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Decarboxylierende Kreuzkupplungen sind eine neue Synthesestrategie zur Darstellung von unsymmetrischen Biarylen oder Ketonen aus Kaliumcarboxylatsalzen und Arylhalogeniden. Im Vergleich zu traditionellen Kreuzkupplungsreaktionen (z.B. Suzuki-Miyaura-Reaktion) kann mit dieser Methode auf den Einsatz von stöchiometrischen Metallverbindungen verzichtet werden, was zu einer nachhaltigeren Synthese führt. In der vorliegenden Arbeit sind neue bimetallische Katalysatorgenerationen entwickelt worden, die die decarboxylierende Kreuzkupplung mit Arylsulfonaten (Aryltriflate u. -tosylate) ermöglicht. Durch die Kombination von Sulfonatkupplungspartnern und Mikrowellenstrahlung konnte die Anwendungsbreite der Reaktion erheblich vergrößert werden und die Reaktionszeit von Stunden auf wenige Minuten reduziert werden. Die Entwicklung eines neuen silberbasierten Katalysators erlaubt die Absenkung der Reaktionstemperatur auf 130 °C und eröffnet durch seine Reaktivität die Umsetzung neuer Benzoesäuren in der Kupplung. Ein neues vollständig lösliches Katalysatorsystem wurde entwickelt mit dem ein Durchflussverfahren für decarboxylierende Kreuzkupplungen gelungen ist.
Städte und Regionen stehen vor den Herausforderungen einer wachsenden internationalen Standortkonkurrenz, die zu einem steigenden Wettbewerb führt. In diesem Wettbewerb haben Großstädte und Großstadtregionen eine ökonomische Schlüsselstellung inne. Vor dem Hintergrund hat die Bundesraumordnung angestrebt, mit Hilfe eines strategischen Leitbildes – dem Konzept der Europäischen Metropolregionen – die bestehenden Agglomerationen in ihrer internationalen Ausstrahlung zu stärken. Das Konzept wurde in Deutschland im Raumordnungspolitischen Handlungsrahmen im Jahr 1995 erstmals dargestellt sowie in den im Jahr 2006 verabschiedeten Leitbildern und Handlungsstrategien für die Raumentwicklung in Deutschland gefestigt. Metropolregionen werden als „Motoren der gesellschaftlichen, wirtschaftlichen, sozialen und kulturellen Entwicklung [gesehen, deren] herausragende Funktionen im internationalen Maßstab über die nationalen Grenzen hinweg ausstrahlen.“ Für die nachfolgenden Planungsinstanzen ergibt sich aus diesen Leitbildern keine verbindliche Fortführungspflicht sowie für die Akteure vor Ort keine Umsetzungspflicht. Dessen ungeachtet haben sich die Metropolregionen mit verschiedenen Organisationsformen und Aufgabenstellungen unter Verwendung dieses Labels gebildet, wobei sich die Implementation des Konzepts der Metropolregionen in den elf deutschen Metropolregionen unterschiedlich darstellt. In den sich teilweise neu konstituierenden, teilweise auf der Basis bestehender regionaler Kooperationen weiterentwickelnden Metropolregionen bilden und stärken sich in unterschiedlicher Form regionale Netzwerke zwischen politischen, wirtschaftlichen und weiteren gesellschaftlichen Akteuren mit dem Ziel die Region weiterzuentwickeln. Vor diesem Hintergrund analysiert die Arbeit die Implementation des Konzepts der Metropolregionen in Deutschland und nimmt eine Bewertung der Bedeutung dieses Konzeptes für die regionale und kommunale Entwicklung der Regionen vor. Die Analyse erfolgt anhand der Metropolregionen Hamburg und Nürnberg. Der Fokus liegt auf der Analyse der entstandenen regionalen Netzwerk- und Kooperationsstrukturen. Aus den Ergebnissen werden Handlungsansätze für die weitere Arbeit der Metropolregionen erarbeitet und zur Diskussion gestellt, die geeignet erscheinen die regionale Entwicklung der Metropolregionen sowie deren internationale Ausstrahlung zu befördern. In der Metropolregion Hamburg hat sich eine bestehende Verwaltungskooperation der drei Bundesländer Hamburg, Niedersachsen und Schleswig-Holstein schrittweise zu einer strategischen Zusammenarbeit weiterentwickelt, die eine Internationalisierungsstrategie für die gesamte Metropolregion verfolgt. In der monozentrischen Metropolregion ist die Stadt Hamburg das dominierende Zentrum. Aufgrund der Entwicklung der Zusammenarbeit aus der Verwaltungskooperation der drei Bundesländer heraus, sind die Gremien und offiziellen Strukturen von administrativen und politischen Vertretern geprägt, wohingegen Akteure aus der Wirtschaft kaum eingebunden sind. Regionale Netzwerke, die unterschiedliche Akteursgruppen einbeziehen, existieren überwiegend außerhalb der eigentlichen Strukturen der Metropolregion Hamburg und haben einen anderen räumlichen Zuschnitt als diese. In Nürnberg hat sich im Anschluss an die Bewerbung um die Anerkennung als Metropolregion im Jahr 2005 eine eigene und neue Struktur der regionalen Zusammenarbeit mit dem zentralen Ziel der Steigerung der internationalen Sichtbarkeit der gesamten Region entwickelt. Die Metropolregion Nürnberg ist in schlanken Netzwerkstrukturen organisiert, die Akteure aus Politik, Verwaltung, Wirtschaft und Gesellschaft einbeziehen, wobei die Entscheidungen von einem Rat der Metropolregion beschlossen werden, der sich aus gewählten politischen Vertretern aus den Gemeinden, Landkreisen und kreisfreien Städten zusammensetzt. Aufbauend auf der Analyse der Ausgangssituation beider Metropolregionen, ihrer Strukturen der regionalen Zusammenarbeit, ihren Zielsetzungen, der Projektarbeit sowie der Arbeit der regionalen Netzwerke werden Handlungsempfehlungen für vier Bereiche erarbeitet: die Auseinandersetzung mit der Frage der räumlichen „Grenzziehung“ bzw. der variablen Geometrie und die sich daraus ergebenden Herausforderungen für die Projektarbeit, die Weiterentwicklung der bestehenden Netzwerke bzw. der Möglichkeiten die Strukturen für die regionale und kommunale Entwicklung stärker in Wert zu setzen, die Formulierung strategischer Anforderungen an die Projektarbeit und die Diskussion möglicher Projekte sowie die Darstellung von Anforderungen für die langfristige Implementation des Konzepts. Darüber hinaus werden Erfolgsfaktoren und Hemmnisse der beiden Regionen abgeleitet, die für die Entwicklung anderer deutscher Metropolregionen als Orientierung dienen können. Dazu gehören sowohl fachlich-inhaltliche Aspekte als auch organisatorische und auf die Strukturen der Zusammenarbeit bezogene Faktoren.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese enantiomerenreiner N,N-heterozyklischer Liganden, die Analoga zu den bekannten chiralen Bisphosphanen BINAP, DIOP und PHANEPHOS darstellen. Die Synthese des enantiomerenreinen (R,S)-Dimethyl[1,1'-binaphthyl]-2,2'-dicarboxylat, welches für die Darstellung von (R,S)-2,2'-Bis[3,(5)-pyrazolyl]-1,1'-binaphthyl benötigt wird, gelang über zwei literaturbekannte Syntheserouten. Durch anschließende Umsetzung mit NaH und DMSO in THF konnte das entsprechende Ketosulfoxid erhalten werden, welches mittels Zink in einem Ethanol/Essigsäure-Gemisch zur Acetylverbindung reduziert wurde. Durch die Kondensation der Acetylvorstufe mit N,N-Dimethylformamiddimethylacetal sowie der anschließenden Zyklisierung mit Hydrazin-Monohydrat gelang es, das gewünschte Bispyrazolylbinaphthyl zu erhalten. 1H-NMR Untersuchungen weisen auf die Ausbildung einer supramolekularen Struktur hin. Der eindeutige Nachweis gelang jedoch durch die Analyse von Einkristallen mittels Röntgendiffraktometrie. Die Festkörperstruktur zeigt, dass sich durch Wasserstoffbrücken zu den Stickstoffatomen benachbarter Moleküle eine Trimerstruktur ausbildet. Durch den anschließenden Austausch der NH-Protonen gegen die linearkoordinierenden Gruppe 11 Metalle (Cu(I), Ag(I) und Au(I)) konnten stark fluoreszierende sechskernige Komplexe erhalten werden. Des Weitern wurde (R,S)-2,2'-Bis[3,(5)-pyrazolyl]-1,1'-binaphthyl mit verschiedenen Rutheniumvorstufen umgesetzt, deren Aktivität anschließend in der asymmetrischen Transferhydrierung von Acetophenon untersucht wurden. Die Löslichkeit des Liganden konnte durch Substitution der Protonen in Position 1 bzw. 5 der Pyrazolringe durch Alkylgruppen erhöht werden. Durch die Reaktion des Aminopropenon mit Guanidincarbonat wurde (R)-2,2'-Bis-4-[pyrimidin-2-amin]-1,1'-binaphthyl erhalten, welches einen weiteren interessanten N,N-Donorliganden darstellt. Die Synthese des 3,3'-((4S,5S)-2,2'-Alkyl-1,3-dioxolan-4,5-diyl)bis(1H-pyrazol) erfolgt ausgehend von der kostengünstigen enantiomerenreinen Weinsäure. Über die Stufe des Weinrebamid konnte schließlich die Acetylverbindung generiert werden. Die darauf folgende Kondensation mit DMF-DMA und anschließendem Ringschluss mit Hydrazinhydrat führte zu dem gewünschten Bispyrazol. Die Umsetzung des Dioxolanliganden mit Allylpaladium(II)chlorid-Dimer führte zu einem einkernigen Komplex. Nach Deprotonierung des Liganden und anschließender Umsetzung mit [RhCODCl]2 konnte dagegen ein vierkerniger Rhodiumkomplex beobachtet werden. Neben den Bispyrazolen, die eine Chiralitätsebene sowie ein Chiralitätszentrum aufweisen, gelang es über die Vorstufe der racemischen [2,2‘]-Paracyclophan-3,11-dicarbonsäure ein Bispyrazol zu synthetisieren, das eine planare Chiralität aufweist.
