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Hepcidin-25 (Hep-25) plays a crucial role in the control of iron homeostasis. Since the dysfunction of the hepcidin pathway leads to multiple diseases as a result of iron imbalance, hepcidin represents a potential target for the diagnosis and treatment of disorders of iron metabolism. Despite intense research in the last decade targeted at developing a selective immunoassay for iron disorder diagnosis and treatment and better understanding the ferroportin-hepcidin interaction, questions remain. The key to resolving these underlying questions is acquiring exact knowledge of the 3D structure of native Hep-25. Since it was determined that the N-terminus, which is responsible for the bioactivity of Hep-25, contains a small Cu(II)-binding site known as the ATCUN motif, it was assumed that the Hep-25-Cu(II) complex is the native, bioactive form of the hepcidin. This structure has thus far not been elucidated in detail. Owing to the lack of structural information on metal-bound Hep-25, little is known about its possible biological role in iron metabolism. Therefore, this work is focused on structurally characterizing the metal-bound Hep-25 by NMR spectroscopy and molecular dynamics simulations. For the present work, a protocol was developed to prepare and purify properly folded Hep-25 in high quantities. In order to overcome the low solubility of Hep-25 at neutral pH, we introduced the C-terminal DEDEDE solubility tag. The metal binding was investigated through a series of NMR spectroscopic experiments to identify the most affected amino acids that mediate metal coordination. Based on the obtained NMR data, a structural calculation was performed in order to generate a model structure of the Hep-25-Ni(II) complex. The DEDEDE tag was excluded from the structural calculation due to a lack of NMR restraints. The dynamic nature and fast exchange of some of the amide protons with solvent reduced the overall number of NMR restraints needed for a high-quality structure. The NMR data revealed that the 20 Cterminal Hep-25 amino acids experienced no significant conformational changes, compared to published results, as a result of a pH change from pH 3 to pH 7 and metal binding. A 3D model of the Hep-25-Ni(II) complex was constructed from NMR data recorded for the hexapeptideNi(II) complex and Hep-25-DEDEDE-Ni(II) complex in combination with the fixed conformation of 19 C-terminal amino acids. The NMR data of the Hep-25-DEDEDE-Ni(II) complex indicates that the ATCUN motif moves independently from the rest of the structure. The 3D model structure of the metal-bound Hep-25 allows for future works to elucidate hepcidin’s interaction with its receptor ferroportin and should serve as a starting point for the development of antibodies with improved selectivity.
Due to the enhanced electromagnetic field at the tips of metal nanoparticles, the spiked structure of gold nanostars (AuNSs) is promising for surface-enhanced Raman scattering (SERS). Therefore, the challenge is the synthesis of well designed particles with sharp tips. The influence of different surfactants, i.e., dioctyl sodium sulfosuccinate (AOT), sodium dodecyl sulfate (SDS), and benzylhexadecyldimethylammonium chloride (BDAC), as well as the combination of surfactant mixtures on the formation of nanostars in the presence of Ag⁺ ions and ascorbic acid was investigated. By varying the amount of BDAC in mixed micelles the core/spike-shell morphology of the resulting AuNSs can be tuned from small cores to large ones with sharp and large spikes. The concomitant red-shift in the absorption toward the NIR region without losing the SERS enhancement enables their use for biological applications and for time-resolved spectroscopic studies of chemical reactions, which require a permanent supply with a fresh and homogeneous solution. HRTEM micrographs and energy-dispersive X-ray (EDX) experiments allow us to verify the mechanism of nanostar formation according to the silver underpotential deposition on the spike surface in combination with micelle adsorption.
Background signals from in situ-formed amorphous carbon, despite not being fully understood, are known to be a common issue in few-molecule surface-enhanced Raman scattering (SERS). Here, discrete gold and silver nanoparticle aggregates assembled by DNA origami were used to study the conditions for the formation of amorphous carbon during SERS measurements. Gold and silver dimers were exposed to laser light of varied power densities and wavelengths. Amorphous carbon prevalently formed on silver aggregates and at high power densities. Time-resolved measurements enabled us to follow the formation of amorphous carbon. Silver nanolenses consisting of three differently-sized silver nanoparticles were used to follow the generation of amorphous carbon at the single-nanostructure level. This allowed observation of the many sharp peaks that constitute the broad amorphous carbon signal found in ensemble measurements. In conclusion, we highlight strategies to prevent amorphous carbon formation, especially for DNA-assembled SERS substrates.
