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Phase Behavior and Structural Transitions in The Mixtures of Cationic Surfactants and Hydrophobic Counterions
(2003)
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Rami Abdel-Rahem
- Anionic hydrophobic counterions with certain geometry adsorb onto the surface of cationic surfactant micelles and they minimize the repulsion between the headgroups, so the charge density on the surface is reduced. As a result of this, the micelle spontaneously changes its morphology due to a new packing for the head groups. The adsorption of 2-hydroxy-1-naphthoic acid 2,1 HNC and 6-hydroxy-2-naphthoic acid 6,2 HNC onto the surface of the cationic surfactant cetyltrimethylammonium hydroxide was studied. The results were compared to the published system 3-hydroxy-2-naphthoic acid 3,2 HNC/CTAOH. When an increasing amount of 2,1 HNC is introduced into a micellar solution of 100 mM CTAOH, one finds low viscous micellar solution, viscoelastic gel (consisting of rod like micelles), turbid region (two phase region), and viscoelastic liquid crystalline gel (consisting of multilamellar vesicles MLV with yield value). The complex viscosity (0.01 Hz) of 100 mM CTAOH rises by six orders of magnitude as the rodlike micelles form.It decreases then to the turbid region, and then rises again approximately six orders of magnitude. The second rising of the complex viscosity is accompained by the formation of a liquid crystalline phase which consists of multilamellar vesicles. This has been proven by DICM, FF-TEM and Cryo-TEM. The vesicles were polydisperse and ranged from 100 to 1000 nm in diameter. SANS detected the transition in the microstructure which was caused by changing the concentration of 2,1 HNC in the system. SANS calculations show results similar to that obtained by microscopic methods. Surprising rheological behavior was measured in the rodlike micelle region, at which storage modulus was about one order of magnitude higher than loss modulus and both were parallel in the frequency range 0.001-10 Hz. Such behavior usually indicates the presence of vesicles in the liquid crystal phases. It was proved that other rheological measurements can be used to distinguish the tow types, namely, amplitude sweep measurements, first normal stress difference N1 (Weissenbeg effect), the effect of adding electrolyte, and stress relaxation curves. When 6,2 HNC (new substitution of HNC) is added with an increasing amount to 100 mM CTAOH, a new phase behavior is observed. Here the structure changes from small micelle aggregates into rodlike micelles, and then a two phase region consisting of L1-phase and un-reacted 6,2 HNC is formed. No transition into MLV has been detected. In the case of 3,2 HNC and 2,1 HNC, the hydroxyl and the carboxyl group are neighboring, so they can effectively share in reducing the repulsion between the headgroups while the rings are in interaction with hydrocarbon tails. For 6,2 HNC the hydroxyl group is in position number 6 on the aromatic rings, which means that hydroxyl group is distant from the carboxyl group, thereby, less screening for the cationic charge in the micelle surface is obtained. Substitution of HNC plays a main role in controlling the microstructure and other physical properties such viscosity, Krafft point, ..etc. In the second part of this work, the hydrophobic counterion is fixed (2,1 HNC), and the length of the cationic surfactant‘s chain is changed from C16 into C14, C12, C10 and C8. For the system 2,1 HNC/ tetradecyltrimethylammonium hydroxide TTAOH similar phase behavior as 2,1 HNC/CTAOH is observed. At 2,1 HNC/TTAOH ratio r aproximately 1, formation of MLV is observed. After the neutralization addition of excess amount of 2,1 HNC is possible since the insoluble molecular form of 2,1 HNC becomes solublized in the formed MLV. Conductivity measurements prove that 2,1 HNC stays in the molecular form after the neutralization. A difference in the rheological behavior of the system 2,1 HNC/TTAOH compared to 2,1 HNC/CTAOH is seen. In the rodlike micelles region of 2,1 HNC/TTAOH, the solutions exhibit a short relaxation time compared to 2,1 HNC/CTAOH system. FF-TEM and SANS proved the formation of polydisperse MLV in this system with a maximum diameter of about 2000 nm and wall thickens of about 28 nm. As a result of this work, it is concluded that the role of the hydrophobic counterions with certain geometry could be looked upon as a co-surfactant with a shorter chain length which changes the bending rigidity, of the bilayer. They are surface active species that bind strongly on the micelle surface and change the packing parameter of the headgroups. It is suggested that the hydrophobicity of the counterion plays an important role in deciding the structure of the supramolecular assemblies such as vesicles, or micelles. As a consequence one can change the morphology of micelle species by changing the ratio of counterion /surfactant ion. These studies also suggest that by mixing cationic surfactant and hydrophobic counterion with varying cationic surfactants chain lengths, one can have a control over the supramolecular structures formed.