Im Rahmen dieser Arbeit konnten mit 2‘-Hydroxyphenylpyrazolderivaten erfolgreich zwei enantiomerenreine P,N-Liganden mit Binaphtholrückgrat synthetisiert werden. Dabei wurde das Pyrazolstickstoffatom mit einem Methyl- bzw. Benzylrest substituiert. Beide Liganden konnten in guten Ausbeuten und Reinheit erhalten werden. Mit beiden Liganden konnten erfolgreich Übergangsmetallkomplexe dargestellt werden. Im Falle des Methylderivates konnten drei dieser Komplexe auch strukturell charakterisiert werden. Dabei wurde Diastereomerenbildung aufgrund des siebengliedrigen Metallacyclus beobachtet. Im Falle des Dichloropalladiumkomplexes wurden zwei Isomere beobachtet. Beim Rutheniumcymol-Komlex bei welchem der Ligand einzähnig koordiniert, wurde erwartungsgemäß nur ein Isomer beobachtet. Bei zweizähniger Koordinationsweise bildeten sich hingegen vier Diastereomere, da aufgrund der Koordinationsumgebung das Metallzentrum nun ein Stereozentrum darstellt. Eines der Diastereomere konnte isoliert werden, da in diesem Fall die Isomerisierung nur langsam erfolgt. Im Falle des Palladiumkomplexes war dies nicht möglich. Die hydroxymethylsubstituierten Liganden konnten in guten Ausbeuten mit verschiedenen Substituenten in Position 1 und 5 erhalten werden. In Position 5 konnten Methyl-, n-Butyl-, tert-Butyl- und Phenyl- eingeführt werden. Bei Verwendung anderer Methylketone sind hier auch weitere Derivate denkbar. Der Pyrazolstickstoff konnte mit Methyl-, Benzyl-, tert-Butyl- und Phenylgruppen substituiert werden. Durch Verwendung anderer Alkylhalogenide sollte auch nahezu jeder andere Substituent zu verwirklichen sein. Im Falle des tert-Butyl- und Phenylrestes musste vom entsprechend substituierten Hydrazinderivat ausgegangen werden. Sofern die entsprechenden Hydrazine zugänglich sind sollte ebenfalls eine breite Variation der Reste möglich sein. Von vielen dieser Derivate wurden die entsprechenden Palladium(II)-Allyl-Komplexe dargestellt und NMR-spektroskopisch charakterisiert. Hierbei lag das Interesse vor allem auf der scheinbaren Rotation der Allylgruppe. Die beobachteten Spektren sind konsistent mit dem in der Literatur beschriebenen Umlagerungsmechanismus. Zwei dieser Komplexe konnten auch kristallographisch charakterisiert werden. Mit dem dimethylsubstituierten Pyrazolliganden wurden weitere Übergangsmetallkomplexe mit Eisen, Rhodium und vor allem Ruthenium dargestellt. Der Eisen-Halbsandwichkomplex konnte NMR-spektroskopisch untersucht werden. Die Rhodiumverbindungen wurden ebenfalls mit NMR-spektroskopisch und massenspektrometrisch untersucht. Die Ruthenium-verbindungen wurden auch mit NMR-Spektroskopie und Massenspektrometrie untersucht. Zwei Komplexe konnten zusätzlich kristallographisch charakterisiert werden. Ein Phosphonitliganden konnte trotz intensiver Bemühungen nicht in ausreichender Reinheit dargestellt werden, da bei der Synthese zahlreiche Probleme auftraten. Mit dem erhaltenen Liganden konnten dennoch zwei Palladiumkomplexe in moderater bis guter Reinheit isoliert und spektroskopisch charakterisiert werden. Die erhaltenen Komplexe wurden im Hinblick auf ihre katalytische Aktivität bei verschiedenen Reaktionen hin untersucht. Hierbei lag der Schwerpunkt auf der Trost-Tsuji-Reaktion, aber auch Suzuki-Kupplungen und Hydrierungen von Ketonen und Alkenen wurden durchgeführt. Die Palladium-Allyl-Komplexe zeigten alle sehr gute Aktivitäten bei der Umsetzung von Diphenylpropenylacetat mit Dimethylmalonat. Mit Ausnahme der hydroxyphenylsubstituierten Liganden konnte jedoch keine Enantioselektivität beobachtet werden. Die ee-Werte waren bei diesen beiden Verbindungen mit 35 und 22 % jedoch ebenfalls nur moderat. Mit anderen Nucleophilen konnte kein Umsatz beobachtet werden. Bei den Hydrierungsreaktionen konnten moderate bis gute Reaktivitäten beobachtet werden, allerdings konnte hier keine Enantioselektivität erzielt werden. Mit dem Pyrazolylalkohol 2-(1,5-Dimethylpyrazol-3-yl)propan-2-ol konnte zwar kein P,N-Ligand dargestellt werden, aber es konnte eine Reihe von Übergangsmetallkomplexen synthetisiert werden. Dabei zeigte sich, dass diese Verbindung einen interessanten Liganden darstellt, welcher verschiedene Koordinationsmodi ermöglicht. Durch das acide Proton des Alkohols sind zusätzlich intra- und intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen möglich. So konnten monomere, dimere und polymere Metallkomplexe beobachtet werden. Die Verbindungen wurden im Hinblick auf ihre strukturellen, spektroskopischen und magnetischen Eigenschaften untersucht.
Polychlorierte Biphenyle (PCBs) gehören zu den persistenten organischen Kontaminanten (eng. Persistent Organic Pollutants, POPs). Aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften wurden die PCBs vielseitig in der Industrie eingesetzt. Jedoch reicherten sich die persistenten Stoffe in der Umwelt an und gelangten so in die Nahrungskette. Daher ist die Hauptexpositionsquelle für den Menschen die Nahrung, insbesondere fetthaltige Nahrung wie Fisch- und Fleischprodukte. Die 209 PCB-Kongenere können in zwei Gruppen unterteilt werden. Die dioxin-artigen PCBs (DL-PCBs) bilden eine kleine Gruppe von 12 PCBs, die strukturelle und toxikologische Gemeinsamkeiten mit Dioxinen, wie z.B. dem 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin haben. Die nicht dioxin-artigen PCBs (NDL-PCBs) stellen den Rest der 209 Kongenere dar. Sie sind toxikologisch noch wenig charakterisiert, obwohl sie 90% der PCBs repräsentieren, die als Kontaminanten in Lebensmitteln vorkommen. Das Ziel der Arbeit war es die Effekte von ausgewählte NDL-PCBs auf fremdstoffmetabolisierender Leberenzyme, wie die Cytochrome P450 Monooxygenasen (CYP) und die UDP-Glucuronocyltransferasen (UGT), zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde hochreine NDL-PCBs verwendet, die geringe dioxin-artige Verunreinigungen aufwiesen. In einer subakuten Studie wurden adulte Sprague-Dawley Ratten mit in Maiskeimöl gelöstem NDL-PCB 52 oder NDL-PCB 180 wiederholt per Schlundsonde behandelt. Die Gesamtdosen betrugen 0 bis 3000 mg/kg KG bei NDL-PCB 52 und 0 bis 1700 mg/kg KG bei NDL-PCB 180. Die Behandlungsdauer betrug 28 Tage. Auf Gen- und Proteinebene wurde keine Induktion von CYP1A1, CYP1A2 und CYP1B1 in der Leber festgestellt. Die CYP2B1-Expression hingegen wurde von beiden PCBs auf Gen- und Proteinebene induziert, wobei NDL-PCB 180 potenter schien. CYP3A1, UGT1A1 und UGT 1A6 wurde nur durch NDL-PCB 180 auf Gen- und Proteinebene induziert. Außerdem induzierten beide Kongenere die katalytische CYP2B1-Aktivität (PROD-Aktivität), wobei wiederum NDL-PCB 180 eine höhere Induktion verursachte. Es konnte auch nur für dieses PCB ein EC50-Wert der PROD-Aktivität von 34,5 ± 4,2 mg/kg KG für männliche und 120 ± 46,7 mg/kg KG für weibliche Tiere ermittelt werden. Die katalytische CYP1-Aktivität (EROD-Aktivität) wurde auch durch beide PCBs induziert, wobei bei NDL-PCB 52 nur bei den Männchen die Aktivität anstieg. In einer perinatal Studie wurden trächtige Spraque-Dawley Ratten mit NDL-PCBs 52 und 180 behandelt. Die Gesamtdosen betrugen 0 bis 3000 mg/kg KG bei NDL-PCB 52 bei NDL-PCB 180 0 bis 1000 mg/kg KG. Die Jungtiere wurden jeweils 7, 35 und 84 Tage nach der Geburt (PND) getötet. NDL-PCB 52 induzierte in keiner Gruppe die EROD-Aktivität. Die PROD-Aktivität wurde nur in der PND7-Gruppe in beiden Geschlechtern induziert. NDL-PCB 180 induzierte die EROD-Aktivität bei der PND7-Gruppe nur in der höchsten Gesamtdosis. Die PROD-Aktivität wurde jedoch konzentrations- und zeitabhängig induziert. In einer Maus-Studie wurden sechs NDL-PCBs (28, 52, 101, 138, 153, 180) und das DL-PCB 126 