In den vergangenen Jahrzehnten haben sich periodisch strukturierte Organosilika (PMO) und metallorganische Netzwerke (MOFs) mit poröser Struktur als äußerst vielseitige Materialien mit interessanten physikalischen und chemischen Eigenschaften erwiesen. Neben ihrer Anwendung in der Katalyse und der Gasadsorption wurden verschiedene Hybridmaterialien in jüngerer Vergangenheit auch hinsichtlich Photoumineszenz, Energiekonversion und Halbleitereigenschaften untersucht. Die Bandbreite möglicher Applikationen reicht dabei von Sensoren über Beschichtungen und dekorative Keramiken bis hin zu elektronischen Bauteilen, wie etwa Transistoren (OFETs) und optischen Fasern (POFs). In der vorliegenden Arbeit werden auf Grundlage der bisher bekannten Forschung neue Ansätze zur Darstellung anorganisch-organischer Hybridmaterialien, insbesondere mikro- und mesoporöser Organosilika, vorgestellt. Ausgangspunkt für neuartige PMO und andere organisch modifizierte mesoporöse Silika vom MCM41- oder SBA-15-Typ ist die Synthese der hier erstmals präsenterten Organosilane, welche je nach Verwendungszweck über eine oder mehrere hydrolysierbare Trialkokysilylfunktionen verfügen. Während Alkylsiloxane mit Pyren, Acridon oder Dithien-2-ylphenothiazin als fluoreszierender Endgruppe über „klassische“ organische Synthesewege, wie z. B. die Knüpfung von Amid- und Sulfonamidfunktionen dargestellt werden, lassen sich komplex funktionalisierte Arylsiloxane nicht über die sonst übliche Grignard-Reaktion erhalten. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine dreistufige Reaktionssequenz vorgestellt, mit deren Hilfe stark fluoreszierende, arylenverbrückte Trimethoysilylthiophene in sehr guten bis quantitativen Ausbeuten zugänglich sind. Den ersten Schritt bei der Darstellung der Zielmoleküle bildet die sehr schnelle und effiziente Suzuki- Myaura-Kupplung der Aryliodide oder -bromide mit Thiophen-2-boronsäure in basischen Alkohol/Wasser-Gemischen. Dieser C-C-Verknüpfung folgt die Wohl-Ziegler-Halogenierung der Thienylreste in der C-H-aziden 5-Position mittels N-Brom- oder N-Iodsuccinimid. Die abschließende, Pd(0)-vermittelte Bildung von C-Si-Bindungen, welche bei Einsatz eines Buchwald-Hartwig-Liganden sehr selektiv das gewünschte Arylsiloxan liefert, ermöglicht letztlich die problemlose Aufarbeitung der hydrolyseempfindlichen Produkte. Sowohl bei Verwendung der pyrenhaltigen Organosilane als auch mit den thiophenhaltigen Vorstufen lassen sich in templat-gesteuerten Sol-Gel-Ansätzen keine mesoporösen Materialien erhalten. Ursache dafür ist in den meisten Fällen vermutlich die Aggregationsneigung der recht großen aromatischen Chromophore und ihre damit verbundene schlechte Wasserlöslichkeit. Im Falle der thiophensubstituierten Arene wurde zudem im alkalischen Medium die von Inagaki et al. vorhergesagte Protodesilylierung des Chromophors zum reduzierten Aromaten gefunden. Durch Umesterung der Thienylsiloxane in Triethylenglykol-Monomethylether (TGM) lassen sich jedoch mit Wasser sehr gut mischbare Stammlösungen der Chromophore erzeugen. Mit Hilfe dieser Lösungen sind in niedriger Verdünnung zwar ebenfalls keine geordneten Organosilika zugänglich, allerdings wurden in einer Eintopfreaktion unter Säurekatalyse transparente Xerogele dargestellt, die selbst bei minimalen Farbstoffkonzentrationen von ca. 6 • 10E-6 mol/g intensiv lumineszieren und spezifische BET-Oberflächen von bis zu 360 m2/g besitzen. Die Analyse der CIE-Farbkoordinaten der resultierenden Fluorogele wurde mit Hilfe ihrer Festkörper Fluoreszenzspektren durchgeführt und offenbart, dass die Darstellung nahezu „ideal“ weiß emittierender Organosilika durch Mischung verschieden emittierender Chromophore realisiert werden kann. Ein umgeestertes, silyliertes Derivat des 5,8-Dithien-2-yl-quinoxalins erweist sich zudem als eigenständig weiß photolumineszierendes Molekül, das Licht mit einer Farbtemperatur von ca. 5.500 K nahe der Schwarzkörper-Kurve emittiert. Die hierin vorgestellten amorphen Fluorogele sind insbesondere im Hinblick auf eine „Verglasung“ von Farbstoffen für Beleuchtungsanwendungen von Interesse. Im Gegensatz zu den geschilderten Versuchen zur Darstellung neuartiger PMOs verliefen sowohl die basenkatalysierte Darstellung eines Acridon-haltigen MCM-41-Derivates als auch die NH4F-abhängige Synthese eines phenothiazinhaltigen SBA-15-Analogons bei stark saurem pH erfolgreich. Beide Materialien weisen sowohl hohe spezifische BET-Oberflächen als auch eine geordnete, hexagonale Porenstruktur auf und wurden unter anderem mit Hilfe von Röntgen-Pulverdiffraktometrie (XRD), N2-Physisorptionsmessungen (BET) und Festkörper Kernresonanzspektroskopie (MAS-NMR) charakterisiert. Mit Hilfe unterschiedlicher Additive können die Absorptions- sowie die Fluoreszenzeigenschaften dieser Festkörper reversibel oder irreversibel modifiziert werden. So lässt sich die intensive bläuliche Fluoreszenz des immobilisierten Acridonchromophors durch Komplexbildung der Carbonylfunktion mit stark lewis-aziden Metallsalzen wie Sc(III)- oder Bi(III)triflat bathochrom um Δλ = 20 nm ins Grünliche verschieben. Das phenothiazinhaltige Organokieselgel, in dessen Poren sowohl die Chromophore als auch organische Ammoniumspezies kovalent verankert sind, wird durch Behandlung NOBF4 quasi-reversibel oxidiert, wobei sich paramagnetische, stark