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Synthese, Charakterisierung und Materialeigenschaften borreicher Boride und Boridcarbide des Magnesiums und Aluminiums
(2005)
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Volker Adasch
- Hauptziel der Arbeit war die Synthese und Charakterisierung neuer borreicher Boride und Boridcarbide des Magnesiums. Es konnten Einkristalle von MgB7, MgB12, MgB17, B12MgC2 (orthorhombisch), B24Mg2C, B12MgC2 (monoklin) und B50Mg3C8 erhalten und durch RSA sowie WDX charakterisiert werden. Alle Synthesen fanden aus den Elementen statt. Entsprechend theoretischer Phasendiagramme erfordert die Synthese borreicher Boride und Boridcarbide des Magnesiums hohe Reaktionstemperaturen und niedrige Mg-Dampfdrücke. Speziell Reaktionstemperaturen oberhalb des Siedepunkts von Mg sind in offenen Reaktionsgefäßen nicht sinnvoll zu realisieren. Daher wurden die Synthesen in geschlossenen Gefäßen (aus h-BN) durchgeführt. Um während der Synthesen sowohl ein Bersten der h-BN-Tiegel als auch Mg-Verluste durch Diffusion zu vermeiden, wurden die h-BN-Tiegel wiederum in verschließbare Ta-Ampullen eingeführt. Die doppelte Wandung aus h-BN und Ta wurde gewählt, da ausgeschlossen werden sollte, dass B mit Ta Tantalboride bildet. Zur Realisierung eines niedrigen Mg-Dampfdrucks innerhalb des Reaktionsgefäßes wurden die Synthesen in Anlehnung an das Raoultsche Gesetz in Hilfsmetallbadschmelzen durchgeführt. Als Hilfsmetalle kamen Kupfer und Aluminium zur Anwendung. Speziell Kupfer erwies sich als optimales Hilfsmetall. In MgB7 und B12MgC2 (orthorhombisch) liegen B12-Ikosaeder vor, die eine hexagonal primitive Packung bilden. In MgB7 werden die trigonal prismatischen Lücken dieser Packung alternierend mit einem Mg-Atom und mit zwei B-Atomen besetzt. Zusätzlich befindet sich eine Mg-Lage auf einer gemeinsamen Vierecksflächen zweier trigonaler Prismen. In B12MgC2 (orthorhombisch) erfolgt die Besetzung der trigonal prismatischen Lücken alternierend mit einem Mg-Atom und mit zwei C-Atomen. Weitere interstitielle Lagen gibt es hier nicht. In MgB12 bilden B12-Ikosaeder 3.6.3.6.-Ikosaeder-Kagomè-Netze, die in der Schichtenfolge ABA angeordnet sind. Zwischen den Schichten befinden sich B12-Ikosaeder und B21-Einheiten. Alle Bor-Cluster sind miteinander zu einem dreidimensionalen Netzwerk verbunden, in dessen Hohlräumen sich Mg befindet. Die B21-Einheit besteht aus einem B12-Ikosaeder, einem B11-Fragment und einem einzelnen Bor-Atom. Das B12-Ikosaeder ist mit der B11-Einheit über eine gemeinsame Dreiecksfläche verbunden. Dieses B21-Cluster wurde im Bereich der Stoffklasse der borreichen Boride bislang noch nicht beobachtet. Das Elektronendefizit der B21-Einheit wurde über die sogenannte mnopq-Regel bestimmt und beträgt vier Elektronen. MgB17 ist eine Auffüllungsvariante des beta-rhomboedrischen Bors. Die Mg4-Position in MgB17 wurde bislang noch in keiner anderen Auffüllungsvariante besetzt. Das Mg3-Atom substituiert teilweise ein B-Atom der B28-Einheit. B24Mg2C ist die erste stöchiometrische Auffüllungsvariante des tetragonalen Bor (1). Die Basistruktur beider Verbindungen ist eine tetragonal innenzentrierte Stabpackung von B12-Ikosaedern. In B24Mg2C befinden sich zwischen den Stäben zwei Arten von Kanälen. In der einen Hälfte der Kanäle werden alle Tetraederlücken besetzt, wobei Mg und C alternieren. Im anderen Typ von Kanälen können Oktaederlücken definiert werden, hierbei ist jede zweite Oktaederlücke mit Mg gefüllt. Das strukturbestimmende Merkmal von B12MgC2 (monoklin) sind B12-Ikosaeder, die in einer verzerrten kubisch dichtesten Packung angeordnet sind. Die Tetraederlücken dieser Packung werden mit C, die Oktaederlücken mit Mg besetzt. B12MgC2 (monoklin) ist an Luft bis etwa 600 °C stabil, die Vickers-Härte liegt im Mittel bei 29,9 GPa. In B50Mg3C8 liegen B12-Ikosaeder vor, die in hexagonalen Schichten angeordnet sind. Die Schichten sind nach der Folge AABBCC gestapelt. Zwischen den Schichten ungleicher Orientierung befinden sich lineare C-B-C-Einheiten. Zwischen den deckungsgleich angeordneten Schichten sind C2-Einheiten und Mg-Atome positioniert. Im Rahmen der Arbeit wurden außerdem die Bruchspannungen von Einkristallen von c-BN und B48Al3C2 bei statischer uniaxialer äußerer Krafteinwirkung bestimmt. Die Bruchspannung eines Einkristalls ist dabei eine Funktion der Kristallgröße und -form, der Härte (bzw. der Kristallstruktur), der kristallographischen Orientierung zur äußeren Kraft und der Art und Anzahl von Kristalldefekten, speziell von Versetzungen. Ziel war es die Mittelwerte der kritischen Spannungen von c-BN und B48Al3C2 sinnvoll in Relation zueinander zu setzen bzw. nur als Funktion der entsprechenden Kristallstrukturen und -defekte zu begreifen. Dazu wurde der Einfluss der Kristallgröße und -form auf die kritische Spannung über verschiedene Verfahrensschritte normiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Mittelwert der kritischen Spannung von c-BN um den Faktor 1,88 größer ist als der von B48Al3C2.