gestestet. Mit niedrigen Dosen (20 mg/kg KG bei NDL-PCBs, 200 µg/kg KG bei DL-PCB) sollten kurzfristige (1 Tag), mittelfristige (5 Tage) und subakute (28 Tage) Effekte auf Leberenzyme bestimmt werden. Das relative Lebergewicht wurde durch die Behandlung mit NDL-PCB 28 und DL-PCB 126 nach 5 und 28 Tagen erhöht und durch NDL-PCB 153 nach 28 Tagen. Die CYP1A1-Genexpression wurde nur durch DL-PCB 126 induziert. Die CYP2B10-Genexpression wurde in jeder Behandlungsgruppe durch die NDL-PCBs erhöht, mit der Ausnahme von NDL-PCB 28 und DL-PCB 126. Die PROD-Aktivität wurde nach 28 Tagen durch alle PCBs erhöht, nach 5 Tagen verursachte nur NDL-PCB 28 keine Induktion. Bei der 1 Tag-Studie wurde die Aktivität nur durch hochchlorierte PCBs 126, 153 und 180 induziert. Die EROD-Aktivität wurde durch DL-PCB 126 sehr hoch induziert. Erst nach 28 Tagen verursachten die andere PCBs ein Erhöhung der Aktivität. Bei in vitro-Versuchen mit transfizierten humanen Hepatomzellen (HepG2) wurden 20 PCBs getestet. Nach einer 48 stündigen Inkubationszeit vermochte nur DL-PCB 126 das transient transfizierte XRE (Xenobiotic Responsive Element) zu induizieren. Außerdem wurden auch die humanen PBREM/CAR (Phenobarbital Responsive Enhancer Module/Constitutive Androstane Receptor) und XREM (Xenobiotic Responsive Enhancer Module) transient resp. stabil transfiziert. Es zeigte sich, dass die Induktion vom Chlorierungsgrad abhing. Die fünf- und siebenfach chlorierten PCBs induzierten beide, wogegen vier und sechsfach chlorierte eher PBREM/CAR induzierten. Es konnte gezeigt werden, dass die große Gruppe der NDL-PCBs bezüglich ihrer Wirkung keine homogene Gruppe bilden. Bei den Tierversuchen scheinen die hochchlorierten PCBs Mixtyp-Induktoren zu sein, wogegen die niedrigchlorierten eher CYP2B induzierten oder kein Effekt bewirkten. In vitro bestätigte sich, dass der Chlorierungsgrad bei der Induktion der Gene eine wichtige Rolle spielt.
Zahlreiche neue und andauernde Herausforderungen sowie verschiedenste Rahmenbedingungen beeinflussen die Raumentwicklungspolitik: Globalisierung und Standortwettbewerb der Regionen,Veränderung des Staatsverständnisses und Europäisierung, Regionalisierung der Aktionsräume, demographischer Wandel und die Haushaltsnot öffentlicher Kassen. Ein instrumenteller Ansatz der Raumentwicklungspolitik zur Lösung der Probleme ist dabei die Kooperation zwischen Gebietskörperschaften,die in vielerlei Hinsicht positive Skaleneffekte hervorruft. Hierbei wird die kleinräumige interkommunale Kooperation schon seit etlichen Jahrzehnten angewandt. Aufgrund der zunehmenden Regionalisierung der Aktionsräume aller gesellschaftlichen Akteure stellt sich allerdings vermehrt die Frage, inwiefern interkommunale Kooperationen auch auf großräumigere Zusammenhänge ausgedehnt werden können. Im Sinne der Policy-Forschung wird in der vorliegenden Arbeit die Politikidee, mit großräumigen regionalen Kooperationen zu einer besseren und effizienteren Raum- und Wirtschaftsentwicklung zu kommen, auf ihre Rahmenbedingungen und ihre Praxistauglichkeit untersucht. Die Policy-Analyse mit ihren Untersuchungsmethoden bietet im Hinblick auf Akteure, Politikentstehung, Steuerungsmechanismen und Konfliktlösung dazu die entsprechenden Instrumente. Sowohl kleinräumige als auch großräumige Kooperationen zwischen Gebietskörperschaften und weiteren Akteuren bewegen sich aus raumentwicklungspolitischer Sicht immer im Spannungsfeld zwischen ausgleichs- und wachstumsorientierter Raumentwicklung. Während der Ansatz der „großräumigen Verantwortungsgemeinschaften“, der als „Überregionale Partnerschaften“ Inhalt eines Modellvorhabens der Raumordnung ist, eher in Richtung Ausgleich tendiert, sind großräumige regionale Kooperationen im Sinne der vorliegenden Arbeit per se nicht einem Pol zuzuordnen. So sind wachstumsorientierte Kooperationen ebenso denkbar wie ausgleichsorientierte, wobei letztere aufgrund des regelmäßig größeren räumlichen Umgriffs eher zu erwarten sind. Für großräumige regionale Kooperationen stellen sich ähnliche Anforderungen an ihre Organisation wie an klassische interkommunale Kooperationen. Dabei zeigt sich, dass sich die großräumige regionale Kooperation von den anderen Kooperationen in erster Linie dadurch unterscheidet, dass sie eine größere räumliche Entfernung zwischen den Kooperationspartnern aufweist als die meisten anderen „gängigen“ Kooperationen, sich die Raumstruktur der Kooperanden in der Regel deutlich unterscheidet und demnach mehr unterschiedliche als gemeinsame bzw. gleiche Herausforderungen bestehen. Es zeigt sich, dass großräumige regionale Kooperationen in erster Linie punktuell, d. h. in einzelnen Policy-Feldern, möglich sind. Durch die Bearbeitung nur eines Policy-Feldes ist es umso schwieriger, den Nutzen der Kooperation gerecht zu verteilen. Der Aufbau einer gemeinsamen Kooperations- und Planungskultur ist zwischen unterschiedlichen Räumen in großräumigen regionalen Kooperationen ebenfalls schwieriger zu bewerkstelligen als in räumlich relativ eng gefassten interkommunalen und regionalen Kooperationen. Durch die größere Entfernung kann es zum Teil bereits zu Mentalitätsunterschieden zwischen den handelnden Akteuren kommen. Im empirisch untersuchten Beispiel konzentrieren sich die Kooperationen zwischen dem Rhein-Hunsrück-Raum und dem Rhein-Main-Gebiet auf die jeweiligen räumlichen Randbereiche. Direkte Kooperationen zwischen den Ausgangs- und Entwicklungsschwerpunkten der beiden Regionen – d. h. Kooperationen großräumigerer Art – finden sich erst in Ansätzen. Dies vermag nicht zu verwundern, da beide Regionen erst in geringem Maße (Region Rhein-Hunsrück) bzw. nicht unumstritten (Ballungsraum Frankfurt/Rhein-Main) institutionalisiert sind und somit keine Institution für Großteile der Region ihre Stimme erheben kann. Hierzu müssen im Sinne einer Regional Governance noch entsprechende Strukturen geschaffen bzw. weiterentwickelt werden. Die größte Herausforderung großräumiger regionaler Kooperationen ist die Integration kleinerer Maßnahmen, lokaler und regionaler Entwicklungskonzepte sowie Leuchtturmprojekte in ein strategisches Gesamtkonzept. Dies stellt aber ein aufwändiges und schwieriges Unterfangen dar und widerspricht damit der Forderung nach schnellen Erfolgen und konkreten, überschaubaren Projekten, welche eine Kooperation für ihren Erfolg benötigt. Insofern steht der Etablierung großräumiger regionaler Kooperationen noch ein langer Weg bevor, dessen Beschreitung allerdings angesichts der vielfältigen Herausforderungen an Kommunal-, Regional- und Raumentwicklung nur schwerlich umgangen werden kann.
Due to remarkable technological advances in the last three decades the capacity of computer systems has improved tremendously. Considering Moore's law, the number of transistors on integrated circuits has doubled approximately every two years and the trend is continuing. Likewise, developments in storage density, network bandwidth, and compute capacity show similar patterns. As a consequence, the amount of data that can be processed by today's systems has increased by orders of magnitude. At the same time, however, the resolution of screens has hardly increased by a factor of ten. Thus, there is a gap between the amount of data that can be processed and the amount of data that can be visualized. Large high-resolution displays offer a way to deal with this gap and provide a significantly increased screen area by combining the images of multiple smaller display devices. The main objective of this dissertation is the development of new visualization and interaction techniques for large high-resolution displays.
