Kaiserslautern - Fachbereich Chemie
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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.
Due to their N-glycosidase activity, ribosome-inactivating proteins (RIPs) are attractive candidates as antitumor and antiviral agents in medical and biological research. In the present study, we have successfully cloned two different truncated gelonins into pET-28a(+) vectors and expressed intact recombinant gelonin (rGel), recombinant C-terminally truncated gelonin (rC3-gelonin) and recombinant N- and C-terminally truncated gelonin (rN34C3-gelonin). Biological experiments showed that all these recombinant gelonins have no inhibiting effect on MCF-7 cell lines. These data suggest that the truncated-gelonins are still having a specific structure that does not allow for internalization into cells. Further, truncation of gelonin leads to partial or complete loss of N-glycosidase as well as DNase activity compared to intact rGel. Our data suggest that C-and N-terminal amino acid residues are involved in the catalytic and cytotoxic activities of rGel. In addition, the intact gelonin should be selected as a toxin in the immunoconjugate rather than truncated gelonin.
In the second part, an immunotoxin composed of gelonin, a basic protein of 30 kDa isolated from the Indian plant Gelonium multiflorum and the cytotoxic drug MTX has been studied as a potential tool of gelonin delivery into the cytoplasm of cells. Results of many experiments showed that, on the average, about 5 molecules of MTX were coupled to one molecule of gelonin. The MTX-gelonin conjugate is able to reduce the viability of MCF-7 cell in a dose-dependent manner (ID50, 10 nM) as shown by MTT assay and significantly induce direct and oxidative DNA damage as shown by the alkaline comet assay. However, in-vitro translation toxicity MTX-gelonin conjugates have IC50, 50.5 ng/ml which is less toxic than that of gelonin alone IC50, 4.6 ng/ml. It can be concluded that the positive charge plays an important role in the N-glycosidase activity of gelonin. Furthermore, conjugation of MTX with gelonin through α- and γ- carboxyl groups leads to the partial loss of its anti-folate activity compared to free MTX. These results, taken together, indicate that conjugation of MTX to gelonin permits delivery of the gelonin into the cytoplasm of cancer cells and exerts a measurable toxic effect.
In the third part, we have isolated and characterized two ribosome-inactivating proteins (RIPs) type I, gelonin and GAP31, from seeds of Gelonium multiflorum. Both proteins exhibit RNA-N-glycosidase activity. The amino acid sequences of gelonin and GAP31 were identified by MALDI and ESI mass spectrometry. Gelonin and GAP31 peptides - obtained by proteolytic digestion (trypsin and Arg-C) - are consistent with the amino acid sequence published by Rosenblum and Huang, respectively. Further structural characterization of gelonin and GAP31 (tryptic and Arg-C peptide mapping) showed that the two RIPs have 96% similarity in their sequence. Thus, these two proteins are most probably isoforms arisen from the same gene by alternative splicing. The ESI-MS analysis of gelonin and GAP31 exhibited at least three different post-translational modified forms. A standard plant paucidomannosidic N-glycosylation pattern (GlcNAc2Man2-5Xyl0-1 and GlcNAc2Man6-12Fuc1-2Xyl0-2) was identified using electrospray ionization MS for gelonin on N196 and GAP31 on N189, respectively. Based on these results, both proteins are located in the vacuoles of Gelonium multiflorum seeds.
