Quantum-chemical, NMR and X-ray diffraction studies on (+/-)-1-[3,4-(methylenedioxy)phenyl]-2-methylaminopropane

Time-averaged conformations of (+/-)-1-[3,4-(methylenedioxy)phenyl]-2-methylaminopropane hydrochloride (MDMA, ""ecstasy"") in D(2)O, and of its free base and trifluoroacetate in CDCl(3), were deduced from their (1)H NMR spectra and used to calculate their conformer distribution. Their rotational potential energy surface (PES) was calculated at the RHF/6-31G(d,p), 133LYP/6-31G(d,p), B3LYP/cc-pVDZ and AM1 levels. Solvent effects were evaluated using the polarizable continuum model. The NMR and theoretical studies showed that, in the free base, the N-methyl group and the ring are preferentially trans. This preference is stronger in the salts and corresponds to the X-ray structure of the hydrochloride. However, the energy barriers separating these forms are very low. The X-ray diffraction crystal structures of the anhydrous salt and its monohydrate differed mainly in the trans or cis relationship of the N-methyl group to the a-methyl, although these two forms interconvert freely in solution. (C) 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.

Cobalt complexes with pyrazole ligands as catalyst precursors for the peroxidative oxidation of cyclohexane: Z-ray absorption spectroscopy studies and biological applications

[CoCl(-Cl)(Hpz(Ph))(3)](2) (1) and [CoCl2(Hpz(Ph))(4)] (2) were obtained by reaction of CoCl2 with HC(pz(Ph))(3) and Hpz(Ph), respectively (Hpz(Ph)=3-phenylpyrazole). The compounds were isolated as air-stable solids and fully characterized by IR and far-IR spectroscopy, MS(ESI+/-), elemental analysis, cyclic voltammetry (CV), controlled potential electrolysis, and single-crystal X-ray diffraction. Electrochemical studies showed that 1 and 2 undergo single-electron irreversible (CoCoIII)-Co-II oxidations and (CoCoI)-Co-II reductions at potentials measured by CV, which also allowed, in the case of dinuclear complex 1, the detection of electronic communication between the Co centers through the chloride bridging ligands. The electrochemical behavior of models of 1 and 2 were also investigated by density functional theory (DFT) methods, which indicated that the vertical oxidation of 1 and 2 (that before structural relaxation) affects mostly the chloride and pyrazolyl ligands, whereas adiabatic oxidation (that after the geometry relaxation) and reduction are mostly metal centered. Compounds 1 and 2 and, for comparative purposes, other related scorpionate and pyrazole cobalt complexes, exhibit catalytic activity for the peroxidative oxidation of cyclohexane to cyclohexanol and cyclohexanone under mild conditions (room temperature, aqueous H2O2). Insitu X-ray absorption spectroscopy studies indicated that the species derived from complexes 1 and 2 during the oxidation of cyclohexane (i.e., Ox-1 and Ox-2, respectively) are analogous and contain a Co-III site. Complex 2 showed low invitro cytotoxicity toward the HCT116 colorectal carcinoma and MCF7 breast adenocarcinoma cell lines.

Feasibility of direct mapping of cerebral fluorodeoxy-D-glucose metabolism in situ at subcellular resolution using soft X-ray fluorescence.

Glucose metabolism is difficult to image with cellular resolution in mammalian brain tissue, particularly with (18) fluorodeoxy-D-glucose (FDG) positron emission tomography (PET). To this end, we explored the potential of synchrotron-based low-energy X-ray fluorescence (LEXRF) to image the stable isotope of fluorine (F) in phosphorylated FDG (DG-6P) at 1 μm(2) spatial resolution in 3-μm-thick brain slices. The excitation-dependent fluorescence F signal at 676 eV varied linearly with FDG concentration between 0.5 and 10 mM, whereas the endogenous background F signal was undetectable in brain. To validate LEXRF mapping of fluorine, FDG was administered in vitro and in vivo, and the fluorine LEXRF signal from intracellular trapped FDG-6P over selected brain areas rich in radial glia was spectrally quantitated at 1 μm(2) resolution. The subsequent generation of spatial LEXRF maps of F reproduced the expected localization and gradients of glucose metabolism in retinal Müller glia. In addition, FDG uptake was localized to periventricular hypothalamic tanycytes, whose morphological features were imaged simultaneously by X-ray absorption. We conclude that the high specificity of photon emission from F and its spatial mapping at ≤1 μm resolution demonstrates the ability to identify glucose uptake at subcellular resolution and holds remarkable potential for imaging glucose metabolism in biological tissue. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Investigation of discrete imaging models and iterative image reconstruction in differential X-ray phase-contrast tomography.

