Substrate specificity of the Chamaerops excelsa palm tree peroxidase. A steady-state kinetic study

The steady state kinetic mechanism of the H(2)O(2)-supported oxidation of different organic substrates by peroxidase from leaves of Chamaerops excelsa palm trees (CEP) has been investigated. An analysis of the initial rates vs. H(2)O(2) and reducing substrate concentrations is consistent with a substrate-inhibited Ping-Pong Bi Bi reaction mechanism. The phenomenological approach expresses the peroxidase Ping-Pong mechanism in the form of the Michaelis-Menten equation and leads to an interpretation of the effects in terms of the kinetic parameters K(m)(H2O2)center dot K(m)(AH2)center dot k(cat)center dot K(SI)(AH2) and of the microscopic rate constants k(1) and k(3) of the shared three-step catalytic cycle of peroxidases. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Poli (metil azoteto de glicidila) - GAP. II: mecanismo de reação

O poli (metil azoteto de glicidila) - GAP - é um material energético que pode ser utilizado como aglutinante (binder) e como plastificante energético em compostos explosivos e propulsores de foguetes. O GAP de baixo peso molecular pode ser obtido pela conversão direta da epicloridrina (ECH) a GAP. Neste trabalho, é proposto um possível mecanismo para esta conversão direta, fundamentado em análises de infravermelho de espécies intermediárias.

Environmental assessment of residues generated after consecutive acid-base pretreatment of sugarcane bagasse by advanced oxidative process

Abstract Background Biofuels produced from sugarcane bagasse (SB) have shown promising results as a suitable alternative of gasoline. Biofuels provide unique, strategic, environmental and socio-economic benefits. However, production of biofuels from SB has negative impact on environment due to the use of harsh chemicals during pretreatment. Consecutive sulfuric acid-sodium hydroxide pretreatment of SB is an effective process which eventually ameliorates the accessibility of cellulase towards cellulose for the sugars production. Alkaline hydrolysate of SB is black liquor containing high amount of dissolved lignin. Results This work evaluates the environmental impact of residues generated during the consecutive acid-base pretreatment of SB. Advanced oxidative process (AOP) was used based on photo-Fenton reaction mechanism (Fenton Reagent/UV). Experiments were performed in batch mode following factorial design L9 (Taguchi orthogonal array design of experiments), considering the three operation variables: temperature (°C), pH, Fenton Reagent (Fe2+/H2O2) + ultraviolet. Reduction of total phenolics (TP) and total organic carbon (TOC) were responsive variables. Among the tested conditions, experiment 7 (temperature, 35°C; pH, 2.5; Fenton reagent, 144 ml H2O2+153 ml Fe2+; UV, 16W) revealed the maximum reduction in TP (98.65%) and TOC (95.73%). Parameters such as chemical oxygen demand (COD), biochemical oxygen demand (BOD), BOD/COD ratio, color intensity and turbidity also showed a significant change in AOP mediated lignin solution than the native alkaline hydrolysate. Conclusion AOP based on Fenton Reagent/UV reaction mechanism showed efficient removal of TP and TOC from sugarcane bagasse alkaline hydrolysate (lignin solution). To the best of our knowledge, this is the first report on statistical optimization of the removal of TP and TOC from sugarcane bagasse alkaline hydrolysate employing Fenton reagent mediated AOP process.

Acqua: solvente elettivo in Organocatalisi e Biocatalisi

Water is a safe, harmless, and environmentally benign solvent. From an eco-sustainable chemistry perspective, the use of water instead of organic solvent is preferred to decrease environmental contamination. Moreover, water has unique physical and chemical properties, such as high dielectric constant and high cohesive energy density compared to most organic solvents. The different interactions between water and substrates, make water an interesting candidate as a solvent or co-solvent from an industrial and laboratory perspective. In this regard, organic reactions in aqueous media are of current interest. In addition, from practical and synthetic standpoints, a great advantage of using water is immediately evident, since it does not require any preliminary drying process. This thesis was found on this aspect of chemical research, with particular attention to the mechanisms which control organo and bio-catalysis outcome. The first part of the study was focused on the aldol reaction. In particular, for the first time it has been analyzed for the first time the stereoselectivity of the condensation reaction between 3-pyridincarbaldehyde and the cyclohexanone, catalyzed by morpholine and 4-tertbutyldimethylsiloxyproline, using water as sole solvent. This interest has resulted in countless works appeared in the literature concerning the use of proline derivatives as effective catalysts in organic aqueous environment. These studies showed good enantio and diastereoselectivities but they did not present an in depth study of the reaction mechanism. The analysis of the products diastereomeric ratios through the Eyring equation allowed to compare the activation parameters (ΔΔH≠ and ΔΔS≠) of the diastereomeric reaction paths, and to compare the different type of catalysis. While morpholine showed constant diasteromeric ratio at all temperatures, the O(TBS)-L-proline, showed a non-linear Eyring diagram, with two linear trends and the presence of an inversion temperature (Tinv) at 53 ° C, which denotes the presence of solvation effects by water. A pH-dependent study allowed to identify two different reaction mechanisms, and in the case of O(TBS)-L-proline, to ensure the formation of an enaminic species, as a keyelement in the stereoselective process. Moreover, it has been studied the possibility of using the 6- aminopenicillanic acid (6-APA) as amino acid-type catalyst for aldol condensation between cyclohexanone and aromatic aldehydes. A detailed analysis of the catalyst regarding its behavior in different organic solvents and pH, allowed to prove its potential as a candidate for green catalysis. Best results were obtained in neat conditions, where 6-APA proved to be an effective catalyst in terms of yields. The catalyst performance in terms of enantio- and diastereo-selectivity, was impaired by the competition between two different catalytic mechanisms: one via imine-enamine mechanism and one via a Bronsted-acid catalysis. The last part of the thesis was dedicated to the enzymatic catalysis, with particular attention to the use of an enzyme belonging to the class of alcohol dehydrogenase, the Horse Liver Alcohol Dehydrogenase (HLADH) which was selected and used in the enantioselective reduction of aldehydes to enantiopure arylpropylic alcohols. This enzyme has showed an excellent responsiveness to this type of aldehydes and a good tolerance toward organic solvents. Moreover, the fast keto-enolic equilibrium of this class of aldehydes that induce the stereocentre racemization, allows the dynamic-kinetic resolution (DKR) to give the enantiopure alcohol. By analyzing the different reaction parameters, especially the pH and the amount of enzyme, and adding a small percentage of organic solvent, it was possible to control all the parameters involved in the reaction. The excellent enatioselectivity of HLADH along with the DKR of arylpropionic aldehydes, allowed to obtain the corresponding alcohols in quantitative yields and with an optical purity ranging from 64% to >99%.

Kohärente Photoproduktion von eta-Mesonen am Deuteron im Bereich der S 11 (1535)-Resonanz

Es wurden Rueckstreueffekte in der kohaerentenEta-Photoproduktion amDeuteron im Bereich der S11(1535)-Resonanz untersucht. Fuerdenelementaren Prozess am Deuteron wurde ein effektivesResonanzmodelleinschliesslich Borntermen verwendet. Die Resonanzparameterwurdenausschliesslich an den elementaren Mesonproduktionsprozessenfestgelegt. Bei der kohaerenten Eta-Photoproduktion amDeuteron wurdedie Stossnaeherung fuer die P11(1440)-, D13(1520)- undS11(1535)-Resonanz sowie Rueckstreueffekte undMesonaustauschstroemeberuecksichtigt. Die Rueckstreuung wird innerhalb einesgekoppelten-Kanal-Modells unter Beruecksichtigung derResonanzanregungbehandelt. Es ergibt sich eine Erhoehung des differentiellenWirkungsquerschnitts um etwa 5% durch die Rueckstreuung. InihrerSumme sind Zweiteilcheneffekte kleine Beitraege zurkohaerentenEta-Photoproduktion am Deuteron.

Progettazione e sintesi di nuovi derivati azetidinonici biologicamente attivi

In this PhD-thesis new synthetic approaches towards new azetidinone derivatives are described. In particular, 4-alkyliden-β-lactams were used as starting materials for the preparation of new biologically active compounds. The carbapenem Thienamycin has got a broad spectrum of activity as antibiotic. It has got 3 stereocenters and apart of one epimer, all isomers have been synthesized. Using the 4-alkyliden-β-lactam benzilyc ester as precursor, we developed a synthesis for this missing epimer, which is described in chapter II. Biological tests in order to establish its biological activity are under way. The Hunsdiecker-Borodine reaction was extensively studied for the preparation of the mono halogenated and – surprisingly – the dihalogenated derivative from the 4-alkyliden-azetidinone carboxylic acid. The herein described synthetic procedures allowed the preparation of chloro-, bromo- and iodo derivatives in good to excellent yield. Furthermore, the reaction mechanism was investigated by NMR-experiments and is described in detail in chapter III. In chapter IV, synthetic approaches towards new β-lactam derivatives for inhibition of the histone deacetylase enzymes (HDACs) are reported. In collaboration with the company Sigma-Tau (Rome), 14 new β-lactams were synthesized. The new β-lactams were evaluated for the activity showing a promising activityparticulary, 10 of the β-lactams synthesized were evaluated for the in vitro inhibitory activity against the 11 human HDACs isoforms and they showed a selective inhibition of HDAC6 or HDAC8 in micromolar range. Finally, preliminary studies were conducted for the employment of 4-alkyliden-β-lactams as precursors for the synthesis of chiral β-amino acids by an opening of the β-lactam ring. In chapter V is described the ring opening reaction catalyzed by the enzyme lipase Cal-B. Preliminary results have shown that the enzyme not only catalyzes the ring opening of the β-lactam precursor, moreover, it leads to the formation of a cyclic dimer by the reaction of two molecules of β-amino acid obtained.

