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

Developments for transactinide chemistry experiments behind the gas-filled separator TASCA

Topic of this thesis is the development of experiments behind the gas-filled separator TASCA(TransActinide Separator and Chemistry Apparatus) to study the chemical properties of the transactinide elements.rnIn the first part of the thesis, the electrodepositions of short-lived isotopes of ruthenium and osmium on gold electrodes were studied as model experiments for hassium. From literature it is known that the deposition potential of single atoms differs significantly from the potential predicted by the Nernst equation. This shift of the potential depends on the adsorption enthalpy of therndeposited element on the electrode material. If the adsorption on the electrode-material is favoured over the adsorption on a surface made of the same element as the deposited atom, the electrode potential is shifted to higher potentials. This phenomenon is called underpotential deposition.rnPossibilities to automatize an electro chemistry experiment behind the gas-filled separator were explored for later studies with transactinide elements.rnThe second part of this thesis is about the in-situ synthesis of transition-metal-carbonyl complexes with nuclear reaction products. Fission products of uranium-235 and californium-249 were produced at the TRIGA Mainz reactor and thermalized in a carbon-monoxide containing atmosphere. The formed volatile metal-carbonyl complexes could be transported in a gas-stream.rnFurthermore, short-lived isotopes of tungsten, rhenium, osmium, and iridium were synthesised at the linear accelerator UNILAC at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt. The recoiling fusion products were separated from the primary beam and the transfer products in the gas-filled separator TASCA. The fusion products were stopped in the focal plane of TASCA in a recoil transfer chamber. This chamber contained a carbon-monoxide – helium gas mixture. The formed metal-carbonyl complexes could be transported in a gas stream to various experimental setups. All synthesised carbonyl complexes were identified by nuclear decay spectroscopy. Some complexes were studied with isothermal chromatography or thermochromatography methods. The chromatograms were compared with Monte Carlo Simulations to determine the adsorption enthalpyrnon silicon dioxide and on gold. These simulations based on existing codes, that were modified for the different geometries of the chromatography channels. All observed adsorption enthalpies (on silcon oxide as well as on gold) are typical for physisorption. Additionally, the thermalstability of some of the carbonyl complexes was studied. This showed that at temperatures above 200 °C therncomplexes start to decompose.rnIt was demonstrated that carbonyl-complex chemistry is a suitable method to study rutherfordium, dubnium, seaborgium, bohrium, hassium, and meitnerium. Until now, only very simple, thermally stable compounds have been synthesized in the gas-phase chemistry of the transactindes. With the synthesis of transactinide-carbonyl complexes a new compound class would be discovered. Transactinide chemistry would reach the border between inorganic and metallorganic chemistry.rnFurthermore, the in-situ synthesised carbonyl complexes would allow nuclear spectroscopy studies under low background conditions making use of chemically prepared samples.

Boron determination in biological samples - Intercomparison of three analytical methods to assist development of a treatment protocol for neoplastic diseases of the liver with Boron Neutron Capture Therapy

Die Bor-Neuroneneinfang-Therapie (engl.: Boron Neutron Capture Therapy, BNCT) ist eine indirekte Strahlentherapie, welche durch die gezielte Freisetzung von dicht ionisierender Strahlung Tumorzellen zerstört. Die freigesetzten Ionen sind Spaltfragmente einer Kernreaktion, bei welcher das Isotop 10B ein niederenergetisches (thermisches) Neutron einfängt. Das 10B wird durch ein spezielles Borpräparat in den Tumorzellen angereichert, welches selbst nicht radioaktiv ist. rnAn der Johannes Gutenberg-Universität Mainz wurde die Forschung für die Anwendung eines klinischen Behandlungsprotokolls durch zwei Heilversuche bei Patienten mit kolorektalen Lebermetastasen an der Universität Pavia, Italien, angeregt, bei denen die Leber außerhalb des Körpers in einem Forschungsreaktor bestrahlt wurde. Als erster Schritt wurde in Kooperation verschiedener universitärer Institute eine klinische Studie zur Bestimmung klinisch relevanter Parameter wie der Borverteilung in verschiedenen Geweben und dem pharmakokinetischen Aufnahmeverhalten des Borpräparates initiiert.rnDie Borkonzentration in den Gewebeproben wurde hinsichtlich ihrer räumlichen Verteilung in verschiedenen Zellarealen bestimmt, um mehr über das Aufnahmeverhalten der Zellen für das BPA im Hinblick auf ihre biologischen Charakteristika zu erfahren. Die Borbestimung wurde per Quantitative Neutron Capture Radiography, Prompt Gamma Activation Analysis und Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy parallel zur histologischen Analyse des Gewebes durchgeführt. Es war möglich zu zeigen, dass in Proben aus Tumorgewebe und aus tumorfreiem Gewebe mit unterschiedlichen morphologischen Eigenschaften eine sehr heterogene Borverteilung vorliegt. Die Ergebnisse der Blutproben werden für die Erstellung eines pharmakokinetischen Modells verwendet und sind in Übereinstimmung mit existierenden pharmakokinetische Modellen. Zusätzlich wurden die Methoden zur Borbestimmung über speziell hergestellte Referenzstandards untereinander verglichen. Dabei wurde eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse festgestellt, ferner wurde für alle biologischen Proben Standardanalyseprotokolle erstellt.rnDie bisher erhaltenen Ergebnisse der klinischen Studie sind vielversprechend, lassen aber noch keine endgültigen Schlussfolgerungen hinsichtlich der Wirksamkeit von BNCT für maligne Lebererkrankungen zu. rn

