Universität Stuttgart
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Item Open Access Studies on the influence of loop structures on the selective hydroxylation of sesquiterpenes in Rieske Dioxygenases(2025) Berger, Jonathan; Hauer, Bernhard (Prof. Dr.)Oxyfunktionalisierte Verbindungen spielen eine zentrale Rolle in der synthetischen Chemie, sei es als Geschmacks- und Duftstoffe, in der Pharmaindustrie oder als Basischemikalien. Besonders bei den Duftstoffen und Pharmazeutika ist die Kontrolle der Selektivität in Oxyfunktionalisierungsreaktionen von großer Relevanz. Jedoch bleibt die selektive Monohydroxylierung und cis-Dihydroxylierung von Arenen ein ungelöstes Problem. Besonders bei Verbindungen mit mehreren ungesättigten Doppelbindungen, wie Sesquiterpenen, ist die Kontrolle der Regioselektivität eine Herausforderung. Wenn die synthetische Chemie an ihre Grenzen stößt, kann die Natur als Vorbild dienen, da Enzyme für ihre hervorragende Selektivitätskontrolle und nachhaltigen Reaktionsbedingungen bekannt sind. Eine vielversprechende Enzymfamilie für Oxyfunktionalisierungen sind die Rieske-non-Häm-Eisen-Dioxygenasen (ROs), die cis-Dihydroxylierungsreaktionen an Aromaten und anderen Substraten sowie allylische Monohydroxylierungen mit hoher Regio- und Stereoselektivität durchführen können. ROs waren das Ziel einiger Enzym-Engineering-Studien, und sind deshalb vielversprechende Mutageneseziele. Ziel dieser Studie war es, das Substratspektrum von ROs auf die sterisch anspruchsvolleren Sesquiterpene auszuweiten, da diese Moleküle und ihre oxyfunktionalisierten Derivate von großem industriellem Interesse sind, beispielsweise als Sandelholzduftstoff Santalol oder Bisabolol-Derivate, die als Pheromone für den Pflanzenschutz eingesetzt werden. Um das Verständnis gegenüber der eingangs erwähnten, hochflexiblen und dynamischen Loop-Strukturen zu verbessern sollten zusätzlich die Loop-Studien von Peter Heinemann aufgegriffen werden, seinen initialen Mutationsansatz für Loops vertiefen und zur besseren Aufklärung molekulardynamische Simulationen einsetzen. Im ersten Teil wurden RO-Wildtypen aus der IBTB-internen Mutantenbibliothek mit den Sesquiterpensubstraten β-Bisabolen 1 und α-Farnesen 2 getestet, wobei die Cumol Dioxygenase aus Pseudomonas fluorescens IP01 als einziges Enzym eine Startaktivität für Bisabolen aufwies. Da die Startaktivität sehr gering war, wurden die Expressionsbedingungen und das Reaktionssystem optimiert, was zu einer 4-fachen Erhöhung der Produktbildung mit β-Bisabolen als Screening-Substrat führte. Im nächsten Schritt wurde der Einfluss von Loop-insertionen und -deletionen auf die Substratspezifität mittels InDel-Scans untersucht, einem in dieser Arbeit entwickelten Screeningverfahren, bei dem alle Aminosäuren eines Loops separat deletiert bzw. ein Glycyl-Prolyl-Fragment zwischen jede Aminosäure eingefügt wird, um eine Screening-Bibliothek zu generieren. Das Screening führte mit β-Bisabolen zu einer interessanten Verschiebung der Regioselektivität, vom Ring-hydroxylierungsprodukt 1a im WT zum terminalen Hydroxylierungs-produktes 1b (Selektivität: 81%) in der Variante I288del. Zur Identifizierung der Produkte durch präparative Biotransformationen wurden verschiedene Bedingungen getestet, die Produkte isoliert und mittels NMR-Analyse charakterisiert (1a: 17 mg, 0.77 mmol, 38,5%; 1b: 24 mg, 0.11 mmol, 54.5%). Um ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden enzymatischen Mechanismen der Selektivitätsverschiebung zu erlangen, wurden molekulardynamische Simulationen in Zusammenarbeit mit den Loschmidt Laboratories in Brünn, Tschechische Republik, durchgeführt. Für den Wildtypen und die Variante I288del wurden molekulardynamische Simulationen mit dem freien Enzym und mit Enzym-Ligand-Komplexen simuliert. Die Simulationen lieferten wertvolle Einblicke in die enzymatischen Eigenschaften: Die B-Faktoren des freien Enzyms und der Enzym-Ligand-Komplexe zeigten, dass die Variante I288del ein rigideres aktives Zentrum besitzt, was den Liganden potenziell besser stabilisieren kann. Zusätzlich ergab die CAVER-Analyse des Substratzugangstunnels, dass der Tunnel jetzt häufiger offen ist, so dass das Substrat