Catalytic liquid- and gas-phase oxidations for the synthesis of intermediates and specialty chemicals: some examples of industrial relevance

Nowadays, it is clear that the target of creating a sustainable future for the next generations requires to re-think the industrial application of chemistry. It is also evident that more sustainable chemical processes may be economically convenient, in comparison with the conventional ones, because fewer by-products means lower costs for raw materials, for separation and for disposal treatments; but also it implies an increase of productivity and, as a consequence, smaller reactors can be used. In addition, an indirect gain could derive from the better public image of the company, marketing sustainable products or processes. In this context, oxidation reactions play a major role, being the tool for the production of huge quantities of chemical intermediates and specialties. Potentially, the impact of these productions on the environment could have been much worse than it is, if a continuous efforts hadn’t been spent to improve the technologies employed. Substantial technological innovations have driven the development of new catalytic systems, the improvement of reactions and process technologies, contributing to move the chemical industry in the direction of a more sustainable and ecological approach. The roadmap for the application of these concepts includes new synthetic strategies, alternative reactants, catalysts heterogenisation and innovative reactor configurations and process design. Actually, in order to implement all these ideas into real projects, the development of more efficient reactions is one primary target. Yield, selectivity and space-time yield are the right metrics for evaluating the reaction efficiency. In the case of catalytic selective oxidation, the control of selectivity has always been the principal issue, because the formation of total oxidation products (carbon oxides) is thermodynamically more favoured than the formation of the desired, partially oxidized compound. As a matter of fact, only in few oxidation reactions a total, or close to total, conversion is achieved, and usually the selectivity is limited by the formation of by-products or co-products, that often implies unfavourable process economics; moreover, sometimes the cost of the oxidant further penalizes the process. During my PhD work, I have investigated four reactions that are emblematic of the new approaches used in the chemical industry. In the Part A of my thesis, a new process aimed at a more sustainable production of menadione (vitamin K3) is described. The “greener” approach includes the use of hydrogen peroxide in place of chromate (from a stoichiometric oxidation to a catalytic oxidation), also avoiding the production of dangerous waste. Moreover, I have studied the possibility of using an heterogeneous catalytic system, able to efficiently activate hydrogen peroxide. Indeed, the overall process would be carried out in two different steps: the first is the methylation of 1-naphthol with methanol to yield 2-methyl-1-naphthol, the second one is the oxidation of the latter compound to menadione. The catalyst for this latter step, the reaction object of my investigation, consists of Nb2O5-SiO2 prepared with the sol-gel technique. The catalytic tests were first carried out under conditions that simulate the in-situ generation of hydrogen peroxide, that means using a low concentration of the oxidant. Then, experiments were carried out using higher hydrogen peroxide concentration. The study of the reaction mechanism was fundamental to get indications about the best operative conditions, and improve the selectivity to menadione. In the Part B, I explored the direct oxidation of benzene to phenol with hydrogen peroxide. The industrial process for phenol is the oxidation of cumene with oxygen, that also co-produces acetone. This can be considered a case of how economics could drive the sustainability issue; in fact, the new process allowing to obtain directly phenol, besides avoiding the co-production of acetone (a burden for phenol, because the market requirements for the two products are quite different), might be economically convenient with respect to the conventional process, if a high selectivity to phenol were obtained. Titanium silicalite-1 (TS-1) is the catalyst chosen for this reaction. Comparing the reactivity results obtained with some TS-1 samples having different chemical-physical properties, and analyzing in detail the effect of the more important reaction parameters, we could formulate some hypothesis concerning the reaction network and mechanism. Part C of my thesis deals with the hydroxylation of phenol to hydroquinone and catechol. This reaction is already industrially applied but, for economical reason, an improvement of the selectivity to the para di-hydroxilated compound and a decrease of the selectivity to the ortho isomer would be desirable. Also in this case, the catalyst used was the TS-1. The aim of my research was to find out a method to control the selectivity ratio between the two isomers, and finally to make the industrial process more flexible, in order to adapt the process performance in function of fluctuations of the market requirements. The reaction was carried out in both a batch stirred reactor and in a re-circulating fixed-bed reactor. In the first system, the effect of various reaction parameters on catalytic behaviour was investigated: type of solvent or co-solvent, and particle size. With the second reactor type, I investigated the possibility to use a continuous system, and the catalyst shaped in extrudates (instead of powder), in order to avoid the catalyst filtration step. Finally, part D deals with the study of a new process for the valorisation of glycerol, by means of transformation into valuable chemicals. This molecule is nowadays produced in big amount, being a co-product in biodiesel synthesis; therefore, it is considered a raw material from renewable resources (a bio-platform molecule). Initially, we tested the oxidation of glycerol in the liquid-phase, with hydrogen peroxide and TS-1. However, results achieved were not satisfactory. Then we investigated the gas-phase transformation of glycerol into acrylic acid, with the intermediate formation of acrolein; the latter can be obtained by dehydration of glycerol, and then can be oxidized into acrylic acid. Actually, the oxidation step from acrolein to acrylic acid is already optimized at an industrial level; therefore, we decided to investigate in depth the first step of the process. I studied the reactivity of heterogeneous acid catalysts based on sulphated zirconia. Tests were carried out both in aerobic and anaerobic conditions, in order to investigate the effect of oxygen on the catalyst deactivation rate (one main problem usually met in glycerol dehydration). Finally, I studied the reactivity of bifunctional systems, made of Keggin-type polyoxometalates, either alone or supported over sulphated zirconia, in this way combining the acid functionality (necessary for the dehydrative step) with the redox one (necessary for the oxidative step). In conclusion, during my PhD work I investigated reactions that apply the “green chemistry” rules and strategies; in particular, I studied new greener approaches for the synthesis of chemicals (Part A and Part B), the optimisation of reaction parameters to make the oxidation process more flexible (Part C), and the use of a bioplatform molecule for the synthesis of a chemical intermediate (Part D).

