Kaiserslautern - Fachbereich Chemie
Refine
Year of publication
- 2010 (13) (remove)
Document Type
- Doctoral Thesis (13)
Has Fulltext
- yes (13)
Keywords
- Homogene Katalyse (3)
- Palladium (3)
- Acrylamid (2)
- Biaryle (2)
- Carbonsäuren (2)
- Glycidamid (2)
- Katalyse (2)
- Mercaptursäuren (2)
- Polyphenole (2)
- ROS (2)
Faculty / Organisational entity
Ziel dieser Arbeit war, die Entwicklung von übergangsmetallkatalysierten Kreuzkupplungsreaktionen zur Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungsknüpfungen, bei denen Carbonsäuren anstelle der traditionell verwendeten, jedoch ökologisch bedenklichen Organometall-verbindungen (z. B. metallorganische Verbindungen der Elemente Bor, Zinn, Zink, Kupfer oder Magnesium) als Startmaterialien eingesetzt werden. Der wesentlich Schwerpunkt dieser Arbeit bestand darin, die zu diesem Zeitpunkt neu entwickelte decarboxylierende Kreuzkupplungsreaktion von aromatischen Carbonsäuren mit Arylhalogeniden zur synthetischen Reife zu führen.
Charakterisierung der DNA-schädigenden Wirkung von Acrylamid in Lebensmitteln am Modell der Ratte
(2010)
Die alpha,beta-ungesättigte Carbonylverbindung Acrylamid entsteht beim Erhitzen von kohlenhydratreichen Lebensmitteln aus der Reaktion von Aminosäuren (hauptsächlich Asparagin) und reduzierenden Zuckern als Nebenprodukt der Maillard-Reaktion. In Langzeitstudien an Ratten wurde ein kanzerogenes Potential von Acrylamid nachgewiesen, was zu seiner Klassifizierung als „wahrscheinlich kanzerogen am Menschen“ (Kategorie 2a) durch die International Agency for Research on Cancer führte. Als Auslöser der Kanzerogenität von Acrylamid wird ein genotoxischer Mechanismus vermutet, der auf der Reaktion von Glycidamid mit der DNA unter Ausbildung des Hauptadduktes N7-Glycidamid-Guanin (N7-GA-Guanin) basiert. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der genotoxischen Wirkung von Acrylamid in vivo anhand des modifizierten Comet Assays sowie der massenspektrometrischen Untersuchung von N7-GA-Guanin-Addukten. Die Problematik wurde in zwei Teilprojekten bearbeitet. Zum einen wurde die Auswirkung verschiedener Lebensmittelmatrices auf die genotoxische Wirkung von Acrylamid in der Ratte im Vergleich zur Acrylamid-Aufnahme über Trinkwasser per Schlundsonde untersucht. Dazu wurden jeweils drei Ratten über maximal neun Tage mit Acrylamid-Dosen von 50 µg/kg KG/d in Trinkwasser oder Brotkruste bzw. 100 µg/kg KG/d in Trinkwasser (Schlundsonde), geschnittenen und rekonstituierten Pommes Frites sowie Lebkuchen behandelt. Zusätzlich wurde jeweils drei Tiere einmalig eine Dosis von 450 µg bzw. 900 µg Acrylamid/kg KG in Trinkwasser mittels Schlundsonde verabreicht, was der maximalen Aufnahmemenge über neun Tage entspricht. Außerdem wurde zwei Tieren einmalig 10 mg Acrylamid/kg KG in Trinkwasser per Schlundsonde gegeben. Die Tötung der Tiere sowie Blut- und Organentnahme erfolgten 24 Stunden nach der letzten Acrylamid-Gabe. Die Untersuchung der Blut- und Leberzellen mittels modifiziertem Comet Assay ließ auf keine signifikante DNA-Schädigung der mit 50 oder 100 µg Acrylamid/kg KG behandelten Tiere schließen. Auch die einmalige Verabreichung von 450 µg bzw. 900 µg Acrylamid/kg KG im Trinkwasser führte zu keiner signifikanten Erhöhung der DNA-Schädigung. Lediglich nach der Gabe von 10 mg Acrylamid/kg KG wurden DNA-Schäden in Blut und Leber detektiert. In den Geweben der für maximal neun Tage mit 50 oder 100 µg Acrylamid/kg KG im Trinkwasser oder Lebensmittel behandelten Ratten wurden keine N7-GA-Guanin-Addukte detektiert und lagen somit unterhalb der Nachweisgrenze von 1 Addukt/10E8 Nukleotide. Nach einmaliger Verabreichung von 450 µg Acrylamid/kg KG wurden in allen Organen der behandelten Tiere N7-GA-Guanin-Addukte detektiert, die allerdings unterhalb der Bestimmungsgrenze von 3 Addukten/10E8 Nukleotide lagen. Die einmalige Gabe von 900 µg und 10 mg Acrylamid/kg KG führte zu quantifizierbaren Addukten in allen untersuchten Organen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die zeit- und dosisabhängige Bildung von N7-GA-Guanin-Addukten in der DNA aus Leber, Niere und Lunge weiblicher Sprague-Dawley Ratten untersucht. Dazu wurden die Ratten zunächst einmalig mit 1 mg oder 10 mg Acrylamid/kg KG per Schlundsonde behandelt und die Gewebeproben nach 8, 16 oder 24 Stunden entnommen und untersucht. Nach Ermittlung des Zeitpunktes der maximalen N7-GA-Guanin-Adduktbildung wurden weitere Ratten einmalig mit 0,1 mg, 0,5 mg, 3 mg oder 6 mg Acrylamid/kg KG behandelt. Neben der N7-GA-Guanin-Adduktbildung wurde die Bildung der Mercaptursäuren von Acrylamid und Glycidamid