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Book Synopsis2D Functional Nanomaterials Outlines the latest developments in 2D heterojunction nanomaterials with energy conversion applications In 2D Functional Nanomaterials: Synthesis, Characterization, and Applications, Dr. Ganesh S. Kamble presents an authoritative overview of the most recent progress in the rational design and synthesis of 2D nanomaterials and their applications in semiconducting catalysts, biosensors, electrolysis, batteries, and solar cells. This interdisciplinary volume is a valuable resource for materials scientists, electrical engineers, nanoscientists, and solid-state physicists looking for up-to-date information on 2D heterojunction nanomaterials. The text summarizes the scientific contributions of international experts in the fabrication and application of 2D nanomaterials while discussing the importance and impact of 2D nanomaterials on future economic growth, novel manufacturing processes, and innovative products. Provides thorough coverage of graphene chemical derivatives synthesis and applications, including state-of-the-art developments and perspectives Describes 2D/2D graphene oxide-layered double hydroxide nanocomposites for immobilization of different radionuclides Covers 2D nanomaterials for biomedical applications and novel 2D nanomaterials for next-generation photodetectors Discusses applications of 2D nanomaterials for cancer therapy and recent trends ingraphene-latex nanocomposites Perfect for materials scientists, inorganic chemists, and electronics engineers, 2D Functional Nanomaterials: Synthesis, Characterization, and Applications is also an essential resource for solid-state physicists seeking accurate information on recent progress in two-dimensional heterojunction materials with energy conversion applications.Table of ContentsForeword xvii Preface xxi 1 Graphene Chemical Derivatives Synthesis and Applications: State-of-the-Art and Perspectives 1 Maxim K. Rabchinskii, Maksim V. Gudkov, and Dina Yu. Stolyarova 1.1 Introduction 1 1.2 Graphene Oxide: Synthesis Methods and Chemistry Alteration 3 1.3 Graphene Oxide Reduction and Functionalization 6 1.4 Applications of CMGs 13 1.5 Concluding Remarks 15 Acknowledgments 15 References 16 2 2D/2D Graphene Oxide-Layered Double Hydroxide Nanocomposite for the Immobilization of Different Radionuclides 21 Paulmanickam Koilraj and Keiko Sasaki 2.1 Introduction 21 2.2 Synthesis of GO/LDH Composite 22 2.2.1 Co-precipitation 22 2.2.2 Hydrothermal Preparation 23 2.2.3 Self-Assembly of LDH Nanosheets with GO Nanosheets 24 2.3 Removal of Radionuclides 24 2.3.1 U(VI) Removal 24 2.3.2 Sorption of Eu(III) with the Presence of GO on LDH 25 2.3.3 Co-remediation Anionic SeO42− and Cationic Sr2+ 26 2.4 Conclusion 29 References 29 3 2D Nanomaterials for Biomedical Applications 31 Poliraju Kalluru and Raviraj Vankayala 3.1 Introduction 31 3.1.1 Photothermal and Photodynamic Therapy 31 3.1.2 Bioimaging and Drug/Gene Delivery 34 3.1.3 Biosensors 37 3.1.4 Antibacterial Activity 39 3.1.5 Tissue Engineering and Regenerative Medicine 41 3.2 Conclusions 43 References 43 4 Novel Two-Dimensional Nanomaterials for Next-Generation Photodetectors 47 Khurelbaatar Zagarzusem and Zumuukhorol Munkhsaikhan 4.1 Introduction 47 4.2 2D Materials for PDs 49 4.2.1 Graphene 49 4.2.2 TMDs (Transition Metal Dichalcogenides) 49 4.2.3 MXenes (2D Transition Metal Carbides/Nitrides) 50 4.2.4 Xenes (Monoelemental 2D Materials) 50 4.3 The Physical Mechanism Enabling Photodetection 50 4.4 Characterization Parameters for Photodetectors 51 4.4.1 Responsivity 51 4.4.2 Detectivity 52 4.4.3 External Quantum Efficiency 52 4.4.4 Gain 52 4.4.5 Response Time 52 4.4.6 Noise Equivalent Power 52 4.5 Synthesis Methods for 2D Materials 53 4.5.1 Mechanical Exfoliation 53 4.5.2 Liquid Exfoliation 53 4.5.3 Chemical Vapor Deposition (CVD) 53 4.6 Photodetectors Based on 2D Materials 55 4.6.1 Photodetectors Based on Graphene 55 4.6.2 Photodetectors Based on MoS2 55 4.6.3 Photodetectors Based on BP 55 4.7 Photodetectors Based on 2D Heterostructures 56 4.8 Conclusions and Outlook 58 References 58 5 2D Nanomaterials for Cancer Therapy 63 Naresh Kuthala 5.1 Introduction 63 5.2 2D Nanomaterials for Cancer Therapy 64 5.2.1 2D Nanomaterials for Combination PTT with PDT 64 5.2.2 2D-Nanomaterials for Combination PTT Therapy with Radiotherapy (RT) 68 5.2.3 2D Nanomaterials for Combination PTT Therapy with Sonodynamic Therapy (SDT) 70 5.2.4 2D Nanomaterials for Combination PTT Therapy with Immune Therapy (ImT) 73 5.3 Summary and Future Perspectives 76 References 76 6 Graphene and Its Derivatives – Synthesis and Applications 81 Amer Al-Nafiey 6.1 Introduction 81 6.2 Graphite 81 6.2.1 Define 81 6.2.2 Synthetic Graphite 82 6.2.3 Characterized and Properties of Graphite 82 6.2.3.1 Structure 82 6.2.4 Applications 84 6.3 Graphene Oxide 84 6.3.1 Define 84 6.3.2 Synthetic of Graphene Oxide 84 6.3.3 Characterized and Properties of Graphene Oxide 84 6.3.3.1 Structure 84 6.3.3.2 Properties of Graphene Oxide 87 6.3.3.3 Applications of Graphene Oxide 88 6.3.3.4 Few Examples 88 6.4 Reduced Graphene Oxide 89 6.4.1 Define 89 6.4.2 Synthetic of Reduced Graphene Oxide or Reduction of Graphene Oxide 89 6.4.2.1 Thermal Reduction of GO 90 6.4.2.2 Photocatalytic Method 94 6.4.2.3 Electrochemical Method 95 6.4.2.4 Other Methods 95 6.4.3 Characterized, Structure, and Properties of Reduced Graphene Oxide 95 6.4.3.1 Structure 96 6.4.3.2 Properties and Applications of Reduced Graphene Oxide 97 6.5 Graphene 98 6.5.1 Define 98 6.5.2 Synthesis of Graphene 98 6.5.2.1 Chemical Vapor Deposition (CVD) 101 6.5.2.2 Epitaxial Growth 102 6.5.2.3 Mechanical Exfoliation 104 6.5.2.4 Chemical Reduction of Graphene Oxide (GO) 105 6.5.3 Characterized, Structure, and Properties of Graphene 105 6.5.3.1 Surface Properties 105 6.5.3.2 Electronic Properties 105 6.5.3.3 Optical Properties 106 6.5.3.4 Mechanical Properties 107 6.5.3.5 Thermal Properties 107 6.5.3.6 Photocatalytic Properties 108 6.5.3.7 Magnetic Properties 109 6.5.3.8 Characterizations of Graphene 109 6.5.3.9 Morphology (SEM, TEM, and AFM) 109 6.5.3.10 Raman Spectroscopy 111 6.5.3.11 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 111 6.5.3.12 UV–Visible Spectroscopy 112 6.5.3.13 X-ray Diffraction (XRD) 114 6.5.3.14 Thermogravimetric Analysis (TGA) 114 6.5.3.15 FTIR Spectroscopy 115 6.5.4 Application of Graphene 116 References 116 7 Recent Trends in Graphene – Latex Nanocomposites 125 Anand Krishnamoorthy 7.1 Introduction 125 7.2 Polymer Lattices – An Overview 125 7.3 Graphene – Background 127 7.4 Preparation and Functionalization of Graphene 128 7.5 Graphene – Latex Nanocomposites: Preparation Properties and Applications 129 7.6 Conclusions 137 References 138 8 Advanced Characterization and Techniques 141 Raja Murugesan 8.1 Introduction 141 8.2 Characterization Techniques 141 8.2.1 Optical Techniques – Dynamic Light Scattering (DLS) 141 8.2.2 Optical Spectroscopy 144 8.2.3 NMR-Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 145 8.2.4 Infrared Spectroscopy (IR) and Raman Spectroscopy 145 8.2.5 X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 146 8.2.6 Characterization Based on Interactions with Electrons or Electron Microscopy (EM) 147 8.2.6.1 Scanning Electron Microscopy (SEM) 147 8.2.6.2 Transmission Electron Microscopy (TEM) 149 8.2.6.3 Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) 150 8.2.6.4 Scanning Tunneling Microscopy (STM) 151 8.2.7 Atomic Force Microscopy (AFM) 151 8.2.8 Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) 152 8.2.9 X-Ray-Based Techniques 152 References 154 9 2D Nanomaterials: Sustainable Materials for Cancer Therapy Applications 157 Mamta Chahar and Sarita Khaturia 9.1 Introduction 157 9.2 Types of 2D Nanomaterials 158 9.3 Methods for the Synthesis of 2D Nanomaterials 160 9.4 Mechanism of Cancer Theranostics 162 9.5 Applications of 2D Nanomaterials 163 9.6 Conclusion 163 References 169 10 Recent Advances in Functional 2D Materials for Field Effect Transistors and Nonvolatile Resistive Memories 175 Adnan Younis, Jawad Alsaei, Basma Al-Najar, Hacene Manaa, Pranay Rajan, El Hadi S. Sadki, Aicha Loucif, and Shama Sehar 10.1 Introduction to 2D Materials 175 10.2 Electronic Band Structure in 2D Materials 176 10.3 Electronic Transport Properties of 2D Materials 178 10.4 Two-Dimensional Materials in Field Effect Transistors 180 10.4.1 Field Effect Transistors 180 10.4.2 The Rise of 2D Materials Research in FETs 180 10.4.3 Graphene-Based Field Effect Transistors 181 10.4.4 2D Transition Metal Dichalcogenides (TMDCs) in Transistors 183 10.5 Two-Dimensional Materials as Nonvolatile Resistive Memories 184 10.5.1 Nonvolatile Resistive Memories Based on Graphene and Its Derivatives 185 10.5.2 Resistive Switching Memories in 2D Materials “Beyond” Graphene 187 10.5.2.1 Solution-Processed MoS2-Based Resistive Memories 187 10.5.2.2 Solution-Processed Black Phosphorous Nonvolatile Resistive Memories 188 10.5.2.3 Emerging NVM Based on Hexagonal Boron Nitride (h-BN) 188 10.6 Conclusions and Outlook 189 References 190 11 2D Advanced Functional Nanomaterials for Cancer Therapy 199 Raj Kumar, Naveen Bunekar, Sunil Dutt, Pulikanti G. Reddy, Abhishek K. Gupta, Keshaw R. Aadil, Vivek K. Mishra, Shivendra Singh, and Chandrani Sarkar 11.1 Introduction 199 11.2 2D Nanomaterials Classification 202 11.2.1 Graphene Family Nanomaterials 202 11.2.2 Transition Metal Dichalcogenides (TMDs) 203 11.2.3 Layered Double Hydroxides (LDHs) 205 11.2.4 Carbonitrides (MXenes) 206 11.2.5 Black Phosphorus (BP) 206 11.3 Cancer Therapy 208 11.3.1 Mechanism of Action in Cancer Therapy 212 11.3.1.1 Mode of Action of 2D Nanomaterials 212 11.3.2 Photodynamic Therapy for Cancer Cell Treatment 215 11.3.2.1 Mechanism of Photodynamic Therapy 215 11.3.2.2 2D Nanomaterials as Photosensitizer for PDT 217 11.3.2.3 Application of 2D Nanomaterials in Photodynamic Therapy 217 11.3.3 2D Nanomaterials-Cancer Detection/Diagnosis/Theragnostic 218 11.4 Tissue Engineering 219 11.5 Conclusion 220 Acknowledgment 221 References 221 12 Synthesis of Nanostructured Materials Via Green and Sol–Gel Methods: A Review 235 Ankit S. Bartwal, Rahul Thakur, Sumit Ringwal, and Satish C. Sati 12.1 Introduction 235 12.2 Methods Used in Nanostructured Synthesis 236 12.2.1 Green Method of Nanoparticles Synthesis 236 12.2.2 Sol–Gel Method of Nanoparticles Synthesis 236 12.2.3 Green Method of Nanocomposites Synthesis 241 12.2.4 Sol–Gel Method of Nanocomposites 241 12.3 Discussion 241 12.4 Conclusion 244 References 244 13 Study of Antimicrobial Activity of ZnO Nanoparticles Using Leaves Extract of Ficus auriculata Based on Green Chemistry Principles 249 Gurpreet Kour, Ankit S. Bartwal, and Satish C. Sati 13.1 Introduction 249 13.2 Materials and Methods 250 13.2.1 Chemicals 250 13.2.2 Methodology 250 13.2.3 Antimicrobial Activity 251 13.3 Results and Discussion 251 13.3.1 Characterization of Synthesized Zinc-Oxide Nanoparticles (ZnONPs) 251 13.3.1.1 XRD Analysis 251 13.3.1.2 FT-IR Analysis 252 13.3.1.3 SEM Analysis 254 13.3.1.4 TEM Analysis 254 13.3.2 Antibacterial Activity 254 13.4 Conclusion 255 Acknowledgments 255 References 255 14 Piezoelectric Properties of Na1−xKxNbO3 near x = 0.475, Morphotropic Phase Region 257 Surendra Singh and Narayan S. Panwar 14.1 Introduction 257 14.2 Experimental Procedure 259 14.3 Results and Discussion 260 References 262 15 Synthesis and Characterization of SDC Nano-Powder for IT-SOFC Applications 265 Bharati B. Patil 15.1 Introduction 265 15.1.1 Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) 265 15.1.2 Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells (IT-SOFCs) 266 15.1.3 Why Samarium-Doped Ceria (SDC) Material? 266 15.1.4 Various Synthesis Methods for SDC 267 15.1.5 Why SDC Synthesis by Combustion Process? 268 15.1.6 Why SDC Synthesis by Glycine Nitrate Combustion Process (GNP)? 268 15.1.7 Applications of SDC Material Related to Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells 269 15.1.7.1 Applications of SDC as SOFC Electrolyte 269 15.1.7.2 Applications of SDC to Make Composite Anode 269 15.1.7.3 Applications of SDC to Make Composite Cathode 270 15.1.7.4 Applications of SDC as an Interlayer 270 15.1.7.5 Applications of SDC as an Additional Anode Layer 270 15.2 Experimental 270 15.2.1 Powder Synthesis 270 15.2.2 Powder Characterization 271 15.3 Results and Discussion 272 15.3.1 TG-DTG Study 272 15.3.2 XRD Analysis 272 15.3.3 Powder Microstructure 276 15.3.3.1 SEM Analysis 276 15.3.3.2 TEM Analysis 277 15.3.3.3 EDAX Analysis 277 15.3.3.4 BET Analysis 278 15.3.4 Electrical Properties 278 15.4 Conclusions 281 Acknowledgments 281 References 282 16 Introduction of 2D Nanomaterials and Their Photocatalytic Applications 285 Kallappa Ramchandra Sanadi 16.1 Introduction 285 16.2 Definitions of Nanomaterials 286 16.3 History of Nanotechnology 286 16.3.1 Top-down Approach 286 16.3.2 Bottom-up Approach 286 16.4 Classification of Nanomaterials 286 16.4.1 Zero-Dimensional (0-D) 287 16.4.2 One-Dimensional (1-D) 287 16.4.3 Three-Dimensional (3-D) 287 16.4.4 Two-Dimensional (2-D) 287 16.4.4.1 Synthetic Methods 288 16.5 Characterization Techniques for 2D Nanomaterials 290 16.6 Applications of 2D Nanomaterials 291 16.7 Photocatalytic Application 291 16.7.1 Why Photocatalyst? 291 16.7.2 Brief History of Photocatalysis 292 16.7.3 Principles of Heterogeneous Photocatalysis 292 16.7.4 Photocatalytic Study of 2D Nanomaterials 293 16.7.5 Challenges Behind 2D Nanomaterials as a Photocatalyst 294 References 294 17 Graphene and Its Analogous 2D-Layered Materials for Flexible Persistent Energy Storage Devices in Consumer Electronics 297 Himadri Tanaya Das, K. Hariprasad, and T. E. Balaji 17.1 Introduction 297 17.2 Brief Sketch of the Types of SC and Its Working Mechanism 298 17.3 Evolution of Electrode Materials for Flexible Supercapacitors 300 17.4 Developing Graphene Electrodes with Different Nanocomposites 304 17.4.1 Other Carbon-Based Nanomaterials with Graphene 304 17.4.2 Using Organic Composites with Graphene 306 17.4.3 Conductive Polymer with Graphene 306 17.4.4 Combining Graphene with Other Metal Oxides/Hydroxides 308 17.4.5 Combining Graphene with Other 2D-Layered Materials 308 17.5 Novel Technologies to Develop Flexible Graphene-Based Supercapacitors 310 17.6 Conclusion 311 17.7 Future Aspects 313 References 313 18 2D Dichalcogenides 317 Ram S. Singh, Varun Rai, and Arun K. Singh 18.1 Introduction 317 18.1.1 What Are 2D Dichalcogenides? 317 18.1.2 Properties 318 18.2 Methods of Synthesis 321 18.2.1 Top-Down Method 321 18.2.1.1 Micromechanical Exfoliation 321 18.2.1.2 Liquid Exfoliation 322 18.2.1.3 Chemical Intercalation and Exfoliation 322 18.2.1.4 Electrochemical Exfoliation 322 18.2.1.5 Thinning by Thermal Annealing, Laser, and Chemical Etching 323 18.2.2 Bottom-Up Method 323 18.2.2.1 Chemical Vapor Deposition 323 18.2.2.2 Solvo-Thermal 324 18.2.2.3 Molecular Beam Epitaxy 325 18.3 Modification of Properties 325 18.4 Applications 327 18.4.1 Optoelectronics 327 18.4.2 Sensors 329 18.4.3 Spintronics 329 18.4.4 Photocatalysis 329 18.4.5 Biomedical Applications 330 18.5 Conclusion 330 Acknowledgment 330 References 331 19 Recent Trends on Graphene-Based Metal Oxide Nanocomposites Toward Photoelectrochemical Water Splitting Application 335 Kashinath Lellala and Mouni Roy 19.1 Introduction 335 19.1.1 Basic of Photo-Anode/Cathode 335 19.1.2 Properties of PEC 336 19.1.3 Importance of Catalyst/Electrode 336 19.1.4 Fundamental Concept of Photo-Electrochemical Water Splitting 337 19.1.4.1 Light–Catalyst Interaction 337 19.1.4.2 Electron–Hole Pair 337 19.1.4.3 Carrier Transportation-Separation 338 19.1.4.4 Water Splitting Reaction 339 19.1.4.5 Nature of Electrolyte 339 19.1.4.6 Catalysis 339 19.1.4.7 Crystallinity and Size 340 19.1.4.8 Temperature and Pressure 340 19.1.4.9 Heterogeneous Electron Transfer 340 19.1.4.10 pH Dependency 340 19.2 Graphene and Graphene-Based Nanocomposites 340 19.2.1 Graphene 340 19.2.2 Graphene-Based Nanocomposites 341 19.3 Synthesis of Graphene-Based Metal Oxide Nanocomposites 342 19.4 Application of Graphene–Metal Oxide Composites Toward Photoelectrochemical Water Splitting 345 19.5 Summary and Future Perspective 349 References 349 20 2D MOFs Nanosheets 357 Arezou Mohammadinezhad 20.1 Introduction 357 20.2 Synthetic Strategies 357 20.2.1 Top-Down Method 358 20.2.1.1 Sonication Exfoliation 358 20.2.1.2 Mechanical Exfoliation Method 359 20.2.1.3 Chemical Exfoliation 359 20.2.1.4 Langmuir–Blodgett Method 359 20.2.1.5 Solvent-Induced Exfoliation 359 20.2.2 Bottom-Up Method 359 20.2.2.1 Interfacial Synthesis Method 360 20.2.2.2 Surfactant-Assisted Method 360 20.2.2.3 Template Method 360 20.2.2.4 Sonication Synthesis Method 360 20.2.3 Other Synthesis Methods 361 20.3 Applications of 2D MOFs Nanosheets 361 20.3.1 Gas Separation 361 20.3.2 Energy Conversion and Storage 361 20.3.3 Catalysis 362 20.3.4 Sensing Platforms 362 20.3.5 Biomedicine 362 20.4 Composites of 2D MOF Nanosheets 362 20.5 Conclusion 363 References 363 21 Introduction and Applications of 2D Nanomaterials 369 Atta U. Rehman, Fatima Afzal, Muhammad T. Ansar, Amna Sajjad, and Muhammad A. Munir 21.1 Introduction 369 21.2 Applications of 2D Nanomaterials 371 21.2.1 Photodetectors 371 21.2.2 Phototransistors 371 21.2.3 p–n Junction Photodetectors 372 21.2.4 Field-Effect Transistors 373 21.2.5 Gas Sensors 373 21.2.6 Lithium-Ion Batteries 374 21.2.7 Lithium-Ion Battery Anodes 374 21.2.8 Lithium-Ion Battery Cathodes 375 21.2.9 Graphene as Current Collector 376 21.2.10 Graphene in Super capacitors 376 21.2.11 Graphene Nanocomposites with Distinct Materials 377 21.2.12 Doping and Surface Modifications 378 21.2.13 Graphene for Gas Sensors 379 21.3 Conclusion 379 References 380 22 2D Nanomaterials for Photocatalysis and Photoelectrocatalysis 383 Gubbala V. Ramesh, N. Mahendar Reddy, Muvva D. Prasad, D. Saritha, and Kola Ramesh 22.1 Introduction 383 22.2 Photocatalytic CO2 Reduction 385 22.3 Photoelectrocatalytic CO2 Reduction 388 22.4 Photocatalytic Hydrogen Production 391 22.5 Photoelectrocatalytic Hydrogen Production 395 22.6 Photocatalytic Dye Degradation 397 22.7 Conclusion 401 References 402 Index 413

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Book SynopsisMultifunctional Hydrogels for Biomedical Applications Comprehensive resource presenting a thorough overview of the biomedical applications of hydrogels This book provides an overview of the development and applications of the clinically relevant hydrogels that are used particularly in tissue engineering, regenerative medicine, and drug delivery. Taking a multidisciplinary approach, it goes through the material from chemistry, materials science, biology, medicine, nanotechnology, and bioengineering points of view. Sample topics covered by the three well-qualified editors include: The design, functions, and developments of hydrogels Proteins and polysaccharides that mimic extracellular matrix Generation and applications of supramolecular hydrogels Design and functions of cell encapsulation systems Multifunctional Hydrogels for Biomedical Applications is a useful all-in-one reference work for materials scientists, polymer chemists, and bioengineers which provides a comprehensive, contemporary understanding of hydrogels and their applications targeting a wide variety of pathologies.Table of ContentsPreface xiii 1 Extracellular Matrix Hydrogels from Decellularized Tissues for Biological and Biomedical Applications 1Brendan C. Jones, Nicola Elvassore, Paolo De Coppi, and Giovanni G. Giobbe 1.1 Introduction to Hydrogels 1 1.2 Key Features and Functions of the Extracellular Matrix in Homeostasis and Development 6 1.3 Extracellular Matrix-Based Hydrogels Derived from Decellularization of Organs 8 1.4 Commercially Available Products 18 2 Collagen-Based Systems to Mimic the Extracellular Environment 23Umber Cheema and Vivek Mudera 2.1 Cells in Tissues 23 2.2 Collagen in Tissues 24 2.3 Controlling Collagen Architecture 26 2.4 Engineering Collagen Scaffolds 29 2.5 Conclusions 33 3 Designing Elastin-Like Recombinamers for Therapeutic and Regenerative Purposes 37José Carlos Rodríguez-Cabello, Sara Escalera, Diana Juanes-Gusano, Mercedes Santos, and Alessandra Girotti 3.1 Introduction 37 3.2 ELR-Based Hydrogels in Tissue Engineering 39 3.3 ELR-Based Hydrogels for Drug Delivery 48 3.4 Future Remarks 56 4 Enzyme-Assisted Hydrogel Formation for Tissue Engineering Applications 63Sílvia Pérez-Rafael, Eva Ramon, and Tzanko Tzanov 4.1 Introduction 63 4.2 Enzymatically Cross-Linked Hydrogels 66 4.3 Supramolecular Enzyme-Driven Hydrogelation 75 4.4 Conclusions 81 5 Hierarchical Peptide- and Protein-Based Biomaterials: From Molecular Structure to Directed Self-assembly and Applications 97Yinchen Yuan, Yejiao Shi, and Helena S. Azevedo 5.1 Introduction 97 5.2 Molecular Design/Selection of Building Blocks for Hierarchical Self-assembly 98 5.3 Hierarchical Assembly Through Environmental Manipulation 108 5.4 Techniques for the Characterization of Hierarchically Organized Biomaterials 113 5.5 Application of Hierarchical Self-assembling Peptide- and Protein-Based Biomaterials in Tissue Regeneration 117 5.6 Conclusions 120 6 Short Peptide Hydrogels for Biomedical Applications 127Priyadarshi Chakraborty, Lihi Adler-Abramovich, and Ehud Gazit 6.1 Introduction 127 6.2 Short Peptide Hydrogels 128 6.3 Biomedical Applications of Short Peptide Hydrogels 129 6.4 Conclusions and Outlook 139 7 Supramolecular Assemblies of Glycopeptides as Mimics of the Extracellular Matrix 149Diana Soares da Costa, Alexandra Brito, Rui L. Reis, and Iva Pashkuleva 7.1 Introduction 149 7.2 Glycoproteins and Proteoglycans in the ECM 150 7.3 Design of Self-assembling Peptide--Saccharide Conjugates 151 7.4 Supramolecular Systems Generated by Interfacial Co-assembly 154 7.5 Conclusions 155 8 Supramolecular Assemblies for Cancer Diagnosis and Treatment 161Shuang Liu and Bing Xu 8.1 Introduction 161 8.2 Cancer Diagnosis 162 8.3 Cancer Treatment 173 8.4 Future Perspectives 189 9 Polyzwitterionic Hydrogels as Wound Dressing Materials 195Konstans Ruseva and Elena Vassileva 9.1 Polyzwitterions 195 9.2 Wound Management and Wound Dressings 197 9.3 PZIs as Dressings Materials for AcuteWounds 198 9.4 PZI as Dressings for Chronic Wounds Management 206 9.5 Conclusions 212 10 Hyaluronan-Based Hydrogels as Modulators of Cellular Behavior 217Sara Amorim, Rui L. Reis, and Ricardo A. Pires 10.1 Introduction 217 10.2 Biological Relevance of Hyaluronan 218 10.3 Hyaluronan-Based Systems for Biomedical Applications 220 10.4 Conclusion and Future Remarks 226 11 Hydrogel Fibers Produced via Microfluidics 233Kongchang Wei, Claudio Toncelli, René M. Rossi, and Luciano F. Boesel 11.1 Introduction to Microfluidics and Microfluidic Wet Spinning 233 11.2 Fabrication of Chips for Microfluidic Wet Spinning 237 11.3 Biomedical Applications of Hydrogel Fibers Produced via Microfluidics 242 11.4 Hydrogel Optical Fibers 257 11.5 Conclusions 263 12 Embedding Hydrogels into Microfluidic Chips: Vascular Transport Analyses and Drug Delivery Optimization 275Ana M. Martins, Alexander B. Cook, Martina Di Francesco, Maria Grazia Barbato, Sayanti Brahmachari, Martina Pannuzzo, and Paolo Decuzzi 12.1 Introduction: Microfluidic Chips for Modeling Human Diseases and Developing New Therapies 275 12.2 Hydrogels to Mimic the Extracellular Matrix (ECM) 276 12.3 Fabrication of Microfluidic Chips 277 12.4 Applications of Microfluidic Chips in Biophysical Transport Analysis 282 12.5 Nanoparticle Transport Analyses 284 12.6 Computer Simulations of Nanoparticle and Cell Transport 285 12.7 Conclusions and Future Directions 287 13 Multifunctional Granular Hydrogels for Tissue-Specific Repair 295Rui J. Almeida, Ana Fernandes, Vítor M. Gaspar, and João F. Mano 13.1 Introduction 295 13.2 Granular Hydrogels -- Functional Features and Design 297 13.3 Granular Hydrogels for Tissue-Specific Repair 308 13.4 Conclusions and Future Perspectives 317 14 Injectable Hydrogels as a Stem Cell Delivery Platform for Wound Healing 323Qian Xu, Sigen A., and Wenxin Wang 14.1 Wound Healing 323 14.2 Stem Cells for Skin Wound Healing 328 14.3 Injectable Hydrogel Dressing as a Delivery Platform 331 Index 357

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Book SynopsisPrinciples in Microbiome Engineering Provides an overview of the techniques and applications insight into the complex composition and interactions of microbiomes Microbiomes, the communities of microorganisms that inhabit specific ecosystems or organisms, can be engineered to modify the structure of microbiota and reestablish ecological balance. In recent years, a better understanding of microbial composition and host-microbe interactions has led to the development of new applications for improving human health and increasing agricultural productivity and quality. Principles in Microbiome Engineering introduces readers to the tools and applications involved in manipulating the composition of a microbial community to improve the function of an eco-system. Covering a range of key topics, this up-to-date volume discusses current research in areas such as microbiome-based therapeutics for human diseases, crop plant breeding, animal husbandry, soil engineering, food and beverage applications, and more. Divided into three sections, the text first describes the critical roles of systems biology, synthetic biology, computer modelling, and machine learning in microbiome engineering. Next, the volume explores various state-of-the-art applications, including cancer immunotherapy and prevention of diseases associated with the human microbiome, followed by a concluding section offering perspectives on the future of microbiome engineering and potential applications. Introduces a variety of applications of microbiome engineering in the fields of medicine, agriculture, and food and beverage products Presents current research into the complex interactions and relationships between microbiomes and biotic and abiotic elements of their environments Examines the use of technologies such as Artificial Intelligence (AI), Machine Learning (ML), and Big Data analytics to advance understanding of microbiomes Discusses the engineering of microbiomes to address human health conditions such as neuro psychiatric disorders and autoimmune and inflammatory diseases Edited and authored by leading researchers in the rapidly evolving field, Principles in Microbiome Engineering is an essential resource for biotechnologists, biochemists, microbiologists, pharmacologists, and practitioners working in the biotechnology and pharmaceutical industries.Table of ContentsPreface xiii 1 Diet-Based Microbiome Modulation: You are What You Eat 1Jiashu Li, Zeyang Qu, Feng Liu, Hao Jing, Yu Pan, Siyu Guo, and Chun Loong Ho 1.1 Introduction 1 1.1.1 Microbiome Diversity in Human Body 1 1.1.1.1 Oral Microbiome 2 1.1.1.2 Gastrointestinal Microbiome 3 1.1.1.3 Skin Microbiome 4 1.1.1.4 Respiratory Microbiome 5 1.1.1.5 Urogenital Microbiome 5 1.1.2 Elements that Influence Microbiome Development 5 1.1.2.1 Prebiotics 6 1.1.2.2 Probiotics 6 1.1.2.3 Diet and Nutrition 7 1.1.3 Current Approaches Employed in Studying the Human Microbiome 7 1.2 Dietary Lifestyle Variation Affecting Host Microbiome 8 1.2.1 Dietary Role in Shaping the Microbiome 8 1.2.1.1 Protein and Polypeptides 8 1.2.1.2 Soluble Saccharides 9 1.2.1.3 Dietary Fibers 9 1.2.1.4 Lipids 10 1.2.2 The Socioeconomic Impact on Diet-Related Microbiome Changes 11 1.2.3 Age Groups and Dietary-Related Microbiome Changes 13 1.2.4 Continental Dietary Difference and Its Effect of the Local Microbiome 15 1.2.4.1 Asia 15 1.2.4.2 Europe 15 1.2.4.3 Australia 16 1.2.4.4 Africa 16 1.2.4.5 South America 16 1.2.4.6 North America 17 1.3 Dietary Modulation of Microbiome for Disease Treatment 17 1.3.1 Infection 17 1.3.1.1 Fecal Microbiota Transplantation (FMT) 17 1.3.1.2 Prebiotic-, Diet-, and Probiotic-Mediated Prevention of Pathogenic Infections 19 1.3.2 Inflammatory Disease 20 1.3.3 Cancer 21 1.3.4 Psychological Disease 22 1.3.4.1 Autism Spectrum Disorder 22 1.3.4.2 Neurodegenerative Diseases 23 1.3.5 Metabolic Disorder 23 1.3.5.1 Obesity 23 1.3.5.2 Diabetes 24 1.3.5.3 Non-alcoholic Fatty Liver Disease (NAFLD) 24 1.4 Challenges and Opportunities 25 1.4.1 Limitations in the Field 25 1.4.2 Current Microbiome Project Supporting Infrastructures 25 1.4.2.1 International and Local Initiatives 25 1.4.2.2 Global Foundations 27 1.5 Concluding Remarks 27 Acknowledgments 28 References 28 2 Microbiome Engineering for Metabolic Disorders 47Nikhil Aggarwal, Elvin W. C. Koh, Santosh Kumar Srivastava, Brendan F. L. Sieow, and In Young Hwang 2.1 Introduction 47 2.2 Microbiome Engineering for Diabetes and Obesity 49 2.2.1 Microbiome Engineering for the Hypoglycemic Effect to Treat Diabetes and Obesity 50 2.2.2 Microbiome Engineering for Immune Modulation to Treat Diabetes 52 2.3 Microbiome Engineering to Modulate Gut–Liver Axis 54 2.3.1 Microbiome Engineering to Modulate Ammonia Metabolism 54 2.3.2 Microbiome Engineering to Modulate Phenylalanine Metabolism 55 2.3.3 Microbiome Engineering to Modulate Bile-Salt Metabolism 56 2.3.4 Microbiome Engineering to Modulate Fat Metabolism 57 2.4 Microbiome Engineering for Cardiovascular Diseases 58 2.4.1 Gut Microbiome Interventions for Cardiovascular Diseases 59 2.4.2 Role of Microbiome-Derived TMAO in Cardiovascular Diseases 60 2.5 Microbiome Engineering to Modulate Gut–Brain Axis 61 2.5.1 Exploratory Studies on the Development of Psychobiotics 64 2.6 Clinical Translation of Live Biotherapeutic Products 65 2.7 Conclusion and Future Directions 76 References 76 3 Repurposing Microbes for Therapeutic Applications in Humans 93Kangsan Kim, Donghui Choe, Minjeong Kang, Bong Hyun Sung, Haseong Kim, Seung-Goo Lee, Dae-Hee Lee, and Byung-Kwan Cho 3.1 Introduction 93 3.2 A Brief Overview of Microbiota and Human Health 94 3.2.1 Interactions Between Microbes and Their Compositions Affect the Host Metabolic Status 95 3.2.2 Host–Microbe Interactions Constitute an Essential Part of Host Metabolism 97 3.3 Systems Biology Approach to Analyze the Gut Microbiota Functions 98 3.3.1 Rational Design of Gut Microbiome Editing Strategies 98 3.3.2 High-Throughput Data-Driven Understanding of Gut Microbiota 100 3.4 Engineering Microbiome to Treat Diseases 102 3.4.1 Strain Selection for Microbiome Engineering 102 3.4.2 Engineering Microbes to Sense and Respond to Disease-Related Perturbations 103 3.4.3 Engineering Microbes to Express Therapeutic Proteins for Disease Treatment 109 3.5 Perspectives and Conclusion 111 References 111 4 Modulating Residence Time and Biogeography of Engineered Probiotics 121Rana Said, Zachary J. S. Mays, and Nikhil U. Nair 4.1 Introduction 121 4.2 Adhesion Mechanisms 122 4.3 Adhesion Modulation 125 4.4 Functional Encapsulations and Biofilms that Modify Gastrointestinal Dynamics of Probiotics 126 4.5 Metabolic Engineering to Modulate Gut Adaptation 128 4.6 Conclusions 129 References 130 5 Microbiome Engineering for Next-Generation Precision Agriculture 137Mohd Firdaus Abdul-Wahab, Shruti Pavagadhi, Hitesh Tikariha, and Sanjay Swarup 5.1 Background 137 5.2 Systems Approach to Microbiome Engineering 139 5.2.1 DBTL Framework for Microbiome Engineering 139 5.2.2 Computational Tools for Robust Microbiome Engineering 142 5.2.3 Genome-Scale Metabolic Modeling 143 5.3 Synthetic Biology for Genome and Genetic Engineering of Phytobiomes 144 5.4 Conclusion and Future Perspectives 146 Acknowledgments 148 References 148 6 Biological Sensors for Microbiome Diagnostics 155Amy M. Ehrenworth Breedon, Kathryn R. Beabout, Heidi G. Coia, Christina M. Davis, Svetlana V. Harbaugh, Camilla A. Mauzy, M. Tyler Nelson, Roland J. Saldanha, Blake W. Stamps, and Michael S. Goodson 6.1 Introduction 155 6.1.1 The Malleable Microbiome 155 6.1.2 Engineered Probiotics 155 6.2 Diagnosing the Microbiome 156 6.2.1 Microbiome Analyses 156 6.2.1.1 Small Subunit rRNA Analysis 156 6.2.1.2 Metagenomics and Metatranscriptomics 157 6.2.1.3 Proteomics and Metabolomics 157 6.2.2 Considerations and Future of Microbiome Diagnosis 158 6.3 Types of Biosensors 159 6.3.1 Riboswitches 159 6.3.1.1 Riboswitches and Their Regulatory Mechanisms 160 6.3.1.2 Design and Selection of Synthetic Riboswitches 160 6.3.1.3 Riboswitches in Molecular Detection of Microbiome Metabolites 161 6.3.2 Transcription Factors 163 6.3.2.1 Transcription Factor Mining 163 6.3.2.2 Engineering Transcription Factors 164 6.3.2.3 Applications of Transcription Factors 165 6.3.3 Two-Component Systems 166 6.3.3.1 Introduction to Two-Component Systems 166 6.3.3.2 Expression of Natural TCS Systems for Gut Diagnostics 166 6.3.3.3 Engineering TCS-Based Sensors for the Microbiome 167 6.3.4 G Protein-Coupled Receptors 168 6.3.4.1 GPCRs and the Gut Microbiome 168 6.3.4.2 GPCRs Engineered Into Yeast 168 6.3.4.3 Recent Advances in Yeast GPCR-Based Sensors 170 6.4 Testing and Utilizing Engineered Biosensors 171 6.4.1 Cell-Free Protein Expression Systems (CFPS) for Biosensing 171 6.4.2 In Vitro Testing 173 6.4.2.1 In Vitro Models 174 6.4.2.2 Organ-on-a-Chip 174 6.4.2.3 In Vitro Host–Microbe Characterization 174 6.4.3 Examples of Engineered Microbes 176 6.4.3.1 Identifying Microbiome Changes In Situ 176 6.4.3.2 Engineered Microbes for Disease Diagnostics 176 6.4.3.3 Cancer 177 6.4.3.4 Inflammatory Bowel Disease 178 6.4.3.5 Infection 178 6.4.3.6 Future Translation 178 6.5 Conclusions/Summary 179 Acknowledgments 180 References 180 7 Principles, Tools, and Applications of Synthetic Consortia Toward Microbiome Engineering 195Eliza Atkinson, Alice Boo, Huadong Peng, Guy-Bart Stan, and Rodrigo Ledesma-Amaro 7.1 Introduction 195 7.2 Advantages of Labor Division via Synthetic Microbial Consortia 197 7.2.1 Providing Optimal Conditions 198 7.2.2 Reducing the Metabolic Burden on the Host 198 7.2.3 Reducing Crosstalk and Competition Within Synthetic Pathways 199 7.3 Tools for Engineering Synthetic Consortia 200 7.3.1 Genetic Manipulation Tools 200 7.3.2 Cell-to-Cell Communication 200 7.3.3 External and Intercellular Signal Molecules for Regulating Gene Expression and Population Composition 201 7.3.4 Secretion and Exchange of Metabolites 201 7.3.5 Analysis Tools 202 7.3.6 Computational Models 202 7.3.6.1 Dynamic/Deterministic Models 202 7.3.6.2 Agent-Based Models 203 7.3.6.3 Stoichiometric and Genome-Scale Metabolic Models 203 7.4 Engineering Syntrophy 205 7.5 Engineering Population Control 206 7.6 Synthetic Microbial Consortia and the Human Microbiome 207 7.7 Conclusions and Future Perspectives 208 References 209 8 Fecal Microbiota Transplantation for Microbiome Modulation: A Clinical View 219Peter C. Konturek, Thomas Hess, Walburga Dieterich, and Yurdagül Zopf 8.1 Introduction 219 8.2 Fecal Microbiota Transplantation (FMT) 219 8.2.1 Recruitment of Potential Donors 220 8.2.2 Administration of FMT 220 8.2.3 Safety 220 8.3 Clinical Application of Fecal Microbiota Therapy 222 8.3.1 C. difficile Infection (CDI) 222 8.3.2 Inflammatory Bowel Disease 223 8.3.3 FMT as a Therapeutic Option to Eradicate Highly Drug-Resistant Enteric Bacteria Carriage 224 8.3.4 FMT and Irritable Bowel Syndrome 224 8.3.5 FMT and Slow-Transit Constipation 225 8.3.6 FMT and Liver Diseases 225 8.4 FMT – Novel Indications 226 8.4.1 Chemotherapy-Induced Diarrhea 226 8.4.2 Obesity and Metabolic Syndrome 227 8.4.3 Graft-versus-Host Disease (GvHD) 227 8.4.4 Autoimmune Diseases 227 8.4.5 Neuropsychiatric Disorders 228 8.5 Conclusion 228 References 228 9 Maternal Microbiota as a Therapeutic Target 233Ferit Saracoglu 9.1 Introduction 233 9.2 Human Maternal Microbiota 233 9.2.1 Oral Microbiota 233 9.2.2 Vaginal Microbiota 234 9.2.3 Endometrial Microbiome 234 9.2.4 Gut Microbiome 236 9.2.4.1 Maternal Gut Microbiome and Immune Functions 236 9.2.4.2 Gut and Brain Axis 238 9.2.4.3 Epigenetic Regulation of Gut Microbiota 238 9.2.5 Placental Microbime and Meconium 239 9.3 Maternal Microbiota and Health 240 9.3.1 Developmental Origins of Adult-Onset Diseases: Barker Hypothesis 240 9.3.2 Maternal Microbiota and Obesity 240 9.3.2.1 Maternal Diet and Gut Microbiota 240 9.3.2.2 Body Mass Index, Insulin Resistance, and Obesity in Pregnancy 241 9.3.2.3 Childhood Obesity 241 9.3.3 Miscarriages and Microbiome 242 9.3.4 Postpartum Microbiome 242 9.3.4.1 Mode of Delivery 242 9.3.4.2 Vaginal Seeding 243 9.3.5 Maternal Microbiota and Gestational Age at Birth 243 9.3.6 Maternal Microbiota and Maternal Inflammation and Intrauterine Infections 244 9.4 Human Milk Microbiota and Infant Health 245 9.5 Drug Treatment, Unhealthy Conditions, and Microbiome 247 9.5.1 Perinatal Antibiotic Treatment 247 9.5.2 Smoking 249 9.5.3 Stress Under Pregnancy 249 9.5.4 Autism Spectrum Disorders 250 9.5.5 Critical Illness of Newborns 250 9.6 Probiotic and Prebiotic Therapies as Modulators of Microbiome 250 References 252 10 Transcription Factor-Based Biosensors and Their Application in Microbiome Engineering 277Seong Keun Kim, Seung Gyun Woo, Tae Hyun Kim, Seong Hyun Park, Jin Ju Lee, A Young Park, So Hyung Oh, Seong Kun Bak, Seung-Goo Lee, and Dae-Hee Lee Summary 277 10.1 Design: TF-Based Biosensors 278 10.1.1 Transcriptional Repressors 278 10.1.2 Transcriptional Activators 282 10.1.3 One-Component Regulatory System or Two-Component Regulatory System 283 10.1.4 Types of Output Modules 284 10.1.5 Layered Genetic Circuits 285 10.2 Build: TF-Based Biosensors 286 10.2.1 Construction of Genetic Circuits 286 10.2.1.1 Gene Synthesis 287 10.2.1.2 Restriction Enzyme–Based Cloning 287 10.2.1.3 Gibson Assembly 288 10.2.2 Chassis 288 10.3 Test: TF-Based Biosensors Application in Microbiome 289 10.3.1 Diagnostics 289 10.3.2 Therapeutics 291 10.3.3 Biocontainment 292 10.4 Learn: Strategies for TF-Based Biosensor Improvement 293 10.5 Conclusions 294 List of Abbreviations 294 Acknowledgments 295 References 295 Index 305

