Functional polymer coatings — My-Patterning and My-Analysis

In dieser Arbeit werden Strukturen beschrieben, die mit Polymeren auf Oberflächen erzeugt wurden. Die Anwendungen reichen von PMMA und PNIPAM Polymerbürsten, über die Restrukturierung von Polystyrol durch Lösemittel bis zu 3D-Strukturen, die aus PAH/ PSS Polyelektrolytmultischichten bestehen. Im ersten Teil werden Polymethylmethacrylat (PMMA) Bürsten in der ionischen Flüssigkeit 1-Butyl-3-Methylimidazolium Hexafluorophospat ([Bmim][PF6]) durch kontrollierte radikalische Polymerisation (ATRP) hergestellt. Kinetische Untersuchungen zeigten ein lineares und dichtes Bürstenwachstum mit einer Wachstumsrate von 4600 g/mol pro nm. Die durchschnittliche Pfropfdichte betrug 0.36 µmol/m2. Als Anwendung wurden Mikrotropfen bestehend aus der ionischen Flüssigkeit, Dimethylformamid und dem ATRP-Katalysator benutzt, um in einer definierten Geometrie Polymerbürsten auf Silizium aufzubringen. Auf diese Weise lässt sich eine bis zu 13 nm dicke Beschichtung erzeugen. Dieses Konzept ist durch die Verdampfung des Monomers Methylmethacrylat (MMA) limitiert. Aus einem 1 µl großen Tropfen aus ionischer Flüssigkeit und MMA (1:1) verdampft MMA innerhalb von 100 s. Daher wurde das Monomer sequentiell zugegeben. Der zweite Teil konzentriert sich auf die Strukturierung von Oberflächen mit Hilfe einer neuen Methode: Tintendruck. Ein piezoelektrisch betriebenes „Drop-on-Demand“ Drucksystem wurde verwendet, um Polystyrol mit 0,4 nl Tropfen aus Toluol zu strukturieren. Die auf diese Art und Weise gebildeten Mikrokrater können Anwendung als Mikrolinsen finden. Die Brennweite der Mikrolinsen kann über die Anzahl an Tropfen, die für die Strukturierung verwendet werden, eingestellt werden. Theoretisch und experimentell wurde die Brennweite im Bereich von 4,5 mm bis 0,21 mm ermittelt. Der zweite Strukturierungsprozess nutzt die Polyelektrolyte Polyvinylamin-Hydrochlorid (PAH) und Polystyrolsulfonat (PSS), um 3D-Strukturen wie z.B. Linien, Schachbretter, Ringe, Stapel mit einer Schicht für Schicht Methode herzustellen. Die Schichtdicke für eine Doppelschicht (DS) liegt im Bereich von 0.6 bis 1.1 nm, wenn NaCl als Elektrolyt mit einer Konzentration von 0,5 mol/l eingesetzt wird. Die Breite der Strukturen beträgt im Mittel 230 µm. Der Prozess wurde erweitert, um Nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) zu beschichten. Auf einem Array bestehend aus acht Cantilevern wurden je zwei Cantilever mit fünf Doppelschichten PAH/ PSS und je zwei Cantilever mit zehn Doppelschichten PAH/ PSS schnell und reproduzierbar beschichtet. Die Massenänderung für die individuellen Cantilever war 0,55 ng für fünf Doppelschichten und 1,08 ng für zehn Doppelschichten. Der daraus resultierende Sensor wurde einer Umgebung mit definierter Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Die Cantilever verbiegen sich durch die Ausdehnung der Beschichtung, da Wasser in das Polymer diffundiert. Eine maximale Verbiegung von 442 nm bei 80% Luftfeuchtigkeit wurde für die mit zehn Doppelschichten beschichteten Cantilever gefunden. Dies entspricht einer Wasseraufnahme von 35%. Zusätzlich konnte aus den Verbiegungsdaten geschlossen werden, dass die Elastizität der Polyelektrolytmultischichten zunimmt, wenn das Polymer gequollen ist. Das thermische Verhalten in Wasser wurde im nächsten Teil an nanomechanischen Cantilever Sensoren, die mit Poly(N-isopropylacrylamid)bürsten (PNIPAM) und plasmapolymerisiertem N,N-Diethylacrylamid beschichtet waren, untersucht. Die Verbiegung des Cantilevers zeigte zwei Bereiche: Bei Temperaturen kleiner der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) ist die Verbiegung durch die Dehydration der Polymerschicht dominiert und bei Temperaturen größer der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) reagiert der Cantilever Sensor überwiegend auf Relaxationsprozesse innerhalb der kollabierten Polymerschicht. Es wurde gefunden, dass das Minimum in der differentiellen Verbiegung mit der niedrigsten kritischen Temperatur von 32°C und 44°C der ausgewählten Polymeren übereinstimmt. Im letzten Teil der Arbeit wurden µ-Reflektivitäts- und µ-GISAXS Experimente eingeführt als neue Methoden, um mikrostrukturierte Proben wie NCS oder PEM Linien mit Röntgenstreuung zu untersuchen. Die Dicke von jedem individuell mit PMMA Bürsten beschichtetem NCS ist im Bereich von 32,9 bis 35,2 nm, was mit Hilfe von µ-Reflektivitätsmessungen bestimmt wurde. Dieses Ergebnis kann mit abbildender Ellipsometrie als komplementäre Methode mit einer maximalen Abweichung von 7% bestätigt werden. Als zweites Beispiel wurde eine gedruckte Polyelektrolytmultischicht aus PAH/PSS untersucht. Die Herstellungsprozedur wurde so modifiziert, dass Goldnanopartikel in die Schichtstruktur eingebracht wurden. Durch Auswertung eines µ-GISAXS Experiments konnte der Einbau der Partikel identifiziert werden. Durch eine Anpassung mit einem Unified Fit Modell wurde herausgefunden, dass die Partikel nicht agglomeriert sind und von einer Polymermatrix umgeben sind.

