Detection of alkali metal ions in DNA crystals using state-of-the-art X-ray diffraction experiments

The observation of light metal ions in nucleic acids crystals is generally a fortuitous event. Sodium ions in particular are notoriously difficult to detect because their X-ray scattering contributions are virtually identical to those of water and Na+…O distances are only slightly shorter than strong hydrogen bonds between well-ordered water molecules. We demonstrate here that replacement of Na+ by K+, Rb+ or Cs+ and precise measurements of anomalous differences in intensities provide a particularly sensitive method for detecting alkali metal ion-binding sites in nucleic acid crystals. Not only can alkali metal ions be readily located in such structures, but the presence of Rb+ or Cs+ also allows structure determination by the single wavelength anomalous diffraction technique. Besides allowing identification of high occupancy binding sites, the combination of high resolution and anomalous diffraction data established here can also pinpoint binding sites that feature only partial occupancy. Conversely, high resolution of the data alone does not necessarily allow differentiation between water and partially ordered metal ions, as demonstrated with the crystal structure of a DNA duplex determined to a resolution of 0.6 Å.

A structural investigation of the alkali metal site distribution within bioactive glass using neutron diffraction and multinuclear solid state NMR

The atomic-scale structure of Bioglass and the effect of substituting lithium for sodium within these glasses have been investigated using neutron diffraction and solid state magic angle spinning (MAS) NMR. Applying an effective isomorphic substitution difference function to the neutron diffraction data has enabled the Na-O and Li-O nearest-neighbour correlations to be isolated from the overlapping Ca-O, O-(P)-O and O-(Si)-O correlations. These results reveal that Na and Li behave in a similar manner within the glassy matrix and do not disrupt the short range order of the network former. Residual differences are attributed solely to the variation in ionic radius between the two species. Successful simplification of the 2

Swelling properties of alkali-metal doped polymeric anion-exchange membranes in alcohol media for application in fuel cells

Swelling properties of four commercial anion-exchange membranes with different structure have been analyzed in several hydro-organic media. With this target, the liquid uptake and the surface expansion of the membranes in contact with different pure liquids, water and alcohols (methanol, ethanol and 1-propanol), and with water alcohol mixtures with different concentrations have been experimentally determined in presence and in absence of an alkaline medium (LiOH, NaOH and KOH of different concentrations). The alkali-metal doping effect on the membrane water uptake has also been investigated, analyzing the influence of the hydroxide concentration and the presence of an alcohol in the doping solution. The results show that the membrane structure plays an essential role in the influence that alcohol nature and alkaline media has on the selective properties of the membrane. The heterogeneous membranes, with lower density, show higher liquid uptakes and dimensional changes than the homogeneous membranes, regardless of the doping conditions. (C) 2016 Hydrogen Energy Publications LLC. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Ionic selectivity of native ATP-activated (P2X) receptor channels in dissociated neurones from rat parasympathetic ganglia

1. The relative permeability of the native P2X receptor channel to monovalent and divalent inorganic and organic cations was determined from reversal potential measurements of ATP-evoked currents in parasympathetic neurones dissociated from rat submandibular ganglia using the dialysed whole-cell patch clamp technique. 2. The P2X receptor-channel exhibited weak selectivity among the alkali metals with a selectivity sequence of Na+ > Li+ > Cs+ > Rb+ > K+, and permeability ratios relative to Cs+ (P-X/P-Cs) ranging from 1. 11 to 0.86. 3. The selectivity for the divalent alkaline earth cations was also weak with the sequence Ca2+ > Sr2+ > Ba2+ > Mn2+ > Mg2+. ATP-evoked currents were strongly inhibited when the extracellular divalent cation concentration was increased. 4, The calculated permeability ratios of different ammonium cations are higher than those of the alkali metal cations. The permeability sequence obtained for the saturated organic cations is inversely correlated with the size of the cation. The unsaturated organic cations have a higher permeability than that predicted by molecular size. 5. Acidification to pH 6.2 increased the ATP-induced current amplitude twofold, whereas alkalization to 8.2 and 9.2 markedly reduced current amplitude. Cell dialysis with either anti-P2X(2) and/or anti-P2X(4) but not anti-P2X(1) antibodies attenuated the ATP-evoked current amplitude. Taken together, these data are consistent with homomeric and/or heteromeric P2X(2) and P2X(4) receptor subtypes expressed in rat submandibular neurones. 6. The permeability ratios for the series of monovalent organic cations, with the exception of unsaturated cations, were approximately related to the ionic size. The relative permeabilities of the monovalent inoganic and organic cations tested are similar to those reported previously for cloned rat P2X2 receptors expressed in mammalian cells.

