Kaiserslautern - Fachbereich Chemie
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Riesling wird neben seiner mannigfaltigen Variabilität im Aromaprofil, das unter anderem durch die unterschiedliche Bodenbeschaffenheit entsteht, vor allem in Deutschland auch wegen seiner Kältetoleranz und Anpassungsfähigkeit geschätzt. Er gilt zudem auch als alterungsfähiger Wein, allerdings kommt es bei zu starker Sonnenexposition der Rebe und langer bzw. warmer Lagerung vermehrt zur Bildung von 1,1,6-Trimethyl-1,2-dihydronaphthalin (TDN). Dieser von Carotinoiden abstammende Aromastoff verursacht die sogenannte „Petrolnote“, die vor allem in wärmeren Anbauregionen zum sortentypischen Bukett des Rieslings gehört. Deutsche Rieslingweine zeichnen sich dagegen überwiegend durch einen säurebetonten, fruchtigen Charakter aus, bei dem das Auftreten einer Petrolnote vor allem im Fall von Jungweinen als unpassende Fehlnote empfunden wird.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war deswegen, die sensorische Relevanz von TDN zu evaluieren und Maßnahmen zu realisieren, die geeignet sind, die Konzentrationen an freiem und gebundenem TDN zu verringern und dadurch das Auftreten der Petrolnote zu vermeiden.
Dafür wurde zunächst in Kapitel 6.1 die Empfindlichkeit von Verbrauchern und geschulten Prüfern gegenüber TDN sowie die Konzentration bestimmt, ab der die Petrolnote zu einer Ablehnung des Weins durch Verbraucher führt. Während geschulte Prüfer Rieslingweine bereits ab einem TDN-Gehalt von 2,3 µg/L unterscheiden konnten, lag die Wahrnehmungsschwelle von 156 Verbrauchern mit 14,7 µg/L um ein Mehrfaches darüber, und wurde außerdem durch das Geschlecht der Probanden beeinflusst. Die Petrolnote führte ab TDN-Gehalten von 60 µg/L bei einjährigem und 91 µg/L bei achtjährigem Riesling zur Ablehnung des Weins. Die Konzentration an freiem TDN in 261 Rieslingweinen aus drei verschiedenen Weinwettbewerben überstieg bei rund der Hälfte der Weine die Wahrnehmungsschwelle von geschulten Prüfern, während die Wahrnehmungsschwelle von Verbrauchern nur von 15% der Weine überschritten wurde. Gleichzeitig lag bei keinem der Weine der TDN-Gehalt über der Ablehnungsschwelle.
Durch die Evaluierung der instrumentellen Analyseparameter in Kapitel 6.2 wurde für die Untersuchung von freiem TDN und weiteren Aromastoffen eine Methode entwickelt, die es ermöglicht, nicht nur die TDN-Konzentrationen zu erfassen, sondern auch eine umfassende Qualitätsbewertung der Versuchsweine durchzuführen. Parallel dazu wurde eine Schnellmethode zur Erfassung der Gehalte an gebundenem TDN und Vitispiran implementiert, um auch die Effektivität der in dieser Arbeit durchgeführten weinbaulichen und oenologischen Praktiken im Hinblick auf das TDN-Potential zu beurteilen.