Excitonic processes in multifunctional organic semiconductors for application in organic-light emitting transistor

In this thesis, I report on a comprehensive study about the photo-physical properties both in solution and in solid-state of a new thiophene based material (2,2’-(2,2’-bithiophene-5,5’-diyl)bis(5-butyl-5H-thieno[2,3-c]pyrrole-4,6)-dione (T4DIM) which shows an ambipolar semiconducting behavior together with electroluminescence in single-layer OLET device architecture[14

Structure property relations in complex copolymer systems

A thorough investigation was made of the structure-property relation of well-defined statistical, gradient and block copolymers of various compositions. Among the copolymers studied were those which were synthesized using isobornyl acrylate (IBA) and n-butyl acrylate (nBA) monomer units. The copolymers exhibited several unique properties that make them suitable materials for a range of applications. The thermomechanical properties of these new materials were compared to acrylate homopolymers. By the proper choice of the IBA/nBA monomer ratio, it was possible to tune the glass transition temperature of the statistical P(IBA-co-nBA) copolymers. The measured Tg’s of the copolymers with different IBA/nBA monomer ratios followed a trend that fitted well with the Fox equation prediction. While statistical copolymers showed a single glass transition (Tg between -50 and 90 ºC depending on composition), DSC block copolymers showed two Tg’s and the gradient copolymer showed a single, but very broad, glass transition. PMBL-PBA-PMBL triblock copolymers of different composition ratios were also studied and revealed a microphase separated morphology of mostly cylindrical PMBL domains hexagonally arranged in the PBA matrix. DMA studies confirmed the phase separated morphology of the copolymers. Tensile studies showed the linear PMBL-PBA-PMBL triblock copolymers having a relatively low elongation at break that was increased by replacing the PMBL hard blocks with the less brittle random PMBL-r-PMMA blocks. The 10- and 20-arm PBA-PMBL copolymers which were studied revealed even more unique properties. SAXS results showed a mixture of cylindrical PMBL domains hexagonally arranged in the PBA matrix, as well as lamellar. Despite PMBL’s brittleness, the triblock and multi-arm PBA-PMBL copolymers could become suitable materials for high temperature applications due to PMBL’s high glass transition temperature and high thermal stability. The structure-property relation of multi-arm star PBA-PMMA block copolymers was also investigated. Small-angle X-ray scattering revealed a phase separated morphology of cylindrical PMMA domains hexagonally arranged in the PBA matrix. DMA studies found that these materials possess typical elastomeric behavior in a broad range of service temperatures up to at least 250°C. The ultimate tensile strength and the elastic modulus of the 10- and 20-arm star PBA-PMMA block copolymers are significantly higher than those of their 3-arm or linear ABA type counterparts with similar composition, indicating a strong effect of the number of arms on the tensile properties. Siloxane-based copolymers were also studied and one of the main objectives here was to examine the possibility to synthesize trifluoropropyl-containing siloxane copolymers of gradient distribution of trifluoropropyl groups along the chain. DMA results of the PDMS-PMTFPS siloxane copolymers synthesized via simultaneous copolymerization showed that due to the large difference in reactivity rates of 2,4,6-tris(3,3,3-trifluoropropyl)-2,4,6-trimethylcyclotrisiloxane (F) and hexamethylcyclotrisiloxane (D), a copolymer of almost block structure containing only a narrow intermediate fragment with gradient distribution of the component units was obtained. A more dispersed distribution of the trifluoropropyl groups was obtained by the semi-batch copolymerization process, as the DMA results revealed more ‘‘pure gradient type’’ features for the siloxane copolymers which were synthesized by adding F at a controlled rate to the polymerization of the less reactive D. As with trifluoropropyl-containing siloxane copolymers, vinyl-containing polysiloxanes may be converted to a variety of useful polysiloxane materials by chemical modification. But much like the trifluoropropyl-containing siloxane copolymers, as a result of so much difference in the reactivities between the component units 2,4,6-trivinyl-2,4,6-trimethylcyclotrisiloxane (V) and hexamethylcyclotrisiloxane (D), thermal and mechanical properties of the PDMS-PMVS copolymers obtained by simultaneous copolymerization was similar to those of block copolymers. Only the copolymers obtained by semi-batch method showed properties typical for gradient copolymers.

