Im Rahmen dieser Arbeit wurden DFT Rechnungen zum mechanistischen Verständnis und zur rationalen Entwicklung homogenkatalytischer Reaktionen eingesetzt.
Im ersten Projekt konnten mit Hilfe von DFT Rechnungen effizientere Katalysatorsysteme für Protodecarboxylierungsreaktionen und decarboxylierende Kreuzkupplungen durch rationale Katalysatorentwicklung identifiziert werden. Hierzu wurde die Decarboxylierung von 2- und 4 Fluorbenzoesäure mit DFT Rechnungen untersucht. Zunächst sagten die Rechnungen keine deutlich erhöhten Reaktionsgeschwindigkeiten für Katalysatorsysteme bestehend aus Kupfer(I) und verschiedenen 4,7 disubstituierten 1,10 Phenanthrolinliganden voraus. Weitere Berechnungen prognostizierten hingegen stark erhöhte Effizienz für Silber-basierte Katalysatoren in der Decarboxylierung von ortho-substituierten Benzoesäuren. Tatsächlich konnte daraufhin für diese Carbonsäuren ein Katalysatorsystem bestehend aus AgOAc und K2CO3 in NMP entwickelt werden, welches die Protodecarboxylierung bereits bei 120 °C ermöglicht, 50 °C niedriger als die des Kupfer-basierten Systems.
Die Erkenntnisse ließen sich in der Arbeitsgruppe Gooßen weiterhin auf die decarboxylierende Kreuzkupplung übertragen. Es gelang die Entwicklung eines Ag/Pd-basierten Katalysatorsystems für die Biarylsynthese ausgehend von Benzoesäuren und Aryltriflaten bei Reaktionstemperaturen von nur 130 °C.
Im Folgenden war es möglich, durch den Einsatz von DFT Rechnungen den Reaktionsmechanismus der decarboxylierenden Kreuzkupplung aufzuklären und Voraussagen für ein effizienteres Cu/Pd-basiertes Katalysatorsystem zu treffen. Nachdem durch experimentelle Beobachtungen klar wurde, dass der Decarboxylierungsschritt nicht notwendigerweise geschwindigkeitsbestimmend sein muss, wurde der komplette Katalysezyklus der decarboxylierenden Kreuzkupplung eingehend mit Hilfe von DFT Rechnungen untersucht. In Abhängigkeit des Benzoats wurde die Decarboxylierung oder die Transmetallierung als geschwindigkeitsbestimmend identifiziert. Da in der Transmetallierung zunächst die Bildung eines bimetallischen Cu−Pd-Addukts erforderlich ist, wurde gefolgert, dass die Verwendung von verbrückenden, bidentaten Liganden die Reaktion begünstigen sollte. In der Tat konnte durch Einsatz eines P,N-Liganden eine Cu/Pd-katalysierte decarboxylierende Kreuzkupplung von aromatischen Carboxylaten mit Aryltriflaten bei nur 100 °C entwickelt werden, was einer Absenkung der Reaktionstemperatur um 50 °C entspricht.
Zukünftige Weiterentwicklungen der Cu/Pd-katalysierten decarboxylierenden Kreuzkupplung zielen auf die Überwindung der Beschränkung auf ortho-substituierte Benzoate und den Ersatz der teuren Aryltriflate durch günstigere Arylhalogenide. Arbeiten hierzu sind bereits im Gange.
Im zweiten Projekt wurde der Reaktionsmechanismus der Ruthenium-katalysierten Hydroamidierung terminaler Alkine eingehend untersucht. Nachdem durch Isotopen-markierungsexperimente, Bestimmungen von kinetischen Isotopeneffekten mittels in situ IR-Spektroskopie und verschiedene in situ NMR- sowie ESI-MS-Experimente drei von fünf potentiellen Reaktionsmechanismen ausgeschlossen werden konnten, erlaubten die experimentellen Ergebnisse die Eingrenzung auf einen der verbliebenen Katalysezyklen.
Mit Hilfe von DFT Rechnungen wurde daraufhin bestätigt, dass es sich bei den postulierten Intermediaten um stabile Minima handelt. Das Auftreten einer Ru–Hydrid–Vinylidenspezies lieferte die Erklärung, warum die Hydroamidierung auf terminale Alkine beschränkt ist. Der nukleophile Angriff des Amidliganden an das Vinylidenkohlenstoffatom erklärt die anti-Markovnikov-Selektivität der Reaktion. Nachdem Gooßen und Koley et al. in einer weiteren Untersuchung den Einfluss der Liganden auf die Stereoselektivität der Hydroamidierung aufklären konnten, ist nun der Grundstein für die zukünftige rationale Entwicklung effizienterer Hydroamidierungskatalysatoren gelegt.
Im dritten Projekt konnten Erkenntnisse zum Reaktionsmechanismus der Palladium-katalysierten Isomerisierung von Allylestern zu Enolestern und Hinweise auf die katalytisch aktive Spezies der Reaktion erlangt werden. Zunächst gelang mit dem homodinuklearen Palladiumkatalysator [Pd(μ Br)(PtBu3)]2 die Entwicklung einer effizienten Synthese zur Darstellung einer großen Bandbreite diverser Enolester. In 1 Position verzweigte Enolester dienten anschließend als Substrate für enantioselektive Hydrierungen zur Synthese enantiomerenreiner chiraler Ester.