Phosphane nehmen eine herausragende Stellung als Liganden in der homogen Katalyse ein. In der Arbeitsgruppe Thiel wurde kürzlich ein neuartiges Verfahren zur Synthese von Triarylphosphanen entwickelt. Im ersten Teil der Arbeit stand daher die Weiterentwicklung dieser fluoridkatalysierten Phosphor-Aryl-Kupplung im Mittelpunkt. Ein wichtiges Ziel hierbei war die Übertragung der Reaktionen in einen größeren Maßstab. In einem Ansatz konnte 1 kg an (4-[3-(N,N-Dimethylamino)prop-2-en-1-onyl]phen-yl)diphenylphosphan in einer Pilotanlage synthetisiert werden. Diese Verbindung diente als „Plattformchemikalie“ und ermöglichte die Synthese weiterer Pyrazol- und Pyrimidinderviate. Insbesondere gelang davon ausgehend die Synthese von Verbindungen, die mit einem Sulfonsäure- oder Hydroxamsäurelinker modifiziert sind.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde das Prinzip der fluoridkatalysierten Phosphor-Aryl-Kupplung auf Amine übertragen. Die Motivation dafür ergab sich aus dem Vorkommen des N-Arylheterocyclen-Strukturmotivs in vielen Pharmazeutika. Eine entsprechende Erweiterung der Anwendungsbreite dieses Verfahrens sollte sich daher positiv auf die Vermarktungschancen auswirken. Ausgehend von Versuchen mit Trimethylsilylimidazol und Trimethylsilylpyrrolidin wurde eine milde und allgemein anwendbare Methode für die Synthese von N-Arylaminen entwickelt. Hierbei liegt der Vorteil insbesondere darin, dass auf den stöchiometrischen Einsatz von Basen verzichtet werden kann.
Der Hauptteil der Arbeit beschäftigte sich mit der Immobilisierung von phosphonsäurefunktionalisierten Triphenylphosphankomplexen auf Metalloxiden. Die Immobilisierung von homogenen Katalysatoren auf festen Trägermaterialien bietet großes Potential, um das Problem der Katalysatorabtrennung zu lösen. Der für die Immobilisierung benötigte Ligand 3-[4-(Diphenylphosphanyl)benzoylamino]propyl-1-phosphonsäurediethylester konnte über eine konvergente Synthese mit sieben Schritten synthetisiert werden. Ausgehend von diesem Liganden und dem entsprechenden Phosphonsäurederivat wurden Palladium- und Rhodiumkomplexe synthetisiert. Diese Komplexe wurden auf Titandioxid, Zirconiumdioxid und superparamagnetischen Eisenoxidnanopartikeln immobilisiert. Durch IR-Spektroskopie, thermogravimetrische Analyse und Festkörper-Kernspinresonanzspektroskopie konnte die Anbindung des jeweiligen Komplexes auf dem Trägermaterial belegt werden. Die erhaltenen Hybridmaterialien wurden erfolgreich für die Suzuki-Miyaura-Kupplung und die Hydrierung von Alkenen eingesetzt. Dabei konnten die Katalysatoren mehrfach wiederverwendet werden und zeigten eine gute Aktivität und Anwendungsbreite.
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.
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.
Mechanisms underlying the biological effects of coffee and its constituents are incompletely understood. Many effects have been attributed solely to caffeine, neglecting that coffee is a mixture of many chemical substances. Some authors suggest that the main mechanism of action of caffeine is to antagonize adenosine receptors (AR); a second effect is the inhibition of phosphodiesterases with the subsequent accumulation of cAMP and an intensification of the effects of catecholamines. Although the inhibition of phosphodiesterases may contribute to the actions of caffeine, there is growing evidence that most pharmacological effects of this xanthine result from antagonism of AR.
One of the main objectives of this work was to investigate whether substances other than caffeine in coffee may influence the homeostasis of intracellular cyclic nucleotides in vitro and in vivo. The influence of selected coffee compounds, extracts and brews on key elements involved in the adenosine receptor-mediated signaling pathway have been investigated.
A further aim of this work was also to determine if coffee or some coffee constituents may have a stimulatory effect on the cellular heme oxygenase activity (HO-activity). Two coffee extracts, a slightly (AB1) and an intensively roasted coffee (AB2), were studied along with selected individual compounds. Caffeine and low substituted pyrazines showed no effect on the HO-activity, while NMP, pyrazines with a greater substitution pattern such as Tetramethylpyrazine (TMP) and 2-Ethyl-3,5(6)-dimethylpyrazine (2-E-3,5-DMP) and both coffee extracts significantly induced the HO-activity in liver hepatocellular carcinoma (HepG2), intestinal colo-rectal adenocarcinoma (Caco-2) and in some instances in monocytic leukemia (MM6) cells.