Modellierung und Simulation von Retentionsbodenfiltern zur weitergehenden Mischwasserbehandlung
(2011)
Retentionsbodenfilter zur weitergehenden Mischwasserbehandlung (RBF) können einen wichtigen Beitrag zum Gewässerschutz leisten, indem sie Entlastungsabflüsse aus konventionellen Regenüberlaufbecken reinigen. Die Filterdimensionierung erfolgt nach Stand der Technik vorwiegend durch die Beurteilung der hydraulischen Flächenbelastung. Um die dazu notwendigen Daten zu erhalten, sind Niederschlag-Abfluss- Berechnungen des Kanalnetzes erforderlich. Wird in Ergänzung die Einhaltung stofflicher Zielgrößen gefordert, sind Schmutzfrachtberechnungen anzuwenden. Vor dem Hintergrund biochemischer, naturnaher Prozesse in RBF erscheint es sinnvoller, die geeigneten Abmessungen des Filterbeckens vorwiegend anhand der stofflichen Belastung und der entsprechenden Reinigungsleistung zu ermitteln. Die vorliegende Arbeit soll einerseits einer Erweiterung des Kenntnisstandes über die Prozesse in RBF dienen. Andererseits sollen vorhandene Prozessvorstellungen in Modellrechnungen überprüft werden. Eine detaillierte Nachbildung von Laborversuchen erfolgt mittels eines biokinetischen Reaktionsmodells, welches für Pflanzenkläranlagen entwickelt wurde. Der durch die Simulationsauswertung erweiterte Kenntnisstand wird zur Weiterentwicklung eines vereinfachten Retentionsbodenfilter-Moduls für Schmutzfrachtsimulationen verwendet. Am Ende soll ein Planungs- und Optimierungswerkzeug gewonnen werden, welches den derzeitigen Wissensstand abbildet und der Ingenieurpraxis gerecht wird. Die verwendete, ausgewertete Datengrundlage umfasste zunächst zwei mehrmonatige Messphasen am RBF Saarbrücken-Ensheim (Dittmer, 2006), zugehörige Säulenversuche im Labormaßstab (Woźniak, 2007) sowie die Ergebnisse eigener Versuche aus vorhergehenden Simulationsstudien. Während die eigenen Laboruntersuchungen in der vorliegenden Arbeit ergänzt wurden, erfolgte die wesentliche Erweiterung der Datengrundlage durch Vorlage von Messdaten aus einer zweijährigen Kampagne des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft der Universität Kassel (Prof. Dr.-Ing. F.-B. Frechen) am RBF Oberelsungen. Die Auswertung dieser Rohdaten, der vergleichende Einschätzungen der beiden Filteranlagen und die geordnete Zusammenstellung aller weiteren Untersuchungen bilden die wesentlichen Vorarbeiten der Simulationsstudien. Als Ergebnis wird festgestellt, dass die beiden RBF sowohl untereinander als auch mit anderen Anlagen vergleichbar sind. Dadurch ist eine Zusammenführung von Aspekten verschiedenen Ursprungs möglich. Laborversuche sollten jedoch gesondert bewertet werden. Vor Anwendung des biokinetischen Reaktionsmodells CW2D werden die Modellteile der Hydraulik, des Stofftransportes und des Stoffrückhaltes getrennt betrachtet. In allen genannten Teilprozessen kann eine hohe Annäherung an Messwerte erzielt werden - ein Exkurs zu stark abweichenden Filtersubstraten für Pflanzenkläranlagen belegt die große Bandbreite des möglichen Modelleinsatzes. Die weitergehenden Prozesse des Stoffumsatzes wurden zur Nachbildung einzelner Hochlastereignisse in Laborversuchen mit Säulen verwendet, wobei ebenfalls eine Deckung mit der Datengrundlage erreicht werden kann. Eine langfristige Wiedergabe der Filterleistung gelingt bisher jedoch nicht. Als Ursache wird vor allem die Beschreibung der Trockenphasen herausgestellt. Mögliche Modellerweiterungen um Filtrationsprozesse organischer Partikel sowie vorgeschlagene Änderungen des biokinetischen Reaktionsmodells könnten hierzu Abhilfe schaffen. Die Weiterentwicklung eines RBF-Modells als Bestandteil der Schmutzfrachtmodellierung bezieht sich auf die Kernparameter CSB und NH4-N und in Ergänzung auf NO3-N. Zur Vorbereitung stofflicher Prozessbeschreibungen wird das hydraulische Modell optimiert. Bezüglich CSB erfordert die Wiedergabe der tatsächlichen Reinigungsleistung eine Unterteilung in gelöste und partikuläre Bestandteile. Es wird nachgewiesen, dass mittels konstanter, partikulärer Ablaufkonzentrationen sowie konstanter Wirkungsgrade für die gelösten Anteile die Filterleistung abgebildet werden kann. Eine Verbesserung der Ergebnisse wird durch die Beachtung von Trockenphaseneinflüssen erreicht. Bezüglich NH4-N wird der wesentliche Entwicklungsschritt mit einer zweistufig linearen Sorptionsisotherme eingeführt. Das neue Stickstoffmodell wird – ergänzt um die Berücksichtigung von Regenerationszeiten - in seiner Eignung belegt. In einer abschließenden Simulationsstudie zur Optimierung des RBFs Oberelsungen wird aufgezeigt, dass sich aus hydraulischen und stofflichen Kriterien unterschiedliche Dimensionierungen ableiten lassen.
Mischungen aus Aldehyden und Alkoholen sind für zahlreiche technische Prozesse von Bedeutung. Bei der Auslegung solcher Prozesse muss berücksichtigt werden, dass Aldehyde mit Alkoholen in einer Additions-Eliminierungsreaktion zu Halbacetalen reagieren. Zurzeit erhält man genaue Angaben zum Reaktionsgleichgewicht, die für technische Anwendungen ausreichend sind, fast ausschließlich aus experimentellen Untersuchungen.
Eine Vorhersage solcher Gleichgewichtskonstanten (für Reaktionen in der Gasphase) ist prinzipiell auch mit Hilfe quantenchemischer Methoden möglich. Für die interessierenden Reaktionen der untersuchten Aldehyde und Alkohole fehlen sowohl experimentelle Ergebnisse als auch mit Hilfe der Quantenchemie berechnete Zahlenwerte.
Ziel der Arbeit war es, die Reaktionsgleichgewichte einiger wichtiger Reaktionen eines Aldehyds mit einem Alkohol zu Halbacetalen experimentell zu bestimmen und mit Ergebnissen quantenchemischer Vorhersagen zu vergleichen.
Für 21 Systeme (aus sieben Aldehyden und drei Alkoholen) wurden Pseudogleichgewichtskonstanten in der flüssigen Phase im Temperaturbereich zwischen ca. 255 K und 295 K experimentell mittels \( ^{13}\)C-NMR-Spektroskopie ermittelt. Dazu wurden binäre Mischungen aus jeweils einem Aldehyd und einem Alkohol gravimetrisch hergestellt und nach Einstellung des Gleichgewichts experimentell untersucht. Die im Experiment erhaltenen Pseudogleichgewichtskonstanten wurden mit Hilfe einer Gruppenbeitragsmethode für die Gibbsche Exzessenergie der flüssigen Mischungen zu Gleichgewichtskonstanten umgerechnet.
Parallel dazu wurden für die experimentell untersuchten Reaktionen die Gleichgewichtskonstanten in der Gasphase mit quantenchemischen Methoden berechnet. Als quantenchemische Methode wurde der Dichtefunktionaltheorieansatz B3LYP gewählt, der für die Berechnungen sowohl mit dem (kleinen) Pople-Basissatz 6-31G(d) scale als auch mit dem (größeren) Dunning-Basissatz cc-pVTZ scale kombiniert wurde.
Im theoretischen Teil wurde nur die Hauptreaktion - die Bildung der Halbacetale I aus Aldehyd und Alkohol - berücksichtigt und die Folgereaktionen nicht untersucht.
Aus zeitlichen Gründen konnten für den größeren (rechenzeitintensiven) Basissatz nicht alle experimentell untersuchten Reaktionen betrachtet werden. Unter Verwendung von Dampfdrücken der beteiligten Komponenten wurden die Rechenwerte auf die flüssige Phase umgerechnet. Die dazu erforderlichen Dampfdrücke der Halbacetale wurden mit Hilfe von Korrelationsgleichungen abgeschätzt.
Der Vergleich von Messwerten mit Rechenwerten für die Gleichgewichtskonstanten der untersuchten chemischen Reaktionen zeigte, dass die verwendeten quantenchemischen Methoden i.d.R. nicht in der Lage sind, das Gleichgewicht zuverlässig vorherzusagen.
This research work focuses on the generation of a high resolution digital surface model featuring complex urban surface characteristics in order to enrich the database for runoff simulations of urban drainage systems. The discussion of global climate change and its possible consequences have taken centre stage over the last decade. Global climate change has triggered more erratic weather patterns by causing severe and unpredictable rainfall events in many parts of the world. The incidence of more frequent rainfall has led to the problem of increased flooding in urban areas. The increased property values of urban structures and threats to people's personal safety have hastened the demand for a detailed urban drainage simulation model for accurate flood prediction. Although the use of 2D hydraulic modelling approach in rural floodplains is in practice for quite a long time, the use of the same approach in urban floodplains is still in its infancy. The reason is mainly due to the lack of a high resolution topographic model describing urban surface characteristics properly.