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Book SynopsisVogelschwärme führen komplexe Manöver aus über uns am Himmel, Fische vollbringen Ähnliches in den Tiefen der See. Im asiatischen Dschungel zeigen Leuchtkäfer Lichtvorführungen, in denen Tausende von Käfern in perfekter, synchroner Harmonie strahlen. Diese und ähnliche Vorgänge haben dazu geführt, dass Mathematiker und Physiker sich mit Kollegen der Biologie zusammengefunden haben, um die dem Schwarmverhalten zugrunde liegende Struktur zu erforschen. Tatsächlich ist diese Struktur universell und ähnlich der, die man in der Physik vieler wechselwirkender Teilchen findet. Das Entstehen und die Struktur eines Vogelschwarms entsprechen in vieler Hinsicht der Magnetisierung von Eisen, bei der ganz plötzlich die Spins der meisten Atome in die gleiche Richtung weisen. Die Synchronisierung der Leuchtkäferstrahlung wiederum beruht auf Mechanismen, die der Lichtemission eines Lasers ähneln. Dieses Buch beschreibt die verschiedenen Formen des Schwarmverhaltens von Tiergemeinschaften und stellt diesen dann die entsprechenden Strukturen in Physik und Informatik gegenüber. Doch keine Angst: es wird nur einfache Mathematik benötigt, und auch die angeführte Physik und Biologie bewegt sich auf allgemeinverständlichem Niveau. Erleben Sie mit, wie aus einfachen Gesetzmäßigkeiten die komplexesten Phänomene entstehen können - ohne dass es einer zentralen Kontrollinstanz bedarf.Trade ReviewAus einfachen Gesetzmäßigkeiten entstehen komplexe Phänomene ? interessant, spannend, weckt jede Menge Neugier! Mehr davon! Infotechnica.de (01.07.2021) Die Kapitel sind kurz und verständlich aufbereitet. Die verwendete Literatur, ein Personen- und ein Sachverzeichnis runden das Buch ab. Radiounicc.de (22.06.2021) [E]in guter Überblick und Startpunkt für weitere Lektüre in den Bereichen der Naturwissenschaften. Tinaliest.de (15.10.2021) Absolut lesenswert! [?] Es ist auf jeden Fall eines der interessantesten Sachbücher, die ich bis jetzt gelesen habe. Leser-welt.de (13.10.2021) Heuschrecken haben keinen König von Helmut Satz bietet einen interessanten Einblick in das Verhalten von Tierschwärmen, indem es zeigt, dass sich dieses Verhalten mit grundlegenden physikalischen Prozessen und theoretisch informatischen Algorithmen vergleichen lässt. Lebensmittelchemiker-Mitteilungen (Januar 2022) Table of ContentsVorwort ix 1 Einleitung 1 2 DieachtePlage 7 3 Das Entstehen von willkürlicher Verbindung 13 4 DieStarevonRom17 5 Das Entstehen von Ordnung 23 6 Die Gesetze des Schwarms 29 7 Kollektiv, kritisch, komplex 37 8 Wer fängt an? 47 9 DasLeuchtenimUrwald 51 10 Die hörbare Stille 55 11 Gekoppelte Pendel 59 12 Laserstrahlung 63 13 Die Bestimmung der Wege 67 14 Formationsflug und Flugformationen 73 15 Die Aerodynamik der Vögel 81 16 Vogelzug und Zugvögel 87 17 Wege unter Wasser 97 18 Der Ameisenstaat 101 19 Verwandtschaftsbestimmung 107 20 Von Blumen und Bienen 113 21 Verständigung und Sprache 117 22 Epilog 123 Anhang A Komplexität und das Entstehen von Chaos 127 Anhang B Orientierung und Navigation 133 Literatur 137 Personenverzeichnis 139 Sachverzeichnis 141

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Book SynopsisTargeted Drug Delivery Novel approaches in targeted drug delivery for both small molecule and biopharmaceutical drugs Targeted Drug Delivery explores a new frontier in drug research that has become a focus for developing novel medications. The work discusses a wide range of approaches for targeting small molecules as well as peptide and macromolecular drugs, from prodrugs to drug conjugates to drug carriers and devices, helping readers to stay up to date on the latest developments in the field. The following key topics are addressed: Antibody conjugates, prodrugs, and suicide gene therapeutics Protac technology for selectively degrading target proteins Delivery of nucleic acid drugs Novel drug carriers, such as liposomes, vesicles, and nanoparticles Unmet medical needs for which there is a large market potential, such as viral infections and cancer For chemists, pharmacologists, and professionals in the wider pharmaceutical industry, Targeted Drug Delivery is a comprehensive guide on how to solve the greatest challenge in treating many diseases: delivering a pharmaceutically active substance to the target tissue in the body.Table of ContentsA Personal Foreword xiii Preface xv 1 Basics of Targeted Drug Delivery 1 Kshama A. Doshi 1.1 Introduction 1 1.1.1 Concept of Bioavailability and Therapeutic Index 2 1.2 Targeted Drug Delivery 2 1.3 Strategies for Drug Targeting 3 1.3.1 Passive Targeting 4 1.3.1.1 Reticuloendothelial System (RES) System 4 1.3.1.2 Enhanced Permeability and Retention (EPR) Effect 4 1.3.1.3 Localized Delivery 4 1.3.2 Active Targeting 5 1.3.3 Physical Targeting 5 1.3.3.1 Ultrasound for Targeting 6 1.3.3.2 Magnetic Field for Targeting 6 1.4 Therapeutic Applications of Targeted Drug Delivery 6 1.4.1 Diabetes Management 6 1.4.2 Neurological Diseases 7 1.4.3 Cardiovascular Diseases 8 1.4.4 Respiratory Diseases 9 1.4.5 Cancer Indications 9 1.5 Targeted Dug-Delivery Products 10 1.6 Challenges 11 1.6.1 Passive Targeting and EPR Effect 12 1.6.2 Active Targeting 12 1.7 Scale-up and Challenges 13 1.8 Current Status 14 1.9 Conclusion and Prospects 15 References 16 2 Addressing Unmet Medical Needs Using Targeted Drug-Delivery Systems: Emphasis on Nanomedicine-Based Applications 21 Chandrakantsing Pardeshi, Raju Sonawane, and Yogeshwar Bachhav 2.1 Introduction 21 2.2 Targeted Drug-Delivery Systems for Unmet Medical Needs 23 2.2.1 Targeting Ligands 25 2.2.1.1 Small Molecules as Targeting Ligands 25 2.2.1.2 Aptamers as Targeting Ligands 27 2.2.1.3 Antibodies as Targeting Ligands 28 2.2.1.4 Lectins as Targeting Ligands 28 2.2.1.5 Lactoferrins as Targeting Ligands 29 2.2.2 Targeting Approaches 29 2.2.2.1 Disease-Based Targeting 29 2.2.2.2 Location-Based Targeting 32 2.3 Regulatory Aspects and Clinical Perspectives 35 2.4 Conclusion and Future Outlook 38 List of Abbreviations 38 References 39 3 Nanocarriers-Based Targeted Drug Delivery Systems: Small and Macromolecules 45 Preshita Desai 3.1 Nanocarriers (Nanomedicine) – Overview and Role in Targeted Drug Delivery 45 3.2 Passive Targeting Approaches 50 3.2.1 Enhanced Permeability and Retention-Effect-Based Targeting 50 3.3 Active Targeting Approaches 52 3.4 Stimuli Responsive Targeted NCs 54 3.4.1 Redox Stimuli Responsive Targeted NCs 55 3.4.2 pH Stimuli Responsive Targeted NCs 56 3.4.3 Enzyme Stimuli Responsive Targeted NCs 57 3.4.4 Temperature Stimuli Responsive Targeted NCs 58 3.4.5 Ultrasound Stimuli Responsive Targeted NCs 59 3.4.6 Magnetic Field Stimuli Responsive Targeted NCs 59 3.5 Conclusion and Future Prospects 60 References 60 4 Liposomes as Targeted Drug-Delivery Systems 69 Raghavendra C. Mundargi, Neetika Taneja, Jayeshkumar J. Hadia, and Ajay J. Khopade 4.1 Introduction 69 4.2 Liposome Commercial Landscape 72 4.3 Important Considerations in Development and Characterization of Liposomes 80 4.3.1 Selection of Lipids 80 4.3.2 Drug: Lipid Ratio 81 4.3.3 PEGylation 82 4.3.4 Ligand Anchoring 83 4.3.5 Drug-Loading Techniques 84 4.3.6 Physicochemical Characterization 85 4.3.7 Manufacturing Process 86 4.3.8 Product Stability 87 4.4 Targeted Delivery of Liposomes 88 4.4.1 Passive Targeting 89 4.4.2 Active-Targeted Delivery 92 4.4.2.1 Cancer Cell Targeting 94 4.4.2.2 Tumor Endothelium Targeting 98 4.5 Recent Clinical Trials with Liposomes with Investigational Liposome Candidates 102 4.6 Factors Influencing the Clinical Translation of Liposomes for Targeted Delivery 103 4.7 Conclusions and Future of Prospects of Targeted Liposomal-Delivery Systems 108 List of Abbreviations 110 References 112 5 Antibody–Drug Conjugates: Development and Applications 127 Rajesh Pradhan, Meghna Pandey, Siddhanth Hejmady, Rajeev Taliyan, Gautam Singhvi, Sunil K. Dubey, and Sachin Dubey 5.1 Introduction 127 5.2 Design of ADCs 128 5.2.1 Antibody 129 5.2.2 Linker 130 5.2.3 Payload 132 5.3 Mechanism of Action 133 5.4 Pharmacokinetic Considerations for ADCs 134 5.4.1 Heterogeneity of ADCs 134 5.4.2 Bioanalytical Considerations for ADCs 135 5.4.3 Pharmacokinetic Parameters of ADCs 136 5.4.3.1 Absorption 136 5.4.3.2 Distribution 136 5.4.3.3 Metabolism and Elimination 136 5.5 Applications of ADCs 137 5.5.1 Approved ADCs in the Market 137 5.5.1.1 Gemtuzumab Ozogamicin 137 5.5.1.2 Brentuximab Vedotin 139 5.5.1.3 Ado-Trastuzumab Emtansine (T-DM1) 139 5.5.1.4 Inotuzumab Ozogamicin 139 5.5.1.5 Polatuzumab Vedotin-piiq 140 5.5.1.6 Enfortumab Vedotin 140 5.5.1.7 Trastuzumab Deruxtecan 140 5.5.2 Use of ADCs in Rheumatoid Arthritis 141 5.5.3 Use of ADCs in Bacterial Infections 141 5.5.4 Use of ADCs in Ophthalmology 141 5.6 Resistance of ADC 142 5.7 Regulatory Aspects for ADCs 143 5.7.1 Role of ONDQA 143 5.7.2 Role of OBP 144 5.8 Conclusion and Future Direction 144 References 145 6 Gene-Directed Enzyme–Prodrug Therapy (GDEPT) as a Suicide Gene Therapy Modality for Cancer Treatment 155 Prashant S. Kharkar and Atul L. Jadhav 6.1 Introduction 155 6.2 GDEPT for Difficult-to-Treat Cancers 159 6.2.1 High-Grade Gliomas (HGGs) 159 6.2.2 Triple-Negative Breast Cancer (TNBC) 161 6.2.3 Other Cancers 162 6.3 Novel Enzymes for GDEPT 164 6.4 Conclusions 165 References 165 7 Targeted Prodrugs in Oral Drug Delivery 169 Milica Markovic, Shimon Ben-Shabat, and Arik Dahan 7.1 Introduction 169 7.1.1 Classic vs. Modern Prodrug Approach 170 7.2 Modern, Targeted Prodrug Approach 171 7.2.1 Prodrug Approach-Targeting Enzymes 171 7.2.1.1 Valacyclovirase-Mediated Prodrug Activation 172 7.2.1.2 Phospholipase A 2 -Mediated Prodrug Activation 173 7.2.1.3 Antibody, Gene, and Virus-Directed Enzyme–Prodrug Therapy 175 7.2.2 Prodrug Approach Targeting Transporters 176 7.2.2.1 Peptide Transporter 1 177 7.2.2.2 Monocarboxylate Transporter Type 1 179 7.2.2.3 Bile Acid Transporters 180 7.3 Computational Approaches in Targeted Prodrug Design 181 7.4 Discussion 182 7.5 Future Prospects and Clinical Applications 183 7.6 Conclusion 183 References 184 8 Exosomes for Drug Delivery Applications in Cancer and Cardiac Indications 193 Anjali Pandya, Sreeranjini Pulakkat, and Vandana Patravale 8.1 Extracellular Vesicles: An Overview 193 8.1.1 Evolution of Exosomes 194 8.1.2 Exosomes as Delivery Vehicles for Therapeutics 195 8.1.2.1 Endogenous Loading Methods 198 8.1.2.2 Exogenous Loading Methods 198 8.2 Exosomes as Cancer Therapeutics 199 8.2.1 Influence of Donor Cells 202 8.2.2 Different Therapeutic Cargo Explored in Cancer Therapy 202 8.2.2.1 Delivery of Proteins and Peptides 203 8.2.2.2 Delivery of Chemotherapeutic Cargo 204 8.2.2.3 Delivery of RNA 204 8.3 Exosome Based Drug Delivery for Cardiovascular Diseases 206 8.3.1 Delivery of Cardioprotective RNAs 207 8.3.2 Exosomes Modified with Cardiac Targeting Peptides 208 8.4 Clinical Evaluations and Future Aspects 210 8.5 Conclusion 211 Acknowledgments 212 References 212 9 Delivery of Nucleic Acids, Such as siRNA and mRNA, Using Complex Formulations 221 Ananya Pattnaik, Swarnaparabha Pany, A. S. Sanket, Sudiptee Das, Sanghamitra Pati, and Sangram K. Samal 9.1 Introduction 221 9.2 NA-Based Complex Delivery System 228 9.2.1 Classical NA-Based Complex Delivery System 229 9.2.1.1 Polymer-Based NA-Complex Delivery System 229 9.2.1.2 Lipid-Based Complex NA Delivery System 230 9.2.1.3 Peptide-Based Complex NA Delivery System 231 9.2.2 Advanced NA-Based Complex Delivery Systems 232 9.2.2.1 Inorganic and Hybrid NPs 232 9.2.2.2 Self-Assembled NA Nanostructures 233 9.2.2.3 Exosomes and NanoCells 233 9.3 Applications of NA-Complex Delivery Systems 234 9.3.1 Genome Editing 235 9.3.2 Cancer Therapy 237 9.3.3 Protein Therapy 238 9.4 Future Prospective 239 9.5 Conclusion 240 Acknowledgments 240 References 240 10 Application of PROTAC Technology in Drug Development 247 Prashant S. Kharkar and Atul L. Jadhav 10.1 Introduction 247 10.2 Design of PROTACS: A Brief Overview 252 10.3 Therapeutic Applications of PROTACs 254 10.3.1 Cancer 255 10.3.2 Neurodegenerative Disorders 261 10.3.3 Immunological Diseases 263 10.3.4 Viral Infections 264 10.4 Challenges and Limitations in the Development PROTACs 265 10.5 Future Perspectives 266 References 266 11 Metal Complexes as the Means or the End of Targeted Delivery for Unmet Needs 271 Trevor W. Hambley 11.1 Introduction 271 11.2 Class 1: Chaperones 272 11.2.1 Chaperones that Protect Drugs 273 11.2.2 Delivery to the Cells or Environments to Be Targeted 275 11.2.3 Release from the Metal Where and When Required 276 11.3 Class 2: Active Metal Complexes 276 11.3.1 Targeted Platinum Agents 277 11.4 Class 3: Dual-Threat Metal Complexes 279 11.5 Targeting Strategies: The Chemical and Physical Environment 280 11.5.1 Hypoxia 281 11.5.2 pH-Based Targeting 282 11.5.3 The EPR Effect 283 11.6 Targeting Strategies: Transporters 284 11.7 Targeting Strategies: Enzyme Activation 286 11.8 Other Targeting Strategies 287 11.9 Conclusions 288 References 289 12 Formulation of Peptides for Targeted Delivery 299 Pankti Ganatra, Karen Saiswani, Nikita Nair, Avinash Gunjal, Ratnesh Jain, and Prajakta Dandekar 12.1 Introduction 299 12.2 Peptides Used in Cancer Therapy 302 12.2.1 Lung Cancer 303 12.2.2 Melanoma 304 12.2.3 Pancreatic Cancer 306 12.2.4 Brain Cancer 307 12.2.5 Breast Cancer 309 12.2.6 Leukemia 312 12.3 Peptide-Targeting Based on Site of Action 315 12.3.1 Topical Delivery of Peptides 315 12.3.2 Ocular Delivery of Peptides 317 12.3.3 Brain Delivery of Peptides 319 12.3.4 Lung-Targeted Delivery of Peptides 321 12.4 Conclusion and Future Prospects 323 References 324 13 Antibody-Based Targeted T-Cell Therapies 327 Manoj Bansode, Kaushik Deb, and Sarmistha Deb 13.1 Introduction 327 13.2 Immune-Directed Cancer Cell Death 328 13.3 Immunotherapy Strategies in Cancer 328 13.4 T-Cell Therapy 329 13.5 Naturally Occurring T Cells 329 13.6 Genetically Modified Occurring T Cells 330 13.7 Clinical Implication of T-Cell and CAR-T-Cell Therapy: 330 13.8 Antibody-Induced T-Cell Therapy 332 13.9 A Bispecific Antibody (BsAbs)-Induced T-Cell Therapy 332 13.10 Formats of BsAbs 335 13.11 Triomab Antibodies in T-Cell Therapy 335 13.12 Bispecific Antibodies in T-Cell Therapy 336 13.13 Clinically Approved T-Cell-Activating Antibodies 337 13.14 Prospects 337 13.15 Conclusion 339 References 339 14 Devices for Active Targeted Delivery: A Way to Control the Rate and Extent of Drug Administration 349 Jonathan Faro Barros, Phedra F. Sahraoui, Yogeshvar N. Kalia, and Maria Lapteva 14.1 Introduction 349 14.2 Macrofabricated Devices – Drug Infusion Pumps 351 14.2.1 Peristaltic Pumps 351 14.2.2 Gas-Driven Pumps 352 14.2.3 Osmotic Pumps 353 14.2.4 Insulin Pumps 354 14.2.4.1 Diabetes and Insulin Product Development 354 14.2.4.2 Open-Loop Insulin Delivery Systems 355 14.2.4.3 Closed-Loop Insulin Delivery Systems 360 14.3 Microfabricated and Nanofabricated Drug Delivery Devices 364 14.3.1 Microelectromechanical Systems (MEMS) 364 14.3.1.1 Microchip-Based MEMS 364 14.3.1.2 Pump-Based MEMS 366 14.3.1.3 MEMS – Efforts to Close the Loop 368 14.3.2 Nanofabricated Drug Delivery Devices 369 14.4 Noninvasive Active Drug Delivery Systems: Iontophoresis 372 14.5 Conclusions 376 Acknowledgments 377 List of Abbreviations 377 References 378 15 Drug Delivery to the Brain: Targeting Technologies to Deliver Therapeutics to Brain Lesions 389 Nishit Pathak, Sunil K. Vimal, Cao Hongyi, and Sanjib Bhattacharyya 15.1 Introduction 389 15.2 Brain Tumor 390 15.2.1 Obstacles to Brain Tumor-Targeted Delivery 391 15.2.2 Brain-Tumor-Focused Nano-Drug Delivery 393 15.3 Neurodegenerative Diseases 396 15.3.1 Alzheimer’s Disease (AD) 396 15.3.1.1 Alzheimer’s Disease Focused on Drug Delivery 396 15.3.2 Parkinson’s Disease 399 15.3.2.1 Drug Delivery Focussed on Parkinson’s Drug Disease 399 15.3.3 Cerebrovascular Disease 400 15.3.3.1 Drug Delivery for Cerebrovascular Disease 400 15.3.4 Inflammatory Diseases (ID) 402 15.3.4.1 Inflammatory Diseases (ID) Focused on Drug Delivery 402 15.3.4.2 Drug Delivery for the Treatment of Neuro-AIDS 403 15.3.5 Drug Delivery for Multiple Sclerosis (MS) 403 15.4 Drug Delivery for CNS Disorders 404 15.4.1 Tau Therapy 405 15.4.2 Immunotherapy 407 15.4.3 Gene Immunotherapy (GIT) 407 15.4.4 Chemotherapy (CT) 408 15.4.5 Photoimmunotherapy (PIT) 408 15.5 Future Prospects 410 15.6 Conclusions 410 List of Abbreviations 411 References 412 Index 425

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Book SynopsisSchlägt die Brücke zwischen Quantentheorie und Spektroskopie! Spektroskopie ist das Arbeitspferd zur Struktur- und Eigenschaftsaufklärung von Molekülen und Werkstoffen. Um die verschiedenen spektroskopischen Methoden verstehen, kompetent anwenden und die Ergebnisse interpretieren zu können, ist grundlegendes Wissen der Quantenmechanik erforderlich: Konzepte wie stationäre Zustände, erlaubte und verbotene Übergänge, Elektronenspin und Elektron-Elektron-, Elektron-Photon- und Elektron-Phonon-Wechselwirkung sind die Grundlagen jeglicher spektroskopischen Methode. Quantenmechanische Grundlagen der Molekülspektroskopie führt ein in die quantenmechanischen Grundlagen der Molekülspektroskopie, geschrieben vom Standpunkt eines erfahrenen Anwenders spektroskopischer Methoden. Das Lehrbuch vermittelt das notwendige Hintergrundwissen, um Spektroskopie zu verstehen: Energie-Eigenzustände, Übergänge zwischen diesen Zuständen, Auswahlregeln und Symmetrie. Zahlreiche Spektroskopiearten werden diskutiert, etwa Fluoreszenz-, Oberflächen-, Raman-, IR- und Spin-Spektroskopie. * Perfekte Balance: ausreichend Physik und Mathematik, um Spektroskopie zu verstehen, ohne die Leserinnen und Leser mit unnötigem Formalismus zu überfrachten * Relevantes Thema: spektroskopische Methoden werden in allen Bereichen der Chemie, Biophysik, Biologie und Materialwissenschaften angewandt * Auf die Bedürfnisse Studierender zugeschnitten: der Autor ist ein erfahrener Hochschullehrer, der auch schwierige Aspekte verständlich vermittelt * Hervorragende Didaktik: detaillierte Erklärungen und durchgerechnete Beispiele unterstützen das Verständnis; zahlreiche Aufgaben mit Lösungen im Anhang erleichtern das Selbststudium Geschrieben für Studierende der Chemie, Biochemie, Materialwissenschaften und Physik, bietet Quantenmechanische Grundlagen der Molekülspektroskopie umfassendes Lernmaterial zum Verständnis der Molekülspektroskopie. Trade ReviewDas vorliegende Buch hilft, die komplexen Zusammenhänge zu verstehen. DGZfP (07.07.2021)Table of ContentsVorwort xi Einleitung xv 1 Übergang von der klassischen Physik zur Quantenmechanik 1 1.1 Beschreibung von Licht als elektromagnetische Welle 2 1.2 Strahlung des Schwarzen Körpers 3 1.3 Der photoelektrische Effekt 6 1.4 Absorptions- und Emissionsspektren von Wasserstoffatomen 8 1.5 Molekülspektroskopie 11 1.6 Zusammenfassung 13 Aufgaben 13 Literatur 15 2 Grundlagen der Quantenmechanik 17 2.1 Postulate der Quantenmechanik 18 2.2 Die potenzielle Energie und Potenzialfunktionen 22 2.3 Demonstration der quantenmechanischen Prinzipien für ein einfaches, eindimensionales Ein-Elektronen-Modellsystem: Das Teilchen im Kasten 24 2.4 Das Teilchen in einem zweidimensionalen Kasten, das ungebundene Teilchen und das Teilchen in einem Kasten mit endlichen Energiebarrieren 31 2.5 Reale Teilchen im Kasten: Konjugierte Polyene, Quantenpunkte und Quantenkaskadenlaser 35 Aufgaben 38 Literatur 40 3 Störung stationärer Zustände durch elektromagnetische Strahlung 41 3.1 Zeitabhangige Störungstheorie stationarer Zustande durch elektromagnetische Strahlung 41 3.2 Dipolerlaubte Absorptions- und Emissionsübergange und Auswahlregeln für das Teilchen im Kasten 45 3.3 Einstein-Koeffizienten für die Absorption und Emission von Licht 47 3.4 Laser 50 Aufgaben 52 Literatur 53 4 Der harmonische Oszillator, ein Modellsystem für die Schwingungen von zweiatomigen Molekülen 55 4.1 Klassische Beschreibung eines schwingenden zweiatomigen Modellsystems 55 4.2 Die Schrödinger-Gleichung, Energieeigenwerte und Wellenfunktionen für den harmonischen Oszillator 57 4.3 Übergangsmoment und Auswahlregeln für Absorption für den harmonischen Oszillator 63 4.4 Der anharmonische Oszillator 66 4.5 Schwingungsspektren von zweiatomigen Molekulen 69 4.6 Zusammenfassung 72 Aufgaben 73 Literatur 74 5 Infrarot und Raman-Schwingungsspektroskopie mehratomiger Moleküle 75 5.1 Schwingungsenergie mehratomiger Moleküle: Normalkoordinaten und normale Schwingungsmoden 75 5.2 Quantenmechanische Beschreibung molekularer Schwingungen in mehratomigen Molekülen 79 5.3 Infrarotabsorptionsspektroskopie 82 5.3.1 Symmetrieüberlegungen für dipolerlaubte Übergange 83 5.3.2 Bandenformen für Absorption und anomale Dispersion 84 5.4 Raman-Spektroskopie 88 5.4.1 Allgemeine Aspekte der Raman-Spektroskopie 88 5.4.2 Makroskopische Beschreibung der Polarisierbarkeit 89 5.4.3 Quantenmechanische Beschreibung der Polarisierbarkeit 90 5.5 Auswahlregeln für IR- und Raman-Spektroskopiemehratomiger Molekule 94 5.6 Beziehung zwischen Infrarot- und Raman-Spektren: Chloroform 96 5.7 Zusammenfassung: Molekulare Schwingungen inWissenschaft und Technologie 98 Aufgaben 98 Literatur 100 6 Rotation von Molekülen und Rotationsspektroskopie 101 6.1 Klassische Rotationsenergie von zwei- und mehratomigen Molekülen 102 6.2 Quantenmechanische Beschreibung des Drehimpulsoperators 105 6.3 Die Schrödinger-Gleichung für Rotation, Eigenfunktionen und Energieeigenwerte 107 6.4 Auswahlregeln für Rotationsübergange 112 6.5 Rotationsabsorptionsspektren (Mikrowellenspektren) 113 6.5.1 Starre zweiatomige und lineare Moleküle 113 6.5.2 Prolate und oblate symmetrische Kreisel 116 6.5.3 Asymmetrische Kreisel 118 6.6 Rotationsschwingungsübergange 119 Aufgaben 121 Literatur 123 7 Atomstruktur: Das Wasserstoffatom 125 7.1 Die Schrödinger-Gleichung für das Wasserstoffatom 126 7.2 Lösungen der Schrödinger-Gleichung für das Wasserstoffatom 128 7.3 Dipolerlaubte Übergange für das Wasserstoffatom 134 7.4 Diskussion der Ergebnisse für das Wasserstoffatom 135 7.5 Elektronenspin 136 7.6 Raumliche Quantisierung des Drehimpulses 140 Aufgaben 140 Literatur 142 8 Kernspinresonanzspektroskopie (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) 143 8.1 Allgemeine Bemerkungen 143 8.2 Rückblick auf Drehimpuls und Spindrehimpuls von Elektronen 144 8.3 Kernspin 146 8.4 Auswahlregeln, Übergangsenergien, Magnetisierung und Spinpopulationsanalyse 150 8.4.1 Auswahlregeln für den elektrischen Dipolübergang für ein Ein-Spin-Kern-System 150 8.4.2 Übergangsenergien 151 8.4.3 Magnetisierung 152 8.4.4 Analyse der Besetzung (Population) der Spinzustande 152 8.5 Chemische Verschiebung 153 8.6 Multispinsysteme 155 8.6.1 Nicht wechselwirkende Spins 155 8.6.2 Wechselwirkende Spins: Spin-Spin-Kopplung 157 8.6.3 Wechselwirkung mehrerer Spins 158 8.7 Puls-FT-NMR Spektroskopie 160 8.7.1 Allgemeine Bemerkungen 160 8.7.2 Beschreibung der NMR-Vorgange durch die ,,Nettomagnetisierung“ 161 Aufgaben 162 Literatur 163 9 Atomstruktur: Mehr-Elektronen-Systeme 165 9.1 Der Zwei-Elektronen-Hamilton-Operator, die Abschirmung und die effektive Kernladung 165 9.2 Das Pauli-Prinzip 167 9.3 Das Aufbauprinzip 168 9.4 Periodische Eigenschaften von Elementen 169 9.5 Atomenergieniveaus 171 9.5.1 Gute und schlechte Quantenzahlen und Termsymbole 171 9.5.2 Auswahlregeln für atomare Übergange 174 9.6 Atomspektroskopie 175 9.7 Atomspektroskopie in der analytischen Chemie 176 Aufgaben 177 Literatur 178 10 Elektronische Energieniveaus und Spektroskopie mehratomiger Moleküle 179 10.1 Molekülorbitale und chemische Bindung im H2 +-Molekülion 180 10.2 Molekülorbitaltheorie für homonukleare zweiatomige Moleküle 184 10.3 Termsymbole und Auswahlregeln für homonukleare zweiatomige Moleküle 187 10.4 Elektronische Spektren von zweiatomgen Molekülen 189 10.4.1 Das vibronische Absorptionsspektrumvon Sauerstoff 189 10.4.2 Vibronische Übergange und das Franck-Condon-Prinzip 192 10.5 Qualitative Beschreibung elektronischer Spektren mehratomiger Moleküle 194 10.5.1 Auswahlregeln für elektronische Übergange 195 10.5.2 Gangige elektronische Chromophore 195 10.6 Fluoreszenzspektroskopie 199 10.6.1 Diagramm der Fluoreszenzenergieniveaus (Jablonski-Diagramm) 199 10.6.2 Interkombination (intersystem crossing) und Phosphoreszenz 200 10.6.3 Zwei-Photonen-Fluoreszenz (Two-Photon Fluorescence, TPF) 201 10.6.4 Zusammenfassung der Mechanismen für Raman-, Resonanz-Ramanund Fluoreszenzspektroskopie 201 10.7 Optische Aktivitat: elektronischer Zirkulardichroismus (ECD) und optische Rotation 203 10.7.1 Zirkular polarisiertes Licht und Chiralitat 203 10.7.2 Manifestation der optischen Aktivitat: optische Rotation, optische Rotationsdispersion und Zirkulardichroismus 204 10.7.3 Optische Aktivitat asymmetrischer Moleküle: das magnetische Übergangsmoment 206 10.7.4 Optische Aktivitat dissymmetrischer Moleküle: Übergangskopplung und Exzitonmodell 208 10.7.5 Optische Aktivitat in Molekülschwingungen 210 Aufgaben 211 Literatur 215 11 Gruppentheorie und Symmetrie 217 11.1 Symmetrieoperationen und Symmetriegruppen 218 11.2 Darstellung einer Gruppe 222 11.3 Symmetriedarstellungen molekularer Schwingungen 230 11.4 Symmetriebasierte Auswahlregeln für dipolzulassige Prozesse 234 11.5 Auswahlregeln für die Raman-Streuung 236 11.6 Charaktertafeln von gangigen Punktgruppen 237 Aufgaben 239 Literatur 240 Lösungen zu den Aufgaben 241 Anhang A Konstanten und Umrechnungsfaktoren 285 Anhang B Näherungsmethoden: Variations- und Störungstheorie 287 B.1 Allgemeine Bemerkungen 287 B.2 Variationsmethode 288 B.3 Zeitunabhangige Störungstheorie für nicht entartete Systeme 289 B.4 Detailliertes Beispiel für eine zeitunabhangige Störung: das Teilchen im Kasten mit geneigter Potenzialfunktion 290 B.5 Zeitabhangige Störung molekularer Systeme durch elektromagnetische Strahlung 295 Literatur 296 Anhang C Nicht lineare spektroskopische Methoden 297 C.1 Allgemeine Formulierung nicht linearer Effekte 297 C.2 Nicht koharente, nicht lineare Effekte: Hyper-Raman-Spektroskopie 298 C.3 Koharente nicht lineare Effekte 300 C.3.1 Frequenzverdopplung 300 C.3.2 Koharente Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) 302 C.3.3 Stimulierte Raman-Streuung (SRS) und femtosekundenstimulierte Raman-Streuung (FSRS) 305 C.4 Nachbemerkung 306 Literatur 307 Anhang D Fourier-Transformationsmethodik 309 D.1 Einführung in die Fourier-Transformationsspektroskopie 309 D.2 Datendarstellung in verschiedenen Domanen 310 D.3 Fourier-Serie 310 D.4 Fourier-Transformation 313 D.5 Diskrete und schnelle Fourier-Transformationsalgorithmen 315 D.6 FT-Implementierung in EXCEL oder MATLAB 316 Literatur 317 Anhang E Beschreibung der Spinwellenfunktionen durch Pauli-Spinmatrizen 319 E.1 Die Formulierung der Spin-Eigenfunktionen 𝛼 und 𝛽 als Vektoren 320 E.2 Form der Pauli-Spinmatrizen 321 E.3 Eigenwerte der Spinmatrizen 323 Literatur 324 Stichwortverzeichnis 325

