OPUS 4 | 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften

Komplexverbindungen des Liganden Tri(1-cyclohepta-2,4,6-trienyl)phosphan, P(C7H7)3, mit Übergangsmetallen der Gruppe 10 (Ni, Pd, Pt) (2002)

Thomas Schmalz

Halogeno- und Pseudohalogeno-Komplexe des Platins und Palladiums mit Tri(1-cyclohepta-2,4,6-trienyl)phosphan, P(C7H7)3 Die Darstellung von cis-Dichloro-metall(II)-Komplexen, [P(C7H7)2(h2-C7H7)]MCl2 (M = Pt (1a), Pd (1b)), welche als Edukte für die weitergehenden Untersuchungen dienen sollten, gelingt aus cis-Dichloro-Verbindungen, wie (L-L)MCl2 (L-L = Cyclooctadien, Norbornadien, L = R-CN). Bei der Reaktion mit P(C7H7)3 bilden sich quadratisch-planare 16e--Chelat-Komplexe, in denen das Phosphan über das Phosphoratom und die mittlere Doppelbindung eines der drei C7H7-Substituenten an das Zentralmetall koordiniert ist. Ausgehend von 1a,b lassen sich durch Substitutions-Reaktionen anstelle der Chloro- weitere Halogeno- oder Pseudohalogeno-Liganden in die Komplexe einzuführen. Bei der Charakterisierung der Verbindungen zeigte sich, daß die Koordination der Doppelbindung an das Metall im Festkörper eindeutig belegt werden kann. In Lösung verhalten sich die Komplexe bezüglich der Anbindung der mittleren C=C-Einheiten dagegen dynamisch. Offensichtlich findet ein rascher Austausch aller drei C7H7-Ringe am Metallzentrum statt. Organyl-substituierte Verbindungen des Platins und Palladiums mit P(C7H7)3 Ausgehend von 1a,b gelingt es durch die Umsetzung mit entsprechenden Grignard-Reagenzien oder lithierten Verbindungen zahlreiche organyl-substituierte Komplexe, [P(C7H7)2(h2-C7H7)]MR2 (M = Pt, Pd; R = Alkyl oder Aryl), darzustellen. Die Reaktion von 1a mit Dimethyldialkinyl-stannanen, Me2Sn(CºCR)2, führt zu den Mono-(alkinyl)-Komplexen mit dem Chelat-Liganden P(C7H7)3, welche die CºC-R-Einheit ausschließlich in der trans-Position zur koordinierten Doppelbindung tragen. Selbst bei einem Überschuß des Zinnorganyls und höheren Temperaturen ließen sich die entsprechenden Bis(alkinyl)-Verbindungen durch die Reaktion von 1a mit Me2Sn(CºCR)2 nicht erhalten. Deren Synthese gelingt allerdings durch Umsetzung der entsprechenden, z.T. ebenfalls neuen (h4-Cycloocta-1,5-dien)-Komplexe, (cod)Pt(CºC-R)2, mit P(C7H7)3. Dichalkogenolato-Verbindungen des Platins und Palladiums mit P(C7H7)3 Die Komplexe 1a,b sind auch Ausgangspunkt für die Darstellung zahlreicher Di-chalkogenolato-Verbindungen mit P(C7H7)3, wobei die zusätzlichen schwefel- und selenhaltigen Chelat-Liganden sowohl von "organischer", als auch von "anorganischer" Natur sein können. Zur Darstellung können die entsprechenden Dichalkogenole, deren Lithium- bzw. Kalium-Salze, sowie die als Liganden-Transfer-Reagenzien fungierenden Di(cyclopentadienyl)-Komplexe des Titans(IV), Cp2Ti[E2C2(CO2Me)2] (E = S, Se), verwendet werden. Kationische Komplexe von Nickel, Palladium und Platin mit dem Liganden P(C7H7)3 Neben zahlreichen Neutralverbindungen können auch kationische 16e--Komplexe dargestellt werden, welche das P(C7H7)3 als Chelat-Liganden enthalten. Als zusätzliche 3e--Donatoren können darin Acetylacetonat- oder Allyl-Liganden mit verschiedenen Substitutionsmustern verwendet werden. Der Übergang zu Cyclopentadienyl-Systemen führte zur Synthese von 18e--Halbsandwich-Komplexen, {CpM[P(C7H7)2(h2-C7H7)]}BF4 (M = Pt, Pd, Ni). Im Fall der Pd- und Ni-Verbindungen wird das Produkt aus den cod-Komplexen und P(C7H7)3 gebildet; die entsprechende Pt-Verbindung entsteht dagegen durch aufeinander folgende Umsetzung von 1a mit TlCp und AgBF4. Bei der Eliminierung eines Chlorid-Ions aus 1a,b mit Hilfe von Silbersalzen entstehen Verbindungen, {[P(h2-C7H7)3]MCl}PF6 (M = Pt, Pd), in denen das P(C7H7)3 als vierzähniger Dreifuß-Ligand fungiert. Spezielle NMR-spektroskopische Untersuchungen an Metall-Komplexen der Gruppe 10 mit P(C7H7)3 Alle in dieser Arbeit beschriebenen neuen Komplexe konnten durch Multikern-NMR-Spektroskopie (1H, 13C, 29Si, 31P, 77Se, 195Pt) charakterisiert werden. Den 31P-NMR-Messungen kam in der vorliegenden Arbeit eine besondere Rolle zu. Neben der schnellen Reaktionskontrolle bietet sie die Möglichkeit - aufgrund der Abhängigkeit der d31P-Werte von der Zähnigkeit des P(C7H7)3-Liganden in Übergangsmetall-Komplexen - Aussagen über die vorliegenden Strukturen machen zu können. Bei den Synthesen wurde auf Komplexe des Platins ein besonderes Augenmerk gerichtet, da hier mit dem NMR-aktiven Isotop 195Pt eine weitere spektroskopische Sonde zur Verfügung steht. So läßt sich aufgrund der gemessenen 1J(195Pt,31P)-Kopplungskonstanten der unterschiedliche trans-Einfluß verschiedener Liganden innerhalb der Pt-Komplexe mit P(C7H7)3 erkennen. Die chemischen Verschiebungen d195Pt verdeutlichen, daß P(C7H7)3 die Eigenschaften eines tertiären Phosphans und einer h2-koordinierten C=C-Bindung vereint. Weiterhin gelingt es durch Tieftemperatur-1H- und 13C-NMR-Messungen an geeigneten Modellverbindungen, die rückkoordinierte Struktur des P(C7H7)3 innerhalb der neuen Komplexe auch NMR-spektroskopisch eindeutig zu belegen. Bei tiefen Temperaturen ist der Austausch der koordinierten Siebenringe am Zentralmetall eingefroren, so daß zwischen dem gebundenen und den freien C7H7-Substituenten unterschieden werden kann.