High resolution surface data describing hydrologic and hydraulic properties of complex urban areas are the prerequisite to more accurately describing and simulating the flood water movement and thereby taking adequate measures against urban flooding. Airborne LiDAR (Light detection and ranging) is an efficient way of generating a high resolution Digital Surface Model (DSM) of any study area. The processing of high-density and large volume of unstructured LiDAR data is a difficult and time-consuming task towards generating fine resolution spatial databases when considering only human intervention. The application of robust algorithms in terms of processing this massive volume of data can significantly reduce the data processing time and thereby increase the degree of automation as well as accuracy.
This research work presents a number of techniques pertaining to processing, filtering and classification of LiDAR point data in order to achieve higher degree of automation and accuracy towards generating a high resolution urban surface model. This research work also describes the use of ancillary datasets such as aerial images and topographic maps in combination with LiDAR data for feature detection and surface characterization. The integration of various data sources facilitates detailed modelling of street networks and accurate detection of various urban surface types (e.g. grasslands, bare soil and impervious surfaces).
While the accurate characterization of various surface types contributes to the better modelling of rainfall runoff processes, the application of LiDAR-derived fine resolution DSM serves as input to 2D hydraulic models and capable of simulating surface flooding scenarios in cases the sewer systems are surcharged.
Thus, this research work develops high resolution spatial databases aiming at improving the accuracy of hydrologic and hydraulic databases of urban drainage systems. Later, these databases are given as input to a standard flood simulation software in order to: 1) test the suitability of the databases for running the simulation; 2) assess the performance of the hydraulic capacity of urban drainage systems and 3) predict and visualize the surface flooding scenarios in order to take necessary flood protection measures.
Gegenstand der vorliegenden Dissertation war die Erarbeitung eines besseren Verständnisses für ein grundlegendes Konzept der molekularen Erkennung - den Intra-Rezeptor-Wechselwirkungen. In zwei Projekten sollte dies mit Hilfe von Modellsystemen verwirklicht werden.
Im ersten Projekt wurden verschiedene Bis(kronenether)-Derivate synthetisiert, um den Einfluss der Intra-Rezeptor-Wechselwirkungen systematisch untersuchen zu können. Die Synthese lieferte die Derivate als Gemisch von Diastereomeren, wobei für ein Derivat mit Camphanoylsubstituenten die Trennung der Diastereomere nach chromatographischer Trennung erfolgreich realisiert werden konnte. Die lösungsmittelabhängige Charakterisierung der Kaliumkomplexierung der Bis(kronenether)-Derivate in Methanol/Wasser-Gemischen erfolgte mittels isothermer Titrationskalorimetrie (ITC). Es zeigten sich unterschiedliche Einflüsse in den Enthalpie- und Entropiebeiträgen der einzelnen Derivate, welche sich allerdings aufgrund von Enthalpie-Entropie-Kompensation nicht in unterschiedlichen Werten für ∆G äußern. Darauf aufbauend wurde ein weiteres Modellsystem konzipiert, welches einen Azakronenether als Grundkörper aufweist. Die Ausgangsverbindung hierfür wurde synthetisiert und eine Kristallstruktur des Natriumiodid-Komplexes ergab wichtige strukturelle Hinweise für die Durchführbarkeit weiterer Arbeiten.
Im zweiten Projekt sollte untersucht werden, ob die Eigenschaften eines bekannten cyclischen Hexapeptids, bei Bindung von Anionen Intra-Rezeptor-Wechselwirkungen auszunutzen, auf ein strukturell ähnliches System übertragen werden können. Ein cyclisches Pseudohexapeptid sowie das kleinere cyclische Pseudotetrapeptid, in welchen 1,5-disubstituierte 1,2,3-Triazole die cis-Amide an den Prolinuntereinheiten der entsprechenden cyclischen Peptide imitieren, wurden synthetisiert. Die hohe konformationelle Übereinstimmung der cyclischen Pseudopeptide zu den cyclischen Peptiden konnte über Kristallstrukturanalyse und 1H-NMR spektroskopische Untersuchungen nachgewiesen werden.
Die Bindungseigenschaften des cyclischen Pseudohexapeptids gegenüber Anionen wurden mit Hilfe der NMR-Spektroskopie und der Isothermen Titrationskalorimetrie (ITC) untersucht. Das cyclische Pseudohexapeptid bindet anorganische Anionen mit außergewöhnlich hohen Bindungskonstanten in kompetitiven Wasser/Methanol Lösungsmittelgemischen unter Ausnutzung von Intra-Rezeptor-Wechselwirkungen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die intrinsische Anionenaffinität von diesem Derivat größer ist als bei dem cyclischen Hexapeptid.
The present dissertation contains the theoretical studies performed on the topic of a high energy deposition in matter. The work focuses on electronic excitation and relaxation processes on ultrafast timescales. Energy deposition by means of intense ultrashort (femtosecond) laser pulses or by means of swift heavy ions irradiation have a certain similarities: the final observable material modifications result from a number of processes on different timescales. First, the electronic excitation by photoabsorption or by ion impact takes place on subfemtosecond timescales. Then these excited electrons propagate and redistribute their energy interacting among themselves and exciting secondary generations of electrons. This typically takes place on femtosecond timescales. On the order of tens to hundreds femtoseconds the excited electrons are usually thermalized. The energy exchange with the lattice atoms lasts up to tens of picoseconds. The lattice temperature can reach melting point; then the material cools down and recrystalizes, forming the final modified nanostructures, which are observed experimentally. The processes on each previous step form the initial conditions for the following step. Thus, to describe the final phase transition and formation of nanostructures, one has to start from the very beginning and follow through all the steps.
The present work focuses on the early stages of the energy dissipation after its deposition, taking place in the electronic subsystems of excited materials. Different models applicable for different excitation mechanisms will be presented: in the thesis I will start from the description of high energy excitation (electron energies of \(\sim\) keV), then I shall focus on excitations to intermediate energies of electrons (\(\sim\) 100 eV), and finally coming down to a few eV electron excitations (visible light). The results will be compared with experimental observations.
For the high energy material excitation assumed to be caused by irradiation with swift heavy ions, the classical Asymptotical Trajectory Monte-Carlo (ATMC) is applied to describe the excitation of electrons by the impact of the projectile, the initial kinetics of electrons, secondary electron creation and Auger-redistribution of holes. I first simulate the early stage (first tens of fs) of kinetics of the electronic subsystem (in silica target, SiO\(_2\)) in tracks of ions decelerated in the electronic stopping regime. It will be shown that the well pronounced front of excitation in the electronic and ionic subsystems is formed due to the propagation of electrons, which cannot be described by models based on diffusion mechanisms (e.g. parabolic equations of heat diffusion). On later timescales, the thermalization time of electrons can be estimated as a time when the particle- and the energy propagation turns from the ballistic to the diffusive one. As soon as the electrons are thermalized, one can apply the Two Temperature Model. It will be demonstrated how to combine the MC output with the two temperature model. The results of this combination demonstrate that secondary ionizations play a very important role for the track formation process, leading to energy stored in the hole subsystem. This energy storage causes a significant delay of heating and prolongs the timescales of lattice modifications up to tens of picoseconds.
For intermediate energies of excitation (XUV-VUV laser pulse excitation of materials) I applied the Monte-Carlo simulation, modified where necessary and extended in order to take into account the electronic band structure and Pauli's principle for electrons within the conduction band. I apply the new method for semiconductors and for metals on examples of solid silicon and aluminum, respectively.
It will be demonstrated that for the case of semiconductors the final kinetic energy of free electrons is much less than the total energy provided by the laser pulse, due to the energy spent to overcome ionization potentials. It was found that the final total number of electrons excited by a single photon is significantly less than \(\hbar \omega / E_{gap}\). The concept of an 'effective energy gap' is introduced for collective electronic excitation, which can be applied to estimate the free electron density after high-intensity VUV laser pulse irradiation.
For metals, experimentally observed spectra of emitted photons from irradiated aluminum can be explained well with our results. At the characteristic time of a photon emission due to radiative decay of \(L-\)shell hole (\(t < 60\) fs), the distribution function of the electrons is not yet fully thermalized. This distribution consists of two main branches: low energy distribution as a distorted Fermi-distribution, and a long high energy tail. Therefore, the experimentally observed spectra demonstrate two different branches of results: the one observed with \(L-\)shell radiation emission reflects the low energy distribution, the Bremsstrahlung spectra reflects high energy (nonthermalized) tail. The comparison with experiments demonstrated a good agreement of the calculated spectra with the experimentally observed ones.
For the irradiation of semiconductor with low energy photons (visible light), a statistical model named the "extended multiple rate equation" is proposed. Based on the earlier developed multiple rate equation, the model additionally includes the interaction of electrons with the phononic subsystem of the lattice and allows for the direct determination of the conditions for crystal damage. Our model effectively describes the dynamics of the electronic subsystem, dynamical changes in the optical properties, and lattice heating, and the results are in very good agreement with experimental measurements on the transient reflectivity and the fluence damage threshold of silicon irradiated with a femtosecond laser pulse.
