Stereoselective Catalytic Processes for the Synthesis of Polycyclic Aromatic Compounds

In this PhD-thesis, two methodologies for enantioselective intramolecular ring closing reaction on indole cores are presented. The first methodology represents a highly stereoselective alkylation of the indole N1-nitrogen, leading to 3,4-dihydro-pyrazinoindol-1-ones – a structural class which is known for its activity on the CNS and therefore of high pharmacological interest concerning related diseases. In this approach, N-benzyl cinchona-alkaloids were used for the efficient catalysis of intramolecular aza-Michael reactions. Furthermore, computational studies in collaboration with the research group Prof. Andrea Bottoni (Department of Chemistry “G. Ciamician”, Bologna) were accomplished in order to get insight into the key interactions between catalyst and substrate, leading to enantiomeric excesses up to 91%. The results of the calculations on a model system are in accordance with the experimental results and demonstrate the high sensibility of the system towards structural modifications. The second project deals with a metal catalyzed, intramolecular Friedel-Crafts (FC)-reaction on indolyl substrates, carrying a side chain which on its behalf is furnished with an allylic alcohol unit. Allylic alcohols are part of the structural class of “π-activated alcohols” – alcohols, which are more easily activated due to the proximity to a π-unit (allyl-, propargyl-, benzyl-). The enantioselective intramolecular cyclization event is catalyzed efficiently by employment of a chiral Au(I)-catalyst, leading to 1-vinyl- or 4-vinyl-tetrahydrocarbazoles (THCs) under the formation of water as byproduct. This striking and novel process concerning the direct activation of alcohols in catalytic FC-reactions was subsequently extended to similar precursors, leading to functionalized tetrahydro-β-carbolines. These two methodologies represent highly efficient approaches towards the synthesis of scaffolds, which are of enormous pharmaceutical interest and amplify the spectra of enantioselective catalytic functionalisations of indoles.

Design and development of new green catalytic methodologies for the synthesis of enantiomerically enriched molecules

The following Ph.D work was mainly focused on catalysis, as a key technology, to achieve the objectives of sustainable (green) chemistry. After introducing the concepts of sustainable (green) chemistry and an assessment of new sustainable chemical technologies, the relationship between catalysis and sustainable (green) chemistry was briefly discussed and illustrated via an analysis of some selected and relevant examples. Afterwards, as a continuation of the ongoing interest in Dr. Marco Bandini’s group on organometallic and organocatalytic processes, I addressed my efforts to the design and development of novel catalytic green methodologies for the synthesis of enantiomerically enriched molecules. In the first two projects the attention was focused on the employment of solid supports to carry out reactions that still remain a prerogative of omogeneous catalysis. Firstly, particular emphasis was addressed to the discovery of catalytic enantioselective variants of nitroaldol condensation (commonly termed Henry reaction), using a complex consisting in a polyethylene supported diamino thiopene (DATx) ligands and copper as active species. In the second project, a new class of electrochemically modified surfaces with DATx palladium complexes was presented. The DATx-graphite system proved to be efficient in promoting the Suzuki reaction. Moreover, in collaboration with Prof. Wolf at the University of British Columbia (Vancouver), cyclic voltammetry studies were reported. This study disclosed new opportunities for carbon–carbon forming processes by using heterogeneous, electrodeposited catalyst films. A straightforward metal-free catalysis allowed the exploration around the world of organocatalysis. In fact, three different and novel methodologies, using Cinchona, Guanidine and Phosphine derivatives, were envisioned in the three following projects. An interesting variant of nitroaldol condensation with simple trifluoromethyl ketones and also their application in a non-conventional activation of indolyl cores by Friedel-Crafts-functionalization, led to two novel synthetic protocols. These approaches allowed the preparation of synthetically useful trifluoromethyl derivatives bearing quaternary stereocenters. Lastly, in the sixth project the first γ-alkylation of allenoates with conjugated carbonyl compounds was envisioned. In the last part of this Ph.D thesis bases on an extra-ordinary collaboration with Prof. Balzani and Prof. Gigli, I was involved in the synthesis and characterization of a new type of heteroleptic cyclometaled-Ir(III) complexes, bearing bis-oxazolines (BOXs) as ancillary ligands. The new heteroleptic complexes were fully characterized and in order to examine the electroluminescent properties of FIrBOX(CH2), an Organic Light Emitting Device was realized.

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).

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.