mittels HPLC-MS/MS untersucht. Die Mercaptursäuren AAMA und GAMA entstehen als Abbauprodukte der Glutathionkonjugate von Acrylamid und Glycidamid und werden über den Urin ausgeschieden. Die dosisabhängige Bildung von N7-GA-Guanin-Addukten wurde 16 Stunden nach Verabreichung von Acrylamiddosen zwischen 0,1 mg und 10 mg/kg KG untersucht. Die N7-GA-Guanin-Addukte konnten erst ab einer Dosis von 1 mg Acrylamid/kg KG in der DNA der Tiere quantifiziert werden. Die Adduktbildung in der 0,1 mg Acrylamid/kg KG-Gruppe lag unterhalb der Nachweisgrenze, während die Addukte in der 0,5 mg Acrylamid/kg KG-Gruppe zwar nachweisbar, aber nicht quantifizierbar waren. Im Bereich von 1 bis 10 mg Acrylamid/kg KG wurde ein dosisabhängiger Anstieg der N7-GA-Guanin-Addukte beobachtet. Die Ergebnisse der gemessenen Mercaptursäuren zeigen insgesamt, dass 53-55 % der Acrylamid-Dosis von 1 und 10 mg/kg KG innerhalb von 24 Stunden als Mercaptursäuren ausgeschieden werden und dadurch eine effektive Entgiftung von Acrylamid gewährleistet ist. Anhand der ausgeschiedenen GAMA-Menge lässt sich rückschließen, dass 14-18 % der verabreichten 1 und 10 mg Acrylamid/kg KG innerhalb von 24 Stunden zu Glycidamid metabolisiert werden. Die Untersuchung der Mercaptursäuren im 16-Stunden-Sammelurin nach Gabe von 0,1 bis 10 mg Acrylamid/kg KG zeigte, dass die absolute Ausscheidung von AAMA und GAMA linear mit der Dosis ansteigt.
Zur Entwicklung und Optimierung leistungsfähiger Katalysatoren werden zahlreiche Versuche durchgeführt, die geplant, dokumentiert und ausgewertet werden müssen. Das im Rahmen dieses interdisziplinären Promotionsvorhabens entwickelte elektronische Dokumentationssystem beschleunigt diese Arbeitsschritte deutlich und hilft, Fehler zu vermeiden. Es wurde im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte zu innovativen Decarboxylierenden Kreuzkupplungsreaktionen mit Cu/Pd-Katalysatorsystemen erfolgreich eingesetzt. Die neu entwickelten Eintopfsynthesen eröffnen einen neuen Zugangsweg zu unsymmetrischen Arylketonen und Azomethinen in guten bis sehr guten Ausbeuten. Gegenüber herkömmlichen Decarboxylierungsreaktionen konnte die erforderliche Reaktionstemperatur erheblich abgesenkt werden.
Decarboxylierende Kreuzkupplungen verkörpern eine neue Strategie zur C-C-Bindungsknüpfung, bei der Kohlenstoffnucleophile in situ durch übergangsmetallvermittelte Decarboxylierung von ubiquitär vorhandenen Carbonsäuren erzeugt und dann im weiteren Verlauf der Reaktion mit Kohlenstoffelektrophilen gekuppelt werden. Diese Vorgehensweise verbindet zwei Vorteile, nämlich die Regioselektivität, den die traditionellen Kreuzkupplungen gegenüber den Reaktionen haben, die über eine C-H-Aktivierung verlaufen, und den Einsatz von kostengünstigen und einfach zugänglichen, luft- und wasserstabilen Carbonsäuresalzen. Die Vorteile dieser neuen Transformation bestätigten sich durch die Synthese ortho-substituierter Biaryle ausgehend von aktivierten Carbonsäuren und Arylbromiden in der Gegenwart eines kupfer- und palladiumbasierten Katalysatorsystems. Die ursprünglich in Bezug auf das Substitutionsmuster der eingesetzten Carbonsäure beobachtete Substratrestriktion konnte aufgehoben werden. Dies konnte durch die Entwicklung neuer Katalysatorsysteme erreicht werden, die es ermöglichen Kohlenstoffelektrophile mit nicht koordinierenden Abgangsgruppen, wie zum Beispiel Aryltriflate oder -tosylate, in decarboxylierenden Kreuzkupplungen zu verwenden. Dadurch wurde zum ersten Mal das volle Substratspektrum an aromatischen und heteroaromatischen Carbonsäuren für decarboxylierende Kreuzkupplungen erschlossen. Weiterhin führte die separate Untersuchung des Decarboxylierungschritts zu zwei sich ergänzenden Katalysatorsystemen. Das erste, kupferbasierte Katalysatorsystem ermöglicht selbst die Protodecarboxylierung nicht aktivierter Carbonsäuren. Weiterhin wurde ein silberbasiertes Katalysatorsystem entwickelt, welches die Protodecarboxylierung einer Vielzahl von ortho-substituierten aromatischen und heteroaromatischen Carbonsäuren bei Temperaturen von nur 80 °C bis 120 °C ermöglicht. Dies liegt 50 °C unterhalb der Reaktionstemperatur des kupferbasierten Systems. Auf der Grundlage des silberbasierten Tieftemperatur-Decarboxylierungs-Katalysatorsystems wurde ein neues Katalysatorsystem entwickelt, mit dem sich die Reaktionstemperatur decarboxylierender Kreuzkupplungen auf 130 °C verringern lässt. Abschließend kann man sagen, dass das neuartige synthetische Konzept der decarboxylierenden Kreuzkupplung im Rahmen dieser Doktorarbeit zu einer allgemein anwendbaren Methode weiterentwickelt wurde.
