Experimental Assessment of the Sensitiveness of an Electrochemical Oscillator towards Chemical Perturbations

In this study we address the problem of the response of a (electro)chemical oscillator towards chemical perturbations of different magnitudes. The chemical perturbation was achieved by addition of distinct amounts of trifluoromethanesulfonate (TFMSA), a rather stable and non-specifically adsorbing anion, and the system under investigation was the methanol electro-oxidation reaction under both stationary and oscillatory regimes. Increasing the anion concentration resulted in a decrease in the reaction rates of methanol oxidation and a general decrease in the parameter window where oscillations occurred. Furthermore, the addition of TFMSA was found to decrease the induction period and the total duration of oscillations. The mechanism underlying these observations was derived mathematically and revealed that inhibition in the methanol oxidation through blockage of active sites was found to further accelerate the intrinsic non-stationarity of the unperturbed system. Altogether, the presented results are among the few concerning the experimental assessment of the sensitiveness of an oscillator towards chemical perturbations. The universal nature of the complex chemical oscillator investigated here might be used for reference when studying the dynamics of other less accessible perturbed networks of (bio)chemical reactions.

Investigation of a Pt3Sn/C Electro-Catalyst in a Direct Ethanol Fuel Cell Operating at Low Temperatures for Portable Applications

A 20% Pt3Sn/C catalyst was prepared by reduction with formic acid and used in a direct ethanol fuel cell at low temperatures. The electro-catalytic activity of this bimetallic catalyst was compared to that of a commercial 20% Pt/C catalyst. The PtSn catalyst showed better results in the investigated temperature range (30 degrees-70 degrees C). Generally, Sn promotes ethanol oxidation by adsorption of OH species at considerably lower potentials compared to Pt, allowing the occurrence of a bifunctional mechanism. The bimetallic catalyst was physico-chemically characterized by X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyses. The presence of SnO2 in the bulk and surface of the catalyst was observed. It appears that SnO2 can enhance the ethanol electro-oxidation activity at low potentials due to the supply of oxygen-containing species for the oxidative removal of CO and CH3CO species adsorbed on adjacent Pt active sites.

Two versions of the threshold contact model in two dimensions

Two versions of the threshold contact process ordinary and conservative - are studied on a square lattice. In the first, particles are created on active sites, those having at least two nearest neighbor sites occupied, and are annihilated spontaneously. In the conservative version, a particle jumps from its site to an active site. Mean-field analysis suggests the existence of a first-order phase transition, which is confirmed by Monte Carlo simulations. In the thermodynamic limit, the two versions are found to give the same results. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Polymorphic toxin systems: Comprehensive characterization of trafficking modes, processing, mechanisms of action, immunity and ecology using comparative genomics

