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Carbonfasern haben sich in der Luft- und Raumfahrt etabliert und gewinnen in Alltagsanwendungen wie dem Automobilbereich, Windkraft- und Sportbereich durch ihre hohen Zugfestigkeiten, insbesondere ihrer hohen E-Moduli, und ihrer geringen Dichte immer mehr an Bedeutung. Auf Grund ihrer hohen Kosten, welche sich zur Hälfte aus der Precursorherstellung, inklusive seiner Synthese und seinem Verspinnprozess, dem Lösungsspinnverfahren, ergeben, erhalten zunehmend alternative und schmelzspinnbare Precursoren Interesse. Für die Carbonfaserherstellung wird fast ausschließlich Polyacrylnitril (PAN) verwendet, das vor dem Schmelzen irreversible exotherme Zyklisierungsreaktionen aufweist, welchen sich seine Zersetzung anschließt. Eine Möglichkeit der Reduzierung der Schmelztemperatur von Polymeren ist die Einbringung von Comonomeren zur Erhöhung des freien Volumens und die Reduzierung der intermolekularen Wechselwirkungen als interne Weichmacher. Wie am Fraunhofer IAP gezeigt wurde, kann mittels 2-Methoxyethylacrylat (MEA) die Schmelztemperatur zu neuartigen PAN-basierten Precursoren verringert werden. Um den PAN-co-MEA-Precursor für die nachfolgenden Prozessschritte der Carbonfaserherstellung zu verwenden, müssen die thermoplastischen Fasern in thermisch stabile Fasern ohne thermoplastisches Verhalten überführt werden. Es wurde ein neuer Prozessschritt (Prästabilisierung) eingeführt, welcher unter alkalischen Bedingungen zur Abspaltung der Comonomerseitenkette führt. Neben der Esterhydrolyse finden Reaktionen statt, welche an diesem Material noch nicht hinreichend untersucht wurden. Weiterhin stellt sich die Frage nach der Kinetik der Prästabilisierung und der Ermittlung einer geeigneten Prozessführung.
Hierzu wurde die Prästabilisierung in den Labormaßstab überführt und die möglichen Zusammensetzungen des aus DMSO und einer KOH-Lösung bestehenden Reaktionsmediums evaluiert. Weiterhin wurde die Behandlung bei verschiedenen Prästabilisierungszeiten von maximal 30 min und Temperaturen von 40, 50 und 60 °C durchgeführt, um primär mittels NMR-Spektroskopie die chemischen Strukturänderungen aufzuklären. Die Esterhydrolyse des Comonomers, welche zur Abspaltung des 2-Methoxyethanols führt, wurde mittels 1H-NMR-spektroskopischer Untersuchungen detektiert.
Es wurde ein Modell aufgestellt, das die chemisch-physikalischen Strukturänderungen während der Prästabilisierung aufzeigt. Die zuerst ablaufende Reaktion ist die Esterhydrolyse am Comonomer, welche vom Faserrand nach innen verläuft und durch die Präsenz des DMSO in Kombination mit der KOH-Lösung (Superbase) initiiert wird. Der zeitliche Reaktionsverlauf der Esterhydrolyse kann in drei Bereiche eingeteilt werden. Der erste Bereich ab dem Prästabilisierungsbeginn wird durch die Diffusion der basischen Anionen in die Faser, der zweite Bereich durch die Reaktion an der Estergruppe des Comonomers und der dritte Bereich durch letzte Reaktionen im Faserinneren und diffusiven Prozessen der Produkte und Edukte charakterisiert. Der zweite Bereich kann mit einer Reaktion pseudo 1. Ordnung abgebildet werden, da in diesem Bereich bereits eine ausreichende Diffusion der Edukte in die Faser stattgefunden hat. Bei 50 °C spielt die Diffusion im ersten Bereich im Vergleich zur Reaktion eine untergeordnete Rolle. Mit Erhöhung der Temperatur auf 60 °C kann eine im