Synthesis and complexation properties of some novel lariat-crown ethers

Several new lariat-crown ethers bearing either bridged bisdioxine or tetraoxaadamantane units as chiral substituents are prepared by reacting the corresponding amino-crown ether derivatives with the dimeric alpha-oxoketene, the latter obtained by flash vacuum pyrolysis of a furan-2,3-dione precursor. Complexation properties towards differently charged metal ions are investigated by H-1 NMR titration to obtain complexation constants (K-c-values for potassium/ sodium rhodanides: 480-1100 mol dm(-3)), as well as extraction experiments to explore the metal ion transportation abilities of the new lariat crown derivatives. In particular, a significantly increased ability to transport metal ions from water into chloroform was found with spherical tetraoxaadamantyl derivatives when compared with the free amino-benzocrown ethers.

Anisotropy in elastic properties of lithium sodium sulphate hexahydrate single crystal—An ultrasonic study

The double sulfate family (ABSO4), where A and B are alkali metal cations, is the object of great interest owing to the complexity and richness of its sequence of phase transition induced by temperature variation. A new sulfate salt characterized by the presence of water molecule in the unit cell with the chemical formula, Li2Na3(SO4)2⋅6H2O (LSSW), was obtained. The ultrasonic velocity measurement was done with pulse echo overlap technique [PEO]. All the six second order elastic stiffness constants, C11 = C22, C33, C44 = C55, C12, C14 and C13 = C23 are reported for the first time. The anisotropy in the elastic properties of the crystal are well explained by the pictorial representation of the polar plots of phase velocity, slowness, Young’s modulus and linear compressibility in a–b and a–c planes.

Ionic Recognition by 7-Nitro-1,3,5-triaza Adamantane: First Thermodynamic Study

A thermodynamic study involving 7-nitro-1,3,5-triaza adamantane, 1, and its interaction with metal cations in nonaqueous media is first reported. Solubility data of 1 in various solvents were used to derive the standard Gibbs energies of solution, Delta G(s)degrees in these solvents. The effect of solvation in the different media was assessed from the Gibbs energy of transfer taking acetonitrile as a reference solvent. (1)H NMR studies of the interaction of 1 and metal cations were carried out in CD(3)CN and CD(3)OD and the data are reported. Conductance measurements revealed that this ligand forms lead(II) or zinc complexes of 1: 1 stoichiometry in acetonitrile. It also revealed a stoichiometry of two molecules of 1 per mercury(II) and two cadmiu (II) ions per molecule of 1. The addition of silver salt to 1 led to the precipitation of the silver-1 complex which was isolated and characterized by X-ray crystallography. At variance with conductance measurements in solution, in the solid state the X-ray structure show`s a 1:1 stoichiometry in the Hg(II) complex. The themiodynamics of complexation of 1 and these cations provide a quantitative assessment of the selective behavior of this ligand for ions of environmental relevance.

Combined Crystallographic and Solution Molecular Dynamics Study of Allosteric Effects in Ester and Ketone p-tert-Butylcalix[4]arene Derivatives and Their Complexes with Acetonitrile, Cd(II), and Pb(II)

We describe here a procedure to bridge the gap in the field of calixarene physicochemistry between solid-state atomic-resolution structural information and the liquid-state low-resolution thermodynamics and spectroscopic data. We use MD simulations to study the kinetics and energetics involved in the complexation of lower rim calix[4]arene derivatives (L), containing bidentate ester (1) and ketone (2) pendant groups, with acetonitrile molecule (MeCN) and Cd2+ and Pb2+ ions (M2+) in acetonitrile solution. On one hand, we found that the prior inclusion of MeCN into the calix to form a L(MeCN) adduct has only a weak effect in preorganizing the hydrophilic cavity toward metal ion binding. On the other hand, the strong ion-hydrophilic cavity interaction produces a wide open calix which enhances the binding of one MeCN molecule (allosteric effect) to stabilize the whole (M2+)1(MeCN) bifunctional complex. We reach two major conclusions: (i) the MD results for the (M2+)1(MeCN) binding are in close agreement with the ""endo"", fully encapsulated, metal complex found by X-ray diffraction and in vacuo MD calculations, and (ii) the MD structure for the more flexible 2 ligand, however, differs from the also endo solid-state molecule. In fact, it shows strong solvation effects at the calixarene lower bore by competing MeCN molecules that share the metal coordination sphere with the four C=O oxygens of an ""exo"" (M2+)2(MeCN) complex.