farbige Radikalkationen innerhalb des Festkörpers ausbilden. Sowohl die Oxidation als auch die Rereduktion des Materials mit Hilfe von Ascorbinsäure wurden mittels Elektronenspinresonanz- (ESR), Infrarot- (ATR-IR) und Fluoreszenzspektroskopie verfolgt. Aus der Charakterisierung der organischen Chromophore sowie der darauf basierenden Hybridmaterialien ergeben sich Anknüpfungspunkte zu weiteren Verbindungsklassen und deren möglichen Anwendungen. Die zuvor beschriebenen Thienylhalogenide können mit Hilfe einer Heck-Carboalkoxylierung in die entsprechenden n-Alkylester überführt werden. Die Synthese der sich daraus ableitenden MOF-Linker sowie stark fluoreszierender Phosphonate für die Beschichtung von keramischen Oberflächen wurde in einem Kooperationsprojekt mit Frau Dr. E. Keceli bearbeitet und wird im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls beschrieben. Gleiches gilt für die Erforschung der Bandlücken verschiedener thienylierter Phenothiazine, welche als Modellverbindungen für die Entwicklung farbstoffhaltiger organischer UV-Solarzellen (UV-DSCs) dienen könnten. Die hierfür notwendigen Experimente sind Gegenstand einer laufenden Kooperation mit der AG Ziegler (Fachbereich Physik, TU Kaiserslautern). Künftiges Ziel dieser Forschung soll es sein, unter Berücksichtigung der in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse, sowohl Polymere auf Basis p-dotierter Phenothiazine als auch weitere Hybridsilika mit erhöhtem Farbstoffgehalt und verbesserter thermischer und mechanischer Stabilität zu entwicken. Bei der Materialsynthese sollte insbesondere der Einfluss von Parametern wie Präformationszeit, pH-Wert und der Natur der eingesetzten Sol-Gel-Vorstufen näher beleuchtet werden, um ggf. zu einem systematischen Verständnis der Strukturbildung der hierin vorgestellten Organosilika zu gelangen.
Carbonsäuren sind in einer breiten strukturellen Vielfalt aus natürlichen Quellen oder über präparative Wege zugänglich und stellen daher attraktive Ausgangsverbindungen für die Erforschung neuer Reaktionen dar. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Entwicklung nachhaltiger katalytischer Verfahren zur Erschließung neuer Einsatzmöglichkeiten von Carbonsäuren und deren Derivaten. Im Rahmen dieser Arbeit konnte ein rhodiumkatalysiertes Verfahren zur ortho-Acylierung von Carbonsäuren mit Carbonsäureanhydriden entwickelt werden, wodurch ein neuer Zugang zu 2-Acylbenzoesäuren geschaffen wurde. Durch die Kombination mit einem nachfolgenden Protodecarboxylierungsschritt ließen sich dadurch auch Arylketone mit einem definierten Substitutionsmuster synthetisieren. Mit der Weiterentwicklung dieses Verfahrens zu einer Eintopfmethode basierend auf einer C-H-Acylierung / Acylalisierung / Eliminierungskaskade wurde zusätzlich ein neuer Zugang zu 3-Alkylidenphthaliden eröffnet.
Eine alternative Darstellungsmöglichkeit von Arylketonen wurde durch die Entwicklung einer eisenkatalysierten decarboxylierenden Kreuzketonisierung von aromatischen mit aliphatischen Carbonsäuren erreicht. TEM- und STEM-Untersuchungen des Eisenkatalysators nach der Reaktion zeigten, dass dieses Verfahren auch zur Synthese von magnetischen Nanopartikeln genutzt werden kann. Die Weiterentwicklung dieses Verfahrens führte schließlich zu einer effizienten Synthesemethode für monodisperse Maghemit- und Ferrit-Nanokristalle ausgehend von elementaren Metallen.
Zuletzt wurde ein Verfahren zur Aktivierung von Carbonsäuren mittels Isomerisierung von Allylestern zu Enolestern entwickelt. Der dimere Palladium(I)komplex [Pd(μ-Br)P(tBu)3]2 wurde dabei erstmals als geeigneter Katalysator für Doppelbindungsmigrationen identifiziert. Katalysatorbeladungen von bis zu 0.25 mol% reichten bereits aus, um eine vollständige Umsetzung der Allylester zu Enolestern bei sehr milden Temperaturen von bis zu 25 °C zu ermöglichen. Als ein Beispiel für die breite Einsetzbarkeit von Enolestern wurden verzweigte Enolester über eine rhodiumkatalysierte asymmetrische Hydrierung in gesättigte chirale Ester mit hohem Enantiomerenüberschuss überführt. Zusätzlich wurden erste NMR-spektroskopische Untersuchungen und DFT-Berechnungen zur mechanistischen Aufklärung der katalytisch aktiven Spezies aus dem Pd(I)-Dimer angefertigt.
Die Klimaveränderung und die damit einhergehende verstärkte Fäulnisdynamik auf Trauben stellt eine Herausforderung für die nördlichen Weinbauregionen Europas dar. Daher wurde die vollautomatisch-optische Traubensortierung, eine innovative Verfahrenstechnik bei der Traubenverarbeitung, im zugrundeliegenden Projekt erstmals zur maschinellen Selektion fauler Beeren aus Hand- und Maschinenlesegut unter Praxisbedingungen in den Jahrgängen 2010 und 2011 eingesetzt. Hierzu wurden 15 Sortierversuche mit durchschnittlich zwei Tonnen Lesegut unterschiedlicher Rebsorten des Weinanbaugebietes Mosel mit unterschiedlichen Fäulnisarten und intensitäten durchgeführt, wobei Selektionsquoten bis zu 99 % erreicht wurden. Durch die Sortierung erfolgte eine Fraktionierung des Lesegutes in Saftvorlauf (aus geöffneten Beeren austretender Saft), Positivfraktion (gesunde Beeren) und Negativfraktion (faule Beeren), die im Vergleich zur unsortierten Kontrolle repräsentative Aussagen über den Fäulniseinfluss von Beeren auf die standardisiert verarbeiteten Moste und Weine lieferten.