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Book SynopsisIn-Situ Transmission Electron Microscopy Experiments Design and execute cutting-edge experiments with transmission electron microscopy using this essential guide In-situ microscopy is a recently-discovered and rapidly-developing approach to transmission electron microscopy (TEM) that allows for the study of atomic and/or molecular changes and processes while they are in progress. Experimental specimens are subjected to stimuli that replicate near real-world conditions and their effects are observed at a previously unprecedented scale. Though in-situ microscopy is becoming an increasingly important approach to TEM, there are no current texts combining an up-to-date overview of this cutting-edge set of techniques with the experience of in-situ TEM professionals. In-Situ Transmission Electron Microscopy Experiments meets this need with a work that synthesizes the collective experience of myriad collaborators. It constitutes a comprehensive guide for planning and performing in-situ TEM measurements, incorporating both fundamental principles and novel techniques. Its combination of technical detail and practical how-to advice makes it an indispensable introduction to this area of research. In-Situ Transmission Electron Microscopy Experiments readers will also find: Coverage of the entire experimental process, from method selection to experiment design to measurement and data analysis Detailed treatment of multimodal and correlative microscopy, data processing and machine learning, and more Discussion of future challenges and opportunities facing this field of research In-Situ Transmission Electron Microscopy Experiments is essential for graduate students, post-doctoral fellows, and early career researchers entering the field of in-situ TEM.Table of ContentsPreface xiii Acknowledgments xvii List of Abbreviations xix About the Author xxiii 1 In-Situ TEM 1 1.1 Introduction 1 1.2 General Scope of the Book 2 1.3 Why In-Situ TEM 3 1.4 TEM: Overview 4 1.4.1 Historical Perspective 4 1.4.2 Electron–Sample Interactions 4 1.4.3 Overview of Modern TEM 5 1.4.3.1 Electron Source or Electron Gun 5 1.4.3.2 Lenses 7 1.4.3.3 Lens Aberrations 7 1.4.3.4 Aberration Correctors 9 1.4.4 Data Acquisition Systems 9 1.4.4.1 Types of Detectors 9 1.5 TEM/STEM-Based Characterization Techniques 11 1.5.1 Diffraction 11 1.5.2 TEM Imaging Modes 12 1.5.3 Stem 14 1.5.4 Analytical TEM 14 1.5.4.1 Chemical Analysis 15 1.5.4.2 Eftem 19 1.5.4.3 Spectrum Imaging (SI) 20 1.6 Other Techniques 20 1.6.1 Lorentz Microscopy 20 1.6.2 Holography 22 1.6.2.1 In-Line Holography 22 1.6.2.2 Off-Axis Holography 22 1.6.3 UEM and DTEM 23 1.7 Introduction to Different Stimuli Used for In-Situ TEM 24 1.7.1 Heating (Chapter 3) 24 1.7.2 Cooling (Cryo TEM – Chapter 4) 24 1.7.3 Interactions with Liquid/Electrochemistry (Chapter 6) 24 1.7.4 Interaction with Gas Environment/Catalysis (Chapter 7) 25 1.7.5 Other Stimuli Not Included in this Book 25 1.7.5.1 Mechanical Testing 25 1.7.5.2 Ion Radiation/Implantation 25 1.7.5.3 Biasing 27 1.7.5.4 Magnetization 28 1.8 Potential Limitations and Cautions 29 1.9 Take-Home Messages 31 References 31 2 Experiment Design Philosophy 41 2.1 General 41 2.2 Choice of Technique and the Microscope 44 2.2.1 Stimulus and Technique Selection 44 2.2.2 Microscope Selection 45 2.2.2.1 Operating Voltage 45 2.2.2.2 TEM/STEM and Pole-Piece Gap 46 2.2.2.3 Image Acquisition System and Detectors 46 2.2.3 Development or Modification of New Tool 47 2.3 TEM Holder Design and Selection 47 2.4 Specimen Design and Preparation 48 2.4.1 Direct Dispersion on a TEM Grid 48 2.4.2 Sintering Pallets 49 2.4.3 Ultramicrotomy 50 2.4.4 Electropolishing 50 2.4.5 Mechanical and Ion Milling 50 2.4.6 Focused Ion Beam (FIB) 52 2.4.7 Tripod Polishing 54 2.4.8 Cryo Sample Preparation 54 2.5 Guidelines for Experimental Setup 55 2.5.1 Electron Beam Effects 55 2.5.2 Choice of TEM Grid and Support Material 56 2.5.2.1 Reactivity of Sample with Grid and/or Support Material 56 2.5.2.2 Reactivity of TEM Grids Upon Heating 57 2.5.2.3 Reactivity of TEM Grids in Gaseous Environment 58 2.5.2.4 Reactivity of Liquids with the Windows 59 2.5.2.5 Reactivity of Gases/Liquids with the TEM Holder Parts 59 2.5.3 Purity of Gases 60 2.5.4 Liquid Cell Experiments 62 2.5.5 Experiments Using Other Stimuli 63 2.6 Practical Example of Designing In-Situ TEM Experiment 63 2.6.1 Growth of GaN Nanowires Using ETEM 63 2.6.2 Applications of Quantitative Data 64 2.6.2.1 Physical and Materials Science 66 2.6.2.2 Catalysis 67 2.7 Review 67 References 68 3 In-Situ Heating 77 3.1 History 77 3.2 Currently Available Heating Holders 78 3.2.1 Direct Heating Holder 79 3.2.2 Indirect Heating Holders 79 3.2.2.1 Furnace Heating Holders 79 3.2.2.2 MEMS-Based Heating Holders 82 3.3 Experimental Considerations 84 3.3.1 General 84 3.3.2 Electron Beam 86 3.3.3 Sample Temperature at Nanoscale 88 3.3.4 Specimen Design and Selection 90 3.3.5 Thermal Drift 91 3.4 Select Applications 92 3.4.1 Dislocation Motion 93 3.4.2 Nucleation, Precipitation, and Crystallization 94 3.4.3 Sintering 98 3.4.4 Thermal Stability of Materials 100 3.4.4.1 Alloys 100 3.4.4.2 Core–Shell Structures 100 3.4.4.3 2-D Materials 102 3.4.5 Phase Transformation 102 3.4.6 Materials Synthesis 104 3.5 Limitations and Possibilities 105 3.6 Chapter Summary 106 References 106 4 In-Situ Cryo-TEM 115 4.1 Historical Perspective 116 4.2 Specimen Holder Design and Function 116 4.3 Specimen Design and Preparation 119 4.4 Practical Aspects of Performing Cryogenic Cooling 121 4.5 Some Noteworthy Applications 122 4.5.1 Mitigating Radiation Damage 123 4.5.1.1 Structure of Polymers 124 4.5.1.2 Structure of MOF and Zeolites 125 4.5.1.3 Cryo-TEM for Energy Materials 126 4.5.1.4 Reactions in Liquids 128 4.5.1.5 Quantum and 2-D Materials 129 4.5.2 Phase Transformations Below RT 132 4.5.3 Correlative In-Situ Experiments at Low Temperature 135 4.5.3.1 Mechanical Testing 135 4.5.3.2 Magnetic Field 136 4.6 Benefits and Limitations 137 4.7 Chapter Summary 138 References 138 5 Designing Liquid and Gas Cell Holders 145 5.1 Historical Perspective 146 5.2 Design Philosophy 146 5.3 Windows 149 5.3.1 Image Resolution: Thickness and Material Properties of the Windows 149 5.3.2 Strength and Flexibility 150 5.3.3 Tolerance for the Pressure Difference 151 5.3.4 Inert or Corrosion Resistant 153 5.4 Microfabricated Window Cell (Microchips) 154 5.4.1 Static Cells 157 5.4.2 Flow Cells 159 5.4.3 Incorporation of Other Stimuli 161 5.4.4 Monolithic Microchips 162 5.5 Examples of Modified Window Holders 163 5.5.1 Redesigning the Microchips for Commercial Holder 164 5.5.2 Modified Window Microchips and TEM Holder Combination 166 5.5.3 Non-window Cell Holder to Incorporate Other Stimuli 166 5.6 Take Home Message 167 References 168 6 In-Situ Solid–Liquid Interactions 173 6.1 Historical Perspective 173 6.2 Holder Design and Selection 175 6.2.1 Closed Cells 175 6.2.1.1 Graphene Cells 175 6.2.1.2 Microfabricated Window Cell 178 6.2.2 Limitations of Closed Cells and Need for External Stimuli 178 6.2.3 Flow Reactors: Microfluidic Design 178 6.2.4 Electrochemical Cell: Biasing 181 6.2.5 Heating in Liquids 182 6.3 Specimen Design and Preparation 184 6.4 Data Acquisition 185 6.5 Practical Challenges 185 6.5.1 Sample Loading 185 6.5.2 Electron Beam Effects 187 6.5.3 Windows Bulging 188 6.5.4 Interaction of Sample with Windows 189 6.6 Select Examples of Applications 190 6.6.1 Nucleation and Growth of Nanoparticles 190 6.6.2 Corrosion/Oxidation 192 6.6.3 Galvanic Replacement Reactions 193 6.6.4 Growth of Core–Shell Nanoparticles 194 6.6.5 Soft Nanomaterials Analyzed by In-Situ Liquid TEM 195 6.6.6 Quantitative Electrochemical Measurements 197 6.6.7 Battery Research 198 6.6.7.1 Open Cell 199 6.6.7.2 Closed Liquid Cell 200 6.7 Limitations 201 6.8 Take-Home Messages 202 References 203 7 In-Situ Gas–Solid Interactions 215 7.1 Historical Perspective 215 7.2 Current Strategies 218 7.2.1 Window Holders 218 7.2.1.1 Incorporation of Other Stimuli 221 7.2.1.2 Specimen Design and Preparation 221 7.2.1.3 Practical Challenges for Gas-Cell Holders 221 7.2.1.4 Review of Benefits and Limitations of Gas-Cell Holders 222 7.2.2 Environmental Microscopes (Open Cell) 223 7.2.2.1 ETEM Combined with Gas Injection Sample Holder 223 7.2.2.2 Differentially Pumped TEM 224 7.3 Gas Manifold Design and Construction 227 7.4 Practical Aspects of Performing Experiments in Gas Environment 228 7.4.1 Electron Beam Effects 229 7.4.2 Gas Pressure and Resolution 231 7.4.3 Sample Temperature and Cell Pressure 232 7.4.4 Anticontamination Device 233 7.5 Select Examples of Applications 234 7.5.1 Effect of Gas Environment on Catalyst Nanoparticles 234 7.5.2 Carbon Nanotube (CNT) Growth 236 7.5.3 Nanowire Growth 237 7.5.4 Electron-Beam-Induced Deposition 238 7.5.5 REDOX Reactions 239 7.5.6 Gas Adsorption Sites 241 7.6 Review of Benefits and Limitations 243 7.7 Take-Home Messages 244 References 245 8 Multimodal and Correlative Microscopy 255 8.1 Multimodal TEM 256 8.1.1 Parallel Ion Electron Spectrometry (PIES) 257 8.1.2 Hybrid Microscope 258 8.1.3 Alternatives to Free Space Approach 260 8.1.4 Introducing Light for Other Applications 263 8.1.4.1 Through Sample Chamber Port 263 8.1.4.2 Through Sample Holder 264 8.1.5 Laser Alignment 269 8.2 Correlative Approaches 269 8.2.1 TEM and SEM 270 8.2.2 Electron and X-ray Microscopies and Spectroscopies 272 8.2.2.1 Portable Reactor for Various Platforms 274 8.2.2.2 Independent Correlative Measurements 278 8.3 Take Home Messages 280 References 280 9 Data Processing and Machine Learning 285 9.1 History of Image Simulation and Processing 285 9.1.1 Image Simulations 286 9.1.2 Image Processing 286 9.2 Current Status 289 9.2.1 Progress for Image Simulations 289 9.2.2 Progress in Data (Image) Processing 290 9.3 Data Management 291 9.4 Data Processing and Machine Learning (ML) 292 9.4.1 What Is Machine Learning? 293 9.4.1.1 Unsupervised ml 293 9.4.1.2 Supervised ml 294 9.4.2 Motivation 296 9.4.3 Current Status 298 9.5 Select Applications 300 9.5.1 Noise Reduction 300 9.5.2 Structure Determination 301 9.5.2.1 Diffraction Pattern Analysis 302 9.5.2.2 Image Analysis 303 9.5.2.3 Atomic Column Heights (3-D Structure) 305 9.5.2.4 Other Applications 305 9.6 Future Needs 307 9.7 Limitations 309 9.8 Take Home Messages 309 References 310 10 Future Vision 317 10.1 Historical Aspect 318 10.2 Current Status 318 10.2.1 Etem 318 10.2.2 UEM and DTEM 319 10.2.3 Stroboscopic TEM 319 10.2.4 Pies 319 10.3 Technical Challenges 319 10.3.1 List of Major Workshops 320 10.3.2 Open Challenges and Technical Roadmaps 323 10.3.2.1 Specific for Battery Research 323 10.3.2.2 Specific for Liquid-Cell TEM 324 10.3.2.3 Specific for Catalysis 324 10.3.2.4 Specific for Quantum Materials 325 10.4 Developing Relevant Strategies 326 10.4.1 Modifying Base TEM/STEM Unit 327 10.4.2 TEM Holders with Multiple Stimuli 332 10.4.3 Automation and Autonomous Operation 336 10.4.3.1 Automation 336 10.4.3.2 Autonomous Experiments 338 10.5 Take Home Messages 340 References 340 Index 349

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Book SynopsisExplore modern waste heat recovery technology across a variety of industries In Waste Heat Recovery in Process Industries, esteemed thermal engineer Hussam Jouhara delivers an organized and comprehensive exploration of waste heat recovery systems with a focus on industrial applications in different temperature ranges. The author describes various waste heat recovery systems, like heat exchangers, waste heat boilers, air preheaters, direct electrical conversion devices, and thermal storage. The book also offers discussions of the technologies and applications relevant to different temperature ranges present in industrial settings along with revealing case studies from various industries. Waste Heat Recovery in Process Industries examines a variety of industries, from steel to ceramics, chemicals, and food, and how plants operating in these sectors can use waste heat to improve their energy efficiency, reduce energy costs, and minimize their carbon footprint. The book also offers: A thorough introduction to waste heat recovery systems, including recuperative and regenerative burners, heat exchangers, waste heat boilers, air preheaters, and heat pumps Comprehensive explorations of low temperature applications, below 100°C, including advantages and drawbacks, as well as illustrative case studies Practical discussions of medium temperature applications, between 100°C and 400°C, including case studies In-depth examination of high temperature applications, above 400°C, including several case studies Perfect for chemical, mechanical, process, and power engineers, Waste Heat Recovery in Process Industries is also an ideal resource for professionals working in the chemical, metal processing, pharmaceutical, and food industries. Table of ContentsPreface xiii 1 Thermodynamic Cycles 1 1.1 Introduction to Thermodynamic Cycles 1 1.2 Rankine Cycle 1 1.2.1 Introduction 1 1.2.2 Thermodynamic Diagrams 2 1.2.3 The Carnot Cycle 10 1.2.4 Ideal and Actual Rankine Cycles 12 1.2.4.1 Ideal Cycle 13 1.2.4.2 Superheated Rankine Cycle 15 1.2.4.3 Actual Rankine Cycle 17 1.2.4.4 Improvements to the Rankine Cycle 19 1.2.4.5 Regenerative Rankine Cycles 22 1.2.4.6 Cogeneration 26 1.2.5 Other Configurations of the Rankine Cycle 29 1.2.5.1 Supercritical Rankine Cycles 29 1.2.5.2 Reverse Rankine Cycles 30 1.2.6 Rankine Cycles in Power Plants 31 1.2.6.1 Fossil Fuel Power Plants 31 1.2.6.2 Nuclear Power Plants 32 1.2.6.3 Overall Efficiency of a Power Plant 32 1.2.6.4 Case Studies 33 1.3 Organic Rankine Cycle 34 1.3.1 Configurations of ORC 35 1.3.1.1 Basic ORC Configuration 35 1.3.1.2 ORC with Preheating 36 1.3.1.3 Recuperative ORC 38 1.3.1.4 Recuperative ORC with Preheating 39 1.3.2 Organic Working Fluids 40 1.3.3 Organic Working Fluid Selection 42 1.3.4 Applications of the ORC 45 1.3.4.1 Waste Heat Recovery 45 1.4 Kalina Cycle 46 1.4.1 Cycle Fundamentals 46 1.4.1.1 Why Use Ammonia–Water Solution in Kalina Cycle? 48 1.4.2 Advantages and Drawbacks 49 1.4.2.1 Advantages 49 1.4.2.2 Drawbacks 50 1.4.3 Applications of the Kalina Cycle 50 1.4.3.1 The Different Configurations of the Cycle 51 1.4.4 Case Studies 53 1.5 Brayton Cycle 53 1.5.1 Regenerative Brayton Cycle (Regenerator) 57 1.5.1.1 Compressor Analysis 58 1.5.1.2 Turbine Analysis 58 1.5.1.3 Heat Supplied to the Cycle 59 1.5.2 Regenerative Brayton Cycle (Reheater and Intercooler) 59 1.5.2.1 Intercooling 60 1.5.2.2 Reheating 60 1.6 Chapter Summary 61 References 62 2 Waste Heat Recovery 67 2.1 Burner and Air Preheaters 67 2.1.1 Recuperators 67 2.1.1.1 Recuperative Burners 68 2.1.1.2 Classifying Recuperative Burners 71 2.1.1.3 Efficiency Improvement and Fuel Savings 72 2.1.2 Regenerators 74 2.1.2.1 Rotary Regenerators 74 2.1.2.2 Static Regenerators 75 2.1.2.3 Regenerative Burners 75 2.1.3 Burner Technology Comparison 76 2.1.4 No X Formation 77 2.1.5 Run-Around Coil 78 2.2 Heat Exchangers 79 2.2.1 Shell and Tube HEXs 79 2.2.1.1 Construction 80 2.2.1.2 Applications and Limitations 82 2.2.2 Plate Heat Exchanger 82 2.2.2.1 Spiral Plate Heat Exchanger 83 2.2.3 Heat Pipe Heat Exchanger 83 2.2.4 Compact HEX 85 2.3 Waste Heat Boilers 86 2.3.1 Different WHB Designs 87 2.3.2 WHB Methodologies 88 2.3.2.1 Feed Water Preheating Effect 88 2.3.2.2 Optimising Thermodynamic Cycles 89 2.3.2.3 Heat Recovery Boiler with Water Spray Systems 91 2.3.3 Failure Modes 92 2.3.3.1 Failure Modes Analysis 92 2.4 Heat Recovery Steam Generators 93 2.4.1 Construction of Waste HRSG 94 2.4.1.1 HRSG Design and Construction 95 2.4.1.2 Evaporator 95 2.4.1.3 Superheater 96 2.4.1.4 Economiser 96 2.4.1.5 Steam Drum 96 2.4.1.6 Evaporator Types 96 2.4.1.7 Horizontal Tube HEXs 98 2.4.1.8 Natural Circulation HRSGs 98 2.4.1.9 Assisted (or Forced) Circulation HRSGs 99 2.4.1.10 Tube Materials 99 2.4.1.11 The ‘Pinch Point’ and Other Effects 100 2.5 Heat Pumps 100 2.5.1 Fundamental Principles of Heat Pumps 100 2.5.1.1 Cooling Mode 101 2.5.1.2 Heating Mode 101 2.5.2 Variation of Heat Pump System 102 2.5.2.1 Air Source Heat Pump System 103 2.5.2.2 Ground Source Heat Pump System 103 2.5.2.3 Water Source Heat Pump System 105 2.5.2.4 Water Loop Heat Pump System 105 2.5.2.5 Exhaust Air System 106 2.5.2.6 Hybrid Heat Pump 106 2.5.2.7 Solar-Assisted Heat Pumps 106 2.6 Direct Electrical Conversion Device 107 2.6.1 TEG – Working Principle 108 2.6.2 The Seebeck Effect 109 2.6.3 The Peltier Effect 109 2.6.3.1 Applications of the Peltier Effect 110 2.6.4 Thomson Effect 110 2.6.5 Joule Heating 111 2.6.6 Theoretical Principle 112 2.6.7 Figure of Merit 112 2.6.8 Fermi Level 113 2.6.9 Nano-Sizing 114 2.6.10 Efficiency of TEG 115 2.7 Thermal Storage 116 2.7.1 Sensible Heat Storage 117 2.7.2 Latent Heat Storage 120 2.7.3 Thermochemical Storage 123 2.7.4 Phase Change Materials 123 2.7.5 Organic Material 125 2.7.6 Inorganic PCMs 128 2.7.7 Eutectic PCMs 128 2.7.8 PCM Methodologies 129 2.7.8.1 Encapsulation of PCMs 129 2.7.8.2 Microencapsulated PCMs 129 2.7.8.3 Macroencapsulation of the PCMs 132 2.7.8.4 Nanomaterial PCMs 132 2.7.8.5 Shape Stabilisation 135 2.8 Design Development Methods 135 2.8.1 Introduction 135 2.8.2 Heat Exchangers 140 2.8.2.1 Local Heat Transfer 140 2.8.2.2 LMTD Method 147 2.8.2.3 Effectiveness-Number of Transfer Units (ε-NTU) Method 151 2.8.3 Regenerative and Recuperative Burners 152 2.8.3.1 Regenerative Burners 154 2.8.3.2 Recuperative Burners 156 2.8.4 Waste Heat Boilers 157 2.8.5 Air Preheaters 160 2.8.6 Heat Recovery Steam Generator 166 2.8.7 Heat Pumps 170 2.8.8 Direct Electrical Conversion Device 173 2.8.9 Thermal Storage 176 References 178 3 Low-Temperature Applications 191 3.1 Refrigeration 191 3.2 Cryogenics 198 3.2.1 Loop Heat Pipe 199 3.3 HVAC 204 References 209 4 Medium-Temperature Applications 213 4.1 Food Industry 213 4.1.1 Energy Use in the Industry 213 4.1.2 Case Study 1: Heat Recovery Potential of the Crisps Manufacturing Process 214 4.1.3 Case Study 2: Temperature and Energy Performance of Open Refrigerated Display Cabinets Using Heat Pipe Shelves 215 4.2 Ventilation 221 4.2.1 Applications 221 4.3 Solar Energy 223 4.4 Geothermal Energy 230 4.5 Automotive Industry 233 4.5.1 Industrial Processes 235 4.6 Aviation 237 References 239 5 High-Temperature Applications 245 5.1 Steel Industry 245 5.1.1 TEG Modules 246 5.1.2 Heat Exchangers 246 5.1.2.1 Application 1: Slag Particles Blast Furnace Retrofit 246 5.1.2.2 Application 2: Flat Heat Pipe Heat Exchanger 247 5.1.3 Recuperators 249 5.1.3.1 Application 1: Heat Recuperator for Steel Slag 249 5.2 Ceramic Industry 251 5.2.1 Introduction 251 5.2.2 Heat Exchangers 251 5.2.2.1 Application 1: Radiative Heat Pipe 251 5.2.2.2 Application 2: Multi-Pass Heat Pipe 252 5.2.2.3 Application 3: Forced Convection Heat Pipe 253 5.3 Cement Industry 254 5.3.1 Gas Suspension Preheaters 255 5.3.1.1 Application 1 255 5.3.1.2 Application 2 256 5.3.2 Heat Pipe Thermoelectric Generator 256 5.4 Aluminium Industry 258 5.4.1 Rotary Regenerator 258 5.4.2 Heat Exchangers 258 5.4.3 Heat Pumps 258 5.4.4 Recuperators 260 5.4.4.1 Radiative Recuperator 260 5.4.4.2 Convective Recuperator 261 5.4.4.3 Hybrid Recuperator 262 5.4.5 Thermoelectric Device 262 5.4.6 Regenerative Burner 262 5.4.7 Preheating Scrap 264 5.4.8 De-coating 265 References 265 Index 269

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Book SynopsisExplores the potential of new types of anion-binding catalysts to solve challenging synthetic problems Anion-Binding Catalysis introduces readers to the use of anion-binding processes in catalytic chemical activation, exploring how this approach can contribute to the future design of novel synthetic transformations. Featuring contributions by world-renowned scientists in the field, this authoritative volume describes the structure, properties, and catalytic applications of anions as well as synthetic applications and practical analytical methods. In-depth chapters are organized by type of catalyst rather than reaction type, providing readers with an accessible overview of the existing classes of effective catalysts. The authors discuss the use of halogens as counteranions, the combination of (thio)urea and squaramide-based anion-binding with other types of organocatalysis, anion-binding catalysis by pnictogen and tetrel bonding, nucleophilic co-catalysis, anion-binding catalysis by pnictogen and tetrel bonding, and more. Helping readers appreciate and evaluate the potential of anion-binding catalysis, this timely book: Illustrates the historical development, activation mode, and importance of anion-binding in chemical catalysis Explains the analytic methods used to determine the anion-binding affinity of the catalysts Describes catalytic and synthetic applications of common NH- and OH-based hydrogen-donor catalysts as well as C-H triazole/triazolium catalysts Covers amino-catalysis involving enamine, dienamine, or iminium activation approaches Discusses new trends in the field of anion-binding catalysis, such as the combination of anion-binding with other types of catalysis Presenting the current state of the field as well as the synthetic potential of anion-binding catalysis in future, Anion-Binding Catalysis is essential reading for researchers in both academia and industry involved in organic synthesis, homogeneous catalysis, and pharmaceutical chemistry. Table of ContentsPreface xi List of Abbreviations xiii 1 From Anion Recognition to Organocatalytic Chemical Reactions 1 Friedemann Dressler and Peter R. Schreiner 1.1 Introduction and Background 1 1.1.1 Evolution of Thiourea-Based Catalysts 10 1.1.2 Evolution of Triazole-Based Catalysts 22 1.1.3 Progress on Halogen-Binding-Based Catalysts 25 1.1.4 Miscellaneous Anion-Binding Catalysts 26 1.2 Concepts in Anion-Binding Catalysis 31 1.2.1 Introduction 31 1.2.2 Anion-Binding Catalysis in Addition Reactions 36 1.2.3 Anion-Binding Catalysis in Substitution Reactions 44 1.2.4 Anion Binding in Cooperative Catalysis 54 1.2.5 Anion-Binding in Lewis Acid Enhancement Catalysis 57 1.2.6 Anion-Binding in Phase Transfer Catalysis 59 1.3 Summary and Outlook 62 Acknowledgment 63 References 64 2 Anion Recognition and Binding Constant Determination 79 Edward G. Sheetz, David Van Craen, and Amar H. Flood 2.1 Introduction to Supramolecular Chemistry and Binding Constant Determination 79 2.1.1 Chapter Overview 79 2.1.2 Supramolecular Chemistry and Its Connection to Anion-Assisted Catalysis 80 2.1.3 Brief History of Advances in Supramolecular Anion Binding 84 2.1.4 Predicting the Model of Association and Simulating the Expected Species Distribution Profiles and Binding Curves 86 2.2 Equilibrium Constants, Binding Curves, Titration Conditions, and Errors 87 2.2.1 Physical Origins of Equilibrium Binding Constants 87 2.2.2 Explanation of the Basis for Titration Techniques and Binding Curves 88 2.2.3 Hirose’s Rule and Picking the Right Concentration, Solvent, and Technique 89 2.2.4 Error Determination 92 2.3 Experimental Techniques: NMR Spectroscopy 92 2.3.1 When to Use 92 2.3.2 Slow Exchange vs. Fast Exchange 93 2.3.3 Determination of the Underlying Equilibria 94 2.3.4 Software for Non-linear Regression Fitting 95 2.3.5 Common Issues 97 2.4 Experimental Techniques: UV–Vis Spectroscopy 97 2.4.1 When to Use 97 2.4.2 Physical Origins of Optical Phenomena 97 2.4.3 Software for Non-linear Regression Analysis of UV–Vis Titrations 98 2.4.4 Common Issues 99 2.5 Underappreciated Concerns in Binding Constant Determination: Multiple Binding Equilibria 99 2.5.1 When to Expect Additional Equilibria 99 2.5.2 How to Diagnose Additional Equilibria 100 2.5.3 How to Account for Additional Equilibria 101 2.6 Underappreciated Concerns in Binding Constant Determination: Ion Pairing 102 2.6.1 When to Expect Ion Pairing 102 2.6.2 Role of Solvent and Concentration in Ion Pairing 103 2.6.3 How to Diagnose Ion Pairing 103 2.7 Underappreciated Concerns in Binding Constant Determination: Kinetic Processes 104 2.8 Connecting Equilibrium Constants to Structures and Catalysis 104 2.9 Conclusion 105 Acknowledgment 105 References 105 3 (Thio)urea and Squaramide-Catalyzed Anion-Binding Catalysis with Halogen Anions 111 Matthew A. Horwitz and Véronique Gouverneur 3.1 Introduction 111 3.2 History and Background 111 3.3 Asymmetric Catalysis by Catalyst Association with the Electrophile 113 3.3.1 Examples Utilizing the N-Acyliminium Chloride Ion Pair 113 3.3.1.1 Pictet–Spengler Reaction and Variants 113 3.3.1.2 Intramolecular Cyclizations with Other (Hetero)aromatic Nucleophiles 115 3.3.1.3 Intramolecular and Intermolecular aza-Sakurai Reaction 116 3.3.1.4 Mannich Reaction and Variants 120 3.3.1.5 Petasis-Type Reactions 121 3.3.2 Examples Utilizing Electrophiles Other than N-Acyliminium Ion Precursors 123 3.3.2.1 Utilization of Oxocarbenium and Pyrone Intermediates 123 3.3.2.2 Glycosylation Reactions Utilizing HBD–Halide Binding 126 3.3.2.3 Utilization of Non-heteroatom-Stabilized Carbocations as Electrophiles 127 3.4 Asymmetric Catalysis by Catalyst Association with the Nucleophile 129 3.4.1 Catalyst-Nucleophile Association in Phase-Transfer Catalysis 130 3.4.1.1 Investigation of Hydrogen-Bonded Fluoride: Structure and Reactivity 130 3.4.1.2 Development of Hydrogen-Bonding Phase-Transfer Catalysis (HBPTC) 130 3.4.1.3 Development of Acyl-Transfer Catalysis with Hydrogen-Bonded Fluoride 134 3.4.2 Catalyst–Nucleophile Association in Homogeneous Catalysis 135 3.5 Conclusions and Outlook 136 Acknowledgments 137 References 137 4 Chiral Ureas, Thioureas, and Squaramides in Anion-Binding Catalysis with Co-catalytic Brønsted/Lewis Acids 141 Adam Trotta and Eric N. Jacobsen 4.1 Introduction 141 4.2 Carboxylic Acid Co-catalysts 141 4.3 Sulfonic Acid Co-catalysts 148 4.4 Mineral Acid Co-catalysts 152 4.5 Lewis Acid Co-catalysts 155 4.6 Conclusions and Outlook 157 References 157 5 Anion-Binding Catalysis with Other Anions 161 Sankash Mitra and Santanu Mukherjee 5.1 Introduction 161 5.2 Cyanide Anion 162 5.2.1 Strecker Reaction 163 5.2.2 Acylcyanation of Imines 168 5.3 Oxygen-Based Anions 169 5.3.1 Alkoxides and Enolates 169 5.3.2 Enolates of Lactones, Cyclic Anhydrides, and Imides 174 5.3.3 Carboxylates 182 5.4 Conclusions and Outlook 192 References 193 6 Silanediols, Phosphoramides, and Other OH- and NH-Based H-Donor Catalysts 201 Alexandria Leveille and Anita Mattson 6.1 Introduction 201 6.2 Silanediols 201 6.2.1 Introduction 201 6.2.2 Overview of Silanols in Anion Binding and Catalysis 202 6.2.3 Silanediol Anion-Binding Catalysis 203 6.2.4 Alkoxysilanediol Anion Binding Catalysis 207 6.3 Siloxanes 208 6.4 Thiophosphoramides 210 6.5 Cyclodiphosphazanes 213 6.6 Other Examples 215 6.6.1 Xanthene–Diamine Scaffold 215 6.6.2 Croconamides 216 6.6.3 Pyrrole-Based Anion-Binding Catalyst 217 6.6.4 Bisamidine Catalysts 217 6.7 Conclusions 218 References 218 7 1,2,3-Triazoles and 1,2,3-Triazolium Ions as Catalysts 221 Kohsuke Ohmatsu and Takashi Ooi 7.1 Introduction 221 7.2 Triazole-Based Anion-Binding Molecular Catalysts 224 7.3 Triazolium Ions as Organic Molecular Catalysts with Anion-Binding Ability 231 7.4 Triazolium Ions in Dual Functional Catalysts 240 7.5 Conclusion 241 References 242 8 Quaternary Ammonium, Phosphonium, and Tertiary Sulfonium Salts as Hydrogen-Bonding Catalysts 249 Seiji Shirakawa 8.1 Introduction 249 8.2 Hydrogen-Bonding Ability of Quaternary Ammonium Salts 249 8.3 Hydrogen-Bonding Catalysis of Quaternary Ammonium Salts 251 8.4 Hydrogen-Bonding Catalysis of Quaternary Phosphonium Salts 257 8.5 Hydrogen-Bonding Catalysis of Tertiary Sulfonium Salts 260 8.6 Conclusion 264 References 264 9 Assisted and Dual Anion Binding in Amino and Nucleophilic Catalysis 271 Efraim Reyes, Qui-Nhi Duong, Liher Prieto, Olga García Mancheño, and José L. Vicario 9.1 Dual Amino/H-Bond Donor Catalysis 271 9.1.1 Enamine Activation 272 9.1.2 Dienamine Activation 276 9.1.3 Iminium Ion Activation 278 9.1.4 Vinylogous Iminium Ion Activation 283 9.2 Thiourea – Pyridine-Based Nucleophilic Dual Catalysis 284 9.2.1 Kinetic Resolution and Desymmetrization of Amines 284 9.2.2 Asymmetric Steglich Rearrangement 290 9.2.3 Other Acylation Reactions 296 9.2.4 Anion-Binding-Assisted Polymerization Reactions 296 9.3 Conclusions 298 References 299 10 Anion-Binding Catalysis by Halogen, Chalcogen, Pnictogen, and Tetrel Bonding 307 Raffaella Papagna, Lukas Vogel, and Stefan M. Huber 10.1 History of Halogen Bonding 307 10.2 History of Chalcogen Bonding 310 10.3 History of Pnictogen and Tetrel Bonding 314 10.4 Differences Between Hydrogen Bonding and Other Secondary Interactions 315 10.5 Secondary Bonding in Anion Recognition 316 10.6 Halogen Bonding in Anion-Binding Catalysis 322 10.7 Chalcogen Bonding in Anion-Binding Catalysis 328 10.8 Pnictogen and Tetrel Bonding in Anion-Binding Catalysis 331 10.9 Conclusion 333 References 334 11 New Trends and Supramolecular Approaches in Anion-Binding Catalysis 345 María C. Pérez-Aguilar, Melania Gómez-Martínez, Jan Kuhlmann, and Olga García Mancheño 11.1 General Introduction 345 11.2 Dual Photoredox and Anion-Binding Catalysis 345 11.3 Combination of Metal and Anion-Binding Catalysis 351 11.3.1 Anion-Binding Assisted Hydrogenation Reactions 351 11.3.2 Hydroformylation Reactions 355 11.3.3 Anion-Binding – Metal-Catalyzed C–C Forming Reactions 358 11.4 Supramolecular Approaches Involving Anion-Binding Catalysis 359 11.4.1 Mechanically Interlocked Molecules in Anion-Binding Catalysis 359 11.4.1.1 Molecular Knots as Anion-Binding Catalysts 360 11.4.1.2 Rotaxanes as Anion-Binding Catalysts 363 11.4.2 Molecular Motors in Anion-Binding Catalysis 364 11.4.3 Macrocycles in Anion-Binding Catalysis 365 11.5 Anion–π Catalysis 368 11.5.1 Anion–π-Catalyzed Kemp Elimination Reaction 369 11.5.2 Anion–π Interactions in Enolate Chemistry 370 11.5.3 Epoxide-Opening – Ether Cyclization Reactions 372 11.5.4 Enantioselective Anion–π Catalysis 373 11.5.5 Miscellaneous 376 11.6 Conclusion and Outlook 376 References 377 Index 387