Synthesis and characterization of β-RbSc(CrO4)2

Synthesis and crystallographic data are reported for the double rubidium-scandium chromate RbSc(CrO4)2. The parameters of the orthorhombic cell are a = 14.836(2) A ̊; b = 5.627(1) A ̊ and c = 8.835(4) A ̊, Z = 4. The compound is closely related to the lamellar double chromates with other alkali metal cations, iron, lanthanides and yttrium offering the advantage of obtaining inorganic materials for electronics. © 1995.

From discrete anions to extended solids: new uranium thiophosphates

Die wichtigste Klasse zeotyper Verbindungen sind die Thio- und Selenophosphate der Übergangsmetalle. Ziel dieser Dissertation war die Darstellung und Charakterisierung neuer Uranthiophosphate. Die dargestellten Verbindungen enthalten vierwertige Urankationen, die von acht Schwefelatomen koordiniert sind. Da die enthaltenen Thiophosphatanionen in den meisten Fällen als zweizähnige Liganden fungieren, entstehen dreidimensionale Netzwerke mit pseudotetraedrisch koordinierten Metallzentren. In der Verbindung U(P2S6)2 durchdringen sich drei identische diamantartige Netzwerke, wodurch optimale Raumerfüllung erreicht wird. Die Einführung von Alkalimetallkationen in das System führt zu einer Vielzahl neuer Verbindungen, deren Eigenschaften durch die Stöchiometrie der Edukte und durch die Kationenradien bestimmt werden. Beispielsweise enthält die Kristallstruktur von Na2U(PS4)2 zweidimensionale anionische [U(PS4)2]n-Schichten, während die analoge Verbindung CsLiU(PS4)2 eine poröse dreidimensionale Netzwerkstruktur besitzt. Der Vergleich der untersuchten quaternären und quinären Verbindungen zeigt, dass eine Korrelation zwischen dem Kationenradius und dem Durchmesser der Poren besteht. Dies lässt auf eine Templatfunktion der Alkalimetallkationen beim Aufbau der anionischen Teilstruktur schließen. Die neuen Verbindungen wurden aus reaktiven Polysulfidschmelzflüssen oder durch Auflösen amorpher Vorläufer in Alkalimetallchloridschmelzen synthetisiert. Die Kristallstrukturen wurden durch Einkristall-Röntgenmethoden bestimmt. Ein Vergleich der magnetischen Eigenschaften der Verbindungen beweist, dass in allen untersuchten Fällen U(IV) vorliegt. Die Substanzen zeigen paramagnetisches Verhalten, in UP2S7 und CsLiU(PS4)2 sind außerdem antiferromagnetische Wechselwirkungen zwischen benachbarten Uranatomen nachweisbar.

