Synthesis and Physical-Chemical characterization of Metallic Nanoparticles

The stabilization of nanoparticles against their irreversible particle aggregation and oxidation reactions. is a requirement for further advancement in nanoparticle science and technology. For this reason the research aim on this topic focuses on the synthesis of various metal nanoparticles protected with monolayers containing different reactive head groups and functional tail groups. In this work cuprous bromide nanocrystals haave been synthetized with a diameter of about 20 nanometers according to a new sybthetic method adding dropwise ascorbic acid to a water solution of lithium bromide and cupric chloride under continuous stirring and nitrogen flux. Butane thiolate Cu protected nanoparticles have been synthetized according to three different syntesys methods. Their morphologies appear related to the physicochemical conditions during the synthesis and to the dispersing medium used to prepare the sample. Synthesis method II allows to obtain stable nanoparticles of 1-2 nm in size both isolated and forming clusters. Nanoparticle cluster formation was enhanced as water was used as dispersing medium probably due to the idrophobic nature of the butanethiolate layers coating the nanoparticle surface. Synthesis methods I and III lead to large unstable spherical nanoparticles with size ranging between 20 to 50 nm. These nanoparticles appeared in the TEM micrograph with the same morphology independently on the dispersing medium used in the sample preparation. The stability and dimensions of the copper nanoparticles appear inversely related. Using the same methods above described for the butanethiolate protected copper nanoparticles 4-methylbenzenethiol protected copper nanoparticles have been prepared. Diffractometric and spectroscopic data reveal that decomposition processes didn’t occur in both the 4-methylbenzenethiol copper protected nanoparticles precipitates from formic acid and from water in a period of time six month long. Se anticarcinogenic effects by multiple mechanisms have been extensively investigated and documented and Se is defined a genuine nutritional cancer-protecting element and a significant protective effect of Se against major forms of cancer. Furthermore phloroglucinol was found to possess cytoprotective effects against oxidative stress, thanks to reactive oxygen species (ROS) which are associated with cells and tissue damages and are the contributing factors for inflammation, aging, cancer, arteriosclerosis, hypertension and diabetes. The goal of our work has been to set up a new method to synthesize in mild conditions amorphous Se nanopaticles surface capped with phloroglucinol, which is used during synthesis as reducing agent to obtain stable Se nanoparticles in ethanol, performing the synergies offered by the specific anticarcinogenic properties of Se and the antioxiding ones of phloroalucinol. We have synthesized selenium nanoparticles protected by phenolic molecules chemically bonded to their surface. The phenol molecules coating the nanoparticles surfaces form low ordered arrays as can be seen from the wider shape of the absorptions in the FT-IR spectrum with respect to those appearing in that of crystalline phenol. On the other hand, metallic nanoparticles with unique optical properties, facile surface chemistry and appropriate size scale are generating much enthusiasm in nanomedicine. In fact Au nanoparticles has immense potential for both cancer diagnosis and therapy. Especially Au nanoparticles efficiently convert the strongly adsorbed light into localized heat, which can be exploited for the selective laser photothermal therapy of cancer. According to the about, metal nanoparticles-HA nanocrystals composites should have tremendous potential in novel methods for therapy of cancer. 11 mercaptoundecanoic surface protected Au4Ag1 nanoparticles adsorbed on nanometric apathyte crystals we have successfully prepared like an anticancer nanoparticles deliver system utilizing biomimetic hydroxyapatyte nanocrystals as deliver agents. Furthermore natural chrysotile, formed by densely packed bundles of multiwalled hollow nanotubes, is a mineral very suitable for nanowires preparation when their inner nanometer-sized cavity is filled with a proper material. Bundles of chrysotile nanotubes can then behave as host systems, where their large interchannel separation is actually expected to prevent the interaction between individual guest metallic nanoparticles and act as a confining barrier. Chrysotile nanotubes have been filled with molten metals such as Hg, Pb, Sn, semimetals, Bi, Te, Se, and with semiconductor materials such as InSb, CdSe, GaAs, and InP using both high-pressure techniques and metal-organic chemical vapor deposition. Under hydrothermal conditions chrysotile nanocrystals have been synthesized as a single phase and can be utilized as a very suitable for nanowires preparation filling their inner nanometer-sized cavity with metallic nanoparticles. In this research work we have synthesized and characterized Stoichiometric synthetic chrysotile nanotubes have been partially filled with bi and monometallic highly monodispersed nanoparticles with diameters ranging from 1,7 to 5,5 nm depending on the core composition (Au, Au4Ag1, Au1Ag4, Ag). In the case of 4 methylbenzenethiol protected silver nanoparticles, the filling was carried out by convection and capillarity effect at room temperature and pressure using a suitable organic solvent. We have obtained new interesting nanowires constituted of metallic nanoparticles filled in inorganic nanotubes with a inner cavity of 7 nm and an isolating wall with a thick ranging from 7 to 21 nm.