Ziel dieser Arbeit war es, mittels vielseitiger analytischer und sensorischer Untersuchungen der einzelnen Fraktionen die vollautomatisch-optische Traubensortierung als Maßnahme zur Qualitätssicherung, -steigerung und -sicherheit der Moste und korrelierenden Weine zu bewerten. Im Rahmen der analytischen Untersuchungen wurden die Gehalte an Mykotoxinen, biogenen Aminen, Phenolen, Gluconsäure, Glycerin, organischen Säuren, Kationen, Schwefelbindungspartnern und Off-flavour-Verbindungen sowie das Mostgewicht bestimmt. Die notwendigen Methoden zur Bestimmung der Mykotoxine mittels HPLC-MS/MS sowie der phenolischen Verbindungen mittels HPLC-UV wurden entwickelt und validiert. Sensorisch wurden deskriptive sowie diskriminative Untersuchungen durchgeführt.
Die Ergebnisse der analytischen und sensorischen Untersuchungen aller Versuche zeigten, dass die Art und Entwicklung der auf Trauben auftretenden Fäulnis überwiegend zu qualitativ negativen Beeinflussungen der rebsortentypischen Weinstilistik führte. Die effiziente Selektion fäulnisbelasteter Beeren mittels vollautomatisch-optischer Traubensortierung und die hierdurch ermöglichte, individuelle Handhabung der einzelnen Sortierfraktionen tragen zur Sicherung, Steigerung und Sicherheit der Qualität von Weinen bei.
Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass diese Ergebnisse nur den Zustand zweier Jahrgänge widerspiegeln. Zukünftige Untersuchungen über mehrere Jahre sollten daher angestrebt werden, um die beobachteten Trends zu bestätigen.
Traubenerzeugende Betriebe fordern eine faire Bezahlung, bei der arbeitsintensive qualitätsfördernde Maßnahmen honoriert werden und nicht ausschließlich hohe Erträge den betriebswirtschaftlichen Erfolg garantieren. Traubenabnehmer andererseits fordern nicht nur die Einhaltung vertraglich festgelegter Erträge und Qualitäten, sondern benötigen auch eine möglichst genaue analytische Charakterisierung des Leseguts, auf deren Basis eine differenzierte Auszahlung begründet und objektiv vorgenommen werden kann. Gängige und vor Ort rasch bestimmbare Parameter, wie etwa der Zuckergehalt, sind als alleinige Qualitätsparameter jedoch nicht in der Lage, die gesamte Komplexität der Traubenqualität ausreichend wiederzugeben. Auch die häufig zum Einsatz kommende visuelle Einschätzung greift zu kurz, da Qualitäts- mindernde Veränderungen, wie etwa ein Wachstum von Botrytis cinerea bzw. Sekundärinfektanten, oftmals erst bei Ausbildung der Fruchtstände erkennbar werden. Die Infrarotspektroskopie wässriger Proben ist, unter anderem aufgrund der raschen Durchführung der entsprechenden Analysen, eine Technik, die geeignet scheint, für diese Problemstellung einen entsprechenden Lösungsansatz zu bieten.
Vorliegende Arbeit beschreibt die umfangreiche Erstellung und Validierung einer FT-MIR Kalibrierung auf Basis mehrerer Jahrgänge deutscher Trauben- und Mostproben. Dabei werden insbesondere jene Parameter, welche unmittelbare Aussagen über den Reife- und Gesundheitszustand des Untersuchungsmaterials erlauben, identifiziert, charakterisiert und validiert. Dargestellt wird die Kalibration von Minor- und Majorbestandteilen sowie nachfolgend die Validierung mit den jeweiligen Folgejahrgängen. Ein Abgleich der in verschiedenen Genossenschaften ermittelten analytischen Kenndaten mit rein visuell ermittelten Qualitätseinschätzungen zeigt die Plausibilität und Validität der FT-MIR Analysendaten, wie auch die Limitationen der optischen Qualitätseinschätzung, klar auf. Ebenso werden auch die regional sehr unterschiedlichen Anforderungen bzw. Charakteristika deutlich. Um mögliche Geräte- spezifische Unterschiede zwischen den vor-Ort Messungen der einzelnen Anwender der Technik evaluieren zu können, werden als Abschluss und finaler „Proof-of-Concept“ der vorliegenden Arbeit Kenndaten von entsprechenden Ringversuchen mehrerer Jahrgänge dargestellt und bewertet. Ergänzend werden die ermittelten Kenndaten mit Kenndaten der wissenschaftlich publizierten Literatur abgeglichen, um die Leistungsfähigkeit für relevante Analysenparameter der wichtigsten Traubeninhaltsstoffe, aber auch für Minorbestandteile, aufzuzeigen.
Das übergeordnete Ziel der Arbeit stellt eine nachhaltige Qualitätsverbesserung der resultierenden Weine durch Honorierung guter Qualitäten des Ausgangs- Leseguts dar. Um letztlich die Umsetzbarkeit dieses Zieles zu belegen werden Berechnungsmodelle zur Gestaltung möglicher alternativer Auszahlungsmodelle auf Basis realer Datensätze Süddeutscher Genossenschaften vorgestellt und evaluiert.
