Molecular orientational order of nitroxide radicals in liquid crystalline media

The orientational distribution of a set of stable nitroxide radicals in aligned liquid crystals 5CB (nematic) and 8CB (smectic A) was studied in detail by numerical simulation of EPR spectra. The order parameters up to the 10th rank were measured. The directions of the principal orientation axes of the radicals were determined. It was shown that the ordering of the probe molecules is controlled by their interaction with the matrix molecules more than the inherent geometry of the probes themselves. The rigid fused phenanthrene-based (A5) and 2-azaphenalene (A4) nitroxides as well as the rigid core elongated C11 and 5α-cholestane (CLS) nitroxides were found to be most sensitive to the orientation of the liquid crystal matrixes.

A study of nitronyl and imino nitroxide radicals attached to heterocyclic cores

Stabile organische Radikale mit zusätzlichen Funktionalitäten wie Donor/Akzepotor Eigenschaften und Ligandeneignung für Übergangsmetallkomplexierung repräsentieren eine synthetische Herausforderung beim Streben nach der Konstruktion hochdimensionaler heterospin Strukturen. In diesem Hinblick wurden acht neue Hochspinbiradikal-Moleküle zusammen mit ihren Monoradikal- Pendants in dieser Arbeit hergestellt. Die Wahl der Liganden als organische Distanzhalter der Radikaleinheiten wurde auf stickstoffhaltige Heterozyklen (Pyridin und Pyrazol) gelenkt. Diese wurden weiterhin mit den stabilen Spinträgern Nitronylnitroxid- (NN) und Iminonitroxidfragmenten (IN) dekoriert. Ihre Synthese beinhaltete mehrstufige Umsetzungen (Brominierung, Iodierung, N- und Carbaldehyd Schutzgruppen, Stille-Kupplung, Grignard Reaktion, etc.) um die Mono- und Dicarbaldehyd-heterocyclenderivate als Schlüsselvorläufer der Radikaleinheiten zu gewinnen. Die Carbaldehyd-Zwischenstufen wurden Kondensationsreaktionen mit 2,3-Dimethyl-2,3-bis(hydroxylamino)-butan unterworfen (üblicherweise in Dioxan unter Argon für ~ 7 Tage), gefolgt von der Oxidation der Bis-hydroxylimidazolidin-Vorläufer unter Phasentransferkatalyse (NaIO4/H2O). Die Radikalmoleküle wurden mit verschiedenen spektroskopischen Methoden untersucht (FT/IR, UV/Vis/ EPR etc.) und ihre Einkristalle mit Röntgenstrahlbeugung gemessen. Die UV/VIS- Lösungsspektren zeigten in einem breiten Bereich verschiedener Lösungsmittelpolaritäten keine spezifische Wechselwirkung zwischen Lösungsmittel und Radikaleinheit, während ihre Stabilitäten in protischen Lösunsgmitteln wie MeOH stark abnahmen. Als Pulver konnten sie jedoch im Kühlschrank an der Luft für eine Jahr gelagert werden, ohne sich zu zersetzen. Die spektroskopischen Fingerabdrücke der Radikale wurden eindeutig identifiziert and erschienen stark abhängig vom Typ des pi-Ringsystems an das die Spinträger gekoppelt wurden. Basierend auf diesen Informationen wurde ein schnelles Protokoll etabliert, das eine direkte Zuordnung der Art der Radikale und ihrer Anzahl ermöglicht, sowie ihre Reinheit und Verunreinigungen zu definieren. In Lösung bestätigte die Analyse der EPR Spektren der Biradikale die starke Austauschwechselwirkung J zwischen den Radikalfragmenten über die Kopplungseinheiten (J >> an, an ist die Stickstoffhyperfeinkopplungskonstante). Dies wurde weiter unterstützt durch die Beobachtungen in gefrorener Lösung über die Nullfeldaufspaltungen und verbotenen Halbfeldübergänge (Δms = 2). Die Temperaturabhängigkeiten der Δms = 2 - EPR Signale wurden bis herunter auf 4 K gemessen und das exakte Vorzeichen und die Größe von J ermittelt. Diese Arbeit unterstreicht die Möglichkeit über synthetische Chemie eine Feineinstellung der „through bond“ Austauschwechselwirkung zwischen verwandten pi- und sigma- konjugierten Heterozyklen zu erreichen, in denen der S = 1 Grundzustand angenommen wird. Zusätzlich zeigten diese Resultate, dass die Übertragung der Spinpolarisation durch verschiedene Koppler sehr effektiv war.