Untersuchungen zur stimulierten GTPase von EF-Tu aus Thermus thermophilus (2002)

Peter Milovnik

In dieser Arbeit konnten die Unterschiede im Mechanismus der GTP-Hydrolyse und der Hydrolyse von GTP-Analoga identifiziert werden: i) Ein gamma-Phosphoamid Derivat des GTP (MAAP-GTP) wird dabei gar nicht, ein anderes Derivat (DABP-GTP), das zusätzlich eine vicinal zum gamma-Phosphat stehende Aminogruppe trägt, 780-fach schneller als GTP durch EF-Tu hydrolysiert. ii) Die geschwindigkeitsbestimmenden Schritte der DABP-GTPase und der GTPase unterscheiden sich. Bei der GTPase ist der nuklophile Angriff, bei der DABP-GTPase ein Protontransfer, vermutlich die Protonierung des gamma-Phosphates, der langsamste Schritt der Reaktion. iii) Bei der DABP-GTPase spielt, im Gegensatz zur GTPase, keine der getesteten Aminosäuren aus dem aktiven Zentrum des EF-Tu eine wichtige Rolle bei der Hydrolyse. iv) DABP-GTPase verläuft durch eine intramolekulare Aminolyse und nicht durch einen nukleophilen Angriff eines Wassermoleküls. Diese aktive Beteiligung des DABP-GTP an seiner Spaltung stellt eine neue Art der Substrat-assistierten Katalyse dar. v) Die Analoga induzieren die GTP-gebundene Form des EF-Tu und ermöglichen die Bindung der aa-tRNA. Das bedeutet, dass eine hydrophobe Modifikation am gamma-Phosphat des GTP zu keiner bedeutenden strukturellen Änderung der Regionen des EF-Tu, die wichtig für die Interaktion mit seinen Effektoren sind, führt. Weiter wurden Cystein-Mutanten von EF-Tu, C82A/L404C und C82A/P357C, hergestellt und mit einem Coumarin-Derivat modifiziert. Eine tRNAPhe aus E. coli wurde an der acp3U47-Base mit einem Fluoreszein-Derivat modifiziert und gereinigt. Bei den, auf FRET-basierenden, Fluoreszenztitrationsexperimenten konnten die Affinitäten der fluoreszierenden EF-Tu Varianten zur Phe-tRNAPhe-X47F wegen einem starken Fluoreszenzhintergrund und dementsprechend schwachen Signal nur ungenau bestimmt werden. Das FRET-Assay konnte wegen dem kleinen Signal und seiner nicht eindeutigen Interpretation bei der Interaktion des fluoreszenzmarkierten ternären Komplexes mit dem Ribosom nicht zur kinetischen Untersuchungen der stimulierten GTPase von EF-Tu eingesetzt werden. Obwohl das FRET-Signal klein war, konnte die durch den Nukleotidaustausch bedingte Dissoziation des ternären Komplex kinetisch verfolgt werden. Es wurden zusätzlich Experimente zur Argininfinger Hypothese durchgeführt. Um die Funktion des konservierten Arginins 80 im ribosomalen Protein L12 aus T. thermophilus zu untersuchen wurde eine L12-R80A Mutante gereinigt. Das Wildtyp L12 wurde in den Ribosomen durch die R80A Mutante ersetzt. Die Fähigkeit dieser Ribosomen die intrinsische GTPase von EF-Tu zu stimulieren wurde mittels Hydrolyse von [gamma-32P]GTP geprüft. Für die Untersuchungen der Aktivierung der stimulierten GTPase wurde ein auf mant-dGTP Fluoreszenz basiertes Assay im T. thermophilus System etabliert. Die gegenüber den Wildtyp Ribosomen kleinen Unterschiede in der Rate der GTP-Hydrolyse und GTPase-Aktivierung deuten eher auf eine Rolle des L12-Arg80 bei der Bindung des ternären Komplexes an das Ribosom als bei der Katalyse der GTPase hin. Ähnlich wurde auch die Funktion der Arginine 57 und 59 aus der Effektorregion des EF-Tu untersucht. Hier wurden ebenfalls für einen Argininfinger relativ zum Wildtyp EF-Tu zu kleine Differenzen in der GTP-Hydrolyse und GTPase-Aktivierung beobachtet.

Synthese von Oligosacchariden der Zellmembran mit neuartigem Verzweigungsmuster und von lipidhaltigen Signalstoffen pflanzlicher Symbionten (2002)

