Conformationally constrained macrocycles that mimic tripeptide beta-strands in water and aprotic solvents

The beta-strand conformation is unknown for short peptides in aqueous solution, yet it is a fundamental building block in proteins and the crucial recognition motif for proteolytic enzymes that enable formation and turnover of all proteins. To create a generalized scaffold as a peptidomimetic that is preorganized in a beta-strand, we individually synthesized a series of 15-22-membered macrocyclic analogues of tripeptides and analyzed their structures. Each cycle is highly constrained by two trans amide bonds and a planar aromatic ring with a short nonpeptidic linker between them. A measure of this ring strain is the restricted rotation of the component tyrosinyl aromatic ring (DeltaG(rot) 76.7 kJ mol(-1) (16-membered ring), 46.1 kJ mol(-1) (17-membered ring)) evidenced by variable temperature proton NMR spectra (DMF-d(7), 200-400 K). Unusually large amide coupling constants ((3)J(NH-CHalpha) 9-10 Hz) corresponding to large dihedral angles were detected in both protic and aprotic solvents for these macrocycles, consistent with a high degree of structure in solution. The temperature dependence of all amide NH chemical shifts (Deltadelta/T7-12 ppb/deg) precluded the presence of transannular hydrogen bonds that define alternative turn structures. Whereas similar sized conventional cyclic peptides usually exist in solution as an equilibrium mixture of multiple conformers, these macrocycles adopt a well-defined beta-strand structure even in water as revealed by 2-D NMR spectral data and by a structure calculation for the smallest (15-membered) and most constrained macrocycle. Macrocycles that are sufficiently constrained to exclusively adopt a beta-strand-mimicking structure in water may be useful pre-organized and generic templates for the design of compounds that interfere with beta-strand recognition in biology.

Cellulose swelling by aprotic and protic solvents: What are the similarities and differences?

The swelling of microcrystalline, native and mercerized cotton and eucalyptus celluloses by 16 aprotic solvents was investigated. The number of moles of solvent/anhydroglucose unit, nSw, correlates well with solvent molar volume, basicity and dipolarity/polarizability. Swelling is sensitive to cellulose crystallite size, surface area and the presence of its chains in parallel or anti-parallel arrangements. Use of solvatochromic parameters is a superior alternative to the use of other descriptors, such as Hildebrand`s solubility parameters and Gutmann`s donor numbers. The calculated nSw for 28 protic and aprotic solvents correlated well with their experimental counterparts, although hydrogen bond donation by the solvent was not included.

CO2 utilization and alternative solvents: effective tools for sustainable applications

The growing concentration of CO2 in the atmosphere and its harmful consequences has led the scientific community to direct its efforts towards sustainable processes. Among the possible approaches, the use of CO2 and alternative solvents are two strategies that are having widespread diffusion. In this work the reuse of CO2 is expressed by using it as a reaction reagent and as trigger to change the physical properties of a catalyst thus facilitating its recovery. As regards the CO2 use as reagent, two catalytic systems have been developed for the conversion of CO2 and epoxides into cyclic carbonates, used in the synthesis of polymers and as aprotic solvents. Homogeneous catalysts made by choline-based eutectic mixtures and heterogeneous catalysts made from biopolymers and waste pyrolysis have been synthesized and tested on this reaction. The carbonate interchange reaction (CIR) of a diol with a linear carbonate (as dimethyl carbonate) is an interesting alternative, for the synthesis of cyclic carbonates; as the second application of CO2 as polarity trigger, it was used for catalyst recovery. In fact DBU, here used as catalyst, is part of the so called “switchable solvents”: they can pass from a less-polar to a more-polar form (and from being soluble to non-soluble in the reaction mixture) when reacting with CO2 in presence of water or alcohols. Also in this case, heterogeneous catalysts made from biopolymers and waste pyrolysis have been synthesized and tested on CIR. As for the use of alternative solvents, this work focuses on the use of Deep Eutectic Solvents (DESs). They are a new generation of solvents composed by a mixture of two or more substances, liquid at room temperature, and non-volatile. New and biobased DESs were here used: i) as reaction media to carry out chemoenzymatic epoxidation; ii) in the extraction of astaxanthin from microalgae culture.