C-Arylglykoside und Chalkone
(2019)
Im bis heute andauernden Zeitalter der wissenschaftlichen Medizin, konnte ein breites Spektrum von Wirkstoffen zur Behandlung diverser Krankheiten zusammengetragen werden. Dennoch hat es sich die organische Synthesechemie zur Aufgabe gemacht, dieses Spektrum auf neuen oder bekannten Wegen und aus verschiedenen Gründen zu erweitern. Zum einen ist das Vorkommen bestimmter Verbindungen in der Natur häufig limitiert, sodass synthetische Methoden immer öfter an Stelle eines weniger nachhaltigen Abbaus treten. Zum anderen kann durch Derivatisierung und Wirkstoffanpassung die physiologische Wirkung oder die Bioverfügbarkeit eines Wirkstoffes erhöht werden. In dieser Arbeit konnten einige Vertreter der bekannten Wirkstoffklassen C-Arylglykoside und Chalkone durch den Schlüsselschritt der Palladium-katalysierten MATSUDA-HECK-Reaktion synthetisiert werden.
Dazu wurden im Fall der C-Arylglykoside zunächst ungesättigte Kohlenhydrate (Glykale) über eine Ruthenium-katalysierte Zyklisierungsreaktion dargestellt. Diese wurden im Anschluss mit unterschiedlich substituierten Diazoniumsalzen in der oben erwähnten Palladium-katalysierten Kupplungsreaktion zur Reaktion gebracht. Bei der Auswertung der analytischen Daten konnte festgestellt werden, dass stets die trans-Diastereomere gebildet wurden. Im Anschluss konnte gezeigt werden, dass die Doppelbindungen dieser Verbindungen durch Hydrierung, Dihydroxylierung oder Epoxidierung funktionalisiert werden können. Auf diesem Wege konnte u. a. eine dem Diabetesmedikament Dapagliflozin ähnliche Verbindung hergestellt werden.
Im zweiten Teil der Arbeit wurden Arylallylchromanone durch die MATSUDA-HECK-Reaktion von verschiedenen 8-Allylchromanonen mit Diazoniumsalzen dargestellt. Dabei konnte beobachtet werden, dass eine MOM-Schutzgruppe in 7-Position der Moleküle die Darstellung von Produktgemischen unterdrückt und jeweils nur eine der möglichen Verbindungen gebildet wird. Die Lage der Doppelbindung konnte mittels 2D-NMR-Untersuchungen lokalisiert werden. In Kooperation mit der theoretischen Chemie sollte durch Berechnungen untersucht werden, wie die beobachteten Verbindungen entstehen. Durch eine auftretende Wechselwirkung innerhalb des Moleküls konnte allerdings keine explizite Aussage getroffen werden.
Im Anschluss sollten die erhaltenen Verbindungen in einer allylischen Oxidation zu Chalkonen umgesetzt werden. Die Ruthenium-katalysierten Methoden zeigten u. a. keine Eignung. Es konnte allerdings eine metallfreie, Mikrowellen-unterstützte Methode erfolgreich erprobt werden, sodass die Darstellung einiger Vertreter dieser physiologisch aktiven Stoffklasse gelang.
Cellulose derived polymers
(2019)
Plastics, such as polyethylene, polypropylene, and polyethylene terephthalate are part of our everyday lives in the form of packaging, household goods, electrical insulation, etc. These polymers are non-degradable and create many environmental problems and public health concerns. Additionally, these polymers are produced from finite fossils resources. With the continuous utilization of these limited resources, it is important to look towards renewable sources along with biodegradation of the produced polymers, ideally. Although many bio-based polymers are known, such as polylactic acid, polybutylene succinate adipate or polybutylene succinate, none have yet shown the promise of replacing conventional polymers like polyethylene, polypropylene and polyethylene terephthalate. Cellulose is one of the most abundant renewable resources produced in nature. It can be transformed into various small molecules, such as sugars, furans, and levoglucosenone. The aim of this research is to use the cellulose derived molecules for the synthesis of polymers.