Ingo Prahl

Zucker spielen eine entscheidende Rolle in vielen Bereichen des Lebens. Zur Untersuchung ihrer mannigfaltigen biologischen Eigenschaften sind definierte Verbindungen notwendig. Diese Arbeit sollte durch chemo-enzymatische Synthese des von P. Stanley isolierten Lec14-N-Glycans 58, das eine ß-1,2-Verknüpfung von N-Acetyl-glucos-amin mit dem ß-Mannosid des Core-Trisaccharids aufweist, den Strukturvorschlag verifizieren und Neoglycoproteine mit dieser Oligosaccharidstruktur für biologische Studien bereitstellen. Zum Aufbau des dazu notwendigen Core-Trisaccharids 39 konnte die Synthese des p-Methoxyphenylbausteins 16 wie auch die reduktive Acetalöffnung von Verbindung 17 deutlich verbessert werden. Die im Rahmen der Core-Trisaccharidsynthese mit den Donoren 24 und 26 durchgeführten Versuche zur direkten ß-selektiven Mannosylierung mit Cyclohexanol als Akzeptor verliefen ß-selektiv und mit sehr hohen Ausbeuten. Mit Chitobiosylazid 30 als Akzeptor wurden Trisaccharide erhalten, allerdings mit geringen Ausbeuten und schlecht abtrennbaren Verunreinigungen. Das Core-Trisaccharid 39 wurde daher durch Inversion aus der Glucoverbindung 38 hergestellt. An Pentasaccharid 41 erfolgte die GlcNAc-ß-1,2-Anbindung an die Mannose des Core-Trisaccharids unter Verwendung des Donors 42. Verschiedene Testreihen führten zum Auffinden eines schmalen Temperaturfensters und zu optimierten Reaktionsbedingungen für die Darstellung des Hexasaccharids 44. Durch Glycosylierung mit dem Disaccharid 40, Donor 51 und anschließender Entschützung wurde das Lec14-Nonasaccharid 54 erhalten. Dieses wurde nach der Kupplung mit Z-Aminohexansäure 55 durch Hydrieren in Verbindung 57 überführt. Verbindung 57 stützte durch Vergleich mit den NMR-Daten von Verbindung 58 den Strukturvorschlag von P. Stanley und stellte das Substrat für enzymatische Synthesen dar. Bei der enzymatischen Galactosylierung wurde jeweils nur ein Äquivalent UDP-Galactose eingesetzt. Dadurch konnten nacheinander die einfach, zweifach und dreifach galactosylierten Verbindungen 61, 62 und 63 erhalten werden. Durch NMR-spektroskopische Untersuchungen wurde eine Selektivität der Galactosyltransferase für den a-1,3-Arm, dann den a-1,6-Arm und schließlich den ß-1,2-Arm gefunden. Auch die Sialylierung aller drei Arme konnte massenspektroskopisch mit Verbindung 64 belegt werden. Da bei Verbindung 57 die Galactosylierung und die anschließende Sialylierung unerwarteterweise an sämtlichen Verzweigungen möglich ist, liegt die Vermutung nahe, dass dieses Strukturmotiv auch bei N-Glycanen der betreffenden CHO-Zellen gefunden werden kann. Durch Anbindung der dreifach galactosylierten Verbindung 63 an Rinderserumalbumin (BSA) steht erstmals mit Neoglycoprotein 66 ein Lec14-Oligosaccharid für biologische Untersuchungen bereit. Im Pflanzenreich sind für eine erfolgreiche Symbiose zwischen Leguminosen und Rhizobien die von den Bakterien sekretierten NOD-Faktoren essentiell. Da Dazzo und Hollingsworth N-Palmitoylglucosamin als Minimalstruktur für NOD-Faktoren ansehen, wurden N-Palmitoylglucosamin 70 und andere Mono-saccharid-derivate für biologische Untersuchungen bereitgestellt. Bei Untersuchungen an Medicago sativa (Luzerne) wurde in Zusammenarbeit mit Herrn K. Niehaus in Bielefeld jedoch nur eine geringe Aktivität der getesteten Verbindungen gefunden, so dass diese nicht als Minimalstrukturen angesehen werden sollten. Der Einfluss der Mono-saccharid-derivate auf die Keimfähigkeit und das Wachstum von Weizen und Mais wurde von Dr. G. Kretzschmar in Frankfurt untersucht. Die z.T. sehr guten Ergebnisse müssen aber aufgrund der hohen Schwankungen bei den biologischen Untersuchungen durch weitere Messreihen abgesichert werden. Für weitere Untersuchungen wurde eine Synthese von natürlichen NOD-Faktoren und Analoga etabliert. Dabei wurde auf die funktionalisierten Monosaccharidbausteine 76 und 78 zurückgegriffen, die in großen Mengen einfach zugänglich sind. Die Aminogruppe des Tetrasaccharids 84 ist für die Kupplung mit Acylresten funktionalisiert. Nach der Kupplung von Acylresten an Verbindung 84 und den anschließenden Entschützungsschritten wurden jedoch Nebenprodukte gefunden, und die Reinigung gestaltete sich aufgrund der sehr geringen Löslichkeit der Verbindungen 94 und 95 sehr schwierig. Ausgehend von Verbindung 84 wurde die freie Aminoverbindung 99 hergestellt. Nach der Kupplung der Acylreste über N-Hydroxysuccinimidester wurden die Zielverbindungen 94 und 95 erhalten. Der Baustein 83 eignete sich für die einfache Darstellung von Analoga. Die Azidofunktion ermöglichte nach der Reduktion zu einem Amin die Anknüpfung von Carbonsäuren am reduzierenden Ende. Die folgende Hydrierung lieferte die Analoga 105 bzw. 106. Die vorgestellte Methode bietet einen leichten Zugang zu NOD-Faktoren und Analoga, deren Einsatz in biologischen Studien weitere Einblicke auf dem Gebiet der NOD-Faktoren und der beteiligten Signalwege bringen soll.

Self-Assembly of Block Copolymers in External Fields (2002)