Oligosilyl- und Stannylderivate des Kupfers

Benzyltris(trimethylsilyl)silan konnte durch Reaktion mit Lithiummethanid oder Alkalimetall-tert-butanolaten (M-OtBu, M = Na, K, Rb, Cs) in die entsprechenden Alkalimetall-benzylbis(trimethylsilyl)silanide (M-Bnz, Bnz = Si(SiMe3)2CH2Ph) überführt werden. Die Strukturen dieser Verbindungen weisen viele Gemeinsamkeiten mit den entsprechenden Hypersilylverbindungen (Hypersilyl bzw. Hyp = Si(SiMe3)3) auf. Mit Ausnahme der Lithiumverbindung weisen die Natrium-, Kalium- und Rubidiumverbindungen jedoch noch intramolekulare Wechselwirkungen des Benzylrestes mit den Alkalimetallkationen auf. Die Benzylbis(trimethylsilyl)silanide der Alkalimetalle eignen sich zur Darstellung von Kupfersilylverbindungen. So konnten heteroleptische Cuprate (Bnz-Cu-OtBu-, Bnz-Cu-Hyp-) und monoleptische Cuprate (CuBnz2-), aber auch das ungeladene Kupfer-benzyl-bis(trimethylsilyl)silanid hergestellt werden. Auf analoge Weise wurde versucht, Alkalimetall- und Kupferverbindungen des Phenylbis(trimethylsilyl)silanides herzustellen. Da aber bereits bei der Synthese der Alkalimetallverbindungen die entsprechenden Hypersilanide als schwer abtrennbare Nebenprodukte entstanden, konnten keine ausführlichen Untersuchungen angestellt werden. Es konnten die Natrium- und Kaliumsalze des Dihypersilylcuprates hergestellt und strukturell charakterisiert werden. Die Natriumverbindung wurde nur als Nebenprodukt einer Reaktion von Kupfer(I)-cyanid mit Natriumhypersilanid erhalten, die entsprechende Kaliumverbindung ließ sich jedoch mit guten Ausbeuten gezielt aus Kupfer(I)-tert-butanolat herstellen. Beide Verbindungen weisen ein hantelförmiges Hyp-Cu-Hyp-Anion auf, die THF- bzw. THP-koordinierten Kationen liegen isoliert vom Anion vor. Eine neue Klasse von Kupfersilylverbindungen konnten durch Reaktion von Kupfer(I)-cyanid mit Alkalimetallhypersilaniden erzeugt werden. Dabei entstehen heteroleptische Cyano-hypersilyl-cuprate. Großen Einfluss auf die Strukturen üben die Alkalimetallkationen und Lösungsmittelmoleküle aus. So findet man bei den Lithiumverbindungen zweikernige Kupferkomplexe, die je nach Lösungsmittelgehalt unterschiedliche Anordnungen der Cyanid- und Hypersilanidanionen aufweisen. Lediglich die Kaliumverbindung weist lineare Cyanid-Kupfer-Hypersilanid-Einheiten auf, wie man sie analog von Organyl-cyano-cupraten kennt. Trotz vieler Gemeinsamkeiten vieler Silyl- und entsprechender Stannylverbindungen bezüglich Struktur und Reaktivität, erwies sich die Darstellung von Kupferstannyl-verbindungen schwieriger als erwartet. Zwar konnte in einer mehrstufigen Reaktion Kupfer-tris(trimethylsilyl)stannanid erhalten werden, auftretende Zwischen- und Nebenprodukte weisen jedoch auf das Auftreten von Umlagerungen und Redoxprozesse hin, die bei entsprechenden Kupfersilylverbindungen nicht beobachtet wurden.

Impact of potassium and phosphorus in biomass on the properties of fast Pyrolysis bio-oil

This study investigates fast pyrolysis bio-oils produced from alkali-metal-impregnated biomass (beech wood). The impregnation aim is to study the catalytic cracking of the pyrolysis vapors as a result of potassium or phosphorus. It is recognized that potassium and phosphorus in biomass can have a major impact on the thermal conversion processes. When biomass is pyrolyzed in the presence of alkali metal cations, catalytic cracking of the pyrolysis liquids occurs in the vapor phase, reducing the organic liquids produced and increasing yields of water, char, and gas, resulting in a bio-oil that has a lower calorific value and an increased chance of phase separation. Beech wood was impregnated with potassium or phosphorus (K impregnation and P impregnation, respectively) in the range of 0.10-2.00 wt %. Analytical pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry (Py-GC-MS) was used to examine the pyrolysis products during thermal degradation, and thermogravimetric analysis (TGA) was used to examine the distribution of char and volatiles. Both potassium and phosphorus are seen to catalyze the pyrolytic decomposition of biomass and modify the yields of products. 3-Furaldehyde and levoglucosenone become more dominant products upon P impregnation, pointing to rearrangement and dehydration routes during the pyrolysis process. Potassium has a significant influence on cellulose and hemicellulose decomposition, not just on the formation of levoglucosan but also other species, such as 2(5H)-furanone or hydroxymethyl-cyclopentene derivatives. Fast pyrolysis processing has also been undertaken using a laboratory-scale continuously fed bubbling fluidized-bed reactor with a nominal capacity of 1 kg h-1 at the reaction temperature of 525 °C. An increase in the viscosity of the bio-oil during the stability assessment tests was observed with an increasing percentage of impregnation for both additives. This is because bio-oil undergoes polymerization while placed in storage as a result of the inorganic content. The majority of inorganics are concentrated in the char, but small amounts are entrained in the pyrolysis vapors and, therefore, end up in the bio-oil.