Acid-treated cellulose was subjected to thermal pyrolysis to obtain levoglucosenone, which was reduced to levoglucosenol. Levoglucosenol was polymerized, for the first time, by ring-opening metathesis polymerization (ROMP) yielding high molar mass polymers of up to ~150 kg/mol. The poly(levoglucosenol) is thermally stable up to ~220 ℃, amorphous, and is exhibiting a relatively high glass transition temperature of ~100 ℃. The poly(levoglucosenol) can be converted to a transparent film, resembling common plastic, and was found to degrade in a moist acidic environment. This means that poly(levoglucosenol) may find its use as an alternative to conventional plastic, for instance, polystyrene.
Levoglucosenol was also converted into levoglucosenyl methyl ether, which was polymerized by cationic ring-opening metathesis polymerization (CROP). Polymers were obtained with molar masses up to ~36 kg/mol. These polymers are thermally stable up to ~220 ℃ and are semi-crystalline thermoplastics, having a glass transition temperature of ~35 ℃ and melting transition of 70-100 ℃. Additionally, the polymers underwent cross-linking, hydrogenation and thiol-ene click chemistry.
The central motivation of the thesis was to provide possible solutions and concepts to improve the performance (e.g. activity and selectivity) of electrochemical N2 reduction reaction (NRR). Given that porous carbon-based materials usually exhibit a broad range of structural properties, they could be promising NRR catalysts. Therefore, the advanced design of novel porous carbon-based materials and the investigation of their application in electrocatalytic NRR including the particular reaction mechanisms are the most crucial points to be addressed. In this regard, three main topics were investigated. All of them are related to the functionalization of porous carbon for electrochemical NRR or other electrocatalytic reactions.
In chapter 3, a novel C-TixOy/C nanocomposite has been described that has been obtained via simple pyrolysis of MIL-125(Ti). A novel mode for N2 activation is achieved by doping carbon atoms from nearby porous carbon into the anion lattice of TixOy. By comparing the NRR performance of M-Ts and by carrying out DFT calculations, it is found that the existence of (O-)Ti-C bonds in C-doped TixOy can largely improve the ability to activate and reduce N2 as compared to unoccupied OVs in TiO2. The strategy of rationally doping heteroatoms into the anion lattice of transition metal oxides to create active centers may open many new opportunities beyond the use of noble metal-based catalysts also for other reactions that require the activation of small molecules as well.
In chapter 4, a novel catalyst construction composed of Au single atoms decorated on the surface of NDPCs was reported. The introduction of Au single atoms leads to active reaction sites, which are stabilized by the N species present in NDPCs. Thus, the interaction within as-prepared AuSAs-NDPCs catalysts enabled promising performance for electrochemical NRR. For the reaction mechanism, Au single sites and N or C species can act as Frustrated Lewis pairs (FLPs) to enhance the electron donation and back-donation process to activate N2 molecules. This work provides new opportunities for catalyst design in order to achieve efficient N2 fixation at ambient conditions by utilizing recycled electric energy.
The last topic described in chapter 5 mainly focused on the synthesis of dual heteroatom-doped porous carbon from simple precursors. The introduction of N and B heteroatoms leads to the construction of N-B motives and Frustrated Lewis pairs in a microporous architecture which is also rich in point defects. This can improve the strength of adsorption of different reactants (N2 and HMF) and thus their activation. As a result, BNC-2 exhibits a desirable electrochemical NRR and HMF oxidation performance. Gas adsorption experiments have been used as a simple tool to elucidate the relationship between the structure and catalytic activity. This work provides novel and deep insights into the rational design and the origin of activity in metal-free electrocatalysts and enables a physically viable discussion of the active motives, as well as the search for their further applications.
