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"Smart" Hydrogels based on Trishydrophilic Triblock Terpolymers
(2010)
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Stefan Reinicke
- The work presented in this thesis focuses on the synthesis of double stimuli-responsive, trishydrophilic triblock terpolymers and their utilization for the construction of “smart” hydrogel systems, responding to a variety of external stimuli. The central focus was put on ABC triblock terpolymers composed of a pH-sensitive A block, a water soluble B block and a thermo-sensitive or multi-responsive C block. This concept was used for the construction of hydrogels responding independently to pH, temperature, and UV light. It was further applied to the formation of polymer/nanoparticle hybrid micelles suitable for the formation of magneto-responsive hydrogels (ferrogels). At first, a new route for the synthesis of block copolymers, containing ethylene oxide and glycidol derivatives, was developed. The crucial aspect of this procedure, based on sequential anionic polymerization, was the utilization of the phosphazene base t-BuP4, enabling the anionic polymerization of epoxide monomers in the presence of lithium counterions. It was shown, that ethoxyethyl glycidyl ether polymerizes easily under the established polymerization conditions without unwanted termination. Hence, we were able to synthesize well-defined block copolymers containing vinyl and epoxide monomers in a one-pot reaction, without performing additional intermediate steps. This new synthetic route was then utilized to synthesize a series of poly(2-vinylpyridine)-block-poly(ethylene oxide)-block-poly(glycidyl methyl ether-co-ethyl glycidyl ether) (P2VP-b-PEO-b-P(GME-co-EGE)) triblock terpolymers suitable for pH and temperature dependent hydrogel formation. The reversible gelation for this particular system relies on two distinct mechanisms. Under conditions, where only one outer block is insoluble, core-shell-corona (CSC) micelles are formed, resulting in gelation via close cubic packing of the micelles. On the other hand, the micelles are also able to crosslink through their corona when both outer blocks are insoluble. As a direct consequence, a temperature triggered gel-sol-gel transition occurred at pH = 7, accompanied by a unique gel strengthening. Solubility and gelation studies were performed by DLS, rheology and SANS. The influence of polymer concentrations and block lengths on the gelation behavior and gel properties was studied. In order to derive information about the exact structure of the cubic lattice formed in the low temperature gel phase (simple cubic or body centered cubic), a 19 wt% aqueous solution of a particular P2VP-b-PEO-b-P(GME-co-EGE) triblock terpolymer at pH = 7 was further investigated using SANS under steady shear. By application of shear stress, the irregularly arranged polydomains of the sample oriented macroscopically along a preferred direction, which led to highly defined, strongly anisotropic 2D scattering patterns. The interpretation of these patterns confirmed the presence of a body centered cubic packing. The gel-sol transition upon temperature increase can be explained by a shrinkage of the shell of the CSC micelles. To increase the versatility of the established hydrogel concept, we further synthesized ABC triblock terpolymers with different responsive polymers as C blocks. This required an alternative synthetic route, combining anionic polymerization and ATRP via “click” chemistry. After optimization of each synthetic step, exemplary poly(2-vinylpyridine)-block-poly(ethylene oxide)-block-poly(oligo(ethylene glycol) methacrylate) (P2VP-b-PEO-b-POEGMA) and poly(2-vinylpyridine)-block-poly(ethylene oxide)-block-poly(dimethyl- aminoethyl methacrylate) (P2VP-b-PEO-b-PDMAEMA) triblock terpolymers were synthesized, respectively, and characterized regarding their solubility and gelation behavior. At pH > 5, P2VP-b-PEO-b-PDMAEMA forms CSC micelles with a P2VP core, and a pH- as well as thermo-sensitive PDMAEMA corona. This particular structure represents a hydrogel, whose temperature dependent response can be easily changed from a gel-sol to a sol-gel transition by increasing the pH from 8 to 9. At pH = 7.5 on the other hand, gel formation is induced by the addition of hexacyanocobaltate(III) ions due to electrostatic interactions between the multivalent cobaltate ions and the charged DMAEMA units, causing a physical crosslinking of the CSC micelles. The gel can subsequently be disintegrated by an exposure to UV-light, based on a UV-catalyzed aquation of the trivalent hexacyanocobaltate(III) ions ions to divalent aquapentacyanocobaltate(III)-ions. In the last part, a new approach was developed to create a novel type of magnetic field-responsive hydrogels (ferrogels), in which the nanoparticles are tightly bound to the polymer matrix. The P2VP block of the previously synthesized P2VP-b-PEO-b-P(GME-co-EGE) triblock terpolymers was quaternized to a low extent and complexed with negatively charged, citrate stabilized maghemite (γ-Fe(III)-oxide) nanoparticles. Using different analytical methods it was shown that well-defined CSC hybrid micelles were obtained with cores formed by a complex of P2VP and 3-4 nanoparticles per core. Concentrated solutions of these micelles are able to form gels depending on temperature, as revealed by rheology measurements. Due to the presence of the maghemite particles, it is possible to induce gelation via remote heating using AC magnetic fields, which was demonstrated by high frequency magnetocalorimetry.