Aufgrund experimenteller Beobachtungen, die nahelegten, dass ein Palladiumhydrid-Komplex die katalytisch aktive Spezies darstellt, wurde die Bildung verschiedener Palladiumhydrid-Spezies ausgehend vom homodinuklearen Palladiumkatalysator [Pd(μ Br)(PtBu3)]2 mit Hilfe von DFT Rechnungen untersucht. Hierbei konnte der Palladiumhydrid-Komplex [Pd(Br)(H)(PtBu3)] als die vermutlich katalytisch aktive Spezies identifiziert werden. Aufgrund seiner hohen Reaktivität konnten in in situ NMR-Experimenten lediglich ein oxidiertes Dimer und ein Abfangprodukt mit überschüssigem Tri-tert-butylphosphin nachgewiesen werden.
In zukünftigen Arbeiten soll durch kinetische Untersuchungen die Reaktionsordnung der Isomerisierung ermittelt werden. Dies soll dazu beitragen, Aufschluss darüber zu gewinnen, ob tatsächlich ein monometallischer oder ein bimetallischer Komplex die katalytisch aktive Spezies darstellt.
‘Dioxin-like’ (DL) compounds occur ubiquitously in the environment. Toxic responses associated with specific dibenzo-p-dioxins (PCDDs), dibenzofurans (PCDFs), and polychlorinated biphenyls (PCBs) include dermal toxicity, immunotoxicity, liver toxicity, carcinogenicity, as well as adverse effects on reproduction, development, and endocrine functions. Most, if not all of these effects are believed to be due to interaction of these compounds with the aryl hydrocarbon receptor (AhR).
With tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) as representatively most potent congener, a toxic equivalency factor (TEF) concept was employed, in which respective congeners were assigned to a certain TEF-value reflecting the compound’s toxicity relative to TCDD’s.
The EU-project ‘SYSTEQ’ aimed to develop, validate, and implement human systemic TEFs as indicators of toxicity for DL-congeners. Hence, the identification of novel quantifiable biomarkers of exposure was a major objective of the SYSTEQ project.
In order to approach to this objective, a mouse whole genome microarray analysis was applied using a set of seven individual congeners, termed the ‘core congeners’. These core congeners (TCDD, 1-PeCDD, 4-PeCDF, PCB 126, PCB 118, PCB 156, and the non dioxin-like PCB 153), which contribute to approximately 90% of toxic equivalents (TEQs) in the human food chain, were further tested in vivo as well as in vitro. The mouse whole genome microarray revealed a conserved list of differentially regulated genes and pathways associated with ‘dioxin-like’ effects.
A definite data-set of in vitro studies was supposed to function as a fundament for a probable establishment of novel TEFs. Thus, CYP1A induction measured by EROD activity, which represents a sensitive and yet best known marker for dioxin-like effects, was used to estimate potency and efficacy of selected congeners. For this study, primary rat hepatocytes and the rat hepatoma cell line H4IIE were used as well as the core congeners and an additional group of compounds of comparable relevance for the environment: 1,6-HxCDD, 1,4,6-HpCDD, TCDF, 1,4-HxCDF, 1,4,6-HpCDF, PCB 77, and PCB 105.
Besides, a human whole genome microarray experiment was applied in order to gain knowledge with respect to TCDD’s impact towards cells of the immune system. Hence, human primary blood mononuclear cells (PBMCs) were isolated from individuals and exposed to TCDD or to TCDD in combination with a stimulus (lipopolysaccharide (LPS), or phytohemagglutinin (PHA)). A few members of the AhR-gene batterie were found to be regulated, and minor data with respect to potential TCDD-mediated immunomodulatory effects were given. Still, obtained data in this regard was limited due to great inter-individual differences.
Der Arylhydrocarbon Rezeptor (AhR) ist ein Liganden-abhängiger Transkriptionsfaktor, der zur Familie der basic helix-loop-helix-Per-Arnt-Sim (bHLH-PAS) Proteine gehört. Am besten bekannt durch seine Rolle bei der Toxizität und Kanzerogenität von polychlorier-ten/polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, wurde er in diesem Zusammenhang weitestgehend untersucht. Auch wenn seine physiologische Rolle noch nicht eindeutig geklärt wurde, zeigen aktuelle Studien, dass der AhR in vielen anderen Bereichen wie Zellwachstum, –differenzierung und Apoptose, aber auch bei der Regulation des Immunsystems eine wichti-ge Rolle spielt.
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden Knochenmarkzellen adulter C57BL/6 Mäu-se isoliert und in Gegenwart von GM-CSF in vitro ausdifferenziert. Die adhärente Population konnte antigenpräsentierenden MHCII+ Zellen, mit dem Charakter CD11c+ dendritischer Zel-len und F4/80+ Makrophagen, zugeordnet werden. Nach Behandlung myeloider Zellen mit LPS, zeigten die gewonnenen Mediumüberstände in HepG2-Zellen eine signifikante und teil-weise AhR-abhängige CYP1A1-Induktion im EROD-Assay, aber auch eine signifikant erhöh-te CYP1A1-Genexpression. Gleichzeitig konnte durch die konditionierten Mediumüberstände myeloider Zellen eine Inhibition der TCDD-induzierten CYP1A1-Aktivität festgestellt wer-den. Ein Teil der inhibitorischen Wirkung konnte auf hohe Gehalte inflammatorischer Zyto-kine IL-1α, IL-1β, IL-6 und TNF-α in Mediumüberständen zurückgeführt werden. Diese Er-gebnisse deuten darauf hin, dass bei einer Infektion/Inflammation Immunzellen Substanzen sezernieren, welche die Aktivität des Arylhydrocarbon Rezeptors beeinflussen. Welche Ver-bindung(en) in Mediumüberständen LPS-stimulierter Zellen für die induktive Wirkung des CYP1A1 auf Enzym- und mRNA-Ebene verantwortlich ist/sind, bedarf weiterer Untersu-chungen.
