Kaiserslautern - Fachbereich Chemie
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Acrylamid und Acrolein gehören zu den alpha,beta-ungesättigten Carbonylverbindungen. Sie zeichnen sich wie andere alpha,beta-ungesättigte Carbonylverbindungen durch eine hohe Reaktionsfähigkeit aus. Einerseits können sie leicht mit Proteinen und DNA reagieren, was zytotoxische und genotoxische Wirkungen hervorrufen kann, andererseits können sie aber auch schnell durch Glutathionkonjugation detoxifiziert werden.
Acrylamid ist eine in großem Umfang produzierte Industriechemikalie, die hauptsächlich Anwendung bei der Herstellung von Polyacrylamidprodukten findet. Aus Acrylamid hergestellte Polymere und Copolymere werden in der Kosmetikindustrie, als Bindemittel bei der Papierherstellung, als Flockungsmittel in der Abwasseraufbereitung und in biochemischen Laboratorien verwendet. Nachdem Acrylamid-Hämoglobin-Addukte im Jahre 2002 auch in nicht Acrylamid-exponierten Personen gefunden wurden, vermutete man Lebensmittel als mögliche Expositionsquelle. Anschließende Studien konnten dies bestätigen und zeigten, dass Acrylamid beim Erhitzen von Lebensmitteln vor allem bei hohen Temperaturen im Verlauf der Maillard-Reaktion gebildet werden kann. Die World Health Organisation (WHO) beziffert die weltweite durchschnittliche Exposition mit Acrylamid über Lebensmittel auf 1-4 µg Acrylamid/kg Körpergewicht (KG) und Tag. Acrylamid zeigte in verschiedenen Studien neurotoxische, entwicklungs- und reproduktionstoxische, genotoxische und kanzerogene Wirkungen. Acrylamid wurde im Jahre 1994 von der International Agency for Research on Cancer (IARC) in die Gruppe 2A als Stoff eingestuft, der wahrscheinlich krebserzeugend beim Menschen ist.
Acrylamid wird im Organismus zum genotoxischen Metaboliten Glycidamid gegiftet. Glycidamid bildet DNA-Addukte vor allem mit dem N7 des Guanins. Glycidamid-DNA-Addukte konnten im Tierversuch an Nagern nach Verabreichung hoher Mengen Acrylamid in allen untersuchten Organen gefunden werden. Als Hauptweg der Entgiftung von Acrylamid und Glycidamid gilt die Bindung an Glutathion (GSH) und der Abbau und die Ausscheidung als Mercaptursäure (MA) in Urin. Aufgrund des oxidativen Metabolismus von Acrylamid hängt die biologische Wirkung wesentlich vom Gleichgewicht der giftenden und entgiftenden Metabolismuswege in der Leber ab.
Acrolein wird seit 1940 kommerziell zur Herstellung von Acrylsäure, dem Ausgangsprodukt für Acrylatpolymere industriell produziert. Außerdem kann Acrolein aus Aminosäuren, Fetten oder Kohlenhydraten während des Erhitzens von Lebensmitteln gebildet werden. Während der Zubereitung von kohlenhydratreichen Lebensmitteln kann Acrolein wie auch Acrylamid im Verlauf der Maillard-Reaktion entstehen. Acrolein ist als einfachster alpha,beta-ungesättigter Aldehyd hochreaktiv gegenüber Nukleophilen wie z.B. Thiol- oder Aminogruppen unter Ausbildung von Michael-Addukten. Die hohe Reaktivität und Flüchtigkeit von Acrolein führt dazu, dass derzeit nur wenig zuverlässige Daten zu Acrolein-Gehalten speziell in kohlenhydratreichen Lebensmitteln vorliegen; sofern Daten zu Gehalten vorhanden sind, bewegen sich diese im niedrigen µg/kg-Bereich. Zudem ist bisher ungeklärt, in welchem Ausmaß Acrolein zur humanen Gesamtexposition gegenüber hitzeinduzierten Schadstoffen neben Acrylamid in Lebensmitteln beiträgt. Die derzeitige Datenlage lässt eine eindeutige Risikobewertung nicht zu. Eine stetige Exposition mit Acrolein gilt als sicher. In verschiedenen Studien konnte gezeigt werden, dass die toxikologischen Effekte von Acrolein im Gegensatz zu Acrylamid insgesamt nicht auf einer erhöhten Tumorinzidenz beruhen. Daher wurde Acrolein von der IARC in Kategorie 3 eingestuft: Es gilt als möglicherweise krebserzeugend beim Menschen, allerdings ist die Datenlage nicht ausreichend, um eine eindeutige Beurteilung vornehmen zu können.