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3-Funktionalisierte Tetronsäuren und Synthese von HIV-I-Protease Inhibitoren
(2008)
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Ralf Stehle
- R-Kavain ist ein wirtschaftlich und pharmakologisch bedeutender Naturstoff. Eine stereoselektive Synthese lag zu Beginn dieser Arbeit nicht vor. Analog zur Synthese von Tetronsäuren aus alpha-Hydroxyestern und Ketenylidentriphenylphosphoran 11 sollte aus beta-Hydroxyester Kavain synthetisiert werden. Versuche mit beta-Hydroxyester zeigten, dass 11 an die Hydroxygruppe addiert, allerdings findet keine Wittig-Reaktion statt. Das Acylylid geht nur mit Benzaldehyd eine Wittig-Reaktion ein, nicht jedoch mit Estern. Stattdessen führt eine alpha beta Eliminierung zur Ausbildung eines Michaelsystems. Selbst durch schonende Reaktionsbedingungen in der Mikrowelle lässt sich dies nicht verhindern. Die Lewis-Säure YbTF3 unterdrückt die Eliminierung teilweise, trotzdem findet kein Ringschluß statt. Eine weitere pharmakologisch interessante Substanzklasse stellen die aus Tetronaten zugänglichen Endoperoxid-lactone dar. Die Variabilität der Seitenkette in 3-Position ist, synthetisch bedingt sehr beschränkt. Direkte 3-Alkenylierungen von Tetronsäuren sind laut Literatur nur mit aromatischen Aldehyden möglich. In der vorliegenden Arbeit gelang die 3-Alkenylierung von Tetronsäuren mit aliphatischen Aldehyden und Ketonen. Dabei werden Letztere zunächst zu ihren Pyrrolidiniumsalzen umgesetzt. Die Kondensation mit Tetronsäuren erfolgt basisch katalysiert, was einen flexiblen Zugang zu hochfunktionalisierten Furandionen ermöglicht. Die Photooxidation zu Endoperoxiden gelingt allerdings nur mit 3-Methylbut-2-yliden-Derivaten, deren 2-Wasserstoff am acidesten ist. Ein weiteres Ziel war die Synthese von Endoperoxiden, die an weitere antiplasmodische Wirkstoffe gebunden werden können. Dazu wird L-Äpfelsäure zum Furandion umgesetzt, welches in 5-Position eine TMSE-geschützte Carboxymethylen-Funktion besitzt. Bei der Photooxidation wird die Schutzgruppe allerdings unter Bildung des sehr stabilen Bislacton-Endoperoxids 1R9S-122 abgespalten. Bei pharmakologischen Tests am Tropeninstitut in Basel zeigte keines der Endoperoxide, auch die schon erfolgreich an der Charite getesteten, Wirkung gegen Plasmodium falciparum. Eine weitere Gruppe pharmakologisch interessanter Stoffe stellen 3-Acyl-Tetron- und -Tetramsäuren dar. Keine Acylierungsreaktion verträgt allerdings 5-unsubstituierter Derivate. In dieser Arbeit sollte untersucht werden, ob 3-Bromtetronsäuren durch Stille-Kupplung mit Acylstannanen umgesetzt werden können, um einen milden Zugang zu diesen Derivaten zu erhalten. Allerdings führten entsprechende Reaktionen nicht zum Erfolg. Ein ungeklärtes Phänomen stellte die Racemisierung von Stereozentren bei der Additions-intra-Wittig-Reaktion dar. Das Stereozentrum von S-Mandelsäureestern racemisiert bei der Synthese von 5-Phenyltetronsäure-Derivaten vollständig. Verursacht wird dies von Basenspuren in 11 oder durch 11 selbst bei höheren Temperaturen. Da die Additions-Reaktion von 11 bei Raumtemperatur stattfindet, kann das chirale Esterylid isoliert und gereinigt werden. Die Wittig-Reaktion unter Ausschluss von überschüssigem 11 führt in der Mikrowelle unter Erhalt des sehr empfindlichen Stereozentrums zum 5S-5-Phenyltetronat mit einem ee von >99%, was diese Reaktion nun auch für die Synthese chiraler Naturstoffe interessant macht. Im Hinblick auf die Synthese von HIV-I-Protease Inhibitoren sind stereochemische Aspekte der Claisenumlagerung cinnamyl-substituierter Tetronsäuren von Interesse. Dabei kann beobachtet werden, dass Substituenten in 5-Position das Enantiomerenverhältnis in 1-Position über drei Bindungen hinweg beeinflussen. Dies führt bei Tetronsäure 5S,1RS-146 zu einem 1R/S-Diastereomeren Verhältnis von 2:3. Zur Analyse der Enantiomere wurden mehrere HPLC-Methoden mit Cyclodextrin-Phasen entwickelt. Für die Synthese von HIV-I-Protease Inhibitoren war, ausgehend von alpha-Hydroxycarbonsäure-m-nitrocinnamylestern, eine Domino-Additions-intra-Wittig-Reaktion mit nachfolgender Claisen-Umlagerung geplant. Allerdings waren die Ausbeuten aller Reaktionsschritte durch die Nitrogruppe bedingt sehr niedrig. Einen Ausweg bietet die Mikrowellen gestützte Veretherung von Tetronsäuren mit m-Nitrocinnamylbromid. Die Tetronsäuren sind dabei aus alpha-Hydroxycarbonsäuren über ihre Benzylester leicht zugänglich. Die Effizienz der Claisenumlagerung lässt sich durch Einsatz eines Mikrowellenprotokolls und DMF als Lösungsmittel deutlich erhöhen. Die Cyclopropanierung der vinylischen Seitenkette ist der empfindlichste Schritt der Synthese. Sie wird durch die Nitrogruppe ebenfalls beeinträchtigt, gelingt aber durch eine modifizierte Methode nach Charette et al. Im letzten schritt wird die Nitrogruppe reduziert und sulfoniert, wobei letztere Reaktion ohne den sonst üblichen Überschuss an Base durchgeführtgeführt werden muss, da die Hydroxygruppe ansonsten zusätzlich sulfoniert wird. Erste biologische Tests der Derivate an HI-Viren zeigen moderate Aktivität, wobei vor allem Substituenten in 5-Position einen großen Einfluß zu haben scheinen.