Background: Proteinaceous toxins are observed across all levels of inter-organismal and intra-genomic conflicts. These include recently discovered prokaryotic polymorphic toxin systems implicated in intra-specific conflicts. They are characterized by a remarkable diversity of C-terminal toxin domains generated by recombination with standalone toxin-coding cassettes. Prior analysis revealed a striking diversity of nuclease and deaminase domains among the toxin modules. We systematically investigated polymorphic toxin systems using comparative genomics, sequence and structure analysis. Results: Polymorphic toxin systems are distributed across all major bacterial lineages and are delivered by at least eight distinct secretory systems. In addition to type-II, these include type-V, VI, VII (ESX), and the poorly characterized "Photorhabdus virulence cassettes (PVC)", PrsW-dependent and MuF phage-capsid-like systems. We present evidence that trafficking of these toxins is often accompanied by autoproteolytic processing catalyzed by HINT, ZU5, PrsW, caspase-like, papain-like, and a novel metallopeptidase associated with the PVC system. We identified over 150 distinct toxin domains in these systems. These span an extraordinary catalytic spectrum to include 23 distinct clades of peptidases, numerous previously unrecognized versions of nucleases and deaminases, ADP-ribosyltransferases, ADP ribosyl cyclases, RelA/SpoT-like nucleotidyltransferases, glycosyltranferases and other enzymes predicted to modify lipids and carbohydrates, and a pore-forming toxin domain. Several of these toxin domains are shared with host-directed effectors of pathogenic bacteria. Over 90 families of immunity proteins might neutralize anywhere between a single to at least 27 distinct types of toxin domains. In some organisms multiple tandem immunity genes or immunity protein domains are organized into polyimmunity loci or polyimmunity proteins. Gene-neighborhood-analysis of polymorphic toxin systems predicts the presence of novel trafficking-related components, and also the organizational logic that allows toxin diversification through recombination. Domain architecture and protein-length analysis revealed that these toxins might be deployed as secreted factors, through directed injection, or via inter-cellular contact facilitated by filamentous structures formed by RHS/YD, filamentous hemagglutinin and other repeats. Phyletic pattern and life-style analysis indicate that polymorphic toxins and polyimmunity loci participate in cooperative behavior and facultative 'cheating' in several ecosystems such as the human oral cavity and soil. Multiple domains from these systems have also been repeatedly transferred to eukaryotes and their viruses, such as the nucleo-cytoplasmic large DNA viruses. Conclusions: Along with a comprehensive inventory of toxins and immunity proteins, we present several testable predictions regarding active sites and catalytic mechanisms of toxins, their processing and trafficking and their role in intra-specific and inter-specific interactions between bacteria. These systems provide insights regarding the emergence of key systems at different points in eukaryotic evolution, such as ADP ribosylation, interaction of myosin VI with cargo proteins, mediation of apoptosis, hyphal heteroincompatibility, hedgehog signaling, arthropod toxins, cell-cell interaction molecules like teneurins and different signaling messengers.

Relationship between global structural parameters and Enzyme Commission hierarchy: Implications for function prediction

In protein databases there is a substantial number of proteins structurally determined but without function annotation. Understanding the relationship between function and structure can be useful to predict function on a large scale. We have analyzed the similarities in global physicochemical parameters for a set of enzymes which were classified according to the four Enzyme Commission (EC) hierarchical levels. Using relevance theory we introduced a distance between proteins in the space of physicochemical characteristics. This was done by minimizing a cost function of the metric tensor built to reflect the EC classification system. Using an unsupervised clustering method on a set of 1025 enzymes, we obtained no relevant clustering formation compatible with EC classification. The distance distributions between enzymes from the same EC group and from different EC groups were compared by histograms. Such analysis was also performed using sequence alignment similarity as a distance. Our results suggest that global structure parameters are not sufficient to segregate enzymes according to EC hierarchy. This indicates that features essential for function are rather local than global. Consequently, methods for predicting function based on global attributes should not obtain high accuracy in main EC classes prediction without relying on similarities between enzymes from training and validation datasets. Furthermore, these results are consistent with a substantial number of studies suggesting that function evolves fundamentally by recruitment, i.e., a same protein motif or fold can be used to perform different enzymatic functions and a few specific amino acids (AAs) are actually responsible for enzyme activity. These essential amino acids should belong to active sites and an effective method for predicting function should be able to recognize them. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Oxygen reduction reaction on a Pt/carbon fuel cell catalyst in the presence of trace quantities of ammonium ions: An RRDE study

The effect of trace quantities of ammonia on oxygen reduction reaction (ORR) on carbon-supported platinum catalysts in perchloric acid solutions is assessed using rotating ring disk electrode (RRDE) technique. The study demonstrates that ammonia has detrimental effects on ORR. The most significant effect takes place in the potential region above 0.7 V vs RHE. The effect is explained by the electrochemical oxidation of ammonia, which blocks Pt active sites and increases the formation of H2O2. This leads to losses in the disk currents and increments in the ring currents. The apparent losses in ORR currents may occur in two ways, namely, through the blocking of the active sites for ORR as well as by generating a small anodic current, which is believed to have a lower contribution. In addition, a detrimental effect of sodium cations in the potential range below 0.75 V vs RHE was demonstrated. This effect is most likely due to the co-adsorption of sodium cations and perchlorate anions on the Pt surface. Copyright (C) 2012, Hydrogen Energy Publications, LLC. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Crystal structure of Leishmania tarentolae hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase

Abstract Background Hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase (HGPRT) (EC 2.4.2.8) is a central enzyme in the purine recycling pathway. Parasitic protozoa of the order Kinetoplastida cannot synthesize purines de novo and use the salvage pathway to synthesize purine bases, making this an attractive target for antiparasitic drug design. Results The glycosomal HGPRT from Leishmania tarentolae in a catalytically active form purified and co-crystallized with a guanosine monophosphate (GMP) in the active site. The dimeric structure of HGPRT has been solved by molecular replacement and refined against data extending to 2.1 Å resolution. The structure reveals the contacts of the active site residues with GMP. Conclusion Comparative analysis of the active sites of Leishmania and human HGPRT revealed subtle differences in the position of the ligand and its interaction with the active site residues, which could be responsible for the different reactivities of the enzymes to allopurinol reported in the literature. The solution and analysis of the structure of Leishmania HGPRT may contribute to further investigations leading to a full understanding of this important enzyme family in protozoan parasites.

A bradykinin-potentiating peptide (BPP-10c) from Bothrops jararaca induces changes in seminiferous tubules

Abstract: Background: The testis-specific isoform of angiotensin-converting enzyme (tACE) is exclusively expressed in germ cells during spermatogenesis. Although the exact role of tACE in male fertility is unknown, it clearly plays a critical function in spermatogenesis. The dipeptidase domain of tACE is identical to the C-terminal catalytic domain of somatic ACE (sACE). Bradykinin potentiating peptides (BPPs) from snake venoms are the first natural sACE inhibitors described and their structure–activity relationship studies were the basis for the development of antihypertensive drugs such as captopril. In recent years, it has been showed that a number of BPPs – including BPP-10c – are able to distinguish between the N- and C-active sites of sACE, what is not applicable to captopril. Considering the similarity between tACE and sACE (and since BPPs are able to distinguish between the two active sites of sACE), the effects of the BPP-10c and captopril on the structure and function of the seminiferous epithelium were characterized in the present study. BPP-10c and captopril were administered in male Swiss mice by intraperitoneal injection (4.7 μmol/kg for 15 days) and histological sections of testes were analyzed. Classification of seminiferous tubules and stage analysis were carried out for quantitative evaluation of germ cells of the seminiferous epithelium. The blood-testis barrier (BTB) permeability and distribution of claudin-1 in the seminiferous epithelium were analyzed by hypertonic fixative method and immunohistochemical analyses of testes, respectively. Results: The morphology of seminiferous tubules from animals treated with BPP-10c showed an intense disruption of the epithelium, presence of atypical multinucleated cells in the lumen and degenerated germ cells in the adluminal compartment. BPP-10c led to an increase in the number of round spermatids and total support capacity of Sertoli cell in stages I, V, VII/VIII of the seminiferous epithelium cycle, without affecting BTB permeability and the distribution of claudin-1 in the seminiferous epithelium. Interestingly, no morphological or morphometric alterations were observed in animals treated with captopril. Conclusions: The major finding of the present study was that BPP-10c, and not captopril, modifies spermatogenesis by causing hyperplasia of round spermatids in stages I, V, and VII/VIII of the spermatogenic cycle.

Molecular interactions: metal ions and protein chaperones in the urease system from Helicobacter pylori