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Toxikokinetik und -dynamik der beim Erhitzen von Lebensmitteln entstehenden Kontaminanten Acrylamid und Acrolein in vitro und in vivo zu untersuchen. Im Vordergrund stand die Erfassung dosisabhängiger Genotoxizität von Acrylamid sowie der MA als wichtigste Entgiftungsreaktion im Tierversuch im Bereich der derzeitigen Verbraucherexposition. Die Ergebnisse, insbesondere zur Toxikokinetik, sollten durch in vitro Versuche in primären Rattenhepatozyten untermauert werden. Außerdem sollte vergleichend die bisher kaum mithilfe von Biomarkern untersuchte nahrungsbezogene Exposition des Verbrauchers mit Acrylamid und Acrolein bestimmt werden. Eine Dosis-Wirkungsuntersuchung an Sprague Dawley (SD)-Ratten im Dosisbereich von 0,1 bis 10.000 µg/kg KG lieferte erstmals quantitative Informationen zur DNA-Adduktbildung durch den genotoxischen Acrylamid-Metaboliten Glycidamid bis in niedrigste Expositionsbereiche. In diesem Niedrigdosisbereich (0,1 bis 10 µg/kg KG) liegt die nach Einmaldosierung gemessene N7-GA-Gua-Bildung im unteren Bereich der humanen Hintergrundgewebsspiegel für DNA-Läsionen verschiedenen Ursprungs. Dieser Befund könnte die zukünftige Risikobewertung von Expositionen mit solchen genotoxischen Kanzerogenen auf eine neue und der Messung zugängliche Basis stellen. Mit der in dieser Arbeit eingesetzten extrem empfindlichen instrumentellen Analytik sind erstmals Messungen von genotoxischen Ereignissen bis in den Bereich der Verbraucherexposition möglich geworden. Es bleibt allerdings zu beachten, das Genotoxizität zwar eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für Mutagenität und maligne Transformation ist. Die auf ein genotoxisches Ereignis folgende biologische Antwort, muss jedoch in die Risikobewertung mit einbezogen werden.
In primären Rattenhepatozyten ließ sich bei Inkubation mit Acrylamid zeigen, dass GSH-Addukte deutlich früher bei niedrigeren Acrylamidkonzentrationen nachweisbar sind als Glycidamid und N7-GA-Gua-Addukte. Der direkte Vergleich der Bildung von Glycidamid mit jener der AA-GSH-Addukte ließ schließen, dass die Entgiftung von Acrylamid in primären Rattenhepatozyten bis zu dreifach schneller verläuft als die Giftung. Zusätzlich ließ sich erstmals zeigen, dass primäre Rattenhepatozyten neben der Kopplung von Xenobiotika an GSH, zumindest auch in kleinen Anteilen zur Umwandlung in die entsprechenden MA fähig sind.
Um das von Acrolein ausgehende Gefährdungspotential zu untersuchen, wurde dessen DNA-Adduktbildung in vitro untersucht. Als Biomarker für die Bildung eines Haupt-DNA-Adduktes wurde fünffach 15N-markiertes Hydroxypropanodeoxyguanosin (OH-[15N5]-PdG) synthetisiert und charakterisiert. DNA Inkubationsversuche mit Acrolein zeigten eine konzentrations- und zeitabhängige Bildung der OH-PdG-Addukte. Acrolein reagierte nur wenig langsamer als Glycidamid zu diesen Addukten.