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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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A Continuum Electrostatic Approach for Calculating The Binding Energetics of Multiple Ligands
(2007)
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Timm Essigke
- Complex biomolecules like proteins or nucleic acids can transiently bind various ligands, e.g., electrons, protons, ions or larger molecules. This property is the key to enzymatic catalysis, regulation and energy transduction in biological systems. Interactions between different ligand binding sites can lead to complex titration behaviors, which can be explained based on a microstate description of the system. Previous approaches to calculate the binding behavior of multiple ligand, only treated sites with one or no ligand bound by using a binary state vector to describe the system. Also only one or two ligand types, i.e., protons or electrons, were used for the calculation. In this thesis, I derive a more general formulation of the theory of ligand binding to biomolecules. For each site any number of charge forms and rotamer forms are allowed as well as any number of ligands and any number of ligand types can be bound. Charge and rotamer forms of sites can be parameterized by measurements on model reactions in solution or by quantum chemical calculations. An energy function is described, consistently combining experimentally determined contributions and those, which can be calculated by continuum electrostatics, molecular mechanics and quantum chemistry. Programs (i.e., QMPB and Perl Molecule) were developed to perform calculations based on the generalized ligand binding theory. The class library Perl Molecule was developed to write powerful Perl programs, which perform the necessary processing steps, e.g., for the conversion of a pdb-file into the input required for energy calculations. The generated input contains all experimentally determined or molecular mechanically and quantum chemically obtained parameters. The energy calculations are performed by the program QMPB, which uses other programs for the continuum electrostatics calculations to solve the linearized Poisson-Boltzmann equation. The computations scale linearly with the total number of sites of the system and can easily be performed in parallel. From the obtained energies, microscopic ligand binding probabilities can be calculated as function of chemical potentials of ligands in solution, e.g., by a Monte Carlo program. Additionally, microscopic and macroscopic equilibrium constants can be computed. The usefullness and correctness of the new approach based on a generalized ligand binding theory is demonstrated by a number of studies on diverse examples. Because various groups used Lysozyme as benchmark system for continuum electrostatics, it is chosen to test if previously obtained results can be reproduced with QMPB. Different quantum chemical approaches are applied to the benzoquinone system for parameterizing a site with several protonation and reduction forms. A complex site is also the CuB center in Cytochrome c oxidase, which is studied to decide if multiple protonation forms of the coordinating histidines are involved in the reaction mechanism. Factors influencing the reduction potential of the electron transfer protein ferredoxin are analyzed using the programs Perl Molecule and QMPB. Here, in particular conformational changes of a peptide bond in the vicinity of the [2Fe-2S] center are of interest. The protonation form of a neighboring glutamate turns out to influence the reduction potential strongly. Protonation and phosphorylation studies on the protein HPr lead to the development of a four-microstate model to explain conformational changes on a histidine, which can be observed by experiment, molecular dynamics simulation and electrostatic calculations. The phosphorylation and protonation state dependent conformational change can be related to the dual role of the protein in regulation and phosphate-transfer. The new microstate description does not only allow to analyze thermodynamic properties but also paved the road for the study of the kinetics of charge transfer.