Alexander Böker

The influence of external fields on the microdomain structure of block copolymers has been studied. Both surface fields and electric fields have been considered. External electric fields are used to create macroscopically oriented bulk samples. In order to circumvent limitations associated with the application of external fields to melts of high molecular weight block copolymers and multiblock copolymers of complex architecture, a new solvent-based procedure is introduced, i.e. the block copolymer microdomains are aligned by application of an electric field (E ~ 1 - 2 kV/mm) during solvent casting of bulk samples. In order to elucidate the dominating parameters and governing mechanisms, the microdomain orientation kinetics of concentrated block copolymer solutions exposed to a DC electric field is investigated by time-resolved synchrotron small-angle X-ray scattering (SAXS) at the ID02 beamline at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, France. As a first model system, a lamellar polystyrene-b-polyisoprene block copolymer dissolved in toluene is used. The orientation kinetics follows a single exponential behavior with characteristic time constants varying from a few seconds to some minutes depending on polymer concentration, temperature, electric field strength, and system size. Furthermore, two mechanisms governing the electric field alignment of a lamellar block copolymer from concentrated solutions are identified. It is shown that depending on the segregation power (c µ fP, c µ 1/T) a single mechanism dominates the orientation process, i.e. in a weakly segregated system (low concentration or high temperature) the migration of boundaries prevails, whereas a stronger phase separated system (high concentration or low temperature) predominantly exhibits rotation of grains. In addition, the orientation kinetics slows down with increasing polymer concentration, which can be correlated to the respective solution viscosity and the mechanism of orientation. Moreover, the influence of the electric field strength on the orientation kinetics is determined, including a threshold value below which no electric field induced orientation could be achieved on the time scale of the experiment. The time constants of the fastest processes were in the range of 0.5 sec, reaching a final orientation described by order parameters of up to P2 = -0.35. Finally, the variation of temperature yields control of the governing mechanisms at a fixed polymer concentration. In additional studies, the dielectric contrast of the block copolymer components was varied systematically (PS-b-PI, PS-b-PMMA, PS-b-PtBMA, PS-b-PHEMA-b-PMMA, PS-b-P2VP). It is found that a high dielectric contrast leads to faster alignment kinetics (e.g. the time constants of the fastest processes for a PS-b-P2VP diblock system in THF are in the range of 0.3 sec) and reduces the threshold field strength (around 200 V/mm for PS-b-P2VP). Furthermore, it could be shown that the interplay between degree of phase-separation, solution viscosity and dielectric contrast is crucial to decide if a given polymer/solvent system can be used for electric field-induced microdomain alignment. For example, it was found that PS-b-PtBMA shows electric field-induced orientation of the microdomains while PS-b-PMMA does not. This can be explained by the larger interaction parameter cST compared to cSM leading to a phase-separated solution at lower viscosities. In a similar way, the introduction of a high dielectric constant middle block (PHEMA) into a PS-b-PMMA, which additionally enhances phase separation, is shown to be the key to creating a well-performing methacrylate-based block copolymer system for electric field induced alignment from solution. Finally, we could show that the even more complex lamellar and core-shell cylindrical PS-b-P2VP-b-PtBMA high molecular weight triblock copolymer systems could be oriented by virtue of an electric field from solution. In summary, it was demonstrated that electric field alignment of block copolymer domains from solution is a powerful tool to generate highly anisotropic bulk block copolymer samples. The large variety of parameters which we can control allows us to further improve the preparation of macroscopically aligned melt samples via solvent casting in the presence of an electric field.

Di(imino)pyridin-Vanadium(III)komplexe als Katalysatoren für die homogene und heterogene Ethylenoligomerisation und -polymerisation (2002)

Stefan Gottfried

Es wurden neue Di(imino)pyridin-Vanadium(III)-Komplexe und deren Struktur-Wirkungs-Beziehung für den Einsatz als Katalysatorvorstufen in der homogenen und heterogenen Umsetzung mit Ethen untersucht. Weiterhin wurden durch Alkylsubstituenten derivatisierte Vertreter dieses Komplextyps mit entsprechenden Metallocenkomplexen hinsichtlich der veränderten Polymerisationseigenschaften verglichen. Zum Abschluss wurde mit der Untersuchung der Katalysatormischungen eine mögliche Anwendung für die synthetisierten Verbindungen aufgezeigt. Alle synthetisierten Komplexe wurden auf ihre katalytische Anwendung in der homogenen und zum Teil in der heterogenen Ethenpolymerisation getestet. Die Di(imino)pyridin-Liganden wurden durch Kondensationsreaktion aus Diacetyl-pyridin und einem entsprechend substituierten Anilin synthetisiert. Die Komplexe wurden aus den synthetisierten Liganden und dem THF-Addukt des Vanadiumtrichlorids. Es konnte gezeigt werden, dass unterschiedliche Substituenten am Anilinring direkten Einfluss auf die katalytische Aktivität und die gebildeten Produkte bei der Umsetzung mit Ethen haben. Man beobachtet, je nach Substitution, sowohl die Bildung von Polymer, als auch die Bildung von niedermolekularen Oligomeren. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Größe und Natur des Substituenten Einfluss auf die Polymerisationsaktivität haben. Es wurde versucht mit physikalischen (Druck, Temperatur) und chemischen (Zusätze) Methoden die Selektivität der Katalysatoren zu erhöhen. Die durch die vorgestellten Katalysatorsysteme erhaltenen Oligomermischungen ent-halten vorwiegend (>97 %) 1-Olefine welche nach der Trennung als Comonomere für die Herstellung von LLDPE eingesetzt werden können. Im zweiten Teil dieser Arbeit sollte das Verhalten von Vanadiumkomplexen unter-sucht werden, die am Zentrallmetall substituiert sind. Diese Komplexe sollten mit analog substituierten Metallocenkomplexen verglichen werden. Der Vergleich der Aktivitäten der Vanadiumkomplexe zeigt, dass eine Umsetzung dieser Komplexe mit Benzylmagnesiumchlorid und Ethylmagnesiumchlorid immer zu einem Aktivitäts-verlust führt. Ein Vergleich der Oligomer-produkte dieser Reihe zeigt, dass keine großen Unterschiede innerhalb der Oligo-merverteilung vorliegen. Die anderen Vanadiumkomplexe weisen ebenfalls einen steigenden Aktivitätsverlust bei zunehmender Alkylierung auf. Umgekehrt verhält es sich bei den Metallocenkomplexen mit Alkylliganden. Eine zu-nehmende Alkylierung mit Benzylmagnesiumchlorid, Allylmagnesiumchlorid und Ethylmagnesiumchlorid führt zu einem Anwachsen der Aktivitäten. Der Kristallinitätsgrad wies fast alle Polymere der Vanadiumkomplexe als HDPE aus, wobei die Werte teilweise in den Grenzbereich von HDPE verschoben waren. Die untersuchten Polymere der Metallocenkomplexe sind durch den deutlich niedrigeren Kristallinitätsgrad als LDPE gekennzeichnet. Im dritten Teil sollte die Einsatzmöglichkeit eines Vanadium-Oligomerisierungs-katalysators in Kombination mit einem Metallocenkatalysators getestet werden. Es wurden verschiedenen Mischungsverhältnisse hergestellt und zur Polymerisation von Ethen verwendet. Die Untersuchungen der erhaltenen Polymere erwiesen sich dabei als sehr vielversprechend. Es konnte gezeigt werden, dass sich Kenngrössen wie Schmelzpunkt und Schmelzenthalpie im Vergleich zum Polyethylen, das mit reinem Metallocenkatalysator hergestellt wurde, merklich geändert haben. Des weiteren konnten durch Untersuchungen der Materialeigenschaften des Polymers sowie rheologische Untersuchungen Veränderungen im Verhalten der Polymere beobachtet werden. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass eine "in-situ" Co-polymerisation stattgefunden hat. Es konnte somit eine interessante Anwendungs-möglichkeit für die vorgestellten Vanadiumkatalysatoren gezeigt werden. Die große Vielfalt der Kombinationsmöglichkeiten legt gerade auf diesem Gebiet weitergehende Untersuchungen nahe.