Functionalization of PAMAM dendrimers with nitronyl nitroxide radicals as models for the outer-sphere relaxation in dentritic potential MRI contrast agents

PAMAM dendrimers functionalized with nitronyl nitroxide radicals were characterized. Quantitative determination of substitution with radicals was performed using EPR and electrochemical methods. The study of the 1H NMR relaxation of the surrounding water showed how the outer-sphere contribution to the relaxivity may be limited by the presence of the dendrimer core.

Hetero-tri-spin 2p-3d-4f] Chain Compounds Based on Nitronyl Nitroxide Lanthanide Metallo-Ligands: Synthesis, Structure, and Magnetic Properties

Employing nitronyl nitroxide lanthanide(III) complexes as metallo-ligands allowed the efficient and highly selective preparation of three series of unprecedented heterotri-spin (Cu Ln-radical) one-dimensional compounds. These 2p-3d-4f spin systems, namely Ln(3)Cu(hfac)II(NitPhOAII)41 (Ln(III)=Gd 1(Gd), Tb 1(Tb), Dy 1(Dy); NitPhOAII=2-(4'-allyloxyphenyl)-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3- oxide), Ln(3)Cu(hfac)II(NitPhOPO4] (1-nrn=Gd 2Gd, Tb 2Tb, Dy 2(Dy), Ho 2HOf Yb 2yb; NitPhOPr= 2-(4'-propoxyphenyI)-4,4,5,5-tetramethyl-imidazoline-1-oxyl-3-oxide) and Ln3Cu(hfac)II(NitPhOB441 (LnIm=Gd 3Gd, Tb 3Tb, Dy 3(Dy); NitPhOBz=2-(4'-benzyloxy- phenyl)-4,4,5,5-tetramethyl-imidazoline-1-oxyl-3-oxide) involve O-bound nitronyl nitroxide radicals as bridging ligands in chain structures with a Cu-Nit-Ln-Nit-Ln-Nit-Ln-Nit] repeating unit. The dc magnetic studies show that ferromagnetic metal radical interactions take place in these heterotri-spin chain complexes, these and the next-neighbor interactions have been quantified for the Gd derivatives. Complexes 1Tb and 2Tb exhibit frequency dependence of ac magnetic susceptibilities, indicating single-chain magnet behavior.

Aminoxyl radicals - pure organic materials with tunable magnetic and sensing properties

Stabile Radikale haben in vielen Bereichen der Chemie, Physik, Biologie und Biomedizin ihren Nutzen unter Beweis gestellt. Gerade im letzten Jahrzehnt erlebte diese Substanzklasse vor allem wegen den Anwendungsmöglichkeiten von Nitroxiden als Red-Ox-Sensoren oder magnetischen Materialen ein erneutes Interesse. Das erste Kapitel beschäftigt sich mit der grundlegenden Theorie zur Entwicklung magnetischer Materialien. Des Weiteren sollen anhand einiger Beispiele Radikale im Komplex mit paragmagnetischen Metallen, Biradikale und Polyradikale beschrieben werden. rnrnIm zweiten Kapitel soll auf die Synthese von Hybrid Fluorophore-Nitrononyl-Nitroxid und Iminonitroxidradiale, sowie ihre Charakterisierung über IR, CV, EPR und Röntgenstrukturanalyse eingegangen werden. Mittels UV/Vis-Spektroskopie soll hierbei eine mögliche Anwendung als Red-Ox-Sensoren festgestellt werden. Hierbei werden über anschließende PL Untersuchungen eben diese Sensoreigenschaften der dargestellten Radikale bestätigt werden. Vielmehr noch soll die Möglichkeit von Pyren-Pyrazol-Nitronyl-Nitroxid als NO-Nachweis erläutert werden.rnrnFortschritte sowohl im Design als auch in der Analyse von magnetischen Materialen auf der Basis von Nitroxiden ist Thema des dritten Kapitels. Über ein klassisches Ullmann-Protokoll wurden verschiedene Nitronyl-Nitroxid und Iminonitroxid Biradiale mit unterschiedlichen π-Brücken zwischen den Radikalzentren synthetisiert. Magnetische Messungen belegen einen relativ starken antiferromagnetischen intramolekularen Austausch für den Großteil der untersuchten Biradikale. Hierbei zeigte sich jedoch eine außergewöhnliche hohe Austausch-Kupplung für 3,3‘-Diazatolandiradikale, die nur über die Existenz von starken intermolekularen Wechselwirkungen beschrieben werden kann. Durch Kombination der Röntgenstrukturanalyse mit DFT Berechnungen konnte im Fall des Tolan verbrückten Diradikals 87c die Intra-Dimer-Kupplung auf Jintra = -8,6 K bestimmt werden. Ein direkter Beweis für eine intermolekulare Anlagerung von Jinter ~- 2K konnte über eine Tieftemperatur AC-Messung von 87c erhalten werden. Bezüglich der magnetischen Messung ist das Nitronyl Biradikal 87c ein vielversprechender Kandidat für einen rein organischen eindimensionalen Quantenmagnet.rnrnAbsicht dieser Untersuchungen ist es zu zeigen, dass über die Kombination verschiedener struktureller Elemente die Sensitivität von Nitroxid basierten Sensoren und die intramolekulare Austauschwechselwirkung in π-konjugierten Spinsystemen so eingestellt werden kann, dass es möglich ist Moleküle mit gezielten Sensor- oder Magneteigenschaften zu entwickeln. rn

