Modeling of complex chemical reactions and macromolecular orientation phenomena in confined geometries

The cooperative motion algorithm was applied on the molecular simulation of complex chemical reactions and macromolecular orientation phenomena in confined geometries. First, we investigated the case of equilibrium step-growth polymerization in lamellae, pores and droplets. In such systems, confinement was quantified as the area/volume ratio. Results showed that, as confinement increases, polymerization becomes slower and the average molecular weight (MW) at equilibrium decreases. This is caused by the sterical hindrance imposed by the walls since chain growth reactions in their close vicinity have less realization possibilities. For reactions inside droplets at surfaces, contact angles usually increased after polymerization to compensate conformation restrictions imposed by confinement upon growing chains. In a second investigation, we considered monodisperse and chemically inert chains and focused on the effect of confinement on chain orientation. Simulations of thin polymer films showed that chains are preferably oriented parallel to the surface. Orientation increases as MW increases or as film thickness d decreases, in qualitative agreement with experiments with low MW polystyrene. It is demonstrated that the orientation of simulated chains results from a size effect, being a function of the ratio between chain end-to-end distance and d. This study was complemented by experiments with thin films of pi-conjugated polymers like MEH-PPV. Anisotropic refractive index measurements were used to analyze chain orientation. With increasing MW, orientation is enhanced. However, for MEH-PPV, orientation does not depend on d even at thicknesses much larger than the chain contour length. This contradiction with simulations was discussed by considering additional causes for orientation, for instance the appearance of nematic-like ordering in polymer films. In another investigation, we simulated droplet evaporation at soluble surfaces and reproduced the formation of wells surrounded by ringlike deposits at the surface, as observed experimentally. In our simulations, swollen substrate particles migrate to the border of the droplet to minimize the contact between solvent and vacuum, which costs the most energy. Deposit formation in the beginning of evaporation results in pinning of the droplet. When polymer chains at the substrate surface have strong uniaxial orientation, the resulting pattern is no longer similar to a ring but to a pair of half-moons. In a final stage, as an extension for the model developed for polymerization in nanoreactors, we studied the effect of geometrical confinement on a hypothetical oscillating reaction following the mechanism of the so called periodically forced Brusselator. It was shown that a reaction which is chaotic in the bulk may be driven to periodicity by confinement and vice-versa, opening new perspectives for chaos control.

Enantioselective Reactions Promoted by Organocatalytic Species From The Natural Chiral Pool

During the course of my Ph.D. in the laboratories directed by Prof. Alfredo Ricci at the Department of Organic Chemistry “A. Mangini” of the University of Bologna, I was involved in the study and the application of a number of organocatalytic systems, all coming from the natural chiral pool. The first part of this thesis will be devoted to new homogeneous organocatalytic reactions promoted by Cinchona alkaloid-based organocatalysts. Quinine based catalysts were found to be a very effective catalyst for Diels-Alder reactions involving 3-vinylindoles. Excellent results in terms of yields and enantioselectivities were achieved, outlining also a remarkable organocatalytic operational mode mimicking enzymatic catalysis. The same reaction with 2-vinylindoles showed a completely different behaviour resulting in an unusual resolution-type process. The asymmetric formal [3+2] cycloaddition with in situ generated N-carbamoyl nitrones using Cinchona-derived quaternary ammonium salts as versatile catalysts under phase transfer conditions, outlines another application in organocatalysis of this class of alkaloids. During the seven months stage in the Prof. Helma Wennemers’ group at the Department of Chemistry of the University of Basel (Switzerland) I have been involved in organocatalysis promoted by oligopeptides. My contribution regarded the 1,4-addition reaction of aldehydes to nitroolefins. In the work performed at the Department of Organic Chemistry “A. Mangini” of the University of Bologna, in collaboration with the ‘Institut Charles Gerhardt-Montpellier, of Montpellier (France) the possibility of performing for the first time heterogeneous organocatalysis by using a natural polysaccharide biopolymer as the source of chirality was disclosed. With chitosan, derived from deacetylation of chitin, a highly enantioselective heterogeneous organocatalytic aldol reaction could be performed. The use of an eco-friendly medium such as water, the recyclability of the catalytic specie and the renewable nature of the polysaccharide are assets of this new approach in organocatalysis and open interesting perspectives for the use of biopolymers.