Verhältnis geringere Diffusions- als Reaktionsgeschwindigkeit beobachtet werden. Die Nebenreaktionen wurden mittels 13C-CP/MAS-NMR-spektroskopischen, elementaranlaytischen Untersuchungen sowie Doppelbrechungsmessungen charakterisiert. Während der alkalischen Esterhydrolyse beginnt die Reduzierung der Nitrilgruppen unter der Bildung von primären Carbonsäureamiden und Carbonsäuren. Zur Beschreibung dieser Umsetzung wurde eine Methode entwickelt, welche die Addition von 13C-CP/MAS-NMR-Spektren der Modellsubstanzen PAN, PAM und PAA beinhaltet. Weitere stattfindende Reaktionen sind die Bildung von konjugierten Doppelbindungen, welche insbesondere auf eine Zyklisierung der Nitrile hinweisen. Die nasschemisch initiierte Zyklisierung der Nitrilgruppen kann zu kürzeren Stabilisierungszeiten und einem besser kontrollierbaren Stabilisierungsprozess durch geringere Wärmefreisetzung und schlussendlich zu einer Kostenersparnis des gesamten Verfahrens führen. Die Umsetzung der Nitrilgruppen konnte mit einer Reaktion pseudo 1. Ordnung gut abgebildet werden. DMSO initiiert die Esterhydrolyse, wobei die KOH-Konzentration einen höheren Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit der Ester- und Nitrilhydrolyse als die DMSO-Konzentration besitzt. Beide Reaktionen zeigen eine vergleichbare Abhängigkeit von der Temperatur. Die Erhöhung der Prästabilisierungszeit und der KOH- bzw. DMSO-Konzentration führt zur Migration niedermolekularer Bestandteile des Fasermaterials an die Oberfläche und der Bildung punktueller Ablagerungen bis hin zu miteinander verbundenen Einzelfasern. Eine weitere Erhöhung der Prästabilisierungszeit bzw. der Konzentration führt zu einem steigenden Carbonsäureanteil und zur Quellung des Fasermaterials, wodurch die Ablagerungen in das Reaktionsmedium diffundieren. Die Ablagerungen enthalten Chlor, welches durch den Waschvorgang mit HCl in das Materialsystem gelangt ist und durch Parameteranpassungen reduziert wurde. Die schmelzbaren Fasern konnten durch die Prästabilisierung erfolgreich über eine Kern-Mantel-Struktur in nicht-thermoplastische Fasern überführt werden.
Zur Ermittlung eines geeigneten Prozessfensters für nachfolgende thermische Beanspruchungen der prästabilisierten Fasern wurden drei Kriterien identifiziert, anhand welcher die Evaluation erfolgte. Das erste Kriterium beinhaltet die Notwendigkeit der vollständigen Aufhebung der thermoplastischen Eigenschaft der Fasern. Als zweites Kriterium diente die Fasermorphologie. Anhand von REM-Aufnahmen wurden Faserbündel mit separierten Einzelfasern ohne Ablagerungen für die nachfolgende Stabilisierung ausgewählt. Das dritte Kriterium bezieht sich auf eine möglichst geringe Umsetzung der Nitrilgruppen, um Prästabilisierungsbedingungen mit Nebenreaktionen zu vermeiden.
Aus den Untersuchungen konnte eine Prästabilisierungstemperatur von 60 °C als geeignet identifiziert werden. Weiterhin führen hoch alkalische Zusammensetzungen des Reaktionsmediums mit KOH-Konzentrationen von 1, 1,5 und 2 M, vorzugsweise 1,5 M und 50 vol% DMSO mit Reaktionszeiten von unter 10 min zu geeigneten Fasern. Ein MEA-Anteil unterhalb von 2 mol% bewirkt eine Überführung in die Unschmelzbarkeit. Thermisch stabile und für die nachfolgende Stabilisierung geeignete Fasern besitzen weiterhin 68 – 80 mol% Nitrilgruppen, 20 – 25 mol% Carbonsäuren, bis zu 15 mol% primäre Carbonsäureamide und zyklisierte Strukturen.