Differential X-ray phase-contrast tomography (DPCT) refers to a class of promising methods for reconstructing the X-ray refractive index distribution of materials that present weak X-ray absorption contrast. The tomographic projection data in DPCT, from which an estimate of the refractive index distribution is reconstructed, correspond to one-dimensional (1D) derivatives of the two-dimensional (2D) Radon transform of the refractive index distribution. There is an important need for the development of iterative image reconstruction methods for DPCT that can yield useful images from few-view projection data, thereby mitigating the long data-acquisition times and large radiation doses associated with use of analytic reconstruction methods. In this work, we analyze the numerical and statistical properties of two classes of discrete imaging models that form the basis for iterative image reconstruction in DPCT. We also investigate the use of one of the models with a modern image reconstruction algorithm for performing few-view image reconstruction of a tissue specimen.

Photoschaltbare Azobenzol-modifizierte selbstorganisierte Monoschichten auf Gold(111)-Oberflächen

Für die Entwicklung photoschaltbarer selbstorganisierter Monoschichten (SAMs) auf Gold(111)-Oberflächen wurden neue Azobenzol-terminierte Asparagussäure - und Liponsäurederivate synthetisiert. Um den Einfluss lateraler Wasserstoffbrückenbindungen auf Qualität und Orientierungsordnung der Schichten zu untersuchen, wurden Monolagen, die durch amid- und esterverknüpfte Verbindungen gebildet wurden, miteinander verglichen. Die Filmbildung aus der Lösung wurde in situ durch optische Frequenzverdopplung (SHG) untersucht und die Photoreaktivität mittels Kontaktwinkelmessungen, Oberflächen-Plasmonenresonanz (SPR) und Ellipsometrie verfolgt. SAMs auf Gold wurden außerdem mit Hilfe von Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Nahkanten-Reflexions-Röntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) und Infrarot-Reflexionsabsorptionsspektroskopie (IRRAS) charakterisiert, um die Filmqualität, die Bindung ans Substrat und Orientierungsordnung im Film zu ermitteln. Da die Chemisorption auf polykristallinem Gold formal der Koordinationschemie von 1,2-Dithiolan-Derivaten gegenüber nullwertigen Edelmetall-Zentralatomen entspricht, wurden etliche Pt-Komplexe durch oxidative Addition an [Pt(PPh3)4] dargestellt. Im Zusammenhang mit der Darstellung der Asparagussäure wurde die Kristallstruktur von [pipH]2[WS4] und der neuen Verbindungen [pipH]3[WS4](HS) und [pipH]4[WS4][WOS3] (pip = Piperidin) bestimmt. Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Piperidinium-Kationen und den Thiowolframat-Anionen spielen eine dominante strukturelle Rolle.

The local adsorption geometry and electronic structure of alanine on Cu{110}

The adsorption of alanine on Cu {110} was studied by a combination of near edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and density functional theory (DFT). Large chemical shifts in the C 1s, N 1s, and O 1s XP spectra were found between the alanine multilayer and the chemisorbed and pseudo-(3 x 2) alaninate layers. From C, N, and O K-shell NEXAFS spectra the tilt angles of the carboxylate group (approximate to 26 degrees in plane with respect to [1 (1) over bar0] and approximate to 45 degrees out of plane) and the C-N bond angle with respect to [1 (1) over bar0] could be determined for the pseudo-(3 x 2) overlayer. Using this information three adsorption geometries could be eliminated from five p(3 x 2) structures which lead to almost identical heats of adsorption in the DFT calculations between 1.40 and 1.47 eV/molecule. Due to the small energy difference between the remaining two structures it is not unlikely that these coexist on the surface at room temperature. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Lanthanide speciation in potential SANEX and GANEX actinide/ 2 lanthanide separations using Tetra-N-Donor extractants