Polyphenole sind sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe und werden mit unserer täglichen Nahrung aufgenommen. Um die Relevanz der einzelnen Polyphenole für die positiven Effekte auf die Gesundheit abschätzen zu können, ist es wichtig ihre intestinale Absorption und ihren Metabolismus zu kennen. Äpfel (Malus domestica Borkh.) enthalten eine Vielzahl an Polyphenolen aus den Gruppen der Hydroxyzimtsäuren, Dihydrochalkone, Flavonole und Flavan-3-ole. Es wurden die intestinale Absorption und der Metabolismus dieser Polyphenole in intestinalen Konzentrationen in der Ussing-Kammer anhand verschiedener Modelle (Monolayer der Kolonkarzinomzellline T84, Schweinedarmmukosa und humane Biopsien) untersucht. Parallel wurde der transepitheliale Widerstand (TER) des verwendeten Monolayers gemessen. Er spiegelt die Integrität der intestinalen Barriere wider, die eine wichtige Rolle bei der Aufnahme von Nährstoffen im Körper und bei der Abwehr von Mikroorganismen und pro-inflammatorischen Faktoren spielt. Bei Patienten mit chronisch entzündlichen Darmerkrankungen ist die Integrität der intestinalen Barriere gegenüber gesunden Personen herabgesetzt. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob die Polyphenole des Apfels einen Einfluss auf die intestinale Barriere haben. Die Analytik der Mediumüberstände aus der Ussing-Kammer auf der apikalen (Darmlumen-) und basolateralen (Blut-) Seite sowie der Zellsuspensionen auf ihre Polyphenolgehalte erfolgte mittels HPLC-ESI-MS/MS und HPLC-DAD. Die transepitheliale Absorption der Polyphenole in den verschiedenen Modellen war strukturabhängig und auch zwischen den Modellen unterschiedlich. Bei den Hydroxyzimtsäuren und ihren Derivaten wurden weniger polare Verbindungen in höherem Maße auf der basolateralen Seite ermittelt als polare. Die untersuchten Flavan-3-ole wurden in beiden Modellen nicht auf die basolaterale Seite absorbiert. Die ausschließlich im Apfel vorkommenden Phloretinglycoside wurden ebenso wie das untersuchte Quercetinglycosid nicht basolateral identifiziert. Das freie Aglykon Phloretin dagegen war auf der basolateralen Seite nachweisbar. Mit den humanen Biopsien erfolgte die Inkubation nur exemplarisch mit den Hydroxyzimtsäuren, auf die basolaterale Seite gelangten nur Mengen unterhalb der Bestimmungsgrenze. Weiterhin wurde untersucht, auf welchem Mechanismus die transepitheliale Absorption der Polyphenole beruht. Die erzielten Ergebnisse weisen darauf hin, dass es sich bei der Aufnahme von Polyphenolen in der Mukosa um eine passive transzelluläre Diffusion handelt. Die Inkubationen von Ferulasäure mit Konzentrationen von bis zu 1000 µM zeigten, dass sowohl Enzyme der T84-Monolayer als auch der Schweinedarmmukosa in der Lage sind, Glucuronide und Sulfate zu bilden, die aber erst bei Inkubationskonzentrationen ab 100 µM nachweisbar waren. Bei der Inkubation von Phloretin und Quercetin in T84-Monolayern wurden außerdem Spuren von Glucuroniden in den Zellsuspensionen nachgewiesen, bei der Inkubation von Phloretin-2‘-O-glucosid wurde das Aglykon Phloretin detektiert. Weiterhin wurde der Einfluss der Polyphenole auf die intestinale Barriere im T84-Modell untersucht, indem der trans¬epitheliale Widerstand (TER) der Monolayer ermittelt wurde. Die intestinale Barriere wird unter anderem durch die sogenannten „Tight junctions“ (TJs) – Verknüpfungen zwischen den Epithelzellen – ausgebildet. Der TER lässt Rückschlüsse auf den Zustand der TJs zu. Die Messung des TER der T84-Monolayer während der Inkubation mit Polyphenolen zeigte, dass es im Gegensatz zur Kontrolle zu einem Anstieg des TER kam, d.h. es kam zu einer Verstärkung der intestinalen Barriere. Als Modell für die intestinale Barriere bei Patienten mit chronisch entzündlichen Darmerkrankungen wurden mit Caprinsäure (C10) vorbehandelte T84-Monolayer gewählt. Auch hier kam es bei den Inkubationen mit Polyphenolen im Vergleich zur Kontrolle zu einer Steigerung des TER. Außerdem wurde der Einfluss der Polyphenole auf das TJ-Protein Occludin mittels Immunofluoreszenz¬mikroskopie belegt. Für vier ausgewählte Polyphenole (Ferulasäure, 5 Kaffeoylchinasäure, Phloretin und Phloretin-2‘-O-glucosid) wurde gezeigt, dass sie einen Einfluss auf die Expression von Occludin haben, das einen integralen Bestandteil der intestinalen Barriere darstellt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neue Erkenntnisse zur intestinalen Absorption und zum Metabolismus von Polyphenolen des Apfels gewonnen. Es wurde gezeigt, dass ein Teil der den Dickdarm erreichenden Apfel¬polyphenole dort absorbiert und metabolisiert werden kann. Weiterhin wurden neue Daten zum Einfluss der Polyphenole auf die intestinale Barriere gewonnen. Die in vitro erzielten Daten weisen darauf hin, dass die Apfelpolyphenole in vivo möglicherweise vor chronisch entzündlichen Darmerkrankungen schützen können. Langfristig wäre eine Nutzung von Lebensmitteln aus Äpfeln oder Apfelpolyphenolen zur Prävention dieser Erkrankungen möglich.