Kinetische Untersuchungen zur Synthese von Blockcopolymeren mit Methacrylatsegmenten durch neue anionische Polymerisationssysteme

Ein metallfreies Reaktionssystem mit Bis(triphenylphosphoranyliden)ammonium-Kationen als Gegenionen sowie das Additiv Lithium-2-methoxyethoxid wurden auf ihre Eignung zur anionischen Synthese von Blockcopolymeren mit (Meth)acrylatsegmenten bei moderaten Temperaturen im Strömungsrohr-Reaktor untersucht. Das metallfreie System ist zur lebenden Polymerisation von Methacrylaten in THF mit engen Molekulargewichtsverteilungen bei Reaktionszeiten < 1 s bis zu Temperaturen von 0 °C geeignet. In Gegenwart von Metallionen (Li+) findet eine Verlangsamung der Polymerisation unter Verlust der Reaktionskontrolle statt, Lithiumenolate verursachen nun breite, multimodale Molekulargewichtsverteilungen. Eine lebende Polymerisation von Acrylaten ist nicht möglich, massenspektroskopische Untersuchungen der Produkte weisen auf einen komplexen Reaktionsmechanismus mit Abbruch- und Übertragungsreaktionen hin. Die Synthese von Poly(styrol)-block-Poly(1,4-butadien)-block-Poly(methylmethacrylat)-Copolymeren in Toluol ist mit Lithium-2-methoxyethoxid als Additiv für die MMA-Polymerisation bei moderaten Mischtemperaturen (T < 0 °C) im Strömungsrohr-Reaktor möglich, die Effektivität des Wechselschritts von Polybutadien zu PMMA beträgt im Durchschnitt ca. 50 %. Untersuchungen verschiedener Reaktionsparameter, wie z.B. der Endfunktionalisierung des Polybutadiens mit 1,1-Diphenylethylen und der Temperatur während der Verkappung und der MMA-Polymerisation, geben keine eindeutigen Hinweise auf die Ursache dieses Phänomens. MALDI-TOF-Massenspektren des unreagierten Polybutadien Precursors zeigen die Anlagerung von 1-3 Molekülen Methylmethacrylat und keinen Abbruch durch Backbiting, was auf die Ausbildung stabiler Aggregate hindeutet.

Untersuchung der Strukturdynamik arbeitender F1-ATPase und ATP-Synthase aus Micrococcus luteus in Einzelschußexperimenten mit Synchrotronstrahlung

ZusammenfassungDie ATP-Synthase koppelt im Energiestoffwechsel der Zellen den Protonentransport über die biologische Membran mit der Synthese des energiespeichernden Moleküls ATP aus ADP und Phosphat. ATP-Synthasen bestehen aus 2 Subkomplexen, wobei der katalytische F1-Teil von der membranständigen Domäne abgelöst werden kann und nur zur ATP-Hydrolyse fähig ist. Der hochkooperative Reaktionsmechanismus der dreizentrigen ATP-Synthasen ist weitgehend unklar.Im Rahmen dieser Arbeit wurde der ATP-Synthasekomplex und ihr wasserlösliches katalytisches F1-Fragment aus Micrococcus luteus in präparativem Maßstab mittels chromatographischer Trennmethoden isoliert. Die Überprüfung der Funktionalität beider Enzyme erfolgte mit enzymatischen Methoden. Durch zeitaufgelöste Röntgenkleinwinkelstreuung wurde die Strukturdynamik der arbeitenden ATP-Synthase und ihres F1-Fragmentes aus Micrococcus luteus im Laufe des ATP-Hydrolysezyklus untersucht. Diese Methode diente zum Nachweis weiträumiger Konformationsänderungen innerhalb der arbeitenden Enzyme unter nativen physiologischen Bedingungen. Die zeitaufgelösten Streuexperimente fanden an der ESRF (Europäische Synchrotronstrahlungsquelle) in Grenoble (F) statt. Dort wurden für beide Enzyme im Laufe des ATP-Hydrolysezykus molekulare Bewegungen nachgewiesen. Als Referenz zu den zeitaufgelösten Messungen dienten statische Messungen zur Strukturuntersuchung der Proteine am schwächeren DESY. Anhand dieser Strukturdaten wurden Molekülmodelle der F1-ATPase und ATP-Synthase aus Micrococcus luteus konstruiert. Das Molekülmodell der F1-ATPase war die Grundlage zur Modellierung einzelner Teilschritte des ATP-Hydrolysezyklus bei 20°C. Die experimentellen Daten wurden mit einer Kippbewegung der membranseitigen Domäne der katalytischen b-Untereinheiten der F1-ATPase während des ATP-Hydrolysezyklus interpretiert.