Structural transformations related to organic solid-state reactions: correlation studies of NMR and X-ray analysis

Eine zielgerichtete Steuerung und Durchführung von organischen Festkörperreaktionen wird unter anderem durch genaue Kenntnis von Packungseffekten ermöglicht. Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch den kombinierten Einsatz von Einkristallröntgenanalyse und hochauf-lösender Festkörper-NMR an ausgewählten Beispielen ein tieferes Verständnis und Einblicke in die Reaktionsmechanismen von organischen Festkörperreaktionen auf molekularer Ebene gewonnen werden. So konnten bei der topotaktischen [2+2] Photodimerisierung von Zimt-säure Intermediate isoliert und strukturell charakterisiert werden. Insbesondere anhand statischer Deuteronen- und 13C-CPMAS NMR Spektren konnten eindeutig dynamische Wasserstoffbrücken nachgewiesen werden, die transient die Zentrosymmetrie des Reaktions-produkts aufheben. Ein weiterer Nachweis gelang daraufhin mittels Hochtemperatur-Röntgen-untersuchung, sodass der scheinbare Widerspruch von NMR- und Röntgenuntersuchungen gelöst werden konnte. Eine Veresterung der Zimtsäure entfernt diese Wasserstoffbrücken und erhält somit die Zentrosymmetrie des Photodimers. Weiterhin werden Ansätze zur Strukturkontrolle in Festkörpern basierend auf der molekularen Erkennung des Hydroxyl-Pyridin (OH-N) Heterosynthon in Co-Kristallen beschrieben, wobei vor allem die Stabilität des Synthons in Gegenwart funktioneller Gruppen mit Möglichkeit zu kompetetiver Wasserstoffbrückenbildung festgestellt wurde. Durch Erweiterung dieses Ansatzes wurde die molekulare Spezifität des Hydroxyl-Pyridin (OH-N) Heterosynthons bei gleichzeitiger Co-Kristallisation mit mehreren Komponenten erfolgreich aufgezeigt. Am Beispiel der Co-Kristallisation von trans--1,2-bis(4-pyridyl)ethylen (bpe) mit Resorcinol (res) in Gegenwart von trans-1,2-bis(4-pyridyl)ethan (bpet) konnten Zwischenprodukte der Fest-körperreaktionen und neuartige Polymorphe isoliert werden, wobei eine lückenlose Aufklärung des Reaktionswegs mittels Röntgenanalyse gelang. Dabei zeigte sich, dass das Templat Resorcinol aus den Zielverbindungen entfernbar ist. Ferner gelang die Durchführung einer seltenen, nicht-idealen Einkristall-Einkristall-Umlagerung von trans--1,2-bis(4-pyridyl)ethylen (bpe) mit Resorcinol (res). In allen Fällen konnten die Fragen zur Struktur und Dynamik der untersuchten Verbindungen nur durch gemeinsame Nutzung von Röntgenanalyse und NMR-Spektroskopie bei vergleichbaren Temperaturen eindeutig und umfassend geklärt werden.

Experimental investigation of the reactions 25 Mg(alpha,n)28 Si, 26 Mg(alpha,n)29 Si, 18 O(alpha,n)21 Ne and their impact on stellar nucleosynthesis

In der vorliegenden Dissertation werden die Kernreaktionen 25Mg(alpha,n)28Si, 26Mg(alpha,n)29Si und 18O(alpha,n)21Ne im astrophysikalisch interessanten Energiebereich von E alpha = 1000 keV bis E alpha = 2450 keV untersucht.rnrnDie Experimente wurden am Nuclear Structure Laboratory der University of Notre Dame (USA) mit dem vor Ort befindlichen Van-de-Graaff Beschleuniger KN durchgeführt. Hierbei wurden Festkörpertargets mit evaporiertem Magnesium oder anodisiertem Sauerstoff mit alpha-Teilchen beschossen und die freigesetzten Neutronen untersucht. Zum Nachweis der freigesetzten Neutronen wurde mit Hilfe von Computersimulationen ein Neutrondetektor basierend auf rn3He-Zählrohren konstruiert. Weiterhin wurden aufgrund des verstärkten Auftretens von Hintergrundreaktionen verschiedene Methoden zur Datenanalyse angewendet.rnrnAbschliessend wird mit Hilfe von Netzwerkrechnungen der Einfluss der Reaktionen 25Mg(alpha,n)28Si, 26Mg(alpha,n)29Si und 18O(alpha,n)21Ne auf die stellare Nukleosynthese untersucht.rn