Im ersten Teil der Arbeit wurden die Synthesen der verschiedenen Liganden vorgestellt. Ausgehend von optisch reiner Weinsäure (natürlich und unnatürlich) ist es möglich zweizähnige C2-symmetrische P,P- und S,S-Liganden zu synthetisieren. Die N,N-Liganden mit Pyrazol als Stickstoffdonor können nicht durch eine SN-2 Reaktion ausgehend von RMOP oder RTfOP und Natriumpyrrazolid synthetisiert werden. Bei den P,P-Liganden können verschiedene Phosphinitliganden und Phosphitliganden mit unterschiedlichen elektronischen und sterischen Eigenschaften hergestellt werden. Die P,N- und P,S-Liganden mit Pyrrolidin als chiralem Rückgrat können über verschiedene Synthesewege hergestellt werden. Eine Trennung der durch die Epoxidöffung entstehenden Enantiomere ist zumindest durch eine CDA-Derivatisierung (Diastereomerenbildung) in einem Fall möglich. Weitere Versuche, andere Alkohole durch enzymatische Racematspaltung oder Kristallisation von Diastereomeren zu trennen, schlugen fehl. Die synthetisierten P,N- und P,S-Liganden und ihre Komplexe lagen somit als Racemat vor. Die Untersuchung ihrer katalytischen Eigenschaften beschränkte sich deshalb nur auf Regioselektivität und Aktivität. Für die mit einem Cyclohexan als chiralem Rückgrat hergestellten P,P‘- und P,N-Liganden wurden die im Arbeitskreis vorhandenen Vorstufen verwendet. Die Katalysatoren mit dem optisch reinem Ligand konnten auf ihre Enantioselektivität in der Katalyse hin untersucht werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurden mit den verschiedenen Liganden mit Molybdän(0), Ruthenium(II), Rhodium(I), Iridium(I), Palladium(II), Platin(II), Kupfer(I) und Gold(I) Komplexe hergestellt. Insbesondere Ruthenium(II), Rhodium(I) und Palladium (II) waren wegen ihrer hohen katalytischen Aktivitäten von Interesse. Im dritten Teil der Arbeit wurden erste Katalyseexperimente durchgeführt. Bei der Direkthydrierung der Dehydroaminosäuren α-Acetamidozimtsäure mit Rhodium-, Ruthenium- und Iridium-Katalysatoren liefern die Komplexe [RhI(η4-COD)(κ2-(S,S)-BzOPhPOB)]+BF4- und das Gemisch aus verschiedenen Rutheniumkomplexen mit dem Liganden (S,S)-PhPhPOP die höchste Enantioselektivitäten von OR = 22–24 %. Insgesamt sind bei diesem Substrat die katalytischen Aktivitäten der getesteten Komplexe sehr niedrig. Bei Itaconsäuredimethylsäureester liefern die Rhodiumkomplexe mit den (S,S)-PhPhPOP- und (S,S)-PhTPOP-Liganden nur ein racemischen Produkt bei Aktivitäten von bis zu TOF = 3300 h-1 (T = 40 °C; p = 40 bar). Eine relative hohe Enantioseletivität von ee = 75 % bei der Hydrierung von Itaconsäuremethylester erzielt man mit der Verbindung [RhI(η4-COD)(κ2-(S,S)-BzOPhPOB)]+BF4- bei sehr geringen Aktivitäten (TOF < 20 h-1). Gute optische Reinheiten liefern die Rhodiumsalze mit (S,S)-PhPhPOP- und (S,S)-BzOPhPOB-Liganden bei der Aminosäure N-Acetylalanin (OP = 43–60 %) bei Aktivitäten von bis zu TOF > 400 h-1 bei dem Komplex [RhI(η4-NBD)(κ2-(S,S)-PhPhPOP)]+BF4-. Der Katalysator [RhI(η4-NBD)(κ2-(S,S)-PhPhPOP)]+BF4- ergibt bei dem Produkt N-Acetylalaninmethylester einen Enantiomerenüberschuss von ee = 50 % (TOF = 100 h-1). Der Komplex [RhI(μ1-Cl)(η4-COD)(κ2-(R,R)-PzPhPOC)]/NaBPh4 liefert bei N-Acetylalaninmethylester eine Enantioseletivität von ee = 80 % (TON = 80; TOF = 20 h-1) Die Komplexe mit P,N-, P,S- und S,S-Liganden sind bei den rhodiumkatalysierten Direkthydrierungen gegenüber den P,P-Liganden bei allen getesten Systemen