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Book SynopsisDrug Development for Malaria Provides readers with first-hand advice for the development of novel antimalarial drugs This book provides a systematic overview of antimalarial drug development and presents a wealth of data and insight from drug developers across three continents, including many from countries where the disease is endemic. Throughout, the contributions have been written with the drug developer in mind, highlighting challenges but also opportunities for the successful development of effective antimalarial drugs. Case studies and method-oriented chapters provide an abundance of practical first-hand advice on how to successfully develop an antimalarial drug. Key topics covered in the book include: The performance of current drugs and therapies, the influence of formulation and targeted delivery, and strategies to overcome drug resistance. Technologies and approaches for development of novel drugs, such as assays, computer-aided drug design, known and potential drug targets, and natural sources for novel antimalarial compounds Vaccination as an alternative to drug therapy For chemists and other professionals working in industries related to medicine and pharmaceuticals, this book provides a completely comprehensive overview of the current state of novel antimalarial drugs and how they can be developed in an efficient and cost-effective manner.Table of ContentsINTRODUCTIONPast, Present and Future Drug Development for Malaria CHALLENGES AND OPPORTUNITIES IN MALARIA THERAPYScientific Challenges and Treatment Opportunities in the Face of Shifting Malaria EpidemiologyRecent Advances in Malaria Vaccine DevelopmentEmerging Formulation Technologies against Malaria ResurgenceTargeted Drug Delivery for Malarial TherapyThe Imminent Threat of Antimalarial Drug ResistanceCurrent Therapies and New Drug Targets for the Future Drug Development of Drug Resistant MalariaBringing an Antimalarial Drug to MarketDRUG DEVELOPMENTAssays for Antimalarial Drug DiscoveryRole of Computer Aided Drug Design (CADD) in Designing Anti-malarial AgentsAminoacyl-tRNA Synthetases as Malarial Drug Targets: A Structural Biology PerspectiveRole of Natural Compounds for Prevention and Treatment of MalariaNatural Products as a source for Antimalarial Drug Development ProcessAn Overview into the Anti-plasmodial South African Medicinal PlantsThe Antimalarial Potential of MushroomsCASE STUDIESDiscovery and Trends of 8-Aminoquinoline and 4-Aminoquinoline Classes of AntimalarialsDiscovery and Development of ArtemisininSynthesis, Characterization and Antimicrobial Drug Efficacy of the Oxaborole DerivativesDiscovery and Development of beta (β)-Carboline Derivatives as Anti-malarial Agents

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Book SynopsisMetallosurfactants Provides up-to-date coverage of the synthesis, properties, and applications of metallosurfactants Metallosurfactants: From Fundamentals to Catalytic and Biomedical Applications is a thorough introduction to amphiphilic compounds that allow to incorporate metal ions in the surfactant system. This comprehensive reference and guide describes the fundamentals of metal surfactant complexes, highlights recent advances in the field, and explores current and future applications and research areas. Gradually progressing from basic to advanced topics, the authors first explain the classification and characterization of metallosurfactants before delving into more complex concepts and various catalytic, sensing, and biomedical applications. The book begins with coverage of the synthesis of metallosurfactants and their surface, interfacial, and aggregation behavior. Subsequent chapters discuss applications of metallosurfactants in areas such as drug delivery, molecular machines, transfection, nanoparticle synthesis, and carbon monoxide-releasing molecules (CORMs). Other topics include the use of metallosurfactants as catalysts in organic reactions, and as anticancer and antimicrobial agents in drug delivery and formulation. This unique reference Provides an overview of the structure-function relationship, synthesis methods, and characterization of metallosurfactants Reviews current trends in metallosurfactant development and research Examines the use of metallosurfactants in a wide range of reactions, including esterolytic reactions and hydrogen generation Discusses advanced applications of metallosurfactants, e.g. as nanoreactors for nanoparticle synthesis, non-viral transfection vectors, and sensors Metallosurfactants: From Fundamentals to Catalytic and Biomedical Applications is an excellent introduction to the growing field of metallosurfactant chemistry as well as a concise, highly useful reference for researchers and scientists in both academia and industry.Table of ContentsPreface xi 1 Metallosurfactants, a “Novel Portmanteau”: A Holistic Insight into the Structural–Physiognomies Relationships, Synthesis Stratagems, and Characterization 1Ankush Parmar, Shilpee Sachar, and Shweta Sharma 1.1 Introduction 1 1.2 Intrinsic Physiognomies of Metallosurfactants 3 1.3 Classification of Metallosurfactants 6 1.4 Syntheses Stratagems and Characterization of Metallosurfactants 8 1.4.1 Metathesis Reaction 8 1.4.2 Ligand Substitution Reaction 9 1.4.3 Ligand Insertion Reaction 10 1.5 Conclusion 10 References 14 2 Metallosurfactants: A Surface and Interface Perspective 21Ravneet Kaur, Neena Mehta, and Surinder K. Mehta 2.1 Introduction 21 2.2 Micellization and Surface Parameters 22 2.2.1 Thermodynamics of Micellization 23 2.2.2 Adsorption Parameters 24 2.3 Adsorption of Surfactant Monolayers 34 2.4 Conclusions 36 References 36 3 Metallosurfactant Self-Assembly: Structures and Chemistry of Interfacial, Biphasic, and Phase Transfer Catalysis 39Ravneet Kaur and Aashima Sharma 3.1 Introduction 39 3.2 Self-Aggregation Behavior 40 3.2.1 Micelles 40 3.2.2 Inverted Micelles 44 3.2.3 Vesicles 46 3.2.4 Lamellar Phases 49 3.3 Chemistry of Catalysis 50 3.3.1 Micellar Catalysis 51 3.3.2 Vesicular Structures in Catalysis 53 3.3.3 Interfacial Catalysis 56 3.4 Conclusions 58 Acknowledgment 58 References 58 4 Hydrolytic Metallosurfactants: Nanocatalysts for Esterolytic Reactions 63Bhanushree Gupta, Rahul Sharma, and Kallol K. Ghosh 4.1 Introduction 63 4.2 Metallosurfactants as Nanocatalyst for Esterolytic Reactions 64 4.3 Catalytic Hydrolysis of Carboxylate Esters 65 4.4 Catalytic Hydrolysis of Phosphate Esters 70 4.5 Quantitative Treatment of Observed Rates: Application of Kinetic Models 77 4.6 Conclusion 78 References 79 5 Metallosurfactants as Catalysts in Organic Reactions and Energy-Based Applications 83Sakshi Goel and Supriya Rana 5.1 Introduction 83 5.2 Metallosurfactants as Catalysts in Organic Reactions 85 5.2.1 Types of Reactions 85 5.2.2 NHC Metallosurfactant-Catalyzed Reactions 88 5.2.3 Stimuli-Responsive Metallosurfactant-Catalyzed Reactions 89 5.2.4 Miscellaneous Reactions 90 5.3 Metallosurfactants as Catalyst in Water Oxidation 91 5.4 Light-Driven Hydrogen Generation 95 5.5 Conclusions 97 References 98 6 Metallosurfactants as Drug-Delivery Vehicles 103Rohini Kanwar, Amit Kumar, Jyoti Rathee, and Surinder K. Mehta 6.1 Introduction 103 6.2 Distinct Assemblies of Metallosurfactants in Drug Delivery 105 6.2.1 Metallosomes as Drug-Delivery Agents 105 6.2.2 Metallosurfactants and Its Self-Assembled Structures as Nanovectors 107 6.2.3 Metallosurfactant Co-polymer-Based Micellar Systems for Drug Delivery 108 6.3 Metallosurfactants as MRI Contrast Agents 109 6.4 Conclusion 112 Acknowledgments 112 References 112 7 Metallosurfactants as Molecular Machines for the Preparation of Hybrid Silica-Based Porous Material 117Rekha Bhar and Surinder K. Mehta 7.1 Introduction 117 7.2 Porous Silica-Based Materials 118 7.2.1 Molecular Machine 119 7.2.2 General Synthesis Procedure of Porous Silica Material 120 7.3 Different Types of Porous Silica-Based Material 121 7.3.1 Copper@Surfactants-Based Porous Material 121 7.3.2 Ruthenium@Surfactants-Based Porous Material 124 7.3.3 Cobalt@Surfactants-Based Porous Material 125 7.3.4 Iron@Surfactants-Based Porous Material 126 7.3.5 Other Metallosurfactant-Based Porous Material 128 7.4 Future Perspectives 129 7.5 Conclusion 130 References 130 8 Metallosurfactants as Non-viral Vectors in Transfection 135Pilar López-Cornejo, José A. Lebrón, Francisco J. Ostos, Manuel López-López, María L. Moyá, Eva Bernal, and Carmen Martín 8.1 Introduction 135 8.2 Metallosurfactant Monomers 137 8.3 Metallomicelles 145 8.4 Metalloliposomes (Metallosomes) 147 8.5 Future Perspectives 151 Acknowledgments 151 References 151 9 Metallosurfactants as Nanoreactors for Nanoparticle Synthesis 159Jaspreet Kaur, Rekha Bhar, Khushwinder Kaur, and Surinder K. Mehta 9.1 Introduction 159 9.2 Metallosurfactants as Reactors for Nanoparticle Synthesis 161 9.2.1 Colloidal Synthesis 161 9.2.2 Thermal Decomposition 168 9.2.3 Biphasic Redox Reaction 169 9.3 Future Perspective 173 9.4 Conclusion 174 Acknowledgments 174 References 174 10 Metallosurfactants and Their Biological Attributes: Anticancer and Antimicrobial Properties 179Neha Jindal and Shivani Uppal 10.1 Introduction 179 10.2 Antimicrobial Activity 180 10.2.1 Metallosurfactants Effective against Bacteria 181 10.2.2 Metallosurfactants Effective Against Fungus 182 10.3 Anticancer Activity 185 10.3.1 Metallosurfactants Effective Against Breast Cancer 186 10.3.2 Metallosurfactants Effective Against Lung Cancer 189 10.4 Conclusion and Future Challenges 189 References 190 11 Metallosurfactants as Carbon Monoxide-Releasing Molecules 195Maribel Marín-García, Núria Benseny-Cases, Mercedes Camacho, and Ramon Barnadas-Rodríguez 11.1 Why CO? 195 11.2 How to Deliver CO? 198 11.3 CO-releasing Metallosurfactants 202 11.3.1 Synthesis of Molybdenum-Based CORMs 204 11.3.2 Properties of Mixed CORAs Constituted by Molybdenum-Based Metallosurfactants and Phospholipids 205 11.4 Conclusions 208 Acknowledgments 208 References 208 12 Supramolecular Metal-Modified Nanocontainers Based on Amphiphilic and Hybrid Matrix: Self-Assembling Behavior and Practical Applications 223Elena P. Zhiltsova, Marina R. Ibatullina, Ruslan R. Kashapov, Nadezda E. Kashapova, Albina Y. Ziganshina, Lucia Y. Zakharova, and Oleg G. Sinyashin 12.1 Introduction 223 12.2 Structure, Properties, and Biomedical Application of Metallosurfactants 224 12.3 Amphiphilic System Based on Metallosurfactants and Macrocycles 227 12.4 Nanocomposites Based on Amphiphilic Resorcinarenes and Metal Nanoparticles 235 12.5 Conclusions 239 Acknowledgments 240 References 241 13 Metallosurfactants in Nanoscale Molecular Containers as Sensors 249Devika Vashisht and Nicole Pamme 13.1 Introduction 249 13.1.1 Metallosurfactants 249 13.2 Metallosurfactants as Nanosized Containers for Self-assembled Molecular Devices 251 13.3 Surfactant Aggregates in Chemical Detection 252 13.4 Self-Assembled Moieties as Fluorescent Sensors 253 13.5 Metallosurfactants and Detection Protocol 255 13.6 Conclusions 262 Acknowledgments 262 References 262 Index 265

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Book SynopsisLED Packaging Technologies Up-to-date practitioner’s guide on LED packaging technologies, with application examples from relevant industries, historical insight, and outlook LED Packaging Technologies provides expert insight into current and future trends in LED packaging technologies, discussing the fundamentals of LED packaging technologies, from electrical contact design, thermal management and optical emission, and extraction, to manufacturing technologies, including the JEDEC testing standards, followed by accounts on the main applications of these LED packages in the automotive, consumer electronics, and lighting industries. LED Packaging Technologies includes information on: History of primitive lighting in human civilization to the invention of modern LEDs based lighting, and historic evolution of LED packaging technology Basic light emission and extraction technology in LED packages, covering package design impacting light emission and extraction Medical industry applications of LEDs, especially in healthcare treatments, such as in skin rejuvenation and wound healing and closures Quantum confinement phenomena and size-dependent optical properties of quantum dots, and the advancement of future quantum dot LEDs Covering the fundamentals, design, and manufacturing of LED packaging technology and assisting in removing some of the barriers in the development of LED packaging and new applications, LED Packaging Technologies is an essential source of information for engineers in the LED and lighting industries, as well as researchers in academia.Table of ContentsAbout the Authors vii Preface ix Acknowledgments xiii 1 A Brief History of Artificial Light and LED Packaging 1 1.1 Evolution in Artificial Light 1 1.2 Impact of Light-Emitting Diode on the World 4 1.3 LED Industrial Chain 6 1.4 Evolution in LED Packaging Technology 8 1.4.1 Low-Power Package Evolution 12 1.4.2 Mid-Power LED Packages 14 1.4.3 LED High-Power and Ultra-High-Power Packages 15 1.5 Summary 17 References 18 2 Fundamentals of LED Packaging Technology 19 2.1 Effective Light Extraction 19 2.1.1 Theory of Light Conversion in LED 21 2.1.2 Light Extraction Based on Chip Technology 23 2.1.2.1 Chip Surface Roughing 25 2.1.2.2 Buried Micro-Reflectors Chip 26 2.1.2.3 Chip Geometrical Shaping and Type 26 2.1.3 Light Extraction Based on High Reflective Packaging Material 28 2.1.3.1 Leadframe Plating Surface Influence 28 2.1.3.2 Housing Material Reflectivity 29 2.1.3.3 Encapsulation Material Light Extraction Efficacy 29 2.1.4 Optical Interface Enhancing Light Extraction 31 2.2 Package Design and Encapsulation Technology 32 2.2.1 Package Design 32 2.2.1.1 Design for Cost 33 2.2.1.2 Design for Reliability 34 2.2.1.3 Design for Manufacturing 34 2.2.1.4 Design for Testing 34 2.2.1.5 Design for Environment 36 2.2.1.6 Design for Assembly at Second Level PCB Board 36 2.2.1.7 Design for Effective Light Extraction 37 2.2.2 Encapsulation of LED 37 2.2.2.1 Epoxy, Silicone, and Hybrid Compound Encapsulation 37 2.2.2.2 Hermetic Sealed Package – Metal Can 40 2.2.2.3 Epoxy Cap Encapsulation 41 2.2.2.4 Glass Cap on Ceramic or Aluminum Encapsulation 41 2.3 LED Thermal Management 42 2.3.1 Fundamental of the LED Thermal Behaviors 42 2.3.2 Thermal Design in LED Package 46 2.3.3 Impact of Thermal Behavior of an LED on Its Performance 48 2.4 Electrical Contact Design 49 2.5 LED Light Conversion Principle 50 2.6 Summary 50 References 51 3 LED Packaging Manufacturing Technology 53 3.1 LED Packaging Process Flow 53 3.1.1 Die-Attach Process 53 3.1.1.1 Die-Attach and Glue Curing Process 55 3.1.2 Wire Bonding Process 56 3.1.3 Surveillance Checking Using Statistical Process Control 58 3.1.4 Encapsulation Process and Post-Mold Curing Process 60 3.1.5 Singulation Process 62 3.1.6 Final Test and Auto Vision System Process 62 3.1.7 Packing Process 63 3.2 Common Defects in LED Packaging Industry 65 3.2.1 Die-crack: Impact on the Electrical and Optical Properties of LED 65 3.2.2 Lifted Die or Glue: Impact on LED Thermal Behavior and LED Performance 67 3.2.3 Wire Interconnect Defects: Impact on LED Electro-optical Quality 69 3.3 Summary 70 References 70 4 LED Automotive Lighting Application Technology 71 4.1 Basic Science of Light for Automotive – The Photometric 72 4.1.1 Light Intensity 72 4.1.2 Luminous Flux 73 4.1.3 Illuminance 74 4.1.4 Luminance 74 4.1.5 Luminous Efficacy 74 4.2 Lighting – Light Projection “To See” 74 4.2.1 Headlamp 75 4.2.2 Adaptive Front-Lighting System – Headlamp 77 4.2.3 Optical Concept Automotive Front Lighting – Headlamp 80 4.2.4 Future of LED Headlamp Technology 81 4.2.5 LED Headlamp Thermal Management 82 4.3 Signaling – Lights That Are “To Be Seen” 83 4.3.1 AFL – Day Running Light 84 4.3.2 ARL – Signaling Lights 85 4.3.3 Optic Concepts of Signaling Light “To Be Seen” 86 4.3.3.1 Reflective and Refractive Optics 86 4.3.3.2 Light Guide Optics 87 4.4 Interior Lighting 92 4.5 Summary 93 References 93 5 LED Application For Consumer Industry 95 5.1 Consumer Indoor Lighting 95 5.2 Health Care and Medical Treatments 96 5.3 Safety and Security 98 5.3.1 Led in Iris Recognition System 98 5.3.2 LED in Food Processing 100 5.3.3 Treatment in Solid and Liquid Foods 101 5.3.4 Water Treatment 102 References 102 6 LED Application for General Lighting 105 6.1 RETROFIT Lighting 105 6.1.1 RETROFIT Lamp 107 6.1.2 Hospitality Lighting – Architecture Lighting 111 6.2 LEDfit Lighting 112 6.2.1 Residential Lighting – Living Room Down Lighting 112 6.2.2 LED Street Lighting 113 6.2.3 Exterior Architectural Lighting 117 6.2.4 Horticulture Lighting Application 118 6.2.4.1 Photosynthesis 119 6.2.5 Photomorphogenesis 120 6.2.5.1 Impact of LED Light on Horticulture Industry 121 6.3 Summary 122 References 123 7 Quantum LEDs 125 7.1 Quantum LED as the Alternative to Organic LED 125 7.2 Fundamentals of Quantum Dot 125 7.3 Quantum Dots in LED 129 7.4 Quantum LED Structures 130 7.5 QD-LED Fabrication 132 References 134 8 Ultraviolet LED Packaging and Application 137 8.1 UV LED Application 137 8.2 UV-A and B LED Packaging Technology 140 8.3 UV-C Packaging Technology 142 8.4 Future Application of UV-LED and Packaging Design Evolution 143 8.4.1 Novel Liquid Packaging Structure 143 8.5 Impact of UV-LED to UV Light Source Business 144 8.6 Summary 144 References 145 9 Lifecycle Analysis and Circular Economy of LEDs 147 9.1 Introduction 147 9.2 LCA of LEDs 148 9.2.1 Materials Footprint 149 9.2.2 Embodied Energy and Carbon Footprint 151 9.3 Circular Economy of LEDs 152 9.3.1 Lower Material Quantities by Design and Enhanced Material Properties 153 9.3.2 Materials with Multifunctionalities 154 9.3.3 Materials of Higher Circularity 155 9.3.4 Materials with Enhanced Durability 156 9.3.5 Materials with Reduced Carbon Footprint and Embodied Energy 156 9.3.6 Material Miles 157 9.3.7 Sustainable Materials from Renewable, Recycled, and Recovered Sources 157 9.3.8 Materials with Higher Environmental Benignity 157 9.3.9 Materials with No Adverse Human Health Effects 157 9.3.10 Materials Enabling Healthy Natural Habitat 158 References 158 Index 159

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Book SynopsisPresents a wide-ranging overview of essential topics and recent advances in MCR chemistry Heterocycles are a central component in natural product chemistry, pharmaceuticals, agrochemicals, and material science. New synthetic methodologies integrating the sequencing of multicomponent reactions (MCRs) are today being used for the rapid synthesis of diversified heterocycles in just one step. Multicomponent Reactions towards Heterocycles presents an up-to-date summary MCR chemistry with a focus on the conjugation between modern synthetic methodologies and MCRs. Featuring contributions by leaders in the field, this comprehensive resource highlights applications of MCRs in natural products and intermediate synthesis, discusses current trends and future prospects in MCR chemistry, outlines novel multicomponent procedures, and more. The authors provide the practical information required for designing new reaction strategies and mechanisms, covering topics including MCR-based green synthetic methods, cyclization and cycloaddition reactions, heterocycle multicomponent syntheses in a continuous flow, catalytic alkynoyl generation, MCR synthesis of saturated heterocycles, and C–H functionalization and multicomponent reactions. Provides a thorough overview of heterocycles as input in multicomponent reactions Discusses recent advances in the field of MCR chemistry and progress in the synthesis and functionalization of heterocycles Demonstrates the use of MCRs to simplify synthetic design and achieve complexity and diversity in novel bioactive molecules Highlights examples of multicomponent polymerizations, target-oriented synthesis, and applications of MCR in medicinal chemistry Explains the methodology of using on-resin MCRs to produce heterocycle compounds Illustrating the key role of MCRs towards heterocycles in natural product synthesis, drug discovery, organic synthesis, and other applications, Multicomponent Reactions towards Heterocycles is required reading for synthetic chemists in academia and industry alike.Table of ContentsPreface xi 1 Heterocycles as Inputs in MCRs: An Update 1 Ouldouz Ghashghaei, Marina Pedrola, Carmen Escolano, and Rodolfo Lavilla 1.1 Introduction 1 1.2 Concerted MCRs 1 1.3 Radical MCRs 11 1.4 Metal-catalyzed MCRs 16 1.5 Carbonyl/Imine Polar MCRs 19 1.6 Isocyanide-based MCRs 24 1.7 Miscellany Processes 33 1.8 Conclusion 36 Acknowledgment 40 References 40 2 Heterocycles and Multicomponent Polymerizations 45 Susan Sieben, Jordy M. Saya, Dean Johnson, and Romano V.A. Orru 2.1 Introduction 45 2.2 Ugi-type Multicomponent Polymerizations 48 2.3 Mannich-type Multicomponent Polymerizations 52 2.4 Biginelli-type Multicomponent Polymerizations 64 2.5 Hantzsch-type Multicomponent Polymerizations 71 2.6 Debus–Radziszewski-type Multicomponent Polymerizations 73 2.7 Other Multicomponent Polymerizations 76 2.7.1 The Cu(I)-catalyzed MCP of Diynes, Azides, and Carbodiimides/Nitriles 78 2.7.2 The Pd-catalyzed MCP of Imines, Acyl Chlorides, and N-Sulfonyl Imines 78 2.7.3 The Mercaptoacetic Acid Locking Imine Reaction 80 2.8 Conclusions and Outlook 83 References 84 3 Multicomponent Reactions in Medicinal Chemistry 91 Zefeng Wang and Alexander Domling 3.1 Introduction 91 3.1.1 Example: Protein–Protein Interaction p53-MDM2 94 3.2 Scaffolds and the Chemical Space of MCR 108 3.2.1 Marketed and Clinical Stage Drugs 110 3.3 Some Biopharmaceutical Application of MCR 121 3.3.1 Computational Methods of MCR Chemical Space Screening 122 3.4 Conclusion 127 References 127 4 Solid-Phase Heterocycle Synthesis Using Multicomponent Reactions 139 Leonardo G. Ceballos, Daylin F. Pacheco, Bernhard Westermann, and Daniel G. Rivera 4.1 Introduction 139 4.2 Synthesis of Five-Membered Ring Heterocycles 140 4.3 Synthesis of Six-Membered Ring Heterocycles 144 4.4 Synthesis of Fused Heterocyclic Ring Systems 147 4.5 Synthesis of Heterocycles on Solid-Supported Amino Acids 150 4.6 Solid-Phase Multicomponent Construction of DNA-Encoded Heterocycle Libraries 153 4.7 Miscellaneous Supports for Multicomponent Synthesis of Heterocycles 154 4.8 Conclusions 157 References 157 5 Green Synthesis of Heterocycles Via MCRs 163 Wei Zhang 5.1 Introduction 163 5.2 High-Order MCRs 164 5.3 Consecutive MCRs 176 5.4 MCRs Followed by Cyclization Reactions 187 5.5 MCRs Followed by Cycloaddition or Annulation Reactions 200 5.6 Conclusion and Outlook 207 References 207 6 The Use of Flow Chemistry in the Multicomponent Synthesis of Heterocycles 211 Chiara Lambruschini, Lisa Moni, and Andrea Basso 6.1 Introduction 211 6.2 Multicomponent Reactions Under Standard Flow Conditions 212 6.3 Multicomponent Reactions with Hazardous Reagents 217 6.4 Multicomponent Reactions Under Special Conditions 219 6.4.1 Reactions with Microwave or Inductive Heating 220 6.4.2 Reactions with Active Packed-Bed Columns 223 6.4.3 Reactions Under Other Conditions 226 6.5 Telescoped Reactions 229 6.6 Conclusions 233 References 235 7 C–H Functionalization as an Imperative Tool Toward Multicomponent Synthesis and Modification of Heterocycles 239 Alexey A. Festa and Leonid G. Voskressensky 7.1 Introduction 239 7.2 Transition-metal-involved C–H Functionalization 240 7.2.1 Multicomponent Synthesis of Heterocycles Through C–H Functionalization 240 7.3 Transition-metal-involved C–H Functionalization 259 7.3.1 Multicomponent C–H Functionalization of Heterocycles 259 7.3.1.1 C(sp2)-H Functionalization 259 7.3.1.2 C(sp3)-H Functionalization 267 7.4 Transition-metal-free C–H Functionalization 269 7.4.1 Multicomponent Synthesis of Heterocycles Through C–H-functionalization 269 7.4.2 Multicomponent C–H Functionalization of Heterocycles 273 References 277 8 Multicomponent-Switched Reactions in Synthesis of Heterocycles 287 Valentyn A. Chebanov, Serhiy M. Desenko, Victoria V. Lipson, and Nikolay Yu. Gorobets References 329 9 Recent Applications of Multicomponent Reactions Toward Heterocyclic Drug Discovery 339 Nathan Bedard, Alessandra Fistrovich, Kevin Schofield, Arthur Shaw, and Christopher Hulme 9.1 Introduction 339 9.2 Multicomponent Reactions 339 9.3 The Ugi Reaction 340 9.3.1 The Ugi Reaction Used in Natural Product Synthesis 343 9.3.2 The Ugi Reaction in FDA-approved Drugs and Drug Candidates 343 9.3.2.1 Synthesis of Lipitor Using Ugi 4CR 349 9.3.2.2 Synthesis of Ivosidenib Utilizing Ugi 4CR 349 9.3.3 Rapid Lead Optimization with Ugi 4CR 349 9.4 The Passerini Reaction 353 9.4.1 The Passerini Reaction in Natural Products 353 9.5 Groebke–Blackburn–Bienaymé (GBB-3CR) MCR 353 9.6 Gewald (G-3CR) Reaction 361 9.7 The Hantzsch Dihydropyridine (DHP) Synthesis 364 9.7.1 FDA-approved Hantzsch Dihydropyridines 368 9.7.2 Anti-bacterial Hantzsch DHPs 368 9.8 The Biginelli Reaction 370 9.8.1 Biginelli Reactions and Natural Products 371 9.8.2 Biginelli DHPMs as CNS Agents 371 9.8.3 Biginelli Products Antitumor Capabilities 371 9.9 van Leusen Reaction 379 9.9.1 Tosmic-mediated Cyclization Toward Nitrogen-containing Heterocycles 379 9.9.2 Applications of the van Leusen Reaction 383 9.9.2.1 Sequential One-pot Three-step 3C-van Leusen Reaction/Deprotection/Cyclization 383 9.9.2.2 Sequential van Leusen Reaction/Staudinger/aza-Wittig/Cyclization 386 9.9.2.3 DNA-conjugated van Leusen Reaction 386 9.9.3 Applications of the van Leusen Reaction in Drug Discovery 388 9.9.3.1 Purinergic P2X7 Receptor Antagonists 388 9.9.3.2 Indoleamine 2,3-Dioxygenase (IDO1) Inhibitors 391 9.9.3.3 Disruptors of P53/MDM2 Protein–Protein Interactions 392 9.9.3.4 Disruptors of PCSK9/LDLR Protein–Protein Interactions 392 9.9.3.5 Inhibitors of TGFβR1 as Immuno-oncology Therapeutics 397 References 397 10 Multicomponent Syntheses of Heterocycles by Catalytic Generation of Alkynoyl Intermediates 411 Jonas Niedballa and Thomas J.J. Müller 10.1 Introduction 411 10.2 Catalytic Generation of Alkynones 412 10.3 Multicomponent Syntheses of Five-membered Heterocycles 415 10.3.1 Pyrazolines 415 10.3.2 Pyrazoles 416 10.3.3 Isoxazoles 420 10.3.4 Triazoles 420 10.3.5 Thiophenes 422 10.3.6 Indolones 424 10.4 Multicomponent Syntheses of Six-membered Heterocycles 427 10.4.1 Pyranones 427 10.4.2 Pyridines 427 10.4.3 Pyrimidines 429 10.4.4 Oxazaborinines 432 10.4.5 Coumarines 432 10.4.6 Quinolines 435 10.4.7 Quinoxalines 435 10.5 Conclusion and Outlook 442 References 442 11 Synthesis of Saturated Heterocycles via Multicomponent Reactions 447 Carlos K.Z. Andrade, Carlos E.M. Salvador, Thaissa P.F. Rosalba,Lucília Z.A. Correa, Luan A. Martinho, and Yuri R.B. Sousa 11.1 Introduction 447 11.2 Three-membered Ring Heterocycles 447 11.3 Four-membered Ring Heterocycles 448 11.4 Five-membered Ring Heterocycles 449 11.5 Six-membered Ring Heterocycles 456 11.6 Seven-membered Ring Heterocycles 462 11.7 Macrocycles 463 11.8 Fused Heterocycles 464 11.9 Spiro Heterocycles 482 References 485 12 Multicomponent Reactions and Asymmetric Catalysis 493 Melody E. Boëtius and Eelco Ruijter 12.1 Introduction 493 12.2 Imine-based MCRs 494 12.2.1 Strecker Reaction 494 12.2.2 Mannich Reaction 494 12.2.2.1 Aza-Henry Reaction 498 12.2.2.2 Petasis Reaction 498 12.2.2.3 Aza-Diels–Alder Via Mannich Reaction Pathway 500 12.2.2.4 [2+2+2]-Cycloaddition 504 12.2.3 Hantzsch Reaction 504 12.2.4 Biginelli Reaction 506 12.3 Michael Addition-based MCRs 509 12.3.1 Oxa-Michael/Michael/Michael/Aldol Condensation Cascade Reactions 509 12.3.2 Knoevenagel–Michael Cascade Reaction 511 12.3.3 Michael–Henry Cascade Reaction 514 12.4 Isocyanide-Based MCRs 514 12.4.1 Passerini Reactions 521 12.4.1.1 Passerini-type Two-component Reactions 521 12.4.1.2 Passerini Three-component Reaction 522 12.4.2 Isocyanide-Based [3+2]-Cycloaddition 525 12.4.3 Ugi-type Reactions 525 12.5 Conclusion 529 References 536 13 Recent Trends in Metal-catalyzed MCRs Toward Heterocycles 551 Lilia Fuentes-Morales and Luis D. Miranda 13.1 Introduction 551 13.2 Five-membered Heterocycles with One Heteroatom 552 13.3 Five-membered Systems with Two Heteroatoms 558 13.4 Five-membered Systems with Three Heteroatoms 561 13.5 Six-membered Heterocycles with One Heteroatom and Their Benzo-fused Derivatives 566 13.6 Six-membered O-heterocycles and their Benzofused Derivatives 571 13.7 Four-membered N-heterocycles and Seven-membered Benzofused N-heterocycles 574 13.8 Conclusion 576 References 576 Index 583