Solvent effects on solution enthalpies of adamantyl derivatives

Solution enthalpies of 1-bromoadamantane, 1-adamantanol, and 2-adamantanone in a large set of protic and aprotic solvents are reported at 298.15 K. Solvent effects on the solution processes of these solutes are analyzed in terms of a modified TAKA equation, involving delta(cav) h (s) as the cavity term. The nature and magnitude of the major interactions which influence these processes are assessed and discussed in terms of the solutes' characteristics. New insights on the solution processes under scrutiny are presented.

Solution enthalpies of 1,4-dioxane: Study of solvent effects through quantitative structure-property relationships

Solution enthalpies of 1,4-dioxane have been obtained in 15 protic and aprotic solvents at 298.15 K. Breaking the overall process through the use of Solomonov's methodology the cavity term was calculated and interaction enthalpies (Delta H-int) were determined. Main factors involved in the interaction enthalpy have been identified and quantified using a QSPR approach based on the TAKA model equation. The relevant descriptors were found to be pi* and beta, which showed, respectively, exothermic and endothermic contributions. The magnitude of pi* coefficient points toward non-specific solute-solvent interactions playing a major role in the solution process. The positive value of the beta coefficient reflects the endothermic character of the solvents' hydrogen bond acceptor (HBA) basicity contribution, indicating that solvent molecules engaged in hydrogen bonding preferentially interact with each other rather than with 1,4-dioxane. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Use of quantitative structure-property relationships to study the solvation process of 18-crown-6

Solution enthalpies of 18-crown-6 have been obtained for a set of 14 protic and aprotic solvents at 298.15 K. The complementary use of Solomonov's methodology and a QSPR-based approach allowed the identification of the most significant solvent descriptors that model the interaction enthalpy contribution of the solution process (Delta H-int(A/S)). Results were compared with data previously obtained for 1,4-dioxane. Although the interaction enthalpies of 18-crown-6 correlate well with those of 1,4-dioxane, the magnitude of the most relevant parameters, pi* and beta, is almost three times higher for 18-crown-6. This is rationalized in terms of the impact of the solute's volume in the solution processes of both compounds. (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.

Disseny i optimització de membranes compòsit amb xarxes metal•loorgàniques per a nanofiltració i separacions de gasos

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la Katholieke Universiteit Leuven, Belgium, entre 2007 i 2009. Aquest projecte descriu la síntesi i aplicació de nous tipus de membranes compòsit basades en xarxes metal•loorgàniques (MOFs). Aquestes es van seleccionar tenint en compte les seves propietats estructurals per tal de discriminar les espècies a separar en funció de la seva mida molecular. Les membranes obtingudes s'han aplicat satisfactòriament tant en separacions líquides, concretament en nanofiltració resistent a dissolvents (SRNF), i en separació de parells de gasos com CO2/CH4, CO2/N2 i H2/CO2. Els resultats obtinguts posen de manifest l'obtenció de membranes sense defectes i amb rendiments prometedors, en la majoria dels casos, amb permeabilitats i selectivitats superiors a membranes purament polimèriques. Tanmateix s'ha desenvolupat un nou equipament d'alt rendiment (HT) per a separacions de gasos que inclou un mòdul que permet realitzar 16 experiments simultàniament. Els resultats obtinguts amb el nou equip són comparables amb els obtinguts amb mòduls convencionals, i alhora presenten una millor reproduïbilitat. Finalment, s'ha establert un nou mètode per a obtenir membranes per a SRNF, que han estat aplicades en processos de separació de catalitzadors homogenis en dissolvents polars apròtics i s'han caracteritzat emprant la tècnica d'espectroscòpia d'annihilació de positrons, que ha permès establir per primer cop una relació entre les propietats estructurals de les membranes a nivell molecular i el seu rendiment en les aplicacions anteriors.

