Preparation of new crystal forms via photochemical, mechanochemical and sol-gel methods

This work of thesis involves various aspects of crystal engineering. Chapter 1 focuses on crystals containing crown ether complexes. Aspects such as the possibility of preparing these materials by non-solution methods, i.e. by direct reaction of the solid components, thermal behavior and also isomorphism and interconversion between hydrates are taken into account. In chapter 2 a study is presented aimed to understanding the relationship between hydrogen bonding capability and shape of the building blocks chosen to construct crystals. The focus is on the control exerted by shape on the organization of sandwich cations such as cobalticinium, decamethylcobalticinium and bisbenzenchromium(I) and on the aggregation of monoanions all containing carboxylic and carboxylate groups, into 0-D, 1-D, 2-D and 3-D networks. Reactions conducted in multi-component molecular assemblies or co-crystals have been recognized as a way to control reactivity in the solid state. The [2+2] photodimerization of olefins is a successful demonstration of how templated solid state synthesis can efficiently synthesize unique materials with remarkable stereoselectivity and under environment-friendly conditions. A demonstration of this synthetic strategy is given in chapter 3. The combination of various types of intermolecular linkages, leading to formation of high order aggregation and crystalline materials or to a random aggregation resulting in an amorphous precipitate, may not go to completeness. In such rare cases an aggregation process intermediate between crystalline and amorphous materials is observed, resulting in the formation of a gel, i.e. a viscoelastic solid-like or liquid-like material. In chapter 4 design of new Low Molecular Weight Gelators is presented. Aspects such as the relationships between molecular structure, crystal packing and gelation properties and the application of this kind of gels as a medium for crystal growth of organic molecules, such as APIs, are also discussed.

De Novo Design of Foldamers for Preparation of Nanostructured Materials

This thesis deals with the synthesis and the conformation analysis of hybrid foldamers containing the 4-carboxyoxazolidin-2-one unit or related molecules, in which an imido-type function is obtained by coupling the nitrogen of the heterocycle with the carboxylic acid moiety of the next unit. The imide group is characterized by a nitrogen atom connected to an endocyclic and an exocyclic carbonyl, which tend always to adopt the trans conformation. As a consequence of this locally constrained disposition effect, these imide-type oligomers are forced to fold in ordered conformations. The synthetic approach is highly tuneable with endless variations, so, simply by changing the design and the synthesis, a wide variety of foldamers with the required properties may be prepared “on demand”. Thus a wide variety of unusual secondary structures and interesting supramolecular materials may be obtained with hybrid foldamers. The behaviour in the solid state of some of these compounds has been analyzed in detail, thus showing the formation of different kinds of supramolecular materials that may be used for several applications. A winning example is the production of a bolaamphiphilic gelators that may also be doped with small amounts of dansyl containing compounds, needed to show the cellular uptake into IGROV-1 cells, by confocal laser scanning microscopy. These gels are readily internalized by cells and are biologically inactive, making them very good candidates in the promising field of drug delivery. In the last part of the thesis, a particular attention was directed to the search of new scaffolds that behave as constrained amino acid mimetics, showing that tetramic acids derivatives could be good candidates for the synthesis and applications of molecules having an ordered secondary structure.

Hyperverzweigte Lacton-Copolymere: enzymatische Synthese, Charakterisierung und Darstellung strukturierter Polymernetzwerke = (Hyperbranched lactone copolymers by enzyme catalysis: synthesis, characterization and preparation of structured polymer networks)

Hyperverzweigte Polymere erfuhren in den letzten Jahren immer mehr Beachtung, da sie im Vergleich zu ihren linearen Analoga besondere Eigenschaften besitzen. Im Jahre 2002 wurde die erste enzymkatalysierte Darstellung hyperverzweigter Poly(epsilon-caprolacton)e (hb-PCL) beschrieben. Hier ermöglichte das Konzept der konkurrierenden ringöffnenden Polymerisation und Polykondensation die Kontrolle der Eigenschaften des dargestellten Polymers. Detaillierte Untersuchungen in Hinblick auf Grenzen und Möglichkeiten, aber auch die Synthese im Technikumsmaßstab sind wesentliche Aspekte dieser Arbeit. Außerdem wird ein neues Konzept eingeführt, das Reknitting genannt wurde. Ziel desselben ist das Recycling kommerziellen, linearen PCLs mittels Umesterung zu hb-PCL durch Enzymkatalyse. Diese hb-PCLs zeigen vergleichbare Eigenschaften zu den aus den Comonomeren dargestellten. Ausgehend von hb-PCL sollte eine geeignete Route zu methacrylierten Vernetzerverbindungen entwickelt werden. Aus Mischungen derselben mit 2-Hydroxyethylmethacrylat wurden komplexe Netzwerkarchitekturen durch Copolymerisation erhalten. Diese Netzwerke wurden in Hinblick auf ihre mechanisch physikalischen Eigenschaften untersucht. Zuletzt wurden Screeningexperimente an anderen zyklischen Estern durchgeführt, da ein Transfer des oben vorgestellten Konzepts angestrebt wurde. Zwei neue hyperverzweigte Polymerklassen, hb-Poly(delta-valerolacton) und hb-Polytrimethylencarbonat wurden detaillierter untersucht und in Ihren Eigenschaften mit hb-PCL verglichen.