Zur Untersuchung der Toxikokinetik von Acrylamid und Acrolein in vivo nach Aufnahme von hoch belasteten bzw. kommerziell erhältlichen Kartoffelchips wurden die Ergebnisse aus zwei Humanstudien durchgeführt und ausgewertet. Die Ausscheidungskinetiken Acrolein-assoziierter MA im Menschen korrelierten eindeutig mit der Aufnahme von Kartoffelchips. Der Vergleich der im Urin ausgeschiedenen Mengen an Acrolein- bzw. Acrylamid-assoziierten MA ließ auf eine wesentlich höhere nahrungsbezogene Exposition mit Acrolein (4- bis 12-fach) verglichen mit Acrylamid schließen. Analytische Messungen der Acroleingehalte in den Lebensmitteln hatten aber nur eine Kontamination ergeben, die nur einen geringen Anteil der expositionsbedingt im Urin erfassten MA-Mengen erklären kann. Ob Acrolein an der Lebensmittelmatrix in einer Weise gebunden vorliegt, dass es sich der analytischen Erfassung durch die zur Verfügung stehenden Verfahren wie Headspace-GC/MS entzieht und erst nach Aufnahme in den Organismus freigesetzt wird, wird Gegenstand künftiger Untersuchungen. Zusätzlich liefern die Ergebnisse beider Humanstudien starke Hinweise auf eine endogene Bildung von Acrolein, da auch in den Wash-out Phasen ein relativ hoher Anteil an Acrolein-assoziierten MA erfasst wurde. Zukünftige Untersuchungen sollten die endogene Exposition und die Bildungsmechanismen von Acrolein und anderen Alkenalen aus verschiedenen physiologischen Quellen genauer untersuchen, und in Beziehung setzen zur exogenen, ernährungsbezogenen Exposition. Ebenso sollten künftig verstärkt die Auswirkungen kombinierter Exposition durch solche erhitzungsbedingt gebildeten Stoffe untersucht werden.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Trennung von kurzkettigen Alkan/Alken-Gemischen an nanostrukturierten porösen Adsorbentien. Zu diesem Zweck wurden unterschiedliche metallorganische Koordinationspolymere und Zeolithe synthetisiert und charakterisiert. Zur Untersuchung des Adsorptionsverhaltens dieser Adsorbentien wurden Adsorptionsisothermen von C2-, C3- und C4-Kohlenwasserstoffen bei verschiedenen Temperaturen gemessen. Die Messung der Adsorption der reinen Kohlenwasserstoffe ergab, dass die adsorbierte Stoffmenge mit der spezifischen Oberfläche des Adsorbens korreliert, sowie von der kritischen Temperatur des Adsorptivs abhängt und in der Reihenfolge C2 < C3 < C4 zunimmt. Eine Ausnahme hiervon bilden flexible metallorganische Koordinationspolymere, welche Atmungs- bzw. Porenöffnungseffekte zeigen. Die Isothermen dieser Materialien weisen Sprünge auf, wobei diese jedoch abhängig vom Druck, vom Adsorptiv und von der Temperatur sind. Die Trennung von Alkan/Alken-Gemischen an den hergestellten Adsorbentien wurde in einem kontinuierlich durchströmten Festbettadsorber untersucht. Es zeigten sich unterschiedliche Trennfaktoren in Abhängigkeit von der Porenöffnung und der Gerüststruktur der Adsorbentien. Die Untersuchung der Desorption der Kohlenwasserstoffe von Cu\(_3\)(btc)\(_2\) ergab, dass der Desorptionsprozess bei Raumtemperatur nur sehr langsam verläuft. Es zeigte sich, dass die zur Desorption erforderliche Temperatur nimmt steigender Kohlenstoffzahl des Kohlenwasserstoffs zunimmt.
Microcystine (MCs) und Nodularine (NODs) sind zyklische Hepatotoxine, die wegen ihrer strukturellen Modifikationen eine hohe Diversität aufweisen. Da Cyanobakterien, die diese Toxine produzieren, an vielen Standorten wachsen können, stellt eine Vergiftung durch MCs und NODs weltweit ein ernstes gesundheitliches Problem für Mensch und Tier dar.
Die Überwachung von Gewässern erfolgt bislang auf die rechtlich relevanten MCs MC-LR, MC-RR und MC-YR mit Hilfe einer HPLC-UV-Vis-Messmethode gemäß der Norm ISO 20179. Dabei werden aber die ebenfalls vorkommenden MCs, NOD und die entsprechenden Desmethyl-Varianten, über deren Struktur-Wirkungsbeziehung wenig bekannt ist, nicht voneinander getrennt und gemeinsam miterfasst.
Durch diese Arbeit sollte die Auswirkung einer Hemmung von Proteinphosphatasen (PP1 und PP2A), über welche MCs und NODs in vivo und in vitro auf Hepatozyten Einfluss nehmen, in primären Ratten- und Humanhepatozyten untersucht werden. Außerdem sollte der Zusammenhang zwischen chemischer Struktur und toxikologischer Relevanz von MCs und NODs und ihrer Desmethyl-Varianten aufgeklärt werden.
Sowohl in primären Ratten- als auch in Humanhepatozyten konnte bestätigt werden, dass nicht nur die rechtlich relevanten MCs MC-LR, MC-RR und MC-YR für eine Überwachung von Lebensmitteln und Gewässern entscheidend sind, sondern alle getesteten MCs und NODs und deren desmethylierten Kongenere ein hohes zytotoxisches Potential aufweisen. Dabei kann aber keine direkte Abhängigkeit einer PP-Inhibierung und Zytotoxizität gesetzt werden. Vielmehr spielt die Toxikokinetik wie die Aufnahme der Toxine über spezifische Transporter (OATP) in die Leber und die Entgiftung über den Glutathion-Detoxifizierungsweg eine wichtige Rolle. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass die zytotoxische Wirkung auf primäre humane Hepatozyten um ein Vielfaches geringer war als auf primäre Rattenhepatozyten, weshalb von einer Speziesabhängigkeit gesprochen werden kann.