Polarmodifikation von Butadienkautschuk mit Polyethylenglykol (2002)

Mabel Graf

Die Darstellung von polarmodifizierten Polybutadienen durch Reaktion von lebenden Polybutadienylanionen mit endfunktionalisierten Polyethylenglykolen (PEG) wurde untersucht. Hierzu wurden zwei unterschiedlichen Typen endfunktionalisierter Polyethylenglykole synthetisiert. Bei der Copolymersynthese waren Reaktionssystem und Reaktionsstrategie durch die gewünschte Anwendung bestimmt. Um in Kautschukmischungen für Reifen zur Verbesserung der Kautschuk-Füllstoff-Wechselwirkung eingesetzt werden zu können, sollten die Polybutadiene einen hohen Anteil an 1,4-Vernüpfungen haben. Die Modifikation mit den funktionalisierten PEG sollte mittels einfacher und kostengünstiger Reaktionen erfolgen. Zunächst wurde die Reaktion von PEG mit substituierbarer Endgruppe mit Polybutadienyl-lithium betrachtet. Dazu wurden PEG mit Chlor-, Iod- und Sulfonsäureester-Endgruppen eingesetzt. Letztere Endgruppen waren unter den gegebenen Bedingungen nicht für eine Polarmodifikation des PB geeignet. Mit den halogenfunktionalisierten Polyethylenglykolen wurden Kopplungsgrade von bis zu 50 % d. Th. erreicht. Auftretende Nebenprodukte konnten mittels Flüssigchromatographie unter kritischen Bedingungen (LACCC) und deren Kopplung mit der Größenausschlusschromatographie (GPC) analysiert und so der Reaktions-ablauf aufgeklärt werden. Die Einfachheit der Reaktion begründet ein industrielles Interesse, aufgrund des Reaktionsmechanismus ist jedoch eine vollständige Reaktion mit lebenden Polybutadienylanionen nicht möglich. Als Alternative wurde eine Kopplungsreaktion von Polybutadienyllithium mit PEG mit nicht homopolymerisierbarer Doppelbindung betrachtet. Hierfür wurden PEG mit 1,1-Diphenyl-ethylen- (DPE) und Benzophenon-Endgruppe hergestellt. Bei der Reaktion mit dem DPE-funktionalisierten Polyether wurden zahlreiche Nebenprodukte gefunden. Die Modifikation mit benzophenonfunktionalisierten PEG führte zu Produkten mit einem Polyetheranteil von bis zu 67 % d. Theorie. Auch bei dieser Reaktion wurden Nebenprodukte beobachtet, deren Bildung mittels LACCC/GPC aufgeklärt werden konnte. Durch Veränderung einiger Parameter kann dieser Reaktionstyp kontrollierbarer gemacht werden und kann so eine interessante Methode zur Darstellung von Blockcopolymeren oder verzweigten Polymeren aus Dienen und Polyethylenglykolen darstellen. Im Rahmen einer Industriekooperation wurden unter Verwendung chlorfunktionalisierter PEG mehrere modifizierte Polybutadiene in Mengen von je 500 g hergestellt. Diese wurden vom Kooperationspartner in reifentypischen Kautschukmischungen umgesetzt. Die mechanischen Eigenschaften dieser Mischungen und der daraus erhaltenen Vulkanisate wurden mit typischen Methoden bestimmt. Ein ausgeprägter Einfluss des eingebrachten PEG-Anteils auf die Eigenschaften der Vulkanisate konnte aufgrund der geringen Menge Polyethylenglykol bezogen auf die Gesamtmischung nicht festgestellt werden.

DNA-Bindung des Transkriptionsfaktors ABF1 aus S. cerevisiae: Spezifität und Kontaktpunkte (2002)