Polychlorinated dibenzo-p-dioxins, dibenzofurans, and polychlorinated biphenyls are persistent environmental pollutants which ubiquitously occur as complex mixtures and accumulate in the food and feed chain due to their high lipophilic properties. Of the 419 possible congeners, only 29 share a common mechanism of action and cause similar effects, the so called dioxin-like compounds. Dioxin-like compounds evoke a broad spectrum of biochemical and toxic responses, i.e. enzyme induction, dermal toxicity, hepatotoxicity, immunotoxicity, carcinogenicity as well as adverse effects on reproduction, development, and the endocrine system in laboratory animals and in humans. Most, if not all, of the aforementioned responses, are mediated by the aryl hydrocarbon receptor. In the present work, the elicited biochemical effects of a selection of dioxin-like compounds and the non dioxin-like PCB 153 were examined in mouse (in vivo) and in human liver cell models (in vitro). Emphasis was given to the main contributors to the total toxic equivalents in human blood and tissues TCDD, 1-PnCDD, 4-PnCDF, PCB 118, PCB 126, and PCB 156, which likewise contribute about 90 % to the dioxin-like activity in the human food chain.
Three mouse in vivo studies were carried out aiming to characterize the alterations in hepatic gene expression as well as the induction of hepatic xenobiotic metabolizing enzymes after single oral dose. Based on the results obtained from mouse 3-day and 14-day studies, the seven test compounds can be categorized into three classes; the ones which are 'pure' AhR ligands (TCDD, 1-PnCDD, 4-PnCDF, and PCB 126) or solely CAR inducers (PCB 153), and the ones which are AhR/CAR mixed-type inducers (PCB 118, PCB 156). Moreover, the analysis of hepatic gene expression patterns after a single oral dose of either TCDD or PCB 153 revealed that the altered genes fundamentally differed. Profiling of significantly altered genes led to the conclusion that changes in gene expression were associated with different signalling pathways, in fact by AhR and CAR.
For investigating the role of the AhR in mediating biological responses, several experimental approaches were carried out, such as the analysis of blood plasma metabolites in Ahr knockout and wild-type mice. Genotype specifics and similarities were determined by HPLC-MS/MS analysis. Several plasma metabolites could be identified in both genotypes, but also differences were detected. Furthermore, an in vivo experiment was performed aiming to characterize AhR-dependent and -independent effects in female Ahr knockout and wild-type mice. For this purpose, mice received a single oral dose of TCDD and were killed 96 h later. Microarray analysis of mouse livers revealed that although the Ahr gene was knocked out in Ahr-/- mice, the quantity of affected genes were in the same order of magnitude as for Ahr+/+ mice, but the pattern of altered genes distinctly differed. In addition, the relative liver weights of TCDD-treated Ahr+/+ mice were significantly increased which led to the conclusion, that TCDD induced the development of hepatic steatosis in female Ahr wild-type.
The performed in vitro experiments aimed to characterize the effects elicited by selected DLCs and PCB 153 in human liver cell models by the use of HepG2 cells and primary human hepatocytes. In general, primary human hepatocytes were less responsive than HepG2 cells. This was not only observed in EC values derived from EROD assay, but also regarding microarray analysis in terms of differently regulated genes. In vitro REPs gained from both liver cell models widely confirmed the current TEFs, but some deviations occurred. The comparison of the TCDD-altered genes in both human cell types revealed that only a considerably small number of genes was in common up regulated by both human liver cell models, such as the established AhR-regulated highly inducible cytochrome P450s 1A1, 1A2, and 1B1 as well as other AhR target genes. Although the overlap was rather small, the TCDD-induced genes could be consistently associated with the broad spectrum of established dioxin-related biological responses. The gene expression pattern in primary human hepatocytes after treatment with selected DLCs (TCDD, 1-PnCDD, 4-PnCDF, and PCB 126) and PCB 153 was additionally characterized by microarray analysis. The highest response in terms of significantly altered genes was determined for TCDD, followed by 4-PnCDF, 1-PnCDD, and PCB 126, whereas exposure to PCB 153 did not evoke any significant changes in gene expression. The pattern of significantly altered genes was very homogenous among the four congeners. Genes associated with well-established DLC-related biological responses as well as novel dioxin-inducible target genes were identified, whereby an extensive overlap in terms of up regulated genes by all four DLCs occurred. In conclusion, the results from the in vitro experiments performed in primary human hepatocytes provided fundamental insight into the congeners' potencies and caused alterations in gene expression patterns. The obtained findings implicate that although the extent of enzyme inducibilities varied, the gene expression patterns are coincidental. Microarray analysis identified species-specific (mouse vs. human) as well as model-specific (in vitro vs. in vivo and transformed cells vs. untransformed cells) differences. In order to identify novel biomarkers for AhR activation due to treatment with dioxin-like compounds, five candidates were selected based on the microarray results i.e. ALDH3A1, TIPARP, HSD17B2, CD36, and AhRR. Eventually, ALDH3A1 turned out to be the most reliable and suitable marker for exposure to DLCs in both human liver cell models eliciting the highest mRNA inducibility among the five chosen candidates. In which way these species- and cell type-specific markers are involved in the dioxin-elicited toxic responses should be further characterized in vivo and in vitro.
The research presented in this PhD thesis is a contribution to the field of anion recognition in competitive aqueous solvent mixtures. Neutral anion receptors having a cage-type architecture have been developed on the basis of triply-linked bis(cyclopeptides) and their binding properties toward various inorganic anions have been studied.
The synthetic approaches chosen to assemble the targeted container molecules rely on dynamic chemistry under the template effects of anions such as sulfate and halides. As reversible reactions metal-ligand exchange and thiol-disulfide exchange were used. Disulfide exchange has previously provided singly- and doubly-linked bis(cyclopeptide) receptors whose anion affinities in 2:1 acetonitrile/water mixtures approached the nanomolar range. Metal-ligand interactions have so far not been used to assemble bis(cyclopeptides) in our group. The cyclopeptide building blocks required for both approaches, namely cyclic hexapeptides containing alternating 6-aminopicolinic acid and either (2S,4S)-4-cyanoproline or (2S,4S)-4-thioproline subunits could be synthesized successfully.
Self-assembly of the bis(cyclopeptide) held together by coordinative interactions has been attempted by treating the cyclopeptide trinitrile with square-planar palladium (II) complexes. The reaction was followed with different NMR spectroscopic techniques. Unfortunately, none of the experiments provides conclusive evidence that the targeted triply-linked cage was indeed formed.