MikroSISAK für die Chemie der schwersten Elemente

ZusammenfassungrnDie vorliegende Arbeit beschreibt Experimente mit einer Apparatur namens Mikro-rnSISAK, die in der Lage ist, eine Flüssig-Flüssig-Extraktion im Mikroliter-Maßstab durchzuführen. Dabei werden zwei nicht mischbare Flüssigkeiten in einer Mikrostruktur emulgiert und anschließend über eine Teflonmembran wieder entmischt.rnIn ersten Experimenten wurden verschiedene Extraktionssysteme für Elemente derrnGruppen 4 und 7 des Periodensystems der Elemente untersucht und die Ergebnisse mit denen aus Schüttelversuchen verglichen. Da die zunächst erreichten Extraktionsausbeuten nicht ausreichend waren, wurden verschiedene Maßnahmen zu deren Verbesserung herangezogen.rnZunächst hat man mit Hilfe eines an die MikroSISAK-Apparatur angelegten Heizelements die dort für die Extraktion herrschende Temperatur erhöht. Dies führte wie erhofft zu einer höheren Extraktionsausbeute.rnDes Weiteren wurde MikroSISAK vom Institut für Mikrotechnik Mainz, welches derrnEntwickler und Konstrukteur der Apparatur ist, durch eine Erweiterung modifiziert, um den Kontakt der beiden Phasen zwischen Mischer und Separationseinheit zu verlängern. Auch dies verbesserte der Extraktionsausbeute.rnNun erschienen die erzielten Ergebnisse als ausreichend, um die Apparatur für online-Experimente an den TRIGA-Reaktor Mainz zu koppeln. Hierfür wurden durch Kernreaktion erzeugte Spaltprodukte des Technetiums MikroSISAK zugeführt, um sie dort abzutrennen und anschließend über ihren Zerfall an einem Detektor nachzuweisen. Neben erfolgreichen Ergebnissen lieferten diese Experimente auch die Belege für die Funktionsfähigkeit eines neuen Entgasers und für die Möglichkeit sowohl diesen als auch ein adäquates Detektorsystem an die MikroSISAK-Apparatur anzuschließen.rnDies schafft die Voraussetzung für die eigentliche Anwendungsidee, die hinter der Entwicklung von MikroSISAK steckt: Die Untersuchung der chemischen Eigenschaften von kurzlebigen superschweren Elementen (SHE) an einem Schwerionenbeschleuniger. Es liegt nahe, solche Experimente für das schwere Homologe des Technetiums, Element 107, Bohrium, ins Auge zu fassen.

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.

Selective oxidation of 5-hydroxymethylfurfural using monometallic and bimetallic supported nanoparticles

This work deals with the oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) using metal supported catalysts. Catalysts were prepared from the immobilisation of preformed monometallic (Au, Pd) and bimetallic (AuCu, AuPd) nanoparticles on commercial oxides (TiO2, CeO2). Au-TiO2 catalyst was found to be very active for HMF oxidation; however, this system deactivated very fast. For this reason, we prepared bimetallic gold-copper nanoparticles and an increase in the catalytic activity was observed together with an increase in catalyst stability. In order to optimise the interaction of the metal active phase with the support, Au and AuCu nanoparticles were supported onto CeO2. Au-CeO2 catalyst was found to be more active than the bimetallic one, leading to the conclusion that in this case the most important feature is the interaction between gold and the support. Catalyst pre-treatments (calcination and washing) were carried out to maximise the contact between the metal and the oxide and an increase in the FDCA production could be observed. The presence of ceria defective sites was crucial for FDCA formation. Mesoporous cerium oxide was synthesised with the hard template method and was used as support for Au nanoparticles to promote the catalytic activity. In order to study the role of active phase in HMF oxidation, PdAu nanoparticles were supported onto TiO2. Au and Pd monometallic catalysts were very active in the formation of HMFCA (5-hydroxymethyl-2-furan carboxylic acid), but Pd was not able to convert it, leading to a low FDCA yield. The calcination of PdAu catalysts led to Pd segregation on the particles surface, which changed the reaction pathway and included an important contribution of the Cannizzaro reaction. PVP protected PdAu nanoparticles, synthesised with different morphologies (core-shell and alloyed structure), confirmed the presence of a different reaction mechanism when the metal surface composition changes.