Rasa Beinoraviciute-Kellner

Das ABF1-Protein aus S. cerevisiae ist als ein multifunktioneller, dsDNA-bindender Transkriptionsfaktor bekannt, der nicht nur Transkriptionsprozesse in der Zelle reguliert, sondern auch an der DNA-Replikation und einer Nukleosomen-Rekonfiguration bzw. Änderung der Chromatinstruktur beteiligt ist. Da das Protein in verschiedenen Zusammenhängen immer wieder gefunden wurde, kann man davon ausgehen, dass es in den Zellprozessen eine essentielle Rolle spielt. Aus diesem Grund war es von besonderem Interesse, den zentralen Punkt der ABF1-Funktion – nämlich die Erkennung und Bindung des zugehörigen DNA-Elements – zu untersuchen und zu charakterisieren. In der vorliegenden Arbeit wurden in vitro Experimente zur Klärung dieser Fragen verwendet, wobei ein besonderes Augenmerk auf der Identifizierung der Kontaktpunkte lag. Die Experimente stützen sich auf die Literaturdaten über das spezifische DNA-Erkennungsmotiv 5’-CGTNNNNRRYGAY (konservierte Nukleotide sind unterstrichen) sowie über die strukturellen Domänen von ABF1 (Zink-Finger-Motiv, Helix-Turn-Helix-Motiv (HTH) und C-terminale Transaktivierungsdomäne). Mittels Gelretardationsexperimenten mit verschiedenen DNA-Sonden wurde gezeigt, dass ABF1 einen richtungsorientierten DNA-Bindungsmechanismus aufweist und eine Neigung zur Oligomerisierung besitzt. Die DNA-Bindungsaffinität ist stark von der Sondenlänge abhängig – die Verkürzung des DNA-Fragments von 27 auf 20 bp verringert die Bindung um eine Größenordung – , die Zusammensetzung des variablen Bereichs des Konsensusmotivs hingegen beeinflusst die Bindung nur geringfügig. Offenbar finden nur wenige ABF1-DNA-Kontakte im variablen Bereich statt, wie durch fehlgepaarte ARS1-Fragmenten nachgewiesen werden konnte. Um das ABF1-Erkennungsmotiv einzuschränken bzw. besser zu beschreiben, wurde ein in vitro DNA-Selektionsverfahren (SELEX) eingesetzt. Mit diesem Ansatz wurden zwei dsDNA-Aptamere identifiziert, die am häufigsten im selektierten DNA-Pool vorkommen und eine bis zu 20fach höhere DNA-Bindungsaffinität im Vergleich zu einem ARS1-Fragment aufweisen. Von den selektierten ABF1-Erkennungsmotive konnten die meisten im S. cerevisiae Genom wiedergefunden werden. Die Sequenzanalyse der selektierten Aptamere führte zur Erweiterung des Konsensusmotivs (5’-TACCGTATNNNATGATGT) im Vergleich zur bisher formulierten ABF1-Erkennungssequenz 5’-CGTNNNNRRYGAY. Mittels Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie wurde die ABF1-DNA-Bindungsreaktion in Bezug auf Thermodynamik und Kinetik genauer charakterisiert. Anhand der im analysierten Temperatur- (10-35°C) und Salzkonzentrationsbereich (100-300 mM NaCl) gemessenen Geschwindigkeits- und Gleichgewichtskonstanten konnten auf die Bildung von 6-7 ionischen Kontakten bei der spezifischen ABF1-ARS1-Wechselwirkung geschlossen werden. Dabei ist die Dissoziationsgeschwindigkeit sehr stark von der Ionenstärke abhängig. Die Assoziationsgeschwindigkeitskonstante kA dagegen ist nur wenig von den externen Bedingungen abhängig, zeigt aber – im Gegensatz zu kD – eine deutliche Sequenzspezifität. Aus der Temperaturabhängigkeit der thermodynamischen Parametern lässt sich schließen, dass die ABF1-DNA-Bindung bei physiologischen Temperaturen eine enthalpiekontrollierte Reaktion darstellt. In der ABF1-Struktur sind das Zink-Finger- sowie das HTH-Motiv als potenzielle DNA-Bindungsdomänen bekannt. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war die Charakterisierung der DNA-Bindedomäne sowie die Identifizierung von den DNA-kontaktierenden Aminosäuren. Dafür wurde ein 27 bp langes, I5dU-substituiertes ARS1-Fragment mit ABF1 durch UV-Bestrahlung quervernetzt. Ein limitierter Trypsin-Verdau des Quervernetzungsprodukts sowie die Ergebnisse einer chemischen Spaltung mit NTCB und Hydroxylamin legten nahe, dass nur das Zink-Finger-Motiv eine Quervernetzung mit dem untersuchten ARS1-Fragment eingeht. Die vollständige Spaltung des Quervernetzungsproduktes mit Trypsin und PDE I/II lieferte ein Peptid-Nukleotid-Addukt, das mittels MALDI-MS charakterisiert wurde. Es gelang, das Peptid NSHR aus der Zink-Finger-Region zu identifizieren, das höchstwahrscheinlich über His57 einen spezifischen DNA-Kontakt mit dem IdU-Rest an Position 8 im ARS1-Oligonukleotid bildet. Damit ist die Beteiligung des Zn-Fingers des ABF1-Proteins an der DNA-Bindung eindeutig nachgewiesen.

Development of Thermoplastic Elastomers with Improved Elastic Properties Based on Semicrystalline Block Copolymers (2002)