Klonierung, heterologe Expression, Kristallisation und Struktur der Perakin-Reduktase aus Rauvolfia serpentina

Die Perakin-Reduktase (PR) ist ein hochspezifisches Enzym aus dem Alkaloidstoffwechsel in Rauvolfia serpentina, dessen enzymatischer und molekularer Reaktionsmechanismus noch immer unbekannt ist. Um die dreidimensionale Struktur der PR aufzuklären, wurde in der vorliegenden Arbeit das für die PR codierende Gen erstmals identifiziert, exprimiert und das Genprodukt zur Kristallisation gebracht. Die PR ist ein 337 Aminosäure langes monomeres Protein mit einem Molekulargewicht von 37,2 kDa. Die Reinigung erfolgte über Ni2+-NTA-Affinitätschromatographie und lieferte 10 mg homogenes Protein pro Liter Bakterienkultur. Nach Expression in E. coli wurde im Enzym-Assay die NADPH2-abhängige Reduktion von Perakin zu Raucaffrinolin bestätigt und das Endprodukt massenspektrometrisch identifiziert. Durch Sequenzalignments mit anderen Proteinen wurde geschlossen, dass die PR zu der Superfamilie der Aldo/Keto-Reduktasen (AKR) gehört. Nach heterologer Expression in E. coli konnte die homogene, über reduktive Methylierung modifizierte PR mit Hilfe der Methode der Dampfdiffusion im hängenden Tropfen kristallisiert werden. In Gegenwart von 27% PEG 4000 und 100 mM Natriumcitrat (pH 5,6) bildeten sich nach 4 Tagen bei 20°C die ersten Kristalle. Die Struktur der PR konnte mit einer Auflösung von 2,0 Å durch molekularen Ersatz vollständig gelöst werden. Das Strukturmodell besitzt eine für AKRs charakteristische (α/β)8 TIM-barrel Faltung, konservierte Aminosäuren, die an der Bindung von NADPH2 beteiligt sind sowie eine katalytische Tetrade, die den Wasserstofftransfer von NADPH2 zum Kohlenstoff des Substrates vermittelt.

Structural transformations related to organic solid-state reactions: correlation studies of NMR and X-ray analysis

Eine zielgerichtete Steuerung und Durchführung von organischen Festkörperreaktionen wird unter anderem durch genaue Kenntnis von Packungseffekten ermöglicht. Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch den kombinierten Einsatz von Einkristallröntgenanalyse und hochauf-lösender Festkörper-NMR an ausgewählten Beispielen ein tieferes Verständnis und Einblicke in die Reaktionsmechanismen von organischen Festkörperreaktionen auf molekularer Ebene gewonnen werden. So konnten bei der topotaktischen [2+2] Photodimerisierung von Zimt-säure Intermediate isoliert und strukturell charakterisiert werden. Insbesondere anhand statischer Deuteronen- und 13C-CPMAS NMR Spektren konnten eindeutig dynamische Wasserstoffbrücken nachgewiesen werden, die transient die Zentrosymmetrie des Reaktions-produkts aufheben. Ein weiterer Nachweis gelang daraufhin mittels Hochtemperatur-Röntgen-untersuchung, sodass der scheinbare Widerspruch von NMR- und Röntgenuntersuchungen gelöst werden konnte. Eine Veresterung der Zimtsäure entfernt diese Wasserstoffbrücken und erhält somit die Zentrosymmetrie des Photodimers. Weiterhin werden Ansätze zur Strukturkontrolle in Festkörpern basierend auf der molekularen Erkennung des Hydroxyl-Pyridin (OH-N) Heterosynthon in Co-Kristallen beschrieben, wobei vor allem die Stabilität des Synthons in Gegenwart funktioneller Gruppen mit Möglichkeit zu kompetetiver Wasserstoffbrückenbildung festgestellt wurde. Durch Erweiterung dieses Ansatzes wurde die molekulare Spezifität des Hydroxyl-Pyridin (OH-N) Heterosynthons bei gleichzeitiger Co-Kristallisation mit mehreren Komponenten erfolgreich aufgezeigt. Am Beispiel der Co-Kristallisation von trans--1,2-bis(4-pyridyl)ethylen (bpe) mit Resorcinol (res) in Gegenwart von trans-1,2-bis(4-pyridyl)ethan (bpet) konnten Zwischenprodukte der Fest-körperreaktionen und neuartige Polymorphe isoliert werden, wobei eine lückenlose Aufklärung des Reaktionswegs mittels Röntgenanalyse gelang. Dabei zeigte sich, dass das Templat Resorcinol aus den Zielverbindungen entfernbar ist. Ferner gelang die Durchführung einer seltenen, nicht-idealen Einkristall-Einkristall-Umlagerung von trans--1,2-bis(4-pyridyl)ethylen (bpe) mit Resorcinol (res). In allen Fällen konnten die Fragen zur Struktur und Dynamik der untersuchten Verbindungen nur durch gemeinsame Nutzung von Röntgenanalyse und NMR-Spektroskopie bei vergleichbaren Temperaturen eindeutig und umfassend geklärt werden.