A técnica da reflectância difusa aplicada ao estudo da fluorescência de 2,3-naftalimidas n-substituídas com grupos alquila incluídas em b-ciclodextrina e adsorvidas em celulose microcristalina

The solution fluorescence of N-alkyl-2,3-naphthalimides (1-4) in polar protic and aprotic solvents was compared to the emission from solid samples resulting from the imide complexation with b-cyclodextrin or adsorption on the surface of microcrystalline cellulose. Solid samples of the inclusion complex 2,3-naphthalimides/b-cyclodextrin show maximum for fluorescence emission significantly different to the observed in methanolic solution. Beside this, a clear effect on the alkyl chain length could be observed for these samples which is probably due to differences in probe location inside the cyclodextrin cavity. The constancy for fluorescence quantum yield and fluorescence lifetime for the imides 1 - 4 adsorbed on microcrystalline cellulose suggests that, independently of the polarity of the solvent used for sample preparation, the probe is preferentially located on the cellulose surface. An increase of fluorescence quantum yield and fluorescence lifetime for solid samples, when compared to the values obtained in solution for the different solvents employed in this study (acetonitrile, methanol and water), is fully in accordance with a decrease of the probe mobility due to inclusion in b-cyclodextrin or to adsorption on cellulose.

The importance of hydrogen bonding in the alkylation of phenols

Hydrogen bond assisted alkylation of phenols is compared with the classical base assisted reactions. The influence of solvents on the fluoride assisted reactions is discussed,· with emphasis on the localization of hydrogen bond charge density. Polar aprotic solvents such as DMF favour a-alkylation, and nonpolar aprotic solvents such as toluene favourC-alkylation of phenol. For more reactive and soluble fluorides, such as tetrabu~ylammoniumfluoride, the polar aprotic solvent favours a-alkylation and nonpolar aprotic solvent favours fluorination. Freeze-dried potassium fluoride is a better catalytic agent in hydrogen bond assisted alkylation reactions of phenol than the oven-dried fluoride. The presence of water in the alkylation reactions reduces the expected yield drastically. The tolerance of the reaction to water has also been studied. The use ofa phase transfer catalyst such as tetrabutylammonium bromide in the alkylation reactions of phenol in the presence of potassium fluoride is very effective under anhydrous conditions. Sterically hindered phenols such as 2,6-ditertiarybutyl-4-methyl phenol could not be alkylated even by using the more reactive fluorides, such as tetrabutylammonium fluoride in either polar or nonpolar aprotic solvents. Attempts were also made to alkylate phenols in the presence of triphenylphosphine oxide.

Study of the spectroscopic properties and first hyperpolarizabilities of disperse azo dyes derived from 2-amino-5-nitrothiazole

The solvatochromism and other spectroscopic and photophysical characteristics of four azo disperse dyes, derived from 2-amino-5-nitrothiazole, were evaluated and interpreted with the aid of experimental data and quantum mechanical calculations. For the non-substituted compound two conformers, E and Z, were proposed for the isolated molecules, being the second one considerably less stable. The optimization of these structures in combination with a SCRF methodology (IEFPCM, Simulating the molecules in a continuum dielectric with characteristics of methanol), suggests that the Z form is not stable in solution. This same behaviour is expected for the substituted compounds, which is corroborated by experimental data presented in previous investigations [A.E.H. Machado, L.M. Rodrigues, S. Gupta, A.M.F. Oliveira-Campos, A.M.S. Silva, J. Mol. Struct. 738 (2005) 239-245]. For the substituted compounds, two forms derived from E conformer (A and R) are possible. Quantum mechanical data suggest for the isolated molecules, that the low energy absorption hand of the E conformers involve at least two close electronic states. having the low-lying excited state a (1)(n,pi*) nature, and being the S-2 state attributed to a (1)(pi,pi*) transition. The data also suggest a small energy gap between the absorption peaks of A and B, related to the easy conversion between these forms. For the structures optimized in combination with the applied SCRF methodology, an states inversion is observed for the Substituted compounds, with a considerable diminish of the energy gap between A and B absorption peaks. The electronic spectra of these compounds are quite sensitive to changes in the solvent polarity. The positive solvatochromism is more evident in aprotic solvents, probably due to the polarization induced by the solute. These compounds do not fluoresce at 298 K, but present a small but perceptible fluorescence at 77 K, which seems to be favoured by the nature of the group in the 2 `-position of the phenyl ring. Moreover, such compounds present expressive values for first hyperpolarizability, which implies in good non-linear optics (NLO) responses and photoswitching capability. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Hydroxythiazole-Based Fluorescent Probes for Fluoride Ion Detection