Weiterhin wird durch diese Arbeit belegt, dass die MC- und NOD-vermittelte PP-Hemmung zeit- und konzentrationsabhängig sowohl Apoptosen auslöst und als auch in der Lage ist Apoptosemarker wie Bax und Bcl-xL zu beeinflussen und die MAPK-Signalkette aktiviert, was mit Zellproliferation in Verbindung steht. Dabei wies NOD eine stärkere Wirkung auf als MC-LR. Der ebenfalls untersuchte Akt-Signalweg zeigte interessanterweise keine Veränderung in der Kaskade, was auf eine mögliche Gegenregulation zurückgeführt werden kann.
Die in vitro Daten weisen darauf hin, dass die Exposition mit hohen Konzentrationen an MCs und NODs in vivo akut starke Leberschäden bis hin zum Tod verursachen. Geringere Konzentrationen dagegen bei einer Langzeitexposition mit kontaminiertem Wasser, Nahrungsergänzungsmitteln und Lebensmitteln MAPK-vermittelt tumorpromovierend und kanzerogen wirken können.
Synthese, Charakterisierung und katalytische Eigenschaften von metallsubstituierten Alumophosphaten
(2012)
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Alumophosphate sowohl mit sauren Eigenschaften als auch solche mit oxidierendem Charakter herzustellen. Die katalytischen Zentren wurden durch den Einbau von Metallen in das Alumophosphat-Gitter erzeugt. Dies erfolgte durch die Zugabe von Metallsalzen zum Synthesegel der zu synthesierenden Alumophosphate. Ein besonderes Augenmerk wurde hierbei auf die Metalle Mg, Co, Zn, Mn, Cr, V und Ti gerichtet. Der Einbau der Metalle erfolgte an 10-Ring und 12-Ring Alumophosphaten. Die metallhaltigen 10 Ring Alumophosphate mit AEL und ATO Strukturen und 12-Ring Alumophosphate der AFI, ATS und AFO-Topologie sollten anschließend mittels physikalisch-chemischer Methoden charakterisiert werden. Hierzu gehörten:
- Röntgen-Pulverdiffraktometrie,
- Temperaturprogrammierte Desorption (TPD),
- Stickstoff-Adsorption,
- UV/Vis-Spektroskopie,
- IR-Spektroskopie.
Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit stellte die Untersuchung der katalytischen Eigenschaften der hergestellten und charakterisierten Proben dar. Ausgewählte Cr-, V- und Ti-haltige Katalysatoren wurden in der Flüssigphasenoxidation von Cyclohexen mit wässriger Wasserstoffperoxid- oder tert-Butylhydroperoxid-Lösung (TBHP) getestet. Die eingesetzten metallhaltigen Alumophosphate wiesen eine katalytische Aktivität für die Cyclohexen-Oxidation bei 80 °C auf. Während der Reaktion entstanden 1,2-Cyclohexandiol, 2-Cyclohexenol, 2-Cyclohexenon, Cyclohexenoxid und Cyclohexandion als Hauptprodukte. Die aus technischen Gesichtspunkten interessante Adipinsäure konnte zu keinem Zeitpunkt beobachtet werden. Die Aktivität der eingesetzten Katalysatoren wird durch die unterschiedlichen in die Alumophosphate eingebauten Metalle beeinflusst. Auch die Topologie der hergestellten Materialien beeinflusste den Verlauf der Reaktion. Der Einsatz von TBHP und H2O2 als Oxidationsmittel führte teilweise zu einem unterschiedlichen Produktbild. Nach mehreren Stunden wurde eine Desaktivierung der Katalysatoren beobachtet. Durch eine erneute Kalzination der in der Katalyse einsetzen Proben konnte die Aktivität fast vollständig wieder hergestellt werden.
In der Disproportionierung von Ethylbenzol erwiesen sich die Co-, Mn-, Mg- und Zn-haltigen Alumophosphate als aktive Katalysatoren. Bei den Umsetzungen an Alumophosphaten mit unterschiedlichem Metallgehalt entstanden ortho-, meta- und para-Diethylbenzol als Hauptprodukte. Hierbei wiesen Mg-haltige Katalysatoren die höchste Aktivität auf. Bei einem Metallgehalt von nMg/nAl = 0,01 entstanden neben den bisher erwähnten Hauptprodukten auch Triethylbenzole. Die Aktivität der eingesetzten Alumophosphate nimmt in der Reihenfolge MgAPO > CoAPO > ZnAPO > MnAPO ab. Diese Reihenfolge steht im Einklang mit den Ergebnissen aus den Aciditäts-Untersuchungen mittels TPD. Die Porengeometrie der verwendeten Alumophosphate übt einen entscheidenden Einfluss auf das Produktbild aus. Weitporige Alumophosphate mit der AFI und ATS Topologie weisen die höchsten Umsätze an Ethylbenzol auf. Alumophosphate des AFO und AEL besitzen einen geringeren Porendurchmesser und zeigen eine geringere Aktivitat in der Disproportionierung von Ethylbenzol. Zudem treten wegen des geringeren Porendurchmessers formselektive Effekte auf. So wird das schlankere para-Diethylbenzol bevorzugt gebildet. Katalysatoren auf Basis des ATO Alumophosphates zeigten keine signifikante Aktivitat.