Kapitel 6.3 und 6.4 beschreiben weinbauliche Maßnahmen, die in mehrjährigen Studien auf ihre Eignung zur Reduzierung der TDN-Konzentration untersucht wurden. Während bei den Weinen, die aus Beeren unterschiedlicher Größe hergestellt wurden, keine signifikanten Unterschiede über die Jahrgänge hinweg beobachtet wurden, konnte durch die Variation der Rebunterlagen der Gehalt an gebundenem TDN um rund 30% reduziert werden. Ausgangspunkt einer weiteren Versuchsreihe waren acht verschiedene Rieslingklone auf derselben Unterlage, welche anschließend auf ihren TDN Gehalt untersucht wurden. Dabei wurden deutliche Differenzen in der Disposition einiger Klone zu höheren Gehalten an gebundenem TDN festgestellt. Hier ergab sich eine positive Korrelation zwischen der Lockerbeerigkeit der Trauben und der Menge an gebundenem TDN in den produzierten Weinen – je kompakter die Traube, desto weniger gebundenes TDN und gebundenes Vitispiran wurde gebildet. Die höhere Sonnenexposition der Beeren, die diesen Effekt hervorruft, beeinflusste auch die Gehalte an gebundenem TDN und Vitispiran in Weinen, die von Reben geerntet wurden, welche zu unterschiedlichen Zeitpunkten und in variierender Intensität entblättert wurden. Dabei führt sowohl eine maximale Entblätterung in der Traubenzone wie auch die Laubentfernung einen Monat nach der Blüte zu einer Erhöhung der Konzentration an gebundenem TDN und Vitispiran von rund 50%. Entblätterungsmaßnahmen zur Blüte oder zur Véraison, die der Regulierung der Erntemenge und der Traubengesundheit dienen, führten dagegen zu keinem Anstieg im Vergleich zur nicht-entblätterten Kontrolle.
Wie in Kapitel 6.5 ausgeführt wird, resultiert ein hoher Pressdruck beim Keltern sowie ein niedriger Stickstoffgehalt des Mosts in einer Zunahme des gebundenen TDN von 50 100%. Höhere Säuregehalte während der Lagerung verursachten in mehreren Versuchsreihen nicht nur eine höhere Freisetzungsrate von TDN, sondern auch einen verstärkten Abbau anderer Aromastoffe wie Ester, β-Damascenon oder Linalool. Dagegen hatte ein niedriger pH-Wert während der Gärung kaum Einfluss auf den Hefemetabolismus und die dadurch gebildeten Aromastoffe. Die Erhöhung der Gärtemperatur von 12 auf 24 °C hatte jedoch eine Zunahme von honig- oder petrolartigen Noten in den Rieslingweinen zur Folge. Die Verwendung unterschiedlicher Hefestämme führte zu einer Variation der Konzentrationen an gebundenem TDN zwischen 70 und 147 µg/L, abhängig vom Hefestamm und dem Jahrgang. Zwei der untersuchten neun Hefen brachten Weine mit bis zu 40% geringeren Gehalten an gebundenem TDN in Mosten mit hohem Stickstoffgehalt hervor, während drei weitere Hefen besser für den Einsatz in nährstoffarmen Most geeignet waren. Bei der Lagerung der Weine spielte die Lagertemperatur eine entscheidende Rolle in Bezug auf den Gehalt an freiem TDN, gefolgt vom Material des Flaschenverschlusses und der Flaschenorientierung.
Mittels geeigneter Filtermaterialien, die in Kapitel 7 beschrieben sind, wurde der Gehalt an freiem Wein um bis zu 80% reduziert, ohne die meisten der anderen Aromastoffe signifikant zu beeinflussen.
Somit wurde durch diese Arbeit ein vielfältiger Maßnahmenkatalog für die Weinwirtschaft entwickelt, der geeignet ist, den Anforderungen des fortschreitenden Klimawandels entgegenzutreten und die herausragende Position des Rieslings in Deutschland zu sichern.