Lanthanide(III) complexes with N-donor ex-tractants, which exhibit the potential for the separation of minor actinides from lanthanides in the management of spent nuclear fuel, have been directly synthesized and characterized in both solution and solid states. Crystal structures of the Pr3+, Eu3+, Tb3+, and Yb3+ complexes of 6,6′-bis(5,5,8,8-tetramethyl-5,6,7,8-tetrahydro-1,2,4-benzotriazin3-yl)-1,10-phenanthroline(CyMe4-BTPhen) and the Pr3+, Eu3+, and Tb3+ complexes of 2,9-bis(5,5,8,8-tetramethyl-5,6,7,8-tetrahydro-1,2,4-benzotria-zin-3-yl)-2,2′-bypyridine (CyMe4-BTBP) were obtained. The majority of these structures displayed coordination of two ofthe tetra-N-donor ligands to each Ln3+ ion, even when in some cases the complexations were performed with equimolar amounts of lanthanide and N-donor ligand. The structures showed that generally the lighter lanthanides had their coordination spheres completed by a bidentate nitrate ion, giving a 2+ charged complex cation, whereas the structures of the heavier lanthanides displayed tricationic complex species with a single water molecule completing their coordination environments. Electronic absorption spectroscopic titrations showed formation of the 1:2 Ln3+/LN4‑donor species (Ln = Pr3+, Eu3+, Tb3+) in methanol when the N-donor ligand was in excess. When the Ln3+ ion was in excess, evidence for formation of a 1:1 Ln3+/LN4‑donor complex species was observed. Luminescent lifetime studies of mixtures of Eu3+ with excess CyMe4-BTBP and CyMe4-BTPhen in methanol indicated that the nitrate-coordinated species is dominant in solution. X-ray absorption spectra of Eu3+ and Tb3+ species, formed by extraction from an acidic aqueous phase into an organic solution consisting of excess N-donor extractant in pure cyclohexanone or 30% tri-n-butyl phosphate (TBP) in cyclohexanone, were obtained. The presence of TBP in the organic phase did not alter lanthanide speciation. Extended X-ray absorption fine structure data from these spectra were fitted using chemical models established by crystallography and solution spectroscopy and showed the dominant lanthanide species in the bulk organic phase was a 1:2 Ln3+/LN‑donor species.

In Situ and Simultaneous UV-vis/SAXS and UV-vis/XAFS Time-Resolved Monitoring of ZnO Quantum Dots Formation and Growth

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Study of K beta X-ray emission spectroscopy applied to Mn((2-x))V((1+x))O4 (x=0 and 1/3) oxyspinel and comparison with XANES

Oxidation state and coordination of transition metal cations seems to be hard to assess when considering multiple cations, each one with different possible oxidation states. In fact, this is the case of the spineltype double oxides family. High resolution K beta X-ray fluorescence spectra were measured in Mn(2-x)V(1+4)O4 (x=0 and 1/3) spinels-type double oxides in order to determine the oxidation state and coordination of V and Mn cations. The relative intensity of radiative Auger effect KM2,3M4,5 to the total intensity and the integral absolute difference value were used as reference parameters for the characterization of Mn oxidation states. The coordination of Mn ions was inferred by the intensity of the K beta(5) line. In the case of V compounds, it was used as the intensity of the line K beta' relative to the total area of K beta region. The obtained results were further compared with X-ray absorption spectra analysis, showing good agreements regarding the oxidation state characterization. However, there were found some discrepancies in coordination, due to customary oversimplifications in the K beta(5) line origin. The obtained results might represent valuable and useful data for chemical scopes of characterizing spineltype oxides family. (C) 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Fingerprints of short-range and long-range structure in BaZr1-xHfxO3 solid solutions: an experimental and theoretical study