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New Double-Responsive Micelles of Block Copolymers Based on N,N-Diethylacrylamide: Synthesis, Kinetics, Micellization, and Application as Emulsion Stabilizers
(2005)
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Xavier André
- Thermo- and pH-responsive block copolymers based on (meth)acrylic acid and N,N-diethylacrylamide were synthesized and their aqueous solution behavior was studied. Such bishydrophilic block copolymers represent an interesting class of stimuli-responsive water-soluble materials whose macroscopic properties can be triggered at the molecular level by tuning the temperature, the pH and the ionic strength of the solution. A new method was introduced for the synthesis of well-defined poly(N,N-diethylacrylamide) (PDEAAm) via living anionic polymerization using ethyl alpha-lithioisobutyrate (EiBLi) in the presence of triethylaluminium (Et3Al) as Lewis acid in tetrahydrofuran (THF) at -78 °C. Kinetic investigations were performed using in-situ Fourier-transform Near-Infrared (FT-NIR) fiber-optic spectroscopy. This is the first mechanistic study of the anionic polymerization of a dialkylacrylamide. The polymerization follows first order kinetics with respect to the effective concentration of active chains, [P*]0, but shows complex kinetics with respect to the actual monomer and initial aluminum concentrations. Upon addition of Et3Al, the polymerization rate constant, kp decreases, which is explained by the formation of an amidoenolate chain end/Et3Al complex of lower reactivity. It involves two equilibria: between noncoordinated and Et3Al-coordinated chain ends (deactivation of chain ends) as well as between free and Et3Al-activated monomer (activated monomer mechanism). These two effects are in a delicate balance that depends on the ratio of the concentrations of Et3Al, monomer, and chain ends. Thus, the polymerization rate of this system is governed simultaneously by the complex interplay between the activation of monomer (dependent on monomer and Et3Al concentrations) and the deactivation of chain ends (dependent on the ratio of concentrations of Et3Al to initiator). Polymers with narrow molecular weight distribution are obtained, indicating that the rate of interconversion between the different chain end species is greater than the polymerization rate. In contrast, such well-defined polymers are not found in the absence of Et3Al. PDEAAm polymers, synthesized using organolithium initiator in the presence of Et3Al, are rich in heterotactic (mr) triads and exhibit Lower Critical Solution Temperatures (LCST) in water with a cloud point at Tc = ca. 31 °C. By extending this synthetic concept and using poly(tert-butyl acrylate)-Li, and poly(tert-butyl methacrylate)-Li as macroinitiators, well-defined poly(tert-butyl acrylate)-block-PDEAAm, and poly(tert-butyl methacrylate)-block-PDEAAm block copolymers were obtained. Although the blocking efficiencies remained below 70 % a separation of block and homopolymers was easily possible. The narrowly distributed (AA)45-b-(DEAAm)360 block copolymer obtained after hydrolysis of the protecting tert-butyl groups exhibits interesting ‘schizophrenic’ micellization behavior in response to temperature, to pH, and to ionic strength of the aqueous media. Due to its asymmetric composition, two opposite micellar structures are expected. Indeed, the existence of different micellar aggregates, i.e., ‘crew-cut’ micelles with a PDEAAm core and inverse star-like micelles with PAA core, was proven by several analytical techniques, like Small-Angle Neutron Scattering (SANS), Dynamic and Static Light Scattering (DLS, SLS) and Cryo Transmission Electron Microscopy (cryo-TEM). Furthermore, all the transitions were found to be reversible. Finally, the synthesized bishydrophilic block copolymers were used for batch emulsion polymerizations of styrene, methyl methacrylate and n-butyl acrylate. In all cases, latexes with remarkable long-term stabilities were obtained, which is a very interesting feature from the colloidal point of view. The stabilization efficiency was found to be essentially adjustable by the pH due to the loss of the PDEAAm segment inside the latex particle. A detailed analysis of the particle size and particle size distribution was carried out using a variety of methods, including DLS, TEM and Asymmetric Flow Field-Flow Fractionation (AF-FFF).
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In-situ measurements of the Liquid-Phase Sintering of Zinc Oxide
(2009)
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Mohammad Lutful Arefin
- Polycrystalline ceramic semiconductor devices based on ZnO and several additive oxides show highly non-ohmic current-voltage behavior similar to the Zener diodes. The devices act as an insulator up to a certain electrical field called the breakdown field (EBR) but change into a highly conducting one just above it. Below and above the breakdown field they behave perfectly ohmic. This overall non- linear current-voltage characteristic together with the ability to withstand repeated high power pulses has made metal oxide varistors popular as "surge-arrestors" in electrical circuitry. ZnO doped with Bi2O3 and Sb2O3 (ZBS), is the basic system for ceramic varistors. Phase formation during sintering of ZBS was measured in situ, using 1 mm thick samples and synchrotron X-rays. Thermodynamic calculations were performed to explain phase formation, composition, stability of additive oxides and influence of the oxygen fugacity on sintering. Sb2O4, pyrochlore, trirutile and spinel were formed at temperatures of 500°C to 800°C. The oxidation of antimony was controlled by the oxygen partial pressure and affected both, phase formation and sintering kinetics, in the ZBS system. There are three well defined phases in the final microstructure e.g. the ZnO-grains, Pyrochlore and Spinel phases. The evolution of these phases with temperature and time are important facts to the understanding of the basic functionality of the ZnO varistor system. Liquid phase sintering kinetics in the system ZnO-Bi2O3-Sb2O3 was studied using closed crucibles and an optical dilatometer. The kinetic field technique was modified to compare densification rates with liquid phase sintering models. Grain growths data were derived directly from the kinetic field diagram and compared to microstructure analysis of quenched samples. A reasonable agreement was obtained between both techniques - demonstrating that the modified kinetic field technique is an efficient tool for process optimization.