The synthesis of new phenanthr[9,10-e][1,3]oxazines was achieved by the direct coupling of 9-phenanthrol with cyclic imines in the modified aza-Friedel-Crafts reaction followed by the ring closure of the resulting bifunctional aminophenanthrols with formaldehyde. Aminophenanthrol-type Mannich bases were synthesised and transformed to phenanthr[9,10-e][1,3]oxazines via [4 + 2] cycloaddition. Detailed NMR structural analyses of the new polyheterocycles as well as conformational studies including Density Functional Theory (DFT) modelling were performed. The relative stability of ortho-quinone methides (o-QMs) was calculated, the geometries obtained were compared with the experimentally determined NMR structures, and thereby, the regioselectivity of the reactions has been assigned.
Synthesis and conformational analysis of new naphth[1,2-e][1,3]oxazino[3,4-c]quinazoline derivatives
(2011)
A new highly functionalized aminonaphthol derivative, 1-(amino(2-aminophenyl)methyl)-2-naphthol (4), was synthesized by the reaction of 2-naphthol, 2-nitrobenzaldehyde and tert-butyl carbamate or benzyl carbamate, followed by reduction and/or removal of the protecting group. The aminonaphthol derivative thus obtained was converted in ring-closure reactions with formaldehyde. benzaldehyde and/or phosgene to the corresponding naphth[1,2-e][1,3]oxazino[3,4-c]quinazoline derivatives. The conformational analysis of some derivatives by NMR spectroscopy and accompanying molecular modelling are also reported.
The syn and anti isomers of cis,cis-tricyclo[5.3.0.0(2.6)]dec-3-ene derivatives have been synthesized and their (1)H and (13)C NMR spectra unequivocally analyzed. Both their structures and their (1)H and (13)C NMR chemical shifts were calculated by DFT, the latter two calculations employing the GIAO perturbation method. Additionally, calculated NMR shielding values were partitioned into Lewis and non-Lewis contributions from the bonds and lone pairs involved in the molecules by accompanying NBO and NCS analyses. The differences between the syn and anti isomers were evaluated with respect to steric and spatial hyperconjugation interactions.
Ciprofloxacin is a widely used fluoroquinolone antibiotic. In this work, a comprehensive evaluation of MP2 and DFT with different functionals and basis sets was carried out to select the most suitable level of theory for the study of the NMR properties of ciprofloxacin. Their relative predictive capabilities were evaluated comparing the theoretically predicted and experimental spectral data. Our computational results indicated that in contrast to the solid state, the molecule of ciprofloxacin does not exist as a zwitterion in gaseous state. The results of the calculations of the chemical shifts most close to the experimental were obtained with B3LYP/aug-cc-pVDZ. The F-C coupling constants were calculated systematically with different DFT methods and several basis sets. In general, the calculations of the coupling constants with the BHandH computational method including the applied in this work 6-311++G**, EPRII, and EPRIII basis sets showed a good reproducibility of the experimental values of the coupling constants.
A conformational study of N-acetyl glucosamine derivatives utilizing residual dipolar couplings
(2011)
The conformational analyses of six non-rigid N-acetyl glucosamine (NAG) derivatives employing residual dipolar couplings (RDCs) and NOEs together with molecular dynamics (MD) simulations are presented. Due to internal dynamics we had to consider different conformer ratios existing in solution. The good quality of the correlation between theoretically and experimentally obtained RDCs show the correctness of the calculated conformers even if the ratios derived from the MD simulations do not exactly meet the experimental data. If possible, the results were compared to former published data and commented.