The scientific intention of this work was to synthesize and characterize new bidentate, tridentate and multidentate ligands and to apply them in heterogenous catalysis. For each type of the ligands, new methods of synthesis were developed. Starting from 1,1'-(pyridine-2,6-diyl)diethanone and dimethylpyridine-2,6-dicarboxylate different bispyrazolpyridines were
synthesized and novel ruthenium complexes of the type (L)(NNN)RuCl2 could be obtained. The complexes with L = triphenylphosphine turned out to be highly efficient
catalyst precursors for the transfer hydrogenation of aromatic ketones. Introduction of a butyl group in the 5-positions of the pyrazoles leads to a pronounced increase of catalytic activity.
To find a method for the synthesis of bispyrimidinepyridines, different reactants and condition were applied and it was found that these tridentate ligands can be obtained by mixing and grinding the tetraketone with guanidinium carbonate and silica, which plays the role of a catalyst in this ring closing reaction.
The bidentate 2-amino-4-(2-pyridinyl)pyrimidines were synthesized from different substrates according to the desired substituent on the pyrimidine ring.
Reacting these bidentate ligands with the ruthenium(II) precursor [(η6-cymene)Ru(Cl)(μ
2-Cl)]2 gave cationic ruthenium(II) complexes of the type [(η6-cymene)Ru(Cl)(adpm)]Cl (adpm = chelating 2-amino-4-(2-yridinyl)pyrimidine ligand). Stirring the freshly prepared complexes with either NaBPh4, NaBF4 or KPF6, the chloride anion was exchanged against other coordinating anions (BF4-, PF6-, BPh4-).Some of these ruthenium complexes have shown very special activities in the transfer hydrogenation of ketones by reacting them in the absence of the base. This led to detailed investigations on the mechanism of this reaction. According to the activities and with the help
of ESI-MS experiments and DFT calculations, a mechanism was proposed for the transfer hydrogenation of acetophenone in the absence of the base. It shows that in the absence of the base, a C-H bond activation at the pyrimidine ring should occur to activate the catalyst.
The palladium complexes of bidentate N,N ligands were examined in coupling reactions. As expected, they did not show very special activities.
Multidentate ligands, having pyrimidine groups as relatively soft donors for late transition metals and simultaneously possessing a binding position for a hard Lewis-acid, could be obtained using the new synthesized bidentate and tridentate ligands.
Molybdänoxobisperoxokomplexe von Pryrazolylpryridinliganden sind Katalysatoren für die Epoxidierung von Olefinen (Alkenen). Bereits in früheren Arbeiten der Arbeitsgruppe Thiel zeigte sich, dass das Verhältnis der beiden Isomere der Komplexe (Isomer A: Pyrazolring in trans-Position zur Oxogruppe und Isomer B: Pyridinring in trans-Position zur Oxogruppe) in Lösung vom Substitutionsmuster am Pyrazolring abhängt. Außerdem konnte eine Abhängigkeit der turn-over-Frequenz (TOF, katalytische Aktivität) bei der Epoxidierung vom Isomerenverhältnis A:B der Komplexe beobachtet werden. Spektroskopische und theoretische Betrachtungen der Arbeitsgruppe Thiel führten zu einer näheren Aufklärung des Katalysemechanismuses. Die Ursachen für die Korrelation der TOF und des Isomerenverhältnisses von den elektronischen Eigenschaften der Substituenten am Pyrazolring konnten aber nicht gefunden werden. Das Ziel dieser Arbeit war deshalb eine nähere Betrachtung der elektronischen Verhältnisse in Molybdänoxobisperoxokomplexen von Pyrazolylpyridinen. Dazu wurde eine kombinierte experimentelle und elektronische Ladungsdichtestudie in Zusammenarbeit mit dem AK Scherer der Universität Augsburg durchgeführt, um die Beziehung zwischen Ligandstruktur und den beobachteten katalytischen