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Aminopyridinato-Ligand-Stabilized Lanthanoid Complexes: Synthesis, Reactivity, Ethylene and Isoprene Polymerization
(2009)
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Christian Döring
- The aim of the present thesis was the synthesis and complete characterization of aminopyridinato-ligand-stabilized complexes of the lanthanoids. The lanthanoid complexes were synthesized by amine or alkane elimination. The thus obtained compounds were investigated in regard to their properties as precatalysts for the polymerization of ethylene or isoprene und their ability to form hydrido complexes or cations. Previous investigations carried out in our group have shown that aminopyridinate-stabilized organoyttrium cations exhibit very high activity in the polymerization of ethylene in the presence of aluminium alkyl compounds. This work showed that the thereby used precursor [Ap*Y(CH2SiMe3)2(thf)] can selectively react with phenylsilane or hydrogen to a novel trinuclear lanthanoid alkyl hydrido cluster. The corresponding lutetium derivative reacts analogous to the yttrium compound. The lanthanoid alkyl hydrido clusters were characterized by X-ray structure analyses, and the presence of the hydrid ligands were clearly proved by 1H NMR spectroscopy. Dialkyl complexes, stabilized by aminopyridinato ligands, react with anilinium borate to yield organolanthanoid cations after alkane elimination. They were isolated and characterized as thf adducts. The dibenzyl complexes of scandium and erbium were characterized by single crystal structure analyses. The dialkyl complexes of scandium are selective and active catalysts for the 3,4-selective polymerization of isoprene after activation with borates. We could even obtain isotactically enriched 3,4-polyisoprene through appropriate choice of the polymerization conditions (cocatalyst, polymerization temperature). The aminopyridinate-stabilized diamide of scandium can polymerize isoprene in the presence of anilinium borate and trialkylaluminium compounds, to obtain a polymer with a high cis-1,4-content. The dialkyl compounds of yttrium, erbium and lutetium are also suitable precatalysts for the initiation of the polymerization of isoprene. Although the 3,4-polyisoprene content decreased with an increased ionic radius of the trivalent lanthanoid, the cis-1,4-content increased. Addition of aluminium alkyl compounds leads to drastical changes of the microstructure of the obtained polymer which depends on the sterical demand of the alkyl ligand of the aluminium compound and the polymerization temperature. The synthesized aminopyridinato-ligand-stabilized bis(trimethylsilylmethyl) complexes are also suitable precatalysts (with exception of the ytterbium compound) for the polymerization of ethylene in the presence of ammonium borates and aluminium alkyl compounds. In contrast to the scandium derivative, the erbium, lutetium and yttrium compounds show characteristics of a CCTP catalyst. The activity is significantly dependent on the size of the lanthanoid ion, the highest activity was observed for the organoerbium cation. Because of the extreme air and moisture sensitivity as well as the thermal instability of the used trialkyl lanthanoid complexes, we searched for an alternative starting material. Hence, the triamide complexes of the composition [Ln{N(SiHMe2)2}3(thf)x] (x = 1, 2) proved to be suitable starting materials due to their facile synthesis and thermal stability. The reaction of these triamides with the bulky aminopyridines, used in this work, lead to the monosubstituted aminopyridinate-complexes after amine elimination. These are not suitable starting materials for the generation of catalysts for the coordinative chain transfer polymerization. NMR investigations of the reactivity with triethylaluminium and diisobutylaluminium revealed a fast and irreversible transfer of the aminopyridinato-ligand from the lanthanoid metal to the aluminium atom. This ligand transfer precludes the use of these amide complexes as suitable precursors for the CCTP, because of their deactivation during the alkylation step.