Yeast hexokinase isoenzyme ScHxk2 stability of a two-domain protein with discontinuous domains
(2011)
The hexokinase isoenzyme 2 of Saccharomyces cerevisiae (ScHxk2) represents an archetype of a two-domain protein with the active site located in a cleft between the two domains. Binding of the substrate glucose results in a rigid body movement of the two domains leading to a cleft closure of the active site. Both domains of this enzyme are composed of discontinuous peptide sequences. This structural feature is reflected in the stability and folding of the ScHxk2 protein. Structural transitions induced by urea treatment resulted in the population of a thermodynamically stable folding intermediate, which, however, does not correspond to a molecule with one domain folded and the other unfolded. As demonstrated by different spectroscopic techniques, both domains are structurally affected by the partial denaturation. The intermediate possesses only 40% of the native secondary structural content and a substantial increase in the Stokes radius as judged by circular dichroism and dynamic light scattering analyses. One-dimensional H-1 NMR data prove that all tryptophan residues are in a non-native environment in the intermediate, indicating substantial changes in the tertiary structure. Still, the intermediate possesses quite a high stability for a transition intermediate of about Delta G = -22 kJ mol(-1).
Functional metabolism of storage carbohydrates is vital to plants and animals. The water-soluble glycogen in animal cells and the amylopectin which is the major component of water-insoluble starch granules residing in plant plastids are chemically similar as they consist of α-1,6 branched α-1,4 glucan chains. Synthesis and degradation of transitory starch and of glycogen are accomplished by a set of enzymatic activities that to some extend are also similar in plants and animals. Chain elongation, branching, and debranching are achieved by synthases, branching enzymes, and debranching enzymes, respectively. Similarly, both types of polyglucans contain low amounts of phosphate esters whose abundance varies depending on species and organs. Starch is selectively phosphorylated by at least two dikinases (GWD and PWD) at the glucosyl carbons C6 and C3 and dephosphorylated by the phosphatase SEX4 and SEX4-like enzymes. In Arabidopsis insufficiency in starch phosphorylation or dephosphorylation results in largely impaired starch turnover, starch accumulation, and often in retardation of growth. In humans the progressive neurodegenerative epilepsy, Lafora disease, is the result of a defective enzyme (laforin) that is functional equivalent to the starch phosphatase SEX4 and capable of glycogen dephosphorylation. Patients lacking laforin progressively accumulate unphysiologically structured insoluble glycogen-derived particles (Lafora bodies) in many tissues including brain. Previous results concerning the carbon position of glycogen phosphate are contradictory. Currently it is believed that glycogen is esterified exclusively at the carbon positions C2 and C3 and that the monophosphate esters, being incorporated via a side reaction of glycogen synthase (GS), lack any specific function but are rather an enzymatic error that needs to be corrected. In this study a versatile and highly sensitive enzymatic cycling assay was established that enables quantification of very small G6P amounts in the presence of high concentrations of non-target compounds as present in hydrolysates of polysaccharides, such as starch, glycogen, or cytosolic heteroglycans in plants. Following validation of the G6P determination by analyzing previously characterized starches G6P was quantified in hydrolysates of various glycogen samples and in plant heteroglycans. Interestingly, glucosyl C6 phosphate is present in all glycogen preparations examined, the abundance varying between glycogens of different sources. Additionally, it was shown that carbon C6 is severely hyperphosphorylated in glycogen of Lafora disease mouse model and that laforin is capable of removing C6 phosphate from glycogen. After enrichment of phosphoglucans from amylolytically degraded glycogen, several techniques of two-dimensional NMR were applied that independently proved the existence of 6-phosphoglucosyl residues in glycogen and confirmed the recently described phosphorylation sites C2 and C3. C6 phosphate is neither Lafora disease- nor species-, or organ-specific as it was demonstrated in liver glycogen from laforin-deficient mice and in that of wild type rabbit skeletal muscle. The distribution of 6-phosphoglucosyl residues was analyzed in glycogen molecules and has been found to be uneven. Gradual degradation experiments revealed that C6 phosphate is more abundant in central parts of the glycogen molecules and in molecules possessing longer glucan chains. Glycogen of Lafora disease mice consistently contains a higher proportion of longer chains while most short chains were reduced as compared to wild type. Together with results recently published (Nitschke et al., 2013) the findings of this work completely unhinge the hypothesis of GS-mediated phosphate incorporation as the respective reaction mechanism excludes phosphorylation of this glucosyl carbon, and as it is difficult to explain an uneven distribution of C6 phosphate by a stochastic event. Indeed the results rather point to a specific function of 6-phosphoglucosyl residues in the metabolism of polysaccharides as they are present in starch, glycogen, and, as described in this study, in heteroglycans of Arabidopsis. In the latter the function of phosphate remains unclear but this study provides evidence that in starch and glycogen it is related to branching. Moreover a role of C6 phosphate in the early stages of glycogen synthesis is suggested. By rejecting the current view on glycogen phosphate to be a stochastic biochemical error the results permit a wider view on putative roles of glycogen phosphate and on alternative biochemical ways of glycogen phosphorylation which for many reasons are likely to be mediated by distinct phosphorylating enzymes as it is realized in starch metabolism of plants. Better understanding of the enzymology underlying glycogen phosphorylation implies new possibilities of Lafora disease treatment.