Holger Schmalz

In this work the synthesis and characterization of two novel types of thermoplastic elastomers (TPEs), exhibiting improved elastic properties compared to commercially available systems, is described. The first type comprises multiblock copoly(ether ester)s with semicrystalline hard segments and triblock copolymer soft segments. The second class of TPEs are systems based on ABA and ABC triblock copolymers with two glassy and one or two semicrystalline end blocks, respectively. The used strategy for increasing the elasticity of conventional copoly(ether ester)s based on poly(butylene terephthalate) (PBT) hard segments and polyether soft segments is the replacement of the continuous PBT hard phase in these systems by a disperse PBT hard phase. The incorporation of nonpolar segments is possible by using poly(ethylene oxide)-block-poly(ethylene-stat-butylene)-block-poly(ethylene oxide) (PEO-b-PEB-b-PEO) triblock copolymers, where the polar PEO blocks act as compatibilizer between the nonpolar PEB segments and the polar PBT segments during the melt polycondensation. The incorporated nonpolar PEB segments induce an enhanced microphase separation in the melt, which in turn results in the formation of a disperse PBT hard phase. Mechanical testing reveals a significantly improved elastic recovery compared to that of conventional copoly(ether ester)s exhibiting a continuous PBT hard phase. Morphological investigations reveal that this novel copoly(ether ester)s consist of a semicrystalline PBT hard phase and an amorphous soft segment phase, which is divided into a pure PEB phase, a PEO-rich phase besides a mixed PBT/PEO phase, and a pure amorphous PBT phase. The second part of this thesis deals with ABC triblock copolymers with one or two semicrystalline end blocks. Two main aspects were addressed: i) the interplay between morphology and crystallization, and ii) the comparison of ABA and ABC triblock copolymers with glassy (A), elastomeric (B) and crystalline (C) blocks. Several polyethylene-block-poly(ethylene-alt-propylene)-block-poly(ethylene oxide) (PE-b-PEP-b-PEO) triblock copolymers have been synthesized by sequential anionic polymerization of butadiene, isoprene, and ethylene oxide (PB-b-PI-b-PEO) followed by homogeneous catalytic hydrogenation. Anionic polymerization in a one-pot procedure was accomplished by using the phosphazene base t-BuP4, which enables the polymerization of ethylene oxide (EO) in the presence of Li+ counterions. Kinetic investigations on the EO polymerization reveal an unexpected induction period. It is concluded, that different factors contribute to the induction period, like break up of lithium alkoxide aggregates by t-BuP4, and chain length effects. Characterization of the PB-b-PI-b-PEO and PE-b-PEP-b-PEO triblock copolymers utilizing differential scanning calorimetry and special self-nucleation (SN) techniques reveals a strong influence of the confinement active during crystallization on the crystallization and SN behavior of the semicrystalline PEO and PE blocks. For low PEO contents large supercoolings are necessary to induce crystallization of PEO. Furthermore, the SN behavior of the PEO blocks is different compared to that of semicrystalline homopolymers, i. e. domain II (SN domain) is absent. This is a direct result of the confined crystallization of PEO within small isolated microdomains. In contrast, for the PE blocks a heterogeneous nucleation mechanism and the presence of all three SN domains, usually present in crystallizable homopolymers, is observed. In this case, PE crystallizes without any confinement from a homogeneous mixture of PE and PEP segments, which can be ascribed to their small segmental interaction parameter. In TPEs based on ABA triblock copolymers with two glassy end blocks, e. g. polystyrene-block-poly(ethylene-alt-propylene)-block-polystyrene (PS-b-PEP-b-PS), the middle block chains can either loop back into the same PS domain or form bridges between two different PS domains. However, only the bridges contribute to the elastic properties, which limits the elastic recovery of theses systems. The influence of a semicrystalline end block on the elastic properties has been investigated by comparison of PS-b-PEP-b-PE and the corresponding PS-b-PEP-b-PS triblock copolymers. For small elongations (< 300%) the PE containing triblock copolymers exhibit a significantly improved elastic recovery. This can be attributed to the increased bridge fraction induced by the immiscibility of the two different end blocks. In contrast, for high elongations (> 300%) the situation is reversed and the PS-b-PEP-b-PS triblock copolymers reveal better elastic properties. Obviously, glassy PS domains show a higher resistance against distortion compared to that of semicrystalline PE domains, especially at high strains.

Untersuchungen zum Orientierungsverhalten von Zwei- und Dreiblockcopolymeren in oszillierenden Scherfelder (2002)

Stefan Stangler

Diese Arbeit beschäftigte sich mit dem Orientierungsverhalten von AB und ABC Blockcopolymeren unter Scherung. In Kapitel 1 wurden die Strukturbildung durch Mikrophasenseparation in Blockcopolymeren und deren makroskopische Orientierungs-verhalten erläutert. In Kapitel 2 wurde gezeigt, wie die in dieser Arbeit verwendeten Polymere durch lebende anionische Polymerisation synthetisiert und durch NMR, GPC und Membranosmometrie charakterisiert werden konnten. Kapitel 3 beschrieb Messmethoden zur Analyse der Struktur und der resultierenden Orientierung. Die Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen zum Orientierungsverhalten von Blockcopolymeren zeigte Kapitel 4. Zwei weitere Messmethoden, FT-Rheologie und Rheooptik, wurden in Kapitel 5 vorgestellt. Mit diesen Methoden konnte auch in situ der Verlauf der Orientierung betrachtet werden. In Kapitel 6 wurden die Ergebnisse von fünf Blockcopolymersystemen vorgestellt und diskutiert. - S50I5020: Am lamellaren SI wurde gezeigt, dass das in dieser Arbeit verwendete SI-System gut geeignet ist, die Befunde anderer Gruppen zu bestätigen. Ebenfalls konnte so die Beherrschung der LAOS-Methode dokumentiert und der neue Messaufbau überprüft werden. Die Charakterisierung der resultierenden Orientierung mit 2D-SAXS und TEM wurde an einem Beispiel erläutert. Die Ergebnisse der Doppelbrechungsmessungen entsprechen größtenteils den in der Literatur zu findenden Daten. Abweichungen waren mit Hilfe geringfügiger Unterschiede in den Probenzusammensetzungen leicht zu erklären. - I45S45V1022: Lamellare ISV-Dreiblockcopolymere orientierten analog zu den Zweiblockcopolymeren bei kleinen Frequenzen und Scheramplituden senkrecht, während hohe Frequenzen und Scheramplituden zu paralleler Orientierung führten. Kinetikmessungen waren mit Doppelbrechung nicht reproduzierbar möglich, da durch die nicht löschbare Vororientierung jede Messung eine unterschiedliche Orientierungskinetik aufwies. Nur die resultierende Endorientierung konnte mit Hilfe von 2D-SAXS und Transmissionselektronenmikroskopie bestimmt werden. - S50I5020+DOP: Im Kapitel 6.3 wurde erläutert, dass verdünnte Systeme betrachtet wurden, um die TODT herabzusetzen. Die dynamisch-mechanischen Kenndaten wurden mit den Optikdaten der Doppelbrechung verglichen und diskutiert. LAOS-Experimente bei unterschiedlichen Scherfrequenzen und -amplituden wurden beschrieben, auf ihre Amplitudenabhängigkeit hin untersucht und mit den Literaturwerten verglichen. Das IS+DOP System wies in der Tendenz die gleiche Frequenz- und Amplitudenabhängigkeit des Orientierungsverlauf auf wie unverdünnte Zweiblockcopolymere. Kleine Frequenzen bzw. Amplituden führten zu senkrechter Orientierung („Regime 1“); höhere Frequenzen bzw. Amplituden führten zu paralleler Orientierung über eine zuvor ausgebildete senkrechte Orientierung („Regime 2“), und noch höhere Frequenzen bzw. Amplituden führten zu paralleler Orientierung über eine zuvor ausgebildete transversale Orientierung („Regime 3“). - I45S45V1022+DOP: Das ISV+DOP-System zeigte bei 80 °C eine OOT und war damit gut geeignet, die durch Probenpräparation erzeugte Vororientierung zu löschen. Bei Temperaturen von 60 und 70 °C liessen sich LAOS-Experimente durchführen, deren Optikdaten einen scheinbaren Verlauf der Orientierung nach „Regime 1 bis 3“ nahelegten. Erst die anschließende 2D-SAXS-Analyse zeigte, dass in Wahrheit mehrere Orientierungsspezies vorlagen. Unter allen hier gezeigten LAOS-Bedingungen war stets die parallele Orientierung die dominierende. Da hier keine uniaxiale Orientierung vorlag, konnte auch die Scheramplitudenabhängigkeit der Orientierungsgeschwindigkeit nicht mit der von Zweiblockcopolymeren in DOP verglichen werden. Auffällig war, dass der Orientierungsmechanismus über einen größeren Temperatur-, Frequenz- und Scheramplitudenbereich (verglichen mit dem verdünnten SI-System) gleich blieb. - S40I40M2025: Das Orientierungsverhalten der hier gezeigten nichtlamellaren Morphologie wich erheblich von dem der lamellaren Strukturen ab. Das Auftreten einer langen Induktionsphase und die Unabhängigkeit der resultierenden Endorientierung von Schertemperatur, Frequenz und Amplitude konnte gezeigt werden. Die Induktionsphase konnte durch das Wachstum der Domänen und durch ein Verbessern der Mikrophasenseparation und der damit eventuell verbundenen Morphologieänderung beschrieben werden. Die Charakterisierung der resultierenden Morphologie erfolgte mittels 2D-SAXS. Die Endorientierung bestand immer aus senkrecht orientierten Lamellen, die durch das Einlagern der PMMA-Zylinder in die niederviskose PI-Phase verbunden blieben. Da durch das „Verankern“ mit PMMA die Polystyrol-Phase nicht mehr über die PI-Schicht gleiten konnte, wurde die parallele Orientierung der Lamellen nicht mehr ausgebildet. Somit konnte gezeigt werden, dass Doppelbrechungsmessungen kombiniert mit 2D-SAXS und TEM gut geeignet sind, das Orientierungsverhalten von Blockcopolymersystemen zu charakterisieren. FT-Rheologie dagegen erwies sich als wenig hilfreich.