Magnetische Wechselwirkung Spin-Austauschgekoppelter Systeme mit Nitroxid und Nitronyl-Nitroxid Radikalen

Bei der Untersuchung molekularer magnetischer Materialien spielen Metall-Radikal Verbindungen eine bedeutende Rolle. Ein Forschungsschwerpunkt stützt sich auf die Familie der Nitronyl-Nitroxid (NIT) Radikale, die sich durch eine hohe chemische Stabilität auszeichnen. Im sogenannten „Metall-Radikal Ansatz“ wurden die starken Austauschwechselwirkungen zwischen stabilen Radikalen und Übergangsmetallionen in mehrdimensionalen Netzwerken ausgiebig untersucht. Um diese Netzwerke mit NIT Radikalen aufzubauen, müssen zusätzliche funktionelle Gruppen, mit einem Abstand zur spintragenden Einheit, in das Molekül eingebaut werden. Dies kann zu einer zusätzlichen schwachen Spinaustauschwechselwirkung führen. Um diese Wechselwirkung zwischen Metalldimeren mit einem einzelnen Benzoat annalogen NIT-Radikal zu untersuchen, wurden dimere Mangan(II), Kobalt(II) und Zink(II) Komplexe mit dem Chelatliganden N,N,N',N'-Tetrakis(2-benzimid-azolylalkyl)-2-hydroxy-1,3-diamino-propan synthetisiert und zusätzlich über eine periphere Carboxylat Gruppe eines NIT Radikals verbrückt.rnDie Messungen der magnetischen Suszeptibilität weisen auf eine dominante antiferromagnetische Wechselwirkung in der Metall-Radikal Verbindung hin, bei der es sich um die Spin-Austauschwechselwirkung innerhalb des Metalldimers handelt. Durch den Vergleich mit analogen Nitrobenzoat- verbrückten Mangan(II) und Kobalt(II) Verbindungen konnte gezeigt werden, dass keine Metall-Radikal Wechselwirkung beobachtet wird, obwohl eine Wechselwirkung der pi*-orbitale mit den delokalisierten pi-System des Phenylrings durch Spin-Polarisation grundsätzlich möglich ist. Auch ESR - Messungen bestätigen dies, da der Spingrundzustand das anisotrope Signal des freien NIT Radikals aufweist. Das Radikal verhält sich somit wie ein isoliertes S=1/2 Spin-Zentrum, was zusätzlich durch DFT-Rechnungen bekräftigt werden konnte. Zusammenfassend führt also die Koordination eines NIT-Benzoats an ein antiferromagnetisch gekoppeltes Metalldimer nur zur Anhebung des Spingrundzustandes und hat keinen signifikanten Effekt auf die Austauschwechselwirkung. Um trotzdem eine Metall-Radikal Wechselwirkung beobachten zu können, ist es notwendig Koordinationsverbindungen zu synthetisieren in denen hohe Spingrundzustände besetzt werden. Dies trifft auf das analoge Kupferdimer zu, wofür eine ferromagnetische Wechselwirkung zu beobachten ist.rnNach den Regeln der Spin-Polarisation müsste die Verkürzung des Austauschpfades um eine Bindung zu einer Umkehrung des Vorzeichens der magnetischen Wechselwirkung führen. Diese Verkürzung kann man durch die Verwendung des alternativen stabilen NOA-Radikals (tert-Butyl Nitroxid) erreichen. Sowohl das NIT als auch das NOA-Radikal werden an ein Kupfer(II)-dimer koordiniert, das durch die Verwendung des oben erwähnten N6O-Liganden gebildet wurde. In der Modellverbindung, ohne einen paramagnetischen Substituenten am Benzoat, zeigen die Kupferionen eine ferromagnetische Wechselwirkung mit einem Triplett Grundzustand, dessen Existenz durch die Messung der magnetischen Suszeptibilität und ESR-Spektroskopie belegt werden kann. Aufgrund der nahezu identischen Koordinationsumgebung bleibt bei allen synthetisierten Verbindungen die Kupfer-Kupfer Wechselwirkung dabei gleich. Die Daten von ESR und magnetischen Messungen zeigen weiterhin auf eine signifikante zusätzliche Metall-Radikal Wechselwirkung hin. Bei der NIT-Verbindung ist diese Austauschwechselwirkung schwach antiferromagnetisch, während die NOA-Verbindung eine schwache ferromagnetische Kopplung aufzeigt. Diese Resultate können durch DFT Rechnungen bekräftigt werden. Der Vorzeichenwechsel des Kopplungsparameters kann durch die Verkürzung des Austauschpfades vom NIT zum NOA-Benzoat um eine Bindung erklärt werden. Durch die Wahl von geeigneten Radikal- Liganden und Metallionen, zeigt sich die Möglichkeit, Systeme zu erzeugen, in denen die Radikal-Metall Wechselwirkung auch über größere Distanzen den Spin-Grundzustand des gesamten Systems signifikant beeinflussen kann. die Anwendung dieses Konzeptes auf Metall-Radikal Cluster System sollte Von großem Interesse sein.rn

Synthetic routes toward functional block copolymers and bioconjugates via RAFT polymerization