New catalytic processes for the synthesis of adipic acid

The aim of my Ph.D. research was to study the new synthetic ways for the production of adipic acid. Three different pathways were studied: i) oxidation of cyclohexanone with molecular oxygen using Keggin – heteropolycompounds as the catalyst, ii) Baeyer – Villiger oxidation of cyclohexanone with hydrogen peroxide in the presence of two different heterogeneous catalysts, titanium silicalite and silica grafted decatungstate, iii) two step synthesis of adipic acid starting from cyclohexene via 1,2-cyclohexanediol. The first step was catalyzed by H2WO4 in the presence of the phase transfer catalyst, the oxidant was hydrogen peroxide. The second step, oxidation of 1,2 – cyclohexanediol was performed in the presence of oxygen and the heterogeneous catalyst – ruthenium on alumina. The results of my research showed that: i) Oxidation of cyclohexanone with molecular oxygen using Keggin heteropolycompounds is possible, anyway the conversion of ketone is low and the selectivity to adipic acid is lowered by the consecutive reaction to from lower diacids. Moreover it was found out, that there are two mechanisms involved: redox type and radicalic chain-reaction autoxidation. The presence of the different mechanism is influenced by the reaction condition. ii) It is possible to perform thermally activated oxidation of cyclohexanone and obtain non negligible amount of the products (caprolactone and adipic acid). Performing the catalyzed reaction it was demonstrated that the choice of the reaction condition and of the catalyst plays a crucial role in the product selectivity, explaining the discrepancies between the literature and our research. iii) Interesting results can be obtained performing the two step oxidation of cyclohexene via 1,2-cyclohexanediol. In the presence of phase transfer catalyst it is possible to obtain high selectivity to alcohol with stoichiometric amount of oxidant. In the second step of the synthesis, the conversion of alcohol is rather low with modest selectivity to adipic acid

Eine neue Form der Pyruvatkinase in Säugerspermien

Nach Homogenisation ejakulierter Eberspermien und Zentrifugation des Homogenates blieben mehr als 60% der Aktivität des glykolytischen Enzyms Pyruvatkinase (PK) an Zellfragmenten im Sediment gebunden. Diese strukturgebundene PK wurde als PK-S bezeichnet. Das Detergenz Triton X-100 führte nicht zur Ablösung der PK-S; mit Trypsin konnten jedoch rund 80% der PK-S ohne Verlust an Aktivität von den Strukturen gelöst und durch kombinierte Kationenaustausch- und Hydrophobizitätschromatographie gereinigt werden (spezifische Aktivität: 116,7 U/mg Protein). Die lösliche PK aus Eberspermien konnte ebenfalls durch ein ähnliches Verfahren angereichert werden. Im Gel (SDS-PAGE) zeigten die Untereinheiten der PK-S mit 64.400 eine geringfügig größere relative Molekülmasse als die der PK-M1 aus Kaninchenmuskel (62.000). Die kinetischen Eigenschaften der abgelösten PK-S als auch der noch an Spermienstrukturen gebundenen PK-S und der löslichen PK aus Eberspermien waren sehr ähnlich und entsprachen der M1-Isoform der PK. Antikörper gegen Kaninchenmuskel-PK (Anti-PK-M1) reagierten auch mit der löslichen PK und der PK-S aus Eberspermien. Edman-Abbau der ersten 19 Aminosäuren zeigte, dass die tryptisch abgelöste PK-S am N-Terminus um 5 Aminosäuren gegenüber nativer PK-M1 verlängert ist, während der C-Terminus der erhaltenen PK-S-Sequenz mit einem meist nahe dem N-Terminus gelegenen Sequenzabschnitt der PK-M1 und -M2 übereinstimmt. Die N-terminale Verlängerung der nativen PK-S enthält sicherlich mehr als die nach tryptischer Lyse nachgewiesenen 5 Aminosäuren. Vergleiche der Aminosäure- und übersetzten Nukleotidsequenzen sowie die kinetischen Eigenschaften lassen vermuten, dass die PK-S, wie die PK-M1 und PK-M2, vom PKM-Gen codiert wird. Gegen die gereinigte PK-S wurden Antikörper in Kaninchen produziert. Da das Antiserum nicht ausreichend spezifisch für PK-S war, wurden aus ihm affinitätschromatographisch Antikörper (Anti-PK-S) isoliert, die hohe Affinität zu einem synthetisierten PK-S-Peptid (13 N-terminale Aminosäuren der tryptisch abgelösten PK-S) hatten. Dieses Anti-PK-S-Präparat war spezifisch für PK-S; es reagierte weder mit Kaninchenmuskel-PK noch mit löslicher PK oder anderen Proteinen aus Eberspermien. Anti-PK-S und Anti-PK-M1 wurden zur Lokalisierung von PK-S und löslicher PK in Spermien von Eber, Bulle und Mensch sowie in Schnitten von Eberhoden eingesetzt. Mit Anti-PK-S wurden der Bereich des Akrosoms und das lange flagellare Hauptstück sowie der Übergangsbereich zwischen Kopf und Mittelstück von Eberspermien fluoreszenzmarkiert, wogegen das kurze, die Mitochondrien enthaltende Mittelstück des Flagellums und der postakrosomale Kopfbereich nur mit Anti-PK-M1 markiert wurden. Immunogoldmarkierung in elektronenmikroskopischen Bildern bestätigte die Lokalisierung von PK-S im Akrosombereich. Im Hauptstück banden Anti-PK-M1 und Anti-PK-S an die fibröse Scheide. Glyzerinaldehyd-3-phosphat Dehydrogenase (GAPDH) konnte von mir ebenfalls im Akrosombereich, im Übergangsbereich zwischen Kopf und Mittelstück und an der fibrösen Scheide detektiert werden. Auch an Bullen- und Humanspermien konnte über Immunogoldmarkierung PK und vermutlich GAPDH an der fibrösen Scheide gezeigt werden. Im Akrosombereich dieser Spermien waren die Nachweise von PK und GAPDH jedoch nicht sicher. In Eberhodenschnitten war die PK-S erstmals, oder zumindest vermehrt, in den elongierenden Spermatiden über Fluoreszenzmarkierung nachweisbar, während andere, vermutlich somatische PK vermehrt in den früheren Stadien (Spermatogonien, aber auch in den Spermatozyten und runden Spermatiden) auftrat. Für die GAPDH zeigte sich ein ähnlicher Entwicklungsverlauf. Die Ergebnisse zeigen, dass in Eberspermien zwei Isoformen der PK auftreten: eine N-terminal verlängerte, strukturgebundene Form, die PK-S, und eine lösliche Form, die beide der PK-M1 ähneln. Der ungewöhnliche N-Terminus der PK-S dient vermutlich der spezifischen räumlichen Anordnung der PK-S im Akrosombereich und an der fibrösen Scheide, nicht aber der Modulation kinetischer Eigenschaften. Meine Untersuchungen stützen die Hypothese, dass in bestimmten Kompartimenten von Säugerspermien die Glykolyse durch Verankerung einiger ihrer Enzyme strukturell hochgeordnet ist. Dadurch wird vermutlich die Versorgung der Mitochondrien-freien Regionen mit ATP sichergestellt. Man kann diese Organisation als Anpassung des Stoffwechsels von Spermien deuten, bei denen die Mitochondrien in einem kleinen Bereich (Mittelstück) hinter dem Spermienkopf kompartimentiert sind. Im Hauptstück des Flagellums könnte die Glykolyse ATP für die Spermienmotilität liefern, im Akrosombereich für die Verhinderung einer vorzeitigen Akrosomreaktion. Somit käme der strukturierten Glykolyse eine essentielle Bedeutung für die Befruchtungsfähigkeit von Säugerspermien zu.