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Synthese und Charakterisierung von mono- und 1,1´-di-substituierten Ferrocenen sowie [3]- und [4]Ferrocenophanen und ihre 57Fe-NMR-spektroskopische Untersuchung
(2004)
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Anahid Ayazi
- Ferrocen ist eine außergewöhnlich stabile Organometallverbindung, in der zwei Cyclopentadienyl-Anionen hapto-5 an ein Fe(II)-Zentrum koordiniert sind. Die zahlreichen Reaktionsmöglichkeiten des Ferrocens machen es zu einer vielseitigen Modellverbindung anhand derer auch die Aus-wirkungen verschiedener Substituenten auf die elektronische Struktur besonders gut untersucht werden können. In der Literatur sind bereits zahlreiche Ferrocene mit gleichartigen Substituenten bekannt. 1,1´-disubstituierte Ferrocene mit unterschiedlichen Heterosubstituenten, sowie [3]- und [4]Ferrocenophane mit zwei oder mehr unterschiedlichen Substituenten in der Brücke fanden jedoch bisher nur geringes Interesse, da ihre Synthese komplexer ist, obwohl sie sich gut für NMR-spektroskopische Vergleiche mit analogen gleichartigen 1,1´-disub-stituierten Ferro-cenen eignen. Bisher war es nicht gelungen [3]Ferrocenophane mit drei verschiedenen Hetero-elementen darzustellen. Die hohe Bedeutung der Ferrocenchemie, z.B. in der Materialwissenschaft, bedingt den systematischen Einsatz physikalischer Messmethoden, um mehr Informationen über die Eigenschaften der Ferrocene zu erhalten. Neben Röntgenstrukturanalyse und Routine-NMR-Spektroskopie eignet sich dafür besonders die 57Fe-NMR-Spektroskopie, da die Daten bekannter Verbindungen zeigen, dass die magnetische Abschirmung der 57Fe-Kerne sehr empfindlich auf kleine Veränderungen der elektronischen Struktur reagiert. Die synthetisierten Verbindungen wurden durch Multikern-NMR-Spektroskopie, insbesondere 57Fe-NMR-Spektroskopie, sowie mit Hilfe von EI- und FD-Massenspektro-metrie charakterisiert. In einigen Fällen konnte die Struktur der erhaltenen Komplexe durch Röntgenstrukturanalyse bestimmt werden. I. Monosilyl- und 1,1´-disilyl-substituierte Ferrocen-derivate mit sperrigen Substituenten am Siliciumatom Monosilyl-substituierte Ferrocene und 1,1´-Bis[chloro(dimethyl)silyl]ferrocen lassen sich ausgehend von Monolithioferrocen bzw. Dilithioferrocen durch eine Reaktion mit Chlorosilanen darstellen. Durch den Austausch der Chlor-Substituenten dieser Verbindungen gegen eine oder zwei 9-Fluorenyl- oder 1-Indenyl-Gruppen kann man monosubstituierte Ferrocen-derivate sowie 1,1´-Bis[indenyl(dimethyl)silyl]ferrocen bzw. 1,1´-Bis[fluorenyl(dimethyl)-silyl]ferrocen synthetisieren. II. 1-Sila-[1]ferrocenophane Eine Reihe von 1-Sila-[1]ferrocenophanen wurde als Edukte für die Darstellung von 1,1´-disubstituierten Ferrocenen mit unterschiedlichen Heteroatomen in 1,1´-Position eingesetzt und NMR-spektroskopisch erstmalig genauer untersucht. III. Ringöffnungen der 1-Sila-[1]ferrocenophane Bei der Umsetzung der 1-Sila-[1]ferrocenophane mit Borhalogeniden, SnCl4 und 9-BBN konnten die 1-silyl-1´-boryl - und 1-stannyl-1´-silyl-substituierten Ferrocene erhalten werden. IV. Intramolekularer Ringschluss bei 1,1´-disubstituierten Ferrocenen Mit Hilfe der unter III beschriebenen Produkte konnten erstmals [3]Ferrocenophane mit drei ver-schiedenen Heteroelementen in der Brücke dargestellt werden. Als Ausgangsverbindung für die Darstellung der [3]Ferrocenophane dienten die Aminoborylferrocene, da aufgrund des Stabilisierungseffekts der Amino-Gruppe ein selektiver Ringschluss begünstigt wird. Die Reaktionen mit Lithiumchalkogeniden bzw. mit primären Aminen führten zu einem intramolekularen Ringschluss und zur Bildung der [3]Ferrocenophane mit drei unterschiedlichen Heteroatomen in der Brücke. Auswirkungen auf NMR-spektroskopische Daten durch die Vergrößerung der Brücke auf vier Atome wurden untersucht, insbesondere 57Fe-NMR-spektroskopisch anhand des 1-Sila-4-bora-[4]ferrocenophans. Die Darstellung dieses [4]Ferrocenophans erfolgte durch die Reaktion von fcLi2(TMEDA) mit (E)-2-[Chloro(dimethyl)silyl]-3-[chloro(ethyl)boryl]-2-penten. V. 57Fe-NMR-Spektroskopie Um weitere Informationen über die elektronische Struktur von Ferrocenderivaten zu erhalten, wurde die 57Fe-NMR-Spektroskopie eingesetzt. Da bei früheren 57Fe-NMR-Untersuchungen von Ferrocenderivaten der Einfluss von Heteroelement-Substituenten nicht bestimmt worden war, wurden in der vorliegenden Arbeit die 57Fe-NMR-Spektren von bekannten silyl-, germyl-, stannyl- und boryl-substituierten Ferrocenen sowie von bekannten und neuen 1,1´-disubstituierten Ferrocenen mit gleichen oder unterschiedlichen Heteroatomen in 1,1´-Position und auch von [m]Ferrocenophanen gemessen.