Bis(cyclopeptides) containing three dithiol derived linkers between the cyclopeptide rings could be synthesizes successfully. Two complexes were isolated, albeit in small amounts, one containing linkers derived from 1,2-ethanedithiol and the other one from 1,3-benzenedithiol that contain a sulfate anion incorporated in the cavity between the cyclopeptide rings. Formation of triply-linked bis(cyclopeptides) containing different types of linkers could be achieved by performing the synthesis in the presence of different dithiols. Unfortunately, the two C3 symmetrical bis(cyclopeptides) containing a single linker type could not be isolated in analytically pure form so that only qualitative binding studies could be performed. Investigations in this context indicate extraordinary sulfate affinity for these bis(cyclopeptides). In particular, affinity of the receptor containing the 1,2-ethanedithiol linkers for sulfate anions is so high that is even able to dissolve barium sulfate under appropriate conditions and presumably exceeds the sulfate affinity of the doubly-linked bis(cyclopeptides). The sulfate anion present in the cavity of this bis(cyclopeptide) can be replaced by a large number of other anions, i.e. by selenate, perrhenate, nitrate, tetrafluoroborate, hexafluorophosphate and halides. None of these complexes proved to be as stable as the corresponding sulfate complex. In addition, 1H-NMR spectroscopic investigations provided information about the solution structure of the bis(cyclopeptide) anion complexes. Sulfate release from the cavity of the receptor is a slow process while exchange of other anions is significantly faster. Another interesting feature that has been observed for sulfate and selenate complexes of the 1,2-ethanedithiol-containing bis(cyclopeptide) is the very slow H/D rate with which protons on amide groups located inside the cavity of the cage are replaced by deuterium atoms in protic deuterated solvents. This effect in combination with the observation that the different deuterated bis(cyclopeptide) species exhibit individual amide NH signals in the 1H-NMR spectrum are indicative for well defined complex geometries with strong hydrogen-bonding interactions between the anion and the amide NH groups of the receptor. Following the H/D exchange rate in the presence of various salts indicated that anion exchange proceeds via the dissociated complex and not by direct replacement of one anion by another one.
Die aerobe Cobalt-katalysierte Oxidation von Alkenolen ist eine zweistufige Reaktionssequenz,
die zum stereoselektiven Aufbau funktionalisierter Tetrahydrofurane genutzt
werden kann. Im ersten, katalytisch verlaufenden Teil der Reaktion werden 4-Pentenole
mit Hilfe von Luftsauerstoff und β-Diketonat-abgeleiteten Cobalt(II)-Komplexen mit hoher
Diastereoselektivität in nucleophile Tetrahydrofurylmethyl-Radikale überführt. Diese
können im zweiten Teil der Reaktion mit einer Reihe von Reagenzien abgefangen werden:
Durch radikalische Addition an Akzeptor-substituierte Olefine und anschließenden H-Atom-Transfer können Seitenketten-funktionalisierte Tetrahydrofurane in Ausbeuten bis 67% erhalten werden, wobei die durch direkte H-Atom-Übertragung gebildeten reduktiv terminierten Tetrahydrofurane als Nebenprodukte gebildet werden. Anhand der Produktverhältnisse konnten relative Geschwindigkeitsfaktoren bestimmt werden, die den Radikal-Charakter der Zwischenstufe bestätigen. Im Gegensatz zu klassischen Radikalreaktionen verläuft auch die Addition an Alkine mit ausreichend hoher Geschwindigkeit um Tetrahydrofurane mit ungesättigter Seitenkette in synthetisch sinnvollen Ausbeuten darzustellen. Diese Eigenschaft konnte zum Aufbau eines diastereomerenreinen Bistetrahydrofurans in einer Kaskade von zwei Cyclisierungen genutzt werden.
Durch radikalische Substitution an Disulfiden können in Cobalt-katalysierten Oxidationen Alkylsufanyl-funktionalisierte Tetrahydrofurane aufgebaut werden, ohne dass die so gebildeten Thioether selbst zu Sulfoxiden und Sulfonen oxidiert werden. Die Einführung der Methylsulfanyl-Gruppe konkurriert dabei mit der direkten H-Atom-
Übertragung und eröffnete so die Möglichkeit aus einer Reihe konkurrenzkinetischer
Experimente die Geschwindigkeitskonstante für die Übertragung der Methylsulfanyl-
Gruppe zu ermitteln. Die Methode ermöglichte die Vereinfachung und Verbesserung der Synthese eines Wirkstoff-Derivats sowie die Darstellung eines 2,6- trans-konfigurierten Tetrahydropyrans.
Darauf aufbauend wurde eine generelle Methode zum Aufbau von Tetrahydropyranen ausgehend von Hexenolen entwickelt, die die hohe Diastereoselektivität, die bei der Cyclisierung von Pentenolen beaobachtet wird, beibehält. Es wurde ein stereochemisches Modell für die Cyclisierung abgeleitet, das die beobachteten Selektivitäten erklärt und Voraussagen zu noch nicht getesteten Substraten ermöglicht. Mit der Synthese von nichtcyclischen Ethern ausgehend von Alkoholen und Alkenen konnte gezeigt werden, dass der Mechanismus der aeroben Cobalt-katalysierten Oxidation über die Synthese von Tetrahydrofuranen und Tetrahydropyranen hinaus anwendbar ist und für die Erforschung weiterer Transformationen unter veränderten Reaktionsbedingungen bereit steht.
Organophosph(on)ate sind die Ester der Phosphor- und Phosphonsäure und sind z.B. als Bausteine der DNA und Zellmembranen aufzufinden. Für einige künstlich hergestellte Organophosph(on)ate sind jedoch sehr hohe Toxizitäten beschrieben. Diese in der Klasse der neurotoxischen Organophosph(on)ate (NOP) zusammengefassten Verbindungen beinhalten Insektizide und chemische Kampfstoffe. Obwohl NOPs inzwischen in den meisten Ländern verboten sind, kommt es jedes Jahr zu zahlreichen Todesfällen. Die Toxizität, die auf die irreversible Inhibierung der Acetylcholinesterase (AChE) zurückzuführen ist, wird in der aktuellen Therapie durch die Gabe von Reaktivatoren aufgehoben. Mit dieser Therapie sind jedoch einige Nachteile verbunden.
