was sufficient to describe the measured UV/VIS spectra. However, this is not consistent with the general assumption in the literature that there are three complexes. Therefore, the potentiometry as the starting point of this assumption was analyzed in detail and discussed under consideration of the chemical properties of the UO unit. Results from other studies point to the interaction of UO with the protonated form of the ligand, acetic acid. However, this interaction is not taken into account in the evaluation of potentiometric data and thus in determining the average number of coordinating AcO molecules per UO unit (). A consideration would lead to lower values for , which may explain the contradiction between the results of this work and those of otherauthors. In the second part of the work the interaction of UO with the polyhydroxycarboxylic acid α-isosaccharic acid, the main product of cellulose degradation, was comprehensively characterized. Since the investigations were performed under acidic conditions, the conversion from the acid to the lactone form was an important aspect in this system. By means of NMR measurements it could be shown that the conversion of the open-chain to the lactone form of the ligand proceeds significantly faster in the presence of UO. It was also shown that this effect is due to the interaction between UO and the protonated form of α isosaccharic acid. The theoretically calculated shift in electron density that occurs during the interaction of the two components provided the explanation for the catalytic activity of the UO unit during lactone formation. The electron attracting effect reduces the electron density at the C atom of the carboxy group. As a result, the nucleophilic attack by the secondary alcohol on the activated C-atom can occur more easily, which is the speed determining step in this intramolecular reaction. The identification and characterization as well as the description of formation mechanisms of UO-ISA-complexes on a molecular level was performed by a multi-method approach. UV/VIS, ATR-FTIR, NMR, EXAFS and ESI-MS measurements in combination with theoretical calculations allowed a description of the system from the metal and ligand side.
Availability note (English)
Also available from: https://tud.qucosa.de/api/qucosa%3A72403/attachment/ATT-0/; Available from: https://fiz.tind.io/record/334691/files/334691.pdfAbstract (German)
In dieser Arbeit wurde die Wechselwirkung zwischen UOund den Cellulose-Abbauprodukten Acetat (AcO) und α-Isosaccharinsäure ISA untersucht. Acetat wird zwarbei dem abiotischen Abbau von Cellulose nur in sehr geringen Anteilen gebildet, besitzt jedoch als Modell für komplexe organische Liganden mit Carboxygruppen im Rahmen von Untersuchungen zur Metall-Ligand-Wechselwirkung eine besondere Bedeutung. Dementsprechend sollten Lücken hinsichtlich der spektroskopischen Charakterisierung der UO-AcO-Spezies geschlossen werden. In der Literatur wurde bisher lediglich beschrieben, dass der [UO(AcO)]-Komplex bei Zimmertemperatur nicht luminesziert, wobei das Auftreten von statischem und dynamischen Quenchen nachgewiesen wurde. Der zugrundeliegende Quenching-Mechanismus konnte in einer Folgestudie, basierend auf theoretischen Berechnungen, nicht identifiziert werden. Die experimentellen Bedingungen wurden in dieser Arbeit so gewählt, dass die drei in der Literatur beschriebenen UO-AcO-Komplexe erfasst werden sollten. Dies wurde unter Zuhilfenahme der UV/VIS-Spektroskopie parallel zu den Lumineszenzmessungen untersucht. Die Aufnahme von statischen und zeitaufgelösten Lumineszenzspektren erfolgte bei 20C und bei−125C. Bei tiefen Temperaturen konnte eine intensive Lumineszenz des [UO(AcO)]-Komplexes nachgewiesen werden. Um eine Erklärung für das Quenchen bei Zimmertemperatur zu finden, wurden theoretische Berechnungen durchgeführt, wobei Bindungsstärken sowie die Ladungen der einzelnen Atome im Grund- und niedrigsten angeregten Zustand berechnet wurden. So konnte gezeigt werden, dass die Anregung der UO-Einheit zu einer Schwächung der UO−AcO-Bindung führt. Infolgedessen kann der Komplex im angeregten Zustand leichter dissoziieren und so die Anregungsenergie der UO-Einheit strahlungslos abgegeben werden. Die Energiebarriere dieses dynamischen Prozesses