Weiterhin wurde die Wirkung des bekannten AhR-Agonisten 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD), sowie des biologisch aktiven Vitamin D3-Metaboliten und physiologischen VDR-Liganden Calcitriol untersucht. Beide Substanzen zeigten modulierende Effekte auf Viabilität/Proliferation sowie Ausschüttung und Genexpression inflammatorischer Zytokine in myeloiden Zellen. Es konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass beide Verbindungen die Expression der AhR und VDR Targetgene Cyp1a1 und Cyp24a1 induzierten. Die Expression des Cyp1a1 stieg durch Behandlung myeloider Zellen mit Calcitriol in gleichem Maße an, wie durch Inkubation mit TCDD. Für Cyp24a1 ergab sich eine stark erhöhte Expression durch Calcitriol und eine wesentlich geringere, aber dennoch statistisch signifikant gesteigerte Ex-pression durch Inkubation mit TCDD. Nach Co-Inkubation mit beiden Substanzen konnte ein zeitabhängiger Synergismus bezüglich der Cyp1a1-Expression ermittelt werden. Für Cyp24a1 wurde durch Co-Inkubation mit TCDD und Calcitriol eine signifikante Verringerung der Ex-pression beobachtet. Ferner zeigte sich nach „Blockierung“ des Ah-Rezeptors durch seinen Antagonisten CH223191, zusätzlich zur Inhibition der Cyp1a1-Expression, auch eine statis-tisch hoch signifikante Hemmung der Cyp24a1-Expression. Die Ergebnisse deuten stark dar-auf hin, dass die Transkriptionsfaktoren AhR und VDR in einer Beziehung zueinander stehen und für die adäquate Funktion des jeweils anderen Rezeptors notwendig sind. Dieser Zusam-menhang liefert einen interessanten Ansatz für weiterführende Forschung und würde einen besseren Einblick in die physiologische Rolle des „Dioxin-Rezeptors“ AhR liefern.
Polychlorierte Dibenzo-p-dioxine wie 2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin (TCDD), die zur Stoffgruppe der polyhalogenierten Kohlenwasserstoffe gehören, sind lipophile und persistente Umweltkontaminanten. Sie entstehen als unerwünschte Verunreinigungen bzw. Begleitstoffe vor allem während Verbrennungsprozessen organischer Materialien wie Holz oder Müll, im Tabakrauch sowie als Nebenprodukt chlororganischer Synthesen. Aufgrund ihrer hohen Lipophile reichern sie sich in der Nahrungskette an. Dioxine wie TCDD verursachen eine Vielzahl von biochemischen und toxischen Effekten wie z.B. Enzym-Induktion, Lebertoxizität, dermale Toxizität, Immuntoxizität und Kanzerogenität. Im Tiermodell konnte eine Beeinträchtigung des Fortpflanzungssystems und des Hormonhaushaltes beobachtet werden. In der Literatur herrscht Einigkeit, dass die meisten wenn nicht sogar alle toxischen Wirkungen der Dioxine über den Aryl-Hydrocarbon-Rezeptor (AhR) vermittelt werden. Im letzten Jahrzehnt konnten jedoch in mehreren Studien AhR-unabhängige TCDD-Wirkungen beobachtet werden. Nur wenige Studien befassen sich mit der Niere als Zielorgan, wobei belegt werden konnte, dass der AhR auch für die Entwicklung der Niere eine wichtige Rolle zu spielen scheint. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde eine Tierstudie mit Wildtyp- und AhR-defizienten-Mäusen durchgeführt und dabei auch die Niere als Zielorgan betrachtet. Zunächst wurden weibliche und männliche Wildtyp- und AhR-defiziente-Mäuse einmalig mit TCDD (25 µg/kg KG) oral behandelt. Anschließend wurden Genexpressionsmuster in den Nieren mittels Microarray analysiert. In den Nieren behandelter Wildtyp-Mäuse wiesen 172 Gene, und in den Nieren behandelter AhR-defizienter-Mäuse wiesen 325 Gene eine veränderte Expression auf. In den Nieren behandelter AhR-defizienter-Mäuse wurden Gene hochreguliert, die in Prozesse des blutbildenden Systems, der Blutgerinnung sowie der Biosynthese von Sterolen und des Katabolismus von organischen Säuren involviert sind. Herrunterreguliert wurden Gene, die in Prozesse des Lipidmetabolismus, der Biosynthese sowie des Metabolismus kleinerer Moleküle und des Metabolismus von Hormonen involviert sind. Mittels RT-PCR wurde die im Microarray beobachtete erhöhte Expression einiger ausgewählter Gene des blutbildenden Systems (z. B. Hba-a1, Hbb-b1 und Rps14) und der Blutgerinnung (z. B. Fgg und F10) sowie einiger hepatischer Gene wie Lpl, Anxa1, c-Myc, Igfbp1, Esm1 und Cdh1 (Microarray-Analyse der Lebern wurde in einer früheren Studie gemessen) bestätigt. Des Weiteren wurde eine leichte, teilweise signifikant erhöhte Expression einiger pro-bzw. antiinflammatorischer Zytokine (IL-1α, IL-1ß, Il-6, IL-10 und TNF-α) in den Lebern und Milzen behandelter AhR-defizienter-Mäuse beobachtet. Die Induktion fremdstoffemtabolisiernder Enzyme wie Cyp1a1, Cyp1a2 und Cyp1b1 in den Organen Leber, Niere, Lunge und Milz behandelter Wildtyp-Mäuse konnte mittels Western-Blot und RT-PCR bestätigt werden, jedoch mit einer Ausnahme. In den Milzen behandelter Wildtyp-Mäuse konnte keine Induktion dieser Enzyme auf mRNA-Ebene beobachtet werden. In den Lebern behandelter AhR-defizienter-Mäuse war die Cyp1b1-Expression signifikant erhöht sowie die AhR-Expression vermindert. Die Induktion der Vitmain D-Rezeptor (VDR)-regulierten Gene Cyp24a1, Cyp27b1 und VDR in den Nieren behandelter AhR-defizienter-Mäuse weist auf die Aktivierung des VDR hin. Des Weiteren stellt die verminderte Expression von c-Myc in den Nieren TCDD-behandelter Knockout-Mäuse ein Hinweis für die Aktivierung des VDR dar. Durch HPLC/MS-MS-gestützte Untersuchung des Vollblutes von AhR-Wildtyp- und AhR-Knockout-Mäusen konnten Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen den Genotypen bestimmt werden. So war es möglich Unterschiede im Aminosäuremetabolismus sowie im Tryptophan-Metabolismus zu identifizieren. Außerdem konnte gezeigt werden, dass sowohl im unbehandelten wie auch im TCDD-behandelten Zustand, Unterschiede zwischen den Genotypen bestanden.