leichter in das Enzym eindringen kann, was zu einer höheren Produktbildung führt. Die Analyse der Abstände zwischen dem katalytischen Eisen und den reaktiven Kohlenstoffen im Substrat zeigte, dass der reaktive Schwanzkohlenstoff in der Variante näher am Eisen liegt, was potenziell zu reaktiverenKonformationen führt. Über abschließende adaptive steered molecular dynamics Simulationen, wurden Einblicke in den energetischen Ligandentransport entlang des Substratzugangstunnels erhalten. Diese Simulationen zeigten, dass das Substrat im Wildtyp bevorzugt mit dem Ring zuerst in das Enzym eindringt, was zu einer Ringkonformation im aktiven Zentrum führt. In der Variante I288del ändert sich dies, da der Ligand stark bevorzugt mit dem terminalen Kohlenstoff zuerst in das Enzym eindringt, was zu tail-Konformationen im Enzym und einer starken Präferenz für das terminale Hydroxylierungsprodukt führt. In einem zweiten experimentellen Teil sollte die Produktbildung des terminalen-Hydroxylierungsprodukts 1b durch gezielte Modifikation des aktiven Zentrums mittels Sättigungsmutagenese weiter gesteigert werden, um die Positionierung des Substrats in der aktiven Tasche zu optimieren. Dies führte zu zwei neuen Varianten, I288del_A321T (V1) und N279T_I288del_A321T (V2), mit hoher Selektivität und Produktbildungen von 1,35 mM bzw. 1,58 mM, während die Variante I288del 1,25 mM umsetzte. Weitere Runden der Sättigungsmutagenese führten jedoch weder zu einer Steigerung der Produktbildung noch der Selektivität. Zudem wurden die Sesquiterpene Santalen, Bergamoten, Valencen und Germacren D, welche ursprünglich vom Wildtyp nicht umgesetzt wurden, mit den neu generierten Sättigungsvarianten I288del, V1 und V2 untersucht. Mit diesen Varianten gelang es, drei der vier Substrate umzusetzen. Besonders bemerkenswert war, dass Santalen zu dem industriell relevanten Santalol mit einer GC-Konversion von 0,74 mM umgesetzt werden konnte, was in Zusammenarbeit mit der Firma Isobionics (Geleen, NL) zu einem Patent führte. Im nächsten Teil wurde der InDel-Scan weiter ausgebaut, indem die CDO InDel-Bibliothek mit zwei weiteren Substraten, (R)-Limonen und 2-Phenylpyridin, gescreent wurde. Hierbei lagen Selektivitätsverschiebungen, Generalistenvarianten und erhöhte Produktbildung im Fokus. Mit beiden Substraten wurden Varianten mit erhöhter Selektivität, Aktivität oder neuen Produkten gefunden. Um die Anwendbarkeit nicht nur auf Substratebene, sondern auch auf Enzymebene zu untersuchen, wurde ein weiteres Enzym, die Naphthalin-Dioxygenase aus Pseudomonas sp. NCIB 9816-4, getestet. Vier active site-Loops wurden ausgewählt und mit dem InDel-Scan mutiert, was zu einer Bibliothek von 56 Varianten für das Screening mit (R)-Limonen und 2-Phenylpyridin führte. Die Ergebnisse ähnelten den Ergebnissen des Screenings mit dem CDO, zeigten jedoch mehr inaktive Varianten und nur wenige starke Selektivitätsverschiebungen. Einige Varianten zeigten ein komplett verändertes Produktspektrum oder starke Zunahmen in der Produktbildung, und bei 2-Phenylpyridin als Substrat trat mit den InDel-Varianten sogar ein völlig neues, unbekanntes Produkt auf. In einem abschließenden Abschnitt sollte ein direkter Vergleich zu einer computerbasierten Loopmutagenese durchgeführt werden. In Zusammenarbeit mit den Loschmidt Laboratories wurde ein Looptransplantationsansatz unter Verwendung des LoopGrafter-Webtools getestet, welches Loops verschiedener Enzyme vergleicht und Positionen für die Transplantation vorschlägt. Vier verschiedene Designs wurden kloniert und getestet, wobei keine Produktbildung beobachtet wurde. Die Designs wurden überarbeitet, um ihre Stabilität zu erhöhen. Die Expression des Proteins war erfolgreich, aber erneut konnte keine Aktivität festgestellt werden. Zusammenfassend gelang es, im Rahmen dieser Arbeit, Sesquiterpene mit ROs in angemessenen Ausbeuten umzusetzen, wobei sogar Milligramm-Mengen zur Produktidentifizierung erreicht wurden. Eine vollständige Selektivitätsverschiebung in der Hydroxylierung von β-Bisabolen von Ring- zu Terminal-Hydroxylierung wurde erzielt. Die computergestützte Studie lieferte wertvolle Einblicke in den Ligandentransport in ROs und die durch die Loop-Mutation