Atmospheric heterogeneous reactions of N 2 O 5 and NO 3 radicals with mineral dust particles

Die heterogenen Reaktionen von N2O5 bzw. NO3 auf mineralischen Staubpartikeln wurden untersucht, um deren Einfluss auf den Abbau atmosphärischer Stickoxide (NOx) sowie auf die chemische Veränderung der Staubpartikel während ihres Transportes durch die Atmosphäre besser verstehen zu können. Die experimentellen Studien wurden bei Atmosphärendruck, Raumtemperatur und unterschiedlichen relativen Luftfeuchten durchgeführt. Der Aufnahmekoeffizient γ(N2O5) von N2O5 auf dispergiertem Staub aus der Sahara wurde zu 0,020 ± 0,002 (1σ) bestimmt, unabhängig von der relativen Feuchte (0 - 67 %) sowie der N2O5-Konzentration (5x1011 - 3x1013 Moleküle cm-3).rnDie Analyse der Reaktionsprodukte in der Gasphase sowie auf der Partikeloberfläche führt zu der Annahme, dass N2O5 auf der Staubpartikeloberfläche zu Nitrat hydrolysiert wird. Es konnte kein Einfluss der relativen Feuchte auf den Aufnahmekoeffizienten ermittelt werden, was durch das vorhandene interlamellare Wasser, welches bis zu 10 % der Partikelmasse betragen kann, erklärbar ist. Der gemessene Wert des Aufnahmekoeffizienten ist unabhängig von der Eingangs-N2O5-Konzentration, was sich über die sehr große innere Oberfläche der Partikel erklären lässt. Dennoch ließ sich durch eine vorherige Konditionierung der Partikel mit gasförmigem HNO3, was eine Nitratanreicherung an der Oberfläche bewirkt, die Effizienz der N2O5-Aufnahme auf die Staubpartikel reduzieren. Zusätzliche Studien befassten sich mit der Bestimmung des Aufnahmekoeffizienten von N2O5 auf Illit-Partikeln und auf Teststaub aus Arizona. Bei einer relativen Luftfeuchte von 0 % wurden für γ(N2O5) Werte von 0,084 ± 0,019 (1σ) für Illit und von 0,010 ± 0,001 (1σ) für Arizona Teststaub ermittelt.rnUnter Anwendung einer neuartigen Messmethode, die auf der zeitgleichen Messung der Konzentrationsabnahme von NO3 und N2O5 relativ zueinander beruht, wurde das Verhältnis γ(NO3)/γ(N2O5) der Aufnahmekoeffizienten von NO3 und N2O5 auf Saharastaub zu 0,9 ± 0,4 (1σ) bestimmt. Dieser Wert war unabhängig von der relativen Feuchte, den NO3- und N2O5-Konzentrationen sowie der Reaktionszeit, obwohl eine Oberflächendeaktivierung für beide Spurenstoffe beobachtet wurde.

Beyond simple proton transfer processes: domino reactions between 4-substituted indoles and nitroethene as a new gateway to ergot alkaloids

The multimodal biology activity of ergot alkaloids is known by humankind since middle ages. Synthetically modified ergot alkaloids are used for the treatment of various medical conditions. Despite the great progress in organic syntheses, the total synthesis of ergot alkaloids remains a great challenge due to the complexity of their polycyclic structure with multiple stereogenic centres. This project has developed a new domino reaction between indoles bearing a Michael acceptor at the 4 position and nitroethene, leading to potential ergot alkaloid precursors in highly enantioenriched form. The reaction was optimised and applied to a large variety of substrate with good results. Even if unfortunately all attempts to further modify the obtained polycyclic structure failed, it was found a reaction able to produce the diastereoisomer of the polycyclic product in excellent yields. The compounds synthetized were characterized by NMR and ESIMS analysis confirming the structure and their enantiomeric excess was determined by chiral stationary phase HPLC. The mechanism of the reaction was evaluated by DFT calculations, showing the formation of a key bicoordinated nitronate intermediate, and fully accounting for the results observed with all substrates. The relative and absolute configuration of the adducts were determined by a combination of NMR, ECD and computational methods.