weniger aktiv. Die Transferhydrierungen mit Ruthenium- und Rhodiumkomplexen liefern bei moderaten Aktivitäten nur sehr schlechte Enantiomerenüberschüsse bei allen getesteten Substraten. Höhere Selektivitäten erreicht man bei der rhodiumkatalysierten Hydrosilylierung mit dem PhPhPOP-Liganden (Acetophenon ee = max 50 %). Bei Trost-Tsuji-Allylierungen liefern die verwendeten Komplexen bei den getesteten Systemen bei guten Aktivitäten (TON  66; TOF < 170 h-1) nur sehr geringe Enantioselektivitäten. So ergibt die Verbindung [PdII(η3-Allyl)(κ2-(R,R/S,S)-PhPhPOP)]+PF6- bei dem Produkt Dimethyl-1-(1,3-diphenylprop-2-enyl)malonat eine Enantioseletivität von ee = 11–17 % Die ist nahezu unabhängig vom Lösungsmittel, Temperatur und vom Anion. Im Vergleich dazu ist die Enantioselektivität bei dem Komplex [PdII(η3-Allyl)(κ2-(R,R)-PzPhPOC)]+PF6- mit ee = 9 % nur unwesentlich geringer. Die höchste Enantioselektivität von ee = 48 % liefert der Komplex mit dem Liganden PhPhenphos bei dem Produkt Dimethyl-3-cyclohexenylmalonat. Die Allylierung von (E)-1-Phenyl-2-propen-1-ylacetat mit DMM liefert bei den getesteten Komplexen mit hohen Regioselektivitäten das unerwünschte Linearprodukt (E)-2-(3-Phenyl-allyl)malonsäuredimethylester.
A number of natural products are known that contain an enamide as a key structural feature. This functionality is a very important subunit in various biologically active products and pharmaceutical drug lead compounds. In addition, enamides serve as highly versatile synthetic intermediates, particularly in the pericyclic reaction, formation of heterocycles, cross-coupling and in asymmetric synthesis. As a result, several protocols have been devised for the preparation of enamides. Traditional syntheses include condensation of aldehydes and ketones with amides or from hydroxylamines and acetic anhydride, require harsh conditions and yield mixtures of E/Z products. Several metal catalyzed approaches have been also investigated, such as isomerization of N-allylamides and catalytic cross-coupling of amides with vinyl halides or pseudohalides. These protocols proceed under milder conditions but suffer from the limited availability of these starting materials. The research described in this dissertation focuses on efficient and atom-economic preparation of enamides and thioenamides, using readily available starting materials. We developed catalyst systems generated in situ from bis(2-methallyl)-cycloocta-1,5-diene-ruthenium(II), phosphines and Lewis acid or base, efficiently catalyze the addition of primary amides and thioamides to terminal alkynes with exclusive formation of the anti-Markovnikov products in high yield and stereoselectivity under mild reaction conditions. The generality of the newly developed methodologies is demonstrated by common functional group tolerance. Furthermore, Markovnikov products were formed via phosphine-catalyzed addition of cyclic amides to phenylacetylene derivatives. The hydroamidation protocol of primary amides was successfully used in the synthesis of naturally occurring compounds, such as alatamide, lansiumamide A, botryllamides C and E, and the key intermediate in the synthesis of aristolactam. In order to investigate the reaction mechanism, the addition of various amides and carboxylic acids to terminal alkynes was performed using deuterium labeled starting materials and followed by in situ NMR and GC-MS studies.