As part of a project studying the secondary metabolites extracted from the Chilean flora, we report herein three new beta-agarofuran sesquiterpenes, namely (1S,4S,5S,6R,7R,8R,9R,10S)-6-acetoxy-4,9-dihydroxy-2,2,5a,9-tetramethyloctahydro-2H-3,9a-methanobenzo[b] oxepine-5,10-diylbis(furan-3-carboxylate), C27H32O11, (II), (1S,4S,5S,6R,7R,9S,10S)-6-acetoxy-9-hydroxy-2,2,5a, 9-tetramethyloctahydro-2H-3,9a-methanobenzo[ b] oxepine-5,10-diyl bis(furan-3-carboxylate), C27H32O10, (III), and (1S,4S,5S,6R,7R,9S,10S)-6-acetoxy-10-(benzoyloxy)-9-hydroxy-2,2,5a,9-tetramethyloctahydro-2H-3,9a-methanobenzo[b]oxepin-5-yl furan-3-carboxylate, C29H34O9, (IV), obtained from the seeds of Maytenus boaria and closely associated with a recently published relative [Paz et al. (2017). Acta Cryst. C73, 451-457]. In the (isomorphic) structures of (II) and (III), the central decalin system is esterified with an acetate group at site 1 and furoate groups at sites 6 and 9, and differ at site 8, with an OH group in (II) and no substituent in (III). This position is also unsubstituted in (IV), with site 6 being occupied by a benzoate group. The chirality of the skeletons is described as 1S, 4S, 5S, 6R, 7R, 8R, 9R, 10S in (II) and 1S, 4S, 5S, 6R, 7R, 9S, 10S in (III) and (IV), matching the chirality suggested by NMR studies. This difference in the chirality sequence among the title structures (in spite of the fact that the three skeletons are absolutely isostructural) is due to the differences in the environment of site 8, i.e. OH in (II) and H in (III) and (IV). This diversity in substitution, in turn, is responsible for the differences in the hydrogen-bonding schemes, which is discussed.
1-Oxo-1,3-dithiolane (4) and its cis- and trans-2-methyl (5,6), -4-methyl (7,8) and -5-methyl (9,10) derivatives were prepared by oxidizing the corresponding 1,3-dithiolanes (1-3) with NaIO(4) in water. The oxides were purified and their isomers separated using thin layer chromatography. The structural characterization was carried out with (1)H and (13)C NMR spectroscopy and molecular modelling. The sulfoxides 4-6 and 8-10 attain two S(1) type envelopes (sometimes slightly distorted) the S=O(ax) envelope greatly dominating. Cis-4-methyl-1-oxo-1,3-dithiolane is a special case exhibiting both two closely related S=O(ax) (30 and 27%) as well as S=O(eq) (21 and 22%) forms [S(1) and C(4) envelopes, respectively]. The relative energies of these conformations, the values of (1)H-(1)H coupling constants and (1)H and (13)C chemical shifts were estimated by computational methods and they support well the conclusions based on the experimental data.