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Amphiphilic Diblock Copolymers: Study of Interpolyelectrolyte Complexation in Organic Media and Nanoencapsulation of Melatonin
(2011)
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Evis Karina Penott-Chang
- Two oppositely charged homopolyelectrolytes poly(2-(methacryloyloxy)ethyl¬dimethyl-ethyl¬ammonium bromide) (PDMAEMAQ) and poly(acrylic acid) (PAA), and amphiphilic diblock copolymers based on polystyrene and the ionizable block poly(acrylic acid) were synthesized via Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP). All polymers were characterized using 1H NMR and gel permeation chromatography to confirm their structure, molecular weight distribution and to follow the conversion. Poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate), PDMAEMA, was quaternized with ethyl bromide to produce PDMAEMAQ with a quaternization degree of 98%. Furthermore, poly(acrylic acid) segments were obtained after hydrolysis of the poly(t-butyl acrylate) block. After characterization of all polymers, interpolyelectrolyte complexation in chloroform was carried out. A novel method was developed to transfer the insoluble polyelectrolytes into the organic solvent and subsequently form polymer/polymer interpolyelectrolyte (IPECs) in organic media. Therein, the polyelectrolyte were first reacted with oppositely charged low molecular weight surfactants (sodium dodecyl sulfate, SDS, and cetyltrimethylammonium bromide, CTAB) to form polyelectrolyte-surfactant complexes (PESCs). In organic solvents, analogously to the formation of IPECs in aqueous media, interpolyelectrolyte complexation takes place upon the direct mixing of organic solutions of two complementary PESCs. This process is accompanied by an entropically favorable release of the surfactant counterions (in the form of ion pairs or their aggregates in low polarity organic solvents), which were previously associated with the ionic groups of the polyelectrolytes in solution. These reactions are fast and lead to frozen and non-equilibrium macromolecular co-assemblies. The size and the morphologies of the IPECs in chloroform were extensively investigated using transmission electronic microscopy (TEM), scanning force microscopy (SFM), dynamic/static light scattering techniques, 1HMR and turbidimetric titrations, for two different systems: (i) homopolyelectrolyte/homopolyelectrolyte and (ii) homopolycation/negatively charged amphiphilic diblock copolymer. For the first system, the possible particle structures consist either of particles with a core formed by IPECs stabilized by fragments of the excess polymeric component or of vesicles (polymersomes). In system (ii), particles of micellar type with a core assembled from electrostatically coupled segments of the polymeric components can be found, surrounded by a corona built up either from a mixture of polystyrene blocks and excess segments of PDMAEMAQ+DS- chains or from a mixture of polystyrene blocks and excess parts of PA-CTA+ blocks, depending on which polymeric component was present in surplus during the interpolyelectrolyte complexation. Finally, nanocapsules loaded with melatonin were fabricated using a simple nanoprecipitation route employing a mixture of a diblock copolymer based on poly(methyl methacrylate) and PDMAEMA (PMMA-b-PDMAEMA) in combination with poly(ε-caprolactone), PCL. The diblock copolymers were synthesized via ATRP using PMMA-macroinitiators for the DMAEMA polymerization. Shape and size of the nanocarriers were visualized by TEM, cryogenic TEM and scanning electron microscopy (SEM). Standard TEM for nanocapsules showed an oily core surrounded by a thin layer composed of PCL/PMMA-b-PDMAEMA. Cryo-TEM also indicated the presence of spherical nanoobjects with a diffuse polymer corona. Encapsulation efficiencies were determined assaying the nanoparticles by HPLC and values of ca. 30-35% are shown by the nanocapsules. DLS measurements further confirmed well-defined unimodal particle size distributions for all formulations. It was also possible to successfully incorporate platinum nanoparticles into the nanocarrier, as evidenced by TEM, which opens up possibilities for promising applications like monitoring the circulation of the drug carrier within the body.