Synthetic Routes toward Functional Block Copolymers and Bioconjugates via RAFT PolymerizationrnSynthesewege für funktionelle Blockcopolymere und Biohybride über RAFT PolymerisationrnDissertation von Dipl.-Chem. Kerstin T. WissrnIm Rahmen dieser Arbeit wurden effiziente Methoden für die Funktionalisierung beider Polymerkettenenden für Polymer- und Bioanbindung von Polymeren entwickelt, die mittels „Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer“ (RAFT) Polymerisation hergestellt wurden. Zu diesem Zweck wurde ein Dithioester-basiertes Kettentransferagens (CTA) mit einer Aktivestereinheit in der R-Gruppe (Pentafluorphenyl-4-phenylthiocarbonylthio-4-cyanovaleriansäureester, kurz PFP-CTA) synthetisiert und seine Anwendung als universelles Werkzeug für die Funktionalisierung der -Endgruppe demonstriert. Zum Einen wurde gezeigt, wie dieser PFP-CTA als Vorläufer für die Synthese anderer funktioneller CTAs durch einfache Aminolyse des Aktivesters genutzt werden kann und somit den synthetischen Aufwand, der üblicherweise mit der Entwicklung neuer CTAs verbunden ist, reduzieren kann. Zum Anderen konnte der PFP-CTA für die Synthese verschiedener Poly(methacrylate) mit enger Molekulargewichtsverteilung und wohl definierter reaktiver -Endgruppe verwendet werden. Dieses Kettenende konnte dann erfolgreich mit verschiedenen primären Aminen wie Propargylamin, 1-Azido-3-aminopropan und Ethylendiamin oder direkt mit den Amin-Endgruppen verschiedener Peptide umgesetzt werden.rnAus der Reaktion des PFP-CTAs mit Propargylamin wurde ein Alkin-CTA erhalten, der sich als effizientes Werkzeug für die RAFT Polymerisation verschiedener Methacrylate erwiesen hat. Der Einbau der Alkin-Funktion am -Kettenende wurde mittels 1H und 13C NMR Spektroskopie sowie MALDI TOF Massenspektroskopie bestätigt. Als Modelreaktion wurde die Kopplung eines solchen alkin-terminierten Poly(di(ethylenglykol)methylethermethacrylates) (PDEGMEMA) mit azid-terminiertem Poly(tert-butylmethacrylat), das mittels Umsetzung einer Aktivester-Endgruppe erhalten wurde, als kupferkatalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC) durchgeführt. Die Aufarbeitung des resultierenden Diblockcopolymers durch Fällen ermöglichte die vollständige Abtrennung des Polymerblocks 1, der im Überschuss eingesetzt wurde. Darüber hinaus blieb nur ein sehr kleiner Anteil (< 2 Gew.-%) nicht umgesetzten Polymerblocks 2, was eine erfolgreiche Polymeranbindung und die Effizienz der Endgruppen-Funktionalisierung ausgehend von der Aktivester--Endgruppe belegt.rnDie direkte Reaktion von stimuli-responsiven Polymeren mit Pentafluorphenyl(PFP)ester-Endgruppen, namentlich PDEGMEMA und Poly(oligo(ethylenglykol)methylethermethacrylat), mit kollagen-ähnlichen Peptiden ergab wohl definierte Polymer-Peptid-Diblockcopolymere und Polymer-Peptid-Polymer-Triblockcopolymer unter nahezu quantitativer Umsetzung der Endgruppen. Alle Produkte konnten vollständig von nicht umgesetztem Überschuss des Homopolymers befreit werden. In Analogie zu natürlichem Kollagen und dem nicht funktionalisierten kollagen-ähnlichen Peptid bilden die PDEGMEMA-basierten, entschützten Hybridcopolymere Trimere mit kollagen-ähnlichen Triple-Helices in kalter wässriger Lösung, was mittels Zirkular-Dichroismus-Spektroskopie (CD) nachgewiesen werden konnte. Temperaturabhängige CD-Spektroskopie, Trübungsmessungen und dynamische Lichtstreuung deuteten darauf hin, dass sie bei höheren Temperaturen doppelt stimuli-responsive Überstrukturen bilden, die mindestens zwei konformative Übergänge beim Aufheizen durchlaufen. Einer dieser Übergänge wird durch den hydrophoben Kollaps des Polymerblocks induziert, der andere durch Entfalten der kollagen-ähnlichen Triple-Helices.rnAls Ausweitung dieser synthetischen Strategie wurde homotelecheles PDEGMEMA mit zwei PFP-Esterendgruppen dargestellt, wozu der PFP-CTA für die Funktionalisierung der -Endgruppe und die radikalische Substitution des Dithioesters durch Behandlung mit einem Überschuss eines funktionellen AIBN-Derivates für die Funktionalisierung der -Endgruppe ausgenutzt wurde. Die Umsetzung der beiden reaktiven Kettenenden mit dem N-Terminus eines Peptidblocks ergab ein Peptid-Polymer-Peptid Triblockcopolymer.rnSchließlich konnten die anorganisch-organischen Hybridmaterialien PMSSQ-Poly(2,2-diethoxyethylacrylat) (PMSSQ-PDEEA) und PMSSQ-Poly(1,3-dioxolan-2-ylmethylacrylat) (PMSSQ-PDMA) für die Herstellung robuster, peptid-reaktiver Oberflächen durch Spin Coaten und thermisch induziertes Vernetzen angewendet werden. Nach saurem Entschützen der Acetalgruppen in diesen Filmen konnten die resultierenden Aldehydgruppen durch einfaches Eintauchen in eine Lösung mit einer Auswahl von Aminen und Hydroxylaminen umgesetzt werden, wodurch die Oberflächenhydrophilie modifiziert werden konnte. Darüber hinaus konnten auf Basis der unterschiedlichen Stabilität der zwei hier verglichenen Acetalgruppen Entschützungsprotokolle für die exklusive Entschützung der Diethylacetale in PMSSQ-PDEEA und deren Umsetzung ohne Entschützung der zyklischen Ethylenacetale in PMSSQ-PDMA entwickelt werden, die die Herstellung multifunktioneller Oberflächenbeschichtungen z.B. für die Proteinimmobilisierung ermöglichen.