Ex situ X-­Ray absorption study of Li-­rich layered cathode material Li[Li0.2Mn0.56Ni0.16Co0.08]O2

The Li-rich layered transition metal oxides (LLOs) Li2MnO3-LiMO2 (M=Mn, Co, Ni, etc.) have drawn considerable attention as cathode materials for rechargeable lithium batteries. They generate large reversible capacities but the fundamental reaction mechanism and structural perturbations during cycling remain controversial. In the present thesis, ex situ X-ray absorption spectroscopy (XAS) measurements were performed on Li[Li0.2Mn0.56Ni0.16Co0.08]O2 at different stage of charge during electrochemical oxidation/reduction. K-edge spectra of Co, Mn and Ni were recorded through a voltage range of 3.7-4.8V vs. Li/Li+, which consist of X-ray absorption near edge structure (XANES) and extended X-ray absorption fine structure (EXAFS). Oxidation states during initial charge were discussed based on values from literature as well as XANES analysis. Information about bond distance, coordination number as well as corresponding Debye-Waller factor were extracted from Gnxas analysis of raw data in the EXAFS region. The possibility of oxygen participation in the initial charge was discussed. Co and Ni prove to take part in the oxidation/reduction process while Mn remain in the tetravalent state. The cathode material appears to retain good structural short-range order during charge-discharge. A resemblance of the pristine sample and sample 4 was discovered which was firstly reported for similar compounds.

Design, Synthesis and Characterization of N-Containing Organic Compounds

The needed of new intermediates/products for screening in the fields of drug discovery and material science is the driving force behind the development of new methodologies and technologies. Organic scaffolds are privileged targets for this scouting. Among them a priority place must be attributed to those including nitrogen functionalities in their scaffolds. It comes out that new methodologies, allowing the introduction of the nitrogen atom for the synthesis of an established target or for the curiosity driven researches, will always be welcome. The target of this PhD Thesis’ work is framed within this goal. Accordingly, Chapter 1 reports the preparation of new N-Heteroarylmethyl 3-carboxy-5-hydroxy piperidine scaffold, as potential and selective α-glucosidase inhibitors. The proposed reversible uncompetitive mechanism of inhibition makes them attractive as interesting candidate for drug development. Chapter 2 is more environmentally method-driven research. Eco-friendly studies on the synthesis of enantiomerically pure 1,4-dihydropyridines using “solid” ammonia (magnesium nitride) is reported via classical Hantzch method. Chapter 3 and Chapter 4 may be targeted as the core of the Thesis’s research work. Chapter 3 reports the studies addressed to the synthesis of N-containing heterocycles by using N-trialkylsilylimine/hetero-Diels–Alder (HAD) approach. New eco-friendly methodology as MAOS (Microwave Assisted Organic Synthesis) has been used as witness of our interest to a sustainable chemistry. Theoretical calculations were adopted to fully clarify the reaction mechanism. Chapter 4 is dedicated to picture the most recent studies performed on the application of N-Metallo-ketene imines (metallo= Si, Sn, Al), relatively new intermediates which are becoming very popular, in the preparation of highly functionalized N-containing derivatives, accordingly to the Thesis’ target. Derivatives obtained are designed in such a way that they could be of interest in the field of drug and new material chemistry.