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Anaerobic Carbon Monoxide Dehydrogenase: Mechanism of CO-Oxidation at the [NiFe4S4OHx] Cluster and Nickel-Processing by its ATPase CooC
(2008)
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Jae-Hun Jeoung
- Anaerobic CO dehydrogenases (CODH) catalyze the reversible oxidation of CO to CO2 at a complex metal center containing Ni, Fe and S called cluster C. In this work, a heterologous expression system of CODHII from Carboxydothermus hydrogenoformans in E. coli and the crystal structures of CODHII in different states are reported. CO2 bridging the Ni-Fe1 site is observed in a reduced state with exogeneously supplied CO2-source, and is reductively activated by binding to cluster C. The ligand CO2 completes the square-planar coordination of the Ni ion and replaces the H2O/OH- ligand at the Fe1 ion in the other two states. The H2O/OH- ligand is replenished by a neighboring network of water molecules. Protons produced from the reversible CO oxidation are expelled through a semi-conserved histidine channel. The mutation of His96, one of four semi-conserved histidines to Asp diminished CO-oxidation activity to 2.7% of wild-type, indicating its essential role in catalysis. The structure of H96D CODHII reveals that the abolished activity is not originated from protein misfolding and/or absence of metal centers in the protein. Another variant of CODHII devoid of cluster C, but containing clusters B and D, was structurally characterized. This cluster C-missing CODHII shows an identical protein scaffold to the structure of active enzyme, and the residues coordinating the metals of cluster C display the same location as the active wild-type enzyme. From all metals of cluster C, only the Fe1 ion displays an alternative position, which appears to be the reason for the obseved cluster C heterogeneity. The structures presented in this work define the mechanism of CO oxidation/CO2 reduction at the Ni-Fe site of cluster C and show the channels that facilitate the transport of substrate/product during catalysis. The ATPase CooC1 from C. hydrogenoformans belongs to the MinD family of the SIMIBI class NTPases containing a deviant walker A motif. The protein has been proposed to participate in the maturation of cluster C of CODH (Jeon et al, 2001). As-isolated CooC1 shows monomeric state in solution with a molecular weight of 32 kDa. The presence of Ni(II) induces dimerization of CooC1, and the protein binds one Ni(II) per dimer with nanomolar affinity. The crystal structure of Metal-bound CooC1 clearly identified the conserved CXC motif as the metal-binding site, which is responsible for the dimerization. In solution, CooC1 also undergoes nucleotide-dependent dimerization and forms a stable dimer in the presence of ATP. The K8A CooC1 mutant, where Ala replaced the signature Lys is incapable of both ATP hydrolysis and ATP-dependent stable dimer formation. Compared to other structural homologues of the MinD family, the ATP-induced dimer structure of CooC1 shows a different conformation than the Ni-induced dimeric state. On the basis of biochemical data and structures of CooC1 in combination with a model of ATP-driven dimerization, a reaction cycle of CooC1 in Ni-processing for the maturation of cluster C is presented.
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Aufbau und Mechanische Eigenschaften von Mischkomponent Polyelektrolytfilmen
(2012)
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Katja Trenkenschuh
- In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Themengebiete behandelt. Zum einen wurde der Aufbau und die Zusammensetzung der PE-Filme aus Ein-Komponent- als auch Misch-Komponent-Multilagen und zum anderen die mechanischen und die thermischen Eigenschaften der PE-Filme untersucht.
Das Schichtwachstum der PE-Filme wurde mittels der Ellipsometrie und QCM-D Methoden verfolgt. Die Oberflächentopographie wurde mit AFM untersucht. Messungen an Ein-Komponent-Systemen (PAH/PSS, PAH/PAA sowie PAH/PGA) haben gezeigt, dass die Adsorption eines starken PE auf der Oberfläche zur Ausbildung dünner, glatter Filme mit einer niedrigen Rauigkeit führt. Schwache PE dagegen bilden bei der Adsorption auf der Oberfläche viele Schlaufen aus, wodurch Filme mit hohen Schichtdicken entstehen, deren Oberfläche relativ heterogen und rau ist. Die Untersuchungen an PE-Filmen aus binären Lösungen, die sowohl starke als auch schwache PE enthalten (PAH/PAA-PSS und PAH/PGAx-PSS1-x), zeigten, dass die Schichtdicke und die Morphologie der Filme durch Variation der PE-Zusammensetzung genau angepasst und somit präzise kontrolliert werden können. Messungen ergaben, dass (PAH/PAA-PSS)-Filme mit wachsendem PSS-Anteil in der gemischten PA-Lösung zunehmend dünner und homogener werden. Nach 100 Doppellagen kann die Schichtdicke dieser Filme ohne Verwendung des zusätzlichen Salzes zwischen 31 nm und 392 nm und die Oberflächenrauigkeit zwischen 6 nm und 42 nm variiert werden. Außerdem wurde gezeigt, dass sich das Schichtwachstum der (PAH/PGAx-PSS1-x)-Filme mit der Erhöhung des molaren Anteiles der PGA Monomere in der PA-Lösung vom linearen zum exponentiellen ändert.