Evolutionäre Veränderungen in der Nutzung redox-aktiver Aminosäuren und ihre Ursachen

Gewebe, Zellen und speziell Zellkompartimente unterscheiden sich in ihrer Sauerstoffkonzentration, Stoffwechselrate und in der Konzentration an gebildeten reaktiven Sauerstoffspezies. Um eine mögliche Änderung in der Aminosäurennutzung durch den Einfluss von Sauerstoff und seinen reaktiven Spezies untersuchen zu können wurden, Bereiche bzw. Kompartimente der menschlichen Zelle definiert, die einen Referenzrahmen bildeten und bekannt dafür sind, einen relativ hohen Grad an reaktiven Sauerstoffspezies aufzuweisen. Aus dem Vergleich wurde deutlich, dass vor allem die beiden redox-aktiven und schwefeltragenden Aminosäuren Cystein und Methionin durch eine besondere Verteilung und Nutzung charakterisiert sind. Cystein ist hierbei diejenige Aminosäure mit den deutlichsten Änderungen in den fünf untersuchten Modellen der oxidativen Belastung. In all diesen Modellen war die Nutzung von Cystein deutlich reduziert, wohingegen Methionin in Proteinen des Mitochondriums und der Elektronentransportkette angereichert war. Dieser auf den ersten Blick paradoxe Unterschied zwischen Cystein und Methionin wurde näher untersucht, indem die differenzierte Methioninnutzung in verschiedenen Zellkompartimenten von Homo sapiens charakterisiert wurde.rnDie sehr leicht zu oxidierende Aminosäure Methionin zeigt ein ungewöhnliches Verteilungsmuster in ihrer Nutzungshäufigkeit. Entgegen mancher Erwartung wird Methionin in zellulären Bereichen hoher oxidativer Belastung und starker Radikalproduktion intensiv verwendet. Dieses Verteilungsmuster findet man sowohl im intrazellulären Vergleich, als auch im Vergleich verschiedener Spezies untereinander, was daraufhin deutet, dass es einen lokalen Bedarf an redox-aktiven Aminosäuren gibt, der einen sehr starken Effekt auf die Nutzungshäufigkeit von Methionin ausübt. Eine hohe Stoffwechselrate, die im Allgemeinen mit einer erhöhten Produktion von Oxidantien assoziiert wird, scheint ein maßgeblicher Faktor der Akkumulation von Methionin in Proteinen der Atmungskette zu sein. Die Notwendigkeit, oxidiertes Antioxidans wieder zu reduzieren, findet auch bei Methionin Anwendung, denn zu Methioninsulfoxid oxidiertes Methionin wird durch die Methioninsulfoxidreduktase wieder zu Methionin reduziert. Daher kann die spezifische Akkumulation von Methionin in Proteinen, die verstärkt reaktiven Sauerstoffspezies ausgesetzt sind, als eine systematische Strategie angesehen werden, um andere labile Strukturen vor ungewollter Oxidation zu schützen. rnDa Cystein in allen untersuchten Modellen der oxidativen Belastung und im Besonderen in Membranproteinen der inneren Mitochondrienmembran lebensspannenabhängig depletiert war, wurde dieses Merkmal näher untersucht. Deshalb wurde die Hypothese getestet, ob ein besonderer Redox-Mechanismus der Thiolfunktion für diese selektive Depletion einer im Allgemeinen als harmlos oder antioxidativ geltenden Aminosäure verantwortlich ist. Um den Effekt von Cysteinresten in Membranen nachzustellen, wurden primäre humane Lungenfibroblasten (IMR90) mit diversen Modellsubstanzen behandelt. Geringe Konzentrationen der lipophilen Substanz Dodecanthiol verursachten eine signifikante Toxizität in IMR90-Zellen, die von einer schnellen Zunahme an polyubiquitinierten Proteinen und anderen Indikatoren des proteotoxischen Stresses, wie Sequestosom 1 (P62), HSP70 und HSP90 begleitet wurde. Dieser Effekt konnte spezifisch der Chemie der Thiolfunktion in Membranen zugeordnet werden, da Dodecanol (DOH), Dodecylmethylsulfid (DMS), Butanthiol oder wasserlösliche Thiole weder eine cytotoxische Wirkung noch eine Polyubiquitinierung von Proteinen verursachten. Die Ergebnisse stimmen mit der Hypothese überein, dass Thiole innerhalb von biologischen Membranen als radikalische Kettentransferagentien wirken. Diese Eigenschaft wird in der Polymerchemie durch Nutzung von lipophilen Thiolen in hydrophoben Milieus technisch für die Produktion von Polymeren benutzt. Da die Thiylradikal-spezifische Reaktion von cis-Fettsäuren zu trans-Fettsäuren in 12SH behandelten Zellen verstärkt ablief, kann gefolgert werden, dass 12SH zellulär radikalisiert wurde. In lebenden Organismen kann demnach die Oxidation von Cystein die Schädigung von Membranen beschleunigen und damit Einfallstore für die laterale Radikalisierung von integralen Membranproteinen schaffen, welche möglicherweise der Langlebigkeit abträglich ist, zumindest, wenn sie in der inneren Mitochondrienmembran auftritt.