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3-Funktionalisierung von Tetron- und Tetramsäuren - Beiträge zur Totalsynthese von Bakkenolid-A und Macrocidin A
(2010)
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Bertram Barnickel
- Ziel des ersten Projekts dieser Arbeit war die Totalsynthese von Bakkenolid A. Der Schlüsselschritt hierfür war die Entwicklung einer regioselektiven Methode zur 3-Funktionalisierung von Tetronaten mittels Pentadienyl-Verbindungen. Bis zur Realisierung der Reaktion waren detaillierte Untersuchungen bezüglich deren Reaktionsmechanismus und der damit einhergehenden Regioisomere nötig. Durch die Synthese diverser Pentadien-Buildingblocks konnte letztlich der optimale Reaktionspartner für eine regioselektive Tsuji-Trost-Reaktion gefunden werden. Eine vollständige Synthese von Bakkenolid A scheiterte jedoch aufgrund unüberwindbarer, sterischer Hinderung bei der anschließenden Diels-Alder Reaktion. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Totalsynthese von Macrocidin A angestrebt. Ein zentraler Teil der Retrosynthese-Strategie beruhte auf der erfolgreichen 3-Acylierung von Tetramsäuren gemäß Yoshii et al. Da die Ausbeuten dieser Methode aufgrund des bis heute ungeklärten Mechanismuses sehr schwer vorherzusagen sind, wurden deren Möglichkeiten detailliert untersucht. Hierbei zeigte sich eine starke Abhängigkeit von der Kettenlänge und v.a. dem Verzweigungsgrad in α-Position der verwendeten Carbonsäure. Die so erhaltenen 3-Acyl-Tetramsäuren wurden in ihre partiell bzw. global entschützten Derivate überführt und somit eine Substanzbibliothek aufgebaut. Diese wurde bezüglich ihrer cytotoxischen bzw. antibakteriellen Wirksamkeit untersucht. Hierbei konnten einige Verbindungen mit IC50-Werten im einstelligen µM-Bereich identifiziert werden. Die Erstellung einer eindeutigen Struktur-Wirkungs-Beziehung gelang allerdings nicht. Der entscheidende nächste Schritt in Richtung Totalsynthese von Macrocidin A war der Ringschluss zum 17-gliedrigen Makrocyclus. Ursprünglich nur als Entschützung der Phenol-Funktion geplant, gelang durch Palladium-Katalyse der direkte Ringschluss eines Nor-Macrocidin A Precursors. Hierbei handelt es sich um eine bis dato unbekannte, mit einer Williamson-Ether-Synthese vergleichbaren Methode zur Synthese von Makrocyclen.
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Mechanismen molekularer Erkennung: Charakterisierung der molekularen Details der Wechselwirkungen des herpesviralen Tip-Proteins mit SH3-Domänen
(2005)
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Finn Bauer
- Die Wechselwirkungen des Tip-Proteins aus Herpesvirus saimiri mit der T-Zell-spezifischen Kinase Lck sind entscheidend für die Aktivierung der Kinaseaktivität und nehmen somit eine zentrale Rolle bei der T-Zell-Transformation ein. Bis heute war es weder durch Röntgenkristallografie, noch durch NMR-Spektroskopie möglich, eine hochaufgelöste Struktur des LckSH3-Tip-Komplexes zu erhalten. Eine Möglichkeit dieses Probleme zu lösen, ist die Verwendung von stärker bindenden Interaktionspartnern, die sich oft besser für strukturelle Studien eignen. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit sowohl der Komplex von Tip mit LynSH3 charakterisiert, als auch eine Punktmutante (P17G) der LckSH3 entworfen, die eine höhere Affinität zu Tip aufweist. Die Strukturinformationen, die aus der Charakterisierung dieser Systeme erhalten werden konnten, sollten als Basis für eine zuverlässige Modellierung des LckSH3-Tip-Komplexes dienen. Analysen ergaben, dass die im Vergleich zur LckSH3 erhöhten Ligandenaffinitäten von LynSH3 und LckSH3_P17G auf unterschiedlichen Mechanismen basiert. Die im Vergleich zur wildtyp LckSH3 um nahezu eine Zehnerpotenz stärkere Bindung von LckSH3_P17G konnte durch schnellen Mischmethoden zumindest teilweise auf eine schnellere Komplexbildung zurückgeführt werden. Eine detaillierte Erklärung dieses Unterschieds auf struktureller Ebene konnte durch Moleküldynamiksimulationen des Wildtyps und der Mutante der LckSH3 erhalten werden. So korreliert die schnellere Komplexbildung der Mutante gut mit einer stärkeren Population der 'bindungsaktiven' Konformation während des Simulationszeitraums. Dabei zeichnet sich LckSH3_P17G nicht nur durch eine erhöhte konformationelle Abtastrate der 'bindungsaktiven' Konformation aufgrund gesteigerter RT-Schleifenflexibilität aus, sondern zeigt eine Zunahme der Gesamtflexibilität der SH3-Domäne im ps-s-Bereich auf. Weiterhin konnten durch die Analyse der thermischen Entfaltung mittels CD-Spektroskopie und MD-Simulationen eine globale Destabilisierung und ein veränderter Entfaltungsweg für die P17G-Mutante der LckSH3 gezeigt werden. Der LynSH3-Tip-Komplex konnte in hoher Auflösung mittels NMR-Spektroskopie bestimmt werden. Analysen der Komplexstruktur ergaben, dass nicht nur die Prolinhelix, sondern auch zusätzliche COOH-terminal flankierende Reste