For computational reasons, the spline interpolation of the Earth's gravitational potential is usually done in a spherical framework. In this work, however, we investigate a spline method with respect to the real Earth. We are concerned with developing the real Earth oriented strategies and methods for the Earth's gravitational potential determination. For this purpose we introduce the reproducing kernel Hilbert space of Newton potentials on and outside given regular surface with reproducing kernel defined as a Newton integral over it's interior. We first give an overview of thus far achieved results considering approximations on regular surfaces using surface potentials (Chapter 3). The main results are contained in the fourth chapter where we give a closer look to the Earth's gravitational potential, the Newton potentials and their characterization in the interior and the exterior space of the Earth. We also present the L2-decomposition for regions in R3 in terms of distributions, as a main strategy to impose the Hilbert space structure on the space of potentials on and outside a given regular surface. The properties of the Newton potential operator are investigated in relation to the closed subspace of harmonic density functions. After these preparations, in the fifth chapter we are able to construct the reproducing kernel Hilbert space of Newton potentials on and outside a regular surface. The spline formulation for the solution to interpolation problems, corresponding to a set of bounded linear functionals is given, and corresponding convergence theorems are proven. The spline formulation reflects the specifics of the Earth's surface, due to the representation of the reproducing kernel (of the solution space) as a Newton integral over the inner space of the Earth. Moreover, the approximating potential functions have the same domain of harmonicity as the actual Earth's gravitational potential, i.e., they are harmonic outside and continuous on the Earth's surface. This is a step forward in comparison to the spherical harmonic spline formulation involving functions harmonic down to the Runge sphere. The sixth chapter deals with the representation of the used kernel in the spherical case. It turns out that in the case of the spherical Earth, this kernel can be considered a kind of generalization to spherically oriented kernels, such as Abel-Poisson or the singularity kernel. We also investigate the existence of the closed expression of the kernel. However, at this point it remains to be unknown to us. So, in Chapter 7, we are led to consider certain discretization methods for integrals over regions in R3, in connection to theory of the multidimensional Euler summation formula for the Laplace operator. We discretize the Newton integral over the real Earth (representing the spline function) and give a priori estimates for approximate integration when using this discretization method. The last chapter summarizes our results and gives some directions for the future research.
Angesichts des anhaltenden demografischen, ökonomischen und gesellschaftlichen Wandels steht die Stadtplanung großen Herausforderungen gegenüber. Insbesondere die Reaktivierung und Revitalisierung der innerstädtischen Bereiche als den räumlichen, funk-tionalen und emotionalen Zentren der Städte bilden hierbei ein wesentliches Handlungsfeld. Neben den Auswirkungen auf den gesamten Planungsprozess beeinflussen die daraus resultierenden Handlungserfordernisse insbesondere den stadtplanerischen Entwurf im Sinne der Organisation räumlicher Strukturen und ihrer Wechselwirkungen. Aufgrund der hohen Komplexität der zu bewältigenden Aufgaben beim Entwerfen im innerstädtischen Kontext kommt hierbei den informationstechnischen Möglichkeiten der I&K-Technologien in Form von Visualisierungen und Simulationen große Bedeutung zu.
Vor dem Hintergrund der Herausforderungen des Entwerfens im innerstädtischen Kontext liegt das Ziel der Arbeit in der Erarbeitung von Ansätzen zur Qualifizierung des stadtpla-nerischen Entwurfsprozesses durch computerbasierte Visualisierungen und Simulationen. Hierbei gilt es zunächst, die gegebenen Rahmenbedingungen und Entwicklungstendenzen in den Innenstädten hinsichtlich der daraus resultierenden Handlungserfordernisse für das stadtplanerische Handeln zu untersuchen. Besagte Erfordernisse umfassen beispielsweise die Stärkung der Innenstädte als Wohnstandort, als Zentren des Handels, der Dienstleistung und der Kultur sowie als Bereiche hoher Dichte und Nutzungsmischung. Gleichzeitig gilt es, den Forderungen der integrierten Innenstadtentwicklung gerecht zu werden, in deren Rahmen ein tragfähiger stadtplanerischer Entwurf, unter Berücksichti-gung ganzheitlicher Strategien, zum raumverträglichen und zukunftsfähigen Ausgleich der unterschiedlichen Ansprüche und Interessen beitragen muss.
Bezogen auf die Möglichkeiten zur Unterstützung und Qualifizierung des Entwurfsprozes-ses durch Visualisierung raumbezogener Informationen und möglicher Entwicklungszu-stände steht neben der Analyse bestehender Techniken und Anwendungen die Ausei-nandersetzung mit einer Vielzahl technischer Neuerungen im Fokus. Diese technischen Neuerungen zeigen sich insbesondere in den Bereichen der GI-Systeme, der 3D-Stadtmodelle, der sog. ‚Neogeografie’ sowie der ‚Augmented Reality’ und ‚Virtual Reality’. Im Rahmen der Notwendigkeit zur Simulation dynamischer urbaner Prozesse bildet die Suche nach flexiblen, modular erweiterbaren Simulationsarchitekturen sowie die Möglich-keiten zur Simulation räumlicher und gesellschaftlicher Prozesse mittels automatenbasier-ter Modelle den Schwerpunkt.
Zusammenfassend erfordert der effektive und ökonomische Einsatz von Anwendungen der Visualisierung und Simulation die enge Verknüpfung und Abstimmung der gegebenen Einsatzmöglichkeiten mit den inhaltlichen und methodischen Anforderungen des stadtpla-nerischen Entwurfs.
Im Ergebnis werden zwei Ebenen zur Qualifizierung des innerstädtischen Entwurfspro-zesses durch Techniken und Anwendungen der Visualisierung und Simulation identifiziert und daraus Ansätze für neue Entwurfstools abgeleitet. Die erste Ebene beinhaltet die me-thodisch-inhaltliche Auseinandersetzung mit den Möglichkeiten zur Verknüpfung von Vi-sualisierungen und Simulationen mit den jeweiligen Stufen des stadtplanerischen Ent-wurfsprozesses sowie den dort zu leistenden Aufgaben. Die zweite Ebene bildet schließlich die Auseinandersetzung mit den Möglichkeiten zur zielgerichteten Weiterentwicklung und/ oder Synthese bestehender Techniken und Anwendungen.
Die Entwicklung eines neuartigen Therapiekonzeptes erfordert umfangreiche Prüfungen insbesondere für die Sicherheit der Anwendung am Menschen. Die Verwendung des apathogenen, onkoselektiven, replikationskompetenten Parvovirus H-1 (H-1PV) zur onkolytischen Virotherapie bei bösartigen Hirntumoren (Glioblastome) ist eine vielversprechende Alternative (oder Ergänzung) zu den bisherigen Therapien, wie Operation, Chemotherapie und Bestrahlung. In unserer Arbeitsgruppe konnte gezeigt werden, dass H-1PV in der Lage ist, nach einmaliger intratumoraler oder mehrfacher intravenöser Applikation im Rattengliom-Modell eine vollständige Regression des Tumors ohne pathologische Nebenwirkungen herbeizuführen. In Vorbereitung einer klinischen Studie Phase I/IIa mit H-1PV wurden in dieser Arbeit wichtige Aspekte dieser neuartigen Virotherapie untersucht:
1. Ausscheidung und Übertragung von H-1PV in vivo in der Ratte
Es konnte gezeigt werden, dass infektiöse Viren in Urin und Speichel unabhängig von der Applikationsart und der Anwesenheit eines Tumors ausgeschieden werden, was bedeutet, dass eine Übertragung von H-1PV durch Tröpfcheninfektion stattfinden könnte. In klinischen Studien muss daher geprüft werden, ob das Virus auch vom Menschen ebenso im Urin und Speichel ausgeschieden wird.
2. Intranasale Applikation von H-1PV zur Behandlung von Glioblastomen in der Ratte
Es konnte gezeigt werden, dass H-1PV auch nach intranasaler Applikation den Tumor erreicht, dort virale Proteine gebildet werden und in infizierten tumortragenden Tieren die Überlebenszeit signifikant verlängert werden konnte im Vergleich mit den nicht-infizierten Kontrolltieren. Diese Applikationsart wäre eine einfach durchzuführende Art der Anwendung, da sie keinen chirurgischen Eingriff am Gehirn erfordert.
3. Replikation von H-1PV in vivo im Rattenmodell
Durch die Fähigkeit von H-1PV in Tumorzellen repliziert zu werden, können nach einer einzigen Virusapplikation einer geringen Dosis initial nicht infizierte Zellen der Tumormasse infiziert und lysiert werden. In vivo im Rattengliom-Modell konnte gezeigt werden, dass H-1PV zunächst im ganzen Organismus verteilt wird, nach kurzer Zeit aber im Tumorgewebe angereichert und die Viruskonzentration dort länger aufrecht erhalten bleibt als bei Tieren ohne Tumor. Die Expression des viralen, zytotoxischen Proteins NS-1 war bei allen Applikationsarten auf das Tumorgebiet beschränkt. Die Daten sprechen für eine zumindest begrenzte Vermehrung von H-1PV im Tumorgewebe.