Stereoselektive Synthese von Stickstoffheterocyclen an Glycosylaminen als chiralen Auxiliaren

Alkaloide, im allgemeinen Stickstoffheterocyclen, sind wichtige Vorläuferverbindungen von pharmakologisch aktiven Substanzen. Die stereoselektive Synthese von Stickstoffheterocyclen ist von großem Interesse für die Entdeckung und Entwicklung von Arzneistoffen.In der Arbeit wurden Glycosylamine vom Typ des 2,3,4,6-Tetra-O-pivaloyl-?-D-galactosylamins bzw. des 2,3,4-Tri-O-pivaloyl-?-D-arabinosylamins zur diastereoselektiven Synthese mehrfach substituierter Stickstoffheterocyclen eingesetzt. In einer Tandem-Mannich-Michael-Reaktion eines Glycosylimins mit dem Danishefsky-Dien wurden die in Position 6 substituierten Dehydropiperidinone aufgebaut. In einer mehrstufigen Synthesesequenz konnte das 4a-Epimere des natürlichen Pumiliotoxin C als Hydrochlorid dargestellt werden.Mittels der Tandem-Mannich-Michael-Reaktion wurden auch 6,6`-disubstituierte Dehydropiperidinone dargestellt. Die Darstellung zweier Aza-spiro-Verbindungen gelang erstmals ausgehend von den Ketonen Cyclohexanon und 3-Methyl-cyclohexanon über die Glycosylketimine. Das in dieser Reaktion gefundene Nebenprodukt N-Glycosyl-6-(2´-oxo-propyl)-2,3 dehydropiperidin-4-on diente als Ausgangssubstanz für die Pinidinolsynthese.In der angewendeten Weise eignen sich Glycosylamine sehr gut für die stereoselektive Synthese von Stickstoffheterocyclen. Meistens werden die chirale Piperidinalkaloidvorläufer in hohen Ausbeuten und Diastereoselektivitäten erhalten.

Tris(trimethylsilyl)silyl substituted alkali- and transition metal guaiazulenides

In der vorliegenden Arbeit wird ein prochirales, aus natürlichen Resourcen gewonnenes Azulen, das Guajazulen genutzt, um neuartige chirale Cyclopentadienyl-Systeme aufzubauen. Mit Alkalimetallhypersilaniden als starke und sperrige Nukleophile gelingt es hypersilylsubstituierte Gujazulenide zu synthetisieren. Diese wurden mittels Elementaranalyse, NMR-Spektroskopie und Röntgendiffraktometrie charakterisiert. Durch nachfolgende Metathesen mit Übergangsmetallhalogeniden konnten in vielen Fällen die entsprechenden Metallocene erhalten werden. Die Experimente enthüllen eine ausgeprägte Regioselektivität der Addition des sperrigen Hypersilyanions an das Guajazulen, die durch das eingesetzte Lösungsmittel graduell verändert werden kann. In nicht-koordinierenden Lösungsmitteln findet man ausschließlich eine Addition an der 6-Position, die 6-Hypersilyl-2,6-dihydroguajazulenide (6-Hyp-Hgual) (M=Li 1, K 2, Cs 4) in ausgezeichneten Ausbeuten liefert. In polaren Solventien erhält man hingegen Mischungen der 6- und 8-Regioisomeren: 2 bzw. (8-Hyp-Hgual) (3). 2 bleibt aber hierbei das Hauptprodukt. Röntgenbeugungsexperimente zeigen, dass 1 im Kristall als dimerer Sandwich-Komplex, meso-[Li2(6-Hyp-Hgual)2], und die THF-Solvate (thf)4K(6-Hyp-Hgual) (2a) sowie (thf)4K(8-Hyp-Hgual) (3a) jeweils als Halb-Sandwich-Komplexe in einer racemischen Mischung vorliegen. Die Verbindungen 1, 2, 3 and 4 eignen sich sehr gut dazu, in Metathesereaktionen als Precursor für neuartige chirale Metallozen-Komplexe eingesetzt zu werden. Insbesondere das Kaliumderivat 2 besticht durch die einfache und relativ preiswerte Synthese, die erzielten hohen Ausbeuten (>80%) und seine leichte Handhabbarkeit. In THF als Solvent wurden die Metallocene 5:5-M’(6-Hyp-Hgual)2 (M’ = Mn 5, Fe 6, Ni 8) und 5:5-Fe(8-Hyp-Hgual)2 (7) erhalten. Bei Verwendung einiger redox-aktiver Metallhalogenide beobachtet man jedoch die Zersetzung der Metallocene unter Bildung des oxidativen Kopplungsproduktes (3-Hyp-6-Hgual)2 (9) sowie der Ausscheidung von Metall. Die Umsetzung von Halogeniden der Gruppe 4 (TiCl3 and M’’Cl4 (M’’ = Ti, Zr, Hf)) mit 2 liefert in THF ausschließlich die Metallozendichloride M’’(6-Hyp-Hgual)2Cl2 (M’’ = Ti (10), Zr (11), Hf (12)). Die erhaltenen Metallozenderivate fallen als Diastereomeren-Gemische an, die sich durch fraktionierende Kristallisation teilweise oder vollständig in ihre Bestandteile, das jeweilige R,R-Racemat und das R,S-meso-Diastereomer auftrennen lassen. Die Strukturen der rac-Diastereomere konnten durch Beugungsexperimente aufgeklärt werden. Durch eine Metathese von 2 mit Hyp-Cl kann eine zweite Hypersilylgruppe in die 2-Position des Guajazulen-Gerüstes eingeführt werden. Das entstehende 2,6-bis(Hyp)-H2gua (14) kann anschließend mit nBuLi in das extrem luft- und feuchtigkeitsempfindliche Li[2,6-bis(Hyp)-Hgual] (15) überführt werden, dass wie 1 eine dimere Sandwich-Struktur aufweist. Durch Einführung des zweiten Hypersilylrestes werden die chemischen Eigenschaften des Azulenids dramatisch verändert. Während Verbindung 1 sich als guter Precursor für Metallocene erwies, gelang es uns bislang nicht, entsprechende Derivate der Verbindung 15 zu isolieren.