A novel profluorescent dinitroxide for imaging polypropylene degradation

Free-radical processes underpin the thermo-oxidative degradation of polyolefins. Thus, to extend the lifetime of these polymers, stabilizers are generally added during processing to scavenge the free radicals formed as the polymer degrades. Nitroxide radical precursors, such as hindered amine stabilizers (HAS),1,2 are common polypropylene additives as the nitroxide moiety is a potent scavenger of polymer alkyl radicals (R¥). Oxidation of HAS by radicals formed during polypropylene degradation yields nitroxide radicals (RRNO¥), which rapidly trap the polymer degradation species to produce alkoxyamines, thus retarding oxidative polymer degradation. This increase in polymer stability is demonstrated by a lengthening of the “induction period” of the polymer (the time prior to a sharp rise in the oxidation of the polymer). Instrumental techniques such as chemiluminescence or infrared spectroscopy are somewhat limited in detecting changes in the polymer during the initial stages of degradation. Therefore, other methods for observing polymer degradation have been sought as the useful life of a polymer does not extend far beyond its “induction period”

The synthesis of novel nitroxides and their application as small-molecule antioxidants and profluorescent probes for oxidative stress

The detection and potential treatment of oxidative stress in biological systems has been explored using isoindoline-based nitroxide radicals. A novel tetraethyl-fluorescein nitroxide was synthesised for its use as a profluorescent probe for redox processes in biological systems. This tetraethyl system, as well as a tetramethyl-fluorescein nitroxide, were shown to be sensitive and selective probes for superoxide in vitro. The redox environment of cellular systems was also explored using the tetramethylfluorescein species based on its reduction to the hydroxylamine. Flow cytometry was employed to assess the extent of nitroxide reduction, reflecting the overall cellular redox environment. Treatment of normal fibroblasts with rotenone and 2-deoxyglucose resulted in an oxidising cellular environment as shown by the lack of reduction of the fluorescein-nitroxide system. Assessment of the tetraethyl-fluorescein nitroxide system in the same way demonstrated its enhanced resistance to reduction and offers the potential to detect and image biologically relevant reactive oxygen species directly. Importantly, these profluorescent nitroxide compounds were shown to be more effective than the more widely used and commercially available probes for reactive oxygen species such as 2’,7’-dichlorodihydrofluorescein diacetate. Fluorescence imaging of the tetramethyl-fluorescein nitroxide and a number of other rhodamine-nitroxide derivatives was undertaken, revealing the differential cellular localisation of these systems and thus their potential for the detection of redox changes in specific cellular compartments. As well as developing novel methods for the detection of oxidative stress, a number of novel isoindoline nitroxides were synthesised for their potential application as small-molecule antioxidants. These compounds incorporated known pharmacophores into the isoindoline-nitroxide structure in an attempt to increase their efficacy in biological systems. A primary and a secondary amine nitroxide were synthesised which incorporated the phenethylamine backbone of the sympathomimetic amine class of drugs. Initial assessment of the novel primary amine derivative indicated a protective effect comparable to that of 5-carboxy-1,1,3,3- tetramethylisoindolin-2-yloxyl. Methoxy-substituted nitroxides were also synthesised as potential antioxidants for their structural similarity to some amphetamine type stimulants. A copper-catalysed methodology provided access to both the mono- and di-substituted methoxy-nitroxides. Deprotection of the ethers in these compounds using boron tribromide successfully produced a phenolnitroxide, however the catechol moiety in the disubstituted derivative appeared to undergo reaction with the nitroxide to produce quinone-like degradation products. A novel fluoran-nitroxide was also synthesised from the methoxy-substituted nitroxide, providing a pH-sensitive spin probe. An amino-acid precursor containing a nitroxide moiety was also synthesised for its application as a dual-action antioxidant. N-Acetyl protection of the nitroxide radical was necessary prior to the Erlenmeyer reaction with N-acetyl glycine. Hydrolysis and reduction of the azlactone intermediate produced a novel amino acid precursor with significant potential as an effective antioxidant.