Throughout this thesis, the ubiquitous problems of low selectivity and activity of electrochemical NRR are tackled by designing porous carbon-based catalysts with high efficiency and exploring their catalytic mechanisms. The structure-performance relationships and mechanisms of activation of the relatively inert N2 molecules are revealed by either experimental results or DFT calculations. These fundamental understandings pave way for a future optimal design and targeted promotion of NRR catalysts with porous carbon-based structure, as well as study of new N2 activation modes.
The lack of soil data, which are relevant, reliable, affordable, immediately available, and sufficiently detailed, is still a significant challenge in precision agriculture. A promising technology for the spatial assessment of the distribution of chemical elements within fields, without sample preparation is laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). Its advantages are contrasted by a strong matrix dependence of the LIBS signal which necessitates careful data evaluation. In this work, different calibration approaches for soil LIBS data are presented. The data were obtained from 139 soil samples collected on two neighboring agricultural fields in a quaternary landscape of northeast Germany with very variable soils. Reference analysis was carried out by inductively coupled plasma optical emission spectroscopy after wet digestion. The major nutrients Ca and Mg and the minor nutrient Fe were investigated. Three calibration strategies were compared. The first method was based on univariate calibration by standard addition using just one soil sample and applying the derived calibration model to the LIBS data of both fields. The second univariate model derived the calibration from the reference analytics of all samples from one field. The prediction is validated by LIBS data of the second field. The third method is a multivariate calibration approach based on partial least squares regression (PLSR). The LIBS spectra of the first field are used for training. Validation was carried out by 20-fold cross-validation using the LIBS data of the first field and independently on the second field data. The second univariate method yielded better calibration and prediction results compared to the first method, since matrix effects were better accounted for. PLSR did not strongly improve the prediction in comparison to the second univariate method.
The title compounds, 2-azaspiro[4.5]deca-1-one, C₉H₁₅NO, (1a), cis-8-methyl-2-azaspiro[4.5]deca-1-one, C₁₀H₁₇NO, (1b), and trans-8-methyl-2-azaspiro[4.5]deca-1-one, C₁₀H₁₇NO, (1c), were synthesized from benzoic acids 2 in only 3 steps in high yields. Crystallization from n-hexane afforded single crystals, suitable for X-ray diffraction. Thus, the configurations, conformations, and interesting crystal packing effects have been determined unequivocally. The bicyclic skeleton consists of a lactam ring, attached by a spiro junction to a cyclohexane ring. The lactam ring adopts an envelope conformation and the cyclohexane ring has a chair conformation. The main difference between compound 1b and compound 1c is the position of the carbonyl group on the 2-pyrrolidine ring with respect to the methyl group on the 8-position of the cyclohexane ring, which is cis (1b) or trans (1c). A remarkable feature of all three compounds is the existence of a mirror plane within the molecule. Given that all compounds crystallize in centrosymmetric space groups, the packing always contains interesting enantiomer-like pairs. Finally, the structures are stabilized by intermolecular N–H···O hydrogen bonds.
In den letzten Jahrzehnten fand auch in der Beschichtungsindustrie ein Umdenken hin zu umweltfreundlicheren Farben und Lacken statt. Allerdings basieren auch neue Lösungen meist nicht auf Biopolymeren und in einem noch geringeren Anteil auf wasserbasierten Beschichtungssystemen aus nachwachsenden Rohstoffen. Dies stellt den Anknüpfungspunkt dieser Arbeit dar, in der untersucht wurde, ob das Biopolymer Stärke das Potenzial zum wasserbasierten Filmbildner für Farben und Lacke besitzt. Dabei müssen angelehnt an etablierte synthetische Marktprodukte die folgenden Kriterien erfüllt werden: Die wässrige Dispersion muss mindestens einen 30%igen Feststoffgehalt haben, bei Raumtemperatur verarbeitet werden können und Viskositäten zwischen 10^2-10^3 mPa·s aufweisen. Die finale Beschichtung muss einen geschlossenen Film bilden und sehr gute Haftfestigkeiten zu einer spezifischen Oberfläche, in dieser Arbeit Glas, besitzen. Als Grundlage für die Modifizierung der Stärke wurde eine Kombination von molekularem Abbau und chemischer Funktionalisierung ausgewählt. Da nicht bekannt war, welchen Einfluss die Stärkeart, die gewählte Abbaureaktion als auch verschiedene Substituenten auf die Dispersionsherstellung und deren Eigenschaften sowie die Beschichtungseigenschaften ausüben könnten, wurden die strukturellen Parameter getrennt voneinander untersucht.