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Síntese e caracterização de materiais semicondutores nanoestruturados luminescentes à base de ZnS

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Grenzflächenverhalten und Strukturierung von dünnen, amphiphilen Blockcopolymerfilmen

Die Oberfläche von Blockcopolymerfilmen wird aus denjenigen Blöcken gebildet, die gegenüber dem benachbarten Medium die geringste Oberflächenenergie besitzen. Durch eine gezielte Änderung des Mediums kann man Einfluss auf die chemische Zusammensetzung nehmen und einen Wechsel der Oberflächenlamelle erzwingen. Das Ziel dieser Arbeit war es, das Grenzflächenverhalten von dünnen, amphiphilen Blockcopolymerfilmen näher zu untersuchen, die Filmoberflächen in einem lösungsmittelfreien Prozess lateral zu strukturieren und anschließend chemisch zu modifizieren. Zu diesem Zweck wurden zunächst neuartige hydrophile und hydrophobe Styrenderivate mit kurzen Seitenketten dargestellt, die anschließend durch kontrollierte radikalische Polymerisation („stable free radical polymerisation“ SFRP) mit dem TEMPO Unimer zu amphiphilen Diblockcopolymeren polymerisiert wurden. Funktionelle Gruppen in den hydrophilen Blöcken sollen zusätzlich eine chemische Modifizierung der Oberflächen dünner Blockcopolymerfilme ermöglichen. Der Nachweis der Reorientierung der Oberflächenlamelle unter dem Einfluss angrenzender polarer und unpolarer Medien gelang im Folgenden sowohl indirekt durch Kontaktwinkelmessungen, als auch direkt durch „Near edge X-ray Absorption Fine Structure“ Spektroskopie (NEXAFS). Durch Letztere konnten auch kinetische Informationen über den Prozess der Reorientierung gewonnen werden. In AFM Studien konnten weiterhin Zwischenstufen des von Senchu et al. postulierten Mechanismus nachgewiesen werden, der die Reorientierung als eine Art Reißverschlussmechanismus beschreibt, bei dem sich die energetisch günstigere Lamelle über die ungünstigere Oberflächenlamelle stülpt. Die laterale Strukturierung der Oberflächen dünner Blockcopolymerfilme erfolgte abweichend von der bekannten Technik, die auf der Verwendung von hydrophoben PDMS Stempeln und einem polaren Lösungsmittel zurückgreift, durch einen lösungsmittelfreien Prozess mit hydrophilen PDMS Stempeln. Auf die hydrophilen Bereiche der so strukturierten Blockcopolymeroberflächen konnte dann mittels einer Templatstrategie selektiv elementares Kupfer abgeschieden werden. Durch die Erzeugung leitfähiger Strukturen auf Blockcopolymerfilmen konnte exemplarisch die Eignung dieser zum Aufbau von Sensorstrukturen gezeigt werden.

Untersuchung des Reorientierungsverhaltens und Strukturierung dünner amphiphiler Blockcopolymerfilme zum Aufbau von Kompositen