New and More Sustainable Processes for the Synthesis of Phenolics: 2-phenoxyethanol and hydroxytyrosol

The research work has dealt with the study of new catalytic processes for the synthesis of fine chemicals belonging to the class of phenolics, namely 2-phenoxyethanol and hydroxytyrosol. The two synthetic procedures investigated have the advantages of being much closer to the Green Chemistry principles than those currently used industrially. In both cases, the challenge was that of finding catalysts and methods which led to the production of less waste, and used less hazardous chemicals, safer solvents, and reusable heterogeneous catalysts. In the case of 2-phenoxyethanol, the process investigated involves the use of ethylene carbonate (EC) as the reactant for phenol O-hydroxyethylation, in place of ethylene oxide. Besides being a safer reactant, the major advantage of using EC in the new synthesis is the better selectivity to the desired product achieved. Moreover, the solid catalyst based on Na-mordenite was fully recyclable. The reaction mechanism and the effect of the Si/Al ratio in the mordenite were investigated. In the case of hydroxytyrosol, which is one of the most powerful natural antioxidants, a new synthetic procedure was investigated; in fact, the method currently employed, the hydrolysis of oleuropein, an ester extracted from the waste water processing of the olive, makes use of large amounts of organic solvents (hexane, ethyl acetate), and involves several expensive steps of purification. The synthesis procedure set up involves first the reaction between catechol and 2,2-dimethoxyacetaldehyde, followed by the one-pot reduction of the intermediate to give the desired product. Both steps were optimized, in terms of catalyst used, and of reaction conditions, that allowed to reach ca 70% yield in each step. The reaction mechanism was investigated and elucidated. During a 3-month period spent at the University of Valencia (with Prof. A. Corma’s group), a process for the production of diesel additives (2,5-bis(propoxymethyl)furan) from fructose has been investigated.

Selective photo-oxidation of glucose

Biomass transformation into high-value chemicals has attracted attention according to the “green chemistry” principles. Low price and high availability make biomass one of the most interesting renewable resources as it provides the means to create sustainable alternatives to the oil-derived building blocks of the chemical industry In recent year, the need for alternative environmentally friendly routes to drive chemical reactions has in photocatalytic processes an interesting way to obtain valuable chemicals from various sources using the solar light as energy source. The purpose of this work was to use supported noble metal nanoparticles in the selective photo-oxidation of glucose through using visible light. Glucose was chosen as model molecule because it is the cheapest and the most common monosaccharide. Few studies about glucose photo oxidation have been conducted so far, and reaction mechanism is still not totally explained. The aim of this work was to systematically analyze and assess the impact of several parameters (eg. catalyst/substrate ratio, reaction time, effect of the solvent and light source) on the reaction pathway and to monitor the product distribution in order to draw a general reaction scheme for the photo oxidation of glucose under visible light. This study regards the reaction mechanism and the influence of several parameters, such as solvent, light power and substrate concentration. Furthermore, the work focuses on the influence of gold and silver nanoparticles and on the influence of metal loading. The glucose oxidation was monitored through the mass balance and the products selectivity. Reactions were evaluated in terms of glucose conversion, mass balance and selectivities towards arabinose and gluconic acid. In conclusion, this study is able to demonstrate that the photo oxidation of glucose under visible light is feasible; the full identification of the main products allows, for the first time, a comprehensive reaction mechanism scheme.

Complessi carbenici N-eterociclici di rutenio: catalizzatori omogenei in reazioni di idrogenazione e deidrogenazione