Das erste Themengebiet beinhaltete den oxidativen Abbau von Kartoffel- und Palerbsenstärke mittels des Hypochlorit-Abbaus (OCl-) und des ManOx-Abbaus (H2O2, KMnO4). Mit beiden Abbaureaktionen konnten vergleichbare gewichtsmittlere Molmassen (Mw) von 2·10^5-10^6 g/mol (GPC-MALS) hergestellt werden. Allerdings führten die gewählten Reaktionsbedingungen beim ManOx-Abbau zur Bildung von Gelpartikeln. Diese lagen im µm-Bereich (DLS und Kryo-REM-Messungen) und hatten zur Folge, dass die ManOx-Proben deutlich erhöhte Viskositäten (c: 7,5 %; 9-260 mPa·s) im Vergleich zu den OCl--Proben (4-10 mPa·s) bei scherverdünnendem Verhalten besaßen und die Eigenschaften von viskoelastischen Gelen (G‘ > G‘‘) zeigten. Des Weiteren wiesen sie reduzierte Heißwasserlöslichkeiten (95 °C, vorrangig: 70-99 %) auf. Der OCl--Abbau führte zu hydrophileren (Carboxylgruppengehalt bis zu 6,1 %; ManOx: bis zu 3,1 %), nach 95 °C-Behandlung vollständig wasserlöslichen abgebauten Stärken, die ein Newtonsches Fließverhalten mit Eigenschaften einer viskoelastischen Flüssigkeit (G‘‘ > G‘) hatten. Die OCl--Proben konnten im Vergleich zu den ManOx-Produkten (10-20 %) zu konzentrierteren Dispersionen (20-40 %) verarbeitet werden, die gleichzeitig die Einschränkung von anwendungsrelevanten Mw auf < 7·10^5 g/mol zuließen (Konzentration sollte > 30 % sein). Außerdem führten nur die OCl--Proben der Kartoffelstärke zu transparenten (alle anderen waren opak) geschlossenen Beschichtungsfilmen. Somit hebt sich die Kombination von OCl--Abbau und Kartoffelstärke mit Hinblick auf die Endanwendung ab.
Das zweite Themengebiet umfasste Untersuchungen zum Einfluss von Ester- und Hydroxyalkylether-Substituenten auf Basis einer industriell abgebauten Kartoffelstärke (Mw: 1,2·10^5 g/mol) vor allem auf die Dispersionsherstellung, die rheologischen Eigenschaften der Dispersionen und die Beschichtungseigenschaften in Kombination mit Glassubstraten. Dazu wurden Ester und Ether mit DS/MS-Werten von 0,07-0,91 synthetisiert. Die Derivate konnten zu wasserbasierten Dispersionen mit Konzentrationen von 30-45 % verarbeitet werden, wobei bei hydrophoberen Modifikaten ein Co-Lösemittel, Diethylenglycolmonobutylether (DEGBE), eingesetzt werden musste. Die Feststoffgehalte sanken dabei für beide Derivatklassen vor allem mit zunehmender Alkylkettenlänge. Die anwendungsrelevanten Viskositäten (323-1240 mPa·s) stiegen auf Grund von Wechselwirkungen tendenziell mit DS/MS und Alkylkettenlänge an. Hinsichtlich der Beschichtungseigenschaften erwiesen sich die Ester vergleichend zu den Ethern als die bevorzugte Substituentenklasse, da nur die Ester geschlossene, defektfreie und mehrheitlich transparente Beschichtungsfilme bildeten, die exzellente bis sehr gute Haftfestigkeiten (ISO Klasse: 0 und 1) auf Glas besaßen. Die Ether bildeten mehrheitlich brüchige Filme. Basierend auf der Kombination der Ergebnisse aus Lösemittelaustausch, den rheologischen Untersuchungen und zusätzlichen Oberflächenspannungsmessungen (30-61 mN/m) konnte geschlossen werden, dass wahrscheinlich fehlende oder schlechte Haftfestigkeiten vorrangig akkumuliertem Wasser in den Beschichtungsfilmen (visuell: trüb oder weiß) geschuldet sind, während die Brüchigkeit vermutlich auf Wechselwirkungen (H-Brücken Wechselwirkungen, hydrophobe Wechselwirkungen) zwischen den Polymeren zurückgeführt werden kann.