Grundlage für die hier gezeigte Arbeit stellt die Eigenschaft von amphiphilen Blockcopolymeren dar immer den Block mit der niedrigsten Grenzflächenenergie zum angrenzenden Medium an die Oberfläche zu bringen. Durch einen Austausch des Mediums an der Grenzfläche zum Blockcopolymer kann eine Reorientierung erzwungen werden, wenn die Grenzflächenenergie des anderen Blocks nun die niedrigere Grenzflächenenergie besitzt. Dieses Verhalten von dünnen amphiphilen Blockcopolymerfilmen wurde zur Strukturierung von Oberflächen ausgenutzt und in nachfolgenden Synthesen weiter verstärkt. Um dies zu erreichen wurde das zur Strukturierung erforderliche Poly(4-Octylstyrol)block(4-hydroxystyrol) durch kontrollierte radikalische Polymerisationsmethode mit dem Tempo Unimer (2,2,6,6-Tetramethyl-1-1(1-phenyl-ethoxy)-piperidin) synthetisiert. Für die geplanten Reorientierungen und Modifizierungen von Oberflächen wurden dünne Filme durch Schleuderbeschichtung auf verschiedenen Substraten (Siliziumwafern, Glassubstraten und Goldoberflächen) hergestellt. Das Verhalten der Oberflächen von diesen Filmen wurde durch Kontaktwinkelmessungen untersucht. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass die Oberfläche von Polymerfilmen nach der Präparation aus dem hydrophoben Block des Polymers gebildet wird. Durch Kontakt des Polymerfilms mit Wasser kann dieser zur Reorientierung gebracht werden, so dass der hydrophile Block des Polymers an der Oberfläche erscheint. Dieses Verhalten wurde zur Strukturierung mit softlithographischen Techniken genutzt. Dazu wurden hydrophil/hydrophob strukturierte Oberflächen durch Aufsetzen von hydrophoben PDMS-Stempeln, die Teile der Oberfläche selektiv abdeckten, und Einbringen von Wasser in die dabei entstehenden Kapillaren hergestellt. Dies ermöglichte es die Oberfläche selektiv im Größenbereich von 500nm bis zu 50µm zu strukturieren und an den reaktiven Bereichen Materialien, wie z.B. Kupfer, Titandioxid, Polyelektrolyte, photonische Kristalle und angegraftete Polymere, mit verschiedenen Methoden selektiv auf die Oberfläche aufzubringen. Um den Reorganisationsprozess der Oberfläche genauer zu studieren, wurde ein für diese Aufgabe besser geeignetes Polymer (Poly(Styrol)-block-poly(essigsäure-2-(2-(4-vinyl-phenoxy)-ethoxy)ethylester)) synthetisiert. Aus diesem Blockcopolymer wurden wieder dünne Filme durch Spincoaten hergestellt. Die Reorientierung dieses Polymers in 70°C warmen Wasser konnte durch Kontaktwinkelmessungen und NEXAFS Spektroskopie nachgewiesen werden. Mit Hilfe der NEXAFS Spektroskopie konnte festgestellt werden, dass die Geschwindigkeit der Reorientierung durch eine exponentielle Funktion beschrieben werden kann. Eine Auswertung der Geschwindigkeitskonstante für die Reorientierung einer hydrophilen zu einer hydrophoben Oberfläche des Polymers bei 60°C führt zu =75min. Aufgrund des exponentiellen Charakters der Reorientierung macht es den Anschein, dass die Reorientierung bei verschiedenen Reorientierungstemperaturen bis zu einem gewissen Grad erfolgt und dann stoppt. Eine weitere Reorientierung scheint erst wieder bei einer Temperaturerhöhung zu beginnen. Aus AFM Messungen ist ein Beginnen der Reorientierung durch Bildung kleiner Löcher in der Polymeroberfläche zu erkennen, die sich zu runden Erhöhungen und Vertiefungen vergrößern, um letztendlich in ein spinodales Entmischungsmuster über zu gehen. Dieses heilt dann im Laufe der Zeit langsam durch Verschwinden der hydrophilen Bereiche langsam aus. Der Beginn des zuvor beschriebenen Reorientierungsprozesses einer hydrophilen Oberfläche in eine hydrophobe konnte sowohl in den AFM, als auch in den NEXAFS-Messungen zu ca. 50°C bestimmt werden.

New regularization method for EXAFS analysis: Application to uranium and plutonium sorption onto kaolinite