Computational design of cyclic nitroxides as efficient redox mediators for dye-sensitized solar cells

Cyclic nitroxide radicals represent promising alternatives to the iodine-based redox mediator commonly used in dye-sensitized solar cells (DSSCs). To date DSSCs with nitroxide-based redox mediators have achieved energy conversion efficiencies of just over 5 % but efficiencies of over 15 % might be achievable, given an appropriate mediator. The efficacy of the mediator depends upon two main factors: it must reversibly undergo one-electron oxidation and it must possess an oxidation potential in a range of 0.600-0.850 V (vs. a standard hydrogen electrode (SHE) in acetonitrile at 25 °C). Herein, we have examined the effect that structural modifications have on the value of the oxidation potential of cyclic nitroxides as well as the reversibility of the oxidation process. These included alterations to the N-containing skeleton (pyrrolidine, piperidine, isoindoline, azaphenalene, etc.), as well as the introduction of different substituents (alkyl-, methoxy-, amino-, carboxy-, etc.) to the ring. Standard oxidation potentials were calculated using high-level ab initio methodology that was demonstrated to be very accurate (with a mean absolute deviation from experimental values of only 16 mV). An optimal value of 1.45 for the electrostatic scaling factor for UAKS radii in acetonitrile solution was obtained. Established trends in the values of oxidation potentials were used to guide molecular design of stable nitroxides with desired E° ox and a number of compounds were suggested for potential use as enhanced redox mediators in DSSCs. Copyright © 2012 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Isostructural M(RL)(2)(hfac)(2) complexes with RL=5-(4-[N-tert-butyl-N-aminoxyl]phenyl)pyrimidine

5-(4-(N-tert-Butyl-N-aminoxylphenyl)) pyrimidine (RL, 4PPN) forms crystallographically isostructural and isomorphic pseudo-octahedral M(RL)(2)(hfac)(2) complexes with M(hfac)(2), M = Zn, Cu, Ni, Co, and Mn. Multiple close contacts occur between sites of significant spin density of the organic radical units. Magnetic behavior of the Zn, Cu, Ni, Co complexes appears to involve multiple exchange pathways, with multiple close crystallographic contacts between sites that EPR (of 4PPN) indicates to have observable spin density. Powder EPR spectra at room temperature and low temperature are reported for each complex. Near room temperature, the magnetic moments of the complexes are roughly equal to those expected by a sum of non-interacting moments (two radicals plus ion). As temperature decreases, AFM exchange interactions become evident in all of the complexes. The closest fits to the magnetic data were found for a 1-D Heisenberg AFM chain model in the Zn(II) complex (J/k = (-)7 K), and for three-spin RL-M-RL exchange in the other complexes (J/k = (-)26 K, (-)3 K, (-) 6 K, for Cu(II), Ni(II), and Co(II) complexes, respectively). (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Modellkomplexe zur Untersuchung der Radikal-Metall-Wechselwirkung innerhalb des wasseroxidierenden Zentrums im Photosystem II