des Liganden an der Bindung beteiligt sind. Eine besondere Rolle nimmt dabei L186 ein. Es bindet in eine hydrophobe Tasche aus H41, W44 und F57 auf der Oberfläche der LynSH3. Ausgehend von der LynSH3-Tip-Komplexstruktur konnte unter der Einbeziehung NMR-spektroskopischer Daten der LckSH3-Tip-Wechselwirkungen ein molekulares Modell des LckSH3-Tip-Komplexes erstellt werden. Obwohl die Bindung von L186 in die hydrophobe Tasche auf der Oberfläche für beide SH3-Domänen experimentell nachgewiesen werden konnte, zeigten Fluoreszenztitrationsexperimente mit einem verkürzten Tip-Peptid, dass L186 aus Tip nur im Komplex mit LynSH3 einen signifikanten Einfluss auf die Affinität hat. Weitere Untersuchungen ergaben, dass L186 bei Bindung in die hydrophobe Tasche der LynSH3 nahezu vollständig von H41 bedeckt wird. Das Serin an strukturell ähnlicher Position in LckSH3 bedeckt hingegen nur einen kleinen Teil von L186. Die zusätzlichen Wechselwirkungen senken die Geschwindigkeitskonstante der Dissoziation des Komplexes, was in guter Übereinstimmung mit dem unterschiedlichen Austauschverhalten auf der NMR-Zeitskala steht. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit neben der Aufklärung der molekularen Grundlagen der Wechselwirkungen der LckSH3 mit dem herpesviralen Tip-Protein gezeigt werden, dass Affinität auch bei sehr nahe verwandten Proteinen auf unterschiedliche Weise erzielt werden kann. Weiterhin unterstreichen die Ergebnisse dieser Arbeit die Notwendigkeit der gleichzeitigen Charakterisierung der Struktur und Dynamik makromolekularer Interaktionen. Erst dieses kann zu einem detaillierteren Verständnis der Mechanismen molekularer Erkennung und darauf aufbauend zukünftig zu verlässlicheren Vorhersagen von molekularen Interaktionen führen.
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Synthese und Charakterisierung von Donor-Brücke-Akzeptor-Molekülen und photoschaltbaren Systemen für Energie- und Elektronentransferuntersuchungen
(2009)
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Peter Bauer
- Neue DBA-Moleküle hergestellt und charakterisiert. N,N,N,N-Tetraphenylbenzidin-Chromophore (TPD = Donor D) und (1-Heptyloctyl)perylen-3,4:9,10-tetracarboxybisimid-Chromophore (PBI = Akzeptor A) wurden über Alkylketten unterschiedlicher Länge (C6H12, C12H24, C18C36) zu maßgeschneiderten Donor-Brücke-Akzeptor-Dyaden (DBA) verbrückt. Zum Vergleich wurde auch eine Dyade mit einer polaren 3,6,9-trioxaundecanyl-Brücke synthetisiert. Im Zuge der Untersuchung der photophysikalischen Eigenschaften zeigten die DBA-Systeme bei selektiver Donoranregung eine Donor-Fluoreszenzlöschung bei gleichzeitiger Akzeptoremission. Durch die Verbrückung von D und A in DBA wurde ein hocheffizienter intramolekularer strahlungsloser Energietransfer bis über 90% zwischen Donor und Akzeptor ermöglicht. Die Effizienz der Energieübertragung ist von der Brückenlänge abhängig, aber nicht von deren Polarität. Akzeptor-Fluoreszenzlöschung nach selektiver Anregung von A deutet auf Ladungstransfer von D nach A. Um Bausteine für photochrome Systeme zu erhalten wurden funktionalisierte 1,2-Bis(5´-phenyl-2´-methylthien-3´-yl)perfluorocyclopenten-Derivate (BTF) synthetisiert und deren optische und photochemische Eigenschaften sorgfältig untersucht. Ein neues Photoschalter-Chromophorsystem (PBI-BTF-PBI) wurde durch gezielte Verknüpfung von zwei PBI-Chromophoren einem BTF-Photoschalter hergestellt. Optische und elektrochemische Eigenschaften können durch selektive Anregung der Photoschalterbrücke mit Licht reversibel geschalten werden. Bei geschlossenem Photoschalter findet eine PBI-Fluoreszenzlöschung von 81% statt. Förster-Energietransfer vom angeregten PBI-Fluorophor auf den geschlossenen Photoschalter ist als nichtstrahlender Desaktivierungskanal anzunehmen. Cyclovoltammetriestudien zeigten, dass sich das HOMO-Niveau der BTF-Brücke lichtinduziert reversibel verändern lässt. Außerdem wurden neue photoschaltbare Polythienylvinylene (P3HTV) wurden erstmals synthetisiert. Die Systeme enthalten entweder eine alternierende Anordnung von 3-Hexylthienylen-Vinylen- und BTF-Grundbausteinen (Poly(3HTV-alt-BTF)) oder P3HTV-Segmente auf beiden Seiten eines BTF-Photoschalters (P3HTV-BTF-P3HTV). Auch ein symmetrisch aufgebautes System mit zwei Poly-3-hexylthiophen-Ketten (P3HT) mit jeweils 7 Wiederholungseinheiten an einem BTF-Photoschalter wurde erstmals synthetisiert (P3HT-BTF-P3HT). Um Energietransferprozesse zu studieren, wurden die optischen Eigenschaften der photoschaltbaren Polymere durch UV/Vis- und Fluoreszenzspektroskopie untersucht. Redoxpotentiale und HOMO-LUMO-Niveaus wurden durch CV-Messungen bestimmt. Um optische Eigenschaften reversibel verändern zu können, wurden erste Photoschalt-Experimente in Lösung und im Film durchgeführt. In P3HT-BTF-P3HT konnte nach einer photochemischen Ringschlussreaktion der BTF-Einheit die P3HT-Fluoreszenz reversibel um 70% gelöscht werden.