Although nickel is a toxic metal for living organisms in its soluble form, its importance in many biological processes recently emerged. In this view, the investigation of the nickel-dependent enzymes urease and [NiFe]-hydrogenase, especially the mechanism of nickel insertion into their active sites, represent two intriguing case studies to understand other analogous systems and therefore to lead to a comprehension of the nickel trafficking inside the cell. Moreover, these two enzymes have been demonstrated to ensure survival and colonization of the human pathogen H. pylori, the only known microorganism able to proliferate in the gastric niche. The right nickel delivering into the urease active site requires the presence of at least four accessory proteins, UreD, UreE, UreF and UreG. Similarly, analogous process is principally mediated by HypA and HypB proteins in the [NiFe]-hydrogenase system. Indeed, HpHypA and HpHypB also have been proposed to act in the activation of the urease enzyme from H. pylori, probably mobilizing nickel ions from HpHypA to the HpUreE-HpUreG complex. A complete comprehension of the interaction mechanism between the accessory proteins and the crosstalk between urease and hydrogenase accessory systems requires the determination of the role of each protein chaperone that strictly depends on their structural and biochemical properties. The availability of HpUreE, HpUreG and HpHypA proteins in a pure form is a pre-requisite to perform all the subsequent protein characterizations, thus their purification was the first aim of this work. Subsequently, the structural and biochemical properties of HpUreE were investigated using multi-angle and quasi-elastic light scattering, as well as NMR and circular dichroism spectroscopy. The thermodynamic parameters of Ni2+ and Zn2+ binding to HpUreE were principally established using isothermal titration calorimetry and the importance of key histidine residues in the process of binding metal ions was studied using site-directed mutagenesis. The molecular details of the HpUreE-HpUreG and HpUreE-HpHypA protein-protein assemblies were also elucidated. The interaction between HpUreE and HpUreG was investigated using ITC and NMR spectroscopy, and the influence of Ni2+ and Zn2+ metal ions on the stabilization of this association was established using native gel electrophoresis, light scattering and thermal denaturation scanning followed by CD spectroscopy. Preliminary HpUreE-HpHypA interaction studies were conducted using ITC. Finally, the possible structural architectures of the two protein-protein assemblies were rationalized using homology modeling and docking computational approaches. All the obtained data were interpreted in order to achieve a more exhaustive picture of the urease activation process, and the correlation with the accessory system of the hydrogenase enzyme, considering the specific role and activity of the involved protein players. A possible function for Zn2+ in the chaperone network involved in Ni2+ trafficking and urease activation is also envisaged.

Untersuchung der Strukturdynamik arbeitender F1-ATPase und ATP-Synthase aus Micrococcus luteus in Einzelschußexperimenten mit Synchrotronstrahlung

ZusammenfassungDie ATP-Synthase koppelt im Energiestoffwechsel der Zellen den Protonentransport über die biologische Membran mit der Synthese des energiespeichernden Moleküls ATP aus ADP und Phosphat. ATP-Synthasen bestehen aus 2 Subkomplexen, wobei der katalytische F1-Teil von der membranständigen Domäne abgelöst werden kann und nur zur ATP-Hydrolyse fähig ist. Der hochkooperative Reaktionsmechanismus der dreizentrigen ATP-Synthasen ist weitgehend unklar.Im Rahmen dieser Arbeit wurde der ATP-Synthasekomplex und ihr wasserlösliches katalytisches F1-Fragment aus Micrococcus luteus in präparativem Maßstab mittels chromatographischer Trennmethoden isoliert. Die Überprüfung der Funktionalität beider Enzyme erfolgte mit enzymatischen Methoden. Durch zeitaufgelöste Röntgenkleinwinkelstreuung wurde die Strukturdynamik der arbeitenden ATP-Synthase und ihres F1-Fragmentes aus Micrococcus luteus im Laufe des ATP-Hydrolysezyklus untersucht. Diese Methode diente zum Nachweis weiträumiger Konformationsänderungen innerhalb der arbeitenden Enzyme unter nativen physiologischen Bedingungen. Die zeitaufgelösten Streuexperimente fanden an der ESRF (Europäische Synchrotronstrahlungsquelle) in Grenoble (F) statt. Dort wurden für beide Enzyme im Laufe des ATP-Hydrolysezykus molekulare Bewegungen nachgewiesen. Als Referenz zu den zeitaufgelösten Messungen dienten statische Messungen zur Strukturuntersuchung der Proteine am schwächeren DESY. Anhand dieser Strukturdaten wurden Molekülmodelle der F1-ATPase und ATP-Synthase aus Micrococcus luteus konstruiert. Das Molekülmodell der F1-ATPase war die Grundlage zur Modellierung einzelner Teilschritte des ATP-Hydrolysezyklus bei 20°C. Die experimentellen Daten wurden mit einer Kippbewegung der membranseitigen Domäne der katalytischen b-Untereinheiten der F1-ATPase während des ATP-Hydrolysezyklus interpretiert.