Meine Dissertation hatte das Ziel, neue, auf Cyclodextrinen basierte Scavenger zu entwickeln, die in der Lage sind, ein NOP zu entgiften, bevor es mit der AChE reagieren kann. In diesem Rahmen wurde ein breit angelegtes Screening durchgeführt und 69 potentielle Scavenger synthetisiert und bezüglich ihrer Wirkung auf den NOP-Abbau untersucht. Während die untersuchten N- und O-Nucleophile keine Aktivität auf den Abbau von drei repräsentativen NOPs, Cyclosarin (GF), Tabun (GA) und VX, zeigten, wurden für α-Effekt-Nucleophile z.T. hohe Aktivitäten beobachtet.
β-Cyclodextrin, das mit Pyridiniumoximatgruppen modifiziert ist, war besonders effizient gegenüber GF. In weitergehenden quantitativen Untersuchungen konnte zudem festgestellt werden, dass der Abbau von GF in Gegenwart dieser Verbindung enantioselektiv verläuft. Dies ist ein klarer Hinweis darauf, dass das Cyclodextrin, vermutlich durch Einlagerung des Cyclohexylrests von GF für die Wirkungsweise des Scavengers von Bedeutung ist. Solche Pyridiniumoximate beschleunigten auch den Abbau von GA. Eine chirale Induktion des Cyclodextrinrings konnte in diesem Fall aber nicht festgestellt werden, was sehr wahrscheinlich auf die fehlende Wechselwirkung des GA mit dem Cyclodextrinring zurückzuführen ist.
Cyclodextrine, die Hydroxamsäuregruppen entlang der Kavität enthalten, sind ebenfalls in der Lage, GA abzubauen. Bei diesen Untersuchungen zeigte sich, dass die Aktivität des Scavengers mit der Anzahl an reaktiven Einheiten entlang der Cyclodextrinkavität steigt. Mit Hydroxamsäure modifizierte Cyclodextrine zeigten erstmals auch Aktivität im Abbau von VX. Mit Halbwertszeiten von fast drei Stunden ist der Abbau noch zu langsam für einen in vivo Einsatz, jedoch stellen diese Verbindungen sehr vielversprechende Leitstrukturen für weitere Arbeiten in diesem Gebiet dar.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung neuartiger Anionenrezeptoren auf Basis von Cyclopeptiden und Bis(cyclopeptiden). Besonderer Augenmerk sollte hierbei auch auf der Verbesserung der synthetischen Zugänglichkeit dieser Rezeptoren liegen.
Gemeinsamer Baustein der verwendeten Cyclopeptide sind Dipeptide aus Boc-L-Hydroxy-prolin und geschützten Aminopicolinsäureuntereinheiten. Konventionell wird deren Synthese durch Einsatz von Kupplungsreagenzien realisiert. Aufgrund der Elektronenarmut der Amino-picolinsäureeinheit muss hierbei PyCloP als Kupplungsreagenz eingesetzt werden, welches vergleichsweise teuer ist. Außerdem kann es bei dieser Reaktionsführung zur Epimerisierung der chiralen Aminosäure kommen, so dass bei dieser Reaktion Optimierungsbedarf besteht. Durch Anwendung der Goldberg-Amidierung konnte ich die Effizienz der Dipeptidsynthese durch Einsatz günstiger Reagenzien sowie kommerziell erhältlicher Edukte steigern. Außerdem besteht bei dieser Reaktion keine Gefahr der Racemisierung.
In meiner Arbeit beschäftigte ich mich darüber hinaus mit der Synthese einer molekularen Kapsel auf Basis thiol-haltiger Cyclopeptide. Dieses dreifach verbrückte Bis(cyclopeptid) wird dabei mit Hilfe der dynamischen kombinatorischen Chemie unter Verwendung des Disulfidaustausches als reversibler Reaktion synthetisiert. Mir ist es gelungen, durch systematische Optimierung der Reaktionsbedingungen die Produktbildung positiv zu beeinflussen und die Aufarbeitung zu vereinfachen. Allerdings kam es bei der Isolierung des Bis(cyclopeptids) zu einer Oxidation der Disulfidbrücken, so dass das Produkt nicht analysenrein erhalten werden konnte.
Während meiner Arbeiten ist es mir ebenfalls gelungen, einen Zugang zu funktionalisierten Cyclopeptiden zu entwickeln. Dabei zeigte sich, dass die Einführung von Substituenten in den Prolineinheiten nach Aufbau des Cyclopeptids erfolgen muss. Das so erhaltene Cyclopeptid mit drei β-Alanin-Seitenketten trägt Ammoniumgruppen in der Peripherie. Mit Hilfe von pH-abhängigen potentiometrischen Titrationen konnten drei Protonierungskonstanten ermittelt werden. Diese zeigen, dass bei pH 7 immer noch 95 % der Moleküle vollständig protoniert sind. Dieses Cyclopeptid zeigte bezüglich der Anionenbindung einzigartige Eigenschaften So bindet es in gepufferten wässrigen Medien Sulfatanionen mit hoher Affinität, was mittels Massenspektrometrie, NMR-Spektroskopie und isothermer Titrationskalorimetrie nach-gewiesen werden konnte. Die Sulfatbindung konnte darüber hinaus nicht nur in Essigsäure-/Acetat-Puffer sondern auch in reinem Phosphat-Puffer bei verschiedenen pH-Werten nachgewiesen werden. Damit wurde mit diesem Cyclopeptid ein effizienter Sulfatrezeptor entwickelt, der selektiv Sulfatanionen in Wasser zu binden vermag. Es zeigte sich, dass die Kombination der Anionenbindungsstelle des Cyclopeptids mit peripheren funktionellen Gruppen, die sich spezifisch an der Gastbindung beteiligen, eine geeignete Strategie darstellt, die Löslichkeits- und Bindungseigenschaften solcher Cyclopeptide gezielt zu verbessern.