Il presente lavoro di tesi si inserisce in un progetto di ricerca volto alla sintesi di nuovi complessi di metalli di transizione per lo sviluppo di catalizzatori bifunzionali metallo-legante da impiegare in reazioni di catalisi omogenea, in particolare in reazioni redox quali idrogenazione e deidrogenazione attraverso il trasferimento di idrogeno. Il mio progetto ha riguardato la messa a punto della sintesi di complessi di Ru(0) che combinano leganti ciclopentadienonici e carbeni N-eterociclici e la sintesi dei corrispondenti complessi cationici per protonazione. Inoltre, è stato sintetizzato e caratterizzato un nuovo complesso cationico attraverso la metilazione del corrispettivo complesso neutro. I complessi sintetizzati sono stati utilizzati come precursori di catalizzatori nella riduzione tramite trasferimento di idrogeno del 4-fluoroacetofenone, valutandone l’attività catalitica in relazione a leganti, additivi e controioni. Allo scopo di delineare qualche ipotesi sul meccanismo di reazione sono stati effettuati diversi studi sulla reattività dei complessi impiegati in catalisi, in particolare usando la piridina come agente di “trapping”. Infine, è stato condotto uno studio preliminare dell’attività catalitica dei complessi sintetizzati nell’ossidazione di benzilalcol a benzaldeide. The present work is part of a research project that involves the study of new ruthenium-based transition metal complexes in order to develop new metal-ligand bifunctional catalysts to employ in homogeneous catalytic systems, in particular in redox reactions such as hydrogenation and dehydrogenation through hydrogen transfer. My project is focused on the optimization of the synthesis of Ru(0) complexes that combines different ligands as tetraphenylcyclopentadienone and N-heterocyclic carbenes and the synthesis of the corresponding cationic complexes by protonation. Furthermore, it is reported the synthesis and characterization of a new cationic complex obtained by methylation of the corresponding neutral complex. All the prepared complexes were employed as catalyst precursors in the transfer hydrogenation of 4-fluoroacetophenone and their performances were investigated in relation to the type of ligands, additives and counterions. The reactivity of these ruthenium complexes was also investigated with the aim of delineate some hypothesis on the reaction mechanism, in particular employing pyridine as a trapping agent. Finally, preliminary studies on the oxidation of benzyl alcohol have been carried out.

The recoil transfer chamber - An interface to connect the physical preseparator TASCA with chemistry and counting setups

Performing experiments with transactinide elements demands highly sensitive detection methods due to the extremely low production rates (one-atom-at-a-time conditions). Preseparation with a physical recoil separator is a powerful method to significantly reduce the background in experiments with sufficiently long-lived isotopes (t1/2≥0.5 s). In the last years, the new gas-filled TransActinide Separator and Chemistry Apparatus (TASCA) was installed and successfully commissioned at GSI. Here, we report on the design and performance of a Recoil Transfer Chamber (RTC) for TASCA—an interface to connect various chemistry and counting setups with the separator. Nuclear reaction products recoiling out of the target are separated according to their magnetic rigidity within TASCA, and the wanted products are guided to the focal plane of TASCA. In the focal plane, they pass a thin Mylar window that separates the ∼1 mbar atmosphere in TASCA from the RTC kept at ∼1 bar. The ions are stopped in the RTC and transported by a continuous gas flow from the RTC to the ancillary setup. In this paper, we report on measurements of the transportation yields under various conditions and on the first chemistry experiments at TASCA—an electrochemistry experiment with osmium and an ion exchange experiment with the transactinide element rutherfordium.

COMBUSTION INITIATION BY ELECTRICAL-DISCHARGE-INDUCED PLASMA IN LEAN AND DILUTE METHANE-AIR MIXTURE: EXPERIMENTAL AND MODELING INVESTIGATION

This dissertation represents experimental and numerical investigations of combustion initiation trigged by electrical-discharge-induced plasma within lean and dilute methane air mixture. This research topic is of interest due to its potential to further promote the understanding and prediction of spark ignition quality in high efficiency gasoline engines, which operate with lean and dilute fuel-air mixture. It is specified in this dissertation that the plasma to flame transition is the key process during the spark ignition event, yet it is also the most complicated and least understood procedure. Therefore the investigation is focused on the overlapped periods when plasma and flame both exists in the system. Experimental study is divided into two parts. Experiments in Part I focuses on the flame kernel resulting from the electrical discharge. A number of external factors are found to affect the growth of the flame kernel, resulting in complex correlations between discharge and flame kernel. Heat loss from the flame kernel to code ambient is found to be a dominant factor that quenches the flame kernel. Another experimental focus is on the plasma channel. Electrical discharges into gases induce intense and highly transient plasma. Detailed observation of the size and contents of the discharge-induced plasma channel is performed. Given the complex correlation and the multi-discipline physical/chemical processes involved in the plasma-flame transition, the modeling principle is taken to reproduce detailed transitions numerically with minimum analytical assumptions. Detailed measurement obtained from experimental work facilitates the more accurate description of initial reaction conditions. The novel and unique spark source considering both energy and species deposition is defined in a justified manner, which is the key feature of this Ignition by Plasma (IBP) model. The results of numerical simulation are intuitive and the potential of numerical simulation to better resolve the complex spark ignition mechanism is presented. Meanwhile, imperfections of the IBP model and numerical simulation have been specified and will address future attentions.