On-surface chemical reactions on an insulating substrate

Diese Arbeit beschreibt zum ersten Mal die kovalente Verknüpfung organischer Moleküle auf einer Isolatoroberfläche, motiviert im Hinblick auf die Nutzung der Synthesemethode für die molekulare Elektronik und verwandte Anwendungen. Durch die Verwendung der Nichtkontakt-Rasterkraftmikroskopie und der Kelvinprobe-Mikroskopie bei Raumtemperatur wurden grundlegende molekulare Prozesse der Wechselwirkungen zwischen Molekülen und der Calcit(10.4) Oberfläche sowie die chemische Reaktivität der Moleküle auf der Oberfläche analysiert. Das Zusammenspiel zwischen intermolekularen und Molekül-Oberfläche Wechselwirkungen zeigt sich für Biphenyl-4,4'-dicarbonsäure (BPDCA) durch die Koexistenz zweier unterschiedlicher molekularer Strukturen, die einen Einblick in die treibenden Kräfte der molekularen Selbstorganisation bieten. Die sehr ausgeprägte Reihenstruktur basiert auf der optimalen geometrischen Struktur der BPDCA Moleküle zu den Abmessungen des Substrats, während die zweite Struktur durch Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen gekennzeichnet ist. Der Deprotonierungsvorgang von 2,5-Dihydroxybenzoesäure (DHBA)-Molekülen auf Calcit wird bei Zimmertemperatur gezeigt. Zwei Phasen werden beobachtet, die nach Aufbringen der Moleküle koexistieren. Mit der Zeit geht eine bulk-ähnliche Phase in eine stabile, dicht gepackte Phase über. Der Übergang wird durch Betrachtung des Protonierungszustands der Moleküle erklärt. Die bulk-ähnliche Phase benötigt Wasserstoffbrückbindungen zur Strukturbildung. Werden die Moleküle deprotoniert, so wird die resultierende dicht gepackte Phase durch die elektrostatische Wechselwirkung der deprotonierten Carboxylatgruppen mit den Oberflächen-Calciumkationen stabilisiert. 4-Iodbenzoesäure (IBA)-Moleküle bilden auf Calcit nur Inseln an Stufenkanten, was auf die schwache Molekül-Oberflächen-Wechselwirkung zurückzuführen ist. Für einen stärkeren Einfluss des Substrats durchlaufen die Moleküle einen kontrollierten Übergangsschritt vom protonierten zum deprotonierten Zustand. Im deprotonierten Zustand nehmen die Moleküle eine wohldefinierte Adsorptionsposition auf dem Substrat ein. Die deprotonierte Säuregruppe wird ausgenutzt, um die Desorption der halogensubstituierten Benzoesäure-Moleküle bei der thermischer Aktivierung für die Vernetzungsreaktion zu vermeiden. Darüber hinaus wird die Carboxylatgruppe als starker Elektronendonor verwendet um die Phenyl-Halogen-Bindung zu schwächen und somit die homolytische Spaltung dieser Bindung auch bei moderaten Temperaturen zu ermöglichen. Diesem Konzept folgend ist die erste erfolgreiche kovalente Verknüpfung von 2,5-Diiod-benzoesäure, 2,5-Dichlorbenzoesäure, 3,5-Diiod Salicylsäure und 4-Iod-benzoesäure zu durchkonjugierten molekularen Drähten, Zick-Zack-Strukturen sowie Dimere gezeigt durch Ausnutzen von unterschiedlichen Substitutionsposition sowie Ändern der Anzahl der substituierten Halogenatome. Aufbauend auf diesem Erfolg, wird eine zweistufige Vernetzungsreaktion vorgestellt. Zum Induzieren der ortsspezifischen und sequentiellen kovalenten Verknüpfung wird ein Ausgangsmolekül gewählt, das sowohl eine Bromphenyl als auch eine Chlorphenyl Gruppe mit unterschiedlichen Dissoziationsenergien für die homolytische Spaltung besitzt. Die Reaktionsstellen und sequentielle Reihenfolge für die Reaktion sind somit in der molekularen Struktur einkodiert und bisher unerreichte Reaktionspfade können mithilfe der kovalente Verknüpfung organischer Moleküle auf einer Isolatoroberfläche beschritten werden.

