Die Transformation der chemischen Industrie zu nachhaltigeren Forschungs- und Produktionsmethoden ist eines der größten Vorhaben des laufenden Jahrhunderts. Ein wichtiger Ansatz, um diesen Wandel zu ermöglichen, ist die Verwendung nachhaltiger und ungiftiger Lösungsmittelsysteme. In der vorliegenden Arbeit wurden die Wechselwirkungen von Analytmolekülen mit Oberflächen mit Hilfe festkörperkernspinresonanzspektroskopischer Methoden untersucht. Der Schwerpunkt lag dabei auf Polyethylenglycolen und deren amphiphilen Derivaten. Diese amphiphilen Derivate können als Tenside eingesetzt werden und ermöglichen so die Durchführung von Reaktionen in wässrigen Medien durch Bildung kleiner, lipophiler Mikro- oder Nanoreaktoren. Polyethylenglycole selbst eignen sich als nicht flüchtige und ungiftige Ersatzstoffe für herkömmliche organische Lösungsmittel.

Die Polyethylenglycole sowie die Tenside n-Octanol, Triton-X 100 und Hexaethylenglycolmonodecylether wurden sowohl pur als auch im Kontakt mit mesoporösen Siliziumdioxidmaterialien untersucht. Die Wechselwirkungen von Molekülen wie Tensiden mit festen Grenzflächen sind noch nicht ausreichend erforscht, da ihre Untersuchung mit den üblichen spektroskopischen Methoden schwierig ist. ²H Festkörper-NMR Spektroskopie sowie mit dynamischer Kernpolarisation (DNP) verstärkte ¹³C Festkörper-NMR Spektroskopie wurden eingesetzt, um die Wechselwirkungen der Moleküle untereinander und mit der Siliciumdioxidoberfläche zu analysieren. Zusätzlich zu den regulären DNP verstärkten spektroskopischen Methoden wurde auch direkte und indirekte DNP NMR Spektroskopie angewandt.

n-Octanol, eingeschlossen in SBA-15, wurde als Modellsystem für komplexere Tenside sowie zur Nachahmung biologischer Membranen verwendet. Durch die Analyse der ²H-NMR-Spektren, die sowohl aus dem Bulk als auch aus dem eingeschlossenen System gewonnen wurden, konnte die Ausrichtung von n-Octanol in der mesoporösen Silika SBA-15 aufgeklärt werden. Darüber hinaus wurde das Schmelzverhalten der Octanolphase in den Poren durch dynamische Differenzkalorimetriemessungen dokumentiert. Dies führte zu der Feststellung, dass trotz des Einschlusses der Moleküle in den Poren und des daraus resultierenden begrenzten Platzangebots keine Glasbildung stattfindet. Stattdessen bilden sich Kristallite, die aufgrund der Wechselwirkungen mit den Porenwänden unterschiedliche Größen und damit unterschiedliche Schmelztemperaturen aufweisen, was zu einem allmählichen Schmelzprozess führt.

n-Octanol wurde auch als Modellsystem für die Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Analyse von Daten aus NMR-Spektren verwendet, die durch direkte/indirekte DNP verstärkt wurden. Vier verschiedene handelsübliche Radikale (AMUPol, TOTAPOL, bTbK und AsymPol) wurden in Verbindung mit n-Octanol verwendet, um zu klären, wie sich die Polarisation in der Probe ausbreitet. Mit dem neu entwickelten Ansatz konnten die erhaltenen Spektren quantitativ ausgewertet werden. Dies war bisher aufgrund des notwendigen Vergleichs verschiedener Proben mit möglicherweise variablen Radikalkonzentrationen oder Probenmengen nur eingeschränkt möglich. So konnte gezeigt werden, dass die Hydrophilie ein Schlüsselfaktor dafür ist, wie die in der DNP NMR Spektroskopie verwendeten Radikale mit den Analytmolekülen wechselwirken und wie die Polarisation übertragen wird. Diese Ergebnisse illustrieren, dass die Wahl des Polarisationsmittels eine wesentliche Rolle bei der Sicherstellung eines optimalen Polarisationstransfers und damit der maximal möglichen Hyperpolarisation des beobachteten Kerns bei DNP-verstärkten NMR Messungen spielt.

Mit Hilfe der direkten/indirekten DNP und unter Anwendung des neu entwickelten Analyseansatzes wurden anschließend die Anordnungen von Polyethylenglycolen sowie von Tensiden in zwei verschiedenen mesoporösen Silikaten untersucht. Auch der mögliche Einfluss der Porengröße auf das Verhalten der Analytmoleküle sollte betrachtet werden. Es konnte gezeigt werden, dass im Bereich der untersuchten Porenradien diese keinen Einfluss auf das Verhalten des Analyten haben. Dennoch konnte durch quantitative Analyse dokumentiert werden, dass die amphiphilen Tenside im Vergleich zu den hydrophilen Polyethylenglycolen unterschiedliche Anordnungen in den Poren der Silikamaterialien bevorzugen. Die Tenside richten sich mit ihren hydrophilen Kopfgruppen in Richtung der Porenwände aus. Das hydrophile Radikal AMUPol wurde ebenfalls entlang der Porenwand lokalisiert. Die Polyethylenglycole hingegen zeigen einen höheren Vermischungsgrad mit dem verwendeten Radikal und ein Knäuelverhalten aufgrund intramolekularer Wechselwirkungen, was zu einer gleichmäßigen Übertragung der Polarisation über alle Kohlenstoffatome führt.

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Konkurrenz der intra- und intermolekularen Wechselwirkungen mit denen an der entsprechenden Oberfläche das Verhalten der eingeschlossenen Moleküle stark beeinflusst. Dies ist von großer Bedeutung für eine Vielzahl von Systemen an Fest-Flüssig-Grenzflächen, wie z. B. heterogene Katalysatoren, chromatographische Anwendungen oder drug delivery Systeme. Darüber hinaus wird die Anwendbarkeit der direkten/indirekten DNP NMR Spektroskopie auf Systeme an der Fest-Flüssig-Grenzfläche erweitert und die Vergleichbarkeit der erhaltenen Spektren durch einen neuartigen Ansatz zur Quantifizierung der Daten erheblich verbessert.