Aktivitäten näher zu untersuchen. Aus den Untersuchungen konnten eine Reihe wichtiger Erkenntnisse über die Ausprägung elektronenreicher und –armer Positionen in den Komplexen gewonnen werden, die Rückschlüsse auf Reaktionswege und Aktivitäten zulassen. Unteranderem konnte eine gute Erklärung für die Abhängigkeit des Isomerenverhältnisses in Lösung vom Substitutionsmuster am Pyrazolring abgeleitet werden. Eine schlüssige Erklärung für die Abhängigkeit der TOF bei der Epoxidierung ließ sich daraus jedoch nicht entnehmen. In diesem Zusammenhang konnte aber eine bisher angenommene mögliche Erklärung für diese Beobachtung, durch eine 195Pt-NMR-Studie an Pyrazolylpyridindichloroplatin(II)komplexen untermauert werden. Die Lage des Signals für das Platinzentralatom war in den 195Pt-NMR-Spektren verschiedener Platinkomplexe mit unterschiedlich substituierten Pyrazolylpyridinliganden unterschiedlich. Es konnte eine Korrelation zwischen der Lage des Signals und den elektronischen Eigenschaften der Substituenten aufgestellt werden, die erkennen lässt, dass das Metallzentrum von den elektronenziehenden oder –schiebenden Substituenten am Pyrazolring beeinflusst wird. Diese Erkenntnis bestärkt die bisherige Annahme, dass eine mögliche Ursache für die Abhängigkeit der TOF bei der molybdänkatalysierten Epoxidierung, die Beeinflussung der Lewisazidität des Molybdänzentrums durch die Substituenten am Pyrazolring ist. Weiterhin wurden im Rahmen dieser Arbeit, neben der Synthese einer Vielzahl an Pyrazolylpyridinliganden und den entsprechenden Molybdän(VI)oxobisperoxo- und Dichloroplatin(II)komplexen, verschieden substituierte Pyridinylpyrimidine und 4,4‘-Bipyrimidine synthetisiert.
Durch die Verwendung der in den letzten Jahren neu entwickelten metallorganischen Koordinationspolymere als Adsorbentien, kann im Allgemeinen eine schwächere Affinität zu Kohlendioxid im Vergleich zu Zeolithen beobachtet werden. Diese neue Klasse an porösen Materialien verspricht herausragende Eigenschaften aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberfläche und großer Porenvolumina. Im Rahmen dieser Arbeit wurden einige Vertreter der metallorganischen Koordinationspolymere auf ihre Adsorptionsfähigkeit auf Kohlendioxid hin untersucht. Zwei Materialien dieser Gruppe wurden aufgrund ihrer chemischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften ausgewählt. Es handelte sich um die beiden Adsorbentien HKUST-1 und MIL-53 (Al), die in der Arbeitsgruppe selbst synthetisiert, charakterisiert und vermessen wurden. Damit ein wirtschaftliches und resourcenschonendes Verfahren basierend auf Adsorption entwickelt werden kann, werden Daten bezüglich der Adsorptionskapazität, der Kinetik und Trennfaktoren benötigt. Zur Untersuchung des Adsorptionsgleichgewichts und der Diffusion wurden Adsorptionsisothermen (der reinen Gase Kohlendioxid, Methan und Stickstoff) und Durchbruchskurven mit Modellmischungen aus Methan / Kohlendioxid (Biogas) und Stickstoff / Kohlendioxid (Rauchgas) aufgenommen. Es ergeben sich im Fall von HKUST-1 Kapazitäten für Kohlendioxid bis zu 22,7 Gew.-% bei einem Druck von 100 kPa und einer Temperatur von 293 K. Aus den Daten der gemessenen Adsorptionsisothermen wurden die Mehrkomponentenbeladungen nach IAST, Multi-Langmuir sowie dem Modell von Multi-Freundlich berechnet. Die hierbei größten beobachteten Abweichungen zwischen Berechnung und Messung ergaben sich für HKUST-1. Die freie Koordinationsstelle bestimmt die Wechselwirkung zwischen den beiden Adsorptiven Kohlendioxid und Methan weitgehend, sodass die eingesetzten Modelle das Gleichgewicht nicht hingehend genau wiedergeben können. Bei MIL-53 (Al) zeigen sich relativ gute Übereinstimmungen mit den verwendeten Modellen und den ermittelten Mehrkomponentenbeladungen mit Methan und Kohlendioxid.