This thesis reports on investigations on the structure and reactivity of dipeptide-alkali metal complexes, a series of ruthenium bearing catalysts, dysprosium based single molecule magnets and organometallic di-cobalt complexes. A variety of experimental and theoretical methods was used dependent on the problem: collision induced dissociation, hydrogen/deuterium exchange reactions, gas phase reactions with \(D_2\), infrared multiple-photon dissociation and the determination of minimum energy structures, IR absorption spectra, transition states and electronic transitions based on density functional theory.
A case study was carried out to explore the influence of alkali metal ions on the gas phase structure of the dipeptide Carnosine. CID experiments on protonated Carnosine and its alkali metal complexes in an ion trap resulted in different fragment pathways dependent on the size of the alkali metal. The complexation of small ions (\(Li^+\) and \(Na^+\)) promoted the cleavage of bonds in the molecules backbone under CID, while \(Rb^+\)- and \(Cs^+\)-Carnosine complexes underwent the exclusive loss of the alkali metal. CID breakdown curves reflected the different binding behavior of the alkali ions to Carnosine. Gas phase H/D exchange reactions with \(D_2O\) resulted in the exchange of several protons of the protonated dipeptide, while its alkali metal complexes underwent no exchange reactions. DFT derived energetical minimum isomers exhibited only charge solvated tridentate structures, whereas salt bridge as well as charge solvated binding motives are reported in literature on complexes of alkali metal ions and oligopeptides. This study was published in a similar version as a paper in Zeitschrift für Physikalische Chemie.
A combination of the four dipeptides Carnosine, Anserine, GlyHis and HisGly with alkali metal ions was investigated with the help of CID, IR-MPD spectroscopy and H/D exchange reactions with \(ND_3\). The aim of the survey was to elucidate the influence of the methyl-group at the histidine ring, of the peptide sequence and chain length on the binding motives of the alkali ions. The experimental results were compared to DFT derived minimum energetical isomers. A moderate accordance was found for DFT predicted IR absorptions to IR-MPD spectra. A systematic nomenclature was developed reflecting all binding motives of the four dipeptides to alkali ions. Carnosine complexes all alkali metal ions in an uniform motive. DFT derived energetical minimum isomers of the three other dipeptides showed strong conformational changes with increasing size of the alkali ion. The most favored binding motive of all peptides was the tridentate complexation of the alkali ion by a carboxylic and an amidic oxygen atom, while the electron donating nitrogen atom either belongs to the Histidine ring or the amine group. The ability to form hydrogen bonds in a certain binding motive is essential for the preference of the Histidine or amine nitrogen atom as an electron donor. The charge solvated binding motive is the most common within all found isomers. Several structures exhibited hydrogen bonded protons. Those can be interpretated as intermediates between the charge solvated and the salt bridge binding motive. CID breakdown curves of the cationic complexes of the dipeptides with \(K^+\), \(Rb^+\) and \(Cs^+\) resulted in a fair agreement of \(E^{50\%}_{com}\) values with DFT derived Gibbs free binding energies. CID led to multiple fragments of the \(Li^+\) and \(Na^+\) dipeptide complexes and to an insufficient correlation between the \(E^{50\%}_{com}\) values and metal-dipeptide free binding enthalpies. Gas phase H/D exchange reactions of the protonated dipeptides with \(ND_3\) resulted in the exchange of all labile protons with comparable relative partial rate constants. The assumption of coexisting single and double exchange reactions per single collision led to an enhancement in quality of the pseudo first order kinetic fits of the experimental derived data. The \(Li^+\), \(Na^+\) and \(K^+\) complexes of the dipeptides exhibited a reduction in the number of exchanged protons, significantly lower rate constants for H/D exchange and only single exchange reactions.
The complexation of the doubly charged cationic transition metal \(Zn^{2+}\) by deprotonated Carnosine led to crucial conformational changes with respect to the alkali metal complexes. Former DFT calculations on the gas phase structure of \([Carn-H,Zn^{II}]^+\) were now compared to IR-MPD spectra. IR-MPD spectra exhibited several of the DFT predicted IR absorptions while the overall agreement in the position of bands is only partially satisfactory. The complex \([Carn-H,Zn^{II}]^+\) was furthermore used in order to study the band dependent enhancement of fragmentation efficiency by application of a resonant 2-color IR-MPD pump/probe scheme. In literature, it is assumed that the slopes of linear fits to the log-log scale of experimental data (fragmentation efficiency vs. laser pulse energy) correlate to the number of photons needed for fragmentation. No reasonable number of photons for the fragmentation of the molecule was derived with this approach. However, it could be shown that the number of photons of the pump laser needed for fragmentation is reduced by the use of a second IR color. The change of the delay between the pump and probe laser pulse had an influence on the shape of the absorption bands. Irradiation with the probe laser pulse before the pump laser caused a heating of the molecule which resulted in a broadening of bands. No broadening was observed when the probe laser was applied simultaneously or after the pump laser. CID and IR-MPD fragmentation channels differed in their relative abundance. Furthermore, relative abundancies of fragments were specific to the excited vibrational motions. This study provides essential approaches for the further study of the mechanism of resonant 2-color IR-MPD spectroscopy.