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Book SynopsisPoint-of-Care Biosensors for Infectious Diseases Comprehensive resource covering key developments in biosensor-based diagnostics for infectious diseases With its overview of currently available technologies, Point-of-Care Biosensors for Infectious Diseases serves as a starting point for the successful development and application of pathogen biosensors in a point-of-care setting. Here, expert authors review current challenges in pathogen detection and the selection of suitable biomarkers, detail currently available biosensor platforms including electrochemical, piezoelectric, magnetic, and optical sensors, and cover technology development for point-of-care biosensors for viral, bacterial, and parasitic infections. Point-of-Care Biosensors for Infectious Diseases covers key topics such as: Fundamentals of biosensor detection, with a focus on optical and electrochemical techniques Organic and inorganic based nanomaterials for healthcare diagnostics Strategies for miniaturizing biosensor devices, and state-of-the-art integrated sensing platforms Latest trends in point-of-care biosensing systems to detect, diagnose, and monitor infectious diseases Providing comprehensive coverage of the subject, Point-of-Care Biosensors for Infectious Diseases is an excellent reference for all developers, researchers, and technology managers in the areas of molecular diagnosis, infectious diseases, biosensors, and related fields.Table of ContentsPreface xiii 1 Biosensors for Infectious Diseases-Fundamentals 1 Maheswata Moharana, Subrat K. Pattanayak, Fahmida Khan, and Sushma Dave 1.1 Introduction 1 1.2 Biosensors Fundamental Aspects 2 1.3 Classifications of Biosensor 3 1.3.1 Biorecognition Perspective 3 1.3.1.1 Nucleic Acid Biosensors 3 1.3.1.2 Protein–Receptor Biosensor 5 1.3.1.3 Enzymatic Biosensor 5 1.3.1.4 Whole-Cells Biosensors 5 1.3.1.5 Antibody-Based Biosensor 6 1.4 Transduction Through Signals 6 1.4.1 Electrochemical Biosensors 6 1.4.2 Optical 6 1.4.3 Thermometric (Calorimetric) 7 1.4.4 Mass-Sensitive 7 1.4.5 Electrical 8 1.5 Conclusions 8 References 9 2 Nuts and Bolts of Modern Biosensing Technology: Smart Health Diagnostic Devices 15 Itthipon Jeerapan, Gabriela Valdés-Ramírez, and Barbara Brunetti 2.1 Introduction 15 2.2 Nuts and Bolts for Point-of-Care (POC) Biosensor-Based Testing 17 2.2.1 Analytes 18 2.2.2 Receptors and Sensing Elements 18 2.2.3 Transducer 20 2.2.4 Signal Processing Unit 21 2.3 Advances in Biosensing Technology 21 2.3.1 Advanced Sensors for Detecting Pathogens 21 2.3.1.1 Biosensors for Bacteria Detection 22 2.3.1.2 Biosensors for Detecting Viruses 26 2.3.2 Advanced Biosensors for Monitoring Metabolites 33 2.4 Conclusion and Prospects 40 References 41 3 Disease Related Detection with Electrochemical Biosensors 49 Anulipsa Priyadarshini, Niharika Das, Saraswati Soren, Jashobanta Sahoo, Raghabendra Samantray, and Rojalin Sahu 3.1 Introduction 49 3.2 Electrochemical Biosensors 50 3.2.1 Materials 51 3.2.2 Working Principle 53 3.3 Immobilization of Different Biomolecules 54 3.4 Different Types of Techniques Used in EC Biosensors for Detection of Various Diseases 55 3.4.1 Voltametric Biosensor 55 3.4.2 Electrochemical DNA Biosensors 56 3.4.3 Impedance Biosensors 58 3.4.4 Amperometric Biosensors 58 3.4.5 Potentiometric Biosensors 60 3.4.6 Electrochemical Immunosensor 61 3.5 Conclusion and Future Direction 62 References 63 4 Biosensors for Point-of-Care (POC) Applications 69 The Flag Bearer of the Modern Medicinal Technology to Tackle Infectious Diseases Sumit Kumar, Garima Rathee, Gaurav Bartwal, and Pratima R. Solanki 4.1 Introduction 69 4.2 Classification of POC Biosensors for Detection of Infectious Diseases 71 4.2.1 Electrochemical-Based Biosensor 71 4.2.2 Fluorescence-Based Biosensor 72 4.2.2.1 Direct Fluorescence Biosensors for Infectious Diseases 72 4.2.2.2 Signal-on/off Fluorescent Biosensors for Infectious Disease POC Diagnostics 73 4.2.3 Surface Plasmon Resonance (SPR)-Based Biosensor 73 4.2.4 Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS)-Based Biosensor 73 4.2.5 Chemiluminescence-Based Biosensor 74 4.2.6 Colorimetric-Based Biosensors 74 4.2.7 Magnetic-Based Biosensors 74 4.3 Modern Devices for the Detection of Infectious Diseases 75 4.3.1 Lab-on-a-Chip Devices and Lab-on-a-Disc Devices 75 4.3.2 Microfluidic Paper-Based Analytical and Lateral Flow Devices 76 4.3.3 Miniaturized PCR and Isothermal Nucleic Acid Amplification Devices 78 4.4 Scope and Challenges Associated with the Next-Generation POC Devices 79 4.5 Conclusion 79 References 80 5 Organic- and Inorganic-Based Nanomaterials for Healthcare Diagnostics 87 Komal Kashyap, Maheswata Moharana, Fahmida Khan, and Subrat K. Pattanayak 5.1 Introduction 87 5.2 Nanomaterials Based on Carbon Allotropes in Healthcare 88 5.3 Inorganic Nanomaterials in Health Diagnosis 91 5.4 Organic Nanomaterials in Healthcare Diagnosis 92 5.5 Future Prospects 95 References 95 6 CRISPR/Cas System 101 Applications in Diagnosis of Infectious Diseases Deepak Kumar Sahel and Mohd Azhar 6.1 Introduction 101 6.2 Nucleic Acids: Role in the Diagnosis 102 6.2.1 Deoxyribonucleic Acids 103 6.2.2 Ribonucleic Acids 103 6.3 Nucleic Acid Biomarkers in Infectious Diseases 104 6.4 Nucleic Acid Detection and Limitations 106 6.5 CRISPR/Cas System 108 6.5.1 Characteristics Features of Different Cas Effectors 110 6.5.2 CRISPR in Diagnostics 111 6.5.2.1 Cas9-Based Detection 112 6.5.2.2 Cas12-Based Detection 112 6.5.2.3 Cas13-Based Detection 116 6.5.2.4 Other Cas Effectors-Based Detection 117 6.6 Conclusion and Prospects 119 References 119 7 Role of Piezoelectric Biosensors 129 Jaykishon Swain, Subrat Swain, Durgesh Singh, Anirudha Jena, Raghabendra Samantaray, and Rojalin Sahu 7.1 Introduction 129 7.2 Types of Piezoelectric Biosensors 131 7.2.1 Inorganic Piezoelectric Material 131 7.2.2 Organic Piezoelectric Biosensors 133 7.3 Application of Piezoelectric Biosensor Devices 135 7.3.1 Immunosensors Based on Piezoelectric Material 135 7.3.2 Piezoelectric Device with Molecularly Imprinted Polymers 137 7.3.3 Piezoelectric Biosensors for Genetic Information 138 7.4 Conclusion 139 References 140 8 Metal/Metal Oxide Nanoparticles-Based Biosensors for Detection of Infectious Diseases 147 Dipak Maity, Gajiram Murmu, Satya R. Sahoo, Ankur Tiwari, Siddharth Ajith, and Sumit Saha 8.1 Introduction 147 8.2 Biosensors 148 8.2.1 Electrochemical Biosensors 148 8.2.2 Colorimetric Biosensors 150 8.2.3 Fluorescence Biosensors 151 8.3 Types of Infectious Diseases 153 8.4 Nanoparticles-Based Biosensors 156 8.4.1 Recognition of Pathogens 157 8.4.2 Metal/Metal Oxide Nanoparticles-Based Biosensors 157 8.4.2.1 Gold Nanoparticles 158 8.4.2.2 Magnetic Nanoparticles 158 8.4.2.3 Quantum Dots 159 8.4.2.4 Other Metal/Metal Oxide Nanoparticles 160 8.5 Metal/Metal Oxide Nanoparticles-Based Biosensors used for Infectious Diseases 160 8.5.1 Gold Nanoparticles (AuNPs) 161 8.5.2 Silver Nanoparticles (AgNPs) 163 8.5.3 Platinum Nanoparticles (PtNPs) 164 8.5.4 Copper Nanoparticles (CuNPs) 165 8.5.5 Zinc Oxide Nanoparticles (ZnONPs) 166 8.5.6 Miscellaneous Metal Oxide Nanoparticles 167 8.6 Comparative Studies of Biosensors for Infectious Diseases: Advantages and Limitations 171 8.6.1 Electrochemical Biosensors 171 8.6.2 Fluorescence-Based Biosensors 172 8.6.3 Colorimetric Biosensors 172 8.7 Conclusion and Future Prospects 173 Acknowledgment 174 References 174 9 Biosensors for Point-of-Care Applications: Replacing Pathology Labs by Bedside Devices 187 Mayukh Sinha, Sayak Banerjee, Sambit Majumdar, and Arindam Kushagra 9.1 Introduction 187 9.2 POCT Relevance in Healthcare 187 9.3 Self-Blood Glucose Monitoring 189 9.3.1 Introduction 189 9.3.2 Requirements for Self-Glucose Monitoring Device 189 9.3.3 Types of Sensor-Based Monitoring System 189 9.3.3.1 Continuous Glucose Monitoring (CGM) 189 9.3.3.2 Flash Glucose Monitoring (FGM) 190 9.4 Methods of Blood Glucose Monitoring 190 9.4.1 Enzymatic Assay Reaction 190 9.4.2 Detection Method 191 9.4.3 Errors Occuring in Blood Glucose Monitoring 191 9.4.4 POCT for Blood Glucose Monitoring 191 9.5 Blood Gas Analysis 192 9.5.1 Introduction 192 9.5.2 Methodologies 192 9.5.3 Electrochemical Sensors 192 9.5.4 Optical Sensors 192 9.5.5 Measurement of the Blood Gas Parameters 193 9.5.6 pH 193 9.5.7 PaCO2 193 9.5.8 PaO2 194 9.5.9 Glucose and Lactate Metabolites 195 9.5.9.1 Electrolytes 196 9.5.9.2 Hemoglobin, Bilirubin 196 9.5.10 POCT of Blood Gas Analysis 197 9.6 Urine Analysis 197 9.6.1 Introduction 197 9.6.2 Methodologies 198 9.6.2.1 Urine Dipsticks (Colorimetric Reagent Strip) 198 9.6.2.2 Lateral Flow Immunoassay (Rapid Test) 198 9.6.3 Measurement of the Parameters in the Urine Sample 200 9.6.3.1 Protein 200 9.6.3.2 Nitrite 201 9.6.3.3 Leukocytes 201 9.6.3.4 Bilirubin 201 9.6.3.5 Urobilinogen 202 9.6.3.6 Specific Gravity 202 9.6.3.7 Hemoglobin (Hb) 203 9.6.3.8 Ketone 203 9.6.3.9 pH 203 9.6.3.10 Glucose 203 9.7 Conclusion 204 References 204 10 Strategic Synthesis of Diagnostic Novel Materials Against Infectious Diseases 209 Hardik Shyam Churi and Sushma Dave 10.1 Introduction 209 10.2 Detection Needs at the POC 211 10.2.1 Nanomaterials for Malaria Parasites Detection 212 10.2.2 Nanomaterials for HIV 214 10.2.3 Nanomaterials for HBV 215 10.2.4 Nanomaterials for HPV 216 10.2.5 Nanomaterials for Dengue Virus 217 10.2.6 Nanomaterials for Ebola Virus 217 10.2.7 Nanomaterials for Mycobacterium Tuberculosis 218 10.2.8 Nanomaterials for Zika Virus 219 10.2.9 Nanomaterials for Biomarkers in Infectious Disease POCT 220 10.2.10 Nanomaterials for Pathogen Nucleic Acids 221 10.2.11 Nanomaterials for Antibodies and Proteins 222 10.3 Technology Advancements in Infectious Disease POCT 224 10.4 Futuristic Developments 224 References 225 11 Development of a Diagnostic Kit for Point-of-Care Biosensors: Fundamentals and Applications 235 Vijay Vaishampayan, Prabir Kulabhushan, Ishita Dasgupta, Ashish Kapoor, and Sarang P. Gumfekar 11.1 Introduction 235 11.2 Evolution of Biosensor 236 11.3 Biosensors for Point-of-Care Sensing 237 11.3.1 Fundamentals of Biosensor 237 11.3.2 Bioreceptors in Biosensor 238 11.3.3 Transducer in Biosensor 240 11.3.3.1 Electrochemical Biosensor 240 11.3.3.2 Potentiometric Biosensor 241 11.3.3.3 Amperometric Biosensor 241 11.3.3.4 Impedimetric Biosensors 241 11.3.3.5 Voltammetric Biosensors 241 11.3.3.6 Optical Biosensor 241 11.3.3.7 Gravimetric Biosensor 241 11.3.3.8 Acoustic Biosensors 243 11.3.4 Materials Used to Fabricate Biosensors 243 11.3.5 Biosensors for Infectious Diseases 243 11.3.6 Biosensor for the Detection of Dengue 243 11.3.7 Biosensors for Tuberculosis 246 11.3.8 Future Scope 246 11.4 Conclusion 247 Acknowledgment 248 References 248 12 Lab-on-a-Chip Devices for Point-of-Care Infectious Diseases Diagnostics 255 Snehal Jani, Vishakha Dave, Medha Pandya, Ranjeet Brajpuriya, and Sushma Dave 12.1 Introduction 255 12.2 Design of Lab-on-a-Chip Devices 257 12.2.1 Microfluidic Paper-Based Analytical Devices (μPADs) 258 12.2.1.1 Fabrication of Paper-Based Microfluidic Devices 259 12.2.2 Chip-Based Microfluidic LOCs 261 12.2.3 Chip-Based Microfluidic Device Substrate Materials 262 12.2.4 Fundamentals of Flow of Liquid in Microchannels 262 12.2.5 Sampling 263 12.2.6 Diagnostics Material/Biomarkers in Microfluidic Devices 263 12.2.7 Signal Generation and Detection 264 12.2.7.1 Electrochemical Method 264 12.2.7.2 Magnetic Particle Labeling 265 12.2.7.3 Optical Detection 265 12.3 LOC for Diagnosis of Infectious Diseases 266 12.3.1 LOC for Virus Detection 266 12.3.2 LOC for Detection of Bacteria 267 12.3.2.1 Future Perspectives and Conclusion 268 References 270 Index 275

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Book SynopsisTwo-Dimensional Materials for Nonlinear Optics Comprehensive resource covering concepts, perspectives, and skills required to understand the preparation, nonlinear optics, and applications of two-dimensional (2D) materials Bringing together many interdisciplinary experts in the field of 2D materials with their applications in nonlinear optics, Two-Dimensional Materials for Nonlinear Optics covers preparation methods for various novel 2D materials, such as transition metal dichalcogenides (TMDs) and single elemental 2D materials, excited-state dynamics of 2D materials behind their outstanding performance in photonic devices, instrumentation for exploring the photoinduced excited-state dynamics of the 2D materials spanning a wide time scale from ultrafast to slow, and future trends of 2D materials on a series of issues like fabrications, dynamic investigations, and photonic/optoelectronic applications. Powerful nonlinear optical characterization techniques, such as Z-scan measurement, femtosecond transient absorption spectroscopy, and microscopy, are also introduced. Edited by two highly qualified academics with extensive experience in the field, Two-Dimensional Materials for Nonlinear Optics covers sample topics such as: Foundational knowledge on nonlinear optical properties, and fundamentals and preparation methods of 2D materials with nonlinear optical properties Modulation and enhancement of optical nonlinearity in 2D materials, and nonlinear optical characterization techniques for 2D materials and their applications in a specific field Novel nonlinear optical imaging systems, ultrafast time-resolved spectroscopy for investigating carrier dynamics in emerging 2D materials, and transient terahertz spectroscopy 2D materials for optical limiting, saturable absorber, second and third harmonic generation, nanolasers, and space use With collective insight from researchers in many different interdisciplinary fields, Two-Dimensional Materials for Nonlinear Optics is an essential resource for materials scientists, solid state chemists and physicists, photochemists, and professionals in the semiconductor industry who are interested in understanding the state of the art in the field.Table of ContentsPreface xiii List of Abbreviations xv 1 Preparation of 2D Materials 1Yue Tang and Hua Xu 1.1 Mechanical Exfoliation of 2D Materials 2 1.2 Liquid-Phase Exfoliation of 2D Materials 4 1.3 Chemical Vapor Deposition Growth of 2D Materials 6 1.4 CVD Growth ofWafer-Scale Single Crystal 2D Materials 8 1.5 Thickness Control in CVD Growth of 2D Materials 10 1.6 Phase Control in CVD Growth of 2D Materials 12 1.7 Summary and Prospect 14 2 An Introduction to the Nonlinear Optical Properties of 2D Materials 21Bolong Wang and Hao-Li Zhang 2.1 Introduction 21 2.2 Nonlinear Optics of 2D Materials 22 2.3 Application of 2D Nonlinear Materials 35 2.4 Prospect 43 3 Modulation and Enhancement of Optical Nonlinearity in 2D Materials 55Xinglin Wen and Qihua Xiong 3.1 Introduction 55 3.2 Nonlinear Optics in 2D Materials 57 3.3 Nonlinearity Modulation in 2D Materials 60 4 Characterizing the Nonlinear Optical Properties of 2D Materials by Double 4f Nonlinear Imaging System with Phase Object and Four-Wave-Mixing Microscopy 87Zhongguo Li and Yinglin Song 4.1 Introduction 87 4.2 Principle of NLO Measurement Technique 88 4.3 Characterizing NLO Response of 2D Materials via Double 4f Nonlinear Imaging System with Phase Object (NIT-PO) Microscopy 91 4.4 Characterizing NLO Response of 2D Materials via Four-Wave-Mixing Microscopy 95 4.5 Outlook and Perspective 97 5 Ultrafast Carrier Dynamics in Emerging 2D Materials 103Jiawei Huang, Ningning Dong, and Jun Wang 5.1 Introduction 103 5.2 Ultrafast Time-Resolved Spectroscopy 104 5.3 Ultrafast Optics in van derWaals 2D Materials 109 5.4 Ultrafast Optics in Emerging Quasi-2D Materials 118 5.5 Perspectives on Ultrafast Optics for 2D Material 124 6 Transient Terahertz Spectroscopy for 2D Materials 131Jingyin Xu, Kai Zhang, Hong Li, and Tianwu Wang 6.1 Introduction 131 6.2 Generation and Detection of THz Radiation 132 6.3 Nanoscale THz Scanning Probe Microscopy of 2D Materials 149 6.4 Perspectives 154 7 Graphene Glass for Nonlinear Optics 163Qi Xiao, Jingyu Sun, and Hao-Li Zhang 7.1 Light Absorption of Graphene 163 7.2 Nonlinear Optical Properties of Graphene 164 7.3 Nonlinear Optical Properties of Graphene Glass 167 7.4 Perspectives 179 8 2D Materials for Nonlinear Optical Limiting 185Wen Shang, Bolong Wang, and Qiang Wang 8.1 Introduction 185 8.2 Nonlinear Optical Limiting Mechanism 186 8.3 2D Materials for Optical Limiting 189 8.4 Conclusions and Prospects 209 9 The Saturable Absorbers Based on 2D Materials 221Xin-Hai Yan, Lei Zhang, and Kai-Ge Zhou 9.1 Introduction 221 9.2 The Fundaments in the 2D Materials-Based Saturable Absorbers 222 9.3 The Family of 2D Material-Based Saturable Absorbers 225 9.4 Applications 239 9.5 Perspectives and Outlook 248 10 Second-Harmonic and Third-Harmonic Generations in 2D Layered Materials 257Xudong Jin and Min Zhao 10.1 Introduction 257 10.2 Conclusions and Outlook 274 11 2D Perovskites for Nanolasers 281Wei Yuan and Chuanjiang Qin 11.1 Introduction 281 11.2 Laser Formation Principle and Performance Parameters 283 11.3 The Application of 2D Perovskites in Nanolasers 286 11.4 Prospect 299 12 2D Materials for Space Use 303Shuyan Wang and Qiang Wang 12.1 Introduction 303 12.2 Space Radiation and Two-Dimensional Materials 305 12.3 2D Materials for Space Use 309 12.4 Perspectives 321 Acknowledgment 322 References 322 Index 333

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Book SynopsisDrug and Therapy Development for Triple Negative Breast Cancer The first comprehensive and up-to-date compilation of modern diagnostic and treatment methods for triple negative breast cancer In Drug and Therapy Development for Triple Negative Breast Cancer, a team of distinguished practitioners delivers an in-depth and authoritative discussion of contemporary methods for treating triple negative breast cancer (TNBC). The editors have included material that covers its molecular causes, initial detection, diagnostic tools, treatment procedures, pharmacology, and new and experimental therapies—including nanotherapeutics and photothermal therapies. As the first comprehensive compilation of modern treatment methods for TNBC, this reference is an unmatched source of information about current and future treatment approaches, including machine learning methods for earlier detection and more accurate diagnosis. Readers will also find: A thorough introduction to HER receptors in breast cancers Comprehensive explorations of the etiology and therapy of hormone receptor-positive breast cancer and the early-stage diagnosis of breast cancer Application of artificial intelligence to breast cancer diagnosis New insights on the role of DNA replication stress and genome instability in breast cancer Perfect for medicinal and pharmaceutical chemists, Drug and Therapy Development for Triple Negative Breast Cancer will also benefit oncologists and professionals working in the pharmaceutical industry or in hospital settings.Table of ContentsPreface xiii Part I History of Breast Cancer 1 1 Early-Stage Diagnosis of Breast Cancer: Amelioration in Approaches 3 Nidhi Manhas, Lalita S. Kumar, and Vinayak Adimule 1.1 Introduction 3 1.2 Imaging Techniques 4 1.2.1 Mammography (MG) 4 1.2.2 Ultrasonography (US) 7 1.2.3 Magnetic Resonance Imaging (MRI) 8 1.3 Microwave Breast Imaging Methods 10 1.3.1 Microwave Tomography 11 1.3.2 Radio-Based Microwave Imaging 12 1.4 Biomarkers and Biosensors for Breast Cancer Detection 14 1.4.1 Biomarkers 15 1.4.1.1 Nucleic Acids 15 1.4.1.2 Proteins 15 1.4.1.3 Tumor Cells 16 1.4.2 Biosensors 16 1.4.2.1 Electrochemical Biosensors 16 1.4.2.2 Optical Sensors 17 1.5 Conclusion 19 Acknowledgment 20 References 20 2 DNA Replication Stress and Genome Instability in Breast Cancer 35 Kirti Sinha, Pau B. Sang, Priyanka Sharma, and Rishi K. Jaiswal 2.1 Introduction 35 2.2 Causes of Replication Stress and Genomic Instability 36 2.2.1 Replication Dysfunction 36 2.2.1.1 Low and Untimely Initiation of Replication 36 2.2.1.2 Replication Fork Maintenance 37 2.2.1.3 Mitotic Defects 38 2.2.2 Transcription-Induced Stress 40 2.2.2.1 Failed Post-Replication Repair 40 2.2.3 Genomic Aberrations and Instability 40 2.2.3.1 Site-Specific Hotspots 40 2.2.3.2 Amplifier Genome 41 2.2.3.3 Replication in Inappropriate Metabolic Conditions 41 2.3 Molecular Mechanism of Genomic Instability 42 2.3.1 Problems Faced During DNA Damage Repair 43 2.3.2 Transcriptional Stress 44 2.3.3 CIN: Result of Defective Mitosis 45 2.4 Aftermath of Replication Stress on Cell and Its Fate 46 2.4.1 Conservation of Stalled Replication Forks 46 2.4.2 Chromosome Segregation Defect Check by HR Repair 47 2.4.3 Aging, Cell Death, and Senescence 47 2.5 Therapeutic Approach 48 2.6 Conclusion 50 References 51 3 Recent Advancement of Nanotherapeutics to Treat Breast Cancer 65 Devesh U. Kapoor, Rajat Goyal, Rajiv R. Kukkar, and Rupesh K. Gautam 3.1 Introduction 65 3.2 Pathophysiology of Breast Cancer 66 3.3 Classification of Breast Cancer 66 3.4 Techniques for Breast Cancer Detection 68 3.5 Current Breast Cancer Therapies 68 3.6 Nanotherapeutics for Breast Cancer Treatment and Metastasis 69 3.6.1 Nanodiamonds (NDs) 69 3.6.2 Intrinsic Toxicity Reduction 69 3.6.3 Diminishing Chemoresistance (CR) 70 3.6.4 Delivery of Combination Therapeutics Through NDs 70 3.7 Polymer-Based Nanoparticles (PBNPs) 71 3.8 Inorganic Nanoparticles (IONPs) 72 3.9 Hydrogels (HGLs) and Microbubbles (MBs) 74 3.10 Recent Patents of Nanotherapeutics for Breast Cancer Treatment 76 3.11 Clinical Trials of Nanotherapeutics for Breast Cancer 76 3.12 Conclusion and Future Perspectives 77 References 78 4 HER Receptor in Breast Cancer 85 Guno S. Chakraborthy 4.1 Introduction 85 4.2 Role of HER Receptors in the Human Body 86 4.3 HER2 Receptor in Breast Cancer Progression 88 4.4 Conclusion 88 References 89 5 Human Endogenous Retroviruses in Triple-Negative Breast Cancer 93 Tara P. Hurst, Timokratis Karamitros, and Gkikas Magiorkinis 5.1 Introduction 93 5.2 HERVs in Breast Cancer and TNBC 95 5.3 TROJAN lncRNA and TNBC 96 5.4 HERVs and Breast Cancer Treatments 97 5.5 Conclusion 97 5.6 Search Strategy 97 References 98 Part II Novel Drug Discovery and Development 103 6 Development in Drug Repurposing for the Treatment of Acute Leukemia Complicating Metastatic Breast Cancer 105 Nilophar M. Shaikh, Vinayak Adimule, and Santosh Nandi 6.1 Introduction 105 6.1.1 Acute Leukemia’s 107 6.1.2 Mitochondrial cAMP–PKA Signaling 110 6.1.3 Nuclear Compartment 110 6.1.4 Cytosolic Compartment and Plasma Membrane 110 6.2 Conclusion 111 References 111 7 Novel Pharmaceutical Nanomaterials to Advance the Current Breast Cancer Treatment – Current Trends and Future Perspective 117 Steven Mufamadi, Mpho Ngoepe, Aidan Battison, and Itumeleng Zosela 7.1 Introduction 117 7.2 Graphene-Based Nanomaterials for Breast Cancer 119 7.3 Light-Based Nanotechnology for Breast Cancer 120 7.3.1 Photodynamic Therapeutic Nanomaterials 120 7.3.2 Photothermal Therapeutic Nanomaterials 122 7.4 Green Synthesis of Gold Nanoparticles for Breast Cancer 122 7.5 Nanocarriers for Gene Therapy and Immunotherapy 124 7.6 Conclusion and Recommendations 125 References 125 Part III Advanced Technologies in Breast Cancer Therapy 131 8 Artificial Intelligence-Driven Decisions in Breast Cancer Diagnosis 133 Amit Gangwal and Rupesh K. Gautam 8.1 Introduction 133 8.2 Breast Cancer 135 8.3 Diagnosis of Breast Cancer 136 8.4 Artificial Intelligence 138 8.4.1 Artificial Intelligence and Medical Imaging 140 8.5 Conclusion 142 8.6 Future Challenges 142 References 144 9 Establishing Nanotechnology-Based Drug Development for Triple- Negative Breast Cancer Treatment 153 Ravinder Verma, Shailendra Bhatt, Rohit Dutt, Manish Kumar, Deepak Kaushik, and Rupesh K. Gautam 9.1 Introduction 153 9.2 Triple-Negative Breast Cancer 154 9.2.1 Molecular Mechanisms (Signaling Pathways) Involved in TNBC Therapeutics 156 9.2.1.1 Notch Signaling Pathway 156 9.2.1.2 Hedgehog Signaling Pathway 156 9.2.1.3 Wnt/β-Catenin 156 9.2.1.4 Poly(ADP-Ribose) Polymerase (PARP) Inhibitors 157 9.2.1.5 EGFR 157 9.2.1.6 Mammalian Target of Rapamycin (mTOR) Inhibitors 157 9.2.1.7 TGF-β Signaling Pathway 158 9.2.1.8 CSPG4 (Chondroitin Sulfate Proteoglycan) Protein Signaling Pathway 158 9.2.2 Conventional Therapeutics 158 9.2.3 Promising Nanotechnology Innovations for TNBC Therapy 159 9.2.3.1 Nanoparticles (NPs) 160 9.2.3.2 Nanoconjugates 162 9.2.3.3 Quantum Dots (QDs) 162 9.2.3.4 Nano-Diamonds (NDs) 162 9.2.3.5 Nanocomposites 163 9.2.3.6 Nano-Matryoshkas 163 9.2.3.7 Polymeric Micelles (PM): A Miracle Ball in Cancer Therapy 163 9.2.3.8 Dendrimers 163 9.2.3.9 Folded Graphene: Carbon nanotubes (CNTs) 164 9.2.3.10 Virus-Like Particles (VLPs) as Novel Nanovesicles 164 9.2.3.11 Liposomes 164 9.2.4 Vaccines Under the Clinical Trial (CT) for TNBC Treatment 165 9.2.4.1 Peptide-Based Vaccines 166 9.2.4.2 Viral Vector-Based Vaccines 166 9.2.4.3 Gene-Based Vaccines 166 9.2.5 USFDA-Approved Clinical Trials 166 9.2.6 Current Status of TNBC Treatment 167 9.2.7 Recent Patents Based on Nanoformulations for TNBC Treatment 167 9.3 Challenges 168 9.4 Future Perspectives on TNBC Metastasis Therapy 168 9.4.1 NEO Adjuvant Modeling 169 9.4.2 Execution of In Vivo Genetic Screening 169 9.4.3 Identification of Effective Drugs for TNBC 169 9.4.4 Synergistic Effect of Drugs that Almost Eliminate Tumor 169 9.5 Conclusion 169 References 170 10 Etiology and Therapy of Hormone Receptor-Positive Breast Cancer 181 Nalini Kurup and Darshana Warekar 10.1 Introduction 181 10.2 Etiology 182 10.2.1 Role of Estrogen Hormone 182 10.2.2 Role of Progesterone Hormone 182 10.2.3 Estrogen Receptor (ER) 183 10.2.4 Progesterone Receptor (PR) 184 10.3 Human Epidermal Growth Factor-2 (HER-2) 184 10.4 Various Types of Breast Cancer Detected Under Hormone Receptor Breast Cancer 185 10.4.1 Estrogen Receptor (ER) Positive 185 10.4.2 Progesterone Receptor (PR) Positive 185 10.4.3 Hormone Receptor (HR) Negative 185 10.5 Detection 186 10.6 Therapy 187 10.6.1 Selective Estrogen-Receptor Response Modulators (SERMs) 188 10.6.2 Aromatase Inhibitors 188 10.6.3 Estrogen-Receptor Down Regulators (ERDs) 188 10.6.4 Luteinizing Hormone-Releasing Hormone Agents (LHRH) 189 10.7 Limitations of Hormone Therapy 190 10.7.1 Tamoxifen 190 10.7.2 Raloxifene 190 10.7.3 Aromatase Inhibitors 190 10.7.4 Fulvestrant 191 10.8 Triple-Negative Breast Cancer 191 10.8.1 Clinical History of Triple-Negative Breast Cancer 191 10.8.2 Imaging Characteristics/Features of Triple-Negative Breast Cancer 191 10.8.3 Subtypes of TNBC 192 10.8.3.1 Basal-Like Subtype: (i) BL1 (ii) BL 2 192 10.8.3.2 Claudine Low Subtype 192 10.8.3.3 Immunomodulatory Subtype (IM) 192 10.8.3.4 Mesenchymal Subtype (M) 192 10.8.3.5 Mesenchymal Stem-Like Subtype (MSL) 192 10.8.3.6 Luminal Androgen Receptor Subtype (LAR) 193 10.8.4 Treatment of Triple-Negative Breast Cancer 193 10.8.5 Advance TNBC 193 10.8.6 Pharmacogenomics 194 10.9 Conclusion 195 References 196 11 Donor–Acceptor-Based Heterocyclic Compounds as Chemotherapy and Photothermal Agents in Treatment of Breast Cancer Cell 201 Vinayak M. Adimule, Sheetal R. Batakurki, Maya M. Pai, and Santosh Nandi 11.1 Introduction 201 11.2 Causes for Breast Cancer 202 11.3 Imaging and Screening of Breast Cancer 202 11.4 Photothermal Therapy (PTT) 203 11.5 Acceptor–Donor-Based Heterocyclic Compounds 208 11.6 Examples of Organic-Based Donor–Acceptor 210 11.6.1 Indocyanine 210 11.7 Polymers-Based Agents 211 11.7.1 Phthalocyanine 211 11.8 Conclusion 212 References 213 Part IV Regulatory, Clinical Aspects and Case Studies 221 12 An Insight into Drug Regulatory Affairs and the Procedures 223 Shaik A. Begum and Joshna Rani S 12.1 Endpoints of Clinical Trials for the Approval of Cancer Drugs and Biologics 223 12.2 Statutory and Regulatory Requirements for Effectiveness 223 12.2.1 Endpoints Supporting Previous Oncology Approvals 224 12.2.2 Endpoints Based on Tumor Assessments 225 12.2.3 Clinical Practice Guideline for the Diagnosis, Staging, and Treatment of Patients with Metastatic Breast Cancer 225 12.2.4 Cancer Drug and Diagnostic Regulation by the FDA 226 12.2.5 Considerations for Clinical Trial Design and Analysis 227 12.2.6 Single-Arm Studies 227 12.2.7 Randomized Studies Designed to Demonstrate Noninferiority 227 12.3 Clinical Trial Design Considerations 228 12.4 Clinical Trial Analysis Issues 228 12.5 Use of Pathological Complete Response as an Endpoint to Support Accelerated Approval in Neoadjuvant Treatment of High-Risk Early- Stage Breast Cancer 228 12.6 Developing Treatments for Premenopausal Women with Breast Cancer 229 12.7 Recommendations by FDA 230 12.7.1 Access to Experimental Cancer Drugs 230 12.7.2 How to Get a Hold of an Experimental Drug 230 12.7.3 Access to More Information (Compassionate Use) 231 12.8 What is Right to Try? 231 12.9 Examples of Drugs Approved for Breast Cancer 232 References 233 13 A Comprehensive Review of Some Heat-Shock Proteins in the Development and Progression of Human Breast Cancer 237 Xolani H. Makhoba and Ofentse J. Pooe 13.1 Introduction 237 13.1.1 Cancer and Its Economic Burden on Human 238 13.2 Structure-Functional Features of HSPs 239 13.2.1 Heat-Shock Protein 40 239 13.2.2 Heat-Shock Protein 60 239 13.2.3 Heat-Shock Protein 70 240 13.2.4 Heat-Shock Protein 90 241 13.3 Conclusion and Future Perspectives 242 Acknowledgments 244 References 244 14 Nanoparticle-Based Therapeutics for Triple Negative Breast Cancer 249 Isidore A. Egebe and Kamalinder K. Singh 14.1 Breast Cancer: State of Research and Practice 249 14.2 Triple Negative Breast Cancer (TNBC) and Treatment Approaches 252 14.3 Nanoparticle Therapeutics for TNBC 253 14.3.1 Metallic Nanoparticles 255 14.3.1.1 Gold Nanoparticles (AuNPs) 255 14.3.1.2 Silver Nanoparticles (AgNPs) 255 14.3.2 Dendrimers 255 14.3.3 Lipid-Based Nanoparticles (LNPs) 256 14.3.3.1 Liposomes 256 14.3.3.2 Nanoemulsions (NEs) 258 14.3.3.3 Solid Lipid Nanoparticles (SLNs) 259 14.3.3.4 Nanostructured Lipid Carriers (NLCs) 259 14.3.3.5 Lipid Polymer Hybrid Nanoparticles (LPH-NPs) 260 14.3.4 CRISPR Nanoparticles 261 14.3.5 Exosomes (Exo) 261 14.3.6 Nucleic Acid (NAs)-Based Therapeutics 262 14.4 Ligands Used to Enhance Nanoparticle Therapeutics in TNBC 262 14.4.1 Antibodies 262 14.4.2 Peptides 262 14.4.3 Aptamers 263 14.4.4 Small Molecules 263 14.5 Conclusion 263 References 264 15 Current Updates in Breast Cancer Drugs 273 Nitu L. Wankhede, Mayur B. Kale, Pranali A. Chandurkar, Manish M. Aglawe, Ashwini K. Bawankule, Brijesh G. Taksande, Milind J. Umekar, Rupesh K. Gautam, and Aman B. Upaganlawar 15.1 Introduction 273 15.2 Therapeutic Approaches 274 15.2.1 Hormonotherapy 275 15.2.2 Chemotherapy 276 15.3 Targeted Therapy 276 15.3.1 Drug Repurposing 276 15.3.2 HER2 Inhibitors 278 15.3.3 PARP Inhibitors 280 15.3.4 Immunotherapy 280 15.3.5 Others Novel Targets 281 15.3.5.1 Histone Deacetylase (HDAC) Inhibitors 281 15.3.5.2 Angiogenesis Inhibitors 281 15.4 Conclusion 284 Acknowledgment 284 References 285 Index 295

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Book SynopsisDas Werden der Chemie Von den Anfängen der Untersuchung der stofflichen Welt bis zum quantitativen Verständnis chemischer Reaktionen Die Chemie als die Lehre vom Aufbau und der Umwandlung von Stoffen hat eine herausragende kulturgeschichtliche Bedeutung für die Menschheit. Es war ein langer und oft irriger Weg von der Beherrschung des Feuers über die alchemistischen Versuche, Eisen in Gold zu verwandeln, bis hin zur Chemie als exakte Naturwissenschaft, die heutzutage alle Lebensbereiche beeinflusst und durchdringt. Im ersten Teil des Buches beschreiben die Autoren die Genese der Erfassung und Ordnung der vielfältigen, in der Natur und damit auch im Alltag beobachtbaren Phänomene. Die Grundüberlegungen und Ideen dazu werden zunächst in einer allgemeinverständlichen Sprache entwickelt, ohne die oftmals verwirrende Formelsprache der Chemie und der komplexeren Mathematik. Der zweite Teil des Buches befasst sich mit den Basiskonzepten, die sich aus den gesammelten und geordneten Phänomenen entwickelt haben und diese schlüssig beschreiben. Die Autoren beschränken sich dabei auf das Wesentliche verzichten bewusst auf eine klassische Einteilung des Buches nach elementspezifischer Stoffchemie. Im Verlauf der Beschreibung der Basiskonzepte werden die Formelsprache der Chemie sowie deren mathematische Entsprechung sukzessive eingeführt.Table of ContentsÜber Die Autoren vi Vorwort viii 1. Phänomene der Chemie 1.1 Stoffe wollen verstanden sein 13 1.2 Erste Quantifizierungen halten Einzug 21 1.3 Zustandsformen werden erkannt 31 1.4 Stoffe und Materialien werden isoliert und raffiniert 53 1.5 Analyse und Synthese erschließen erste Konzepte 73 1.6 Bausteine werden bereit gestellt 81 1.7 Affinitäten geben die Richtung vor 107 1.8 Die Elemente werden geordnet 113 1.9 Der Raum wird erobert 135 1.10 Das Feuer wird gebändigt 149 1.11 Stoffe werden mobilisiert 165 1.12 Stoffe erfahren und prägen Geschichte 175 2. Konzepte der Chemie 2.1 Atombau und Periodensystem 183 2.2 Chemische Bindung 271 2.3 Chemisches Gleichgewicht, Energetik und Kinetik von Reaktionen 335 2.4 Reaktionen in wässriger Lösung 359 2.5 Protonenübertragungsreaktionen (Säure/Base-Reaktionen) 379 2.6 Elektronenübertragungsreaktionen (Redox-Reaktionen) 415 2.7 Koordinationsverbindungen (Komplexe) 475 2.8 Hochmolekulare Stoffe 525 2.9 Kommunizierende Molekülfunktionen 597 2.10 Entstehung des Lebens auf der Erde 621 Verzeichnis der Fachbegriffe 631 Verzeichnis wissenschaftlicher Persönlichkeiten 637 Media credits 641