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Neue Alkin-1-ylsilane und -germane, Sila- und Germacyclopentadiene – Charakterisierung mittels Multikern-NMR-Spektroskopie
(2005)
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Stefan Bayer
- 1-Metalla-2,4-cyclopentadiene (Metallole) wie z. B. Silole und Germole sind seit 1959 bekannt. Ihre Darstellung war allerdings nur durch vielstufige Synthesen zu realisieren und auf C(2–5)-Aryl-substituierte Derivate begrenzt. Es gibt bisher kaum Methoden, die in hoher Ausbeute zu verschiedenartig substituierten Silolen und Germolen führen. Die 1,1-Organoborierung von Di- und Poly(alkin-1-yl)metall-Verbindungen bietet hier eine vielseitig einsetzbare Alternative, nachdem bereits Stannole und Plumbole auf diesem Weg hergestellt wurden. Die Bezeichnung 1,1-Organoborierung erklärt sich damit, dass sowohl R2B als auch R am selben Kohlenstoff (alpha) enden. Für diesen Reaktionstyp wurden zahlreiche Alkin-1-ylsilane und -germane darge-stellt und anhand der Multikern-NMR-Spektroskopie untersucht. Besonders gut lässt sich der Verlauf der Substitution durch 29Si-NMR-Spektroskopie detektieren, selbst in verdünnten Lösungen und komplexen Mischungen. Bei der Darstellung wurden normalerweise Produktmischungen erhalten und destillativ aufgearbeitet. „Gleich-substituierte“ Dialkin-1-yl-Verbindungen mit zwei oder mehr gleichen Resten konnten so erhalten werden. „Gemischt-substituierte“ Alkin-1-yl-Verbindungen mit zwei oder mehr verschiedenen Alkin-1-ylfragmenten konnten durch sukzessive Alkinylierung von Silicium-Chloro-Verbindungen dargestellt werden. Monoalkin-1-yl-Verbindungen bilden borylierten E-Alkene. Setzt man Dialkin-1-ylsilane ein, so kann das E-Alken mit der verbleibenden Alkin-1-yl-Funktion eine weitere 1,1-Organoborierungsreaktion eingehen. Der intramolekulare Charakter des zweiten Reaktionsschrittes, verbunden mit den extremen Reaktionsbedingungen, führt in einer schnellen und selektiven 1,1-Vinylborierung unter irreversiblem Ringschluss zu den Silolen. Analog hierzu reagieren Alkin-1-ylgermane mit BEt3 im Allgemeinen bereits bei niedrigeren Temperaturen zu Germolen, die mit anderen Verbindungen verunreinigt sind. Da viele Derivate der Silicium- und Germaniumchemie über Halogen- und Wasserstoff-Intermediate synthetisiert werden, strebt man Silole und Germole an, die eine oder beide dieser funktionellen Gruppen am Metall tragen. Die Organoborierung toleriert während der Reaktion H- und Cl-Substituenten direkt am Silicium. Durch Überwachung der Reaktion mittels 1H-, 11B-, 13C- und 29Si-NMR-Spektroskopie konnten die Reaktionsbedingungen für inter- und intramolekulare 1,1-Organoborie-rung erfasst und Zwischenstufen vor der Bildung der Silole detektiert werden. Unter gleichen Reaktionsbedingungen konnten Dichloro- und Dihydrido-Silolderivate dargestellt werden. In allen Fällen waren die Endprodukte Silole, die als luft- und feuchtigkeitsempfindliche, ölige Flüssigkeiten isoliert wurden. Die Verfügbarkeit von „ungleichmäßig-substituierten“ Alkin-1-ylsilanen ermöglichte die Darstellung „ungleichmäßig-substituierter“ Silole. Erstmals war es möglich, diese besonderen Substitutionsmuster in Position 1–5 zu erhalten. Besonders die funktionellen Gruppen am Silicium- und Germanium-Atom versprechen weitere Umsetzungen. Enthält das Edukt mehr als zwei Alkin-1-yl-Gruppierungen, so muss die 1,1-Organo-borierung nicht mit der Ausbildung des ersten Ringsystems enden. Unter diesen schroffen Reaktionsbedingungen reagieren verbleibende Alkin-1-yl-Funktionen mit BEt3 unter zusätzlicher Organoborierung. Dies führt zu verschiedenen Isomeren (E / Z) mit und ohne Silicium-Wasserstoff-Bor-Brückenbindung. Verglichen mit dem anderen Isomer zeigt das Brücken-H-Atom stark unterschiedliche Si-H-Kopplungskonstanten, Si-H-Valenzschwingungen (IR) und 1H-NMR-Werte. Die 1,1-Organoborierung von Tetraalkin-1-yl-silanen und -germanen mit BEt3 ergab durch zwei nacheinander erfolgende Ringschlüsse 1,1’-Spiro-di-silole oder entsprechende -germole. Unter den gewählten Reaktionsbedingungen gelingt die Umsetzung von erhaltenen tBu-Derivaten auch bei sehr langen Reaktionszeiten nur teilweise. Die Chloro-Funktion ist eine attraktive Abgangsgruppe bei Substitutions-Reaktionen. Auf diese Weise konnten verschiedene Organyl-Reste direkt am Siliciumatom eingeführt werden. Eine große Anzahl an [4+2]-Cycloadditionen von C-phenylierten Silolen mit Dieno-philen, die zur Bildung von 7-Sila-norbornenen oder 7-Sila-norbornadienen führen, wurden bereits beschrieben. Mit DMADC oder TCE und wurden schnell und unter relativ milden Reaktionsbedingungen analoge Diels-Alder-Produkte dargestellt. Mit H und Cl am Siliciumatom können [4+2]-Cycloadditionen zu zwei verschiedenen Isomeren führen. Die Diels-Alder-Reaktion dieser Silole mit DMADC und TCE führte entweder selektiv zum anti-Isomer, oder man erhielt, nicht vorhersehbar, Gemische aus beiden Isomeren. NOE-Messungen bestätigten diese Konfiguration, und die Struktur wird durch DFT-Berechnungen unterstützt. Die neu erhaltenen anti-Isomere zeigten sich bei Berechnungen um ca. 16 kJ/mol thermodynamisch stabiler. Errechnete 29Si-Verschiebungen ergaben zu experimentellen Daten analoge Trends.