Stabilizing molecular self-assemblies via on-surface reactions

Für die Realisierung zukünftiger Technologien, wie z.B. molekulare Elektronik, werden Strategien benötigt, um funktionale Strukturen direkt auf Oberflächen zu erzeugen. Für die Bewältigung dieser Aufgabe ist die molekulare Selbstanordnung ein äußerst vielversprechender Bottom-up-Ansatz. Hierbei ist eine der größten Herausforderungen das Zusammenspiel aus intramolekularer Wechselwirkung und der Wechselwirkung zwischen Substrat und Molekülen in ein Gleichgewicht zu bringen. Da jedoch die wirkenden Kräfte der molekularen Selbstanordnung ausschließlich reversibler Natur sind, ist eine langfristige Stabilität fragwürdig. Somit ist die kovalente Verknüpfung der gebildeten Strukturen durch Reaktionen direkt auf der Oberfläche unerlässlich, um die Stabilität der Strukturen weiter zu erhöhen. Hierzu stellt die vorliegende Arbeit eine ausführliche Studie zu molekularer Selbstanordnung und der zielgerichteten Modifikation ebensolcher Strukturen dar. Durch den Einsatz von hochauflösender Rasterkraftmikroskopie im Ultrahochvakuum, welche es erlaubt einzelne Moleküle auf Nichtleitern abzubilden, wurde der maßgebliche Einfluss von Ankerfunktionalitäten auf den Prozess der molekularen Selbstanordnung gezeigt. Des Weiteren konnte die Stabilität der selbst angeordneten Strukturen durch neue Oberflächenreaktionskonzepte entschieden verbessert werden. Der Einfluss von Ankerfunktionen, die elektrostatische Wechselwirkung zwischen Molekül und Substrat vermitteln, auf den Strukturbildungsprozess der molekularen Selbstanordnung wird eingehend durch den Vergleich eines aromatischen Moleküls und seines vierfach chlorierten Derivates gezeigt. Für diese beiden Moleküle wurde ein deutlich unterschiedliches Verhalten der Selbstanordnung beobachtet. Es wird gezeigt, dass die Fähigkeit zur Bildung selbst angeordneter, stabiler Inseln entscheidend durch die Substituenten und die Abmessungen des Moleküls beeinflusst wird. Auch wird in dieser Arbeit die erste photochemische Reaktion organischer Moleküle auf einem Isolator gezeigt. Qualitative und quantitative Ergebnisse liefern ein detailliertes Bild darüber, wie die Abmessungen des Substratgitters die Richtung der Reaktion gezielt beeinflussen. Des Weiteren wird ein allgemeines Konzept zur selektiven Stabilisierung selbstangeordneter Molekülstrukturen durch den kontrollierten Transfer von Elektronen präsentiert. Durch die gezielte Steuerung der Menge an Dotierungsatomen wird die Desorptionstemperatur der molekularen Inseln signifikant erhöht und das Desorptionsverhalten der Inseln entschieden verändert. Diese Arbeit präsentiert somit erfolgreich durchgeführte Strategien um den Prozess der molekularen Selbstanordnung zu steuern, sowie entscheidende Mechanismen um die Stabilisierung und Modifizierung von selbst angeordneten Strukturen zu gewährleisten.