A positive affection of human health by nutrition is of high interest, especially for bioactive compounds which are consumed daily in high amounts. This is the case for chlorogenic acids (CGA) ingested by coffee. This molecule class is associated with several possible beneficial health effects observed in vitro that strongly depend on their bioavailability. So far factors influencing bioavailability of CGA such as dose, molecule structure and site of absorption haven´t been investigated sufficiently.
Therefore we performed an in vivo dose-response study with ileostomists, who consumed three different nutritional doses of CGA ingested as instant coffee (4,525 (HIGH); 2,219 (MEDIUM); 1,053 (LOW) μmol CGA). CGA concentrations were determined in ileal fluid, urine and plasma. Furthermore, we conducted an ex vivo study with pig jejunal mucosa using the Ussing chamber model to confirm the in vivo observations. Individual transfer rates of CGA from coffee were investigated, namely: caffeoylquinic acid (CQA), feruloylquinic acid (FQA), caffeic acid (CA), dicaffeoylquinic acid (diCQA) and QA at physiological concentrations (0.2–3.5 mM). Samples were analyzed by HPLC-DAD, -ESI-MS and -ESI-MS/MS.
About ⅔ of the ingested CGA by coffee consumption were available in the colon dose independent. Nevertheless, the results showed that the consumption of higher CGA doses leads to a faster ileal excretion. This corresponds to a plasma AUC0-8h for CGA and metabolites of 4,412 ± 751 nM*h0-8-1 (HIGH), 2,394 ± 637 nM*h0-8-1 (MEDIUM) and 1,782 ± 731 nM*h0-8-1 (LOW) respectively, and a renal excretion of 8.0 ± 4.9% (HIGH), 12.1 ± 6.7% (MEDIUM) and 14.6 ± 6.8% (LOW). Moreover interindividual differences in gastrointestinal transit times were related to differences in total CGA absorption. Thus the variety of patient´s physiology is a decisive bioavailability factor for CGA uptake. This is corroborated ex vivo by a direct proportional relationship of incubation time with absorbed CGA amount.
The consumption of high CGA doses influences the metabolism pattern as an increasing glucuronidation was observed with consumption of increasing CGA doses. However, the different CGA doses have only minor effects on the overall bioavailability which was confirmed ex vivo by a non-saturable passive diffusion of 5-CQA. Furthermore, we identified in the Ussing chamber an active efflux secretion for 5-CQA that decreases its bioavailability and the physicochemical properties of the CGA subgroups as an important bioavailability factor. Transferred amount in increasing order: diCQA, trace amounts; CQA ≈ 1%; CA ≈ 1.5%; FQA ≈ 2%; and QA ≈ 4%.
Altogether, the consumption of increasing CGA doses by coffee had a minor effect on oral bioavailability in ileostomists, such as a slightly increased glucuronidation. Thus, the consumption of high amounts of CGA from coffee in the daily diet is not limiting the CGA concentrations at the site of possible health effects in the human body. However, according to the patient´s physiology the interindividual gastrointestinal transit time which is possibly influenced by dose is influencing CGA bioavailability. Moreover, ex vivo CGA absorption is governed by diffusion as an absorption mechanism corroborating an unsaturable uptake in vivo and by the individual physicochemical properties of CGA.
Abstract
Im Rahmen dieser Arbeit sollten verschiedene Möglichkeiten untersucht werden, Salene in metallorganischen Gerüstverbindungen zu immobilisieren. Dazu wurde auf bekannte Methoden der Immobilisierung in Zeolithen und mesoporösen Materialien zurückgegriffen und gegebenenfalls modifiziert. Zu den ausgewählten metallorganischen Gerüstverbindungen gehörten MOF-5, Cu\(_3\)(BTC)\(_2\) bzw. HKUST-1 und (Cr)MIL-101. Durch verschiedene Charakterisierungsmethoden, wie z. B. Röntgen-Pulverdiffraktometrie, IR-Spektroskopie, UV/VIS-Spektroskopie, Rasterelektronen-Mikroskopie, Bestimmung der spezifischen Oberfläche nach der BET-Methode und chemischer Analyse sollte die Immobilisierung der Salene innerhalb der MOFs überprüft werden.