Alkylidene malonates and acetoacetates as intermediates for the preparation of bioactive molecules

In this thesis we investigated the versatility and the potential applications of different kinds of alkylidene malonates, acetoacetates, malonamides and acetoacetoamides. Our research group devoted great attention to this kind of compounds since alkylidenes can be considered important intermediates in the synthesis of several scaffolds, to be inserted into molecules of potential biological and pharmaceutical interest. The increasing use of alkylidenes is due to their ability to react as unsaturated electrophiles and to the possibility to exploit them as intermediates for the introduction of different kind of functionalities.The preparation of alkylidene malonates, acetoacetates, malonamides and acetoacetoamides is presented in chapter 1. This section deals with different preparation methods of alkylidenes that we developed during the last few years and to the technologies involved for each synthetic protocol. The reactivity that allowed to use the alkylidenes as intermediates in the synthesis of scaffolds for biologically active compounds is shown in chapter 2. In particular, we will discuss the most important reactions used to obtain the desired molecules, and we will focus on the most interesting aspects of these latter ones. Finally, chapter 3 will illustrate the potential applications and the related syntheses of potential bioactive compounds. The synthesized molecules find application in several fields and for this reason we considered each class of compounds in its related branch of interest.

Preparation of cold Mg + ion clouds for sympathetic cooling of highly charged ions at SPECTRAP

Die Elektronen in wasserstoff- und lithium-ähnlichen schweren Ionen sind den extrem starken elektrischen und magnetischen Feldern in der Umgebung des Kerns ausgesetzt. Die Laserspektroskopie der Hyperfeinaufspaltung im Grundzustand des Ions erlaubt daher einen sensitiven Test der Quantenelektrodynamik in starken Feldern insbesondere im magnetischen Sektor. Frühere Messungen an wasserstoffähnlichen Systemen die an einer Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) und am Experimentierspeicherring (ESR) der GSI Darmstadt durchgeführt wurden, waren in ihrer Genauigkeit durch zu geringe Statistik, einer starken Dopplerverbreiterung und der großen Unsicherheit in der Ionenenergie limitiert. Das ganze Potential des QED-Tests kann nur dann ausgeschöpft werden, wenn es gelingt sowohl wasserstoff- als auch lithium-ähnliche schwere Ionen mit einer um 2-3 Größenordnung gesteigerten Genauigkeit zu spektroskopieren. Um dies zu erreichen, wird gegenwärtig das neue Penningfallensystem SPECTRAP an der GSI aufgebaut und in Betrieb genommen. Es ist speziell für die Laserspektroskopie an gespeicherten hochgeladenen Ionen optimiert und wird in Zukunft von HITRAP mit nierderenergetischen hochgeladenen Ionen versorgt werden.rnrnSPECTRAP ist eine zylindrische Penningfalle mit axialem Zugang für die Injektion von Ionen und die Einkopplung eines Laserstrahls sowie einem radialen optischen Zugang für die Detektion der Fluoreszenz. Um letzteres zu realisieren ist der supraleitende Magnet als Helmholtz-Spulenpaar ausgelegt. Um die gewünschte Genauigkeit bei der Laserspektroskopie zu erreichen, muss ein effizienter und schneller Kühlprozess für die injizierten hochegeladenen Ionen realisiert werden. Dies kann mittels sympathetischer Kühlung in einer lasergekühlten Wolke leichter Ionen realisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Lasersystem und eine Ionenquelle für die Produktion einer solchen 24Mg+ Ionenwolke aufgebaut und erfolgreich an SPECTRAP in Betrieb genommen. Dazu wurde ein Festkörperlasersystem für die Erzeugung von Licht bei 279.6 nm entworfen und aufgebaut. Es besteht aus einem Faserlaser bei 1118 nm der in zwei aufeinanderfolgenden Frequenzverdopplungsstufen frequenzvervierfacht wird. Die Verdopplerstufen sind als aktiv stabilisierte Resonantoren mit nichtlinearen Kristallen ausgelegt. Das Lasersystem liefert unter optimalen Bedingeungen bis zu 15 mW bei der ultravioletten Wellenlänge und erwies sich während der Teststrahlzeiten an SPECTRAP als ausgesprochen zuverlässig. Desweiteren wurde eine Ionequelle für die gepulste Injektion von Mg+ Ionen in die SPECTRAP Falle entwickelt. Diese basiert auf der Elektronenstoßionisation eines thermischen Mg-Atomstrahls und liefert in der gepulsten Extraktion Ionenbündel mit einer kleinen Impuls- und Energieverteilung. Unter Nutzung des Lasersystems konnten damit an SPECTRAP erstmals Ionenwolken mit bis zu 2600 lasergekühlten Mg Ionen erzeugt werden. Der Nachweis erfolgte sowohl mittels Fluoreszenz als auch mit der FFT-ICR Technik. Aus der Analyse des Fluoreszenz-Linienprofils lässt sich sowohl die Sensitivität auf einzelne gespeicherte Ionen als auch eine erreichte Endtemperatur in der Größenordnung von ≈ 100 mK nach wenigen Sekunden Kühlzeit belegen.