Reinigung und Coexpression von Enzymen der Raubasin-Biosynthese

Die vorgestellten Arbeiten bezüglich der Biosynthese von pflanzlichen Indolalkaloiden können in einen molekularbiologischen und einen proteinche-mischen Teil aufgegliedert werden. Im molekularbiologischen Abschnitt stand die Entwicklung eines Vektorsystems im Vordergrund, das die gleichzeitige Expression mehrerer Enzyme in bakteriellen Kulturen erlaubte. Hierfür konnte zunächst die cDNA der Strictosidin-Synthase aus Rauvolfia serpentina in den Expressionsvektor pQE-70 einkloniert und das Protein aktiv exprimiert werden. Bevor es zum Einbau des Strictosidin-β-D-Glucosidase-Gens –ebenfalls aus Rauvolfia serpentina– kam, musste dessen Aktivität mit einer vorgeschalteten Ribosomenbindestelle sichergestellt werden. Diese zusätzliche Binderegion wurde an das 5’-Ende der cDNA angefügt, um die ungestörte Expression des Enzyms im späteren Coexpressions-System zu gewährleisten. Im Hinblick auf weiterführende Arbeiten in Bezug auf die komplette in vitro-Synthese bereits bekannter Alkaloide, wie z.B. das antiarrhythmisch wirkende Ajmalin oder das antihypertensiv wirkende Heteroyohimbin-Alkaloid Raubasin, wurde die ursprüngliche multiple-clonig-site des verwendeten Expressionsvektors pQE-70 um 27 zusätzliche Restriktionsschnittstellen (verteilt auf 253 bp) erweitert. Nach erfolgreicher Ligation der Strictosidin-β-D-Glucosidase-cDNA mit vorgeschalteter Ribosomenbindestelle an das 3’-Ende des Strictosidin-Synthase-Gens gelang die heterologe Coexpression beider Enzyme in einer homogenen Suspensionskultur des E. coli-Expressionsstamms M15. Dafür wurde das Vektorkonstrukt pQE-70bh-STR-RBS-SG entwickelt. Das Endprodukt der anschließenden enzymatischen Umsetzung von Tryptamin und Secologanin wurde über das Zwischenrodukt Strictosidin gebildet und konnte als Cathenamin identifiziert werden. Im proteinchemischen Teil der Dissertation wurde die Reinigung einer Cathenamin-Reduktase aus Zellsuspensionskulturen von Catharanthus roseus RC mit dem Ziel der partiellen Bestimmung der Aminosäuresequenz bearbeitet. Das gesuchte Enzym wandelte in einer NADPH-abhängigen Reaktion das Edukt Cathenamin in Raubasin um. Des weiteren wurde untersucht, wie viele Enzyme insgesamt an der Umwandlung von Cathenamin zu Raubasin und den eng verwandten Produkten Tetrahydroalstonin und 19-Epi-Raubasin beteiligt waren. Unter Anwendung eines hierfür entwickelten säulenchromatographischen Protokolls gelang die Reinigung einer Raubasin-bildenden Reduktase, deren Teilsequenz jedoch noch nicht bestimmt werden konnte. Die Anzahl der beteiligten Enzyme bei der Ausbildung von Raubasin, Tetrahydroalstonin und 19-Epi-Raubasin konnte auf mindestens zwei beziffert werden.

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

Environmental weathering of natural and artificial stones used in historical architecture: influence of microstructure and new restoration methods