4. Adaptierung von H-1PV an humane Glioblastomzellen
H-1PV gehört zu der Gruppe der Nager-Parvoviren und wird daher in Rattentumorzellen effizienter vermehrt als in humanen Glioblastomzellen. In dieser Arbeit wurden durch Passagieren an eine humane Glioblastomzelllinie adaptierte virale Einzelklone von H-1PV in verschiedenen humanen Glioblastomzellen charakterisiert. Alle Klone konnten sich stärker in diesen vermehren und diese effizienter lysieren. In vivo führte einer der Klone zu einem signifikant langsameren Tumorwachstum und verlängerter Überlebenszeit der Tiere im Vergleich zum Wildtyp. Bei der Analyse der genetischen Mutationen der Klone konnten verschiedene Alterationen detektiert werden, wobei sich die Mutationsgeschwindigkeit von H-1PV als eher gering erwies, was für eine sichere Anwendung von H-1PV beim Menschen ein Vorteil ist. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Onkoselektivität von H-1PV durch die Adaptierung nicht verloren ging, was bedeutet, dass auch die adaptierten viralen Klone weiterhin apathogen für nicht transformierte Zellen sind.
Die Ergebnisse dieser Arbeit leisten einen Beitrag zur Erprobung von H-1PV im Hinblick auf die klinische Anwendung im Menschen. H-1PV erwies sich als einfach zu applizierendes, in vivo replikationskompetentes, sicheres und anpassungsfähiges Virus für die onkolytische Virotherapie von Gliomen beim Menschen. Dass H-1PV seine Onkoselektivität durch Adaptation an humane Gliomzellen nicht einbüßte, eröffnet die Möglichkeit das Virus an weitere Krebsentitäten anzupassen und auch dort zur onkolytischen Therapie einzusetzen.
TRP-Proteine sind integrale Membranproteine, die Untereinheiten von Kationenkanälen bilden, die z.B. an der Schmerz und Temperaturwahrnehmung, der Absorption von Mg2+ und Ca2+ im Darm und in der Niere oder für die Freisetzung von Entzündungsmediatoren in Immunzellen verantwortlich sind.
Das in der vorliegenden Arbeit untersuchte TRPV6-Protein stellt einen hochselektiven Ca2+¬-Kanal dar, der für den tranzellulären Ca2+-Transport in Endothelzellen des Dünndarms und der Plazenta verantwortlich ist und für den bisher noch kein hochaffiner Agonist bekannt ist. Das niedrig exprimierte, integrale Membranprotein konnte ich erstmal im Rahmen meiner Diplomarbeit aus humaner Plazenta zusammen mit Annexin A2 und Cyclophilin B (CyPB) anreichern. Diese putative Interaktion zwischen dem Ionenkanal und CyPB wird im Rahmen meiner Doktorarbeit mit Coimmunpräzipitation, Saccharosedichtegradientenzentrifugation, Peptidblotanalyse und GST-Pulldown-Analysen untersucht. Hierbei kann die TRPV6-CyPB-Interaktion in Immunpräzipitationen mit unabhängigen Antikörpern bestätigt werden. Die Ergebnisse der Dichtegradientenzentrifugation belegen die Existenz von TRPV6-Multimeren bzw. von TRPV6 enthaltenden Multiproteinkomplexen. Unter diesen Bedingungen ist allerdings keine CyPB-Assoziation mit dem TRPV6-Protein festzustellen. Das Einengen der Bindestelle von CyPB im TRPV6-Protein mittels Peptidblot- und GST-Pulldown-Analyse führt zur der potentiellen Bindungsstelle mit der minimalen Aminosäuresequenz Y66EDCKV71.
Meine Ergebnisse waren Ausgangspunkt für die funktionelle Charakterisierung der TRPV6-CyPB-Interaktion in Xenopus laevis Oozyten, die zeigt, dass CyPB den Ionenkanal aktiviert. Die Bindung zwischen beiden Proteinen ist offenbar wenig affin und scheint nur unter den gegebenen Solubilisierungsbedingungen nachweisbar.
Zur Erhaltung möglicher kalziumabhängiger Proteinbindungen wird die zuvor benutzte mehrstufige TRPV6-Affinitätschromatographie, bestehend aus einer CaM- und einer TRPV6-Antikörpersäule, durch eine einstufige Affinitätsreinigung ersetzt. Zur Solubilisierung und Isolierung des TRPV6-enthaltenden Proteinkomplexes eignen sich hierbei insbesondere die nichtionischen Detergenzien Dodecyl-β-D-maltosid (DDM) und Digitonin.
Zur Auftrennung und Untersuchung der isolierten TRPV6-Proteinkomplexe kann weiterhin eine zweidimensionale Blue Native-Gelelektrophorese (BN-PAGE) etabliert und die daraus isolierten Proteine massenspektrometrisch analysiert werden. Für die Auftrennung der TRPV6-Proteinkomplexe in der BN-PAGE eigenen sich ebenfalls am besten die nichtionischen Detergenzien DDM und Digitonin. Das TRPV6-Protein wird nach der nativen BN-PAGE als Bestandteil eines oder mehrerer Proteinkomplexe mit einem Molekulargewicht von 440 - 670 kDa detektiert.
Abschließend wird die Übertragbarkeit der für TRPV6 etablierten Vorgehensweise zur Isolierung von Membranproteinkomplexen auf andere TRP-Kanalproteine in verschiedenen Geweben gezeigt. So kann TRPV6 aus Mausplazenta und das TRPC6-Membranprotein aus murinen Mastzellen und Mauslungengewebe mittels Coimmunpräzipitation und Affinitätschromatographie isoliert und spezifisch detektiert werden.
Demographischer Wandel und Daseinsvorsorge - Auswirkungen kommunaler Angebote auf die Wohnortwahl
(2011)
Mit dem demographischen Wandel ist innerhalb der nächsten Jahrzehnte ein zunehmender Rückgang der Bevölkerungszahl bei gleichzeitigem Ansteigen des Durchschnittsalters der Gesamtbevölkerung verbunden. Insbesondere der Rückgang der Bevölkerungszahl wird sich v.a. aufgrund von Migrationsbewegungen regional mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und Intensität vollziehen. Bei einer sich wandelnden Bevölkerungsstruktur und einem ansteigenden Durchschnittsalter verändern sich auch die Anforderungen an die infrastrukturelle Ausstattung. Dies liegt auf der Hand: So benötigt eine alternde Bevölkerung mehr seniorengerechte Einrichtungen, dafür aber weniger Kindergärten und Schulen. Gleichzeitig bedeutet der Rückgang der Bevölkerungszahl eine niedrigere Auslastung und damit eine geringere Tragfähigkeit jeglicher Infrastrukturen. Kostensteigerungen sind zur Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit damit nahezu unumgänglich. Es wird infolgedessen zukünftig verstärkt zu einem Wettbewerb der Kommunen um Einwohner (= Infrastrukturnutzer) kommen. Dabei dürften Familien mit Kindern eine besondere Schlüsselposition einnehmen. Häufig wird – insbesondere aus kommunalpolitischer Sicht – befürchtet, dass gerade diese Bevölkerungsgruppen nicht mehr zuziehen und sogar fortziehen würden, sobald Kindergärten und Schulen aufgrund sinkender Auslastungszahlen geschlossen werden müssen.
Vor diesem Hintergrund klärt die vorliegende Arbeit die Frage, ob örtlich betrachtet ein Zusammenhang zwischen der Breite und Qualität der vorgehaltenen Leistungen öffentlicher Daseinsvorsorge einerseits und der Migrationsbilanz andererseits besteht. In der Arbeit wird darüber hinaus analysiert, inwiefern sich Zuziehende bereits zum Zeitpunkt des Zuzugs mit der heutigen Infrastrukturausstattung ihres Wohnorts auseinandersetzen und ob die Zukunftsfähigkeit der gegenwärtig vorhandenen Daseinsvorsorgeangebote bei der Wohnortwahl vor dem Hintergrund der demographischen Situation eine zentrale Rolle bei dieser Entscheidung spielt.
Als Untersuchungsraum wurde die Region Westmittelfranken in Bayern gewählt. Einerseits wird für Westmittelfranken in den Bevölkerungsprognosen eine quantitativ rückläufige Entwicklung prognostiziert (Geburtendefizit wird durch Zuwanderung nicht ausgeglichen) und andererseits kann hier aufgrund der bayernweit niedrigsten Bevölkerungsdichte die öffentliche Hand bei der Bereitstellung von zentral vorgehaltener Punktinfrastruktur aus Erreichbarkeitserwägungen heraus weit weniger flexibel auf Verschiebungen in der Altersstruktur reagieren als sie dazu in einem Ballungsraum in der Lage wäre. Mittels der Auswertung einer empirischen Befragung Zugezogener ist eine Aussage darüber möglich, inwiefern Aspekte der demographischen Struktur und Entwicklung in der Zuzugsgemeinde, der Ausstattung mit Einrichtungen der Daseinsvorsorge sowie deren Zukunftsfähigkeit eine Basis für die individuelle Entscheidung zum Zuzug boten und inwiefern bei potenziellen Schließungen von Infrastruktureinrichtungen tatsächlich der befürchtete »Exodus« in Form von Fortzügen droht.
Abschließend sind die gewonnenen Erkenntnisse zur Formulierung von Handlungsempfehlungen für die Raumordnung, Regional- und Kommunalentwicklung auf Landes-, Regions- und kommunaler Ebene herangezogen.