Oxidative properties of the Iron - Thymine-1-acetic acid - Hydrogen peroxide catalytic system

The oxidation of alcohols and olefins is a pivotal reaction in organic synthesis. However, traditional oxidants are toxic and they often release a considerable amounts of by-products. Here, two IronIII-based systems are shown as oxidative catalyst, working in mild conditions with hydrogen peroxide as primary oxidant. An efficient catalytic system for the selective oxidation of several alcohols to their corresponding aldehydes and ketones was developed and characterized, [Fe(phen)2Cl2]NO3 (phen=1,10-Phenantroline). It was demonstrated that the adoption of a buffered aqueous solution is of crucial importance to ensure both considerable activity and selectivity.The Iron - Thymine-1-acetic acid in-situ complex was studied as catalyst in alcohol oxidations and C-H oxidative functionalization, involving hydrogen peroxide as primary oxidant in mild reaction conditions. The catalytic ability in alcohol oxidations was investigated by Density Functional Theory calculations, however the catalyst still has uncertain structure. The system shows satisfactory activity in alcohol oxidation and aliphatic rings functionalization. The Fe-THA system was studied in cyclohexene oxidation and oxidative halogenations. Halide salts such as NBu4X and NH4X were introduced in the catalytic system as halogens source to obtain cyclohexene derivatives such as halohydrins, important synthetic intermediates.The purpose of this dissertation is to contribute in testing new catalytic systems for alcohol oxidations and C-H functionalization. In particular, most of the efforts in this work focus on studying the Iron - Thymine-1-acetic acid (THA) systems as non-heme oxidative model, which present: •an iron metal centre(s) as a coordinative active site, •hydrogen peroxide as a primary oxidant, •THA as an eco-friendly, biocompatible, low cost coordinating ligand.