Synthesis and metal complexes of C2 symmetric ligands obtained from (R)-(+)-Betti and dialdehydes for asymmetric induction reactions

The aim of this master’s research thesis was the employment of an enantiopure 1,3-aminoalcohol, the 1-(α-aminobenzyl)-2-naphthol, known as Betti base, for the synthesis of some novel compounds which show a C2 symmetry. Some of these compounds, after derivatization, were used as ligands in association with transition metals to prepare some catalysts for enantioselective catalytic reactions. Some aminoalcohol (Salan-type) derivatives of these compounds were obtained upon reduction and in some cases it was possible to obtain complexes with transition metals such as Mn, Ni, Co and Cu. Furthermore a novel 6-membered analogue bisoxazoline ligand, 2,6-bis((R)-1-Phenyl-1H-naphtho[1,2-e][1,3]oxazin-3-yl)pyridine, was obtained and from it two Cu-complexes were prepared. The metal complexes were employed in some reactions to test the asymmetric induction, which was in some cases up to discrete values.

Drug hypersensitivity reactions involving skin

Immune reactions to drugs can cause a variety of diseases involving the skin, liver, kidney, lungs, and other organs. Beside immediate, IgE-mediated reactions of varying degrees (urticaria to anaphylactic shock), many drug hypersensitivity reactions appear delayed, namely hours to days after starting drug treatment, showing a variety of clinical manifestations from solely skin involvement to fulminant systemic diseases which may be fatal. Immunohistochemical and functional studies of drug-specific T cells in patients with delayed reactions confirmed a predominant role for T cells in the onset and maintenance of immune-mediated delayed drug hypersensitivity reactions (type IV reactions). In these reactions, drug-specific CD4+ and CD8+ T cells are stimulated by drugs through their T cell receptors (TCR). Drugs can stimulate T cells in two ways: they can act as haptens and bind covalently to larger protein structures (hapten-carrier model), inducing a specific immune response. In addition, they may accidentally bind in a labile, noncovalent way to a particular TCR of the whole TCR repertoire and possibly also major histocompatibility complex (MHC)-molecules - similar to their pharmacologic action. This seems to be sufficient to reactivate certain, probably in vivo preactivated T cells, if an additional interaction of the drug-stimulated TCR with MHC molecules occurs. The mechanism was named pharmacological interaction of a drug with (immune) receptor and thus termed the p-i concept. This new concept may explain the frequent skin symptoms in drug hypersensitivity to oral or parenteral drugs. Furthermore, the various clinical manifestations of T cell-mediated drug hypersensitivity may be explained by distinct T cell functions leading to different clinical phenotypes. These data allowed a subclassification of the delayed hypersensitivity reactions (type IV) into T cell reactions which, by releasing certain cytokines and chemokines, preferentially activate and recruit monocytes (type IVa), eosinophils (type IVb), or neutrophils (type IVd).

Haemostatic effect and tissue reactions of methods and agents used for haemorrhage control in apical surgery

To compare the haemostatic effect and tissue reactions of different agents and methods used for haemorrhage control in apical surgery.

Influence of total and specific IgE, serum tryptase, and age on severity of allergic reactions to Hymenoptera stings

The aim of this study was to analyze the influence of total serum IgE and other potential risk factors on severity of systemic allergic Hymenoptera sting reactions.

Cross-reactivity in drug hypersensitivity reactions to sulfasalazine and sulfamethoxazole

Sulfonamides are generally classified into 2 groups: antibiotics and non-antibiotics. Recent studies showed that patients allergic to sulfonamide antibiotics do not have a specific risk for an allergy to sulfonamide non-antibiotic. However, the anti-inflammatory drug sulfasalazine represents an important exception. Used in rheumatic diseases, it is classified as a non-antibiotic sulfonamide, but is structurally related to antibiotic sulfonamides. Therefore, we aimed to analyze in vitro the cross-reactivity between the antimicrobial sulfamethoxazole and the anti-inflammatory drug sulfasalazine.

Allergen cross reactions: a problem greater than ever thought?

Cross reactions are an often observed phenomenon in patients with allergy. Sensitization against some allergens may cause reactions against other seemingly unrelated allergens. Today, cross reactions are being investigated on a per-case basis, analyzing blood serum specific IgE (sIgE) levels and clinical features of patients suffering from cross reactions. In this study, we evaluated the level of sIgE compared to patients' total IgE assuming epitope specificity is a consequence of sequence similarity.