3D-Cryo-Elektronenmikroskopie des 4x6-Hämocyanins der Vogelspinne Eurypelma californicum unter Oxy- und Deoxybedingungen

Arthropodenhämocyanine und Molluskenhämocyanine, die extrazellulären Atmungsproteine der Arthropoden und Mollusken, unterscheiden sich grundsätzlich im Aufbau, besitzen aber ähnliche aktive Zentren, welche in ihrer oxydierten Form für die Blaufärbung der Hämocyanine verantwortlich sind. Sauerstoff wird im Bindungszentrum zwischen zwei, von sechs Histidinen ligandierten, Kupfer(I)Ionen gebunden. Arthropodenhämocyanine bauen sich artspezifisch aus 1, 2, 4, 6, oder 8 Hexameren mit D3-Symmetrie auf. Die Untereinheiten von je ca. 75 kDa falten sich in drei Domänen unterschiedlicher Funktionen. Der komplexe, hierarchische Zusammenbau der Arthropodenhämocyanine hängt von der Heterogenität der Untereinheiten ab. Die 7 verschieden Sequenzen des 4x6-Hämocyanins von Eurypelma californicum (EcHc) sind biochemisch in der Quartärstruktur lokalisiert. Bislang fehlte noch ein unabhängig erstelltes 3D-Modell der geometrischen Gesamtstruktur welche die hexamere und monomere Topographie eindeutig zeigt. Dessen Erstellung war Gegenstand dieser Arbeit, in Verbindung mit der Zielsetzung, die 3D-Rekonstruktion in den beiden extremen physiologischen Zuständen, mit und ohne gebundenen Sauerstoff, zu erzeugen. Dazu wurden in einer eigens entwickelten Atmosphären-Präparationskammer die Proteine in Lösung schockgefrorenen und mittels Cryo-3D-Elektronenmikroskopie gemessen. Aus den daraus gewonnen Projektionsbildern ließen sich mit der ”Single Particle Analyse“ die 3D-Informationen zurückberechnen. Die 3D-Rekonstruktionen wurden mit der publizierten Röntgenkristallstruktur des hexameren Referenz-Hämocyanins der Languste Panulirus interruptus verifiziert. Die Rekonstruktionen erlaubten die eindeutige Messung diverser in der Literatur diskutierter Parameter der Architektur des 4x6-EcHc und darüber hinaus weiterer geometrischer Parameter, welche hier erstmals veröffentlicht werden. SAXS-Daten sagen extreme Translationen und Rotationen von Teilquartärstrukturen zwischen oxy- und deoxy-EcHc voraus, was von den 3D-Rekonstruktionen der beiden Zustände nicht bestätigt werden konnte: Die 16 Å Rekonstruktion der Deoxyform weicht geometrisch nicht von der 21 Å Rekonstruktion der Oxyform ab. Die Einpassung der publizierten Röntgenstruktur der Untereinheit II des Hämocyanin des Pfeilschwanzkrebses Limulus polyphemus in die Rekonstruktionen unterstützt eine auf der hexameren Hierarchieebene lokalisierte Dynamik der Oxygenierung. Mittels Einpassung modellierter molekularer Strukturen der EcHc-Sequenzen konnte eine erste Vermutung zur Lokalisation der beiden zentralen Linker-Untereinheiten b und c des 4x6-Moleküls gemacht werden: Demnach würde Untereinheit b in den exponierten Hexameren des Moleküls liegen. Aussagen über die Quartärstrukturbindungen auf molekularer Ebene aufgrund der Einpassung modellierter molekularer Daten in die Rekonstruktionen sind als spekulativ einzustufen: a) Die Auflösung der Rekonstruktion ist verbesserungswürdig. b) Es gibt keine adäquate Vorlage für eine verlässliche Strukturvorhersage; die verschiedenen EcHc-Sequenzen liegen nur als Modellierung vor. c) Es wäre eine flexible Einpassung notwendig, um Ungenauigkeiten in den modellierten Strukturen durch Sekundärstrukturanpassung zu minimieren.