For some study cases (the Cathedral of Modena, Italy, XII-XIV century; the Ducal Palace in Mantua, Italy, XVI century; the church of San Francesco in Fano, Italy, XIV-XIX century), considered as representative of the use of natural and artificial stones in historical architecture, the complex interaction between environ-mental aggressiveness, materials’ microstructural characteristics and degradation was investigated. From the results of such analyses, it was found that materials microstructure plays a fundamental role in the actual extent to which weathering mechanisms affect natural and artificial stones. Consequently, the need of taking into account the important role of material microstructure, when evaluating the environmental aggressiveness to natural and artificial stones, was highlighted. Therefore, a possible quantification of the role of microstructure on the resistance to environmental attack was investigated. By exposing stone samples, with significantly different microstructural features, to slightly acidic aqueous solutions, simulating clean and acid rain, a good correlation between weight losses and the product of carbonate content and specific surface area (defined as the “vulnerable specific surface area”) was found. Alongside the evaluation of stone vulnerability, the development of a new consolidant for weathered carbonate stones was undertaken. The use of hydroxya-patite, formed by reacting the calcite of the stone with an aqueous solution of di-ammonium hydrogen phosphate, was found to be a promising consolidating tech-nique for carbonates stones. Indeed, significant increases in the mechanical prop-erties can be achieved after the treatment, which has the advantage of simply con-sisting in a non-hazardous aqueous solution, able to penetrate deeply into the stone (> 2 cm) and bring significant strengthening after just 2 days of reaction. Furthermore, the stone sorptivity is not eliminated after treatment, so that water and water vapor exchanges between the stone and the environment are not com-pletely blocked.

Aufbau und Kupplung von Schlüsselintermediaten zur enantioselektiven Steroidsynthese

Steroide sind im Organismus weit verbreitete, vielfältig substituierte Naturstoffe mit einem breiten biologischen Wirkungsspektrum. C/D-cis-verknüpfte Steroide kommen in der Natur zwar selten vor, sie sind aber in ihrer pharmakologischen Aktivität nicht weniger interessant. Total- bzw. Partialsynthesen sind bisher in der Literatur kaum beschrieben worden. Die Arbeit beschäftigt sich mit grundlegenden Reaktionen zur enantioselektiven Synthese eines 13,14-cis-verknüpften Steroids. Als Fernziel wurde C/D-cis-verknüpftes Östradiol ausgewählt mit der Option, das Substitutionsmuster dieses Steroids vielfältig variieren zu können. Der Syntheseplan beinhaltet zunächst den Aufbau des Kohlenstoffgerüsts im Sinne einer konvergenten Synthese, abschließende Cyclisierungen sollten dann das vollständige Molekül ergeben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst das C/D-Ringfragment als Allylamin hergestellt. Das Amin ist dabei als chirales Auxiliar ausgelegt. Als A,B-Ringfragment wurden eine Reihe 4-Aryl-2,3-ungesättigte Carbonsäurefluoride synthetisiert. Im Verknüpfungsschritt, einer zwitterionischen Aza-Claisen-Umlagerung, konnten nun beide Fragmente mit hoher simpler, aber mäßiger induzierter Diastereoselektivität gekuppelt werden. Das Entfernen der Doppelbindung im Produkt erwies sich als erhebliche Hürde, die jedoch durch die Verwendung eines Enolethers genommen werden konnte. Das im Rahmen der Arbeit hergestellte Material sollte nun in wenigen Stufen zum C/D- cis-verknüpften Steroid umgesetzt werden können.

Development of Organocatalytic stereoselective SN1 type reactions

The proposal in my thesis has been the study of Stereoselective α-alkylation through SN1 type reaction. SN1 type reaction involves a stabilized and reactive carbocation intermediate By taking advantages of stability of particular carbocations, the use of carbocations in selective reactions has been important. In this work has been necessary to know the stability and reactivity of carbocations. And the work of Mayr group has helped to rationalize the behaviour and reactivity between the carbocations and nucleophiles by the use of Mayr’s scale of reactivity. The use of alcohols to performed the stable and reactive carbocations have been the key in my thesis. The direct nucleophilic substitution of alcohols has been a crucial scope in the field of organic synthesis, because offer a wide range of intermediates for the synthesis of natural products and pharmaceutics synthesis. In particular the catalytic nucleophilic direct substitution of alcohols represents a novel methodology for the preparation of a variety of derivatives, and water only as the sub-product in the reaction. The stereochemical control of the transformation C-H bond into stereogenic C-C bond adjacent to carbonyl functionalized has been studied for asymmetric catalysis. And the field of organocatalysis has introduced the use of small organic molecule as catalyst for stereoselective transformations. Merging these two concepts Organocatalysis and Mayr’s scale, my thesis has developed a new approach for the α-alkylation of aldehydes and ketones through SN1 type reaction.

Synthesis and characterization of metal-chalcogenide MQ 2-Nanoparticles (M = Mo, W, Zr; Q = S, O)