Die Entwicklung ländlicher strukturschwacher Regionen wird von unterschiedlichen Rahmenbedingungen und Herausforderungen beeinflusst. Eine der zentralen Herausforderungen bildet hierbei die Europäische Integration. Obwohl die Kompetenz für Raumordnung nach wie vor in erster Linie bei der nationalen Ebene liegt, entfaltet die EU über ihre Strukturpolitik, ihre raumwirksamen Fachpolitiken und die ihr zugewiesenen Kompetenzen in anderen Bereichen eine zunehmende Bedeutung für die Entwicklung ländlicher strukturschwacher Regionen.
Anhand der im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten Analysen wird dabei deutlich, dass die EU-Strukturpolitik die Regionalentwicklung, insbesondere im Bereich des Tourismus, auf vielfältige Weise sowohl direkt als auch indirekt beeinflusst. Dies vor allem in finanzieller Hinsicht durch die Finanzierung nahezu aller touristischen Projekte in der Region Westpfalz, sowie in konzeptioneller Hinsicht durch die Systematik der Programmplanung und des damit verbundenen Mehrwertes. Dabei werden die regionalen Akteure bei der Aufstellung von Entwicklungsstrategien (bspw. im Rahmen des LEADER-Ansatzes) zu einer intensiven Auseinandersetzung mit den spezifischen Stärken, Schwächen, Entwicklungsperspektiven und Entwicklungshemmnissen der Region geführt. Daher kann die EU-Strukturpolitik letztlich als wichtigste Finanzierungsquelle bei der Realisierung touristischer Projekte angesehen werden, zudem als wesentlicher Impulsgeber für deren Entwicklung und Gestaltung. Durch das Wissen um die Förderfähigkeit touristischer Projekte innerhalb der EU-Strukturpolitik wird schließlich die Motivation der regionalen Akteure gesteigert. Aufgrund dieser Erkenntnisse kann der Einfluss der EU-Strukturpolitik auf die Entwicklung des Tourismus als bedeutend und hoch bewertet werden.
Neben der Erfassung des Einflusses sollen darüber hinaus innerhalb dieser Dissertation Problemfelder und künftige Herausforderungen bei der Umsetzung der EU-Strukturpolitik in ländlichen strukturschwachen Regionen aufgezeigt werden. Dabei wird die Finanzschwäche der öffentlichen Haushalte, die gerade in strukturschwachen Regionen besonders ausgeprägt ist, und die damit verbundenen Probleme bei der Sicherstellung des nationalen Finanzierungsanteils als zentrales Umsetzungsproblem sichtbar. Ebenso stellen in diesem Zusammenhang der gesteigerte Wettbewerb um die zur Verfügung stehenden Strukturmittel, das zunehmende Spannungsverhältnis zwischen Ausgleichs- und Wachstumsziel, teilweise zu enge inhaltlich-konzeptionelle Vorgaben seitens der EU-Kommission, sowie der hohe verwaltungstechnische Aufwand weitere Problemfelder bei der Umsetzung der EU-Strukturpolitik dar.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen werden abschließend am Beispiel des Untersuchungsraumes konzeptionelle Ansätze zur Weiterentwicklung der EU-Strukturpolitik in ländlichen strukturschwachen Regionen formuliert. Dabei werden einige zentrale Prioritäten sichtbar, deren Umsetzung zur Steigerung der Effizienz von strukturpolitischen Maßnahmen beitragen kann. In diesem Zusammenhang ist insbesondere eine konsequente Regionalisierung innerhalb der EU-Strukturpolitik anzustreben, so dass letztlich die Region als Träger der EU-Strukturpolitik anzusehen ist. Weiterhin ist an dieser Stelle eine klare Aufgaben- und Kompetenzverteilung zwischen den verschiedenen Handlungs- und Gestaltungsebenen notwendig, dies vor allem in Hinblick auf die zentrale Zielsetzung der europäischen Strukturpolitik, des Abbaus von Disparitäten innerhalb der EU. Schließlich ist eine Reform der Fördermittelvergabe unabdingbar, damit künftig sowohl wachstumsstarke, als auch strukturschwache und sog. "Übergangsregionen" durch die EU-Strukturpolitik gleichermaßen berücksichtigt werden können, und somit ein Beitrag zum politischen, sozialen und wirtschaftlichen Zusammenhalt in Europa geleistet werden kann.
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der strukturellen Untersuchung von photochemisch reaktiven Molekülen. Hierzu wurden verschiedene kombinierte IR/UV-Techniken in Molekularstrahlexperimenten verwendet.
Es wurde 3-Hydroxyflavon mit zwei angelagerten Wassermolekülen, 3-Hydroxychromon und als metallorganische Verbindung Bis(benzol)chrom im elektronisch angeregten Zustand untersucht. Mit 7-Hydroxy-4-methylcoumarin stand auch ein mikrosolvatisiertes, photochemisch aktives System im elektronischen Grundzustand im Fokus.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue spektroskopische Methode entwickelt, welche die isomerenselektive Messung des IR-Spektrums im elektronisch angeregten Zustand ermöglicht. Diese Quadrupelresonanztechnik wird angewendet, sollte es durch isoenergetische Anregungsenergien zum Verlust der Isomerenselektivität der R2PI-Methode kommen.
Durch Anwendung einer IR/IR-Lochbrennmethode für den elektronischen Grundzustand sowie der neuen Quadrupelresonanztechnik für den elektronisch angeregten Zustand an 3-Hydroxyflavon mit zwei angelagerten Wassermolekülen, konnte erstmals der experimentelle Beweis erbracht werden, dass es im Molekularstrahlexperiment zur Anregung und Ionisation der beiden stabilsten Isomere kommt. Desweiteren wurden für die untersuchten elektronischen Zustände sowohl die IR-Banden zugeordnet als auch eine eindeutige strukturelle Zuordnung der Isomere getroffen.
Die Studien zu 3-Hydroxychromon belegen im Vergleich mit (TD-)DFT-Rechnungen, dass es nach elektronischer Anregung zu einer Protonentransferreaktion kommt. Es konnten direkte strukturelle Informationen des Monomers sowie der protonentransferierten Struktur gewonnen werden.
Mit den spektroskopischen Untersuchungen an Bis(benzol)chrom wurde gezeigt, dass sich die massen- und isomerenselektiven Methoden auch auf die Substanzklasse der metallorganischen Verbindungen anwenden lassen. Es gelang erstmals, direkte strukturelle Informationen von Organometallverbindungen im elektronischen Grundzustand als auch nach photochemischer Anregung mittels kombinierter IR/UV-Techniken zu gewinnen. Somit ist eine strukturelle Untersuchung von katalytisch aktiven Organometallverbindungen im elektronischen Grundzustand, wie auch nach photochemischer Anregung, möglich.
Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Untersuchung von Mikrosolvatationseffekten. Hierzu wurden Wassercluster von 7-Hydroxy-4-methylcoumarin mit vier bis sechs schrittweise angelagerten Solvatmolekülen im elektronischen Grundzustand analysiert. Mithilfe von DFT-basierten Rechnungen wurden für jede Clustergröße verschiedene Bindungsmotive diskutiert und eine mögliche strukturelle Zuordnung getroffen.
Numerical Algorithms in Algebraic Geometry with Implementation in Computer Algebra System SINGULAR
(2011)
Polynomial systems arise in many applications: robotics, kinematics, chemical kinetics,
computer vision, truss design, geometric modeling, and many others. Many polynomial
systems have solutions sets, called algebraic varieties, having several irreducible
components. A fundamental problem of the numerical algebraic geometry is to decompose
such an algebraic variety into its irreducible components. The witness point sets are
the natural numerical data structure to encode irreducible algebraic varieties.
Sommese, Verschelde and Wampler represented the irreducible algebraic decomposition of
an affine algebraic variety \(X\) as a union of finite disjoint sets \(\cup_{i=0}^{d}W_i=\cup_{i=0}^{d}\left(\cup_{j=1}^{d_i}W_{ij}\right)\) called numerical irreducible decomposition. The \(W_i\) correspond to the pure i-dimensional components, and the \(W_{ij}\) represent the i-dimensional irreducible components. The numerical irreducible decomposition is implemented in BERTINI.
We modify this concept using partially Gröbner bases, triangular sets, local dimension, and
the so-called zero sum relation. We present in the second chapter the corresponding
algorithms and their implementations in SINGULAR. We give some examples and timings,
which show that the modified algorithms are more efficient if the number of variables is not
too large. For a large number of variables BERTINI is more efficient.
Leykin presented an algorithm to compute the embedded components of an algebraic variety
based on the concept of the deflation of an algebraic variety.
Depending on the modified algorithm mentioned above, we will present in the third chapter an
algorithm and its implementation in SINGULAR to compute the embedded components.
The irreducible decomposition of algebraic varieties allows us to formulate in the fourth
chapter some numerical algebraic algorithms.
In the last chapter we present two SINGULAR libraries. The first library is used to compute
the numerical irreducible decomposition and the embedded components of an algebraic variety.
The second library contains the procedures of the algorithms in the last Chapter to test
inclusion, equality of two algebraic varieties, to compute the degree of a pure i-dimensional
component, and the local dimension.