Development of innovative catalysts for the hydrodechlorination to fluoroethers

In this work the hydrodechlorination of CF3OCFClCF2Cl to produce unsaturated CF3OCF=CF2 was studied over a series of supported metal catalysts. Currently this molecule is produced from the precursor CF3OCFClCF2Cl by dechlorination with zinc powder. An important cost on the economic and environmental balance is represents by the large amount of ZnCl2 produced and to be disposed of. A new approach, based on gas-phase hydrodechlorination over supported catalysts can lead to a new sustainable process. During the feasibility step of this project, substantially two kind of materials were studied: metals supported over activated carbon and Pd/Cu species supported over MCM-41 mesoporous silica. Observed catalytic performances were strongly dependent on the metal and support used. All carbon-supported Ru, Pd, and bimetallic catalysts are fairly active and yielded the target product CF3OCF=CF2, the higher selectivity being obtained with ruthenium- and palladium-based materials. Nevertheless, Ru-based catalysts showed poor stability and this deactivation may be attributed to the deposition of chlorinated organic species blocking the active sites. On the other hand, palladium-containing catalysts showed high stability. Ru/Pd and Pd/Cu bimetallic catalysts exhibited long-term selectivity and stability, highlighting the possibility for these materials to be employed in the CF3OCF=CF2 production process. During the second part of this thesis, a series of bimetallic meso-structured Pd/Cu MCM-41 catalysts were studies to overcome possible mass transfer limitations. The materials were obtained by different synthesis methods. The incorporation of Pd and Cu during MCM-41 synthesis, did not destroy the typical hexagonal array and ordered pore system of MCM-41. However, the calcination for the removal of the template provoked significant segregation of oxides. The impregnation leads to pore-occlusion and formation of Cu particles and large bimetallic PdCu species. Larger metal particles leads to lower CF3OCFClCF2Cl conversion, while the monometallic particles can decrease the selectivity to CF3OCF=CF2, fostering the dehalogenation to CF3OCH=CF2.

From carbazole-containing and pi-expanded triangular trinuclear porphyrinoids

Zusammenfassung:rnDie vorliegende Arbeit beschreibt das Design und die Synthese neuartiger Porphyrinoide anhand der Modifikation und der π-Systemausdehnung an der Peripherie des Porphyrin-Gerüsts. Die Darstellung künstlicher Porphyrine ist von Interesse, da neue physiko-chemischen Eigenschaften erhalten und untersucht werden können. Die in dieser Arbeit vorgestellten Porphyrinoide wurden mit Hilfe von modernen Synthesemethoden wie den metallkatalysierten Kreuzkupplungen und somit durch Aryl-Aryl Verknüpfungen aufgebaut.rnDer erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Modifikation des Porphyrin-Gerüsts. Porphyrine bestehen aus jeweils zwei Pyrrol- und Pyrrolenin-Einheiten, welche systematisch ausgetauscht wurden. Die Pyrrol-Einheiten wurden durch Carbazol ersetzt, das sich formal vom Pyrrol durch Anfügen von zwei Benzogruppen ableitet und deshalb besonders gut geeignet ist. Die Pyrrolenin-Einheiten wurden aus folgenden Gründen durch andere Heterozyklen wie Pyridin, Pyrrol oder Triazol ersetzt: rn* Nachbildung des stabilen Porphyrin trans-NH-Tautomers (Carbazol und Pyridin)rn* Nachbildung von (NH)4-Liganden wie Calix[4]pyrrol (Carbazol und Pyrrol)rn* Vereinigung von N-H und C-H Wasserstoffbrücken-Donor-Einheiten in einem Makrozyklus (Carbazol und Triazol)rnDie Synthese eines drei-Zentren Porphyrinoids mit ausgedehntem π-System wird im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit beschrieben. Dieses Thema basiert auf der aktuellen Entwicklung von nicht-Edelmetall basierten Katalysatoren für die Reduktion von Sauerstoff. Hier werden derzeit N4 makrozyklische Metallkomplexe, die mehrere katalytisch aktive Stellen aufweisen, untersucht. In diesem Zusammenhang, hat die Gruppe von Prof. Müllen einen neuartigen drei-Zentren-Komplex entwickelt. Ausgehend von diesen Erkenntnissen, dient diese Arbeit zur Verbesserung der katalytischen Aktivität des drei-Zentren-Komplex durch die Variation von verschieden Substituenten. Hierbei wurden zwei wesentliche Konzepte verfolgt:rn* Vernetzung durch die Bildung von Netzwerken oder durch Pyrolyse in der Mesophasern* Verbesserung des Katalysator-Trägermaterial-KontaktsrnNeben den Synthesen wurden die Eigenschaften und möglichen Anwendungen dieser neuartigen Materialen untersucht, wie z.B. als Liganden für Übergangsmetalle, als Anionenrezeptoren oder als Elektrokatalysatoren für die Reduktion von Sauerstoff. rn