Der direkte Einstieg in die Phosphorchemie ist durch Reaktion einer Rohlösung von [Cp=Ru(CO)2H] (1) (Cp= = C5H3(SiMe3)2) mit P4 möglich. Dabei erhält man den Komplex [Cp=Ru(CO)2PH2] (6a) mit freier Phosphanidogruppe, der selbst nicht isoliert, dessen Existenz jedoch spektroskopisch und durch Folgereaktionen eindeutig belegt werden kann. Das freie Elektronenpaar des Phosphors kann sowohl durch [M(CO)5(thf)] (M = Cr, Mo, W) (7,8,9) als auch durch [Cp*Re(CO)2(thf)] (14) nach Verlust von deren thf-Liganden komplexiert werden. Das bei der Reaktion mit 14 als Nebenprodukt entstandene [{Cp*(OC)2Re}2(µ-CO)] (17) konnte erstmals röntgenstrukturanalytisch untersucht werden. Die Cothermolyse von [{Cp=Ru(CO)2}2] (4) mit P4 liefert [Cp=Ru(Eta5-P5)] (18) und [{Cp=Ru}2(µ-Eta;2:2-P2)2] (19), die beide röntgenstrukturanalytisch charakterisiert werden konnten. 18 erweist sich als erstes Pentaphosphametallocen, das eine annähernd ideal ekliptische Konformation aufweist. Im Zweikernkomplex 19 konnte ein Komplex der 8. Gruppe mit zwei separaten P2-Brückenliganden eindeutig belegt werden. Die Cothermolyse von 4 mit [Cp*Fe(Eta5-P5)] liefert neben 18 und 19 die Homo- und Heterotrimetallcluster [{Cp=Ru}n{Cp*Fe}3-nP5] (n = 1, 2, 3) mit verzerrt dreiecksdodekaedrischen Gerüststrukturen. Die Röntgenstrukturanalysen von [{Cp=Ru}3P5] (24), [{Cp=Ru}2{Cp*Fe}P5] (25) und [{Cp*Fe}2{Cp=Ru}P5] (26) zeigen, daß die Metallfragmente {Cp*Fe} und {Cp=Ru} nahezu ohne Auswirkungen auf die Gerüststruktur ausgetauscht werden können. Der Vergleich zu den Cp-Derivaten zeigt die annähernde Identität der Verbindungen. Bei 26 bleibt die Stellung des Cp=-Liganden am Ruthenium nach Einbau eines Eisenfragmentes erhalten, während in [{Cp*Fe}2{CpRu}P5] (26a) ein Wechsel in der Stellung des Cp-Liganden stattfindet. Die Photolyse von [Cp=Ru(CO)2H] (1) in THF ergibt die spektroskopisch identifizierten Verbindungen [{Cp=Ru(CO)}2(µ-H)2] (28), [{Cp=Ru(CO)}2{Cp=Ru(CO)H}] (29) und [{Cp=Ru}4(µ3-CO)4] (30). Das in geringen Mengen anfallende 28 konnte als dimere Struktur mit zwei verbrückenden Wasserstoffatomen identifiziert werden. Für Komplex 29 wurde eine Struktur als triangularer Metalldreiring postuliert, der den Verbindungen 33 und 34 sehr ähnlich ist. Bei 29 handelt es sich um einen 46 VE-Komplex mit einer Ru-Ru-Doppelbindung im Dreiring. Verbindung 30 mit tetraedrischem Ru4-Gerüst kann in hoher Ausbeute dargestellt werden. 30 ist luft- und wasserstabil und überaus reaktionsträge. Führt man die Photolyse von 1 in Hexan als nichtkoordinierendem Lösungsmittel durch, so erhält man neben 28 und 29 die Komplexe [{Cp=Ru(µ-CO)}2{Cp=Ru(CO)H}] (33), [{{{Cp=Ru}2(µ-CO)}{Cp=RuH}}(µ3-CO)2] (34) sowie die unbekannte Verbindung 35. Die Röntgenstrukturanalysen von 33 und 34 zeigen zwei mit 46 VE elektronendefiziente, triangulare Ru3-Cluster mit einer M-M-Doppelbindung im Ring, welche beide der Vorgabe der Magischen Zahlen entsprechen. 33 reagiert bereitwillig mit P4 und ergibt [{Cp=Ru}(µ-Eta4:1:1-P4){Ru(CO)Cp=}] (40). Die RSA von 40 zeigt, daß Ru1 um 25,3° aus der Ebene der vier Phosphoratome P1-P4 abgewinkelt und kein planares Tetraphospharuthenol verwirklicht ist. Die Aufsicht auf die P4Ru-Ebene läßt jedoch deutlich das Bestreben erkennen, die Konstitution einer pentagonalen Pyramide auszubilden.
