Kaiserslautern - Fachbereich Chemie
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Faculty / Organisational entity
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.
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.
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.
Die Zielsetzung dieser Arbeit bestand in der Entwicklung effizienter und nachhaltiger Verfahren zur Addition von N-H Nukleophilen an terminale Alkine und für die Insertion von CO2 in die C-H Bindung terminaler Alkine.
Im ersten Teil dieser Dissertation wurde der Mechanismus der Ruthenium-katalysierten Addition von Amiden an terminale Alkine eingehend durch eine Kombination von Kontrollexperimenten, kinetischen Studien, spektroskopischen Untersuchungen und theoretischen Berechnungen untersucht. Zunächst wurden vier literaturbekannte Katalysezyklen identifiziert, die plausible Mechanismen für die Hydroamidierung terminaler Alkine darstellen. Aufbauend auf nachgewiesenen Elementarschritten chemisch verwandter Reaktionen wurde zusätzlich ein weiterer Mechanismus für die Hydroamidierung abgeleitet. Anschließend wurde eine Reihe von Kontrollexperimenten durchgeführt, mit deren Hilfe einzelne Elementarschritte der Katalysezyklen falsifiziert und somit Mechanismen ausgeschlossen werden konnten. Um herauszufinden, ob die Hydroamidierung mit dem einzig verbliebenen Mechanismus zutreffend beschrieben werden kann, wurden spektroskopische Studien durchgeführt. Diese Untersuchungen wurden vor, während und nach Hydroamidierungstestreaktionen durchgeführt, und auf diese Weise konnten zahlreiche postulierte Intermediate nachgewiesen und der verbleibende Katalysezyklus bekräftigt werden. Die in diesen mechanistischen Studien gewonnenen Erkenntnisse wurden zur Entwicklung einer neuen Katalysatorgeneration mit ausgesprochen hoher Selektivität für die Bildung wertvoller Z-Enamide und Z-Enimide genutzt. Das synthetische Potential wurde zudem durch die Darstellung der biologisch aktiven Naturstoffe Lansiumamid A und B, Lansamid I sowie Botryllamid C und E demonstriert.
Im zweiten Teil dieser Arbeit gelang es, hocheffiziente Silber(I)/DMSO-katalysierte Methoden zur Carboxylierung terminaler Alkine mit CO2 bei Normaldruck zu entwickeln.
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.
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.
In this study, two outstanding subgroups of organic-inorganic hybrid materials have been investigated. The first part covers the design, synthesis, characterization and application of seven novel Metal Organic Frameworks (MOFs) containing functionalized biphenyl dicarboxylates as linkers. In the second part, the surface modification of the metal oxides ZrO2, TiO2 and Al2O3 using phosphonate derivates is reported.
Firstly three functionalized MOF structures; ZnBrBPDC, ZnNO2BPDC and ZnNH2BPDC were synthesised using 4,4´-biphenyldicarboxylic acid derivatives with different functional groups (-Br, -NO2, -NH2) Powder X-ray diffraction (PXRD) measurements indicated that the synthesised MOFs posses the interpenetrated IRMOF-9 structure with a cubic topology, which was also confirmed with single crystal X-ray measurements. The chemical structure of the MOF materials was further proved by solid state NMR and IR measurements. N2 adsorption measurements showed Type I isotherms for all three structures with large surface areas. TGA measurements of the evacuated samples were in good agreement with the elemental analysis data. The results proved that their thermal stability is between 325 °C - 450 °C.
Adsorption properties of these MOF structures were tested using light alkanes (CH4, C2H6, C3H8, and n-C4H10) at three different temperatures. For all adsorbents, the maximum uptakes were observed at 273 K. When the temperature was increased, the amount of the adsorbed gas decreased. All three MOFs showed strong affinities for n-butane. The lowest uptakes were observed for CH4.
The effect of functional groups on the IRMOF series was also examined by synthesizing amide functionalized biphenyl linkers. For this purpose, four different linkers containing amides with different alkyl chains (C1-C4) were synthesized and used for the synthesis of four new MOF structures ZnAcBPDC, ZnPrBPDC, ZnBuBPDC and ZnPeBPDC.
PXRD measurements of ZnAcBPDC indicated that the structure contains two different phases. PXRD patterns of ZnPrBPDC, ZnBuBPDC and ZnPeBPDC revealed non-interpenetrated structures which were further proved by single crystal X-ray measurements. The chemical structure of the MOF materials was further confirmed by X-ray spectoscopy, solid state NMR and IR measurements.
N2 adsorption measurements of the MOF structures were carried out using different activation methods. For all four MOFs, Type I isotherms were obtained. ZnAcBPDC showed the highest BET surface area. ZnAcBPDC and ZnBuBPDC were tested for their alkane, alkene and CO2 adsorption capacities.
In the second part of the work, the surface modification of three different metal oxides, ZrO2, TiO2 and Al2O3 was performed. For this purpose firstly three different fluorescent phosphonate derivatives containing thiophene units were synthesized from their halo derivatives in a four step synthesis and then used as coupling molecules for the surface modification. Nine different surfaces were obtained (38@TiO2, 39@TiO2, 40@TiO2, 38@Al2O3, 39@Al2O3, 40@Al2O3, 38@ZrO2, 39@ZrO2, 40@ZrO2).
All three modified metal oxide surfaces were characterized using elemental analysis, solid state NMR and IR spectroscopy. The BET surface areas of the materials were determined by N2 adsorption measurements. TGA was used to determine the stability of the surfaces. Maximum loadings were obtained for ZrO2 surfaces.
Due to the strong luminescence of the coupling molecules, the modified surfaces were checked for their light emission. All ZrO2 and Al2O3 surfaces showed fluorescence with exception of 40@Al2O3. On the other hand, for the modified TiO2 surfaces, no fluorescence could be observed.
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.
Im Rahmen der Doktorarbeit wurden neue decarboxylierende und carboxylierende Transformationen entwickelt. Die Entwicklung decarboxylierender Umsetzungen diente der näheren Untersuchung des Decarboxylierungsprozesses, um anschließend mit den entwickelten Katalysatorsystemen, gestützt durch das Prinzip der mikroskopischen Reversibilität, neue carboxylierende Reaktionen zu entwickeln. In diesen carboxylierenden Transformationen sollte direkt gasförmiges CO2 genutzt werden, um sich so seiner großen Verfügbarkeit zu profitieren. Dies ist in allen Projekten erfolgreich gelungen.