Synthesis, characterization and catalytic performances of ruthenium-based catalysts for the acceptorless dehydrogenative coupling of butanol

A growing interest towards new sources of energy has led in recent years to the development of a new generation of catalysts for alcohol dehydrogenative coupling (ADC). This green, atom-efficient reaction is capable of turning alcohol derivatives into higher value and chemically more attractive ester molecules, and it finds interesting applications in the transformation of the large variety of products deriving from biomass. In the present work, a new series of ruthenium-PNP pincer complexes are investigated for the transformation of 1-butanol, one of the most challenging substrates for this type of reactions, into butyl butyrate, a short-chain symmetrical ester widely used in flavor industries. Since the reaction kinetics depends on hydrogen diffusion, the study aimed at identifying proper reactor type and right catalyst concentration to avoid mass transfer interferences and to get dependable data. A comparison between catalytic activities and productivities has been made to establish the role of the different ligands bonded both to the PNP binder and to the ruthenium metal center, and hence to find the best catalyst for this type of reaction.

The binding mode of side chain- and C3-modified epothilones to tubulin

The tubulin-binding mode of C3- and C15-modified analogues of epothilone A (Epo A) was determined by NMR spectroscopy and computational methods and compared with the existing structural models of tubulin-bound natural Epo A. Only minor differences were observed in the conformation of the macrocycle between Epo A and the C3-modified analogues investigated. In particular, 3-deoxy- (compound 2) and 3-deoxy-2,3-didehydro-Epo A (3) were found to adopt similar conformations in the tubulin-binding cleft as Epo A, thus indicating that the 3-OH group is not essential for epothilones to assume their bioactive conformation. None of the available models of the tubulin-epothilone complex is able to fully recapitulate the differences in tubulin-polymerizing activity and microtubule-binding affinity between C20-modified epothilones 6 (C20-propyl), 7 (C20-butyl), and 8 (C20-hydroxypropyl). Based on the results of transferred NOE experiments in the presence of tubulin, the isomeric C15 quinoline-based Epo B analogues 4 and 5 show very similar orientations of the side chain, irrespective of the position of the nitrogen atom in the quinoline ring. The quinoline side chain stacks on the imidazole moiety of beta-His227 with equal efficiency in both cases, thus suggesting that the aromatic side chain moiety in epothilones contributes to tubulin binding through strong van der Waals interactions with the protein rather than hydrogen bonding involving the heteroaromatic nitrogen atom. These conclusions are in line with existing tubulin polymerization and microtubule-binding data for 4, 5, and Epo B.

Core-crosslinked compartmentalized cylinders

We present a detailed study on the preparation of compartmentalized cylindrical nanoparticles via a templated approach: the polybutadiene part of a linear polybutadiene-block-poly(2-vinyl pyridine)-block-poly(tert-butyl methacrylate) block terpolymer, B420V280T790, having a bulk microstructure with PB cylinders covered by a P2VP double helix and embedded in a PtBMA matrix was selectively crosslinked. Subsequent sonication-assisted dissolution and chemical modifications such as quaternization (P2VP to P2VPq) and ester hydrolysis (PtBMA to poly(sodium methacrylate), PMANa) resulted in core-crosslinked cylinders soluble in organic and aqueous media. Different amounts of crosslinker and the influence of the sonication treatment on size and shape of the cylindrical aggregates were investigated. The cylinders always exhibit a compartmentalized corona. Under certain conditions, in particular quaternization of P2VP in mixtures of THF and MeOH, the helical arrangement of the P2VPq shell could be preserved even in solution, whereas in most other cases randomly distributed P2VP/P2VPq patches were observed. In aqueous solution at high pH, intramicellar interpolyelectrolyte complex (im-IPEC) formation occurred between the positively charged P2VPq shell and the negatively charged PMANa corona. We further show that different noble metal nanoparticles can be generated either selectively within the im-IPEC compartments (Pd) or randomly distributed among shell and corona of the cylinders (Au and Pt).

Genetic and pharmacologic manipulation of oxidative stress after neonatal hypoxia-ischemia

Oxidative stress is a critical component of the injury response to hypoxia-ischemia (HI) in the neonatal brain, and this response is unique and at times paradoxical to that seen in the mature brain. Previously, we showed that copper-zinc superoxide-dismutase (SOD1) over-expression is not beneficial to the neonatal mouse brain with HI injury, unlike the adult brain with ischemic injury. However, glutathione peroxidase 1 (GPx1) over-expression is protective to the neonatal mouse brain with HI injury. To further test the hypothesis that an adequate supply of GPx is critical to protection from HI injury, we crossed SOD1 over-expressing mice (hSOD-tg) with GPx1 over-expressing mice (hGPx-tg). Resulting litters contained wild-type (wt), hGPx-tg, hSOD-tg and hybrid hGPx-tg/hSOD-tg pups, which were subjected to HI at P7. Confirming previous results, the hGPx-tg mice had reduced injury compared to both Wt and hSOD-tg littermates. Neonatal mice over-expressing both GPx1 and SOD1 also had less injury compared to wt or hSOD-tg alone. A result of oxidative stress after neonatal HI is a decrease in the concentration of reduced (i.e. antioxidant-active) glutathione (GSH). In this study, we tested the effect of systemic administration of alpha-lipoic acid on levels of GSH in the cortex after HI. Although GSH levels were restored by 24h after HI, injury was not reduced compared to vehicle-treated mice. We also tested two other pharmacological approaches to reducing oxidative stress in hSOD-tg and wild-type littermates. Both the specific inhibitor of neuronal nitric oxide synthase, 7-nitroindazole (7NI), and the spin-trapping agent alpha-phenyl-tert-butyl-nitrone (PBN) did not reduce HI injury, however. Taken together, these results imply that H2O2 is a critical component of neonatal HI injury, and GPx1 plays an important role in the defense against this H2O2 and is thereby neuroprotective.