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zweikernige Modellkomplexe zur Untersuchung der Radikal-Metallwechselwirkung innerhalb des wasseroxidierenden Zentrums des Photo¬systems II synthetisiert und eine magneto-strukturelle Korrelation dieser Komplexe erstellt. Als Liganden wurden diverse sechs- bis siebenzähnige Chelatliganden verwendet, welche über zwei Koordinationstaschen und eine verbrückende Phenolatgruppe verfügen. Zwei daran gebundene Manganionen liegen in einer wohl definierten Umgebung nicht koordinativ gesättigt vor. An die freien Koordinationsstellen können weitere ein bis zwei Brückenliganden binden, bei denen es sich in dieser Arbeit hauptsächlich um Carboxylate handelt. Durch die Verwendung eines diamagnetischen Brückenliganden konnte die magnetische Spin-Spin-Austauschwechselwirkung zwischen den spintragenden Manganionen über die verbrücken¬de Phenolatgruppe bestimmt werden. Komplexe, welche über Manganionen in den gleichen Oxidationsstufen, aber über unterschiedliche Carboxylatbrückenliganden verfügen, weisen ähnliche magnetische Austauschwechselwirkungen zwischen den Metallzentren auf. Diese Beobachtung konnte durch eine strukturelle Ähnlichkeit dieser Komplexe erklärt werden. Mittels Aufsummieren der Bindungslängen der verbrückenden Phenolateinheit zu beiden Zentralionen kann innerhalb dieser Komplexe jeweils die Länge des Wechselwirkungspfades erhalten werden, welcher die magnetische Austauschwechselwirkung maßgeblich beein¬flusst. Je länger der Wechselwirkungspfad ist, desto kleiner ist die Austausch¬wechsel¬wirkung. Durch Austausch der diamagnetischen Carboxylate durch paramagnetische benzoat¬substituierte Nitronyl Nitroxid Radikale wurden den Komplexen ein bis zwei weitere Spinzentren hinzugefügt, welche mit den Spins der Zentralionen wechselwirken können. Simulationen der magnetischen Suszeptibilitätsmessungen liefern Werte für die magneti¬schen Austausch¬wechselwirkungen zwischen den Nitronyl Nitroxid Radikalen und den Manganionen, die in allen Fällen schwach ferromagnetisch zwischen 0 und 4,7 cm-1 sind. In einer Auftragung dieser Austauschwechselwirkungen gegen die Mangan-Carboxylat-Bindungs¬längen von strukturell charakterisierten äquivalenten acetatverbrückten Komplexen, kann eine lineare Abhängigkeit gezeigt werden.

Synthetic strategies of new spin-labelled supramolecular systems

Molecular recognition and self-assembly represent fundamental issues for the construction of supramolecular systems, structures in which the components are held together through non-covalent interactions. The study of host-guest complexes and mechanical interlocked molecules, important examples in this field, is necessary in order to characterize self-assembly processes, achieve more control over the molecular organization and develop sophisticated structures by using properly designed building blocks. The introduction of paramagnetic species, or spin labelling, represents an attractive opportunity that allows their detection and characterization by the Electron Spin Resonance spectroscopy, a valuable technique that provides additional information to those obtained by traditional methods. In this Thesis, recent progresses in the design and the synthesis of new paramagnetic host-guest complexes and rotaxanes characterized by the presence of nitroxide radicals and their investigation by ESR spectroscopy are reported. In Chapter 1 a brief overview of the principal concepts of supramolecular chemistry, the spin labelling approach and the development of ESR methods applied to paramagnetic systems are described. Chapter 2 and 3 are focused on the introduction of radicals in macrocycles as Cucurbiturils and Pillar[n]arenes, due to the interesting binding properties and the potential employment in rotaxanes, in order to investigate their structures and recognition properties. Chapter 4 deals with one of the most studied mechanical interlocked molecules, the bistable [2]rotaxane reported by Stoddart and Heath based on the ciclobis (paraquat-p-phenylene) CBPQT4+, that represents a well known example of molecular switch driven by external stimuli. The spin labelling of analogous architectures allows the monitoring by ESR spectroscopy of the switch mechanism involving the ring compound by tuning the spin exchange interaction. Finally, Chapter 5 contains the experimental procedures used for the synthesis of some of the compounds described in Chapter 2-4.