The main focus of this dissertation is the synthesis and characterization of more recent zeolites with different pore architectures. The unique shape-selective properties of the zeolites are important in various chemical processes and the new zeolites containing novel internal pore architectures are of high interest, since they could lead to further improvement of existing processes or open the way to new applications. This dissertation is organized in the following way: The first part is focused on the synthesis of selected recent zeolites with different pore architectures and their modification to the acidic and bifunctional forms. The second part comprises the characterization of the physicochemical properties of the prepared zeolites by selected physicochemical methods, viz. powder X-ray diffractometry (XRD), N2 adsorption, thermogravimetric analysis (TGA/DTA/MS), ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy, atomic absorption spectroscopy (AAS), infrared (IR) spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), 27Al and 29Si magic angle spinning nuclear magnetic resonance (MAS NMR) spectroscopy, temperature-programmed reduction (TPR), temperature-programmed desorption of pyridine (pyridine TPD) and adsorption experiments with hydrocarbon adsorptives. The third part of this work is devoted to the application of test reactions, i.e., the acid catalyzed disproportionation of ethylbenzene and the bifunctional hydroconversion of n-decane, to characterize the pore size and architecture of the prepared zeolites. They are known to be valuable tools for exploring the pore structure of zeolites. Finally, an additional test, viz. the competitive hydrogenation of 1-hexene and 2,4,4-trimethyl-1-pentene, has been applied to probe the location of noble metals in medium pore zeolite. The synthesis of the following zeolite molecular sieves was successfully performed in the frame of this thesis (they are ranked according to the largest window size in the respective structure): • 14-MR pores: UTD-1, CIT-5, SSZ-53 and IM-12 • 12-MR pores: ITQ-21 and MCM-68 • 10-MR pores: SSZ-35 and MCM-71 All of them were obtained as pure phase (except zeolite MCM-71 with a minor impurity phase that is hardly to avoid and also present in samples shown in the patent literature). The synthesis conditions are very critical with respect to the formation of the zeolite with a given structure. In this work, the recommended synthesis recipes are included. Among the 14-MR zeolites, the aluminosilicates UTD-1 (nSi/nAl = 28), CIT-5 (nSi/nAl = 116) and SSZ-53 (nSi/nAl = 55) with unidimensional extra-large pore opening formed from 14-MR rings exhibit promising catalytic properties with high thermal stability and they possess strong Brønsted-acid sites. By contrast, the germanosilicate IM-12 with a structure containing 14-MR channels intersecting with 12-MR channels is unstable toward moisture. It was found that UTD-1 and SSZ-53 zeolites are highly active catalysts for the acid catalyzed disproportionation of ethylbenzene and n-decane hydroconversion due to their high Brønsted acidity. To explore their pore structures, the applied two test reactions suggest that UTD-1, CIT-5 and SSZ-53 zeolites contain a very open pore system (12-MR or larger pore systems) because the product distributions are not hampered by too small pores. ITQ-21, a germanoaluminosilicate zeolite with a three-dimensional pore system and large spherical cages accessible through six 12-MR windows, can be synthesized with nSi/nAl ratios between 27 and >200. It possesses a large amount of Brønsted-acid sites. The aluminosilicate zeolite MCM-68 (nSi/nAl = 9) is an extremely active catalyst in the disproportionation of ethylbenzene and in the n-decane hydroconversion. This is due to the presence of a high density of strong Brønsted-acid sites in its structure. The disproportionation of ethylbenzene suggests that MCM-68 is a large pore (i.e., at least 12-MR) zeolite, in agreement with its crystallographic structure. In the hydroconversion of n-decane, the presence of tribranched and ethylbranched isomers and a high isopentane yield of 58 % in the hydrocracked products suggest the presence of large (12-MR) pores in its structure. By contrast, a relatively high value for CI* (modified constraint index) of 2.9 suggests the presence of medium (10-MR) pores in its structure. As a whole, the results are in-line with the crystallographic structure of MCM-68. SSZ-35, a 10-MR zeolite, can be synthesized in a broad range of nSi/nAl ratios between 11 and >500. This zeolite is interesting in terms of shape selectivity resulting from its unusual pore system having unidimensional channels alternating between 10-MR windows and large 18-MR cages. This thermally very stable zeolite contains both, strong Brønsted- and strong Lewis-acid sites. The disproportionation of ethylbenzene classifies SSZ-35 as a large pore zeolite. In the hydroconversion of n-decane, the suppression of bulky ethyloctanes and propylheptane clearly suggests the presence of 10-MR sections in the pore system. By contrast, the low CI* values of 1.2-2.3 and the high isopentane yields of 56-60 % in the hydrocracked products suggest that SSZ-35 also possesses larger intracystalline voids, i.e., the 18-MR cages. The results from the catalytic characterization are in good agreement with the crystallographic structure of zeolite SSZ-35. It was also found that the nSi/nAl ratio influences the crystallite size and therefore the external surface area. As a consequence, product selectivities are also influenced: The lowest nSi/nAl ratio or the smallest crystallite size sample produces larger amounts of the relatively bulky products. The formation of these products probably results from the higher conversion or they are preferentially formed on the external surface area of the catalyst. Zeolite MCM-71 (nSi/nAl = 8) possesses an extremely thermally stable structure and contains a high concentration of Brønsted-acid sites. Its structure allows for the separation of n-alkanes from branched alkanes by selective adsorption. MCM-71 exhibits unique shape-selective properties towards the product distribution in ethylbenzene disproportionation, which is different to those obtained in the medium pore SSZ-35 zeolite. All reaction parameters are fulfilled to classify MCM-71 as medium pore zeolite and this is in good agreement with its reported structure consisting of two-dimensional network of elliptical 10-MR channels and an orthogonal sinusoidal 8-MR channels. The competitive hydrogenation of 1-hexene and 2,4,4-trimethyl-1-pentene was exploited to probe that the major part of the noble metal is located inside the intracrystalline void volume of the medium pore zeolite SSZ-35.