Cerebral vasculature is the major target of oxidative protein alterations in bacterial meningitis

We have previously shown that antioxidants such as a-phenyl-tert-butyl nitrone or N-acetylcysteine attenuate cortical neuronal injury in infant rats with bacterial meningitis, suggesting that oxidative alterations play an important role in this disease. However, the precise mechanism(s) by which antioxidants inhibit this injury remain(s) unclear. We therefore studied the extent and location of protein oxidation in the brain using various biochemical and immunochemical methods. In cortical parenchyma, a trend for increased protein carbonyls was not evident until 21 hours after infection and the activity of glutamine synthetase (another index of protein oxidation) remained unchanged. Consistent with these results, there was no evidence for oxidative alterations in the cortex by various immunohistochemical methods even in cortical lesions. In contrast, there was a marked increase in carbonyls, 4-hydroxynonenal protein adducts and manganese superoxide dismutase in the cerebral vasculature. Elevated lipid peroxidation was also observed in cerebrospinal fluid and occasionally in the hippocampus. All of these oxidative alterations were inhibited by treatment of infected animals with N-acetylcysteine or alpha-phenyl-tert-butyl nitrone. Because N-acetylcysteine does not readily cross the blood-brain barrier and has no effect on the loss of endogenous brain antioxidants, its neuroprotective effect is likely based on extraparenchymal action such as inhibition of vascular oxidative alterations.

Marked elevation in cortical urate and xanthine oxidoreductase activity in experimental bacterial meningitis

Experimental bacterial meningitis due to Streptococcus pneumoniae in infant rats was associated with a time-dependent increase in CSF and cortical urate that was approximately 30-fold elevated at 22 h after infection compared to baseline. This increase was mirrored by a 20-fold rise in cortical xanthine oxidoreductase activity. The relative proportion of the oxidant-producing xanthine oxidase to total activity did not increase, however. Blood plasma levels of urate also increased during infection, but part of this was as a consequence of dehydration, as reflected by elevated ascorbate concentrations in the plasma. Administration of the radical scavenger alpha-phenyl-tert-butyl nitrone, previously shown to be neuroprotective in the present model, did not significantly affect either xanthine dehydrogenase or xanthine oxidase activity, and increased even further cortical accumulation of urate. Treatment with the xanthine oxidoreductase inhibitor allopurinol inhibited CSF urate levels earlier than those in blood plasma, supporting the notion that urate was produced within the brain. However, this treatment did not prevent the loss of ascorbate and reduced glutathione in the cortex and CSF. Together with data from the literature, the results strongly suggest that xanthine oxidase is not a major cause of oxidative stress in bacterial meningitis and that urate formation due to induction of xanthine oxidoreductase in the brain may in fact represent a protective response.

Nitric oxide is protective in listeric meningoencephalitis of rats

The bacterium Listeria monocytogenes causes meningoencephalitis in humans. In rodents, listeriosis is associated with granulomatous lesions in the liver and the spleen, but not with meningoencephalitis. Here, infant rats were infected intracisternally to generate experimental listeric meningoencephalitis. Dose-dependent effects of intracisternal inoculation with L. monocytogenes on survival and activity were noted; 10(4) L. monocytogenes organisms induced a self-limiting brain infection. Bacteria invaded the basal meninges, chorioid plexus and ependyme, spread to subependymal tissue and hippocampus, and disappeared by day 7. This was paralleled by recruitment and subsequent disappearance of macrophages expressing inducible nitric oxide synthase (iNOS) and nitrotyrosine accumulation, an indication of nitric oxide (NO.) production. Treatment with the spin-trapping agent alpha-phenyl-tert-butyl nitrone (PBN) dramatically increased mortality and led to bacterial numbers in the brain 2 orders of magnitude higher than in control animals. Treatment with the selective iNOS inhibitor L-N(6)-(1-iminoethyl)-lysine (L-NIL) increased mortality to a similar extent and led to 1 order of magnitude higher bacterial counts in the brain, compared with controls. The numbers of bacteria that spread to the spleen and liver did not significantly differ among L-NIL-treated, PBN-treated, and control animals. Thus, the infant rat brain is able to mobilize powerful antilisterial mechanisms, and both reactive oxygen and NO. contribute to Listeria growth control.