Nach der “build-the-bottle-around-the-ship“-Methode konnte Mn-RR-Salen in MOF-5 eingebracht werden. Da MOF-5 allerdings keine Möglichkeit bietet das Salen zu fixieren, war es nicht möglich, das Salen in der Struktur zu halten. Bereits nach 24-stündiger Extraktion mit Aceton in einer Soxhlet-Apparatur waren keinerlei Signale des Salens im IR-Spektrum mehr erkennbar. Das Mn-en-Salen verhinderte die Kristallisation von MOF-5 und konnte auch mithilfe anderer Methoden nicht in MOF-5 eingebracht werden.
In Cu\(_3\)(BTC)\(_2\) sollten ebenfalls nach der “ build-the-bottle-around-the-ship“-Methode die beiden Schiffschen Basen Mn-RR-Salen und Mn-en-Salen immobilisiert werden. Dieser Versuch schlug fehl. In keiner der untersuchten Synthesemethoden konnte ein Hinweis auf eine erfolgreiche Immobilisierung der Salene innerhalb des Gerüst erbracht werden.
Die Versuche, Mn-en-Salen und Mn-RR-Salen innerhalb des Gerüsts von (Cr)MIL-101 zu immobilisieren, schlugen fehl. Dabei wurden in flüssiger Phase sowohl die “ build-the-bottle-around-the-ship“-Methode, die “ship-in-a-bottle“-Methode als auch das Einbringen des Salens als Ganzes erprobt. Der Versuch, das Salen durch Erhitzen im Vakuum in die Poren und Hohlräume (Cr)MIL-101 hinein diffundieren zu lassen, scheiterte an der Instabilität des Wirts.
Letztendlich gelang es, verschiedene Salene über eine schrittweise “ship-in-a-bottle“-Methode in (Cr)MIL-101-ED (ED = Ethylendiamin) zu immobilisieren und Palladium darin zu komplexieren.
Die katalytischen Eigenschaften der immobilisierten Pd-Salene wurden anhand der hydrierenden Umsetzung von sechs Modellsubstanzen untersucht, jeweils bei Raumtemperatur. Als Modellsubstanzen dienten 1-Hexen, Cyclohexen, Cycloocten, Cyclohexenon, Zimtaldehyd und Citral. Zum Vergleich wurden die gleichen Hydrierungen mit Pd/γ-Al2O3 (5 Gew.-% Pd) und Pd/C (10 Gew.-% Pd) und den reinen Salenen Pd-en-Salen und Pd-RR-Salen durchgeführt.
Des Weiteren wurden in Kooperation mit dem Arbeitskreis Thiel (FB Chemie, TU Kaiserslautern) neuartige Linker auf Basis der Biphenyldicarbonsäure synthetisiert, aus denen wiederum zink- und zirkoniumhaltige metallorganische Gerüstverbindungen synthetisiert werden sollten. Die Linker sollten so modifiziert werden, dass eine eventuelle Interpenetration der entstehenden MOFs nahezu vollständig verhindert wird.
Im Fall der zinkhaltigen MOFs konnte die Interpenetration nicht verhindert werden. Die Materialien besaßen jedoch allesamt große spezifische Oberflächen, sodass Adsorptionsisothermen von C1- bis C4-Kohlenwasserstoffen sowie von Kohlendioxid aufgenommen wurden.
Im Fall der zirkoniumhaltigen MOFs gestaltete sich die Synthese der phasenreinen Substanzen schwierig; auch über einen Modulationsansatz wurde immer ein mit amorphem Material verunreinigtes Pulver erhalten. Trotzdem wurden die gleichen Adsorptions-experimente wie mit den zinkhaltigen MOFs durchgeführt.
Die Auswertung der Isothermen erfolgte mithilfe verschiedener Modelle (Langmuir, Freundlich, Sips). Dabei zeigte sich, dass die Sips-Gleichung die gemessenen Werte am besten beschreiben kann. Außerdem konnte über den Wert t Aussagen über den Grad der “Heterogenität“ der Oberfläche getroffen werden.
Im Bereich der Immobilisierung der Salene in metallorganischen Gerüstverbindungen böte sich noch die Möglichkeit, die Salene über einen Seitenarm postsynthetisch an eine bereits im Gitter vorhandene funktionelle Gruppe zu kondensieren / verbinden. Dadurch wäre das Salen fixiert und das Zentralmetall trotzdem zugänglich. Dazu ist es jedoch erforderlich, eine metallorganische Gerüstverbindung zu wählen, das dem Salen ausreichend Platz bietet und zudem eine ausreichend hohe Stabilität aufweist.
Im Bereich der neuartigen metallorganischen Gerüstverbindungen wäre es von Interesse, ob die zinkhaltigen MOFs in einer nicht-interpenetrierten Struktur synthetisierbar wären und ob die Adsorptionskapazität dadurch steigen würde. Im Fall der zirkoniumhaltigen MOFs müssten die Synthesebedingungen verbessert werden, um ein phasenreines Material zu erhalten. Dadurch würde man ein Material mit großer spezifischer Oberfläche, hoher thermischer Stabilität und ohne Interpenetration gewinnen und es bestünde die Möglichkeit, die funktionellen Gruppen am Linker postsynthetisch zu modifizieren.
Erste weiterführende Arbeiten mit den neuartigen Linkern und anderen Metallen als anorganische Knoten wurden bereits erprobt, daher wäre eine fortführende Untersuchung der Eignung als Träger Katalysatoren oder als Gasspeicher ebenfalls von Interesse.