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Book SynopsisAlginate Fibers and Wound Dressings Comprehensive resource on the science and research behind alginate fibers, along with their many functional applications in different fields Alginate Fibers and Wound Dressings: Seaweed Derived Natural Therapy offers a general introduction to the sources of alginate and the production methods for alginate fibers and wound dressings, in addition to the novel properties and applications of these functional materials in wound management. Taking into consideration of the latest results of clinical researches conducted around the world, this book summarizes the unique properties of alginate wound dressings, including their ‘gel blocking’ properties and the ability to promote wound healing, facilitate haemostasis, reduce pain, suppress bacteria growth, and lower treatment cost in the treatment of a wide range of wounds, including leg ulcers, burn wounds, pressure sores, surgical wounds, and many other types of wounds with high levels of exudates. Sample topics covered in Alginate Fibers and Wound Dressings include: Why alginate fibers can be used as a carrier to deliver zinc, copper, silver, and other bioactive metal ions How alginate wound dressings can help maintain a physiologically moist microenvironment that promotes healing and the formation of granulation tissue Unique properties of alginate fibers that are highly useful for functional textile materials and medical textile products, such as gel forming properties when in contact with body fluid Other excellent performance characteristics of alginate fibers, such as haemostatic, antimicrobial, skin whitening, and many other unique bioactivities Providing comprehensive coverage of the subject, Alginate Fibers and Wound Dressings is an essential resource for students, researchers, and professionals involved in professions and programs of study that intersect with the subject.Table of ContentsAuthor Biography xiii Preface xv 1 The Extraction of Alginate from Brown Seaweeds 1 1.1 Introduction 1 1.2 Global Distribution of Brown Seaweeds 2 1.3 The Extraction of Alginate from Brown Seaweeds 6 1.3.1 General Description of the Extraction Process 6 1.3.2 A Comparison of Alginic Acid Method and Calcium Alginate Method 9 1.3.3 Process Control 9 1.3.4 Key Process Parameters 10 1.3.4.1 Size Reduction of Raw Materials 10 1.3.4.2 Acid Treatment 10 1.3.4.3 Formaldehyde Treatment 12 1.3.4.4 Alkaline Extraction 12 1.3.4.5 Separation of Alginate from Insoluble Seaweed Residue 12 1.4 Ultrapure Alginate 14 1.5 Summary 15 References 15 Further Reading 17 2 Chemical, Physical, and Biological Properties of Alginic Materials 19 2.1 Introduction 19 2.2 The Chemical Structure of Alginic Acid 19 2.2.1 Early Studies and Basic Structural Feature 19 2.2.2 M/G Ratio and Distribution 20 2.2.3 C-5 Epimerization and Designer Alginate 21 2.2.4 Molecular Weight and Distribution 22 2.2.5 Chemical Stability 22 2.3 Physical Properties of Alginic Materials 24 2.4 Viscosity of Alginate Solutions 26 2.4.1 Effect of Molecular Weight on Solution Viscosity 26 2.4.2 Effect of Concentration on Solution Viscosity 27 2.4.3 Effect of Temperature on Solution Viscosity 28 2.4.4 Effect of Shear Rate on Solution Viscosity 28 2.4.5 Effect of Salt on Solution Viscosity 28 2.4.6 Effect of pH on Solution Viscosity 29 2.5 Polyelectrolyte Properties 29 2.6 The Ion-Exchange Properties of Alginate 29 2.7 Gelling Properties of Alginate 31 2.8 Film-Forming Properties 32 2.9 Fiber-Forming Properties 33 2.10 Bioactivities of Alginic Materials 33 2.10.1 Enzyme Inhibition Activities of Alginate 33 2.10.2 Biocompatibility and Cell Activities of Alginate 34 2.11 Summary 35 References 35 3 Industrial Applications of Alginic Materials 39 3.1 Introduction 39 3.2 Functional Properties of Alginic Material 39 3.2.1 Alginate as a Thickening Agent 39 3.2.2 Alginate as a Gelling Agent 40 3.2.3 Alginate as a Film-Forming Agent 40 3.2.4 Alginate as a Stabilizer 41 3.2.5 Alginate for Encapsulation and Immobilization 41 3.3 Industrial Applications of Alginate 42 3.3.1 Food Ingredients 42 3.3.2 Medical and Pharmaceutical Uses 44 3.3.2.1 Dental Impression 44 3.3.2.2 Therapeutic Cell Entrapment 45 3.3.2.3 Controlled Release of Drugs 45 3.3.2.4 Alginate Oligoelectrolytes as a Mucin Polymer Network Modifier 45 3.3.2.5 Oligoguluronates as Modifiers of Cystic Fibrosis Mucus 45 3.3.3 Wound Dressings and Hemostatic Agent 46 3.3.4 Immobilization of Biocatalysts 46 3.3.5 Controlled Release of Active Agents 48 3.3.6 Textile Printing Paste 48 3.3.7 Sizing Agent for Paper 48 3.3.8 Coating for Welding Rods 49 3.3.9 Binders for Fish Feed 50 3.3.10 Biostimulants 50 3.4 Summary 50 References 51 4 The Production of Fibers From Alginate 57 4.1 Introduction 57 4.2 The Properties of Alginate as a Fiber-Forming Polymer 58 4.3 Preparation of the Spinning Solutions 60 4.3.1 Molecular Weight of the Alginate Powder 60 4.3.2 Concentration of the Spinning Solution 61 4.3.3 Temperature of the Spinning Solution 61 4.3.4 pH of the Spinning Solution 61 4.4 The Production of Calcium Alginate Fibers 61 4.5 The Production of Calcium Sodium Alginate Fibers 65 4.6 The Production of Sodium Alginate Fibers 66 4.7 The Production of Alginic Acid Fibers 68 4.8 The Production of Zinc Alginate Fibers 69 4.9 The Production of Alginate Fibers Containing Pectin and Carboxymethyl Cellulose 69 4.10 The Production of Silver-Containing Alginate Fibers 71 4.11 The Production of Other Novel Alginate Fibers 73 4.12 Historical Development of Alginate Fibers 76 4.13 Summary 78 References 78 5 Ion-Exchange and Gel-Forming Properties of Alginate Fibers 83 5.1 Introduction 83 5.2 Characterization Methods for Ion Exchange and Gel Forming Properties 83 5.3 Ion-Exchange Properties of Alginate Fibers 86 5.3.1 Ion-Exchange Between Calcium Alginate Fibers and Sodium Ions 86 5.3.2 Ion-Exchange Between Alginate Fibers and Zinc Ions 87 5.3.3 Ion-Exchange Between Alginate Fibers and Copper Ions 91 5.4 Gelling Properties of Alginate Fibers 94 5.5 Summary 98 References 99 6 Applications of Alginate Fibers as Smart Woundcare Materials 101 6.1 Introduction 101 6.2 Functional Requirements of the Wound Dressings 103 6.3 Modern Advanced Wound Dressings 106 6.3.1 Chitin and Chitosan Fibers and Wound Dressings 107 6.3.2 Superabsorbent Cellulosic Fibers 108 6.3.3 Polyurethane Film and Foam 109 6.3.4 Hydrogels 110 6.3.5 Hydrocolloids 111 6.3.6 Activated Carbon 112 6.3.7 Low Adherent Dressings 113 6.3.8 Composite Wound Care Products 114 6.3.9 Antimicrobial Wound Dressings 116 6.3.10 Interactive Dressings 117 6.3.11 Tissue-Engineered “Skin Equivalents” 117 6.3.12 Cell-Containing Matrices 117 6.4 Applications of Alginate Fibers in Functional Wound Dressings 118 6.5 Development of Alginate Wound Dressings 119 6.6 Summary 121 References 123 Further Reading 124 7 Absorption and Interactive Properties of Alginate Wound Dressings 125 7.1 Introduction 125 7.2 Characterization Methods 126 7.2.1 Test on Absorbency 126 7.2.2 Fiber Calcium and Sodium Contents 127 7.2.3 Gel Swelling 127 7.2.4 Wet Integrity 127 7.2.5 Wicking Behavior 127 7.2.6 Dry and Wet Strength 128 7.3 Absorption of Wound Fluid by Alginate-Based Wound Dressings 128 7.3.1 Absorption Mechanism of Alginate Wound Dressings 128 7.3.2 Absorbency of the Various Types of Alginate Wound Dressings 129 7.3.3 Fluid Retention Between Fibers and Inside Fibers 130 7.3.4 A Comparison of Absorption Properties Between Alginate Felt and Rope 131 7.3.5 Effect of Sterilization on the Absorption Properties of Alginate Dressings 131 7.3.6 Effect of Guluronate and Mannuronate Contents 132 7.3.7 Effect of Calcium and Sodium Contents 133 7.3.8 Effect of Nonwoven Structures 133 7.3.9 Effect of Adding CMC Into the Alginate Fibers 134 7.3.10 Wicking of Fluid 135 7.3.11 Dry and Wet Strength 137 7.4 Interactive Properties of Alginate Wound Dressings 138 7.4.1 Interactive Moisture Handling Properties of Alginate Wound Dressings 138 7.4.2 Biologically Interactive Properties of Alginate Wound Dressings 138 7.4.3 Enzyme Inhibition Properties of Alginate Wound Dressings 139 7.5 Summary 142 References 143 8 Clinical Applications of Alginate Wound Dressings 145 8.1 Introduction 145 8.2 Biocompatibility and Bioactivities of Alginate Wound Dressings 145 8.3 Wound Healing Mechanisms of Alginate Wound Dressings 147 8.4 Clinical Applications of Alginate Wound Dressings 148 8.4.1 Applications of Alginate Wound Dressings in Pressure Ulcers 149 8.4.2 Applications of Alginate Wound Dressings in Leg Ulcers 149 8.4.3 Applications of Alginate Wound Dressings in Diabetic Foot Ulcers 151 8.4.4 Applications of Alginate Wound Dressings in Burn Wounds and Donor Sites 151 8.4.5 Applications of Alginate Wound Dressings as a Hemostatic Agent for Bleeding Wounds 154 8.4.6 Applications of Alginate Wound Dressings in Surgical Wounds 156 8.4.7 Applications of Alginate Wound Dressings in Nose Surgery 158 8.4.8 Applications of Alginate Wound Dressings in Anal Fistula Surgery 159 8.4.9 Applications of Alginate Wound Dressings in Cavity Wounds 160 8.4.10 Applications of Alginate-Based Composite Wound Dressings 160 8.5 Main Properties of Alginate Wound Dressings 160 8.5.1 Wound-Healing Promotion 161 8.5.2 The Hemostatic Properties of Alginate Wound Dressing 162 8.5.3 Pain Relief Properties of Alginate Wound Dressing 162 8.5.4 The Antimicrobial Properties of Alginate Wound Dressing 163 8.5.5 Alginate Wound Dressings as Cavity Filler 163 8.5.6 Cost-Effectiveness of Alginate Wound Dressings 163 8.6 Summary 163 References 163 9 Functional Modifications of Alginate Fibers and Wound Dressings 169 9.1 Introduction 169 9.2 Chemical Modification of Alginic Acid 169 9.2.1 Chemical Modification of the Hydroxyl Groups 170 9.2.1.1 Oxidation 170 9.2.1.2 Reductive-Amination of Oxidized Alginate 171 9.2.1.3 Sulfation 172 9.2.1.4 Cyclodextrin-Linked Alginate 172 9.2.1.5 Acetylation of Alginate 172 9.2.1.6 Phosphorylation of Alginates 173 9.2.2 Chemical Modification of the Carboxyl Groups 173 9.2.2.1 Esterification 173 9.2.2.2 Amidation 174 9.2.3 Other Chemical Modifications 175 9.2.3.1 Organic Soluble Derivative of Alginate 175 9.2.3.2 Attachment of Cell Signaling Molecules 175 9.2.3.3 Covalent Cross-linking of Alginates 176 9.2.3.4 Graft Copolymerization of Alginates 177 9.3 Innovations in the Fiber-Making Process 178 9.3.1 The Production of Alginate Fibers Containing Metal Ions and Inorganic Compounds 179 9.3.2 The Production of Polyblend Fibers of Alginate and Other Polymers 180 9.3.3 The Production of Alginate Fibers Through Electrospinning 180 9.3.4 The Production of Alginate Fibers Containing Drugs 182 9.3.5 The Production of Alginate and Chitosan Composite Fibers 183 9.4 Summary 185 References 186 10 Silver-Containing Alginate Fibers and Wound Dressings 193 10.1 Introduction 193 10.2 Antimicrobial Efficacy of Silver 194 10.3 Development of Silver-Containing Wound Dressings 195 10.4 Applications of Silver in Alginate Fibers and Wound Dressings 197 10.4.1 Types of Silver Compounds Used in Wound Dressings 197 10.4.2 Methods for Adding Silver to Wound Dressings 198 10.4.3 Examples of Silver-Containing Wound Dressings 199 10.4.3.1 Acticoat from Smith & Nephew 199 10.4.3.2 Silvercel from Johnson & Johnson 199 10.4.3.3 Aquacel Ag from ConvaTec 200 10.4.3.4 Contreet Foam from Coloplast 200 10.4.3.5 Silverlon from Argentum Medical 200 10.4.3.6 SilvaSorb from Medline 200 10.4.3.7 Urgotul SSD from Laboratoires URGO 200 10.4.3.8 Actisorb Silver 220 from Johnson & Johnson 200 10.4.3.9 Microbisan from Lendell Manufacturing Inc. 201 10.4.4 Differences Between Silver-Containing Wound Dressings 201 10.4.4.1 Different Silver Compounds 201 10.4.4.2 Different Contact Areas 202 10.4.4.3 Different Absorption Capacities 202 10.5 Preparation of Silver-Containing Alginate Fibers and Wound Dressings 203 10.5.1 The Addition of Silver Into Alginate Fibers Through Chemical Reaction 203 10.5.2 The Addition of Silver Into Alginate Fibers Through Blending 203 10.6 Release of Silver Ions from Silver-Containing Alginate Fibers 204 10.7 The Antimicrobial Effect of Silver-Containing Alginate Fibers and Wound Dressings 205 10.8 Properties and Applications of Silver-Containing Alginate Wound Dressings 206 10.8.1 Wound Healing Properties of Silver 206 10.8.2 The Release of Silver from Silver-Containing Wound Dressings 206 10.9 Test Methods for Assessing the Antimicrobial Properties of the Silver Dressing 208 10.9.1 Zone of Inhibition 208 10.9.2 Challenge Testing 208 10.9.3 Microbial Transmission Test 209 10.10 In Vitro and In Vivo Findings of the Clinical Benefits of Silver in Wound Healing 210 10.11 Local and Systemic Toxicity of Silver in Wound Healing 211 10.12 Clinical Efficacy of the Silver-Containing Dressings 212 10.13 Summary 213 References 213 A Appendix A: List of Silver Containing Wound Dressings 217 B Appendix B: Answers to Commonly Asked Questions About Alginate Wound Dressings 221 B. 1 What Are Alginic Acid, Sodium Alginate, and Calcium Alginate? 221 B. 2 What Do M and G Mean With Alginate Fibers and Wound Dressings? 221 B. 3 What Are the Differences Between Alginate Wound Dressing and Calcium Alginate Wound Dressing? 222 B. 4 How Can Calcium Alginate Dressing Form Hydrogel on Contact With Wound Exudate? 223 B. 5 What Role Does Alginate Wound Dressings Play in “Moist Healing”? 223 B. 6 What Are the Main Applications of Alginate Wound Dressings? 223 B. 7 What Is the Absorption Mechanism of Alginate Wound Dressing? 226 B. 8 What Is the Reason That Calcium Alginate Fibers Do Not Gel in Pure Water? 226 B. 9 What Are the Differences Between the Absorption of Wound Exudate by Cotton Gauze and Alginate Wound Dressings? 227 B. 10 What Are the Differences Between High G and High M Alginate Fibers When They Are Applied on Exuding Wounds? 227 B. 11 Can Sodium Alginate Be Absorbed by the Body When Calcium Alginate Fibers Are Converted Into Sodium Alginate Upon Contact With Wound Exudate? 228 B. 12 Alginate Wound Dressings Are Divided Into Wet Integral and Wet Dispersible, What Does These Two Types Mean? 228 B. 13 How Can Alginate Wound Dressings Reduce Pain? 229 B. 14 Are There Any Inappropriate Consequences for the Residue Alginate Fibers Left on the Wound Surface? 229 B. 15 Are There Any Differences Between the Alginate Wound Dressings Under Different Brands? 229 B. 16 In the Manufacturing Processes, What Do Nip Rolling, Needle Punching, and Freeze Drying Mean? 230 B. 17 Can Alginate Wound Dressings Be Used in Combination With Topical Medicines Such as Anti-inflammatory Drugs Like Iodine? 230 B.18 Can Alginate Wound Dressings Be Used on Infected Wounds? 230 B.19 Can Alginate Wound Dressings Be Cut Into Pieces Before Being Applied to Wounds? 231 B.20 What Should Be Done When Alginate Wound Dressings Adhere to the Wound Surface? 231 B.21 Some Patients Experience Granulation Edema When Applied With Alginate Wound Dressings, Is This Related to the Release of Calcium Ions by the Dressing? 231 B.22 What Are the Clinical Efficacy of Alginate Wound Dressings When Used for Pressure Sore Wounds? 231 B.23 What Are the Clinical Efficacy of Alginate Wound Dressings When Used for Leg Ulcer Wounds? 231 B.24 What Are the Clinical Efficacy of Alginate Wound Dressings When Used for Diabetic Foot Ulcer Wounds? 232 B.25 What Are the Clinical Efficacy of Alginate Wound Dressings When Used for Burn Wounds? 232 B.26 What Are the Clinical Efficacy of Alginate Wound Dressings When Used for Anal Fistula Wounds? 232 B.27 Does Alginate Wound Dressing Possess Hemostatic Properties? 232 B.28 Where Are the Seaweeds Used in the Production of Alginate Wound Dressings Come From? 233 Index 235

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Book Synopsiscovers the most cutting-edge studies and progress in soft electronics technology, and comprehensively addresses the clinical and biomedical applications such as diagnosis, therapy and interaction.

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Book SynopsisAlles andere als staubtrockene Theorie: Ohne Mathematik wären Computer, Tablets und Smartphones undenkbar. Es lohnt sich also, sich mit der Entwicklung der Mathematik eingehender zu beschäftigen!Table of ContentsVorwort xi Mathematik heute – ein Vergnügen? xiii 1 So kam der Mensch auf die Zahl 1 1.1 Was sind Zahlen? 2 1.2 Vom Unendlichen 8 1.3 Aktual vs. potenziell Unendliches 9 1.4 Vom Teilen 14 Literatur 19 2 Die Griechen und das unendlich Kleine 21 2.1 Größen ohne Logos 21 2.2 Unendliche Näherungsverfahren 25 Literatur 33 3 Die wissenschaftliche Revolution des Hellenismus 35 3.1 Wissenschaft und Staatsführung 36 3.2 Wissenschaft und Technologie in Alexandria 37 3.3 Erfindung der Geografie als Wissenschaft 39 3.4 Vermessung der Erde 42 3.5 Weltkarte des Eratosthenes 45 3.6 Obelisken und Zeitmessung 49 3.7 Mondfinsternis und Längengrad – eine Hypothese 56 3.8 Kalenderreform und Astronomie 59 3.9 Militärische Geräte und das Delische Problem 63 3.10 Wissenschaft und Technologie in Syrakus 64 3.11 Archimedes als Ingenieur 65 3.12 Archimedes als Aufklärer 68 3.13 Archimedes’ Planetarien – Vorgeschichte und Nachwirkung 74 3.14 Mechanismus von Antikythera 84 3.15 Mythos Archimedes 92 3.16 Wissenschaft und Technologie vs. Aristoteles 93 Literatur 97 4 Der Untergang der hellenistischen Wissenschaften 99 4.1 Römische Provinzen 99 4.2 Rom und die mathematischen Wissenschaften 100 4.3 Ende der Wissenschaftsförderung 102 4.4 Römisches Alexandria 104 4.5 Claudius Ptolemäus 104 4.6 Verschlüsselung der Längen – nur eine Hypothese? 110 4.7 Astrologie – mit der Glaskugel? 121 4.8 Christliches Alexandria 124 4.9 Von Alexandria nach Indien und Bagdad 129 Literatur 137 5 Die Renaissance der Mathematik 139 5.1 Festungsbau und Silberbergbau 140 5.2 Seeweg nach Indien 142 5.3 Längenproblem 146 5.4 Galilei und das Längenproblem 151 5.5 Monddistanzen vs. Längengradzeitmesser 155 5.6 Flugbahnen von Geschossen 163 Literatur 168 6 Der Weg des Archimedes zu uns 169 6.1 Archimedes in Konstantinopel 170 6.2 Kodex A und B: 300 Jahre Italien 171 6.3 Archimedes in Nürnberg 174 6.4 Ptolemäus und Archimedes von Kassel 182 6.5 Kodex C: Das Archimedes-Palimpsest 200 6.6 VerscholleninParis 207 Literatur 210 7 Reelle Zahlen 213 7.1 Näherungsverfahren und Grenzwert 214 7.2 Kalkül der Näherungen 217 7.3 Cauchy-Folgen und reelle Zahlen 221 7.4 Cauchy’sches Diagonalverfahren 224 7.5 Steuerbarkeit und Stetigkeit 225 7.6 Stetige Bahnkurven 228 Literatur 234 8 Zahlen in Computersystemen 237 8.1 Mechanische Rechenmaschinen 237 8.2 Dualzahlen, Logikkalküle und Boole’sche Werte 241 8.3 Turingmaschinen 246 8.4 Großcomputer, Taschenrechner und PC 254 8.5 Zahlen in 64-Bit-Architekturen 259 8.6 Numerische Mathematik 261 Literatur 264 9 Big Data und Künstliche Intelligenz 265 9.1 Algorithmen: Ist die Informatik die neue Mathematik? 267 9.2 Digitalisierung und Big Data 276 9.3 Künstliche Intelligenz und Maschinelles Lernen 299 Literatur 318 10 Epilog: Mathematik in der Coronapandemie 321 Personenverzeichnis 331 Sachverzeichnis 337

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Book SynopsisRätsel zum Enträtseln des Universums: gestellt – und gelöst – von einem der besten Physiker unserer Zeit! Die moderne Physik hat den Ruf, wegen der komplexen Mathematik, mit der sie hantiert, für Uneingeweihte nahezu undurchdringlich zu sein. Und es stimmt ja: Die tiefen, weitreichenden Erkenntnisse sind hinter einschüchternden Formeln verborgen. Aber überraschenderweise reichen oft einfache Rätsel und Denksportaufgaben, um den Kern dieser Erkenntnisse herauszuschälen und deren Bedeutung zu verstehen, selbst ohne umfangreiches Wissen über Physik und Mathematik. Cumrun Vafa zeigt in seinem Buch, dass es möglich ist, mit Rätseln und Denksportaufgaben eine Menge über das Universum, die physikalische Realität und deren mathematische Beschreibung zu lernen. Er behandelt die Themen, die zentral sind für die moderne Physik: Symmetrien und Erhaltungssätze, Vereinheitlichung der vier Grundkräfte, (scheinbare) Paradoxien der Unendlichkeit, kontraintuitive Vorhersagen der Quantenmechanik. All dies verpackt in Rätsel wie: Wie hängt man ein Bild an zwei Nägeln auf, so dass es runterfällt, sobald man einen entfernt? Wie kann man Neutrinos wiegen? „Das Buch ist ein wunderbarer Überblick über die zentralen Themen der modernen Physik und Mathematik, vermittelt mit Hilfe von Rätseln. Dies ist eine der ungewöhnlichsten und fesselndsten Herangehensweisen, die mir je begegnet ist. Sie ermöglicht den Leserinnen und Lesern, durch die Freude am Lösen von Rätseln zu lernen. Eine unterhaltsame und effektive Art und Weise, die wesentlichen Ideen des heutigen Weltbilds kennenzulernen, geschrieben von einem der herausragendsten Physiker der Welt.“ (Brian Greene) „Dieses Buch bietet einen faszinierenden und ungewöhnlichen Einblick in die modernen Entwicklungen der Physik und Mathematik, illustriert mit einfachen und unterhaltsamen Rätseln. Die Leserinnen und Leser werden gut unterhalten und lernen gleichzeitig viel dabei.“ (Edward Witten) Trade ReviewCumrun Vafa zeigt in seinem Buch, dass es möglich ist, mit Rätseln und Denksportaufgaben eine Menge über das Universum, die physikalische Realität und deren mathematische Beschreibung zu lernen. Leser-Welt. Das Literaturportal (19.05.2022) Rätsel zum Enträtseln des Universums: gestellt - und gelöst - von einem der besten Physiker unserer Zeit! Realität anders. Der Literatur- und Medienführer (01.06.2022) Das Spektrum der im Buch präsentierten Rätsel ist dabei breit: Wer sich öfter mit derartigen Gedankenexperimenten befasst, wird über Altbekanntes wie Hilberts Hotel und das Ziegenparadoxon hinwegblättern können aber auch auf neue Knobelaufgaben zum Tüfteln stoßen. Der spielerische Ansatz für komplexe Ideen passt. dpa-Dossier Wissen (08.07.2022) Table of ContentsVorwort xi 1 Eine kurze Einführung in die moderne Physik 1 1.1 Die Anfänge der Naturwissenschaft in der Antike 2 1.2 Newtonsche Mechanik 4 1.3 Lagrangesche und hamiltonsche Mechanik 5 1.4 Maxwells Theorie des Elektromagnetismus 6 1.5 Aufbruch in die vierte Dimension: Relativitätstheorie 8 1.6 Die Entdeckung des Zufalls: Quantenmechanik 10 1.7 Die seltsame Theorie: Quantenfeldtheorie 13 1.8 Der Weg in die Zukunft: Quantengravitation 14 2 Symmetrie und Erhaltungssätze 17 2.1 Rätsel zur Motivation 18 2.2 Symmetrie: Schönheit als Naturprinzip 20 2.3 Das Noether-Theorem 23 2.4 Die Erweiterung des Symmetriebegriffs: Supersymmetrie 30 2.5 Quasikristalle und Quasisymmetrie 31 2.6 Strings und die Erhaltung der elektrischen Ladung 33 2.7 Spontane Symmetriebrechung 36 3 Symmetriebrechung 37 3.1 Und sie bewegt sich doch: Symmetriebrechung und die Bewegung der Erde 38 3.2 Spontane Symmetriebrechung 40 3.3 Spontane Symmetriebrechung und Magnetismus 43 3.4 Verkehrsplanung mit Symmetrie: vier Städte 45 3.5 Symmetriebrechung und das Higgs-Boson 48 3.6 Die große Vereinheitlichung der Kräfte 51 3.7 Supraleitung und Symmetriebrechung 52 3.8 Ein ungewöhnliches Beispiel: starre Körper 53 3.9 Rechts und links in der Natur: Händigkeit 54 4 Die Kraft der einfachen und abstrakten Mathematik 57 4.1 Gesetze und Randbedingungen 57 4.2 Eine kurze Einführung in komplexe Zahlen 59 4.2.1 Der Fundamentalsatz der Algebra 60 4.3 Gravitationslinsen – eine Konsequenz der allgemeinen Relativitätstheorie 66 5 Kontraintuitive Mathematik 71 5.1 Vorbemerkungen 71 5.2 Paradoxa der Unendlichkeit 76 5.2.1 Alle Zimmer belegt: Hilberts Hotel und andere Unendlichkeiten 77 5.3 Verrückte Mathematik: Analytische Reihen 79 5.4 Das Ziegenparadoxon 83 6 Physikalische Intuition 91 6.1 Intuitive Physik 91 6.2 Galileo Galilei 92 6.3 Isaac Newton 93 6.4 Physikalische Intuition in der Mathematik 95 6.5 Das Heureka des Archimedes 100 6.6 Der Satz des Pythagoras 101 6.7 Spezielle Relativitätstheorie 103 6.8 StatistischeMechanik 104 7 Kontraintuitive Physik 111 7.1 Auftrieb einmal anders betrachtet 111 7.2 Warum können Flugzeuge fliegen? 112 7.3 Warum ist der Nachthimmel dunkel? 114 7.4 DieMaxwell-Gleichungen 115 7.5 Einsteins spezielle Relativitätstheorie 115 7.5.1 Impuls- und Energieerhaltung in Aktion 116 7.6 Paradoxa in der Quantenmechanik 117 7.6.1 Das Doppelspaltexperiment 118 7.7 Ununterscheidbarkeit in der Quantenmechanik 120 7.8 Das EPR-Paradoxon 121 7.9 Schwarze Löcher 122 7.10 Holographie:Weniger ist mehr 124 8 Natürlichkeit in der Physik: Dimensionsanalyse 127 8.1 Ein Aha-Erlebnis 127 8.2 Von großen und kleinen Zahlen: Größenordnungen 127 8.3 Dimensionsanalyse 128 8.4 Die Strahlung beschleunigter Ladungen 129 8.5 Skalierung und konforme Feldtheorien 130 8.6 Der Natur in die Karten geschaut: natürliche Einheiten 131 8.7 Schwarze Löcher 133 8.8 Symmetrie und Natürlichkeit 135 9 Unnatürlichkeit und große Zahlen 137 9.1 Wie groß ist zu groß: unnatürliche Zahlen 137 9.1.1 Das Rinderproblem des Archimedes 139 9.2 Das Aufkommen des heliozentrischen Modells und Unnatürlichkeit 140 9.3 Etwas Zahlentheorie 141 9.3.1 Ein mysteriöser Kartentrick 141 9.4 Licht und Dunkel: Der Aufbau des Universums 142 9.5 Die Geometrie der Raumzeit 143 9.6 Fragen über Fragen 145 9.7 Längenskalen 145 9.8 Zeitskalen 146 10 Partner oder Gegner: Religion und Naturwissenschaft 149 10.1 Grundlegende Fragen 150 10.1.1 Methodik 150 10.2 Naturwissenschaft gegen Religion 151 10.2.1 Wie alt ist das Universum? 151 10.3 Naturwissenschaft und Religion 152 10.4 Der Ursprung des Universums 153 10.5 Einstein und die Religion 154 10.6 Feynman und die Religion 155 10.7 Hawking und die Religion 155 10.8 Pascal und die Religion 157 10.9 Kausalität und Gott 158 11 Verschiedene Standpunkte: Dualität 161 11.1 Zwei mathematische Beispiele 162 11.2 Dualität in der Quantenmechanik 164 11.3 Maxwells Theorie 164 11.4 Dualität in der Stringtheorie 167 11.5 T-Dualität 168 11.6 Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten und Spiegelsymmetrien 169 11.7 Sonstige Dualitäten: Geometrie und Kraft 173 11.8 Dualität in schwarzen Löchern 176 11.9 Holographie 177 11.10 Das wignersche Gesetz 178 12 Zusammenfassung 181 12.1 Symmetrie und Symmetriebrechung 182 12.2 Eichsymmetrie 184 12.3 Intuitive Mathematik 186 12.4 Kontraintuitive Mathematik 187 12.5 Intuitive und unintuitive Physik 188 12.6 Natürlichkeit 189 12.7 Physik und Religion 190 12.8 Dualität 191 Stichwortverzeichnis 193

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Book SynopsisDie Physik der Musik und ihrer Instrumente Was unterscheidet ein Geräusch von einem Ton? Warum gibt es unterschiedliche Tonleitern? Weshalb klingt ein Xylophon anders als ein Saxophon? Man höre und staune: Die Antworten darauf gibt die Physik – in enger Zusammenarbeit mit der Mathematik und der menschlichen Physiologie. Bereits mit einfachen physikalischen Grundlagen zu Schwingungen und Wellen – Schall ist letztendlich nichts anderes als Wellen, die sich in einem Medium ausbreiten – und wenigen mathematischen Formeln eröffnet sich ein ganz neuer, faszinierender Blick auf die Musik. Iván Egry zeigt, dass Physik und Musik mehr miteinander zu tun haben, als man sich gemeinhin vorstellt. Die Leserinnen und Leser erhalten einen leicht verständlichen Einblick in die Grundlagen der Akustik – Wellengleichung und Schallausbreitung – und der Musiktheorie – Notenschrift, Intervalle, Stimmungen –, bevor es ans Eingemachte geht: Mit Beispielen illustriert, befasst sich der umfangreichste Teil des Buches mit der Tonerzeugung durch Saiten-, Holz- und Blechblasinstrumente und dem faszinierenden Zusammenwirken zwischen Material, Konstruktion und Spielweise, das beim Solo-, Ensemble- oder Orchesterspiel zu dem Klangeindruck führt, der uns emotional so berührt. Dies ist das Buch für: Physikinteressierte, die mehr über Musik wissen möchten Musikinteressierte, die mehr über die physikalischen Grundlagen ihres Metiers wissen möchten Alle, die Spaß an beidem haben! Trade ReviewEgry erklärt unterhaltsam die Grundlagen der Tonerzeugung im Allgemeinen und in Musikinstrumenten im Speziellen. Er zeigt, dass Physik und Musik mehr miteinander zu tun haben, als man sich gemeinhin vorstellt. KONSTRUKTION (25.10.2022) Table of Contents1. Einleitung 2. Akustik 2.1 Einleitung 2.2 Die Wellengleichung 2.3 Lautstärke 2.4 Harmonische Wellen 2.5 Helmholtz-Gleichung 2.6 Erzwungene Schwingungen 2.7 Frequenzanalyse 2.8 Schallausbreitung in Festkörpern 3. Musik 3.1 Die Notenschrift 3.2 Tonintervalle 3.2.1 Die reine Stimmung 3.2.2 Die gleichstufig temperierte Stimmung 3.3 Tonleitern, Tonarten und Akkorde 3.3.1 Dur und Moll 3.3.2 Die Kirchentonarten 3.3.3 Weitere Tonarten 3.3.4 Der Quintenzirkel 3.3.5 Akkorde 4. Instrumentenkunde 4.1 Klassifizierung 4.1.1 Der Helmholtzresonator 4.2 Saiteninstrumente 4.2.1 Gezupfte Saiten 4.2.1.1 Harfen 4.2.1.2 Gitarren 4.2.2 Geschlagene Saiten 4.2.2.1 Das Klavier 4.2.3 Gestrichene Saiten 4.2.3.1 Die Geigen 4.3 Blasinstrumente - Grundlagen 4.3.1 Die Webstersche Horngleichung 4.3.2 Stehende Wellen in Hörnern 4.3.2.1 Zylindrische Hörner 4.3.2.2 Konische Hörner 4.3.3 Die Impedanz von Hörnern 4.4 Blechblasinstrumente 4.4.1 Naturtöne 4.4.2 Trompeten 4.4.3 Hörner 4.4.4 Posaunen 4.5 Holzblasinstrumente 4.5.1 Die Orgel 4.5.2 Flöten 4.5.3 Klarinetten 4.5.4 Saxophone 4.5.5 Oboen

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Book SynopsisAsymptotic Perturbation Methods Cohesive overview of powerful mathematical methods to solve differential equations in physics Asymptotic Perturbation Methods for Nonlinear Differential Equations in Physics addresses nonlinearity in various fields of physics from the vantage point of its mathematical description in the form of nonlinear partial differential equations and presents a unified view on nonlinear systems in physics by providing a common framework to obtain approximate solutions to the respective nonlinear partial differential equations based on the asymptotic perturbation method. Aside from its complete coverage of a complicated topic, a noteworthy feature of the book is the emphasis on applications. There are several examples included throughout the text, and, crucially, the scientific background is explained at an elementary level and closely integrated with the mathematical theory to enable seamless reader comprehension. To fully understand the concepts within this book, the prerequisites are multivariable calculus and introductory physics. Written by a highly qualified author with significant accomplishments in the field, Asymptotic Perturbation Methods for Nonlinear Differential Equations in Physics covers sample topics such as: Application of the various flavors of the asymptotic perturbation method, such as the Maccari method to the governing equations of nonlinear system Nonlinear oscillators, limit cycles, and their bifurcations, iterated nonlinear maps, continuous systems, and nonlinear partial differential equations (NPDEs) Nonlinear systems, such as the van der Pol oscillator, with advanced coverage of plasma physics, quantum mechanics, elementary particle physics, cosmology, and chaotic systems Infinite-period bifurcation in the nonlinear Schrodinger equation and fractal and chaotic solutions in NPDEs Asymptotic Perturbation Methods for Nonlinear Differential Equations in Physics is ideal for an introductory course at the senior or first year graduate level. It is also a highly valuable reference for any professional scientist who does not possess deep knowledge about nonlinear physics.Table of Contents1 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR NONLINEAR OSCILLATORS 1.1 Introduction 1.2 Nonlinear Dynamical Systems 1.3 The Approximate Solution 1.4 Comparison with the Results of the Numerical Integration 1.5 External Excitation in Resonance with the Oscillator 1.6 Conclusion 2 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR REMARKABLE NONLINEAR OSCILLATORS 2.1 Introduction 2.2 Periodic Solutions and their Stability 2.3 Global Analysis of the Model System 2.4 Infinite-Period Symmetric Homoclinic Bifurcation 2.5 A Few Considerations 2.6 A Peculiar Quasiperiodic Attractor 2.7 Building an Approximate Solution 2.8 Results from Numerical Simulation 2.9 Conclusion 3 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR VIBRATION CONTROL WITH TIME DELAY STATE FEEDBACK 3.1 Introduction 3.2 Time Delay State Feedback 3.3 The AP Method 3.4 Stability Analysis and Parametric Resonance Control 3.5 Suppression of the Two-Period Quasiperiodic Motion 3.6 Vibration Control for Other Nonlinear Systems 4 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR VIBRATION CONTROL WITH NONLOCAL DYNAMICS 4.1 Introduction 4.2 Vibration Control for the van der Pol Equation 4.3 Stability Analysis and Parametric Resonance Control 4.4 Suppression of the Two-Period Quasiperiodic Motion 4.5 Conclusion 5 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR NONLINEAR CONTINUOUS SYSTEMS 5.1 Introduction 5.2 The Approximate Solution for the Primary Resonance of the nth Mode 5.3 The Approximate Solution for the Subharmonic Resonance of Order One-Half of the nth Mode 5.4 Conclusion 6 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR DISPERSIVE NONLINEAR PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS 6.1 Introduction 6.2 Model Nonlinear PDEs Obtained from the Kadomtsev-Petviashvili Equation 6.3 The Lax Pair for the Model Nonlinear PDE 6.4 A Few Considerations 6.5 A Generalized Hirota Equation in 2+1 dimensions 6.6 Model Nonlinear PDEs Obtained from the KP equation 6.7 The Lax Pair for the Hirota-Maccari Equation 6.8 Conclusion 7 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR PHYSICS PROBLEMS 7.1 Introduction 7.2 Derivation of the Model System 7.3 Integrability of the Model System of Equations 7.4 Exact Solutions for the C-Integrable Model Equation 7.5 Conclusion 8 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR ELEMENTARY PARTICLE PHYSICS 8.1 Introduction 8.2 Derivation of the Model System 8.3 Integrability of the Model System of Equations 8.4 Exact solutions for the C-Integrable Model Equation 8.5 A Few Considerations 8.6 Hidden Symmetry Models 8.7 Derivation of the Model System 8.8 Coherent Solutions 8.9 Chaotic and Fractal Solutions 8.10 Conclusion 9 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR ROGUE WAVES IN NONLINEAR SYSTEMS 9.1 Introduction 9.2 The Mathematical Framework 9.3 The Maccari System 9.4 Rogue Waves Physical Explanation according to Maccari System and Blowing Solutions 9.5 Conclusion 10 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR FRACTAL AND CHAOTIC SOLUTIONS IN NONLINEAR PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS 10.1 Introduction 10.2 A new Integrable System from the Dispersive Long Wave Equation 10.3 Nonlinear Coherent Solutions 10.4 Chaotic and Fractal Solutions 10.5 Conclusion 11 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR NONLINEAR QUANTUM MECHANICS 11.1 Introduction 11.2 The NLS equation for a1>0 11.3 The NLS equation for a1<0 11.4 A Possible Extension 11.5 The Nonrelativistic Case 11.6 The Relativistic Case 11.7 Conclusion 12 COSMOLOGY 12.1 Introduction 12.2 A New Field Equation 12.3 Exact solution in the Robertson-Walker Metrics 12.4 Entropy Production 12.5 Conclusion 13 CONFINEMENT AND ASYMPTOTIC FREEDOM IN A PURELY GEOMETRIC FRAMEWORK 13.1 Introduction 13.2 The Uncertainty Principle 13.3 Confinement and Asymptotic Freedom for the Strong Interaction 13.4 The Motion of a Light Ray into a Hadron 13.5 Conclusion 14 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR A REVERSE INFINITE-PERIOD BIFURCATION IN THE NONLINEAR SCHRÖDINGER EQUATION 14.1 Introduction 14.2 Building an Approximate Solution 14.3 A Reverse Infinite-Period Bifurcation 14.4 Conclusion Conclusion Bibliography