Tris(trimethylsilyl)silyl substituted alkali- and transition metal guaiazulenides

In der vorliegenden Arbeit wird ein prochirales, aus natürlichen Resourcen gewonnenes Azulen, das Guajazulen genutzt, um neuartige chirale Cyclopentadienyl-Systeme aufzubauen. Mit Alkalimetallhypersilaniden als starke und sperrige Nukleophile gelingt es hypersilylsubstituierte Gujazulenide zu synthetisieren. Diese wurden mittels Elementaranalyse, NMR-Spektroskopie und Röntgendiffraktometrie charakterisiert. Durch nachfolgende Metathesen mit Übergangsmetallhalogeniden konnten in vielen Fällen die entsprechenden Metallocene erhalten werden. Die Experimente enthüllen eine ausgeprägte Regioselektivität der Addition des sperrigen Hypersilyanions an das Guajazulen, die durch das eingesetzte Lösungsmittel graduell verändert werden kann. In nicht-koordinierenden Lösungsmitteln findet man ausschließlich eine Addition an der 6-Position, die 6-Hypersilyl-2,6-dihydroguajazulenide (6-Hyp-Hgual) (M=Li 1, K 2, Cs 4) in ausgezeichneten Ausbeuten liefert. In polaren Solventien erhält man hingegen Mischungen der 6- und 8-Regioisomeren: 2 bzw. (8-Hyp-Hgual) (3). 2 bleibt aber hierbei das Hauptprodukt. Röntgenbeugungsexperimente zeigen, dass 1 im Kristall als dimerer Sandwich-Komplex, meso-[Li2(6-Hyp-Hgual)2], und die THF-Solvate (thf)4K(6-Hyp-Hgual) (2a) sowie (thf)4K(8-Hyp-Hgual) (3a) jeweils als Halb-Sandwich-Komplexe in einer racemischen Mischung vorliegen. Die Verbindungen 1, 2, 3 and 4 eignen sich sehr gut dazu, in Metathesereaktionen als Precursor für neuartige chirale Metallozen-Komplexe eingesetzt zu werden. Insbesondere das Kaliumderivat 2 besticht durch die einfache und relativ preiswerte Synthese, die erzielten hohen Ausbeuten (>80%) und seine leichte Handhabbarkeit. In THF als Solvent wurden die Metallocene 5:5-M’(6-Hyp-Hgual)2 (M’ = Mn 5, Fe 6, Ni 8) und 5:5-Fe(8-Hyp-Hgual)2 (7) erhalten. Bei Verwendung einiger redox-aktiver Metallhalogenide beobachtet man jedoch die Zersetzung der Metallocene unter Bildung des oxidativen Kopplungsproduktes (3-Hyp-6-Hgual)2 (9) sowie der Ausscheidung von Metall. Die Umsetzung von Halogeniden der Gruppe 4 (TiCl3 and M’’Cl4 (M’’ = Ti, Zr, Hf)) mit 2 liefert in THF ausschließlich die Metallozendichloride M’’(6-Hyp-Hgual)2Cl2 (M’’ = Ti (10), Zr (11), Hf (12)). Die erhaltenen Metallozenderivate fallen als Diastereomeren-Gemische an, die sich durch fraktionierende Kristallisation teilweise oder vollständig in ihre Bestandteile, das jeweilige R,R-Racemat und das R,S-meso-Diastereomer auftrennen lassen. Die Strukturen der rac-Diastereomere konnten durch Beugungsexperimente aufgeklärt werden. Durch eine Metathese von 2 mit Hyp-Cl kann eine zweite Hypersilylgruppe in die 2-Position des Guajazulen-Gerüstes eingeführt werden. Das entstehende 2,6-bis(Hyp)-H2gua (14) kann anschließend mit nBuLi in das extrem luft- und feuchtigkeitsempfindliche Li[2,6-bis(Hyp)-Hgual] (15) überführt werden, dass wie 1 eine dimere Sandwich-Struktur aufweist. Durch Einführung des zweiten Hypersilylrestes werden die chemischen Eigenschaften des Azulenids dramatisch verändert. Während Verbindung 1 sich als guter Precursor für Metallocene erwies, gelang es uns bislang nicht, entsprechende Derivate der Verbindung 15 zu isolieren.