Phosphonate ligands in extended inorganic hybrids and as radical units in complexes

Phosphonatliganden in erweiterten anorganischen Hybridmaterialien undrnals Radikalträgern in KomplexenrnrnAnorganisch-organische Hybridmaterialien sind in der Regel extrem vielseitig. Die systematische Darstellung von niederdimensionalen Materialien (eindimensionale Kettenverbindungen oder zweidimensionalen Schichtverbindungen) mit einer Kontrolle über die Art der Verbindung,rnbietet neue Möglichkeiten im Bereich des molekularen Magnetismus. Hier im Fall von Metall-Phosphonat Verbindungen in erweiterten anorganischen Hybriden wurde der pH - Wert während der Reaktion eingestellt, wodurch der Grad der Protonierung des Phosphonatliganden kontrolliert wurde. Aufgrund der Tatsache, dass alle erhaltenen Metall Phosphonatverbindungen neutral waren, konnte das Ligand zu Metallverhältnis erstmals vorhergesagt werden. So wurden mehrere neue Metall–Phosphonat Verbindungen im Bereich von Null-dimensionalen (I0O0, Co-Kristallisation von M(H2O)6 mitrndeprotonierten Phosphonatligand), über eindimensionalen (I1O0, Kettenstrukturen) bis hin zu zweidimensionalen (I2O0, Schichtstrukturen) ausführlich diskutiert in Bezug auf ihr magnetisches Verhalten. Im Allgemeinen sind die erwarteten Austauschwechselwirkungen in einem erweiterten anorganischen Hybridmaterial stark, weil oft ein Superaustausch durch ein einzelnes Sauerstoffatom möglich ist. Hier waren oft mehrere konkurrierende Austauschwechselwirkungen vorhanden, so dass kompliziertere magnetische Verhalten beobachtet wurden.rnrnDarüber hinaus wurden drei neue Beispiele von Nitronyl-Nitroxidradikale dargestellt, in denen eine zusätzliche saure Funktionalität eingeführt war. Die Auswirkungen des sauren Charakters der zusätzlich eingeführten Sulfonsäure oder Phosphonsäure-Gruppe auf das Nitronyl-Nitroxidradikal wurden im Detail zum ersten Mal untersucht. Die mit der Phosphonsäure-Gruppe versehenen Nitronyl-Nitroxidradikale sind perfekte Proben für die Untersuchung einer Spin-Verschiebung in Nitronyl-Nitroxidradikale durch EPR-Spektroskopie, aufgrund des eingeführten Phosphors. Auch der Protonierungsgrad der zusätzlich eingeführten Phosphonsäure-Gruppe wurde berücksichtigt. In dieser Arbeit wurden die ersten Metallkomplexe der neuen substituierten sauren Nitronyl-Nitroxidradikale vorgestellt. Die Koordination von Nickel(II) Metallionen an die saure, zweite funktionelle Gruppe des Nitronyl–Nitroxid Radikal wurde beschrieben. Die magnetische Austauschwechselwirkung der Metallionen untereinander und die Metall-Radikal-Austauschwechselwirkungen wurden untersucht. rnrnIm Allgemeinen können interessante molekulare magnetische Materialien dadurch dargestellt werden, dass die Dimension der Metall-Phosphonat-Verbindungen als Beispiele für die erweiterten anorganischen Hybridmaterialien gesteuert werden kann. Mit Nitronyl-Nitroxidradikale als organische Liganden können in Zukunft noch mehr Spin-Träger in anorganisch-organischen Gerüstmaterialien integriert werden um die magnetischen Eigenschaften zu verbesseren.rn