Mutually catalytic branching at infinite rate

The purpose of this doctoral thesis is to prove existence for a mutually catalytic random walk with infinite branching rate on countably many sites. The process is defined as a weak limit of an approximating family of processes. An approximating process is constructed by adding jumps to a deterministic migration on an equidistant time grid. As law of jumps we need to choose the invariant probability measure of the mutually catalytic random walk with a finite branching rate in the recurrent regime. This model was introduced by Dawson and Perkins (1998) and this thesis relies heavily on their work. Due to the properties of this invariant distribution, which is in fact the exit distribution of planar Brownian motion from the first quadrant, it is possible to establish a martingale problem for the weak limit of any convergent sequence of approximating processes. We can prove a duality relation for the solution to the mentioned martingale problem, which goes back to Mytnik (1996) in the case of finite rate branching, and this duality gives rise to weak uniqueness for the solution to the martingale problem. Using standard arguments we can show that this solution is in fact a Feller process and it has the strong Markov property. For the case of only one site we prove that the model we have constructed is the limit of finite rate mutually catalytic branching processes as the branching rate approaches infinity. Therefore, it seems naturalto refer to the above model as an infinite rate branching process. However, a result for convergence on infinitely many sites remains open.

Catalytic processes for the transformation of ethanol into acetonitrile

This thesis deals with the transformation of ethanol into acetonitrile. Two approaches are investigated: (a) the ammoxidation of ethanol to acetonitrile and (b) the amination of ethanol to acetonitrile. The reaction of ethanol ammoxidation to acetonitrile has been studied using several catalytic systems, such as vanadyl pyrophosphate, supported vanadium oxide, multimetal molibdates and antimonates. The main conclusions are: (I) The surface acidity must be very low, because acidity catalyzes several undesired reactions, such as the formation of ethylene, and of heavy compounds as well. (II) Supported vanadium oxide is the catalyst showing the best catalytic behaviour, but the role of the support is of crucial importance. (III) Both metal molybdates and antimonates show interesting catalytic behaviour, but are poorly active, and probably require harder conditions than those used with the V oxide-based catalysts. (IV) One key point in the reaction network is the rate of reaction between acetaldehyde (the first intermediate) and ammonia, compared to the parallel rates of acetaldehyde transformation into by-products (CO, CO2, HCN, heavy compounds). Concerning the non-oxidative process, two possible strategies are investigated: (a) the ethanol ammonolysis to ethylamine coupled with ethylamine dehydrogenation, and (b) the direct non-reductive amination of ethanol to acetonitrile. Despite the good results obtained in each single step, the former reaction does not lead to good results in terms of yield to acetonitrile. The direct amination can be catalyzed with good acetonitrile yield over catalyst based on supported metal oxides. Strategies aimed at limiting catalyst deactivation have also been investigated.

New catalytic processes for the upgrading of furfural and 5-hydroxymethylfurfural to chemicals and fuels

The demand of energy, fuels and chemicals is increasing due to the strong growth of some countries in the developing world and the development of the world economy. Unfortunately, the general picture derived sparked an exponential increase in crude oil prices with a consequent increase of the chemical, by-products and energy, depleting the global market. Nowadays biomass are the most promising alternative to fossil fuels for the production of chemicals and fuels. In this work, the development of three different catalytic processes for the valorization of biomass-derived has been investigated. 5-hydroxymethylfurfural oxidation was studied under mild reaction condition using gold and gold/copper based catalysts synthetized from pre-formed nanoparticles and supported onto TiO2 and CeO2. The analysis conducted on catalysts showed the formation of alloys gold/copper and a strong synergistic effect between the two metals. For this reason the bimetallic catalysts supported on titania showed a higher catalytic activity respect to the monometallic catalysts. The process for the production of 2,5-bishydroxymethyl furan (BHMF) was also optimized by means the 5-hydroxymethylfurfural hydrogenation using the Shvo complex. Complete conversion of HMF was achieved working at 90 °C and 10 bar of hydrogen. The complex was found to be re-usable for at least three catalytic cycles without suffering any type of deactivation. Finally, the hydrogenation of furfural and HMF was carried out, developing the process of hydrogen transfer by using MgO as a catalyst and methanol as a hydrogen donor. Quantitative yields to alcohols have been achieved in a few hours working in mild condition: 160 °C and at autogenous pressure. The only by-products formed were light products such as CO, CO2 and CH4 (products derived from methanol transformation), easily separable from the reaction solution depressurizing the reactor.