kann jedoch bei tiefen Temperaturen nicht überwunden werden, was die Lumineszenz bei −125C erklärt. Somit konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmals das Quenchen im UO-AcO-System beschrieben und so das generelle Verständnis photophysikalischer Prozesse in UO-Systemen erweitert werden. Im Rahmen der Lumineszenzmessungen konnte keine dritte UO-AcO-Spezies gefunden werden, weshalb bei der gleichen UO-Konzentration (50 μM) UV/VIS-Messungen durchgeführt wurden. Die Auswertung erfolgte unter den Annahmen dass entweder zwei oder drei UO-AcO-Komplexe existieren. Die Bildung von nur zwei Komplexen war ausreichend, um die gemessenen UV/VIS-Spektren zu beschreiben. Dies stimmt jedoch nicht mit der generellen Annahme in der Literatur überein, dass es sich um drei Komplexe handelt. Dahingehend wurde die Potentiometrie als Ausgangspunkt dieser Annahme genau analysiert und unter Berücksichtigung der chemischen Eigenschaften der UO-Einheit diskutiert. Ergebnisse aus anderen Studien deuten auf die Wechselwirkung von UO mit der protonierten Form des Liganden, der Essigsäure, hin. Diese wird jedoch bei der Auswertung potentiometrischer Daten und damit bei der Bestimmung der durchschnittlichen Anzahl koordinierender AcO-Moleküle pro UO-Einheit () nicht berücksichtigt. Eine Berücksichtigung würde zu niedrigeren Werten für führen, was den Widerspruch zwischen den Ergebnissen dieser und denen anderer Arbeiten erklären kann. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Wechselwirkung von UO mit der Polyhydroxycarbonsäure α-Isosaccharinsäure, dem Hauptprodukt des Cellulose-Abbaus, umfassend charakterisiert. Da die Untersuchungen unter sauren Bedingungen durchgeführt wurden, stellte die Umwandlung von der Säure- in die Lactonform einen wichtigen Aspekt in diesem System dar. Mittels NMR-Messungen konnte gezeigt werden, dass die Umwandlung der offenkettigen in die Lactonform des Liganden in Gegenwart von UO deutlich schneller verläuft. Dabei wurde weiterhin gezeigt, dass dieser Effekt auf die Wechselwirkung zwischen UO und der protonierten Form der α-Isosaccharinsäure zurückzuführen ist. Die theoretisch berechnete Verschiebung der Elektronendichte, welche bei der Wechselwirkung der beiden Komponenten auftritt, lieferte die Erklärung für die katalytische Aktivität der UO-Einheit bei der Lactonbildung. Durch die elektronenziehende Wirkung wird die Elektronendichte am C-Atom der Carboxygruppe verringert. Infolgedessen kann der nukleophile Angriff durch den sekundären Alkohol an dem aktivierten C-Atom leichter erfolgen, was den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt bei dieser intramolekularen Reaktion darstellt. Die Identifizierung und Charakterisierung sowie die Beschreibung von Bildungsmechanismen von UO-ISA-Komplexen auf molekularer Ebene erfolgte durch einen Multi-Methoden Ansatz. UV/VIS-, ATR-FTIR-, NMR-, EXAFS- und ESI-MS-Messungen in Kombination mit theoretischen Berechnungen erlaubten eine Beschreibung des Systems von der Metall- und der Ligandseite aus.Files
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Additional titles
- Original title (German)
- Spektroskopische Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen Uranyl(VI) und den Cellulose-Abbauprodukten -Isosaccharinsäure und Acetat
Identifiers
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 143 p.
- Report number
- INIS-DE--2708
INIS
- Country of Publication
- Germany
- Country of Input or Organization
- Germany
- INIS RN
- 52017713
- Subject category
- S36: MATERIALS SCIENCE;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ABSORPTION SPECTROSCOPY; ACETATES; CELLULOSE; CHEMICAL SHIFT; CONCENTRATION RATIO; ELECTRON DENSITY; INFRARED SPECTRA; LACTONES; LIGANDS; LUMINESCENCE; MASS SPECTRA; NMR SPECTRA; POTENTIOMETRY; TEMPERATURE RANGE 0273-0400 K; TIME RESOLUTION; ULTRAVIOLET SPECTRA; URANYL COMPOUNDS; VISIBLE SPECTRA; X-RAY SPECTROSCOPY
- Descriptors DEC
- ACTINIDE COMPOUNDS; CARBOHYDRATES; CARBOXYLIC ACID SALTS; CHEMICAL ANALYSIS; DIMENSIONLESS NUMBERS; EMISSION; ESTERS; HETEROCYCLIC COMPOUNDS; ORGANIC COMPOUNDS; PHOTON EMISSION; POLYSACCHARIDES; QUANTITATIVE CHEMICAL ANALYSIS; RESOLUTION; SACCHARIDES; SPECTRA; SPECTROSCOPY; TEMPERATURE RANGE; TIMING PROPERTIES; TITRATION; URANIUM COMPOUNDS; VOLUMETRIC ANALYSIS