Methyleugenol (ME), (\(\it E \))-Methylisoeugenol (MIE), alpha-Asaron (aA), beta-Asaron (bA) und gamma-Asaron (gA) sind natürlich vorkommende Pflanzeninhaltsstoffe aus der Klasse der Phenylpropene (PP) und Bestandteil der menschlichen Ernährung. ME, aA und bA erwiesen sich im Tierversuch als hepatokanzerogen. MIE und gA wurden bislang nicht untersucht. Die allylischen Hepatokanzerogene Estragol und Safrol werden im Verlauf des Fremdstoff-metabolismus durch Cytochrom P450-Enzyme (CYP) in 1‘-Position hydroxyliert und anschließend durch Sulfotransferasen sulfoniert. Der reaktive Schwefelsäureester kann DNA-Addukte bilden, wodurch in der Folge Mutationen und Tumoren ausgelöst werden können. Für ME wurde der gleiche Mechanismus der Aktivierung postuliert, obgleich definitive Beweise bislang fehlten. Im Gegensatz dazu war die Mehrheit der bislang untersuchten propenylischen PP nicht kanzerogen. aA und bA stellen insofern eine Ausnahme dar. Tierexperimentelle Untersuchungen legen einen alternativen Mechanismus für die Aktivierung von aA und bA nahe. Untersuchungen zum Metabolismus der Asarone liegen bisher nicht vor. Ziel der Arbeit war es daher, den hepatischen Metabolismus dieser fünf PP zu untersuchen, um Einblicke in die potentiellen gentoxischen Mechanismen zu erhalten. Die Metabolitenbildung der fünf Substanzen wurde zeit- und konzentrationsabhängig in humanen und tierischen Lebermikrosomen (LM) sowie verschiedenen humanen CYP-Enzymen (Supersomes\(^{TM}\)) untersucht. Die Metaboliten wurden charakterisiert, identifiziert und synthetisiert, um als Referenzverbindungen für die Quantifizierung sowie für weitere mechanistische in vitro Untersuchungen zu dienen. Ferner wurden enzymkinetische Parameter bestimmt, um eine Extrapolation der Metabolitenbildung hin zu kleinen Substratkonzentrationen sowie die Beteiligung humaner CYPs an der Metabolitenbildung in humanen LM zu ermöglichen. Außerdem wurde die Bildung von DNA-Addukten in primären Rattenhepatozyten nach Inkubation mit ME, MIE sowie deren Metaboliten untersucht. Für alle Verbindungen konnten die folgenden fünf enzymatischen Reaktionen identifiziert werden: Hydroxylierung der Seitenkette, Oxidation dieser Alkohole, Epoxidierung der Seitenkette und Hydrolyse zu Diolen sowie \(\it O \)-Demethylierung. Als Hauptmetaboliten von ME, MIE, aA und gA wurden die jeweiligen Seitenkettenalkohole identifiziert, während bA hauptsächlich über Epoxide zu Diolen metabolisiert wurde. Die Ergebnisse belegen, dass ME, im Gegensatz zu MIE, über den gleichen Mechanismus wie Safrol und Estragol, auch in geringen, humanrelevanten Konzentrationen aktiviert werden kann. Für aA und vor allem bA scheint eine Aktivierung über Epoxide wahrscheinlicher, während es für gA keine Hinweise auf potentiell gentoxische Metaboliten gibt.
ABSTRACT
"Spin and orbital contribution to the magnetic moment of transition metal clusters and complexes"
The spin and orbital contributions to the magnetic moments of isolated iron \(Fe_n^+\) \((7 ≤ n ≤ 18)\), cobalt \(Co_n^+\) \((8 ≤ n ≤ 22)\) and nickel \(Ni_n^+\) \((7 ≤ n ≤ 17)\) clusters were investigated. An experimental access to both contributions is possible by the application of x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) spectroscopy. XMCD spectroscopy is based on x-ray absorption spectroscopy (XAS). It exploits the fact that for a magnetic sample the resonant absorption cross sections for negative and positive circular polarized x-rays differ for the transition from a spin orbit split ground state to the valence level. The resulting dichroic effects contain the information about the magnetism of the investigated sample. It can be extracted from the experimental spectrum via application of the so called sum rules. However, only the projections of the magnetic moments onto the quantization axis are experimentally accessible which corresponds to the magnetization of the sample.
We developed a method to apply XMCD spectroscopy to isolated clusters in the gas phase. A modified Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance (FT-ICR) mass spectrometer was used to record the XA spectra in Total Ion Yield (TIY) mode, i.e. by recording the fragmentation intensity of the clusters in dependence of x-ray energy. The clusters can be considered to be a superparamagnetic ensemble. Thus, the magnetization follows a Langevin curve. The intrinsic magnetic moments can be calculated by Langevin correction of the experimental magnetic moments because the cluster temperature and the magnetic field are known.
The spin and the orbital magnetic moments are enhanced compared to the respective bulk values for all three investigated elements. The enhancement of the orbital contribution is more pronounced, by about a factor 3 - 4 compared to the bulk, than for the spin magnetic moment. However, if compared to the atomic value, both contributions are quenched. The orbital magnetic moment only amounts to about 10 - 15 % of the atomic value while the spin retains about 80 % of its atomic value. If the magnetic moments found for the clusters are put into perspective with respect to the atomic and bulk values by means of scaling laws, it becomes evident that both contributions follow different interpolations between the atomic and bulk value. The spin follows the well-known trend
\(n^{-1/3} = 1/(cluster radius)\) (n = number of atoms per cluster, assumption of a spherical particle). This trend relates to the ratio of surface to inner atoms in spherical particle. Hence, our interpretation is that the spin magnetic moment seems to follow the surface area of the cluster. On the other hand, the orbital magnetic moment follows \(1/n = 1/(cluster volume)\).