Photolysiert man [{Cp R Ru(CO)2}2] (Cp R = Cp", Cp*) (1a,b), in Gegenwart von weißem Phosphor, so können keine phosphorhaltigen Produkte isoliert werden. Setzt man [{Cp"Ru(CO)2}2] (1a) mit weißem Phosphor bei 190 °C in Dekalin um, dann lassen sich als einzige Verbindungen das Pentaphospharuthenocen-Derivat [Cp"Ru(h 5 -P5)] (3a, 6 % Ausbeute) und [Cp"2Ru2P4] (4a, 17 % Ausbeute) säulenchromatographisch abtrennen. Für 4a wird auf Grund seiner spektroskopischen Eigenschaften eine den röntgenstruktur-analytisch charakterisierten pseudo-Tripeldecker-Komplexen [{Cp R Fe}2(micro-h 4:4 -P4)] (Cp R = Cp" [35] , Cp"' [11] ) analoge Struktur mit s-cis-Tetraphosphabutadiendiyl-"Mitteldeck" vorgeschlagen; es sind jedoch auch zwei micro-h 2:2 -P2-Liganden denkbar. Die Cothermolyse von [{Cp"Ru(CO)2}2] (1a) und [Cp*Fe(h 5 -P5)] (2b) ergibt ein breites Produktbild. Während [Cp"Ru(h 5 -P5)] (3a), das chromatographisch nicht von 2b abgetrennt werden konnte, und [Cp"2Ru2P4] (4a, 6 % Ausbeute) in vergleichsweise geringen Mengen entstehen, können [{Cp"Ru}3P5] (6) in 17 % Ausbeute, [{Cp"Ru}2{Cp*Fe}P5] (7) in 7 % Ausbeute, [{Cp*Fe}2{Cp"Ru}P5] (8) in 22 % Ausbeute und [{Cp"Ru}3{Cp*Fe}(P2)2] (9) in 14 % Ausbeute isoliert werden. Für 9 wird, basierend auf den NMR-spektroskopischen Befunden, eine zu [{CpFe}4(P2)2] (10) [24] analoge Struktur mit einem hier verzerrten Dreiecksdodekaedergerüst vorge-schlagen, dessen vier Ecken der Konnektivität fünf von drei Rutheniumatomen und einem Eisenatom besetzt sind und dessen vier Ecken der Konnektivität vier zwei micro-h 2:2:1:1 -P2-Einheiten einnehmen. Es handelt sich bei 9 wie bei 10 um Cluster vom hypercloso-Typ (n+1 = 8 GEP). [30,31] Röntgenstrukturanalysen zeigen, daß 6, 7 und 8 ebenfalls verzerrt dreiecksdodekaedrische Gerüststrukturen besitzen. Damit ist auch die Struktur der bereits früher synthetisierten und spektroskopisch charakterisierten Komplexe [{Cp R Fe}3P5] (Cp R = Cp*, Cp*') (11b,c) [8] geklärt, deren NMR-Daten auf eine enge Verwandtschaft insbesondere mit 6 hinweisen. Gegenüber 9 bzw. 10 [24] mit einem M4P4-Gerüst (M = allgem. Übergangsmetallatom) ist in den Clustern 6, 7, 8 und 11b,c [8] mit M3P5-Gerüst formal ein 13 VE-Metallkomplex-fragment (Konnektivität fünf; 1 GE) durch ein Phosphoratom (3 GE) ersetzt, wodurch der Übergang zum closo-Strukturtyp des Dreiecksdodekaeders (n+1 = 9 GEP) [30,31] vollzogen wird. Die Cluster 6, 7, 8 und 11b,c [8] enthalten eine bisher unbekannte Koordinationsform der P5-Einheit. Bei der thermischen Umsetzung von [{Cp*Ru(CO)2}2] (1b) mit [Cp*Ru(h 5 -P5)] (3b) erhält