Entwicklung und Optimierung einer allgemeinen Strategie zur Synthese von multiantennären N-Glycanen des „bisecting“-Typs (2002)

Harald Weiß

Eine interessante und gleichzeitig schwierig zu synthetisierende Klasse von Oligosacchariden sind die N-Glycane des bisecting-Typs. Bisecting-Verbindungen sind an der beta-Mannose des Core-Trisaccharids neben der 3- und 6-Position auch an der 4-Position glycosyliert. Eine starke gegenseitige sterische Hinderung erschwert die Ein-füh-rung der drei benachbarten glycosidischen Bindungen. Aufbauend auf einem modularen System von Oligosaccharidbausteinen gelingt die Synthese von biantennären N-Glycanen (5), die anschließend in einer späten Phase mit dem bisecting-GlcNAc-Rest versehen werden. Um diese Reaktion zu verbessern, wurden sechs neue Glucosaminylfluoride synthetisiert und sowohl mit Cyclohexanol als auch mit dem Heptasaccharid 5 zur Reaktion gebracht. Es stellte sich heraus, daß der sterische Anspruch und die Reaktivität mit Cyclohexanol nur in geringem Maße Rückschlüsse auf die Eignung der Donoren für eine bisecting-Reaktion zulassen. Ein Hauptproblem bestand in der schwierigen Reinigung der auf diesem Weg dargestellten bisecting-Verbin-dun-gen. Zur Darstellung biantennärer Systeme scheinen benzylierte Donoren am besten geeignet, allerdings waren die zusätzlichen Benzylschutzgruppen am bisecting-Octasaccharid 48 nur schwer hydrogenolytisch abzu-spal-ten. Es wurden daher neue Reagentien zur Aktivierung von Glycosylfluoriden entwickelt und unter unterschiedlichen Reaktionsbedingungen geprüft. Ferner wurden Thioglycoside und Trichloracetimidate als Glycosyldonoren in diesen Systemen getestet. Für biantennäre Systeme lieferte die späte Einführung des bisecting-Restes Verbindungen, deren Aufreinigung in ausreichenden Ausbeuten möglich war. Für höher-an-ten-näre N-Glycane gelang das nicht. Daher wurde die Reihenfolge der Einführung der Substituenten am beta-Mannosid grundlegend geändert. Über die frühe Einführung des bisecting-Restes war es erstmals möglich, einen allgemeinen Zugang zu bisecting-N-Glycanen in zufriedenstellenden Ausbeuten zu entwickeln. Das Ziel wurde vor allem durch die Verwendung der kleinen Trifluoracetamido-Schutzgruppe am bisecting-Rest erreicht. Die Synthese des Hexasaccharids 83 stellte eine Schlüsselverbindung her, die sich nach Deblockierung der Chloracetylfunktion in guter Ausbeute zum bisecting-Octasaccharid 90 umsetzen ließ. Die ebenfalls dargestellten phthalimido- oder succinimido-geschützten Analoga 86 und 85 erlaubten dies nicht, oder in nur geringen Ausbeuten. Mit Hilfe dieser neuen Synthesesequenz konnten erstmals zwei triantennäre (92 und 101) und eine tetraantennäre Struktur (102) mit bisecting-GlcNAc Rest auf chemischen Wege synthetisiert werden. Die triantennären bisecting-N-Glycane 92 und 101 konnten durch 2-D-NMR-Spektroskopie vollständig charakterisiert werden. Bei Verbindung 92 konnten neben der Trifluoracetamido-Schutzgruppe auch die Acetyl- und Phthalimido-Schutzgruppen in einem Schritt enfernt werden. Anhand des entschützten bisecting-Hexassaccharids 103 konnte gezeigt werden, daß die enzymatische Verlängerung des bisecting-GlcNAc durch Galactosyltransferase nur dann erfolgen kann, wenn kein alpha-1,6-Arm am N-Glycan vorhanden ist.

540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften

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