Insgesamt scheint die Kombination aus Kartoffelstärke basierend auf dem OCl--Abbau mit Mw < 7·10^5 g/mol und einem Estersubstituenten eine gute Wahl für wasserbasierte Dispersionen mit hohen Feststoffkonzentrationen (> 30 %), guter Filmbildung und exzellenten Haftungen auf Glas zu sein.
Im Rahmen dieser Arbeit wird anhand von neuartigen Materialien das Potential der Europium-Lumineszenz für die strukturelle Analyse dargestellt. Bei diesen Materialien handelt es sich zum einen um Nanopartikel mit Matrizes aus mehreren Metall-Mischoxiden und Dotierungen durch die Sonde Europium und zum anderen um Metallorganische Netzwerke (MOFs), die mit Neodym , Samarium- und Europium-Ionen beladen sind.
Die Synthese der aus der Kombination von Metalloxiden enthaltenen Nanopartikel ist unter milden Bedingungen mithilfe von speziell dafür hergestellten Reagenzien erfolgt und hat zu sehr kleinen, amorphen Nanopartikeln geführt. Durch eine nachfolgende Temperaturbehandlung hat sich die Kristallinität erhöht. Damit verbunden haben sich auch die Kristallstruktur sowie die Position des Dotanden Europium verändert.
Während die etablierte Methode der Röntgendiffraktometrie einen Blick auf das Kristallgitter als Gesamtes ermöglicht, so trifft die Lumineszenz des Europiums durch die Sichtbarkeit einzelner Stark-Aufspaltungen Aussagen über dessen lokale Symmetrien. Die Symmetrie wird durch Sauerstofffehlstellen verändert, welche die Sauerstoffleitfähigkeit der Nanopartikel beeinflussen. Diese ist für die Anwendung als Katalysatoren in industriellen Prozessen und ebenso als Sensoren und Therapeutika in biologischen Systemen von Bedeutung.
Zur ersten katalytischen Charakterisierung werden die Proben mittels Temperatur-programmierter Reduktion untersucht. Des Weiteren werden die Mischoxid-Nanopartikel auch hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit als Matrix in Aufkonversionsprozessen untersucht.
Die Metallorganischen Netzwerke eignen sich aufgrund ihrer mikroporösen Struktur für Anwendungen in der Speicherung gleichermaßen von Nutzgasen wie auch von Schadstoffen. Ebenfalls ist eine biologische Anwendung denkbar, die insbesondere den Bereich der drug delivery-Reagenzien betrifft.
Erfolgt in die mikroporösen Strukturen der Metallorganischen Netzwerke die Einlagerung von Lanthanoid-Ionen, so können diese bei der entsprechenden Kombination als Weißlicht-Emittierer fungieren. Dabei ist neben den Verhältnissen zwischen den Lanthanoid-Ionen auch die genaue Position innerhalb des Netzwerks sowie die Distanz zu anderen Ionen von Interesse. Zur Untersuchung dieser Fragestellungen wird die Umgebungssensitivität der Europium-Lumineszenz ausgenutzt. Die auf diese Weise festgestellte Formiat-Bildung hängt von zahlreichen Parametern ab.
Insgesamt stellt sich die im Rahmen dieser Arbeit verwendete Methodik des Einsatzes von Europium als strukturelle Sonde in höchstem Maße vielseitig dar und zeigt seine größte Stärke in der Kombination mit weiteren Methoden der Strukturanalytik. Die auf diese Weise genauestens charakterisierten neuartigen Materialien können nun gezielt und anwendungsfokussiert weiterentwickelt werden.