Ferner wurde mit Hilfe der UV-Vis und ATR-FTIR Spektroskopie die Filmzusammensetzung der (PAH/PAA-PSS)- und (PAH/PGAx-PSS1-x)-Filme bestimmt. Aus den Messungen ging hervor, dass die Verwendung der PE-Mischungen eine genaue Anpassung der Filmzusammensetzung ermöglicht. Im Fall des PAH/PAA-PSS Systems wächst die PSS-Menge im Film stetig mit steigendem PSS-Massenanteil in der PA-Lösung, wobei unter 70 Gew.-% PSS in der PA-Lösung die adsorbierte Menge an PSS im Film jeweils höher ist als der PSS-Anteil in der Lösung. Beim (PAH/PGAx-PSS1-x)-System steigt der molare PGA-Anteil im Film nahezu linear mit steigendem molarem PGA-Anteil in der gemischten PGA/PSS-Lösung (x). Es findet sich eine starke Adsorptionspräferenz von PGA über PSS für (PAH/PGAx-PSS1-x)-Filme mit x ≤ 0,5. Bei den Filmen mit x > 0,5 ist die Zusammensetzung des Filmes nah an der Zusammensetzung der Lösung.
Die Betonung bei dieser Arbeit lag auf der Bestimmung der mechanischen Eigenschaften der gemischten (PAH/PGAx-PSS1-x)-Filme. Die elastischen Konstanten dieser Filme wurden mit zwei Methoden untersucht: SIEBIMM-Methode und Colloidal-Probe-AFM-Technik. Aus den Messungen folgte, dass mit steigendem molarem Anteil der PGA Monomere in der gemischten PA-Lösung der resultierende PE-Film weicher wurde. Der Elastizitätsmodul ist um zwei Größenordnungen kleiner für Filme mit x ≥ 0,75 als für Filme mit x ≤ 0,5, wobei der Übergang bei einem Mischungsverhältnis von ca. x = 0,7 erfolgt. Es wurde gezeigt, dass durch die Änderung des molaren Anteiles an PGA Monomere in der PA-Lösung von 0,5 auf 0,75 die mechanischen Eigenschaften der (PAH/PGAx-PSS1-x)-Filme über einen weiten Bereich von 0,7 GPa bis 6 MPa variiert werden können.
Außerdem wurde mittels Colloidal-Probe-AFM in einer Luftfeuchtigkeitszelle am (PAH/PGAx-PSS1-x)-Film mit x = 0,88 der Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die elastischen Eigenschaften untersucht. Es wurde gezeigt, dass die mechanischen Eigenschaften durch die Veränderung der relativen Luftfeuchtigkeit über einen weiten Bereich variiert werden können. Der Elastizitätsmodul kann von wenigen MPa bei der relativen Luftfeuchtigkeit von 80 % auf Hunderte von MPa bei der relativen Luftfeuchtigkeit von 12,5 % erhöht werden.
Kalorimetrische Untersuchungen an (PAH/PGAx-PSS1-x)-Komplexen liefern keine aufschlussreichen Ergebnisse. DSC Messungen haben lediglich gezeigt, dass es eine geringe Verschiebung in der Anfangstemperatur von -22,4°C auf -21,9°C mit steigendem molaren Anteil der PGA Monomere in PA-Lösung gibt. Für besseres Verständnis der thermischen Eigenschaften müssen bei diesem System noch weitere Untersuchungen, wie z. B. feuchtigkeitsabhängigen Messungen durchgeführt werden. Dadurch könnte das Quellverhalten dieser Filme näher untersucht werden.