Biochemical analysis of the phosphatase domain of the human soluble epoxide hydrolase (sEH)

Die lösliche Epoxidhydrolase (sEH) gehört zur Familie der Epoxidhydrolase-Enzyme. Die Rolle der sEH besteht klassischerweise in der Detoxifikation, durch Umwandlung potenziell schädlicher Epoxide in deren unschädliche Diol-Form. Hauptsächlich setzt die sEH endogene, der Arachidonsäure verwandte Signalmoleküle, wie beispielsweise die Epoxyeicosatrienoic acid, zu den entsprechenden Diolen um. Daher könnte die sEH als ein Zielenzym in der Therapie von Bluthochdruck und Entzündungen sowie diverser anderer Erkrankungen eingesetzt werden. rnDie sEH ist ein Homodimer, in dem jede Untereinheit aus zwei Domänen aufgebaut ist. Das katalytische Zentrum der Epoxidhydrolaseaktivität befindet sich in der 35 kD großen C-terminalen Domäne. Dieser Bereich der sEH s wurde bereits im Detail untersucht und nahezu alle katalytischen Eigenschaften des Enzyms sowie deren dazugehörige Funktionen sind in Zusammenhang mit dieser Domäne bekannt. Im Gegensatz dazu ist über die 25 kD große N-terminale Domäne wenig bekannt. Die N-terminale Domäne der sEH wird zur Haloacid Dehalogenase (HAD) Superfamilie von Hydrolasen gezählt, jedoch war die Funktion dieses N-terminal Domäne lange ungeklärt. Wir haben in unserer Arbeitsgruppe zum ersten Mal zeigen können, dass die sEH in Säugern ein bifunktionelles Enzym ist, welches zusätzlich zur allgemein bekannten Enzymaktivität im C-terminalen Bereich eine weitere enzymatische Funktion mit Mg2+-abhängiger Phosphataseaktivität in der N-terminalen Domäne aufweist. Aufgrund der Homologie der N-terminalen Domäne mit anderen Enzymen der HAD Familie wird für die Ausübung der Phosphatasefunktion (Dephosphorylierung) eine Reaktion in zwei Schritten angenommen.rnUm den katalytischen Mechanismus der Dephosphorylierung weiter aufzuklären, wurden biochemische Analysen der humanen sEH Phosphatase durch Generierung von Mutationen im aktiven Zentrum mittels ortsspezifischer Mutagenese durchgeführt. Hiermit sollten die an der katalytischen Aktivität beteiligten Aminosäurereste im aktiven Zentrum identifiziert und deren Rolle bei der Dephosphorylierung spezifiziert werden. rnrnAuf Basis der strukturellen und möglichen funktionellen Ähnlichkeiten der sEH und anderen Mitgliedern der HAD Superfamilie wurden Aminosäuren (konservierte und teilweise konservierte Aminosäuren) im aktiven Zentrum der sEH Phosphatase-Domäne als Kandidaten ausgewählt.rnVon den Phosphatase-Domäne bildenden Aminosäuren wurden acht ausgewählt (Asp9 (D9), Asp11 (D11), Thr123 (T123), Asn124 (N124), Lys160 (K160), Asp184 (D184), Asp185 (D185), Asn189 (N189)), die mittels ortsspezifischer Mutagenese durch nicht funktionelle Aminosäuren ausgetauscht werden sollten. Dazu wurde jede der ausgewählten Aminosäuren durch mindestens zwei alternative Aminosäuren ersetzt: entweder durch Alanin oder durch eine Aminosäure ähnlich der im Wildtyp-Enzym. Insgesamt wurden 18 verschiedene rekombinante Klone generiert, die für eine mutante sEH Phosphatase Domäne kodieren, in dem lediglich eine Aminosäure gegenüber dem Wildtyp-Enzym ersetzt wurde. Die 18 Mutanten sowie das Wildtyp (Sequenz der N-terminalen Domäne ohne Mutation) wurden in einem Expressionsvektor in E.coli kloniert und die Nukleotidsequenz durch Restriktionsverdau sowie Sequenzierung bestätigt. Die so generierte N-terminale Domäne der sEH (25kD Untereinheit) wurde dann mittels Metallaffinitätschromatographie erfolgreich aufgereinigt und auf Phosphataseaktivität gegenüber des allgemeinen Substrats 4-Nitophenylphosphat getestet. Diejenigen Mutanten, die Phosphataseaktivität zeigten, wurden anschließend kinetischen Tests unterzogen. Basiered auf den Ergebnissen dieser Untersuchungen wurden kinetische Parameter mittels vier gut etablierter Methoden berechnet und die Ergebnisse mit der „direct linear blot“ Methode interpretiert. rnDie Ergebnisse zeigten, dass die meisten der 18 generierten Mutanten inaktiv waren oder einen Großteil der Enzymaktivität (Vmax) gegenüber dem Wildtyp verloren (WT: Vmax=77.34 nmol-1 mg-1 min). Dieser Verlust an Enzymaktivität ließ sich nicht durch einen Verlust an struktureller Integrität erklären, da der Wildtyp und die mutanten Proteine in der Chromatographie das gleiche Verhalten zeigten. Alle Aminosäureaustausche Asp9 (D9), Lys160 (K160), Asp184 (D184) und Asn189 (N189) führten zum kompletten Verlust der Phosphataseaktivität, was auf deren katalytische Funktion im N-terminalen Bereich der sEH hindeutet. Bei einem Teil der Aminosäureaustausche die für Asp11 (D11), Thr123 (T123), Asn124 (N124) und Asn185 (D185) durchgeführt wurden, kam es, verglichen mit dem Wildtyp, zu einer starken Reduktion der Phosphataseaktivität, die aber dennoch für die einzelnen Proteinmutanten in unterschiedlichem Ausmaß zu messen war (2 -10% and 40% of the WT enzyme activity). Zudem zeigten die Mutanten dieser Gruppe veränderte kinetische Eigenschaften (Vmax allein oder Vmax und Km). Dabei war die kinetische Analyse des Mutanten Asp11  Asn aufgrund der nur bei dieser Mutanten detektierbaren starken Vmax Reduktion (8.1 nmol-1 mg-1 min) und einer signifikanten Reduktion der Km (Asp11: Km=0.54 mM, WT: Km=1.3 mM), von besonderem Interesse und impliziert eine Rolle von Asp11 (D11) im zweiten Schritt der Hydrolyse des katalytischen Zyklus.rnZusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass alle in dieser Arbeit untersuchten Aminosäuren für die Phosphataseaktivität der sEH nötig sind und das aktive Zentrum der sEH Phosphatase im N-terminalen Bereich des Enzyms bilden. Weiterhin tragen diese Ergebnisse zur Aufklärung der potenziellen Rolle der untersuchten Aminosäuren bei und unterstützen die Hypothese, dass die Dephosphorylierungsreaktion in zwei Schritten abläuft. Somit ist ein kombinierter Reaktionsmechanismus, ähnlich denen anderer Enzyme der HAD Familie, für die Ausübung der Dephosphorylierungsfunktion denkbar. Diese Annahme wird gestützt durch die 3D-Struktur der N-terminalen Domäne, den Ergebnissen dieser Arbeit sowie Resultaten weiterer biochemischer Analysen. Der zweistufige Mechanismus der Dephosphorylierung beinhaltet einen nukleophilen Angriff des Substratphosphors durch das Nukleophil Asp9 (D9) des aktiven Zentrums unter Bildung eines Acylphosphat-Enzym-Zwischenprodukts, gefolgt von der anschließenden Freisetzung des dephosphorylierten Substrats. Im zweiten Schritt erfolgt die Hydrolyse des Enzym-Phosphat-Zwischenprodukts unterstützt durch Asp11 (D11), und die Freisetzung der Phosphatgruppe findet statt. Die anderen untersuchten Aminosäuren sind an der Bindung von Mg 2+ und/oder Substrat beteiligt. rnMit Hilfe dieser Arbeit konnte der katalytischen Mechanismus der sEH Phosphatase weiter aufgeklärt werden und wichtige noch zu untersuchende Fragestellungen, wie die physiologische Rolle der sEH Phosphatase, deren endogene physiologische Substrate und der genaue Funktionsmechanismus als bifunktionelles Enzym (die Kommunikation der zwei katalytischen Einheiten des Enzyms) wurden aufgezeigt und diskutiert.rn