Die immer höheren Kosten für Energie und die Verknappung der natürlichen Ressourcen steigern die Bedeutung der Forschung an Katalysatoren für die chemische Synthese. Da die Herstellung geeigneter Katalysatoren zeitintensiv und teuer ist, sowohl durch den Einsatz von Edelmetallen als katalytisch aktivem Zentrum, als auch durch Verwendung von aufwändig synthetisierten Ligandsystemen, liegt der Fokus der Industrie auf heterogen katalysierten Verfahren. Im Arbeitskreis Thiel werden bereits seit längerer Zeit Pyrazolylpyridine als Chelatliganden für Übergangsmetallkomplexe synthetisiert, da sie leicht funktionalisierbar und damit in ihren elektronischen Eigenschaften modifizierbar sind. Ziel der vorliegenden Dissertation war die Synthese neuer Pyrazolyl- und Triazolylpyridine, die durch ihre funktionellen Gruppen eine einfache Heterogenisierung auf einem Trägermaterial ermöglichen, und so die Synthese von heterogenisierten Katalysatoren erlauben. Die Wahl fiel hierbei auf Ester- bzw. Chloridfunktionen, da die erfolgreiche Anbindung dieser Gruppen auf Trägermaterialien bereits bekannt ist. Die erfolgreiche Herstellung der an Position 5 des Azolylrings funktionalisierten Liganden gelang durch Synthese der Pyrazolylpyridine über eine Pyridylpyranonzwischenstufe bzw. durch Verwendung von Anhydriden als Edukte.
In einem zweiten Schritt wurde das nächste Ziel, die Anbindung der hergestellten Liganden auf ein Trägermaterial, durch die Verwendung von Amin- und Imidazolfunktionalisierten Kieselgelen realisiert. Die erfolgreiche Synthese konnte durch Festkörper-NMR-Analytik bestätigt werden. Sowohl die freien, als auch die heterogenisierten Liganden wurden nun verwendet, um Übergangsmetallkomplexe zu synthetisieren. Es wurden Palladium(II)komplexe, ausgehend von Bis(benzonitril)palladium(II)dichlorid und Ruthenium(II)komplexe, ausgehend von Carbonylhydridotris(triphenylphosphan)ruthenium(II)chlorid, Tetrakis(dimethylsulfoxid)ruthenium(II)dichlorid und Dichlorido(\eta^{6} -para-cymol)ruthenium(II)dimer hergestellt und charakterisiert.
Ebenfalls wurde die Eignung dieser Übergangsmetallkomplexe als Katalysatoren für chemische Reaktionen getestet. Die Palladiumkomplexe wurden in der Suzuki-Kupplung von Phenylhalogeniden mit Phenylboronsäure getestet. Die Eignung der Rutheniumverbindungen als Hydrierkatalysatoren wurde zum einen in der Hydrierung von CO2 zu Ameisensäure, zum anderen in der Transferhydrierung von Acetophenon untersucht. Dabei zeigte sich besonders eine gute Aktivität der Rutheniumkomplexe als Katalysatoren in der Transferhydrierung.
Neue katalytische Reaktionen zur Funktionalisierung ungesättigter Fettsäuren und ihrer Derivate
(2012)
Die Nutzbarmachung pflanzlicher Öle als erneuerbare Rohstoffquelle für die chemische Industrie gewinnt angesichts verknappender Erdölvorräte an Bedeutung. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Entwicklung neuer katalytischer Reaktionen zur effektiven Verwertung ungesättigter Fettsäuren und ihrer Derivate durch isomerisierende Funktionalisierungen. Da sich die Doppelbindung in diesen Substraten an einer festgelegten Position befindet, ist nur eine begrenzte Anzahl von Reaktionen einsetzbar. Neue Möglichkeiten eröffnen sich durch die Verschiebung der Doppelbindung entlang der Kette in eine Position, die selektiv durch neue Methoden funktionalisiert werden kann. In dieser Arbeit wurden mehrere Übergangsmetallkatalysatoren zur schnellen Isomerisierung ungesättigter Fettsäurederivate entwickelt, die als Schlüsselkomponenten für drei neue katalytische Transformationen dienten: (1) Ein Silber-basiertes System erlaubt die direkte Lactonisierung freier Fettsäuren; (2) ein bifunktioneller Rhodiumkatalysator ermöglicht die isomerisierende Michael-Addition von Aryl- und Stickstoffnucleophilen an ungesättigte Fettsäureester; (3) ein vielseitiges Palladium/Ruthenium-System bewirkt die Umsetzung ungesättigter Fettsäurederivate in funktionalisierte Olefingemische. Diese Reaktionen zeichnen sich durch hohe Selektivitäten, gute bis exzellente Ausbeuten sowie Toleranz gegenüber funktionellen Gruppen aus. Sie erweitern das Methodenspektrum des Chemikers zur Nutzbarmachung von Oleochemikalien mittels Übergangsmetallkatalyse und eröffnen neue Wege zu bio-basierten Wertstoffen, die bisher nur auf petrochemischer Basis synthetisiert werden konnten.