Applications of EPR with an Emphasis on Tau Fibril Structure

Substances containing unpaired electrons have been studied by electron paramagnetic resonance (EPR) for nearly 70 years. With continual development and enhancement of EPR techniques, questions have arisen regarding optimum method selection for a given sample based on its properties. In this work, radiation defects, natural lattice defects, solid organic radicals, radicals in solution, and spin-labeled proteins were analyzed using CW, pulse, and rapid scan EPR to compare methods. Studies of solid BDPA, EOe in quartz, Ns0 in diamond, and a-Si:H, showed that rapid scan could overcome many obstacles presented by other techniques, cementing rapid scan as an effective alternative to CW and pulse methods. Relaxation times of six nitroxide radicals were characterized from 0.25-34 GHz, guiding synthesis of improved nitroxides for in vivo imaging experiments. Processes contributing to T1 of DPPH in polystyrene were found through variable temperature measurements at X- and Q-band, resolving previously-reported discrepancies in relaxation properties and providing new insight into this commonly-used standard. In the history of EPR, the study of proteins is relatively new. Double electron-electron resonance (DEER) has emerged as a powerful technique for the study of amyloid fibrils, a class of protein aggregates implicated in a number of neurodegenerative disorders. Microtubule-associated protein tau forms fibrils linked to Alzheimerfs disease through seeded conversion of monomer. Self-assembly is mediated by the microtubule binding repeats in tau, and there are either three or four repeats present depending on the isoform. DEER was used to show that filaments of 3R and 4R tau are conformationally distinct and that 4R fibrils adopt a heterogeneous mixture of conformations. Populations of 4R fibril conformations, which were independently validated using a model system, can be modulated by introduction of mutations to the primary sequence or by varying fibril growth conditions. These findings provided unprecedented insights into the seed selection of tau monomers and established conformational compatibility as an important driving force in tau fibril propagation. Lastly, DEER acquisition was improved through addition of paramagnetic metal to spin-labeled protein, decreasing collection time, and through use of a novel spin label with increased T2, thereby lengthening the available acquisition window.

Nucleophilic addition of Nitrones to Electron deficient acetylenes and related studies

Nitrones or azomethine-N-oxides are important precursors for the synthesis of several heterocyclic systems. They belong to the allyl anion type 1,3-dipoles and possess unique structural features which make them extraordinarily useful synthons. They behave as 1,3-dipoles in 1,3-dipolar cycloaddition reactions and as electrophiles in reactions with organometallic reagents. These are the two basic reactions given by nitrones. Nitrones also act as ‘spin traps’ in which they react with short-lived radicals to furnish stable nitroxide radicals which can be detected and identified by electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. Recently SmI2 catalysed reductive cross-coupling reactions of nitrones have gained significant interest in which the reactions are initiated by single electron transfer (SET) to nitrones. Apart from these reactions, nitrones are also known to participate in reactions which are initiated by the nucleophilic attack of nitrone-oxygen. In our group, we have also explored the nucleophilic character of nitrones through various reactions. The results obtained enabled us to develop a novel two-step one-pot strategy for quinolines and indoles - the heterocycles renowned for their pharmacological applications, from nitrones and electron deficient acetylenes. Using dibenzoylacetylene and phenylbenzoylacetylene as dipolarophiles, we could introduce a desired functional group at a predetermined position of the quinolines or indoles to be synthesised. In this context, the thesis entitled “NUCLEOPHILIC ADDITION OF NITRONES TO ELECTRON DEFICIENT ACETYLENES AND RELATED STUDIES” portrays our attempt to expand the scope of our x novel synthetic protocol using ester functionalised acetylenes: dimethyl acetylenedicarboxylate (DMAD) and methyl propiolate. The thesis is organised in to five chapters. The first chapter briefly describes the different classes of reactions that nitrone functionality can tolerate. The research problem is defined at the end of this chapter. The second chapter describes the synthesis of different nitrones used for the present study. The optimisation and expansion of scope of the novel strategy towards quinoline synthesis is discussed in the third chapter. The fourth chapter portrays the synthesis of indole-3-carboxylates using the novel strategy. In the fifth chapter, the reaction of N-(2,6-dimethylphenyl) and N-(2,4,6-trimethylphenyl)nitrones are discussed. Here we also discuss the mechanistic reinvestigation of Baldwin’s proposal in the isoxazoline-oxazoline rearrangement. The major outcome of the work is given at the end of the thesis. The structural formulae, schemes, tables and figures are numbered chapter-wise since each chapter of the thesis is organized as an independent unit. All new compounds (except two compounds reported in fourth chapter) are fully characterised on the basis of spectral and analytical data and single crystal X-ray analysis on representative examples. Relevant references are included at the end of individual chapters.