First XA spectra recorded with circularly polarized x-rays of a Single Molecule Magnet (SMM) \([Fe_4Ln_2(N_3)_4(Htea)_4(piv_6)]\) (Ln = Gd, Tb; \(H_3tea\) = triethanolamine, Hpiv = pivalic acid) are presented.
Die vorliegende Dissertation umfasst die vier Themengebiete Cobalt(II)-Spincrossover-Verbindungen, Eisen(II)-Spincrossover-Verbindungen, Eisen(II)-Radikal-Komplexe und intermediate-spin-Eisen(III)-Komplexe.
Unter den 18 neuen Cobalt(II)-Verbindungen mit den Tetraazamakrozyklen N,N‘-Dimethyl- bzw. N,N‘-Di-tert-butyl-2,11-diaza[3.3](2,6)pyridinophan als primäre Liganden, die synthetisiert und vollständig charakterisiert werden konnten, befinden sich 5 Komplexe, die einen Spinübergang im Feststoff zeigen. Dieser Spinübergang konnte für alle fünf Verbindungen mittels Röntgenstrukturanalysen bei verschiedenen Temperaturen sowie mittels SQUID-Messungen nachgewiesen werden. Dabei weisen die Verbindungen 7b, 8a und 16b einen graduellen, unvollständigen Spincrossover auf. Die Komplexe 17 und 18 zeigen einen Spinübergang mit einer Übergangstemperatur von 232 bzw. 135 K. Für die beiden letztgenannten Komplexe konnte der Spinübergang auch mittels Raman- und ESR-Spektroskopie nachgewiesen werden. 7 Verbindungen zeigen laut NMR-Evans-Messungen einen Spincrossover in Lösung, wobei dieser jeweils unvollständig ist und über einen weiten Temperaturbereich verläuft. Die Komplexe 7b und 16b weisen sowohl im Feststoff als auch in Lösung einen Spinübergang auf.
Der Vergleich der Cobalt(II)- mit analogen Eisen(II)-Verbindungen zeigt, dass für Cobalt(II)-Spincrossover-Verbindungen neben der Ligandenfeldstärke der koordinierenden Liganden auch die tetragonale Verzerrung der Umgebung des Cobaltions von großer Bedeutung ist. Diese ist für den tert-butylsubstituierten Makrozyklus deutlich stärker ausgeprägt als für das methylsubstituierte Derivat. So kann der low-spin-Zustand energetisch unter dem high-spin-Zustand liegen, obwohl die Ligandenfeldaufspaltung für L-N\(_4\)\(^t\)Bu\(_2\) beim idealen Oktaeder kleiner ist als für L-N\(_4\)Me\(_2\). Dadurch wiederum können die Spincrossover-Komplexe 16b und 18 bei tiefen Temperaturen den low-spin-Zustand erreichen, während die analogen Verbindungen 9 und 10 im high-spin-Zustand verbleiben.
Im Rahmen der Eisen(II)-Spincrossover-Verbindungen konnten 5 neue Komplexe synthetisiert und charakterisiert werden. Dabei handelt es sich einerseits um die Spincrossover-Verbindungen 22a, 23a und 24. Der erstgenannte Komplex zeigt in den SQUID-Messungen einen graduellen Spinübergang, wobei sich unterhalb von 75 K noch etwa 10 bis 15 % der Eisenionen im high-spin-Zustand befinden und bei der Höchsttemperatur von 400 K hauptsächlich der high-spin/high-spin/high-spin-Zustand besetzt ist. Für den Komplex 23a konnte ein gradueller Spincrossover mittels Röntgenstrukturanalysen, SQUID- und Mößbauer-Messungen nachgewiesen werden, die Übergangstemperatur wurde zu 200 K bestimmt. Die Verbindung 24 weist laut SQUID-Magnetometrie einen graduellen Spinübergang mit einer Übergangstemperatur von 245 K auf, und auch die Mößbauer-Spektren belegen einen Spincrossover. Andererseits konnten auch die Verbindung 25a sowie der zugehörige zweikernige Komplex 26a synthetisiert werden. Der mononukleare Komplex weist in Lösung einen Spinübergang auf, im Feststoff befindet sich das Eisen(II)-Ion im low-spin-Zustand. Die dinukleare Verbindung liegt überwiegend im high-spin/high-spin-Zustand vor.
Bei dem vorgestellten Eisen(II)-Radikal-Komplex 28 handelt es sich um eine Eisen(II)-Verbindung mit dem monoanionischen pi-Radikal von Biacetyl-bis-methylimin als Coligand. Sowohl die Röntgenstrukturanalyse als auch die SQUID- und Mößbauer-Messungen weisen darauf hin, dass das Eisen(II)-Ion im intermediate-spin-Zustand (S = 1) vorliegt. Als Nebenprodukt wird bei der Synthese der high-spin-Eisen(II)-Komplex 29 gebildet, welcher einfach deprotoniertes Biacetyl-bis-methylimin als Coligand enthält. Die Ausgangsverbindung 27 weist einen graduellen Spinübergang mit einer Übergangstemperatur von 385 K auf. Durch die Deprotonierung wird die Ligandenfeldstärke des Coliganden also schwächer. Die Auswirkung der Reduktion auf die Ligandenfeldstärke ist schwieriger zu beurteilen. Durch das Hinzufügen eines Elektrons wird der Coligand ein besserer \(\sigma\)- und \(\pi\)-Donor, während seine \(\pi\)-Akzeptor-Eigenschaften abnehmen. Insgesamt ist die reduzierte Spezies vermutlich ein schwächerer Ligand als der Neutralligand.