It was found that caffeine, theophylline, coffee extracts from conventional or functional coffees, pyrazines (2,3-DE-6-MP, 2-Isobutyl-3-methoxyP), 5-CQA and caffeic acid all significantly inhibited the basal cytoplasmatic PDE activity in lysates of lung tumour xenograft cells (LXFL529L) and human platelets. To a somewhat lesser extent, PDE inhibition was also found in experiments performed with paraxanthine and other pyrazines (2-E-3,5-DMP, TMP and 2-E-5-MP). Thus the degree of roasting has a considerable impact on constituents of influence for PDE activity. Caffeine, coffee polyphenols and some pyrazines and further, as yet unknown roasting products appear to represent the main modulating constituents.
In two coffee intervention studies, a short-term (8 weeks) and a long-term study (24 weeks), comprising 8 and 84 healthy volunteers respectively, we examined extracellular key elements of the adenosine pathway including plasma adenosine levels and adenosine deaminase activity. Additionally, we studied the intracellular cAMP concentration and the PDE activity in platelets as surrogate biomarkers of adipocytes.
Results of in vitro experiments had suggested that the concentrations of caffeine and coffee extracts required to obtain a half maximal inhibition were in the upper range of physiological conditions. Yet, it was demonstrated for the first time in vivo that moderate consumption of coffee can modulate the activity of platelet phosphodiesterases in humans in long and short term. In both studies, the first exposure to coffee showed a strong inhibition (p<0.001) of the PDE activity in the platelet lysates of the participants while the second coffee phase showed no or a slight effect when compared with the first coffee intervention.
In both studies a significant increase (p<0.001) in intraplatelet cAMP concentrations during the wash-out phase (after the first coffee phase) was observed. This response could be due to inhibition of the PDE activity in the previously phase extending in to the wash out phase. However, the behavior of cAMP in the following study phases cannot be easily explained. It may be hypothesized that this effect is attributable to adaptive effects to allow PDE inhibition. One possibility is the modulation of the expression of membrane-bound adenosine receptors in platelet precursors, which still have a nucleus. This may potentially influence adenylate cyclase activity in mature platelets. For the observed effects, in addition to caffeine other ingredients of coffee appear to play a role. The findings suggest that monitoring of cAMP homeostasis in platelets is not a useful surrogate biomarker for effects in other tissues.
Neither the activity of adenosine deaminase nor the adenosine concentrations in plasma were markedly modulated by the coffee consumption in both trials. This may reflect the fact that adenosine is subject to quick and effective enzymatic turnover by phosphorylation (adenosine kinase) or deamination (adenosine deaminase) allowing keep its concentration within a well balanced homeostasis. However, it is also well known, that considerable variability exists in the responses to coffee drinking. In part, such variability is due to caffeine tolerance, but there is also evidence for a genetic background.
Altogether the data reported here provide further evidence for the perception that coffee consumption is associated with beneficial health effects demonstrated for the cAMP enhancement in platelets, known to counteract platelet aggregation. The effects observed for the influence of cellular heme oxygenase (HO) are in line with the well documented antioxidative activity of coffee and its constituents.
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.
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.
Development of New Methods for the Synthesis of Aldehydes, Arenes and Trifluoromethylated Compounds
(2012)
In the 1st project, successful development of 2nd generation of a palladium catalyst for the selective hydrogenation of carboxylic acids to aldehydes was accomplished. This project was done in cooperation with Dipl. Chem. Thomas Fett from Boeringer Ingelheim, Austria. The new catalyst is highly effective for the conversion of diversely functionalized aromatic, heteroaromatic and aliphatic carboxylic acids to the corresponding aldehydes in the presence of pivalic anhydride at 5 bar hydrogen pressure, which was otherwise achieved either at 30 bar of hydrogen pressure or by using waste intensive hypophosphite bases as reducing agent. Our method has increased the synthetic importance of this valuable transformation. Selective hydrogenation of carboxylic acids to the corresponding aldehydes is now possible with industrial hydrogenation equipment as well as laboratory scale glass autoclaves. It might also convince the synthetic organic chemists to use this transformation for routine aldehyde synthesis in the laboratories.