A biomimetic model membrane system on oxidic surfaces designed for the investigation of cytochrome c oxidase and other membrane proteins by fluorescence and waveguide spectroscopy

Die transmembrane Potenzialdifferenz Δφm ist direkt mit der katalytischen Aktivität der Cytochrom c Oxidase (CcO) verknüpft. Die CcO ist das terminale Enzym (Komplex IV) in der Atmungskette der Mitochondrien. Das Enzym katalysiert die Reduktion von O2 zu 2 H2O. Dabei werden Elektronen vom natürlichen Substrat Cytochrom c zur CcO übertragen. Der Eleltronentransfer innerhalb der CcO ist an die Protonentranslokation über die Membran gekoppelt. Folglich bildet sich über der inneren Membrane der Mitochondrien eine Differenz in der Protonenkonzentration. Zusätzlich wird eine Potenzialdifferenz Δφm generiert.rnrnDas Transmembranpotenzial Δφm kann mit Hilfe der Fluoreszenzspektroskopie unter Einsatz eines potenzialemfindlichen Farbstoffs gemessen werden. Um quantitative Aussagen aus solchen Untersuchungen ableiten zu können, müssen zuvor Kalibrierungsmessungen am Membransystem durchgeführt werden.rnrnIn dieser Arbeit werden Kalibrierungsmessungen von Δφm in einer Modellmembrane mit inkorporiertem CcO vorgestellt. Dazu wurde ein biomimetisches Membransystem, die Proteinverankerte Doppelschicht (protein-tethered Bilayer Lipid Membrane, ptBLM), auf einem transparenten, leitfähigem Substrat (Indiumzinnoxid, ITO) entwickelt. ITO ermöglicht den simultanen Einsatz von elektrochemischen und Fluoreszenz- oder optischen wellenleiterspektroskopischen Methoden. Das Δφm in der ptBLM wurde durch extern angelegte, definierte elektrische Spannungen induziert. rnrnEine dünne Hydrogelschicht wurde als "soft cushion" für die ptBLM auf ITO eingesetzt. Das Polymernetzwerk enthält die NTA Funktionsgruppen zur orientierten Immobilisierung der CcO auf der Oberfläche der Hydrogels mit Hilfe der Ni-NTA Technik. Die ptBLM wurde nach der Immobilisierung der CcO mittels in-situ Dialyse gebildet. Elektrochemische Impedanzmessungen zeigten einen hohen elektrischen Widerstand (≈ 1 MΩ) der ptBLM. Optische Wellenleiterspektren (SPR / OWS) zeigten eine erhöhte Anisotropie des Systems nach der Bildung der Doppellipidschicht. Cyklovoltammetriemessungen von reduziertem Cytochrom c bestätigten die Aktivität der CcO in der Hydrogel-gestützten ptBLM. Das Membranpotenzial in der Hydrogel-gestützten ptBLM, induziert durch definierte elektrische Spannungen, wurde mit Hilfe der ratiometrischen Fluoreszenzspektroskopie gemessen. Referenzmessungen mit einer einfach verankerten Dopplellipidschicht (tBLM) lieferten einen Umrechnungsfaktor zwischen dem ratiometrischen Parameter Rn und dem Membranpotenzial (0,05 / 100 mV). Die Nachweisgrenze für das Membranpotenzial in einer Hydrogel-gestützten ptBLM lag bei ≈ 80 mV. Diese Daten dienen als gute Grundlage für künftige Untersuchungen des selbstgenerierten Δφm der CcO in einer ptBLM.

A study of new and more sustainable catalytic routes for the synthesis of adipic acid

The aim of my PhD research project was to investigate new and more sustainable routes, compared to those currently used, for the production of adipic acid (AA). AA is a very important chemical intermediate. The main use of AA is the production of Nylon-6,6 fibers, resins, polyesters, plasticizers. My project was divided into two parts: 1. The two-step oxidation of cyclohexene, where the latter is first oxidized into trans-1,2-cyclohexanediol (CHD) with aqueous hydrogen peroxide, and then the glycol is transformed into AA by reaction with molecular oxygen. Various catalysts were investigated in this process, both heterogeneous (alumina-supported Ru(OH)x and Au nanoparticles supported on TiO2, MgO and Mg(OH)2) and homogeneous (polyoxometalates). We also studied the mechanism of CHD oxidation with oxygen in the presence of these catalysts. 2. Baeyer-Villiger oxidation of cyclohexanone with aqueous hydrogen peroxide into ɛ-caprolactone, as a first step on the way to produce AA. Study on the mechanism of the uncatalyzed (thermal) oxidation of cyclohexanone were also carried out. Investigation on how the different heterogeneous catalysts affect the formation of the reaction products and their distribution was done.

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