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MAS NMR of Nuclei with Spin S=1/2 in Polycrystalline Powders: Experiments and Numerical Simulations
(2004)
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Matthias Bechmann
- The objective of this work is the examination of one-dimensional magic angle spinning (MAS) nuclear magnetic resonance (NMR) spectra. These spectra serve as a source of spin-system parameters which are related to structural and conformational parameters. It is to show that all spin-system parameters can be derived in a robust and reliable manner. Further on it is investigated how experimental conditions can be optimised in order to determine parameters in a stepwise fashion and get best accuracy for the derived data. This work is dealing with dipolar coupled spin S = 1/2 systems in polycrystalline powdered samples. MAS is used in order to increase spectral resolution and achieve gain in signal-to-noise ratio. However, MAS also causes a substantial down scaling of the information content about the anisotropic interactions of a spin system. A technique to remedy this drawback, while keeping the advantages of MAS, is the use of pulse sequences that reintroduce ("recouple") anisotropic dipolar coupling interactions. To access the spin-system parameters encoded in the lineshapes of MAS NMR spectra an iterative fitting approach is applied. These procedures make numerically exact simulations mandatory and involve accurate calculations of the complete spin-system dynamics. As a consequence all spin-system parameters sensitively encoded in the spectral lineshapes can principally be extracted. Computation of numerically exact simulations can be quite demanding on hardware (CPU speed). The algorithmic implementation of the spin dynamics has significant impact on the time required to simulate a spectrum. Optimisation and clever design of such algorithms is crucial especially when considering the need for repeated simulations in the process of iterative fitting. Usually spin-system size and the complexity of the pulse sequence are the principal factors determining the computation time of a spectrum. The numerical strategy adopted here is applied to one- to four-spin systems where the limiting factor is less the size of the spin system but rather the spin-system characteristics themselves. Spin systems composed of one to four spins have been chosen such that a representative range of spin-system parameters is covered. A combination R² and DQF proved to build robust and reliable experiments making all spin-system parameters accessible to an iterative fitting approach in a usually stepwise manner. The numerical simulations used in this approach additionally can serve for optimising existing pulse sequences. This usually results in better experimental spectra due to a better prediction of optimum experimental setup parameters. Such pre-experiment simulations are especially useful when large CSA interactions are present in dipolar coupled spin systems, a scenario not amenable to a complete theoretical description. Numerically exact simulations can also be regarded as an additional way of designing new pulse sequences. However, there is a certain lack of insight in the physical mechanisms of a pulse sequence when obtained by numerical methods only. For the future it would be useful to improve further the techniques of NMR that give complete and accurate information about local structure. This includes dipolar recoupling experiments of improved selectivity like R²-DQF. But when aiming for the ability to handle larger dipolar coupled spin systems it would also be advantageous to exploit pulse sequences that completely suppress the influence of CSA interactions while maintaining/recoupling the information about dipolar interactions. Further it is important to vary the information content of the spectra, a task for which e.g. OMAS experiments could be used.