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Book SynopsisMit einem soliden Fundament und dem richtigen Handwerkszeug lernt sich die Chemie deutlich leichter. David R. Klein erklärt Ihnen in diesem Buch grundlegende Dinge wie das richtige Rechnen mit Einheiten und wie Sie eine Formeln umgehen sollten. Schnell geht es danach weiter in der großen Welt der Chemie. Sie erfahren, wie Sie mit Reaktionen umgehen, was das Ideale Gasgesetz ist, was es zu Orbitalen und Bindungen zu wissen gibt und vieles mehr. Der Autor kommt dabei schnell auf den Punkt und so können Sie sich zügig das Rüstzeug für Ihr Leben mit der Chemie verschaffen, ob Sie sich nun freiwillig mit dem Thema beschäftigen oder nicht.Table of ContentsInhalt Einleitung 13 1 Zahlen und Einheiten 15 Die signifikanten Stellen 16 Größenordnungen 25 Die Einheiten 34 Die Umrechnung von Einheiten über die Dimensionsanalyse 37 Berechnungen mit mehreren Konversionsfaktoren 42 Spezielle Konversionsfaktoren 45 2 Wie Sie Atome und Moleküle zählen 51 Empirische und molekulare Formeln 51 Moleküle und Molangaben 53 Die atomare Masse 56 Die molare Masse 58 Molare Masse als Konversionsfaktor: Stoffmengen und Massen ineinander umrechnen 61 Wie sich die molare Masse in einer Aufgabe zweimal als Konversionsfaktor nutzen lässt 63 Konversionsfaktoren sinnvoll kombinieren 66 Massenprozente und Elementaranalyse 69 3 Ausgeglichene Reaktionen und die Stöchiometrie von Gleichungen 79 Die Erhaltung der Masse: Atome auf beiden Seiten einer Reaktion zählen 79 Regeln und Strategien für den Ausgleich von Reaktionsbilanzen 85 Informationen, die Sie beim Bilanzieren ignorieren können 91 Der limitierende Faktor 92 Das limitierende Reagenz in einem Schritt berechnen 99 Theoretische und tatsächliche Ausbeute 104 4 Das ideale Gasgesetz 109 Die Umrechnung von Einheiten beim idealen Gasgesetz 110 Einfache Berechnungen mit dem idealen Gasgesetz 117 Die Verwendung der speziellen Konversionsfaktoren 119 Extensive und intensive Zustandsgrößen 132 Die molare Masse als Brücke verwenden 138 Das kombinierte Gasgesetz 144 Das ideale Gasgesetz und stöchiometrische Probleme 151 Das ideale Gasgesetz und der limitierende Faktor 157 5 Energie und Enthalpie 165 Energie und Energieformen 165 Die Übertragung von Energie: Arbeit und Wärme 169 Zustandsgrößen und Wegverläufe 178 Was ist Enthalpie? 180 Der Satz von Hess 185 Bildungsenthalpie 200 6 Orbitale, Bindungen und das Zählen von Elektronen 209 Atomorbitale 209 Molekülorbitale 212 Elektronegativität, Induktion und Polarität 215 Die kovalente Bindung 219 Formalladungen und Oxidationszahlen 223 Bestimmung der Oxidationszahl anhand der Molekülformel 231 Eine kurze Einführung in Redox-Reaktionen 239 7 Lewis-Formeln aufstellen 243 Die Oktettregel 244 Lewis-Elektronenformeln binärer Verbindungen 254 Das Zentralatom in Verbindungen bestimmen 260 Wie Sie das Molekülskelett bestimmen können 262 Die korrekte Verteilung der Elektronen 265 Elemente, die die Oktettregel verletzen 267 Resonanzstrukturen 276 8 Molekülgeometrie und Hybridisierungszustand 285 Orbitale und ihre Geometrie 286 Elektronendomänen 294 Die Vorhersage der Molekülgeometrie 297 Die Molekülgeometrie von Verbindungen mit Doppel- oder Dreifachbindung 307 Bindungswinkel 310 Antworten 331 Anhang 337 Register 339

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Book SynopsisIst der Anfang bei der Organischen Chemie getan, geht es auch gleich weiter, denn nach den Grundlagen kommen die Reaktionen. David R. Klein erklärt Ihnen in dieser umfassend korrigierten Auflage, was Sie zu Substitutions-, Eliminierungs-, und Additionsreaktionen wissen sollten. Ein Kapitel zu Alkoholen und eine Einführung in die Synthesen runden das Buch ab. So ist dieser Schnellkurs die richtige Hilfestellung, wenn es in der Organischen Chemie ein wenig mehr als nur die Grundlagen sein soll. Mit zahlreichen Übungsaufgaben samt Lösungen können Sie Ihr Wissen gleich auch noch testen und festigen.Table of ContentsEinführung 11 1 Reaktionsmechanismen 15 Geschwungene Pfeile 17 Mit Pfeilen Elektronen verschieben 24 Zwischenstufen zeichnen 26 Nucleophile und Elektrophile 30 Basen und Nucleophile 32 DerMechanismus bestimmt die Regiochemie 35 DerMechanismus bestimmt die Stereochemie 41 Eine Liste von Reaktionsmechanismen 46 2 Substitutionsreaktionen 53 Die Reaktionsmechanismen 53 Faktor 1 –das Elektrophil (Substrat) 58 Faktor 2 –das Nucleophil 63 Faktor 3 –die Abgangsgruppe 65 Faktor 4 –das Lösungsmittel 69 Alle vier Faktoren verwenden 72 Substitutionsreaktionen lehren uns wichtige Zusammenhänge 74 3 Eliminierungsreaktionen 77 Der E2-Reaktionsmechanismus 78 Einfluss der Regiochemie auf den Verlauf der E2-Reaktion 79 Einfluss der Stereochemie auf den Verlauf der E2-Reaktion 81 Der E1-Reaktionsmechanismus 85 Einfluss der Regiochemie auf den Verlauf der E1-Reaktion 87 Einfluss der Stereochemie auf den Verlauf der E1-Reaktion 88 Substitution oder Eliminierung? 88 Die Funktion des Reagenzes bestimmen 89 Reaktionsmechanismen identifizieren 94 Produkte vorherbestimmen 97 4 Additionsreaktionen 103 Terminologie zur Beschreibung der Regiochemie 103 Terminologie zur Beschreibung der Stereochemie 106 HundHaddieren 118 H und X addieren,Markownikow 122 H und Br addieren, Anti-Markownikow 132 H und OH addieren,Markownikow 138 H und OH addieren, Anti-Markownikow 143 Synthesetechniken 149 Br und Br addieren / Br und OH addieren 160 OH und OH addieren, anti 168 OH und OH addieren, syn 172 Oxidative Alkenspaltung 174 Zusammenfassung aller Reaktionen 177 5 Alkohole 179 Alkohole benennen und kategorisieren 179 Die Löslichkeit von Alkoholen bestimmen 181 Die relative Acidität eines Alkohols abschätzen 184 Alkohole herstellen: Eine Zusammenfassung 188 Alkohole per Reduktion herstellen 190 Alkohole mithilfe von Grignard-Reaktionen herstellen 199 Methoden zur Herstellung von Alkoholen: eine Zusammenfassung 206 Reaktionen mit Alkoholen: Substitution und Eliminierung 207 Reaktionen mit Alkoholen: Oxidation 212 Einen Alkohol zu einem Ether umsetzen 215 6 Synthese 219 Ein-Schritt-Synthesen 222 Mehrschritt-Synthesen 226 Retrosynthese 228 Eigene Aufgaben erstellen 230 Lösungen 233 Stichwortverzeichnis 247

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Book SynopsisBei organischer Synthese entstehen neue Stoffe. Dieser Wiley-Schnellkurs führt Sie schnell und kompetent in dieses Gebiet der Organischen Chemie ein. David R. Klein erklärt Ihnen was Sie zu elektrophiler und nukleophiler aromatischer Substitution wissen sollten und was Sie bei Ketonen, Aldehyden, Aminen, Enolen und vielem mehr beachten sollten. Mit zahlreichen Übungsaufgaben mit Lösungen können Sie Ihr Wissen festigen und testen. So ist dieses Buch das richtige für Sie, wenn Sie sich schnell in diesen Bereich der Organik einarbeiten wollen.Table of ContentsEinführung 11 1 Elektrophile Substitution am Aromaten (SEAr) 15 Halogenierung und die Bedeutung der Lewis-Säuren 18 Nitrierung 24 Friedel-Crafts-Alkylierung und -Acylierung 27 Sulfonierung 37 Aktivierung und Desaktivierung 43 Dirigierende Effekte 47 Aktivierende und desaktivierende Substituenten erkennen 59 Sterische Effekte vorhersagen und ausnutzen 72 Synthesestrategien 81 2 Nucleophile Substitution am Aromaten (SNAr) 89 Kriterien für die nucleophile Substitution am Aromaten 89 Der SNAr-Mechanismus 92 Eliminierungs-Additions-Mechanismus 100 Strategischer Umgang mit Reaktionsmechanismen 107 3 Aldehyde und Ketone 111 Synthese von Aldehyden und Ketonen 111 Stabilität und Reaktivität von C=O-Bindungen 116 H-Nucleophile 118 O-Nucleophile 126 S-Nucleophile 142 N-Nucleophile 145 C-Nucleophile 155 Einige wichtige Ausnahmen von der Regel 168 Wie man Fragen zur Syntheseplanung angeht 173 4 Carbonsäurederivate 181 Reaktivität von Carbonsäurederivaten 181 Allgemeingültige Regeln 183 Säurehalogenide 188 Säureanhydride 197 Ester 199 Amide und Nitrile 209 Synthese-Planung 219 5 Enole und Enolate 229 α-Protonen 229 Reaktionen mit Enolen 238 Synthese von Enolaten 243 Haloform-Reaktion 247 Alkylierung von Enolaten 251 Aldol-Reaktionen 257 Claisen-Kondensation 267 Decarboxylierung 277 Michael-Reaktionen 286 6 Amine 295 Nucleophilie und Basizität von Aminen 295 Synthese von Aminen durch SN2-Reaktionen 297 Synthese von Aminen durch reduktive Aminierung 302 Acylierung von Aminen 308 Reaktionen von Aminen mit salpetriger Säure 313 Aromatische Diazoniumsalze 317 Antworten 321 Register 347

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Book SynopsisStöchiometrie, Stoffmengen und Konzentrationsangaben, Massen und Ausbeuten, Redox-Potentiale, pH-Werte: Gelegentlich müssen Sie in der Chemie auch rechnen. Derlei Berechnungen sind wirklich einfach und einleuchtend, wenn Sie erst einmal wissen, welche Formel(n) Sie wann verwenden müssen ? und warum eigentlich. Genau das gilt es zu üben, und dabei hilft Ihnen dieses Buch: Die jeweils notwendigen Formeln werden vorgestellt, Sie erfahren, worum es dabei eigentlich geht, und jeder einzelne Rechenschritt wird nachvollziehbar und an realitätsnahen Beispielen aufbereitet. Die üblichen Fallstricke (und wie Sie diese vermeiden) werden ebenso ein Thema sein wie der Umgang mit tabellierten Werten ? und was diese eigentlich aussagen.Table of ContentsEinführung 17 Törichte Annahmen über den Leser 18 Wie Sie dieses Buch einsetzen 20 Symbole in diesem Buch 21 Wie es weitergeht 22 Teil I: Allgemeines 23 Kapitel 1 Größen und Einheiten 25 Das soll der Standard sein: Grundgrößen 25 Von den Grundgrößen leiten sich alle Größen ab 28 Das soll der Standard sein: Was ist denn schon »normal«? 29 Vorsilben bestimmen die Größenordnung 29 Die wissenschaftliche Notation 30 SI-Präfixe 30 Signifikant muss es schon sein 32 Signifikante Ziffern und Einheiten 33 »Signifikante Ziffern« heißt nicht »Stellen hinter dem Komma«! 35 Umrechnung von Masse in Stoffmenge und umgekehrt – tägliches Brot für den Chemiker 39 Was genau ist denn ein Mol? 39 Rechnen mit dem Mol – und mit molaren Massen 41 Konzentration & Co im Labor-Alltag 45 Die Formelschreibweise 48 Damit müssen Sie rechnen 49 Dreisatz 50 Potenzen 51 Logarithmus 52 pq-Formel 54 Kapitel 2 Eine Frage der Konzentration 55 Was ist drin? – Gehaltsangaben 55 Konzentrationsangaben 56 Anteilsangaben 60 Verhältnisangaben 68 Molalität 70 Elementaranalyse – und dann? – Ermitteln empirischer Formeln 72 Teil II: Reaktionen 77 Kapitel 3 Stöchiometrie 79 Wie stellt man eine Reaktionsgleichung auf? 81 Tipps zur Vorgehensweise 82 Massenbilanzen 85 Wie viel kommt dabei heraus? – Ausbeuteberechnung 88 Stöchiometrie – verschiedene Arten von Reaktionsgleichungen 94 Kapitel 4 Kinetik chemischer Reaktionen 97 Was ist ein Geschwindigkeitsgesetz? 98 Wie löst man die Geschwindigkeitsgleichungen? 104 Reaktionsordnung n und Geschwindigkeitskonstante k müssen ermittelt werden 107 … und das ist noch nicht alles 108 Kapitel 5 Chemische Gleichgewichte 109 Dynamische Gleichgewichte 109 Das Massenwirkungsgesetz 112 Und jetzt mit »richtigen« Reaktionen! 114 Die Bedeutung von Gleichgewichtskonstanten 115 Zur Berechnung von Gleichgewichtskonstanten 116 Das Prinzip von LE CHATELIER 120 Einfluss der Konzentration 121 Welchen Einfluss hat die Temperatur? 124 Auch der Druck kann sich auswirken 126 Konzentration und Aktivität 128 Komplexe Angelegenheiten 129 Löslichkeit und das Löslichkeitsprodukt 131 Ungesättigte Lösungen und das Ionenprodukt (IP) 133 AB-Salze, AB2-Salze und so weiter 136 KL- und pKL-Werte 139 Kapitel 6 pH-Wert und Co 143 Der pH-Wert und das Wasser 144 Starke Säure, schwache Säure – und das Gleiche für Basen 147 pH-Wert-Berechnungen 152 Starke Säuren/Basen 152 Schwache Säuren/Basen 154 Mittelstarke Säuren/Basen 156 Ampholyte 160 Titrationen 161 Puffersysteme 168 HENDERSON-HASSELBALCH-Gleichung 169 Kapitel 7 Redox-Reaktionen 175 Wie stellt man eine Redox-Reaktion auf? 176 Und wie bestimmt man Oxidationszahlen jetzt? 177 Redox im wässrigen Medium 182 Zwei nur auf den ersten Blick besondere Fälle 189 Neu! Jetzt wasserfrei! 193 Kapitel 8 Elektrochemie 205 Elektrochemie 205 Die Spannungsreihe 206 Die NERNST‘sche Gleichung 211 Galvanische Zellen 217 Teil III: Chemie Trifft Physik 231 Kapitel 9 Gase 233 Gase stehen unter Druck 234 Gasgesetze für ideale Bedingungen 235 BOYLE-MARIOTTE – komprimierte Energie 235 Volumen und Druck sind am Ende – wie kalt kann es werden? 236 AVOGADRO – hier werden Teilchen gezählt 237 Das ideale Gasgesetz 238 DALTON – jeder liefert seinen Beitrag 240 Nichts ist ideal – Gesetze für reale Gase 241 Kapitel 10 Hier geht es um Energie 243 Da steckt Energie drin 243 Welche Einheit hat Energie? 245 Was ist ein Elektronenvolt? 246 Energie des Lichts 246 PLANCK entdeckt das Wirkungsquantum 246 Wellenlängen und Chemie 248 Was ist ein Linienspektrum? 249 Kapitel 11 Energie in der Chemie 253 Die Hauptsätze der Thermodynamik 253 Nullter Hauptsatz der Thermodynamik 253 Erster Hauptsatz der Thermodynamik 253 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik 254 Dritter Hauptsatz der Thermodynamik 254 Thermodynamische Terminologie 254 Innere Energie U 254 Wärme Q 255 Arbeit W 255 Enthalpie H 255 Entropie S 256 Freie Enthalpie oder: GIBBS-Energie 257 Konstante Wärmesummen oder: Der Satz von HESS 259 Der BORN-HABER-Kreisprozess 261 Gitterenergie 261 Teil IV: Der Top-Ten-Teil 265 Kapitel 12 Zehn wichtige Tipps für das chemische Rechnen 267 Lesen Sie die Aufgabenstellung – ganz genau! 267 Formelsprache 268 Explizite und implizite Informationen 268 Dimensionsanalyse – stimmt die Einheit? 270 Plausibilitätsanalyse – kann das hinkommen? 270 Der gute, alte Dreisatz 271 Lernen Sie Ihren Taschenrechner kennen! 271 Möglichst viele Stellen hinter dem Komma oder doch lieber auf signifikante Ziffern achten? 271 Der vielleicht wichtigste Rat: Nichts überstürzen! 272 Wenn die Zeit knapp wird 272 Stichwortverzeichnis 273

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Book SynopsisSich all die Formeln, Funktionen und Regeln der Chemie zu merken ist schon schwierig genug - und dann soll man sie auch noch richtig anwenden. Da hilft nur üben, üben, üben! Das "Übungsbuch Chemie für Dummies" enthält über 250 Übungen zu Einheitenumrechnung, Periodensystem, Stöchiometrie, Säuren und Basen, Thermodynamik, Redoxreaktionen, funktionelllen Gruppen und vielen anderen grundlegenden Fragestellungen der Chemie. Zudem finden Sie zu Beginn eines jeden Themas eine kurze Widerholung der Theorie, bevor es dann an die Praxis geht. Natürlich gibt es auch ausführliche Lösungen zu allen Aufgaben, so gewinnen Sie Sicherheit und können sich zielgerichtet auf die nächste Prüfung vorbereiten.Table of ContentsÜber die Autoren 7 Einleitung 19 Über dieses Buch 19 Konventionen in diesem Buch 20 Törichte Annahmen über den Leser 20 Wie dieses Buch aufgebaut ist 20 Teil I: Mit Zahlen, Atomen und Elementen anbandeln 20 Teil II: Verbindungen aufbauen und erneuern 21 Teil III: Veränderungen auf energetischer Ebene betrachten 21 Teil IV: Ladung wechsle dich 21 Teil V: Jetzt wird's organisch 21 Teil VI: Der Top-Ten-Teil 22 Symbole in diesem Buch 22 Wie es ab hier weitergeht 23 Teil I Mit Zahlen, Atomen und Elementen anbandeln 25 Kapitel 1 Wissenschaftlich mit Zahlen umgehen 27 Exponentielle und wissenschaftliche Schreibweise zur Interpretation chemischer Messungen anwenden 27 Multiplizieren und Dividieren in der wissenschaftlichen Schreibweise 29 Addieren und Subtrahieren mithilfe der exponentiellen Schreibweise 31 Zwischen Genauigkeit und Präzision unterscheiden 32 Präzision mit signifikanten Stellen ausdrücken 34 Mit signifikanten Stellen rechnen 36 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Thema Wissenschaftlich rechnen 38 Kapitel 2 Einheiten benutzen und umrechnen 43 Machen Sie sich mit Grundeinheiten und den Vorsilben des metrischen Systems vertraut 43 Abgeleitete Einheiten aus Grundeinheiten bilden 45 Der mit den Einheiten tanzt: Der Dreisatz 46 Lassen Sie sich von den Einheiten leiten 50 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Thema Einheiten 52 Kapitel 3 Materie in Atome und Aggregatzustände einteilen 55 Atome aus subatomaren Teilchen zusammensetzen 55 J. J. Thomson: Nichts als Rosinen im Kopf 57 Ernest Rutherford: Der Goldschütze 57 Niels Bohr: Der nach den Sternen greift 58 Chemische Symbole entziffern: Ordnungs- und Massenzahlen 59 Isotope mithilfe von Massenzahlen erklären 62 Sich zwischen den Aggregatzuständen von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen bewegen 65 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Thema Atome und Aggregatzustände 68 Kapitel 4 Das Periodensystem der Elemente durchstreifen 71 Perioden und Gruppen im Periodensystem ausfindig machen 71 Chemische Eigenschaften anhand von Perioden und Gruppen des Periodensystems ableiten 75 Wie Valenzelektronen durch die Bildung von Ionen zu Stabilität verhelfen 77 Elektronen auf ihre Plätze verweisen: Elektronenkonfigurationen 78 Die Energiemenge (oder das Licht) messen, die ein angeregtes Elektron emittiert 82 Lösungen zu den Aufgaben rund um das Periodensystem der Elemente 83 Teil II Verindungen aufbauen und erneuern 87 Kapitel 5 Bindungen eingehen 89 Ladungspaarung bei Ionenbindungen 90 Elektronen durch kovalente Bindungen teilen 92 Molekülorbitale besetzen und überlappen 97 Tauziehen mit Elektronen: Polarität 100 Moleküle formen: VSEPR-Theorie und Hybridisierung 103 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Thema Bindungen 107 Kapitel 6 Verbindungen benennen 113 Viele Wege führen nach Rom: Ionische Verbindungen benennen 113 Wenn nur diese verflixten mehratomigen Ionen nicht wären! 116 Molekularen Verbindungen Spitznamen verpassen 118 Licht am Ende des Tunnels: Ein vereinfachtes Schema zur Benennung von Verbindungen 120 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Thema Verbindungen benennen 124 Kapitel 7 Das mächtige Mol beherrschen 129 Teilchen zählen: Das Mol 129 Masse und Volumen auf Mol beziehen 131 Ehre, wem Ehre gebührt: Prozentuale Zusammensetzung 135 Von der prozentualen Zusammensetzung zu empirischen Formeln 137 Von empirischen Formeln zu Summenformeln 139 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Mol 140 Kapitel 8 Chemische Gleichungen in den Griff bekommen 147 Chemie in Gleichungen und Symbolen 147 Gleiches mit Gleichem vergelten: Chemische Reaktionen ausgleichen 149 Reaktionen erkennen und Produkte vorhersagen 152 Synthese 153 Zersetzung 153 Einfache Substitution 153 Metathese 155 Verbrennung 155 Gaffen verboten: Netto-Ionengleichungen 157 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Thema chemische Gleichungen 159 Kapitel 9 So funktioniert Stöchiometrie 163 Mol/Mol-Umrechnungsfaktoren in ausbilanzierten Gleichungen nutzen 163 Das Mol am Schopf packen: Teilchen, Volumina und Massen umrechnen 166 Den Reaktanten Grenzen setzen 169 Die Küken nach dem Schlüpfen zählen: Prozentuale Ausbeute berechnen 173 Lösungen zu den stöchiometrischen Aufgaben 174 Teil III Veränderungen auf energetischer Ebene betrachten 185 Kapitel 10 Aggregatzustände in Verbindung mit Energie sehen 187 Materiezustände mit der kinetischen Theorie erklären 187 Den nächsten Zug machen: Phasenübergänge und Phasendiagramme 189 Unterschiede zwischen festen Aggregatzuständen wahrnehmen 192 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Thema Phasenänderungen 194 Kapitel 11 Gasgesetzen gehorchen 197 Den Nebel lichten: Verdunstung und Dampfdruck 198 Mit Druck und Volumen spielen: Das Boyle’sche Gesetz 200 Mit Volumen und Temperatur herumspielen: Gesetz von Charles und absoluter Nullpunkt 201 Und jetzt alle zusammen: Das kombinierte und das ideale Gasgesetz 203 Daltons Gesetz der Partialdrücke ins Spiel bringen 205 Ausbreiten und Verteilen mit Grahams Gesetz 206 Lösungen zu den Aufgaben rund um Gasgesetze 208 Kapitel 12 Sich in Lösung begeben 211 Verschiedene Kräfte bei der Löslichkeit wirken sehen 211 Löslichkeit mithilfe der Temperatur verändern 214 Sich auf Molarität und Prozentangaben konzentrieren 216 Konzentrationen durch die Herstellung von Verdünnungen ändern 219 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Thema Lösungen 221 Kapitel 13 Mal heiß, mal kalt: Kolligative Eigenschaften 225 Teilchen portionieren: Molalität und Stoffmengenanteile 225 Vorsicht Verbrennungsgefahr: Siedepunkte erhöhen und berechnen 228 Wie tief können Sie gehen? Gefrierpunkte berechnen und erniedrigen 230 Molekülmassen anhand von Siede- und Gefrierpunkten bestimmen 232 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Thema kolligative Eigenschaften 234 Kapitel 14 Geschwindigkeit und Gleichgewicht erforschen 239 Reaktionsgeschwindigkeiten messen 239 Geschwindigkeitsbeeinflussende Faktoren entdecken 244 Gleichgewichte messen 246 Die Gleichgewichtskonstante 247 Freie Enthalpie 248 Störfaktoren des Gleichgewichts kennen lernen 250 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Thema Geschwindigkeit und Gleichgewicht 253 Kapitel 15 Aufwärmtraining für die Thermodynamik 257 Die Grundlagen der Thermodynamik 257 Wärme aufnehmen: Wärmekapazität und Kalorimetrie 260 Wärme absorbieren und abgeben: Endotherme und exotherme Reaktionen 262 Wärme mit dem Hess’schen Gesetz addieren 264 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Thema Thermodynamik 267 Teil IV Ladung, wechsle dich! 271 Kapitel 16 Der Lackmustest für Säuren und Basen 273 Drei komplementäre Methoden zur Definierung von Säuren und Basen 273 Methode 1: Arrhenius hält sich an die Grundlagen 273 Methode 2: Brønsted-Lowry kümmern sich um Basen ohne Hydroxidionen 274 Methode 3: Lewis verlässt sich auf Elektronenpaare 276 Azidität und Basizität messen: pH, pOH und KW 278 Stärke durch Dissoziation bestimmen: KS und KB 280 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Thema Säuren und Basen 283 Kapitel 17 Neutralität mit Äquivalenten, Titration und Puffern erreichen 287 Äquivalente und Normalität untersuchen 288 Molarität mithilfe von Titration bestimmen 290 Den pH-Wert mit Puffern einstellen 293 Salzlöslichkeit messen: KL 296 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Thema neutralisierende Äquivalente 297 Kapitel 18 Elektronen in Redoxreaktionen nachweisen 301 Elektronen anhand von Oxidationszahlen verfolgen 301 Redoxreaktionen unter sauren Bedingungen ausbilanzieren 304 Redoxreaktionen unter alkalischen Bedingungen ausgleichen 306 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Thema Elektronen in Redoxreaktionen 309 Kapitel 19 In der Elektrochemie auf Draht sein 315 Anoden und Kathoden unterscheiden 315 Elektromotorische Kräfte und Standardreduktionspotenziale berechnen 319 Strömungen in der Chemie: Elektrolysezellen 323 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Thema Elektrochemie 325 Kapitel 20 Chemie mit Atomkernen 329 Kerne können auf mehrere Arten zerfallen 329 Alphazerfall 329 Betazerfall 330 Gammazerfall 330 Zerfallsgeschwindigkeiten messen: Halbwertszeiten 332 Kerne verschmelzen und aufbrechen: Fusion und Spaltung 333 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Thema Kernchemie 335 Teil V Jetzt wird’s organisch 337 Kapitel 21 Ketten aus Kohlenstoff 339 In einer Reihe: Kohlenstoffe zu kettenförmigen Alkanen verbinden 339 Die Fühler ausstrecken: Verzweigte Alkane durch Substitution bilden 343 Unersättlich: Alkene und Alkine 346 Einmal im Kreis: Ringförmige Kohlenstoffketten 349 Zyklische aliphatische Kohlenwasserstoffe einkreisen 350 An aromatischen Kohlenwasserstoffen schnüffeln 350 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Thema Kohlenstoffketten 352 Kapitel 22 Isomere in Stereo sehen 357 Platzanweisen mit geometrischen Isomeren 358 Alkene: Scharf auf cis-trans-Konfigurationen 358 Nichtoffenkettige Alkane: Eine Ringbindung herstellen 359 Alkine: Kein Platz für Stereoisomere 360 Spieglein, Spieglein an der Wand: Enantiomere und Diastereomere 361 Chiralität begreifen 361 Enantiomere und Diastereomere in Fischer-Projektionen darstellen 362 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Thema Stereoisomere 367 Kapitel 23 Durch die bunte Welt der funktionellen Gruppen schlendern 371 Die Bühne der chemischen Akteure betreten 371 Alkohole: Beherbergen eine Hydroxylgruppe 373 Ether: Von Sauerstoff eingenommen 373 Carbonsäuren: -COOH bildet das Schlusslicht 374 Carbonsäureester: Bevorzugen zwei Kohlenstoffketten 374 Aldehyde: Klammern sich an ein Sauerstoffatom 375 Ketone: Einsame Sauerstoffatome pirschen sich in die Mitte 376 Halogenkohlenwasserstoffe: Hallo, Halogen! 376 Amine: Mit Stickstoff auf Du und Du 377 Reaktion durch Substitution und Addition 379 Wie die Chemie in der Biologie funktioniert 380 Kohlenhydrate: Kohlenstoff trifft Wasser 381 Proteine: Bestehen aus Aminosäuren 382 Nucleinsäuren: Das Rückgrat des Lebens 383 Lösungen zu den Aufgaben rund ums Thema Funktionelle Gruppen 386 Teil VI Der Top-Ten-Teil 389 Kapitel 24 Zehn Formeln, die Sie sich ins Gehirn brennen lassen sollten 391 Das kombinierte Gasgesetz 391 Daltons Gesetz der Partialdrücke 392 Die Verdünnungsgleichung 392 Geschwindigkeitsgesetze 392 Die Gleichgewichtskonstante 393 Änderung der Freien Enthalpie 393 Kalorimetrie bei konstantem Druck 394 Das Hess’sche Gesetz 394 pH, pOH und KW 395 KS und KB 395 Kapitel 25 Zehn nervige Ausnahmen von den chemischen Regeln 397 Wasserstoff ist kein Alkalimetall 397 Die Oktettregel trifft nicht immer zu 397 Einige Elektronenkonfigurationen ignorieren die Orbitalregeln 398 Vom ständigen Geben und Nehmen von Elektronen in koordinativen kovalenten Bindungen 399 Alle Hybridorbitale entstehen auf die gleiche Art und Weise 400 Seien Sie vorsichtig bei der Benennung von Verbindungen mit Übergangsmetallen 400 Sie dürfen mehratomige Ionen nicht vergessen 401 Wasser ist dichter als Eis 402 Es gibt keine idealen Gase 402 Bekannte Namen für organische Verbindungen erinnern an alte Zeiten 403 Stichwortverzeichnis 405