Bei Acrylamid handelt es sich um ein genotoxisches Kanzerogen, welches beim Erhitzen von Lebensmitteln gebildet wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit spezifische Lebensmittelmatrices die Bioverfügbarkeit und den Metabolismus von Acrylamid beeinflussen. Lebkuchen als zuckerhaltiges, fettarmes und trockenes Lebensmittel auf Getreidebasis und Pommes frites (fett- und wasserreich; Kartoffelbasis) die entweder direkt aus der Kartoffel geschnitten (mit intakter Gewebestruktur) oder aus Kartoffelerzeugnissen „rekombiniert“ wurden sowie Brotkruste wurden an männliche Sprague Dawley-Ratten über 1, 3, 5, 7 und 9 Tage verfüttert und mit der Aufnahme von Acrylamid über Trinkwasser (Schlundsondierung)verglichen. Die täglich verabreichte Acrylamid-Dosis lag bei 100 µg/kg KG für Pommes frites und Lebkuchen bzw. 50 µg/kg KG für Brotkruste. Als Langzeit-Expositionsbiomarker wurden Addukte von Acrylamid und Glycidamid mit dem endständigen Valin (Val) am Hämoglobin (Hb) herangezogen. Das Ausmaß der AAVal-Bildung in den Tieren, denen Acrylamid über Pommes frites verabreicht wurde, entsprach jener nach Gabe einer entsprechenden Dosis Acrylamid in Trinkwasser mittels Schlundsondierung (AA-TW-Gruppen), was auf eine vergleichbare Bioverfügbarkeit von Acrylamid hindeutet. Lediglich in den Gruppen, die Acrylamid über Brotkruste erhielten, wurde eine geringfügig verminderte Bildung von AAVal-Hb-Addukten im Vergleich zu den AA-TW-Gruppen beobachtet. Nach Aufnahme von Acrylamid über Pommes frites wurde kein signifikanter Unterschied in der Gesamtausscheidung an Mercaptursäuren im Vergleich zur Gabe in Trinkwasser mittels Schlundsondierung (AA-TW-Gruppen) beobachtet, was auf eine vergleichbare Bioverfügbarkeit von Acrylamid hindeutet. Bei den mit Brotkruste gefütterten Tieren wurde eine im Vergleich zu AA-TW-Gruppen geringfügig erniedrigte Ausscheidung an AAMA beobachtet, was im Einklang mit der erniedrigten AA-Val-Bildung steht. Für die Ermittlung der Gesamtbilanz an Acrylamid-Ausscheidung aus dem Organismus wurde auch die Acrylamid- und Glycidamid-Ausscheidung im 24-Stunden-Sammelurin bestimmt. Die ausgeschiedenen Anteile an der verabreichten Tagesdosis leisten einen im Vergleich zu den Mercaptursäuren verhältnismäßig geringen Beitrag zur Gesamtausscheidung einer verabreichten Acrylamid-Dosis. Zur Untersuchung der Resorptionskinetik von Acrylamid bei Verabreichung über Pommes frites im Vergleich zur Aufnahme in Trinkwasser (Schlundsondierung) wurden über einen Zeitraum von 4 Stunden die Acrylamid- und Glycidamid-Gehalte in Rattenserum bestimmt. Insgesamt deutet der zeitliche Verlauf der Acrylamid-Serumkonzentration in der mit Pommes frites gefütterten Gruppe auf eine im Vergleich zur AA-TW-Gruppe verzögerte Freisetzung bzw. verlangsamte Resorption von Acrylamid im Gastrointestinaltrakt hin. Zur Abschätzung der Hintergrundbelastung mit Acrylamid wurden in 8 humanen Blutproben die Gehalte an Acrylamid- und Glycidamid-Hämoglobin-Addukten (AAVal, GAVal) sowie in 10 humanen Urinproben die Gehalte an Acrylamid- und Glycidamid-Mercaptursäuren (AAMA, GAMA) bestimmt. Bei den Rauchern wurden deutlich höhere AAVal-Gehalte im Vergleich zu Nichtrauchern gemessen, wohingegen die Gehalte an GAVal auf vergleichbarem Niveau lagen. Darüber hinaus wurde bei den Rauchern eine im Vergleich zu Nichtrauchern signifikant höhere Ausscheidung von AAMA und GAMA beobachtet, wobei die entsprechenden GAMA/AAMA-Verhältnisse bei Rauchern erniedrigt waren. Im Rahmen einer humanen Verzehrsstudie „Bedeutung der CYP450 2E1-Aktivität für die Toxikokinetik von Acrylamid beim Menschen“ wurden Addukte von Acrylamid und Glycidamid mit dem endständigen Valin des Hämoglobin bestimmt. Dabei wurde das Ausmaß der Addukt-Bildung bei 13 Probanden nach Aufnahme von ca. 1 mg Acrylamid über Kartoffel-Chips jeweils bei unbeeinflusster, gehemmter und induzierter CYP450 2E1-Aktivität untersucht. In der Referenzperiode ohne Komedikation wurde bei diesen Probanden ein Anstieg der AAVal-Gehalte um 8 ± 5 pmol/g Hb beobachtet. Ein im Vergleich zur R-Phase signifikant erhöhter AAVal-Anstieg (12 ± 5 pmol/g Hb) zeigte sich in der Testperiode T1, in der CYP450 2E1 durch Disulfiram gehemmt wurde. In der Testperiode T2, in der CYP450 2E1 durch eine Vorbehandlung mit Ethanol induziert wurde, wiesen die AAVal-Gehalte einen mit der R-Phase vergleichbaren Anstieg um 9 ± 5 pmol/g Hb auf. Für GAVal hingegen konnten aufgrund der größeren Messwertschwankungen keine signifikanten Veränderungen in der Testperiode T1 bzw. T2 im Vergleich zur Referenzperiode festgestellt werden. Darüber hinaus wurde bei 3 Probanden der zeitliche Verlauf der AAVal-Bildung in den jeweiligen Testperioden über einen Zeitraum von 24 Stunden untersucht. Die maximale AAVal-Konzentration wurde bei den untersuchten Probanden im Zeitraum von 8-10 Stunden erreicht, wobei anschließend ein Plateau-förmiger Verlauf der Bildungskurven beobachtet wurde.