man als Hauptprodukt den Dreikernkomplex [{Cp*Ru}3(P4)(P)] (17b, 62 % Ausbeute). Als einziges Nebenprodukt kann [Cp*2Ru2P4] (4b, 5 % Ausbeute) säulen-chromatographisch isoliert werden. Die NMR-Daten von 17b lassen in Analogie zum röntgenstrukturanalytisch charakterisierten [{Cp*'Fe}3(P4)(P){Mo(CO)5}] (18c) [8] auf eine cubanartige Struktur schließen, in der die fünf Phosphoratome in Form einer Isotetraphosphid-Einheit und eines einzelnen Phosphoratoms vorliegen. Die Gesamtzahl von 64 Valenzelektronen ist im Einklang mit drei Metall-Metall-Bindungen [31] . Für 4b ist wie für das voranstehend besprochene Cp"-Derivat 4a eine Pseudo- Tripeldecker-Struktur mit s-cis-Tetraphosphabutadiendiyl-"Mitteldeck" oder mit zwei micro-h 2:2 -P2-Liganden zu diskutieren. Thermolysiert man [{Cp* Ru(CO)2}2] (1c) mit 3b, so erhält man die Komplexe [Cp*'nCp*2-nRu2P4] (n = 0,1,2) (4b,d,c) und [{Cp*'Ru}n{Cp*Ru}3-n(P4)(P)] (n = 1,2,3) (17e,d,c) jeweils als nicht auftrennbare Gemische von analog aufgebauten Verbindungen, die sich nur im Zahlenverhältnis der verschiedenen Cyclopentadienyl-Liganden Cp*' und Cp* unterscheiden. In geringem Umfang beobachtet man dabei auch eine cyclo-P5-Übertragung unter Bildung des literaturbekannten [Cp*'Ru(h 5 -P5)] [7,10] , das im Gemisch mit nicht abreagiertem 3b anfällt. Durch Umsetzung mit [W(CO)5(thf)] gelingt die Komplexierung des dreiecks-dodekaedrischen Clusters [{Cp*Fe}2{Cp"Ru}P5] (8) zum Monoaddukt [{Cp*Fe}2{Cp"Ru}P5{W(CO)5}] (19), während beim Komplexierungsversuch des ebenfalls dreiecksdodekaedrischen Clusters [{Cp*'Fe}3P5] (11c) mit [Mo(CO)5(thf)] [8] eine Gerüstumlagerung zur cubanartig aufgebauten Verbindung [{Cp*'Fe}3(P4)(P){Mo(CO)5}] (18c) erfolgt. Der Strukturvorschlag für 19 basiert auf dem 31 P-NMR-Spektrum. Versuche zur Oxidation von 8 mit gelbem Schwefel bei Raumtemperatur führen zu unspezifischer Zersetzung bzw. Folgereaktionen von 8. Orientierende Versuche mit grauem Selen als milderem Oxidationsmittel deuten darauf hin, daß unter geeigneten Reaktionsbedingungen eine einfache Selenierung am endständigen Phosphoratom des P5-Liganden von 8 erfolgt. Bei der Umsetzung von [{Cp"Ru}3{Cp*Fe}(P2)2] (9) mit gelbem Schwefel können je nach Reaktionsbedingungen bis zu drei Phosphoratome oxidiert werden. Vollständige Sulfurierung wie im Falle von [{CpFe}4(P2S2)2] [24] wird nicht beobachtet. Die Sulfurierung ist regioselektiv. Für einen bestimmten Sulfurierungsgrad wird jeweils nur ein Produkt erhalten. Die Strukturvorschläge für die Cluster 21 23 werden anhand ihrer 31 P-NMR-spektroskopischen Daten abgeleitet.