Here, we present the adaptation and optimization of (i) the solvothermal and (ii) the metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) approach as simple methods for the high-yield synthesis of MQ2 (M=Mo, W, Zr; Q = O, S) nanoparticles. Extensive characterization was carried out using X-ray diffraction (XRD), scanning and transmission electron micros¬copy (SEM/TEM) combined with energy dispersive X-ray analysis (EDXA), Raman spectroscopy, thermal analyses (DTA/TG), small angle X-ray scattering (SAXS) and BET measurements. After a general introduction to the state of the art, a simple route to nanostructured MoS2 based on the decomposition of the cluster-based precursor (NH4)2Mo3S13∙xH2O under solvothermal conditions (toluene, 653 K) is presented. Solvothermal decomposition results in nanostructured material that is distinct from the material obtained by decomposition of the same precursor in sealed quartz tubes at the same temperature. When carried out in the presence of the surfactant cetyltrimethyl¬ammonium bromide (CTAB), the decomposition product exhibits highly disordered MoS2 lamellae with high surface areas. The synthesis of WS2 onion-like nanoparticles by means of a single-step MOCVD process is discussed. Furthermore, the results of the successful transfer of the two-step MO¬CVD based synthesis of MoQ2 nanoparticles (Q = S, Se), comprising the formation of amorphous precursor particles and followed by the formation of fullerene-like particles in a subsequent annealing step to the W-S system, are presented. Based on a study of the temperature dependence of the reactions a set of conditions for the formation of onion-like structures in a one-step reaction could be derived. The MOCVD approach allows a selective synthesis of open and filled fullerene-like chalcogenide nanoparticles. An in situ heating stage transmission electron microscopy (TEM) study was employed to comparatively investigate the growth mechanism of MoS2 and WS2 nanoparticles obtained from MOCVD upon annealing. Round, mainly amorphous particles in the pristine sample trans¬form to hollow onion-like particles upon annealing. A significant difference between both compounds could be demonstrated in their crystallization conduct. Finally, the results of the in situ hea¬ting experiments are compared to those obtained from an ex situ annealing process under Ar. Eventually, a low temperature synthesis of monodisperse ZrO2 nanoparticles with diameters of ~ 8 nm is introduced. Whereas the solvent could be omitted, the synthesis in an autoclave is crucial for gaining nano-sized (n) ZrO2 by thermal decomposition of Zr(C2O4)2. The n-ZrO2 particles exhibits high specific surface areas (up to 385 m2/g) which make them promising candidates as catalysts and catalyst supports. Co-existence of m- and t-ZrO2 nano-particles of 6-9 nm in diameter, i.e. above the critical particle size of 6 nm, demonstrates that the particle size is not the only factor for stabilization of the t-ZrO2 modification at room temperature. In conclusion, synthesis within an autoclave (with and without solvent) and the MOCVD process could be successfully adapted to the synthesis of MoS2, WS2 and ZrO2 nanoparticles. A comparative in situ heating stage TEM study elucidated the growth mechanism of MoS2 and WS2 fullerene-like particles. As the general processes are similar, a transfer of this synthesis approach to other layered transition metal chalcogenide systems is to be expected. Application of the obtained nanomaterials as lubricants (MoS2, WS2) or as dental filling materials (ZrO2) is currently under investigation.

Synthesis and characterization of structurally well-defined polymer-layered silicate nanocomposites

Zusammenfassung Nanokomposite aus Polymeren und Schichtsilikaten werden zumeist auf der Basis natürlicher Tone wie Montmorillonit hergestellt. Für NMR- und EPR-Untersuchungen der Tensidschicht, die das Silikat mit dem Polymer kompatibilisiert, ist der Eisengehalt natürlicher Tone jedoch abträglich, weil er zu einer Verkürzung der Relaxationszeiten und zu einer Linienverbreiterung in den Spektren führt. Dieses Problem konnte überwunden werden, indem als Silikatkomponente eisenfreies, strukturell wohldefiniertes Magadiit hydrothermal synthetisiert und für die Kompositbildung eingesetzt wurde. Die Morphologie des Magadiits wurde durch Rasterelektronenmikroskopie charakterisiert und der Interkalationsgrad von schmelzinterkalierten Polymer-Nanokompositen wurde durch Weitwinkelröntgenstreuung bestimmt. Polymere mit Carbonylgruppen scheinen leichter zu interkalieren als solche ohne Carbonylgruppen. Polycaprolacton interkalierte sowohl in Oragnomagadiite auf der Basis von Ammoniumtensiden als auch in solche auf der Basis von Phosphoniumtensiden. Die Dynamik auf einer Nanosekundenzeitskala und die Struktur der Tensidschicht wurden mittels ortsspezifisch spinmarkierter Tensidsonden unter Nutzung von Dauerstrich- (CW) und Puls-Methoden der elektronenparamagnetischen Resonanzspektroskopie (EPR) untersucht. Zusätzlich wurde die statische 2H-Kernmagnetresonanz (NMR) an spezifisch deuterierten Tensiden angewendet, um die Tensiddynamik auf einer komplementären Zeitskala zwischen Mikrosekunden und Millisekunden zu erfassen. Sowohl die CW-EPR- als auch die 2H-NMR-Ergebnisse zeigen eine Beschleunigung der Tensiddynamik durch Interkalation von Polycaprolacton auf, während sich in den nichtinterkalierten Mikrokompositen mit Polystyrol die Tensiddynamik verlangsamt. Die Rotationskorrelationszeiten und Aktivierungsenergien offenbaren verschiedene Regime der Tensiddynamik. In Polystyrol-Mikrokompositen entspricht die Übergangstemperatur zwischen den Regimen der Glasübergangstemperatur von Polystyrol, während sie in Polycaprolacton-Nanokompositen bei der Schmelztemperatur von Polycaprolacton liegt. Durch die erhebliche Verlängerung der Elektronenspin-Relaxationszeiten bei Verwendung von eisenfreiem Magadiit können Messdaten hoher Qualität mit Puls-EPR-Experimenten erhalten werden. Insebsondere wurden die Vier-Puls-Elektron-Elektron-Doppelresonanz (DEER), die Elektronenspinechoenveloppenmodulation (ESEEM) und die Elektronen-Kern-Doppelresonanz (ENDOR) an spinmarkierten sowie spezifisch deuterierten Tensiden angewandt. Die ENDOR-Ergebnisse legen ein Model der Tensidschicht nahe, in dem zusätzlich zu den Oberflächenlagen auf dem Silikat eine wohldefinierte mittlere Lage existiert. Dieses Modell erklärt auch Verdünnungseffekte durch das Polymer in Kompositen mit Polycaprolacton und Polystyrol. Die umfangreiche Information aus den Magnetresonanztechniken ergänzt die Information aus konventionellen Charakterisierungstechniken wie Röntgendiffraktion und Transmissionselektronenmikroskopie und führt so zu einem detaillierteren Bild der Struktur und Dynamik der Tensidschicht in Nanokompositen aus Polymeren und Schichtsilikaten.