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Book SynopsisIn der Schule und beim Studium der Naturwissenschaften kommen Sie an der Organischen Chemie nicht vorbei. Doch dieses Buch hilft Ihnen, wenn Sie sich einen schnellen Überblick über dieses komplexe Thema verschaffen wollen. Arthur Winter erklärt Ihnen leicht verständlich, was Sie über Kohlenstoffverbindungen, funktionelle Gruppen und organische Reaktionen unbedingt wissen sollten. So ist dies Ihr perfekter Nachhilfelehrer für die Tasche: freundlich, kompetent, günstig.Table of ContentsÜber den Autor 7 Einführung 17 Über dieses Buch 18 Konventionen in diesem Buch 19 Törichte Annahmen über den Leser 20 Wie dieses Buch aufgebaut ist 20 Teil I: Es war einmal: Chemie des Kohlenstoffs 21 Teil II: Kohlenwasserstoffe 21 Teil III: Vielfalt organischer Verbindungen 22 Teil IV: Der Top-Ten-Teil 22 Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 22 Wie es weitergeht 22 Teil I Volle Kraft Voraus: Die Chemie Des Kohlenstoffs 25 Kapitel 1 Die wundervolle Welt der organischen Chemie 27 Sei willkommen, Du schöne organische Chemie 27 Was genau sind eigentlich organische Moleküle? 30 Kapitel 2 Sezieren von Atomen: Atombau und Bindung 33 Elektronen unter Hausarrest: Schalen und Orbitale 34 Im Wohnzimmer der Elektronen: Orbitale 35 Bedienungsanleitung für Elektronen: Elektronenkonfiguration 37 Drum prüfe, wer sich ewig bindet: Hochzeit der Elektronen 38 Teilen oder nicht teilen, das ist hier die Frage: Ionenbindung und kovalente Bindung 39 Meins! Alles meins! – Die Ionenbindung 39 Die kovalente Bindung 40 Elektronengier und die Elektronegativität 41 Ladungsteilung: Dipolmomente 43 Die Bestimmung des Dipolmoments einzelner Bindungen 44 Die Bestimmung des Dipolmoments von Molekülen 44 Molekülgeometrien 46 Aufmischer: Hybridorbitale 47 Ich versteh’ nur noch Griechisch: Sigma- und Pi-Bindungen 50 Kapitel 3 Bilder sagen mehr als Worte: Strukturzeichnungen 55 Lasst Bilder sprechen: Lewis-Formeln 57 Formalladungen 57 Strukturformeln 59 Atome kompakt: Kurzformeln 60 Strukturenstenografie: Skelettformeln 61 Umwandeln von Lewis-Formeln in Skelettformeln 62 Die Zahl von Wasserstoffatomen in Skelettformeln bestimmen 64 Mutterseelenallein: Freie Elektronenpaare 64 Waffenarsenal: Pfeile in der Organik 65 Dr Jekyll und Mr Hyde: Resonanzstrukturen 67 Regeln für Resonanzstrukturen 68 Die Qual der Wahl: Resonanzstrukturen zeichnen 69 Schwindelerregend: Zeichnen von mehr als zwei Resonanzstrukturen 73 Die Gewichtung von Resonanzstrukturen 74 Aufgepasst: Häufige Fehler beim Zeichnen von Resonanzstrukturen 76 Kapitel 4 Säuren und Basen 79 Definitionssache: Säuren und Basen 79 Jetzt wird es nass: Säuren und Basen nach Arrhenius 80 Schrei nach Protonen: Säuren und Basen nach Brønsted 81 Elektronenliebhaber und -hasser: Säuren und Basen nach Lewis 81 Vergleich der Säurestärke organischer Moleküle 84 Der Einfluss der Atome 84 Der Einfluss der Hybridisierung 85 Der Einfluss der Elektronegativität 86 Der Einfluss von Resonanzeffekten 87 Die Definition des pKS-Werts: Eine quantitative Skala der Säurestärke 87 Kapitel 5 Reaktive Zentren: Funktionelle Gruppen 89 Kohlenwasserstoffe 90 Doppelter Spaß: Die Alkene 90 Alkine 91 Gönnen Sie sich eine Nase voll: Aromaten 92 Einfach gebundene Heteroatome 94 Halogenide 94 Zum Einreiben und zum Trinken: Alkohole 96 Mit dem Holzhammer: Ether 97 Carbonylverbindungen 98 Leben am Rand: Aldehyde 98 Ab durch die Mitte: Ketone 99 Carbonsäuren 99 Die süßeste Versuchung, seit es Organik gibt: Ester 100 Funktionelle Gruppen mit Stickstoffatomen 101 Da steckt Leben drin: Amide 101 Amine 102 Kapitel 6 Durchblick in 3D: Stereochemie 103 Das Zeichnen von Molekülen in 3D: die Keilstrichformel 104 Der Vergleich von Stereoisomeren mit Konstitutionsisomeren 104 Spiegelbildmoleküle: Enantiomere 105 Chiralitätszentren erkennen 106 Die Auswirkungen der Symmetrie: meso-Verbindungen 108 Polarisationsebenen drehen 110 Mehrere Chiralitätszentren: Diastereomere 111 3D-Strukturen in 2D: Fischer-Projektionen 112 Regeln für Fischer-Projektionen 113 Stereoisomerie in Fischer-Projektionen 113 Erkennen von meso-Verbindungen mit Hilfe der Fischer-Projektionen 114 Auf dem Laufenden bleiben 114 Teil II Kohlenwasserstoffe 117 Kapitel 7 Die Urväter der organischen Moleküle: Alkane 119 Wie lautet der Name? Die Nomenklatur der Alkane 120 Alles auf der Reihe? Geradkettige Alkane 120 Platzverschwender: Verzweigte Alkane 121 Wenn es mehr als einen gibt 125 Die Benennung komplexer Substituenten 126 Einen Namen in eine Struktur umwandeln 128 Zeichnen von Isomeren aus der Summenformel 129 Schritt 1 130 Schritt 2 130 chritt 3 131 Schritt 4 132 Schritt 5 132 Die Konformation geradkettiger Alkane 133 Konformationsanalyse und Newman-Projektion 134 Konformationen des Butans 136 Jetzt geht’s rund: Cycloalkane 138 Stereochemie der Cycloalkane 138 Konformationen des Cyclohexans 139 Zeichnen der stabilsten Sessel-Konformation 142 Reagierende Alkane: Halogenierung 143 Los geht’s: Die Startreaktion 144 Wenn es läuft, läuft es: Kettenfortpflanzung 144 … und raus bist Du: Kettenabbruch 145 Selektivität der Chlorierung und der Bromierung 147 Kapitel 8 Hilfe, ich sehe doppelt: Alkene 149 Die Definition der Alkene 150 Nomen est omen: Die Nomenklatur der Alkene 152 Die Nummerierung der Stammkette 152 Benennung multipler Doppelbindungen 153 Trivialnamen von Alkenen 154 Stereochemie der Alkene 154 Gleiches oder anderes Ufer? cis und trans-Stereochemie 155 Die Stabilität der Alkene 155 Substitution bei Alkenen 156 Die Stabilität von cis- und trans-Isomeren 156 Darstellung der Alkene 157 Eliminierung von Säure: Dehydrohalogenierung 157 Wasserlassen: Dehydratisierung von Alkoholen 158 Die Reaktionen der Alkene 158 Die Addition von Halogenwasserstoff an Doppelbindungen 159 Ich bin positiv: Carbokationen 160 Anlagerung von Wasser an eine Doppelbindung 162 Nimm 2: Die Bromierung von Alkenen 163 Zerhacken von Doppelbindungen: Oxidation mit Permanganat 164 Anlagerung von Wasserstoff: Die Hydrierung 164 Manche mögen Abwechslung: Addition von Halogenwasserstoffsäuren an konjugierte Alkene 164 Das Energieprofil einer Addition an konjugierte Alkene 166 Kinetik und Thermodynamik der Addition an konjugierte Doppelbindungen: ein Vergleich 167 Noch stärker ungesättigt: Alkine besitzen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindungen 168 Wie soll es denn heißen? Das Alkin bekommt einen Namen 168 Die Orbitale der Alkine 169 Bromierung von Alkinen: Doppeltes Vergnügen 170 Sättigung von Alkinen durch Wasserstoff 170 Teil III Vielfalt Organischer Verbindungen 171 Kapitel 9 Berauschend: Alkohole 173 Klassifizierung der Alkohole 173 Sage mir, wie Du heißt, dann sage ich Dir, wer Du bist: Alkohole benennen 174 Darstellung von Alkoholen 176 Anlagerung von Wasser an Doppelbindungen 176 Fermentation 176 Reaktionen der Alkohole 177 Abspaltung von Wasser: Dehydratation 177 Darstellung von Ethern: Williamson-Ethersynthese 177 Die Oxidation von Alkoholen 178 Kapitel 10 Die Herrn der Ringe: Aromatische Verbindungen 179 Was sind aromatische Verbindungen? 180 Die Struktur von Benzol 180 Die Vielfalt aromatischer Verbindungen 181 Aber was macht ein Molekül aromatisch? 182 Die Hückel’sche (4n + 2)-Regel 183 Aromatizität: Molekülorbital-Theorie 183 Was zum Teufel ist die Molekülorbital-Theorie? 183 MO-Diagramme aufstellen 184 Der Frost-Kreis 185 Das MO-Diagramm von Benzol 185 Molekülorbitale anschaulich 186 Das MO-Diagramm von Cyclobutadien 188 Aromatizität entdecken 189 Säure- und Basenstärke 192 Vergleich der Säurestärken 192 Vergleich der Basenstärke 193 Benennung der Benzole und Aromaten 194 Trivialnamen substituierter Benzole (Arene) 195 Die Namen häufiger Heteroaromaten 196 Holt die Kanonen raus: Elektrophile aromatische Substitution des Benzols 196 Einführung von Alkylgruppen: Die Friedel-Crafts-Alkylierung 197 Die Reduktion von Nitrogruppen 199 Nimm zwei: Synthese disubstituierter Benzole 199 Elektronendonoren: ortho-para-dirigierend 200 Elektronenziehende Gruppen: meta-dirigierend 201 Die Synthese substituierter Benzole 204 Kapitel 11 Kunststoffe 207 Aus Monomeren werden Polymere 208 Ohne Starter geht es nicht: Die Polymerisation 208 Hier wird ein Teil abgespalten: Die Polykondensation 210 Zum Schluss bleibt nur das Produkt übrig: Die Polyaddition 212 Immer den geeigneten Kunststoff auswählen 212 Thermoplaste – verformbar durch Hitzeeinwirkung 212 Duroplaste – beständig in ihrer Form 213 Elastomere – die Meister der Verformbarkeit 213 Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen 214 Kunststoffe aus dem high-tech-Bereich: Die Silikone 215 Teil IV Der Top-Ten-Teil 217 Kapitel 12 Zehn Websites für weites Lernen 219 Portal für Organische Chemie 220 Chemgapedia 220 Prof Robinsons organische Chemie 220 PubChem-Datenbank 221 Spektrum Lexikon 221 Chemieseite 221 Chemieonline 222 IUPAC Compendium of Chemical Terminology -the Gold Book 222 Experimentalchemie 222 Archiv der organischen Synthese 223 Glossar 225 Stichwortverzeichnis 235

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Book SynopsisMetalle, Halbmetalle, Salze, Nichtmetallverbindungen ohne Kohlenstoff, Komplexe und Cluster: Mit all dem müssen Sie sich in der Anorganischen Chemie herumschlagen. Dieses Buch hilft Ihnen, den Kopf über Wasser zu halten. Sie erfahren, was Sie zu Wasser, elektropositiven Elementen und Elementen der weiteren Haupt- und Nebengruppen, Komplexverbindungen und vielem mehr wissen sollten. Abgerundet wird das Buch durch eine Einführung in die gängigen Analysemethoden. So verliert die Anorganische Chemie auch für Sie ihren Schrecken.Table of ContentsÜber den Autor 9 Einführung 21 Über dieses Buch 21 Voraussetzungen 22 Wie dieses Buch aufgebaut ist 22 Teil I: Chemie der Elemente 22 Teil II: Konzepte und Modelle in der Anorganischen Chemie 23 Teil III: Analytische Methoden 23 Teil IV: Der Top-Ten-Teil 23 Anhänge 23 Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 24 Wie es weitergeht 24 Teil I: Chemie der Elemente 25 Kapitel 1 Was ist Anorganische Chemie? 27 Anorganische Chemie im Alltag 27 Anorganische Chemie in der Küche 27 Bauchemie und Geschirr 28 Dünger und Sprengstoffe 28 Edelsteine und Zahnpaste 29 Pigmente und Farbstoffe 29 Anorganische Chemie früher und heute 29 Die Sprache der Chemiker – Formeln, Gleichungen, Symbole 30 Elektronegativität und Periodizität der Eigenschaften – wichtige Hilfsmittel zur Orientierung 33 Kapitel 2 Wasserstoff und Wasser 37 Struktur des Wassers 37 Eigenschaften des Wassers 38 Salzhydrate 40 Wasserreinigung und Wasserenthärtung 40 Brennstoffzellen 41 Herstellung und Eigenschaften von Wasserstoff 42 Herstellung 42 Eigenschaften 43 Verwendung 45 Hydride 45 Ionische Hydride 45 Metallische Hydride 46 Kovalente Hydride 47 Hydridokomplexe 47 Kapitel 3 Elektropositive Elemente 49 Metalle durch Schmelzflusselektrolyse 50 Wichtige Verbindungen der Alkalimetalle 51 Chloride 51 Hydroxide 51 Natriumsulfat 53 Nitrate 53 Carbonate 53 Elektrolytelemente in der Biochemie 54 Chlorophyll 55 Kalk/Zement/Gips 56 Bor und seine Verbindungen 57 Wichtige Verbindungen des Bors 57 Aluminium und seine Verbindungen 62 Wichtige Verbindungen des Aluminiums 63 Metallorganische Verbindungen der Hauptgruppenelemente 66 Kapitel 4 Vom Kohlenstoff zum Blei – die 4 Hauptgruppe 71 Kohlenstoff 71 Elementarer Kohlenstoff 72 Reaktionsverhalten von Kohlenstoff 76 Verbindungen des Kohlenstoffs 76 Silicium 79 Darstellung 79 Verwendung 79 Reaktionsverhalten von Silicium 80 Verbindungen des Siliciums 80 Germanium, Zinn und Blei 88 Die Elemente 88 Verbindungen von Germanium, Zinn und Blei 88 Bleiakkumulator 89 Kapitel 5 Die Nichtmetalle 91 Stickstoff 91 Stickstoffwasserstoffverbindungen 96 Oxide und Säuren des Stickstoffs 98 Phosphor 102 Modifikationen des Phosphors 102 Bindungsverhältnisse beim Phosphor 103 Verbindungen des Phosphors 104 Arsen, Antimon, Wismut 107 Giftiges Arsen 108 Sauerstoff 108 Ozon 109 Wasserstoffperoxid 110 Eigenschaften von Oxiden 111 Schwefel 112 Verbindungen des Schwefels 113 Kapitel 6 Halogene und Edelgase 117 Fluor 118 Chlor, Brom und lod 119 Eigenschaften und Verwendung 120 Verbindungen der Halogene 121 Pseudohalogene und Pseudohalogenide 124 Edelgase 126 Verwendung 128 Edelgasverbindungen 128 Kapitel 7 Die Nebengruppenelemente im Überblick 129 Vergleichende Übersicht über die Eigenschaften der d- und f-Elemente 129 Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen Haupt- und Nebengruppenelementen – das Beispiel Magnesium und Zink 132 Herstellung und Verwendung der Metalle 132 Anreicherung der Erze 133 Darstellung der Metalle 133 Reinigung der Metalle 134 Verwendung der Metalle 135 Metallcarbonyle 138 Cluster 140 Metallorganische Verbindungen der Übergangsmetalle 141 Alkyl- und Arylverbindungen 142 π-Komplexe 143 Katalyse mit Übergangsmetallen 147 Elementarreaktionen 148 Beispiele für Komplexkatalysen 150 Acetaldehyd aus Ethen 153 Katalytische Hydrierung 153 Olefinpolymerisation 156 Kapitel 8 Komplexverbindungen 159 Der Chelateffekt 161 Namen von Komplexverbindungen 162 Geometrie von Komplexverbindungen 163 Isomerie von Komplexverbindungen 164 Bindungsverhältnisse in Komplexverbindungen 167 Die 18-Valenzelektronenregel 167 Valenzbindungstheorie 168 Ligandenfeldtheorie 171 Kapitel 9 Die Eigenschaften der Nebengruppenelemente 189 Die 3 Nebengruppe 189 Lanthanoide und Actinoide 190 Kernspaltung und Kernreaktoren 192 Die 4 Nebengruppe 196 Die 5 Nebengruppe 198 Die 6 Nebengruppe 200 Chromverbindungen 201 Molybdän und Wolframverbindungen 205 Die 7 Nebengruppe 206 Die 8 Nebengruppe 209 Eisen 211 Korrosion 213 Eisen(II)-Verbindungen 214 Eisen(III)-Verbindungen 214 Eisenkomplexe in der Natur 216 Cobalt 217 Cobalt(II)-Verbindungen 217 Cobalt(Ill)-Verbindungen 217 Vitamin B12 218 Nickel 220 Oktaedrische Nickel(II)-Komplexe 220 Tetraedrische Nickel(II)-Komplexe 221 Quadratisch-planare Nickel(II)-Komplexe 221 Nickel(O)-Komplexe 222 Platinmetalle 223 Die 1 Nebengruppe 224 Kupfer 224 Silber 228 Gold 230 Die 2 Nebengruppe 231 Zink 231 Zinkverbindungen 232 Cadmium 232 Quecksilber 233 Teil II: Konzepte und Modelle in der Anorganischen Chemie 235 Kapitel 10 Säuren und Basen 237 Säuren und Basen nach Arrhenius 237 Säuren und Basen nach Brønsted 238 Der pH-Wert 240 Alles unter Kontrolle: Pufferlösungen 241 Messung des pH-Werts 242 Säuren und Basen nach Lewis 242 Hart und weich im Reich der Säuren und Basen 243 Nicht Superman, sondern Supersäure 244 Kapitel 11 Elektrochemie 245 Redoxreaktionen 245 Oxidation 246 Reduktion 246 Des einen Verlust ist des anderen Gewinn 246 Das Standardelektrodenpotenzial 248 Elektrolyse 250 Von der Taschenlampe zum Laptop – elektrochemische Stromquellen 252 Die Taschenlampenbatterie 252 Der Nickel-Cadmium-Akkumulator 253 Der Nickel-Metallhydrid-Akkumulator 253 Bleiakkumulatoren 253 Lithium-Ionen-Akkumulatoren 253 Brennstoffzellen 254 Kapitel 12 Die Struktur der Atome 255 Der Atombau 255 Das Aufbauprinzip 256 Gestalt der Orbitale 259 s-Orbitale 260 p-Orbitale 260 d-Orbitale 261 Kapitel 13 Bindungsmodelle in der Anorganischen Chemie 263 Metallbindungen 263 Ionenbeziehungen 264 Zwischen Ionenbeziehung und Atombindung 265 Atombindungen 265 Lewis-Formeln 266 Die Geometrie von Molekülen 268 Molekülorbitaltheorie 270 Valenzstrukturtheorie 274 Teil III: Analytische Methoden 277 Kapitel 14 Qualitative Analyse – der Trennungsgang 279 Vorbereitung der Probe 279 Soda-Pottasche-Aufschluss 280 Saurer Aufschluss 280 Oxidationsschmelze 281 Freiberger Aufschluss 281 Nachweis der Anionen 281 Nachweis der Kationen 282 Kapitel 15 Quantitative Analyse 285 Titration 285 Elektrochemische Indikation 288 Gravimetrie 289 Moderne Elementanalytik 289 AAS 291 AES 291 ICP-OES 291 RFA 291 Anwendungen 292 Kapitel 16 Elektrochemische Analytik 293 Konduktometrie 293 Potenziometrie 294 pH-Wert messen 295 Cyclovoltammetrie 296 Polarografie 297 Coulometrie 299 Elektrogravimetrie 300 Kapitel 17 Moleküle sichtbar machen –die Einkristall-Strukturanalyse 301 Ergebnisse der Strukturbestimmung 304 Ein Beispiel für eine Einkristall-Strukturanalyse 304 Kapitel 18 Spektroskopische Methoden 307 Moleküle absorbieren Licht – die UV-Vis-Spektroskopie 308 Moleküle tanzen – die IR- und Raman-Spektroskopie 310 Teil IV: Der Top-Ten-Teil 313 Kapitel 19 Zehn wichtige Entdeckungen in der Anorganischen Chemie 315 Organische und Anorganische Verbindungen sind verwandt 315 Pflanzen brauchen Dünger 316 Periodizität der Elemente 316 Die Entdeckung der Radioaktivität 317 Das erste Hightech-Material 317 Die Entdeckung der Katalyse 317 Das Grignard-Reagenz 318 Dünger und Sprengstoffe – die Ammoniaksynthese 318 Silikone für alle 319 Das Ziegler-Natta-Verfahren 319 Kapitel 20 Zehn Tipps für Studenten 321 Positiv denken! 321 Schreiben Sie in Vorlesungen mit! 321 Nutzen Sie die Seminare und Übungen! 322 Lösen Sie Aufgaben! 322 Praktika während des Studiums 322 Stellen Sie sich vor! 322 E-Mails 323 Lernen Sie langfristig! 323 Eine Prüfung ist ein wichtiges Ereignis! 323 Dresscode 324 Kapitel 21 Zehn Tipps für wissenschaftliches Arbeiten 325 Das Thema 325 Der Betreuer 326 Machen Sie sich einen Zeitplan 326 Lesen Sie die Fachliteratur 326 Schreiben Sie Protokolle 327 Das Konzept der Arbeit 327 Die Arbeit schreiben 328 Sprache und Stil 328 Vorsicht bei der Nutzung des Internets 329 Zitate und Literaturangaben 329 Anhang A Hilfreiche Webseiten 331 Lexika und Nachschlagewerke 331 Vorlesungen und Lehrmaterialien zur Anorganischen Chemie 332 Portale 332 Software 333 Spektroskopische Datenbanken 333 Anhang B Weiterführende Literatur 335 Lehrbücher 335 Spezialgebiete 336 Nachschlagewerke 336 Synthesechemie 337 Analytische Chemie 338 Anhang C Wichtige Trivialnamen 339 Verbindungsklassen 339 Liste der Trivialnamen 339 Stichwortverzeichnis 343

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Book SynopsisDie Analytik ist zwar ein grundlegendes Thema innerhalb der Chemie, hat es aber ganz schön in sich. Aber keine Sorge, Ulf Ritgen erklärt Ihnen in diesem Buch was Sie zur Analytischen Chemie Wissen sollten. Wie erhält man eigentlich analytische Infos? Welche Standards gibt es? Und wie sollte man überhaupt mit den Stoffgemischen umgehen? All diese Grundlagen werden ausführlich erläutert. Aber auch die Anwendungsgebiete und Methoden kommen keinesfalls zu kurz. Egal ob Gravimetrie, Titration, Fällung oder Konduktometrie, endlich wird alles verständlich erklärt. Jetzt können Prüfung und Praktikum kommen!Table of ContentsÜber den Autor 7 Einführung 15 Törichte Annahmen über den Leser 15 Wie Sie dieses Buch einsetzen 16 Symbole in diesem Buch 17 Wie es weitergeht 18 Teil I: Grundlagen und Standards 19 Kapitel 1 Analytik – und was dahintersteckt 21 Methodik der Analytik 23 Woher erhalten wir überhaupt analytische Informationen? 25 Wofür lässt sich die Analytik nutzen? 27 Prinzipien in der Analytik 28 Methoden in der Analytik 29 Unerlässliche Vorkenntnisse 32 Reinstoffe, Gemische & Co 33 Ausgewählte Trennverfahren (zur Probenvorbereitung) 34 Man muss ja nicht gleich alles nehmen! – Aliquotieren 36 Arbeitsbereich, Probenbereich, Gehaltsbereich 39 Kapitel 2 Grundlagen, Werkzeuge und Prinzipien 41 Präzision & Co 41 Damit müssen Sie rechnen 45 Die wissenschaftliche Notation 45 Der Dreisatz 46 Potenzen 48 Logarithmen 49 Nicht erschrecken: die pq-Formel 52 Signifikant muss es schon sein 52 Signifikante Ziffern und Einheiten 54 Exakte Zahlen 54 »Signifikante Ziffern« ≠ »Stellen hinter dem Komma«! 56 Ein Hauch von Statistik 59 Mittelwert (x) 59 Standardabweichung (s) 60 Variationskoeffizient (VK) 62 Kapitel 3 Standards 67 Das ist der Standard: Grundgrößen 67 Von den Grundgrößen leiten sich alle Größen ab 69 Was ist denn schon »normal«? 70 Vorsilben – für die Größenordnung 71 SI-Präfixe 71 Gehaltsangaben – Konzentration & Co im Labor-Alltag 73 Die Formelschreibweise 75 Konzentrationsangaben 78 Anteilsangaben 79 Verhältnisangaben 81 Molalität und spezifische Partialstoffmenge 81 Noch einmal: P, A, G 82 Teil II: Klassische nasschemische Verfahren 85 Kapitel 4 Die Masse macht’s –Gravimetrie 87 Die Fällung 87 Die Fällungsform 88 Die Wägeform 88 Der gravimetrische Faktor 89 fg – je kleiner, desto besser 91 Der Fällungsgrad (α) 93 Das Löslichkeitsprodukt (KL) 94 Die Löslichkeit (L) 99 Gravimetrie – zur praktischen Durchführung 102 Zeit ist Geld – Beschleunigung des Filtrationsprozesses 104 Kapitel 5 Volumetrie – zunächst einmal ganz allgemein 107 Einige Fachtermini, die Sie kennen sollten 108 Voraussetzungen für volumetrisch nutzbare Reaktionen 109 Verschiedene Arten der Titration 110 Endpunkts-Indikation 113 Endpunktbestimmung – chemisch (und damit visuell) 115 Endpunktbestimmung – physikalisch (und damit instrumentell) 115 Maßanalyse erfordert Genauigkeit 116 Titerbestimmung 116 Die Äquivalentkonzentration (ceq) 121 Kapitel 6 Gar nicht ätzend: Säure/Base-Titrationen 125 pH-Wert 127 Säure- und Basestärken 128 Titrationskurven 132 Starke Säure gegen starke Base (oder umgekehrt) 133 Was ist mit schwachen Säuren oder schwachen Basen? 133 Bestimmung des pH-Wertes einer wässrigen Lösung 135 Kapitel 7 Lassen wir doch die Schwerkraft für uns arbeiten! – Fällungsreaktionen 141 Fällungs-Titrationen 141 Argentometrie – Vielfalt bei Fällungs-Titrationen 142 Bestimmung des Äquivalenzpunktes 145 Ein Schlusswort zu diesem Kapitel 157 Kapitel 8 So komplex ist das gar nicht! – Komplexometrie 159 Zur Erinnerung: Komplex-Nomenklatur 161 Chelat-Komplexe … 163 … und deren Benennung 164 Komplexliganden in der Analytischen Chemie 167 Komplexometrische Titration 167 Endpunktsbestimmung (oder -erkennung) 168 Arbeitsweisen: Rücktitration 174 Arbeitsweisen: Substitutionstitration 174 Arbeitsweisen: Simultantitration 175 Kapitel 9 Elektronen wechseln den Besitzer – Redox-Titrationen 183 Grundlagen 185 Die Spannungsreihe 185 Die Nernst’sche Gleichung 187 Woher kommen denn eigentlich die elektrochemischen Potentiale? 191 Beschreibung von Redox-Systemen: die internationale Konvention 196 Eine Redox-Titration – ein wenig genauer betrachtet 197 Eine exemplarische Titrationskurve 200 Bestimmung des Endpunktes einer Redox-Titration 207 Redox-Indikatoren 208 Anwendungsbereiche für Redox-Titrationen 212 Manganometrie 212 Cerimetrie 217 Iodometrie – im Angebot: Oxidation und Reduktion 218 Teil III: Jetzt wird’s spannend 225 Kapitel 10 Elektrochemie – unter Strom in der Analytik 227 Was passiert an den Elektroden? 227 Was wir schon wissen 228 Anwendungsgebiete der Elektrochemie in der Analytik 229 Elektrolyse nutzen 229 Elektrogravimetrie 230 Coulometrie 244 Konduktometrie 248 Wichtige Kenngrößen: Leitwert L und molare Leitfähigkeit Λ 250 Starke und schwache Elektrolyte 254 Konduktometrische Verfahren 259 Kapitel 11 Hat durchaus Potential –Potentiometrie 269 Potentiometrie 269 Elektroden für die Potentiometrie 270 Indikator-Elektroden 270 Referenz-Elektroden 271 Noch einmal: Die Nernst’sche Gleichung 271 Noch einmal: die Wasserstoff-Elektrode(n) 272 Oder eben auch mit anderen Referenz-Elektroden 272 Elektroden – Arbeitspferde der Analytik 273 Elektroden 1 , 2 und 3 Ordnung 273 Die Silber/Silberchlorid-Elektrode (Ag/AgCl-Elektrode) 274 Die Kalomel-Elektrode 279 Potentiometrische Verfahren 281 Direktpotentiometrie 282 Anwendungen der Direktpotentiometrie 289 Potentiometrische Titrationen 289 Kapitel 12 Speziellere Elektroden 291 Einteilung von Elektroden nach ihrer Membran 291 Die potentiometrische Messung von pH-Werten 292 Die Chinhydron-Elektrode 293 Die Antimon-Elektrode 295 Die Glas-Elektrode 299 Ionenselektive Elektroden (ISE) 309 Empfindlichkeit ionenselektiver Elektroden 310 Teil IV: Der Top-Ten-Teil 321 Kapitel 13 Zehn Empfehlungen für das Analytik-Labor 323 Stichwortverzeichnis 333

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Book SynopsisEin solides Fundament ist die beste Basis alles Wissens: Das ist zwar eine Binsenweisheit, trotzdem fehlt es bei vielen Menschen in den Naturwissenschaften gerade an diesem Fundament. "Chemie kompakt für Dummies" schafft da Abhilfe. Hier erfahren Sie das Wichtigste zu den Elementen, dem Ablauf von Reaktionen, dem Aufbau des Periodensystems und vielem mehr. Das Buch enthält die wichtigsten Grundlagen der Chemie, angefangen bei einfachen Konzepten, wie Materie, bis hin zu komplexeren Themen, wie der organischen Chemie. Auch alltägliche Themen, wie die Fraktionierung von Rohöl oder die Entstehung von Luftverschmutzung, kommen nicht zu kurz. Nach seinem Bestseller "Chemie für Dummies" gibt Ihnen John T. Moore hier einen schnellen und doch fundierten Überblick über die Welt der Atome, Aggregatzustände und Co.Table of ContentsEinführung 15 Über dieses Buch 16 Icons, die in diesem Buch verwendet werden 16 Teil I: Grundlegende Konzepte der Chemie 17 Kapitel 1 Was ist Chemie und warum sollte man darüber etwas wissen? 19 Was ist genau Chemie? 19 Zweige der Chemie 20 Makroskopische und mikroskopische Perspektive 21 Kapitel 2 Materie und Energie 23 Zustände der Materie: makroskopische und mikroskopische Sicht 24 Festkörper 24 Flüssigkeiten 25 Gase 25 Eis in Alaska, Wasser in Texas: Materie wechselt den Zustand 25 Ich löse mich auf! Oh, was für eine Welt! 25 Die Siedetemperatur 26 Gefrierpunkt: das Wunder des Eiswürfels 27 Sublimieren Sie das! 27 Reine Substanzen und Mischungen 28 Reine Substanzen 28 Elementar, lieber Leser 29 Das Verbinden des Problems 29 Nun kommen die Mischungen hinzu 29 Sie haben ja nette Eigenschaften bekommen 30 Energie (Ach, hätte ich doch mehr davon!) 30 Kinetische Energie ist Bewegung 31 Potenzielle Energie – sitzen Sie gut? 31 Temperatur und Temperaturskalen 32 Fühlen Sie die Wärme 32 Kapitel 3 Kleiner als ein Atom? – Die Struktur des Atoms 35 Subatomare Teilchen: So, das ist also ein Atom 35 Der Kern: Mittelpunkt 37 Wo sind nun diese Elektronen? 39 Das bohrsche Modell – überhaupt nicht langweilig 39 Quantenmechanisches Modell 41 Elektronenkonfigurationen (das Bett der Elektronen) 41 Elektronenkonfigurationen: leicht und platzsparend 42 Valenzelektronen: ein Leben auf dem Grat 42 Isotope und Ionen: Dies sind einige meiner Lieblingsthemen 43 Das Isolieren eines Isotops 43 Ein Blick auf die Ionen 44 Kapitel 4 Das Periodensystem 47 Das Wiederholen von Mustern der Periodizität 47 Wie die Elemente im Periodensystem angeordnet sind 48 Metalle, Nichtmetalle und Halbmetalle im PSE 49 Familien und Perioden 50 Teil II: Drum prüfe, wie sich Atome verbinden 53 Kapitel 5 Gegensätze ziehen sich an: Ionenbindungen 55 Die Magie der Ionenbindung: Natrium + Chlor = Tafelsalz 56 Die Bestandteile des Salzes 56 Die Reaktion 56 Am Ende kommt die Bindung 58 Positiv und negativ geladen: Kationen und Anionen 59 Polyatomare Ionen 61 Ionenbindungen 62 Formeln aufstellen nach der Kreuzregel 63 Das Benennen von Ionenverbindungen 64 Elektrolyte und Nichtelektrolyte 66 Kapitel 6 Kovalente Bindung: brüderlich teilen 67 Grundlagen der kovalenten Bindung 67 Ein Wasserstoffbeispiel 68 Vergleich der kovalenten Bindung mit anderen Bindungsarten 70 Zum Verständnis der Vielfachbindung 70 Das Benennen von binären kovalenten Verbindungen 71 So viele Formeln, so wenig Zeit 72 Empirische Formel: nur Elemente 72 Molekulare oder wirkliche Formel: das »Innere« der Zahlen 73 Strukturierte Formeln: Fügen Sie das Bindungsmuster hinzu 74 Einige Atome sind attraktiver als andere 78 Das Anziehen von Elektronen: Elektronegativitäten 78 Polarkovalente Bindung 81 Wasser: ein wirklich fremdartiges Molekül 82 Wie sieht Wasser wirklich aus? 86 Kapitel 7 Chemisches Kochen: chemische Reaktionen 89 Was Sie haben und was Sie kriegen: Ausgangsstoffe und Produkte 90 Wie treten Reaktionen auf? – Die Kollisionstheorie 91 Ein exothermes Beispiel 92 Ein endothermes Beispiel 93 Was für eine Reaktion bin ich? 94 Fällungsreaktionen 94 Neutralisationsreaktionen 95 Redox-Reaktionen 96 Die Bilanz chemischer Reaktionen 96 Riechen Sie dieses Ammoniak? 97 Zünden Sie Ihr Feuerzeug 98 Chemisches Gleichgewicht 99 Das Prinzip von Le Chatelier 102 Konzentrationsänderung 102 Temperaturänderung 103 Druckänderung 104 Schnelle und langsame Reaktionen: chemische Kinetik 105 Natur der Ausgangsstoffe 106 Partikelgröße der Ausgangsstoffe 106 Konzentration der Ausgangsstoffe 106 Druck von gasförmigen Ausgangsstoffen 107 Temperatur 107 Katalysatoren 109 Kapitel 8 Elektrochemie: Batterien für Teekannen 113 Da gehen sie hin, die Elektronen: Redoxreaktionen 114 Wo habe ich jetzt die Elektronen gelassen? – Oxidation 114 Gucken Sie mal, was ich gefunden habe! – Reduktion 115 Des einen Verlust ist des anderen Gewinn 116 Zahlenspiel: Oxidationszahlen 117 Das Abwägen von Redoxgleichungen 119 Strom an und los: elektrochemische Batterien 123 Hübsche Zelle, Daniell 124 Es werde Licht: Taschenlampenbatterien 125 Gentlemen, starten Sie Ihre Motoren: Autobatterien 126 Teil III: Das Mol, der beste Freund des Chemikers 129 Kapitel 9 Das Mol: Atome zum Anfassen 131 Das Zählen durch Wiegen 131 Paare, Dutzende, alte Riese und Mole 132 Avogadros Nummer: steht nicht im Telefonbuch 133 Die Anwendung des Mols in der realen Welt 133 Chemische Reaktionen und das Mol 135 Wie viel man für wie viel braucht: Reaktionsstöchiometrie 138 Kapitel 10 Sauer und bitter: Säuren und Basen 141 Eigenschaften von Säuren und Basen, makroskopisch betrachtet 142 Wie sehen Säuren und Basen aus? – Ein Blick durchs Mikroskop 143 Die Theorie von Arrhenius: Ohne Wasser geht gar nichts 143 Die Brönsted-Lowry-Säure-Base-Theorie: Geben und Nehmen 144 Ätzend oder trinkbar: starke und schwache Säuren und Basen 145 Starke Säuren 145 Starke Basen 147 Schwache Säuren 147 Schwache Basen 149 Her mit dem Proton: Brönsted-Lowry-Säure-Base Reaktionen 149 Entscheide dich: amphoteres Wasser 150 Ein altes Abführmittel und Rotkohl: Säure-Base-Indikatoren 151 Phenolphthalein: alles geregelt 152 Wie sauer ist mein Kaffee? – Die pH-Skala 153 Puffer: die pH-Controllettis 156 Kapitel 11 Ballons, Reifen und Pressluftflaschen: die wunderbare Welt der Gase 159 Auch Gase halten sich an Gesetze: Gasgesetze 159 Boyles Gesetz 160 Charles’ Gesetz 162 Gay-Lussacs Gesetz 164 Das kombinierte Gasgesetz 165 Avogadros Gesetz 166 Die Gleichung des »idealen Gasgesetzes« 168 Kapitel 12 Kohlenstoff: organische Chemie 171 Kohlenwasserstoffe: vom Einfachen zum Komplexen 172 Vom Gasgrill zum Tiger im Tank: Alkane 172 Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Alkene 178 Alkine braucht die Welt 179 Aromatische Verbindungen: Benzol und andere »anrüchige«Verbindungen 179 Funktionelle Gruppen 180 Alkohole (einreiben und einverleiben): R-OH 181 Carbonsäuren (kleine Stinker): R-COOH 182 Ester (noch mehr Gerüche, aber diesmal Wohlgerüche): R-COOR’ 183 Aldehyde und Ketone 183 Amine und Amide: organische Basen 184 Teil IV: Chemie im Alltag: Nutzen und Probleme 185 Kapitel 13 Erdöl: Chemikalien für Verbrennung und Gestaltung 187 Sei nicht so roh, raffiniert kommt man weiter 187 Trennung ohne Schmerz: fraktionierte Destillation 188 Aufbruchstimmung: katalytisches Cracken 190 Schieb mir mal was rüber: katalytisches Reformieren 191 Wie gut ist Ihr Benzin? – Oktanzahlen 191 Kapitel 14 Polymere: Gleich und Gleich gesellt sich gern 195 Natürliche Monomere und Polymere 195 Wie man synthetische Monomere und Polymere klassifiziert 197 Und wenn’s mal heiß wird? 197 Was mache ich denn damit? 197 Wie wird’s gemacht? 198 Kapitel 15 Hust! Hust! Keuch! Keuch! Luftverschmutzung 207 Zivilisation und Atmosphäre (oder: Wo der ganze Schlamassel anfängt) 207 Atmen oder nicht atmen: unsere Atmosphäre 208 Die Troposphäre: Hier bin ich Mensch, hier atme ich ein 208 Die Stratosphäre: Schutzschild Ozonschicht 209 Hände weg von meinem Ozon: Haarspray, FCKWs und das Ozonloch 210 Wie schädigen FCKWs die Ozonschicht? 211 Werden FCKWs immer noch produziert? 211 Ist Ihnen auch so heiß? – Der Treibhauseffekt 212 Braune Luft? – Fotochemischer Smog 213 London-Smog 214 Fotochemischer Smog 214 »Ich zerrfliiiiiiiiiiiiiieße!« – Saurer Regen 216 Aufladen und raus damit: elektrostatische Filter 219 Spülwasser: nasse Entschwefelung 220 Teil V: Der Top-Ten-Teil 221 Kapitel 16 Zehn zufällige Entdeckungen in der Chemie 223 Archimedes: alles mit Muße 223 Die Vulkanisierung von Gummi 224 Rechts und links drehende Moleküle 224 William Perkin und die Farbe Lila 224 Kekulé: ein schöner Traum 225 Die Entdeckung der Radioaktivität 225 Eine schlüpfrige Sache: Teflon 226 Nicht nur für Sträflinge: Haftnotizen 226 Lass wachsen 226 Süßer als Zucker 227 Stichwortverzeichnis 229

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Book Synopsis Hier dreht sich alles um Kohlenstoff Wie die Zusammenhänge und Konzepte der organischen Chemie funktionieren, lernen Sie in diesem Buch. Arthur Winter erklärt Ihnen, was Sie über Kohlenstoffverbindungen, funktionelle Gruppen und Reaktionsmechanismen wissen sollten. So erfahren Sie, welche Reaktionen möglich und welche unmöglich sind. Außerdem vermittelt er leicht verständlich auch komplexe Themen wie die Stereochemie und die Spektroskopie. Zu jedem Kapitel gibt es Übungsaufgaben und ausführlichen Lösungen. So unterstützt Sie das Buch nicht nur theoretisch, sondern auch praktisch bei Ihrem Einstieg in die Organische Chemie. Sie erfahren Wie Sie organische Strukturen korrekt zeichnen Wie Sie Reaktionsmechanismen erarbeiten Was Sie über Säuren, Basen und den pKs-Wert wissen sollten Welche Fachbegriffe Sie kennen müssen

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