1,3-Diynes are frequently found as an important structural motif in natural products, pharmaceuticals and bioactive compounds, electronic and optical materials and supramolecular molecules. Copper and palladium complexes are widely used to prepare 1,3-diynes by homocoupling of terminal alkynes; albeit the potential of nickel complexes towards the same is essentially unexplored. Although a detailed study on the reported nickel-acetylene chemistry has not been carried out, a generalized mechanism featuring a nickel(II)/nickel(0) catalytic cycle has been proposed. In the present work, a detailed mechanistic aspect of the nickel-mediated homocoupling reaction of terminal alkynes is investigated through the isolation and/or characterization of key intermediates from both the stoichiometric and the catalytic reactions. A nickel(II) complex [Ni(L-N4Me2)(MeCN)2](ClO4)2 (1) containing a tetradentate N,N′-dimethyl-2,11-diaza[3.3](2,6)pyridinophane (L-N4Me2) as ligand was used as catalyst for homocoupling of terminal alkynes by employing oxygen as oxidant at room temperature. A series of dinuclear nickel(I) complexes bridged by a 1,3-diyne ligand have been isolated from stoichiometric reaction between [Ni(L-N4Me2)(MeCN)2](ClO4)2 (1) and lithium acetylides. The dinuclear nickel(I)-diyne complexes [{Ni(L-N4Me2)}2(RC4R)](ClO4)2 (2) were well characterized by X-ray crystal structures, various spectroscopic methods, SQUID and DFT calculation. The complexes not only represent as a key intermediate in aforesaid catalytic reaction, but also describe the first structurally characterized dinuclear nickel(I)-diyne complexes. In addition, radical trapping and low temperature UV-Vis-NIR experiments in the formation of the dinuclear nickel(I)-diyne confirm that the reactions occurring during the reduction of nickel(II) to nickel(I) and C-C bond formation of 1,3-diyne follow non-radical concerted mechanism. Furthermore, spectroscopic investigation on the reactivity of the dinuclear nickel(I)-diyne complex towards molecular oxygen confirmed the formation of a mononuclear nickel(I)-diyne species [Ni(L-N4Me2)(RC4R)]+ (4) and a mononuclear nickel(III)-peroxo species [Ni(L-N4Me2)(O2)]+ (5) which were converted to free 1,3-diyne and an unstable dinuclear nickel(II) species [{Ni(L-N4Me2)}2(O2)]2+ (6). A mononuclear nickel(I)-alkyne complex [Ni(L-N4Me2)(PhC2Ph)](ClO4).MeOH (3) and the mononuclear nickel(III)-peroxo species [Ni(L-N4Me2)(O2)]+ (5) were isolated/generated and characterized to confirm the formulation of aforementioned mononuclear nickel(I)-diyne and mononuclear nickel(III)-peroxo species. Spectroscopic experiments on the catalytic reaction mixture also confirm the presence of aforesaid intermediates. Results of both stoichiometric and catalytic reactions suggested an intriguing mechanism involving nickel(II)/nickel(I)/nickel(III) oxidation states in contrast to the reported nickel(II)/nickel(0) catalytic cycle. These findings are expected to open a new paradigm towards nickel-catalyzed organic transformations.
We have investigated urine samples after coffee consumption using targeted and untargeted
approaches to identify furan and 2-methylfuran metabolites in urine samples by UPLC-qToF.
The aim was to establish a fast, robust, and time-saving method involving ultra-performance
liquid chromatography-quantitative time-of-flight tandem mass spectrometry (UPLC-qToF-MS/MS).
The developed method detected previously reported metabolites, such as Lys-BDA, and others that
had not been previously identified, or only detected in animal or in vitro studies. The developed
UPLC-qToF method detected previously reported metabolites, such as lysine-cis-2-butene-1,4-dial
(Lys-BDA) adducts, and others that had not been previously identified, or only detected in animal
and in vitro studies. In sum, the UPLC-qToF approach provides additional information that may be
valuable in future human or animal intervention studies.