Several ruthenium catalysts for transfer hydrogenation reactions were synthesized by L. Ghoochany (research group W. Thiel, TU Kaiserlautern). CID measurements on isotopic labeled species led to the following conclusion about the activation process of the catalyst: a nitrogen-ruthenium bond is broken, the pyrimidine ring of the substituted 2-R-4-(2-pyridinyl)pyrimidine ligand rotates about 160° and a carbon-ruthenium bond is formed under subsequent loss of a HCl (or DCl) molecule. The mass spectrometers CID amplitude was calibrated with a set of “thermometer ions”. CID breakdown curves were used for determination of \(E^{50\%}_{com}\) values of three differently substituted catalysts. Finally, activation energies were estimated by means of the calibration. The resulting activation energies showed a qualitative correlation to DFT derived activation energies. These results are part of a manuscript which was submitted to Chemistry – A European Journal and is currently in the review process. Further studies on this series of transition metal complexes included CID on ligand exchanged species, 1- and 2-color IR-MPD spectroscopy, gas phase reactions with \(D_2\) and DFT based modeling of the reaction coordinate of the \(D_2\) insertion. The exchange of the anionic chlorido ligand in solution led to three complexes with different fragmentation thresholds. CID derived activation amplitudes correspond well to the order predicted by the hard/soft acids/bases (HSAB) concept. 1-color IR-MPD experiments on two complexes showed only a few bands. Resonant 2-color IR-MPD increased the overall fragmentation efficiency and uncovered several dark bands. DFT derived IR absorption spectra correlate well to IR-MPD spectra while some bands are still not observable. Gas phase reactions with \(D_2\) showed an increase of the mass of the activated complex of +4 m/z. This was interpreted in terms of an incorporation of a \(D_2\) molecule under heterolytical cleavage of the \(D_2\) molecule and can be compared to a back reaction of the activation. The reaction coordinate of the \(D_2\) incorporation was modeled with DFT at the B3LYP/cc-pVTZ level of theory and different activation energies were derived dependent on the substituent. Reactions of three differently substituted complexes with \(D_2\) resulted in different relative partial rate constants. The comparison to rate constants derived from transition state theory showed a qualitative but not quantitative correlation to the experimental results. This study contributes to our ongoing work on the assignment and isolation of reaction intermediates in the gas phase.
A series of dysprosium based complexes was synthesized by A. Bhunia (research group P. W. Roesky, KIT) and studied within the collaborative research center SFB/TRR 88 “3MET”. We contributed to this work with ESI-MS, CID and experiments on H/D exchange reactions with \(ND_3\) in the gas phase. Those complexes consist of a central triple-charged dysprosium cation and two identical salen-type ligands which allow for a complexation of up to two transition metals. The monometallic dysprosium complex shows single molecule magnet (SMM) behavior in SQUID measurements, while the incorporation of two double-charged manganese cations leads to ferromagnetic behavior. The interaction of terminal amine groups with the manganese ions caused a hinderance of the exchange H/D exchange reaction with \(ND_3\) in the gas phase. Alternatively, the terminal amine groups of the monometallic dysprosium complex allow for the bond of two \(Ni^{2+}(tren)\) complexes. ESI-MS studies showed anionic as well as cationic complexes due to deprotonation or protonation in solution. CID studies led to fragmentation schemes which correlate quite well to the predicted structures of the complexes. These results are part of two publications in Inorganic Chemistry and Dalton Transactions. Further studies on this series of mono-, di- and trimetallic complexes are reported in this thesis. H/D exchange reactions with \(D_2O\) in solution yielded in an exchange of all labile protons for the cationic complexes. Anionic complexes underwent a partial or a complete exchange of labile protons. A comparison of 1- and 2-color IR-MPD spectra of anionic and cationic complexes as well as H/D exchanged species allowed for the assignment of vibrational bands. Furthermore, preferred protonation sites were derived by comparing the results of IR-MPD experiments and H/D exchange reactions in solution and in the gas phase. This study contributes to our ongoing work on the determination of magnetic properties of isolated ions in the gas phase at the Helmholtz-Zentrum Berlin.
The complex \([(^4CpCo)_2(\mu-C_2Ph_2)]\) (\(^4Cp\) = tetraisopropyl-cyclopentadiene) was synthesized by J. Becker (research group H. Sitzmann, TU Kaiserslautern). The cationic complex and several reaction products were characterized by ESI-MS. Some of the experimental data contributed to the diploma thesis of J. Becker. The cationic reaction products and the complex itself were subject of IR spectroscopic characterization. IR-MPD efficiency changed crucially with modification of the complex, yielding \([(^4CpCo)_2(\mu-C_2Ph_2)X]^+ (X=H, (H+CH_3CN), Cl, O)\). The contribution of various fragmentation channels to the overall fragmentation efficiency was studied in detail. An increase of photon flux resulted in a saturation of preferred \(C_2Ph_2\) loss, additional alkyl fragments out of the \(^4Cp\) rings arising. Several absorption bands were found in the mid- and near-IR region. A model system from literature was used to identify seemingly levels of DFT theory by reference to X-ray crystal structure data. The B3LYP and the B97D functional with cc-pVDZ and Stuttgart 1997 ECP basis sets were identified for calculations of the complex \([(^4CpCo)_2(\mu-C_2Ph_2)]^+\) and of its reaction products. An elongation of the Co-Co bond distance was observed for the cationic reaction products with \(Cl^-\) and \(O^{2-}\). Calculations with B3LYP and B97D resulted in different electronic ground states. We did not obtain a good agreement of calculated vibrational modes and recorded IR-MPD spectra. DFT predicted more absorption bands than observed, especially those corresponding to aliphatic symmetric \(CH_n (n=2, 3)\) and aromatic CH stretch motions. Future 2-color IR-MPD experiments might resolve currently prevailing discrepancies. TD-DFT calculations yielded several electronic transitions that do not correspond to the IR-MPD spectra. The chosen levels of theory for DFT and TD-DFT calculations does not seem to be appropriate. IR-MPD spectra have to be remeasured in order to normalize the spectra to photon flux. Furthermore, a different strategy has to be developed for ab initio calculations on the complexes under study.
A combination of various methods applied to isolated ions in the gas phase and in solution allowed for the study of their structure, binding energies and reactivity. 1- and 2-color IR-MPD spectroscopy combined with DFT predicted absorption spectra of different isomers enabled an assignment of vibrational bands and binding motives of the molecules. The derived results are important for further studies on the binding behavior of peptides and the reaction behavior of metal complexes.
Anorganisch-organische Hybridmaterialien basierend auf photolumineszierenden Sol-Gel-Vorstufen
(2014)