Preparation of intact bovine tail intervertebral discs for organ culture

The intervertebral disc (IVD) is the joint of the spine connecting vertebra to vertebra. It functions to transmit loading of the spine and give flexibility to the spine. It composes of three compartments: the innermost nucleus pulposus (NP) encompassing by the annulus fibrosus (AF), and two cartilaginous endplates connecting the NP and AF to the vertebral body on both sides. Discogenic pain possibly caused by degenerative intervertebral disc disease (DDD) and disc herniations has been identified as a major problem in our modern society. To study possible mechanisms of IVD degeneration, in vitro organ culture systems with live disc cells are highly appealing. The in vitro culture of intact bovine coccygeal IVDs has advanced to a relevant model system, which allows the study of mechano-biological aspects in a well-controlled physiological and mechanical environment. Bovine tail IVDs can be obtained relatively easy in higher numbers and are very similar to the human lumbar IVDs with respect to cell density, cell population and dimensions. However, previous bovine caudal IVD harvesting techniques retaining cartilaginous endplates and bony endplates failed after 1-2 days of culture since the nutrition pathways were obviously blocked by clotted blood. IVDs are the biggest avascular organs, thus, the nutrients to the cells in the NP are solely dependent on diffusion via the capillary buds from the adjacent vertebral body. Presence of bone debris and clotted blood on the endplate surfaces can hinder nutrient diffusion into the center of the disc and compromise cell viability. Our group established a relatively quick protocol to "crack"-out the IVDs from the tail with a low risk for contamination. We are able to permeabilize the freshly-cut bony endplate surfaces by using a surgical jet lavage system, which removes the blood clots and cutting debris and very efficiently reopens the nutrition diffusion pathway to the center of the IVD. The presence of growth plates on both sides of the vertebral bone has to be avoided and to be removed prior to culture. In this video, we outline the crucial steps during preparation and demonstrate the key to a successful organ culture maintaining high cell viability for 14 days under free swelling culture. The culture time could be extended when appropriate mechanical environment can be maintained by using mechanical loading bioreactor. The technique demonstrated here can be extended to other animal species such as porcine, ovine and leporine caudal and lumbar IVD isolation.

Guidance for the preparation of neurological management guidelines by EFNS scientific task forces - revised recommendations 2012

This paper is meant to provide guidance to anyone wishing to write a neurological guideline for diagnosis or treatment, and is directed at the Scientist Panels and task forces of the European Federation of Neurological Societies (EFNS). It substitutes the previous guidance paper from 2004. It contains several new aspects: the guidance is now based on a change of the grading system for evidence and for the resulting recommendations, and has adopted The Grading of Recommendations, Assessment, Development and Evaluation system (GRADE). The process of grading the quality of evidence and strength of recommendations can now be improved and made more transparent. The task forces embarking on the development of a guideline must now make clearer and more transparent choices about outcomes considered most relevant when searching the literature and evaluating their findings. Thus, the outcomes chosen will be more critical, more patient-oriented and easier to translate into simple recommendations. This paper also provides updated practical recommendations for planning a guideline task force within the framework of the EFNS. Finally, this paper hopes to find the approval also by the relevant bodies of our future organization, the European Academy of Neurology.