Die Röntgenabsorptionsspektroskopie (Extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy) ist eine wichtige Methode zur Speziation von Schwermetallen in einem weiten Bereich von umweltrelevanten Systemen. Um Strukturparameter wie Koordinationszahl, Atomabstand und Debye-Waller Faktoren für die nächsten Nachbarn eines absorbierenden Atoms zu bestimmen, ist es für experimentelle EXAFS-Spektren üblich, unter Verwendung von Modellstrukturen einen „Least-Squares-Fit“ durchzuführen. Oft können verschiedene Modellstrukturen mit völlig unterschiedlicher chemischer Bedeutung die experimentellen EXAFS-Daten gleich gut beschreiben. Als gute Alternative zum konventionellen Kurven-Fit bietet sich das modifizierte Tikhonov-Regularisationsverfahren an. Ergänzend zur Tikhonov-Standardvariationsmethode enthält der in dieser Arbeit vorgestellte Algorithmus zwei weitere Schritte, nämlich die Anwendung des „Method of Separating Functionals“ und ein Iterationsverfahren mit Filtration im realen Raum. Um das modifizierte Tikhonov-Regularisationsverfahren zu testen und zu bestätigen wurden sowohl simulierte als auch experimentell gemessene EXAFS-Spektren einer kristallinen U(VI)-Verbindung mit bekannter Struktur, nämlich Soddyit (UO2)2SiO4 x 2H2O, untersucht. Die Leistungsfähigkeit dieser neuen Methode zur Auswertung von EXAFS-Spektren wird durch ihre Anwendung auf die Analyse von Proben mit unbekannter Struktur gezeigt, wie sie bei der Sorption von U(VI) bzw. von Pu(III)/Pu(IV) an Kaolinit auftreten. Ziel der Dissertation war es, die immer noch nicht voll ausgeschöpften Möglichkeiten des modifizierten Tikhonov-Regularisationsverfahrens für die Auswertung von EXAFS-Spektren aufzuzeigen. Die Ergebnisse lassen sich in zwei Kategorien einteilen. Die erste beinhaltet die Entwicklung des Tikhonov-Regularisationsverfahrens für die Analyse von EXAFS-Spektren von Mehrkomponentensystemen, insbesondere die Wahl bestimmter Regularisationsparameter und den Einfluss von Mehrfachstreuung, experimentell bedingtem Rauschen, etc. auf die Strukturparameter. Der zweite Teil beinhaltet die Speziation von sorbiertem U(VI) und Pu(III)/Pu(IV) an Kaolinit, basierend auf experimentellen EXAFS-Spektren, die mit Hilfe des modifizierten Tikhonov-Regularisationsverfahren ausgewertet und mit Hilfe konventioneller EXAFS-Analyse durch „Least-Squares-Fit“ bestätigt wurden.

Studio dell'intorno locale di complessi antitumorali di Cu(I) e (II) tramite spettroscopia di assorbimento X

In questo lavoro è presentato l'utilizzo della spettroscopia di assorbimento di raggi X applicata all'indagine inerente il numero e la natura degli atomi vicini di un centro metallico a due diversi stati di ossidazione [Cu(I) e Cu(II)] all'interno di complessi fosfinici e/o azotati. Gli spettri sono stati registrati nella loro completezza, comprendendo sia la soglia sia lo spettro esteso di assorbimento, e le transizioni elettroniche 1s→3d e 1s→4p sono state oggetto d'esame per avere indicazioni circa l'intorno locale del fotoassorbitore (l'atomo centrale). La tecnica più utilizzata, tuttavia, è stata l'analisi EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) che ha permesso di determinare l’effettiva coordinazione di Cu(I) e (II) nel caso dei complessi studiati. Il metodo consiste nella costruzione di un segnale teorico più simile possibile a quello ottenuto sperimentalmente, e l’approccio per raggiungere questo obiettivo consiste nel seguire una procedura di fitting eseguita computazionalmente (tramite il pacchetto software GNXAS), per la quale è necessario un modello strutturale già esistente o creato ex novo da una molecola di partenza molto simile. Sarà presentato lo studio degli esperimenti ottenuti su campioni sia solidi che in soluzione: in questo modo è stato possibile effettuare un confronto tra le due forme dello stesso composto nonché si è potuto osservare i cambiamenti riguardanti l’interazione metallo-solvente a diverse concentrazioni. Come sarà mostrato in seguito, l’analisi sui solidi è risultata più affidabile rispetto a quella riferita alle soluzioni; infatti il basso rapporto segnale/rumore caratterizzante le misure di queste ultime ha limitato le informazioni ottenibili dai relativi spettri di assorbimento di raggi X.