In dieser Arbeit wurden für die Moleküle B3, B3- und C3+ mit dem MR-CI-Verfahren hochgenaue Potentialfächen für ein oder mehrere elektronische Zustände berechnet. Alle drei Moleküle besitzen elektronisch entartete Jahn-Teller-Zustände. Im Gegesatz zu den früher untersuchten Alkalitrimeren liegt hier die konische Durchschneidung so tief, dass sie bei der Schwingungsanalyse berücksichtigt werden muss und daher eine diabatische Behandlung erfordlich ist. Für den X<-1E'-Übergang im B3 konnte die Übereinstimmung des berechneten Spektrum mit dem gemessenen durch den Einsatz des größeren Basissatzes VQZ, im Vergleich zu den bereits veröffentlichten Ergebnissen, nochmals deutlich verbessert werden. Für den berechneten 00-Übergang ist im gemessen Spektrum kein Übergang zu beobachten. Neben der guten Übereinstimmung der anderen Peaks wird diese These auch die T00 Energie gestützt. Die einfache Progression des experimentellen X<-2E'-Übergangs im B3 konnte ebenfalls in gute Übereinstimmung berechnet werden. Die einfache und kurze Progression ergibt sich aus der Tatsache, dass praktisch keine Jahn-Teller-Verzerrung vorhanden ist, und beide Teilflächen fast deckungsgleich sind. Für den X<-1E'-Übergang des B3- wurde ebenfalls ein Spektrum simuliert, allerdings findet sich keine Übereinstimmung zu den gemessenen Übergängen. Da die beobachtete Elektronenablöseenergie nur unwesentlich oberhalb der Elektronenanregungsenergie liegt und im Hinblick auf die starken X<-2E'-Absorptionen des B3 in der gleichen Messung bleibt offen, welche Strukturn im Experiment zu sehen sind. Zum C3+ wurde eine Schwingungsanalyse für den E'-Grundzustand durchgeführt. Experimentelle Vergleichswerte fehlen in diesem Fall. Allerdings konnte die bereits seit mehr als einem Jahrzehnt diskutierte Höhe der Isomerisierungsenergie zwischen gewinkelter und linearer Geometrie sehr genau, auf nun 6.8 +- 0.5 kcal/mol festgelegt werden. Bei vibronischer Betrachtung unter Einbeziehung der Nullpunktsenergien reduziert sich diese auf bzw. 4.8 kcal/mol. Ausserdem wurde die Existenz eines linearen Minimums bestätigt. C3+ liefert auch ein sehr schönes Beispiel für die Verschränkung verschiedener lokaler und globaler Schwingungszustände, was zu einer irregulären Abfolge von Zuständen führt. Für die Reaktivität des C3+ wurde beobachtet, dass es unterhalb von 50 K die höchste Reaktivität besitzt und darüber deutlich abnimmt. Auf dieses Verhalten liefert die Schwingungsanalyse keine Antwort, da bis selbst zur Raumtemperatur keine thermische Schwingungsanregung statt finden kann.