2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin (TCDD) wurde im Jahr 1997 von der International Agency for Research on Cancer als Gruppe 1 Kanzerogen eingestuft, obwohl die molekularen Mechanismen der kanzerogenen Wirkung von TCDD bislang nicht vollständig geklärt werden konnten. TCDD zeigte im Tierversuch ein erhöhtes hepatokarzinogenes Potential an Ratten, und im Initiations-Promotions-Modell in der Rattenleber konnte TCDD eine starke tumorpromovierende Wirkung zugeschrieben werden. Eine Reihe von Studien zeigten sowohl in vivo als auch in vitro in unterschiedlichen Zellsystemen eine Hemmung des durch verschiedene Stimuli induzierten programmierten Zelltodes, der Apoptose durch TCDD. Diese antiapoptotische Wirkung wird als ein möglicher Mechanismus für die Tumorpromotion von TCDD diskutiert. In der vorliegenden Arbeit sollte der Mechanimus der Apoptose-Hemmung durch TCDD in Leberzellsystemen der Ratte und des Menschen untersucht werden. Außerdem sollte die Frage geklärt werden, ob die anti-apoptotische Wirkung dieses Fremdstoffes über den Arylhydrokarbon-Rezeptor (AhR) vermittelt wird. Die Aufklärung der bislang noch unbekannten molekularen Mechanismen der TCDDvermittelten Kanzerogenese könnte die Risikobewertung einer TCDD-Exposition des Menschen auf eine erheblich solidere Basis stellen als bisher. Es konnte sowohl in primären Rattenhepatozyten als auch in der humanen Hepatomzelllinie Huh-7 bestätigt werden, dass TCDD die durch UVC-Licht induzierte Apoptose hemmt. Dies wurde auf Ebene der DNS-Fragmentierung und an Hand morphologischer Veränderungen des Zellkerns gezeigt. In den Primärhepatozyten war der anti-apoptotische Effekt von TCDD abhängig von einer Aktivierung des AhR. Die Apoptose durch die beiden Proteinbiosynthese-Inhibitoren Ochratoxin A und Cycloheximid wurde im Gegensatz zur UVC-Licht-induzierten Apoptose nicht durch TCDD gehemmt. Dies lässt den Schluss zu, dass eventuell die Neusynthese eines durch den AhR induzierten Proteins für die Hemmung der Apoptose in diesen Zellen nötig ist. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass entgegen früherer Studien, eine Hemmung der Aktivität des Tumorsuppressors p53 vermutlich nicht für die Apoptosehemmung durch TCDD verantwortlich ist. TCDD-bedingte Änderungen in der Expression von an der Apoptose beteiligten Genen ließen die Vermutung zu, dass diese Substanz zu einer Aktivierung des anti226 apoptotischen Transkriptionsfaktors NF-κB führt. Dies würde letztendlich zu einer Hemmung der Caspase-abhängigen Apoptosewege führen. Es konnte dennoch keine Wirkung des Fremdstoffes auf die Charakteristiken der durch UVC-Licht induzierten Caspasen-abhängigen Apoptose beobachtet werden. Weder wurden die proteolytische Aktivierung, noch die katalytische Aktivität von Caspasen oder die Spaltung von Caspasensubstraten durch TCDD moduliert. Daher wurde angenommen, dass TCDD im Signalweg der Apoptose zwischen der Caspasenaktivität und der apoptotischen DNS-Fragmentierung wirken müsste. Auf Grund dieser Hypothese wurde der Einfluss der Testsubstanz auf die Charakteristiken apoptotischer Nukleasen untersucht. Weder konnte eine verringerte Proteinmenge an Endonuklease G oder Caspase-aktivierter DNase (CAD) festgestellt werden, noch wurde die Aktivität rekombinant exprimierter CAD durch TCDD moduliert. In isolierten Zellkernen primärer Rattenhepatozyten konnte eine intrinsische Nukleaseaktivität identifiziert werden, die Calcium- und Magnesium-abhängig war und vermutlich durch nicht-physiologische Konzentrationen an monovalenten Ionen aktiviert wird. TCDD besaß eine hemmende Wirkung auf diese Nukleaseaktivität. Es erscheint plausibel, dass TCDD die apoptotische DNS-Fragmentierung über einen bisher unbekannten, AhR-abhängigen Mechanismus hemmt, und damit trotz einer Initiation der Apotpose die Integrität der DNS aufrecht erhält, um der Zelle die Möglichkeit zur Entgiftung von Aktivatoren des Fremdstoffmetabolismus zu geben. Diese Zellen könnten sich nach Entzug des pro-apoptotischen Stimulus letztendlich wieder erholen. Da solche Zellen DNS-Schäden tragen können, durch die sie unter normalen Umständen in die Apoptose getrieben worden wären, könnte dieser Mechanismus schließlich eine Rolle in der Tumorpromotion durch TCDD und verwandte Verbindungen spielen.