A molecular approach towards tethered bilayer lipid membranes: synthesis and characterization of novel anchor lipids

Tethered bilayer lipid membranes (tBLMs) are a promising model system for the natural cell membrane. They consist of a lipid bilayer that is covalently coupled to a solid support via a spacer group. In this study, we developed a suitable approach to increase the submembrane space in tBLMs. The challenge is to create a membrane with a lower lipid density in order to increase the membrane fluidity, but to avoid defects that might appear due to an increase in the lateral space within the tethered monolayers. Therefore, various synthetic strategies and different monolayer preparation techniques were examined. Synthetical attempts to achieve a large ion reservoir were made in two directions: increasing the spacer length of the tether lipids and increasing the lateral distribution of the lipids in the monolayer. The first resulted in the synthesis of a small library of tether lipids (DPTT, DPHT and DPOT) characterized by 1H and 13C NMR, FD-MS, ATR, DSC and TGA. The synthetic strategy for their preparation includes synthesis of precursor with a double bond anchor that can be easily modified for different substrates (e.g. metal and metaloxide). Here, the double bond was modified into a thiol group suitable for gold surface. Another approach towards the preparation of homogeneous monolayers with decreased two-dimensional packing density was the synthesis of two novel anchor lipids: DPHDL and DDPTT. DPHDL is “self-diluted” tether lipid containing two lipoic anchor moieties. DDPTT has an extended lipophylic part that should lead to the preparation of diluted, leakage free proximal layers that will facilitate the completion of the bilayer. Our tool-box of tether lipids was completed with two fluorescent labeled lipid precursors with respectively one and two phytanyl chains in the hydrophobic region and a dansyl group as a fluorophore. The use of such fluorescently marked lipids is supposed to give additional information for the lipid distribution on the air-water interface. The Langmuir film balance was used to investigate the monolayer properties of four of the synthesized thiolated anchor lipids. The packing density and mixing behaviour were examined. The results have shown that mixing anchor with free lipids can homogeneously dilute the anchor lipid monolayers. Moreover, an increase in the hydrophylicity (PEG chain length) of the anchor lipids leads to a higher packing density. A decrease in the temperature results in a similar trend. However, increasing the number of phytanyl chains per lipid molecule is shown to decrease the packing density. LB-monolayers based on pure and mixed lipids in different ratio and transfer pressure were tested to form tBLMs with diluted inner layers. A combination of the LB-monolayer transfer with the solvent exchange method accomplished successfully the formation of tBLMs based on pure DPOT. Some preliminary investigations of the electrical sealing properties and protein incorporation of self-assembled DPOT and DDPTT-based tBLMs were conducted. The bilayer formation performed by solvent exchange resulted in membranes with high resistances and low capacitances. The appearance of space beneath the membrane is clearly visible in the impedance spectra expressed by a second RC element. The latter brings the conclusion that the longer spacer in DPOT and the bigger lateral space between the DDPTT molecules in the investigated systems essentially influence the electrical parameters of the membrane. Finally, we could show the functional incorporation of the small ion carrier valinomycin in both types of membranes.

Regulation der Sphingosinkinase 1 und 2 und der neutralen Ceramidase in renalen Mesangiumzellen der Ratte