Im Mittelpunkt der Untersuchungen standen Bismut-Aren-Komplexe der Reihen [(C6H6)BiCl3-n]n+ (n = 0 – 3) und [(MemC6H6-m)BiCl3] (m = 0 – 3). Außerdem wurden die leichteren Homologen [(C6H6)SbCl3] und [(C6H6)AsCl3] untersucht, um Gruppentrends zu erkennen. Es wurden auch die zu den Komplexen [(C6H6)BiCl3-n]n+ (n = 1 – 3) isoelektronischen Blei-Aren-Komplexe mit in die Betrachtungen einbezogen. Von prinzipiellem Interesse ist der Komplex [(C6H6)2Pb]2+, der als Prototyp eines bent-Sandwich-Bis(aren)hauptgruppenelement-Komplexes aufzufassen ist. Die Strukturen der Neutralkomplexe und Komplexkationen wurden auf MP2(fc)/6-31+G(d)(C,H);SBKJC(d)(Bi,Cl)-Niveau optimiert. Die Wechselwirkungsenergie in [(C6H6)BiCl3] beträgt –23 kJ/mol (MP4). Betrachtungen der Elektronenlokalisierungsfunktion und der Molekülorbitale trugen zum Verständnis der Bindungsverhältnisse in den untersuchten Aren-Komplexen bei. Eine Kristallstrukturanalyse bestätigte die gefundenen Trends der Rechnungen. Die Aren-Komplexe mit leichteren Zentralatomen sind weniger stabil. Außerdem steigt die Stabilität mit der Basizität des Aren-Liganden leicht und mit der Ladung der Komplexe stark an. Zur Untersuchung (B3LYP/6-311+G(d)) der Bindungsverhältnisse im P4-Ring des Tetrakis(amino)-1l5,3l5-Tetraphosphets und der P-P-Bindung seines [2+2]-Cycloreversionsprodukts wurden die Elektronenlokalisierungsfunktionen, wichtige Molekülorbitale, Bindungsordnungen, berechnete chemische Verschiebungen der Phosphorkerne und kernunabhängige chemische Verschiebungen betrachtet. Danach kann für die P-P-Bindung im P4-Ring des Tetraphosphets ein beträchtlicher p-Bindungsanteil angenommen werden. Die P-P-Bindung im [2+2]-Cycloreversionsprodukt kann als elektronisch ungewöhnliche, durch Coulombkräfte verkürzte Doppelbindung verstanden werden. Bei präparativen Arbeiten zu funktionalisierten Aminoarsanen wurde vor einiger Zeit ein Tetrakis(amino)diarsan mit einer außerordentlich langen As-As-Bindung (2,673(3) Å) erhalten. Quantenchemische Rechnungen (B3LYP/6-31+G(d)) bestätigen und unterstützen diesen Befund und räumen letzte Zweifel im Zusammenhang mit der kristallstrukturanalytischen Bestimmung der Bindungslänge aus.
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.
Toxicology, the study of the adverse effects of chemicals and physical agents on living organisms, is a critical process in chemical and drug development. The low throughput, high costs, limited predictivity and ethical concerns related to traditional animal-based toxicity studies render them impractical to assess the growing number and complexity of both existing and new compounds and their formulations. These factors together with the increasing implementation of more demanding regulations, evidence the current need to develop innovative, reliable, cost effective and high throughput toxicological methods.
The use of metabolomics in vitro presents the powerful combination of a human relevant system with a multiparametric approach that allows assessing multiple endpoints in a single biological sample. Applying metabolomics in a cell-based system offers an alternative to both, the ethical concerns and relevance of animal testing and the restraining nature of single endpoint evaluations characteristic of conventional toxicological in vitro assays. However, there are still challenges that hamper the expansion of metabolomics beyond a research tool to a feasible and implementable technology for toxicology assessment.
The aim of this dissertation is to advance the applications of in vitro metabolomics in toxicology by addressing three major challenges that have limited its widespread implementation in the field. In chapter 2 the restrictive high cost and low throughput of in vitro metabolomics was addressed through the development, standardization and proof of concept of a high throughput targeted LC-MS/MS in vitro metabolomics platform for the characterization of hepatotoxicity. In chapter 3, the use of the developed in vitro metabolomics system was expanded beyond hazard identification, to its implementation for deriving dose- and time response metrics that were shown useful for Point of departure (PoD) estimations for human risk assessment. Finally, in chapter 4 in order to increase the reliance and confidence of using in vitro metabolomics data for risk assessment, the human relevance of the metabolomics in vitro assays was attempted to be improved by the implementation and evaluation of in vitro metabolomics in a hiPSCs-derived 3D liver organoid system.
The work developed here demonstrates the suitable of in vitro metabolomics for mechanistic-based hazard identification and risk assessment. By advancing the applications of metabolomics in toxicology, this work has significantly contributed to the aim of toxicology of the 21st century for a human-relevant non-animal toxicological testing, supporting the toxicology task of protecting human health and the environment.