Im Rahmen der zunehmenden Konzentration von Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre und der damit verbundenen Klimaproblematik wird mit steigendem Interesse an Verwendungsmöglichkeiten dieses Rohstoffs als günstige C1-Kohlenstoffquelle in der chemischen Industrie geforscht. Vor diesem Hintergrund wurden in den letzten Jahren auf dem Themengebiet der rutheniumkatalysierten Hydrierung von CO2 zu Ameisensäure viele Ergebnisse unterschiedlicher Katalysatorsysteme publiziert. Auf dieser Basis werden in der vorliegenden Arbeit mittels Ruthenium(II)-Komplexen mit Azolylliganden, welche durch Variation der Substituenten unterschiedliche Donoreigenschaften aufweisen, in der Hydrierung von CO2 untersucht und die damit verbundenen Struktur-Reaktivitäts-Eigenschaften herausgearbeitet.
Bei den hier verwendeten 2-(Pyrazol-5-yl)- oder 2-(Triazol-5-yl)pyridinliganden handelt es sich um N,N'-Chelat-Liganden, welche durch Koordination an Ruthenium(II) stabile Komplexe ausbilden können. Die Einführung unterschiedlicher Alkyl- und Arylgruppen bzw. Brom- und Nitrogruppen erfolgt abgewandt von den chelatisierenden Stickstoffatomen, wodurch eine sterische Auswirkung auf das zu koordinierende Metall gering ist. In dieser Arbeit werden 23 verschiedene, sich durch unterschiedliche Substitutionen unterscheidende Modifikationen der Azolylliganden dargestellt und charakterisiert. Von ausgewählten Systemen werden erstmalig 15N-HMBC-NMR-Spektren aufgenommen und diskutiert.
Ausgehend von den deprotonierten Ligandensystemen werden verschiedene Ruthenium(II)-Komplexe mit Triphenyl- und Trimethylphosphanliganden bzw. mit Triphenyl- und Trialkylphosphitliganden dargestellt. Die Kristallstrukturen mehrerer RuCl(PMe3)3PP/TP-Komplexe mit einer meridionalen Anordnung der PMe3-Liganden werden vorgestellt. Auch hier erfolgt die Charakterisierung der Systeme zusätzlich über 15N-HMBC-NMR-Spektren und die Unterschiede zu den freien Liganden werden diskutiert. Darüber hinaus wird das Fragmentierungsverhalten der Komplexe durch ESI- und CID-Messungen im Ionenzyklotron analysiert und eine Abspaltung der PMe3- bzw. Chlorido-Liganden abhängig von der Substitution besprochen.
Zur Untersuchung der katalytischen Aktivität der synthetisierten Komplexe werden Hydrierreaktionen mit elementarem Wasserstoff in überkritischem CO2 als Lösungsmittel und Edukt in einem Hochdruckautoklaven durchgeführt. Die Stabilisierung der hierbei gebildeten Ameisensäure erfolgt durch Zugabe von DBU als Base. Zur Bestimmung der jeweiligen Aktivität werden die Ausbeute, TON- und TOF-Werte unter konstanten Reaktionsbedingungen berechnet und miteinander verglichen. Als entscheidende aktivitätsbestimmende Faktoren können die Fähigkeit zur Erzeugung einer freien Koordinationsstelle und die Löslichkeit der Komplexe identifiziert werden. Für die hier untersuchten Rutheniumphosphit-Komplexe wird eine bisher unbekannte hohe katalytische Aktivität beobachtet. Zudem werden die Struktur-Reaktivitäts-Eigenschaften der RuCl(PMe3)3PP/TP-Komplexe analysiert und besprochen.
Zur Verifizierung der gefundenen Zusammenhänge zwischen Struktur und Reaktivität der Katalysatoren wird die vollständige quantenchemischen Berechnung aller mechanistischen Stufen mit unterschiedlich substituierten Liganden auf Basis der Dichtefunktionaltheorie und des in der Literatur postulierten Reaktionsmechanismus durchgeführt. Zudem werden alternative Reaktionspfade analysiert und miteinander verglichen. Unter den berechneten Reaktionsschritten kann jeweils die σ-Metathesereaktion als der geschwindigkeitsbestimmende Schritt identifiziert werden. Die Berechnungen zeigen, dass die Energiebarriere dieses Teilschritts mit zunehmend elektronenziehendem Charakter der Substituenten steigt. Dieser theoretisch ermittelte Trend des Zusammenhangs zwischen Struktur und Reaktivität des Katalysators stimmt damit klar mit den experimentell erhaltenen Daten überein und bestätigt diese.