Bio-inspired polymer-supported nitrido molybdenum(VI) complexes for ammonia synthesis − reactivity towards protons and electrons : EPR investigations on paramagnetic molybdenum(V) and copper(II) complexes

Die biologische Stickstofffixierung durch Molybdän-haltige Nitrogenasen sowie die Erforschung des zugrundeliegenden komplexen Mechanismus (N2-Aktivierung an Metall-Zentren, 6-fache Protonierung und Reduktion, N–N Bindungsspaltung unter Bildung von Ammoniak) ist von erheblichem Interesse. Insbesondere Molybdän-Komplexe wurden bereits erfolgreich als Modellverbindungen für die Untersuchung elementarer Einzelschritte der N2-Aktivierung eingesetzt. Durch die Verwendung von Triamidoamin-Liganden ist es Schrock et al. sogar gelungen mehrere Katalysezyklen zu durchlaufen und einen Mechanismus zu formulieren. Trotz der sterisch anspruchsvollen Substituenten in den Schrock-Komplexen ist die Umsatzrate dieses homogenen Katalysators, aufgrund Komplex-Deaktivierung infolge intermolekularer Reaktionen wie Dimerisierung und Disproportionierung, limitiert. In der vorliegenden Arbeit wurden einige dieser Herausforderungen angegangen und die aktiven Spezies auf einer Festphase immobilisiert, um intermolekulare Reaktionen durch räumliche Isolierung der Komplexe zu unterdrücken.rnEin Polymer-verankertes Analogon des Schrock Nitrido-Molybdän(VI)-Komplexes wurde auf einem neuen Reaktionsweg synthetisiert. Dieser beinhaltet nur einen einzigen Reaktionsschritt, um die funktionelle Gruppe „MoN“ einzuführen. Protonierung des immobilisierten Nitrido-Molybdän(VI)-Komplexes LMoVIN (L = Polymer-verankerter Triamidoamin-Ligand) mit 2,6-Lutidinium liefert den entsprechenden Imido-Molybdän(VI)-Komplex. Durch anschließende Ein-Elektronen-Reduktion mit Cobaltocen wird der Polymer-angebundene Imido-Molybdän(V)-Komplex erhalten, bewiesen durch EPR-Spektroskopie (g1,2,3 = 1.989, 1.929, 1.902). Durch die Immobilisierung und die effektive räumliche Separation der Reaktionszentren auf der Festphase werden bimolekulare Nebenreaktionen, die oft in homogenen Systemen auftreten, unterdrückt. Dies ermöglicht zum ersten Mal die Darstellung des Imido-Molybdän(V)-Intermediates des Schrock-Zyklus.rnEPR-Spektren des als Spin-Label eingeführten immobilisierten Nitrato-Kupfer(II)-Komplexes wurden unter verschiedenen Bedingungen (Lösungsmittel, Temperatur) aufgenommen, wobei sich eine starke Abhängigkeit zwischen der Zugänglichkeit und Reaktivität der immobilisierten Reaktionszentren und der Art des Lösungsmittels zeigte. Somit wurde die Reaktivität von LMoVIN gegenüber Protonen und Elektronen, welches zur Bildung von NH3 führt, unter Verwendung verschiedener Lösungsmittel untersucht und optimiert. Innerhalb des kugelförmigen Polymers verläuft die Protonierung und Reduktion von LMoVIN stufenweise. Aktive Zentren, die sich an der „äußeren Schale“ des Polymers befinden, sind gut zugänglich und reagieren schnell nach H+/e− Zugabe. Aktive Zentren im „Inneren des Polymers“ hingegen sind schlechter zugänglich und zeigen langsame diffusions-kontrollierte Reaktionen, wobei drei H+/e− Schritte gefolgt von einer Ligandenaustausch-Reaktion erforderlich sind, um NH3 freizusetzen: LMoVIN  LMoVNH  LMoIVNH2  LMoIIINH3 und anschließender Ligandenaustausch führt zur Freisetzung von NH3.rnIn einem weiteren Projekt wurde der Bis(ddpd)-Kupfer(II)-Komplex EPR-spektroskopisch in Hinblick auf Jahn−Teller-Verzerrung und -Dynamik untersucht. Dabei wurden die EPR-Spektren bei variabler Temperatur (70−293 K) aufgenommen. Im Festkörperspektrum bei T < 100 K erscheint der Kupfer(II)-Komplex als gestreckter Oktaeder, wohingegen das EPR-Spektrum bei höheren Temperaturen g-Werte aufzeigt, die einer pseudo-gestauchten oktaedrischen Kupfer(II)-Spezies zuzuordnen sind. Diese Tatsache wird einem intramolekularen dynamischen Jahn−Teller Phänomen zugeschrieben, welcher bei 100 K eingefroren wird.