The synthesis of maleic anhydride: study of a new process and improvement of the industrial catalyst

Maleic anhydride is an important chemical intermediate mainly produced by the selective oxidation of n-butane, an industrial process catalyzed by vanadyl pyrophosphate-based materials, (VO)2P2O7. The first topic was investigated in collaboration with a company specialized in the production of organic anhydrides (Polynt SpA), with the aim of improving the performance of the process for the selective oxidation of n-butane to maleic anhydride, comparing the behavior of an industrial vanadyl pyrophosphate catalysts when utilized either in the industrial plant or in lab-scale reactor. The study was focused on how the catalyst characteristics and reactivity are affected by the reaction conditions and how the addition of a dopant can enhance the catalytic performance. Moreover, the ageing of the catalyst was studied, in order to correlate the deactivation process with the modifications occurring in the catalyst. The second topic was produced within the Seventh Framework (FP7) European Project “EuroBioRef”. The study was focused on a new route for the synthesis of maleic anhydride starting from an alternative reactant produced by fermentation of biomass:“bio-1-butanol”. In this field, the different possible catalytic configurations were investigated: the process was divided into two main reactions, the dehydration of 1-butanol to butenes and the selective oxidation of butenes to maleic anhydride. The features needed to catalyze the two steps were analyzed and different materials were proposed as catalysts, namely Keggin-type polyoxometalates, VOPO4∙2H2O and (VO)2P2O7. The reactivity of 1-butanol was tested under different conditions, in order to optimize the performance and understand the nature of the interaction between the alcohol and the catalyst surface. Then, the key intermediates in the mechanism of 1-butanol oxidehydration to MA were studied, with the aim of understanding the possible reaction mechanism. Lastly, the reactivity of the chemically sourced 1-butanol was compared with that one of different types of bio-butanols produced by biomass fermentation.