In den letzten Jahren gewann die Erforschung des Sphingolipidstoffwechsels in den verschiedensten Zellsystemen immer mehr an Bedeutung, da es sich zeigte, dass einige Sphingolipidspezies, vor allem Ceramid und Sphingosin-1-Phosphat, als wichtige intra- und extrazelluläre Botenstoffe wirken und bei einer Vielzahl unterschiedlicher zellulärer Antworten, wie Apoptose, Proliferation und Migration, eine wichtige Rolle spielen. Während Ceramid eher pro-apoptotisch und wachstumshemmend wirkt, begünstigt Sphingosin-1-Phosphat als „Gegenspieler“ eher die Proliferation und das Zellwachstum. Ceramid kann relativ schnell in Sphingosin-1-Phosphat umgewandelt werden durch die Wirkung zweier Enzymklassen, den Ceramidasen und den Sphingosinkinasen. Konsequenterweise ist die Regulation dieser Enzyme von entscheidender Bedeutung für das zelluläre Gleichgewicht zwischen Ceramid und Sphingosin-1-Phosphat. Im Rahmen dieser Dissertation wurde die Wirkung von extrazellulären Nukleotiden, die ebenfalls als Regulatoren zahlreicher zellulärer Antworten, wie z.B. Proliferation und Migration, bekannt sind und über entsprechende Oberflächenrezeptoren, die Purinrezeptoren, wirken, auf die Aktivität besonders der Sphingosinkinasen 1 und 2 näher untersucht. Es sollte geklärt werden, ob die Sphingosinkinasen an einigen durch extrazelluläre Nukleotide induzierbaren zellulären Antworten, in diesem Falle der Migration und der Proliferation von Zellen, beteiligt sind. Als Zellsystem wurden Nierenmesangiumzellen verwendet, da diese Zellen bei verschiedenen entzündlichen Nierenerkrankungen (Glomerulonephritiden) eine wichtige Rolle spielen. Es konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass extrazelluläre Nukleotide die Aktivität der Sphingosinkinase 1 in den Mesangiumzellen stimulieren können. Zu beobachten ist dabei eine biphasische Aktivitätssteigerung der Sphingosinkinase 1. Die erste Aktivitätssteigerung nach einer Kurzzeitstimulation ist dabei auf eine Phosphorylierung des Enzyms zurückzuführen, während die zweite Aktivitätssteigerung mit einer Aktivierung des Sphingosinkinase 1-Promotors, einer verstärkten mRNA-Expression und einer de novo Proteinsynthese zu erklären ist. Diese Induktion kann durch die Verwendung von Hemmstoffen des PKC- und MAPK-Signalweges, sowie durch Verwendung eines Transkriptions- (Actinomycin D) oder eines Translationsinhibitors (Cycloheximid) blockiert werden. Die Halbwertszeit der mRNA der Sphingosinkinase 1 in den Mesangiumzellen konnte auf ca. 20 Minuten bestimmt werden. Im Gegensatz dazu ist die Sphingosinkinase 2 nicht durch ATP aktivierbar, wohl aber durch diverse Abbauprodukte von ATP, wie AMP und Adenosin, sowie durch UTP und seine Abbauprodukten UDP und UMP. Die neutrale Ceramidase kann nicht durch ATP und UTP aktiviert werden, wohl aber durch P2X7-Rezeptoragonisten (Bz-ATP, αβ-Me-ATP, γS-ATP) und TPA. In einem zweiten Schritt wurde die Rolle der Sphingosinkinasen und der neutralen Ceramidase bei der durch extrazelluläre Nukleotide induzierten Migration und Proliferation untersucht. Es zeigte sich mit Hilfe von genspezifischer siRNA zur Depletion der Sphingosinkinasen und der neutralen Ceramidase, sowie durch Verwendung von Kinase-Hemmstoffen und damit einhergehend der Inhibierung der Signalwege und mit Hilfe von verschiedenen Zelllinien isoliert aus Wildtyp-, SPHK 1-überexprimierenden und mSPHK1-defizienten Mäusen, dass die Aktivierung der Sphingosinkinase 1 durch extrazelluläre Nukleotide von entscheidender Bedeutung für die Migrationsfähigkeit der Zellen ist, jedoch keinen signifikanten Einfluss auf die Proliferationsrate der Mesangiumzellen hat. Auch die Aktivität der neutralen Ceramidase ist von entscheidender Bedeutung für die Migrationsfähigkeit der Zellen. Durch Depletion der neutralen Ceramidase scheint Ceramid in den Zellen zu akkumulieren, was die Proliferationsrate reduziert. Für die Proliferation der Mesangiumzellen könnte die Sphingosinkinase 2 als negativer Regulator fungieren, wie die Experimente mit der genspezifischen siRNA unter UTP-Stimulation gezeigt haben. Für die Migration der Mesangiumzellen gilt darüber hinaus, dass auch das Produkt der Sphingosinkinase 1, Sphingosin-1-Phosphat, in der Lage ist, die Migration zu stimulieren. Im Gegensatz dazu spielt Sphingosin-1-Phosphat für die Induktion der Proliferation der hier verwendeten Zellen keine wesentliche Rolle. Zusammenfassend zeigen die Daten, dass die Sphingosinkinase 1 und vorgeschaltet auch die neutrale Ceramidase bei der Migration von Mesangiumzellen eine zentrale Rolle spielen und damit als therapeutische Angriffspunkte bei der Behandlung von Krankheiten, die durch eine vermehrte Migration gekennzeichnet sind, in Frage kommen.

