Published July 13, 2020 | Version v1
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Spectroscopic investigations of the interaction between uranyl(VI) and the cellulose degradation products α-isosaccharic acid and acetate

Description

In this thesis the interaction between UO2+2and 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 UO2+2-AcO species. In the literature, it has only been described that the [UO2(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 UO2+2-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 [UO2(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 UO2+2 unit leads to a weakening of the UO2+2-AcO bond. As a result, the complex can dissociate more easily in the excited state and thus the excitation energy of the UO2+2 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 UO2+2-AcO-system could be described for the first time and thus the general understanding of photophysical processes in UO2+2-systems could be extended. Within the scope of the luminescence measurements no third UO2+2-AcO species could be found, therefore UV/VIS measurements were performed at the same UO2+2 concentration (50 μM). The evaluation was performed under the assumption that either two or three UO2+2-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 UO2+2 unit. Results from other studies point to the interaction of UO2+2 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 UO2+2 unit (n¯). A consideration would lead to lower values for n¯, 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 UO2+2 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 UO2+2. It was also shown that this effect is due to the interaction between UO2+2 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 UO2+2 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 UO2+2-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.pdf

Abstract (German)

In dieser Arbeit wurde die Wechselwirkung zwischen UO2+2und den Cellulose-Abbauprodukten Acetat (AcOâ) 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 UO2+2-AcOâ-Spezies geschlossen werden. In der Literatur wurde bisher lediglich beschrieben, dass der [UO2(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 UO2+2-AcOâ-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 [UO2(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 UO2+2-Einheit zu einer Schwächung der UO2+2−AcOâ-Bindung führt. Infolgedessen kann der Komplex im angeregten Zustand leichter dissoziieren und so die Anregungsenergie der UO2+2-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 UO2+2-AcOâ-System beschrieben und so das generelle Verständnis photophysikalischer Prozesse in UO2+2-Systemen erweitert werden. Im Rahmen der Lumineszenzmessungen konnte keine dritte UO2+2-AcOâ-Spezies gefunden werden, weshalb bei der gleichen UO2+2-Konzentration (50 μM) UV/VIS-Messungen durchgeführt wurden. Die Auswertung erfolgte unter den Annahmen dass entweder zwei oder drei UO2+2-AcOâ-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 UO2+2-Einheit diskutiert. Ergebnisse aus anderen Studien deuten auf die Wechselwirkung von UO2+2 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 AcOâ-Moleküle pro UO2+2-Einheit (n¯) nicht berücksichtigt. Eine Berücksichtigung würde zu niedrigeren Werten für n¯ führen, was den Widerspruch zwischen den Ergebnissen dieser und denen anderer Arbeiten erklären kann. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Wechselwirkung von UO2+2 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 UO2+2 deutlich schneller verläuft. Dabei wurde weiterhin gezeigt, dass dieser Effekt auf die Wechselwirkung zwischen UO2+2 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 UO2+2-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 UO2+2-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.

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Original title (German)
Spektroskopische Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen Uranyl(VI) und den Cellulose-Abbauprodukten α-Isosaccharinsäure und Acetat

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Imprint Pagination
143 p.
Report number
INIS-DE--2708