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Ausrichtung von Blockcopolymerfilmen im Elektrischen Feld: Eine In-Situ Rasterkraftmikroskopische Untersuchung
(2007)
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Violetta Olszowka
- Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Reorientierung sowohl von dünnen als auch dicken Diblockcopolymerfilmen mit lamellarer Mikrodomänenstruktur im realen Raum untersucht. Die Experimente erfolgten unter Tempern im Lösungsmitteldampf im planaren elektrischen Feld. Es wurden zwei Wege gezeigt, wie lamellare Mikrodomänen aufgestellt und durch ein elektrisches Feld in drei Dimensionen ausgerichtet werden können. In beiden Fällen wurden periodische und hochgeordnete Streifenstrukturen erhalten. Sowohl der Reorientierungsmechanismus der Mikrodomänen als auch der Einfluss des elektrischen Feldes auf die Defektbeweglichkeiten im dünnen Film, wurden mit einem modifizierten AFM, dem so genannten quasi in-situ AFM untersucht. Der Mechanismus der Reorientierung im dicken Film wurde durch eine kombinierte Studie aus AFM, GISAXS, REM und in-situ Ellipsometrie ermittelt. Weiterhin wurden der Verlauf der elektrischen Feldlinien und die Feldstärke für die verwendete Elektrodengeometrie auf der Basis der Finiten-Elemente-Methode simuliert. Ferner wurde der Einfluss des elektrischen Feldes auf den Grad der Ausrichtung für die Polymere SHM und SV untersucht. Hierfür wurden kombinatorische Experimente mit Elektroden in Gradientengeometrie durchgeführt.
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Azobenzene-functionalized molecular glasses for holographic applications
(2010)
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Roland Walker
- Holography is an optical imaging technique, with which an authentic copy of the original object can be created, even in the absence of the object itself. This means, that in contrast to conventional photography, the information of depth is not lost. Holography is based on writing an interference grating in a photosensitive volume element. Hereby two light sources are generating an interference pattern, which causes chemical or physical changes in the photosensitive material. By illumination of the stored diffraction grating, the original information can be reconstructed. One of the most important classes of photoaddressable chromophores utilized in holography are azobenzene compounds. Owing to the rich photochemistry of these chromophores, materials incorporating azobenzenes can be used as photoswitches, allowing fast and reversible control over the chemical, physical or optical properties of the entire system. Therefore, azobenzene-containing compounds are envisioned as smart light-responsive materials for various holographic applications. This thesis describes the synthesis and characterization of azobenzene-containing molecular glasses as well as their application as functional materials in specific holographic experiments. By utilizing a modular design principle, we were able to fine-tune their physical and photo-physical properties and optimize the molecular structure in view of the formation of surface relief nanostructures as well as inscription of holographic volume gratings. Understanding the formation of surface relief nanostructures and discovering ways of controlling the process is of importance, as uniform surface relief gratings (SRGs) with adjustable spacing and amplitude are of interest. Therefore a new series of azobenzene-containing molecular glasses based on a triphenylamine core has been synthesized and photo-physically characterized. A clear relationship between the chemical structure of these molecules and SRG build-up was established: the rate of formation and the maximal achievable amplitude of SRGs strongly depend on the optical susceptibility at the wavelength of the writing laser. Furthermore, we found that different polarizations of the laser beams also have a major influence. With this knowledge we were able to efficiently form SRGs with amplitude heights of up to 600 nm by tailoring the molecular structure of the material and selecting specific experimental conditions. Furthermore, it has been demonstrated that these surface patterns are stable enough to be transferred to a polymer surface with replica molding techniques. This concept has the potential to be practically applied for holographic optical elements. Holography is a most promising solution for optical data storage, as in contrast to conventional optical storage media, the entire volume of the medium is used instead of only a few thin layers. Unfortunately, current rewritable materials still exhibit certain challenges, most important, sufficiently fast writing times. Therefore, material concepts especially for improving the recording time as well as the long-term stability of holographic volume gratings are presented. By employing azobenzene-containing molecular glasses in blends with photoaddressable polymers, we were able to merge the excellent long-term stability of the polymer systems with the higher photo-physical sensitivity of the molecular glasses, thus creating a superior holographic material which combines the advantages of both material classes. In order to find a suitable blending material, we synthesized series of photochromic azobenzene-containing molecular glasses and screened them with respect to their photo-physical properties. The best combination of structural variations was chosen for the blending experiments. Already a blend comprising as less as ten wt% of molecular glass allowed us to decrease the holographic writing time of a photoaddressable block copolymer system by a factor of three while increasing the recording sensitivity by the factor five. In addition to molecular glasses with ordinary azobenzene chromophores we also examined low molecular weight materials functionalized with bisazobenzene moieties. This enabled us to achieve higher maximum refractive index modulations. Liquid-crystalline behaviour could be introduced with the incorporation of substituents at the bisazobenzene moiety. Subsequent investigations of the photo-physical properties revealed a long-term stable photo-orientation solely based on small molecular compounds, making such materials an interesting alternative to established systems. In summary, this thesis demonstrates that azobenzene-containing molecular glasses are a worthwile focus for research, as they are an amazingly versatile and adaptable class of materials suitable for a large number of different applications.