Sulfoxides as an intramolecular sulfenylating agent for indoles and diverse applications of the sulfide-sulfoxide redox cycle in organic chemistry

This dissertation involves study of various aspects of sulfoxide chemistry. Specifically designed t-butyl and propanenitrile sulfoxides tethered to indole-2-carboxamide were used as a source of intramolecular sulfenylating agents to synthesize novel indolo[3,2-b]-1-5-benzothiazepinones which are structurally analogous to the other biologically active benzothiazepinones. This study reveals that the intramolecular cyclization of sulfoxide follows an electrophilic sulfenylation (Sulfoxide Electrophilic Sulfenylation, SES) reaction pathway. Evidence of the absence of sulfenic acid as a transient reactive intermediate in such intramolecular cyclization is also provided. In another study, sulfoxide was used as a “protecting group” of thioether to synthesize 8-membered, indole substituted, thiazocine-2-acetic acid derivative via Ring Closing Metathesis (RCM). Protection (oxidation) of inert (to RCM) sulfide to sulfoxide followed by RCM produced cyclized product in good yields. Deprotection (reduction) of sulfoxide was achieved using Lawessons Reagent (L.R.). Application of the sulfide-sulfoxide redox cycle to solve the existing difficulties in using RCM methodology to thioethers is illustrated. A new design of a “molecular brake”, based on the sulfide-sulfoxide redox cycle is described. N-Ar rotation in simple isoindolines is controlled by the oxidation state of the proximate sulfur atom. Sulfide [S(II)] shows “free” [brake OFF] N-Ar rotation whereas sulfoxide displayed hindered [brake ON] N-Ar rotation. The semi-empirical molecular orbital (PM3) calculations revealed concerted pyramidalization of amidic nitrogen with N-Ar rotation.

Cold-Start Emissions testing of Snowmobiles Using Ethanol and Gasoline

Increasing prices for fuel with depletion and instability in foreign oil imports has driven the importance for using alternative and renewable fuels. The alternative fuels such as ethanol, methanol, butyl alcohol, and natural gas are of interest to be used to relieve some of the dependence on oil for transportation. The renewable fuel, ethanol which is made from the sugars of corn, has been used widely in fuel for vehicles in the United States because of its unique qualities. As with any renewable fuel, ethanol has many advantages but also has disadvantages. Cold startability of engines is one area of concern when using ethanol blended fuel. This research was focused on the cold startability of snowmobiles at ambient temperatures of 20 °F, 0 °F, and -20 °F. The tests were performed in a modified 48 foot refrigerated trailer which was retrofitted for the purpose of cold-start tests. Pure gasoline (E0) was used as a baseline test. A splash blended ethanol and gasoline mixture (E15, 15% ethanol and 85% gasoline by volume) was then tested and compared to the E0 fuel. Four different types of snowmobiles were used for the testing including a Yamaha FX Nytro RTX four-stroke, Ski-doo MX Z TNT 600 E-TEC direct injected two stroke, Polaris 800 Rush semi-direct injected two-stroke, and an Arctic Cat F570 carbureted two-stroke. All of the snowmobiles operate on open loop systems which means there was no compensation for the change in fuel properties. Emissions were sampled using a Sensors Inc. Semtech DS five gas emissions analyzer and engine data was recoded using AIM Racing Data Power EVO3 Pro and EVO4 systems. The recorded raw exhaust emissions included carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), total hydrocarbons (THC), and oxygen (O2). To help explain the trends in the emissions data, engine parameters were also recorded. The EVO equipment was installed on each vehicle to record the following parameters: engine speed, exhaust gas temperature, head temperature, coolant temperature, and test cell air temperature. At least three consistent tests to ensure repeatability were taken at each fuel and temperature combination so a total of 18 valid tests were taken on each snowmobile. The snowmobiles were run at operating temperature to clear any excess fuel in the engine crankcase before each cold-start test. The trends from switching from E0 to E15 were different for each snowmobile as they all employ different engine technologies. The Yamaha snowmobile (four-stroke EFI) achieved higher levels of CO2 with lower CO and THC emissions on E15. Engine speeds were fairly consistent between fuels but the average engine speeds were increased as the temperatures decreased. The average exhaust gas temperature increased from 1.3-1.8% for the E15 compared to E0 due to enleanment. For the Ski-doo snowmobile (direct injected two-stroke) only slight differences were noted when switching from E0 to E15. This could possibly be due to the lean of stoichiometric operation of the engine at idle. The CO2 emissions decreased slightly at 20 °F and 0 °F for E15 fuel with a small difference at -20 °F. Almost no change in CO or THC emissions was noted for all temperatures. The only significant difference in the engine data observed was the exhaust gas temperature which decreased with E15. The Polaris snowmobile (semi-direct injected two-stroke) had similar raw exhaust emissions for each of the two fuels. This was probably due to changing a resistor when using E15 which changed the fuel map for an ethanol mixture (E10 vs. E0). This snowmobile operates at a rich condition which caused the engine to emit higher values of CO than CO2 along with exceeding the THC analyzer range at idle. The engine parameters and emissions did not increase or decrease significantly with decreasing temperature. The average idle engine speed did increase as the ambient temperature decreased. The Arctic Cat snowmobile (carbureted two-stroke) was equipped with a choke lever to assist cold-starts. The choke was operated in the same manor for both fuels. Lower levels of CO emissions with E15 fuel were observed yet the THC emissions exceeded the analyzer range. The engine had a slightly lower speed with E15.