This work describes the synthesis of five O-silyloxy-1,3-thiazoles and their use as fast-response turn-on probes for fluoride ion detection in polar aprotic solvents and in aqueous cetyltrimethylammonium bromide micellar medium. The fluoride-triggered deprotection of these silyl ethers results in ca. 180-nm shifts in the fluorescence emission wavelengths. All compounds are suitable for the detection of fluoride ions with a detection limit in DMSO of 107 mol?L1; derivatives containing a 2-pyridyl moiety in the thiazole system are more efficient than those with a 3- or 4-pyridyl moiety. Typical anionic interferents, such as acetate or chloride, are not detected by O-silyloxy-1,3-thiazoles, making these compounds very specific for fluoride.

Kinetics and product distribution of p-nitrophenyl phosphate dianion solvolysis in ternary DMSO/alcohol/water mixtures are compatible with metaphosphate formation

The rate of solvolysis of p-nitrophenyl phosphate (PNPP) dianion in DMSO/water strongly decreases by increasing water concentration. Addition of linear alcohols (methanol, propanol, butanol, pentanol, and hexanol) at constant DMSO/water molar ratio produced an even sharper rate decrease. Alkyl phosphate formation, resulting from PNPP solvolysis in ternary DMSO/water/alcohol mixtures, increased with alcohol concentration and was essentially temperature independent. Methanol and hexanol were the poorest nucleophiles under all conditions. Activation energies and enthalpies for solvolysis in ternary mixtures were similar and entropies varied with alcohol concentration. Taken together these results can be best interpreted in terms of a dissociative mechanism with the intervention of metaphosphate. Copyright (C) 2011 John Wiley & Sons, Ltd.

Ionenleitfähigkeit in polymeren Matrizes – Synthese, Charakterisierung und Untersuchung dynamischer Prozesse von neuen Lithium- und Protonenleitern