Controllable assembly of graphene hybrid materials and their application in energy storage and conversion

Hybrid Elektrodenmaterialien (HEM) sind der Schlüssel zu grundlegenden Fortschritten in der Energiespeicherung und Systemen zur Energieumwandlung, einschließlich Lithium-Ionen-Batterien (LiBs), Superkondensatoren (SCs) und Brennstoffzellen (FCs). Die faszinierenden Eigenschaften von Graphen machen es zu einem guten Ausgangsmaterial für die Darstellung von HEM. Jedoch scheitern traditionelle Verfahren zur Herstellung von Graphen-HEM (GHEM) scheitern häufig an der fehlenden Kontrolle über die Morphologie und deren Einheitlichkeit, was zu unzureichenden Grenzflächenwechselwirkungen und einer mangelhaften Leistung des Materials führt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Herstellung von GHEM über kontrollierte Darstellungsmethoden und befasst sich mit der Nutzung von definierten GHEM für die Energiespeicherung und -umwandlung. Die große Volumenausdehnung bildet den Hauptnachteil der künftigen Lithium-Speicher-Materialien. Als erstes wird ein dreidimensionaler Graphen Schaumhybrid zur Stärkung der Grundstruktur und zur Verbesserung der elektrochemischen Leistung des Fe3O4 Anodenmaterials dargestellt. Der Einsatz von Graphenschalen und Graphennetzen realisiert dabei einen doppelten Schutz gegen die Volumenschwankung des Fe3O4 bei dem elektrochemischen Prozess. Die Leistung der SCs und der FCs hängt von der Porenstruktur und der zugänglichen Oberfläche, beziehungsweise den katalytischen Stellen der Elektrodenmaterialien ab. Wir zeigen, dass die Steuerung der Porosität über Graphen-basierte Kohlenstoffnanoschichten (HPCN) die zugängliche Oberfläche und den Ionentransport/Ladungsspeicher für SCs-Anwendungen erhöht. Desweiteren wurden Stickstoff dotierte Kohlenstoffnanoschichten (NDCN) für die kathodische Sauerstoffreduktion (ORR) hergestellt. Eine maßgeschnittene Mesoporosität verbunden mit Heteroatom Doping (Stickstoff) fördert die Exposition der aktiven Zentren und die ORR-Leistung der metallfreien Katalysatoren. Hochwertiges elektrochemisch exfoliiertes Graphen (EEG) ist ein vielversprechender Kandidat für die Darstellung von GHEM. Allerdings ist die kontrollierte Darstellung von EEG-Hybriden weiterhin eine große Herausforderung. Zu guter Letzt wird eine Bottom-up-Strategie für die Darstellung von EEG Schichten mit einer Reihe von funktionellen Nanopartikeln (Si, Fe3O4 und Pt NPs) vorgestellt. Diese Arbeit zeigt einen vielversprechenden Weg für die wirtschaftliche Synthese von EEG und EEG-basierten Materialien.