Mit Komplex 30b konnte eine Eisen(III)-Verbindung mit einem intermediate-spin-Grundzustand synthetisiert und untersucht werden. Der intermediate-spin-Zustand des Eisen(III)-Ions wurde mit Hilfe von Röntgenstrukturanalysen, SQUID-Messungen und Mößbauer- sowie ESR-Spektroskopie belegt. Grund für die Stabilisierung des relativ seltenen, reinen intermediate-spin-Zustandes ist die durch den Tetraazamakrozyklus hervorgerufene tetragonale Verzerrung zusammen mit den guten \(\sigma\)- und \(\pi\)-Donor-Eigenschaften des Coliganden 1,2-Ethandithiolat. Dadurch wird eine relativ große Aufspaltung der ursprünglichen \(e_g\)-Orbitale des Eisen(III)-Ions bewirkt. Dies wiederum führt zum Vorliegen der Elektronenkonfiguration \( (d_{xy})^2(d_{xz}d_{yz})^2(d_{z^2})^1(d_{x^2-y^2})^0\).
Die vorliegende Dissertation zeigt, dass die verwendeten tetraazamakrozyklischen Liganden geeignete Liganden sind, sowohl um mit Eisen(II)- und Cobalt(II)-Ionen Spinübergänge zu verwirklichen, als auch um den seltenen intermediate-spin-Zustand in Eisen(III)-Komplexen zu stabilisieren. Wichtig ist auch die Erkenntnis, dass diese Makrozyklen eine starke tetragonale Verzerrung des oktaedrischen Ligandenfeldes hervorrufen, was die Beobachtung von Spincrossoverprozessen mit Cobalt(II)-Verbindungen sowie von intermediate-spin-Eisen(III)-Komplexen ermöglicht.
Methyleugenol ist ein sekundärer Pflanzeninhaltsstoff, der in verschiedenen Kräutern und
Gewürzen vorkommt. In Form von natürlichen ätherischen Ölen findet Methyleugenol als
Aromastoff in Lebensmitteln und als Duftstoff in Kosmetika Verwendung. Methyleugenol
wurde als natürliches gentoxisches Kanzerogen eingestuft. Ein Fokus der vorliegenden
Dissertation lag auf wirkmechanistischen Untersuchungen zur Gentoxizität von
Methyleugenol und ausgewählten oxidativen Phase-I-Metaboliten. So wurden direkt
gentoxische Wirkmechanismen, wie die Induktion von DNA-Strangbrüchen oder Mikrokernen
in der humanen Kolonkarzinomzelllinie HT29 detektiert. Auf Grund der fehlenden in vitro
Mutagenität der Verbindungen sollten weitere Wirkmechanismen zum DNA-strangbrechenden
Potential sowie potentielle Effekte auf DNA-Reparaturprozesse charakterisiert werden.
Die Metaboliten Methyleugenol-2',3'-epoxid und 3'-Oxomethylisoeugenol hemmen die HDAC- und Topoisomerase-I-Aktivität und tragen somit möglicherweise zum DNA-strangbrechenden
Potential der Metaboliten bei. 3'-Oxomethylisoeugenol wurde dabei als
katalytischer Hemmstoff humaner Topoisomerase I identifiziert, welcher signifikant die DNA-strangbrechende
Wirkung und die Enzym/DNA-stabilisierenden Effekte des Topoisomerase-I-Giftes Camptothecin hemmt. In Folge der Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen durch
die Testsubstanzen wird die DNA-Reparatur-assoziierte ATM/ATR-Signalkaskade und das
nachgeschaltete Tumorsuppressorprotein p53 aktiviert. Diese Ergebnisse weisen darauf hin,
dass die zelluläre DNA-Schadensantwort in Verbindung mit DNA-Reparaturmechanismen
oder einer Apoptoseinduktion dazu beitragen, dass die initialen gentoxischen Wirkungen der
Substanzen zu keiner direkten Mutagenität in vitro führen. Insgesamt konnte die Arbeit
zeigen, dass reaktive oxidative Metaboliten von Methyleugenol eine Vielzahl zellulärer
Zielstrukturen beeinflussen und eine potentielle in vitro Gentoxizität aufweisen, weshalb sie
in ihrer Gesamtheit in der Risikobewertung der Ausganssubstanz berücksichtigt werden
sollten.
Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Untersuchung der posttranslationalen
Histondeacetylase (HDAC)-Modifikation durch Polyphenole. Es wurde gezeigt, dass
Polyphenole die Expression des Regulatorproteins SUMO E1 beeinflussen. Des Weiteren
hemmen die Polyphenole (-)-Epigallocatechin-3-gallat und Genistein die HDAC-Aktivität und
vermindern den HDAC 1 Proteinstatus in HT29-Kolonkarzinomzellen. HDAC gehört zu den
SUMO-Substratproteinen. Im Rahmen der Arbeit wurde erstmals eine Modulation der posttranslationalen
HDAC 1-Sumoylierung nach Inkubation mit den Polyphenolen nachgewiesen,
welche im direkten Zusammenhang mit der HDAC-Aktivitätshemmung stehen könnte. EGCG
und Genistein beeinflussen somit epigenetische Signalwege in Tumorzellen. Inwieweit eine
Beeinflussung der DNA-Integrität durch HDAC-Hemmstoffe ein Risiko für primäre Zellen
darstellt, muss in weiterführenden Studien noch geklärt werden.
DFT-Studien zum mechanistischen Verständnis und zur rationalen Entwicklung homogenkatalytischer Reaktionen
(2015)