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Synthese, physikochemischen und polymerspezifischen Charakterisierung und insbesondere der impedanzspektroskopischen Untersuchung von sowohl neuartigen, solvensfreien lithiumionen- als auch protonenleitfähigen Polymermaterialien für potentielle Anwendungen in sekundären Lithiumionenbatterien bzw. in Hochtemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (engl.: proton exchange membrane fuel cell, auch: polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC). Beiden Typen von ionenleitfähigen Membranen liegt das gängige Prinzip der chemischen Anbindung einer für den Ionentransport verantwortlichen Seitengruppe an eine geeignete Polymerhauptkette zugrunde („Entkopplung“; auch Immobilisierung), welcher hinsichtlich Glasübergangstemperatur (Tg), elektrochemischer und thermischer Stabilität (Td) eine dynamisch entkoppelte, aber nicht minder bedeutsame Rolle zukommt. Die Transportaktivierung erfolgt in beiden Fällen thermisch. Im Falle der Protonenleiter liegt die zusätzliche Intention darin, eine Alternative aufzuzeigen, in der die Polymerhauptkette gekoppelt direkt am Protonentransportmechanismus beteiligt ist, d.h., dass der translatorisch diffusive Ionentransport entlang der Hauptkette stattfindet und nicht zwischen benachbarten Seitenketten. Ein Hauptaugenmerk der Untersuchungen liegt sowohl bei den lithiumionen- als auch den protonenleitfähigen Polymermembranen auf temperaturabhängigen dynamischen Prozessen der jeweiligen Ionenspezies in der polymeren Matrix, was die Ionenleitfähigkeit selbst, Relaxationsphänomene, die translatorische Ionendiffusion und im Falle der Protonenleiter etwaige mesomere Grenzstrukturübergänge umfasst. Lithiumionenleiter: Poly(meth)acrylate mit (2-Oxo-1,3-dioxolan)resten (Cyclocarbonat-) in der Seitenkette unterschiedlicher Spacerlänge wurden synthetisiert und charakterisiert. Die Leitfähigkeit s(,T) erreicht bei Poly(2-oxo-[1,3]dioxolan-4-yl)methylacrylat (PDOA): Lithium-bis-trifluormethansulfonimid (LiTFSI) (10:3) ca. 10^-3,5 S cm^-1 bei 150 °C. Weichmachen (Dotieren) mit äquimolaren Mengen an Propylencarbonat (PC) bewirkt in allen Fällen einen enormen Anstieg der Leitfähigkeit. Die höchsten Leitfähigkeiten von Mischungen dieser Polymere mit LiTFSI (und LiBOB) werden nicht beim System mit der niedrigsten Tg gefunden. Auch dient Tg nicht als Referenztemperatur (Tref) nach Williams-Landel-Ferry (WLF), so dass eine WLF-Anpassung der Leitfähigkeitsdaten nur über einen modifizierten WLF-Algorithmus gelingt. Die ermittelten Tref liegen deutlich unterhalb von Tg bei Temperaturen, die charakteristisch für die Seitenkettenrelaxation sind („Einfrieren“). Dies legt nahe, dass der Relaxation der Seitenketten eine entscheidende Rolle im Li^+-Leitfähigkeitsmechanismus zukommt. Die Li^+-Überführungszahlen tLi^+ in diesen Systemen schwanken zwischen 0,13 (40 °C) und 0,55 (160 °C). Protonenleiter: Polymere mit Barbitursäure- bzw. Hypoxanthinresten in der Seitenkette und Polyalkylenbiguanide unterschiedlicher Spacerlänge wurden synthetisiert und charakterisiert. Die Leitfähigkeit s(,T) erreicht bei Poly(2,4,6(1H,3H,5H)-trioxopyrimidin-5-yl)methacrylat (PTPMA) maximal ca. 10^-4,4 S cm^-1 bei 140 °C. Höhere Leitfähigkeiten sind nur durch Mischen mit aprotischen Lösungsmitteln erreichbar. Die höchste Leitfähigkeit wird im Falle der Polyalkylenbiguanide bei Polyethylenbiguanid (PEB) erzielt. Sie erreicht 10^-2,4 S cm^-1 bei 190 °C. Die Aktivierungsenergien EA der Polyalkylenbiguanide liegen (jeweils unterhalb von Tg) zwischen ca. 3 – 6 kJ mol^-1. In allen beobachteten Fällen dient Tg als Tref, so dass eine konventionelle WLF-Behandlung möglich ist und davon auszugehen ist, dass die Leitfähigkeit mit dem freien Volumen Vf korreliert.

Topologisch kontrollierte Interpolyelektrolytkomplexe aus kettensteifen Polyelektrolyten