In the 2nd project, a microwave assisted Cu-catalyzed protodecarboxylation of arenecarboxylic acids to arenes is achieved. This work was done in collaboration with Dipl. Chem. Filipe Manjolinho under the supervision of Dr. Nuria Rodríguez. In the presence of 1-5 mol% of inexpensive CuI/1,10-phenanthroline catalyst generated in situ under microwave radiations, diversely functionalized arenes and heteroarene carboxylic acids have been decarboxylated to the corresponding arenes in good yields at 190 °C in 5-15 min. The loss of volatile arenes with the release of CO2 is controled by the use of sealed high pressure resistant microwave vessels. These reactions are highly beneficial for parallel synthesis in drug discovery due to their short reaction time. Microwave technology will also help in the future to develop more effective catalysts for protodecarboxylation rections.
Based on the microwave assisted protodecarboxylation strategy, decarboxylative coupling of arenecarboxylic acids with aryl triflates and tosylates was also conducted under microwave radiation which provided higher yields of the corresponding biphenyls from deactivated substrates in short reaction time compared to the conventional heating.
In the 3rd project, crystalline, potassium (trifluoromethyl)trimethoxyborate was successfully applied for the synthesis of benzotrifluorides under the oxidative conditions. This project was done in cooperation with Dipl. Chem. Annette Buba. In the presence of Cu(OAc)2 and molecular oxygen, arylboronates were coupled with K+[CF3B(OMe)3] in DMSO at 60 °C. A variety of benzotriflurides was synthesized in good yields under the optimized reaction conditions. This protocol for the oxidative trifluoromethylation of arylboronates is the base for the development of decarboxylative trifluoromethylation reaction of arenecarboxylic acids.
The 4th project discloses the simple and straightforward synthesis of trifluoromethylated alcohols by nucleophilic addition of potassium (trifluoromethyl)trimethoxyborate to carbonyl compounds. This project was done in cooperation with Dr. Thomas Knauber and Dipl. Chem. Annette Buba. In the presence of K+[CF3B(OMe)3] in THF at 60 °C, diversely functionalized aldehydes and ketones were successfully converted into the corresponding trifluoromethylated alcohols.
The 3rd and 4th projects demonstrate the successful establishment of crystalline and shelf stable potassium (trifluoromethyl)trimethoxyborate as highly versatile CF3-source in nucleophilic trifluoromethylation reactions. These new protocols are characterized by their user-friendliness and broad applicability under mild reaction conditions, thus they are beneficial for late stage introduction of CF3-group into organic molecules.
SecB is a homotetrameric cytosolic chaperone that forms part of the protein translocation machinery in E. coli. Due to SecB, nascent polypeptides are maintained in an unfolded translocation-competent state devoid of tertiary structure and thus are guided to the translocon. In vitro SecB rapidly binds to a variety of ligands in a non-native state. We have previously investigated the bound state conformation of the model substrate bovine pancreatic trypsin inhibitor (BPTI) as well as the conformation of SecB itself by using proximity relationships based on site-directed spin labeling and pyrene fluorescence methods. It was shown that SecB undergoes a conformational change during the process of substrate binding. Here, we generated SecB mutants containing but a single cysteine per subunit or an exposed highly reactive new cysteine after removal of the nearby intrinsic cysteines. Quantitative spin labeling was achieved with the methanethiosulfonate spin label (MTS) at positions C97 or E90C, respectively. Highfield (W-band) electron paramagnetic resonance (EPR) measurements revealed that with BPTI present the spin labels are exposed to a more polar/hydrophilic environment. Nanoscale distance measurements with double electron-electron resonance (DEER) were in excellent agreement with distances obtained by molecular modeling. Binding of BPTI also led to a slight change in distances between labels at C97 but not at E90C. While the shorter distance in the tetramer increased, the larger diagonal distance decreased. These findings can be explained by a widening of the tetrameric structure upon substrate binding much like the opening of two pairs of scissors.