Design, synthesis and application of ultrastable rylene dyes for fluorescent labeling of biomolecules

Studies of organic fluorescent dyes are experiencing a renaissance related to the increasing demands posed by new microscopy techniques for high resolution and high sensitivity. While in the last decade single molecule equipment and methodology has significantly advanced and in some cases reached theoretical limits (e.g. detectors approaching unity quantum yields) unstable emission from chromophores and photobleaching become more and more the bottleneck of the advancement and spreading of single-molecule fluorescence studies. The main goal of this work was the synthesis of fluorophores that are water-soluble, highly fluorescent in an aqueous environment, have a reactive group for attachment to a biomolecule and posses exceptional photostability. An approach towards highly fluorescent, water-soluble and monofunctional perylene-3,4,9,10-tetracarboxdiimide and terrylene-3,4:11,12-tetra carboxidiimide chromophores was presented. A new synthetic strategy for the desymmetrization of perylenetetracarboximides was elaborated; water-solubility was accomplished by introducing sulfonyl substituents in the phenoxy ring. Two strategies have been followed relying on either non-specific or site specific labeling. For this purpose a series of new water-soluble monofunctional perylene and terrylene dyes, bearing amine or carboxy group were prepared. The reactivity and photophysical properties of these new chromophores were studied in aqueous medium. The most suitable chromophores were further derivatized with amine or thiol reactive groups, suitable for chemical modification of proteins. The performance of the new fluorescent probes was assessed by single molecule enzyme tracking, in this case phospholipase acting on phospholipid supported layers. Phospholipase-1 (PLA-1) was labeled with N-hydroxysuccinimide ester functionalized perylene and terrylene derivatives. The purification of the conjugates was accomplished by novel convenient procedure for the removal of unreacted dye from labeled enzymes, which involves capturing excess dye with a solid support. This novel strategy for purification of bioconjugates allows convenient and fast separation of labeled proteins without the need for performing time consuming chromatographic or electrophoretic purification steps. The outstanding photostability of the dyes and, associated therewith, the extended survival times under strong illumination conditions allow a complete characterization of enzyme action on its natural substrates and even connecting enzyme mobility to catalytic activity. For site-specific attachment of the rylene dyes to proteins the chromophores were functionalized with thioesters or nitrilotriacetic acid groups. This allowed attachment of the emitters to the N-terminus of proteins by native chemical ligation or complexation with His-tagged polypeptides at the N- or C-termini, respectively. The synthesis of a water-soluble perylenebis (dicarboximide) functionalized with a thioester group was presented. This chromophore exhibits an exceptional photostability and a functional unit for site-specific labeling of proteins. The suitability of the fluorophore as a covalent label was demonstrated via native chemical ligation with protein containing N-terminal cystein residue. We exploited also oligohisitidine sequences as recognition elements for site-selective labeling. The synthesis of a new water-soluble perylene chromophore, containing a nitrilotriacetic acid functional group was demonstrated, using solution-phase and solid-phase approaches. This chromophore combines the exceptional photophysical properties of the rylene dyes and a recognition unit for site-specific labeling of proteins. An important feature of the label is the unchanged emission of the dye upon complexation with nickel ions.

Synthesis and aplication of linear and macrocyclic nitrogen ligand

Linear and macrocyclic nitrogen ligands have been found wide application during the years. Nitrogen has a much strong association with transition-metal ions because the electron pair is partucularly available for complexing purposes. We started our investigation with the synthesis of new chiral perazamacrocycles containing four pyrrole rings. This ligand was synthesized by the [2+2]condensation of (R,R)-diaminocyclohexane and dipirranedialdehydes and was tested, after a complexation with Cu(OAc)2, in Henry reactions. The best yields (96%) and higher ee’s (96%) were obtained when the meso-substituent on the dipyrrandialdehyde was a methyl group. The positive influence of the pyrrole-containing macrocyclic structure on the efficiency/enantioselectivity of the catalytic system was demonstrated by comparison with the Henry reactions performed using analogous ligands. Henry product was obtain in good yield but only 73% of ee, when the dialdehyde unit was replaced by a triheteroaromatic dialdehye (furan-pyrrol-furan). Another well known macrocyclic ligand is calix[4]pyrrole. We decided to investigate, in collaboration with Neier’s group, the metal-coordinating properties of calix[2]pyrrole[2]pyrrolidine compounds obtained by the reduction of calix[4]pyrrole. We focused our attention on the reduction conditions, and tested different Pd supported (charcoal, grafite) catalysts at different condition. Concerning the synthesis of linear polyamine ligands. We focused our attention to the synthesis of 2-heteroaryl- and 2,5-diheteroarylpyrrolidines. The reductive amination reaction of diarylketones and aryl-substitutedketo-aldehydes with different chiral amines was exploited to prepare a small library of diastereo-enriched substituted pyrrolidines. We have also described a new synthetic route to 1,2-disubstituted 1,2,3,4-tetrahydropyrrole[1,2-a]pyrazines, which involves the diastereoselective addition of Grignard reagents to chiral oxazolidines. The best diastereoselectivity (98:2) was dependent on the nature of both the chiral auxiliary, (S)-1-phenylglycinol, and the nature of the organometallic reagent (MeMgBr).