Interpolyelektrolytkomplexe bilden sich spontan bei Mischung von Lösungen entgegengesetzt geladener Polyelektrolyte. Dabei sind die Haupttriebkräfte der Entropiegewinn durch die Freisetzung von niedermolekularen Gegenionen sowie die elektrostatischen Wechselwirkungen. In der letzten Zeit sind sie aufgrund ihrer zahlreichen biologischen und technischen Anwendungen in den Fokus des wissenschaftlichen Interesses gerückt. Vor allem die Anwendung von Komplexen aus DNA und kationischen Polyelektrolyten in der nonviralen Gentherapie wird vielfältig diskutiert. rnIn dieser Arbeit wird eine Polystyrolsulfonat-Bürste mit einer Pfropfdichte von 100 % mit einem kationischen Tensid komplexiert und der Komplex in verschiedenen organischen Lösungsmitteln charakterisiert. Dabei zeigt sich eine signifikante Abhängigkeit des Lösungsverhaltens von der Art und der Konzentration zugesetzter Salze. Dieser Polyelektrolyt-Tensid-Komplex wird anschließend als vereinfachtes Modellsystem für die Komplexierung von DNA verwendet. Als kationische Komponente dient zunächst ein kommerzielles PAMAM-Dendrimer der 5. Generation. Dabei steht die Erhaltung der zylindrischen Topologie der anionischen Polyelektrolytbürste in den gebildeten Komplexen im Vordergrund. Durch Variation des Lösungsmittels und des Protonierungsgleichgewichts werden die experimentellen Bedingungen eingegrenzt, bei denen eine solche topologische Kontrolle möglich ist. Es zeigt sich, dass durch die Verwendung von aprotischen organischen Lösungsmitteln gute Erfolge erzielt werden können. Des Weiteren wird das Komplexierungsverhalten stark durch den Zusatz einer Säure oder einer Base beeinflusst, sodass eine topologische Kontrolle mit einem großen Überschuss einer organischen Base auch in protischen Lösungsmitteln wie Wasser und Methanol möglich wird. Anschließend wird das gleiche Polyanion noch mit einer geschützten Polylysin-Bürste in DMF komplexiert, was zur Bildung von kinetisch kontrollierten Aggregaten führt. Die Bildung dieser Aggregate kann durch den Zusatz eines großen Überschusses an Base verhindert werden und es werden zylindrische Komplexe erhalten, die nur aus einer Polylysin-Bürste bestehen. rn

Nicht-wässrige Emulsionen zur Erzeugung neuer Nanopartikel

In der eingereichten Arbeit wurde die Nutzung von nicht-wässrigen Emulsionen, bestehend aus zwei organischen, aprotischen Lösungsmitteln, zur Erzeugung verschiedener polymerer Nanopartikel beschrieben. Diese Zweiphasenmischungen und die Verwendung maßgeschneiderter Emulgatoren bestehend aus Poly(isopren-block-methylmethacrylat) ermöglichten den Zugang zu einer Vielzahl an Reaktionen und Prozessen, welche in wässrigen Emulsionen bisher nicht oder nur schwer möglich waren. Die Generierung von Partikeln auf Basis katalytischer Polymerisationen erfolgte unter Verwendung der Ringöffnenden Metathese-Polymerisation (ROMP), der Acyclischen Dien-Metathese-Polymerisation (ADMET), der Cyclopolymerisation von α,ω-Diinen und der Ni-katalysierten Polymerisation von Isocyaniden. Mittels ROMP konnten stabile Dispersionen erzeugt werden, welche Partikel mit verschiedensten Molekulargewichten, Größen und Morphologien enthielten. Diese Eigenschaften konnten durch die Wahl des Monomers, die Katalysatorkonzentration oder den Emulgatortyp beeinflusst werden. Des Weiteren wurden Partikel mit komplexen Morphologien wie Kern-Schale-Strukturen synthetisiert. Dazu erfolgte die Generierung von Partikeln aus Poly(urethan) oder Poly(norbornenderivaten), welche in situ und ohne intermediäre Aufarbeitung mit einer Schale aus Poly(methacrylat) versehen wurden. Der Nachweis dieser Strukturen gelang mittels verschiedener Schwermetall-Markierungsverfahren in der Transmissionselektronenmikroskopie. Schlussendlich erfolgte die Herstellung von hochvernetzten und molekular geprägten Poly(acrylsäure)-Partikeln. Hierbei wurden unterschiedliche pharmakologische Wirkstoffe und Farbstoffe in die Partikel eingebracht, um deren Migrationsverhalten und Wiederanbindung an die Partikel zu untersuchen. Weiterhin wurden die Partikel erfolgreich in Zellaufnahmeexperimenten eingesetzt.