I288del vermittelten Mechanismen, welche zum Selektivitätsshift führten.Item Open Access Oleathydratase katalysierte stereoselektive Hydratisierungsreaktionen kurzkettiger Alkene(2025) Härterich, Natalie; Hauer, Bernhard (Prof. Dr.)Item Open Access Lumineszierende Flüssigkristalle auf Basis multiresonanter Bor-dotierter Heteroaromaten(2025) Knöller, Julius A.; Laschat, Sabine (Prof. Dr.)Item Open Access Growth of oxide materials with Ruddlesden-Popper- and garnet-type structures via the optical float zone method: investigations of scintillation, optical, and magnetic properties, and post-growth modifications of single crystals via topochemical routes(2025) Yilmaz, Hasan; Clemens, Oliver (Prof. Dr.)With the continuous progress in materials science, the global market demand for high-performance functional materials, especially those with customized optical and magnetic properties, has increased significantly due to their critical role in next-generation technologies such as photonic devices, data storage systems, quantum computing, and biomedical applications. With this motivation, this dissertation is focused on the growth of high-quality oxide single crystals with Ruddlesden-Popper (RP) and garnet-type structures using the optical floating zone (OFZ) method and the detailed investigation of their scintillation, optical and magnetic properties. Furthermore, the use of chemical doping and post-growth topochemical modifications as strategies to modify material properties and stabilise metastable structures is also covered. With these approaches, we can classify this study into two parts: optical and magnetic properties. In the first part of this work, RP-type n = 1 LaSrGaO4 (LSGO) and Garnet-type Gd3In2Ga3O12 (GIGG) single crystals doped with different Rare Earths (RE) including Eu, Sm, Ho, Nd have been grown via OFZ method to investigate their luminescence, decay time kinetics and scintillation properties. To compare the scintillation behaviour, a well-known commercial scintillator, Gd2.98Ce0.02Al2Ga3O12 (0.02Ce:GAGG) single crystal, was synthesised and characterised using the same methods. This limits deviations in scintillation properties caused by different synthesis methods. Powder X-ray diffraction (XRD) and Single Crystal X-ray diffraction (SC-XRD) measurements together with Rietveld analysis confirmed phase purity and crystallinity, while Scanning Electron Microscopy (SEM-EDX) and backscatter electron imaging (BSE) confirmed the homogeneous distribution of the dopants. In addition to these analytical methods, Photoluminescence Spectroscopy (PL) and luminescence decay measurements have demonstrated that these RE-doped single crystals have strong emission, which is related to the low phonon energy of their host lattices. However, scintillation measurements under 137Cs gamma-ray point source excitation resulted in a limited gamma ray response. This response was significantly weaker than observed for the well-known commercial scintillator 0.02Ce:GAGG. Inefficient absorption of high-energy excitation or inadequate energy transfer to the activator ions in these materials are responsible for this relatively low scintillation performance. The second part of the thesis is focused on bilayer Ruddlesden-Popper nickelates. Single crystals of Sr3Ni2-xAlxO7-δ (SNAO) and its Y-substituted modification YᵧSr3-yNi2-xAlxO7-δ (YSNAO) have been grown by using strategically chemical substitutions and high oxygen pressure conditions to stabilize the RP phase. XRD and SC-XRD analysis confirmed the existence of the n = 2 RP-type structure by doping with Al, while thermogravimetric analysis (TGA) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) indicated successful oxygen incorporation and corresponding changes in the Ni oxidation state. Magnetic susceptibility measurements (SQUID magnetometry) have demonstrated the antiferromagnetic ordering transitions in these doped nickelate single crystals, and transport measurements have shown enhanced electrical conductivity compared to the undoped parent compound. In addition, a topochemical fluorination process has been investigated as a post-growth modification for n = 1 RP-type La2NiO4+δ single crystals. Fluorine has been introduced into the crystal lattice at moderate temperatures using polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), and CuF2 as fluorination reagent. PTFE has been found to be the most effective fluorinating agent, resulting in partially fluorinated La2NiO4+δ with a diffusion-limited penetration pattern. EDX and EDX-mapping analyses have demonstrated an inhomogeneous F distribution, indicating that fluorine incorporation is limited by diffusion kinetics. This inhomogeneity should be carefully considered in future structural and functional analyses as it may affect the accurate characterisation of intrinsic properties in fluorinated crystals. In summary, the results of this thesis demonstrate the flexibility of the optical floating zone technique for the growth of high-quality functional oxides and show how structural stability, and functional properties can be modified using specific chemical doping approaches. To optimise scintillation performance in novel garnet-type hosts and to improve the magnetic and electronic behaviour of RP-type nickelates, the combined approach of crystal growth and post-growth modification could provide an additional parameter for material modification.Item Open Access Novel theoretical methods for transition metal chemistry(2025) Safari, Arta A.; Alavi, Ali (Prof. Dr.)Item Open Access Automatic generation of coupled cluster algorithms with application to transcorrelated Hamiltonians(2025) Schraivogel, Thomas; Kats, Daniel (PD Dr.)We have used automatic code generation techniques to derive and implement full transcorrelated coupled and distinguishable cluster methods for accelerated basis set convergence and wave function compactification, leading to increased accuracy with manageable cost. The methods were benchmarked on thermochemical properties and two integral approximations based on normal ordering have been explored. The integral approximations have been shown to reduce the cost of the calculations without significant sacrifices in accuracy. They have paved the way for the very versatile transcorrelated method via exclusion of explicit three-body components (xTC). It has been demonstrated that the distinguishable cluster approximation improves the accuracy of transcorrelated coupled cluster methods. The transcorrelated coupled and distinguishable cluster methods with single and double excitations have been shown to outperform their F12 counterparts and approach the accuracy of CCSD(T)-F12. A two determinant distinguishable cluster method, alongside the traditional version, has been implemented in a new Julia package for electronic structure methods, called ElemCo.jl. The methods have been benchmarked on singlet and triplet excited states of closed-shell molecules and singlet-triplet gaps of diradicals using state-specific orbitals in the delta coupled cluster framework. The distinguishable cluster approximation improved the accuracy of the two determinant coupled cluster method considerably and the two determinant distinguishable cluster method has been shown to provide comparable and sometimes better accuracy than the equation-of-motion coupled cluster methods.Item Open Access Defined polymer architectures enabled by yttrium-mediated ring-opening polymerization of renewable lactones(2025) Hornberger, Lea-Sophie; Buchmeiser, Michael R. (Prof. Dr.)Although global plastic production exceeds 410 million tons annually, less than 0.7 % currently originates from bio-based sources. Given the finite fossil resources and the low biodegradability of conventional plastics, the development of polymers from renewable feedstocks offers considerable potential. This highlights the largely unexploited opportunities offered by renewable monomers. Ring-opening polymerization (ROP) enables the synthesis of polyesters with precise control over molar mass, polydispersity, and architecture, while reversible-deactivation radical polymerization (RDRP) techniques such as atom transfer radical polymerization (ATRP) provide complementary strategies for post-polymerization modification of functional polyesters. This dissertation employs aminoalkoxy bis(phenolate) yttrium complexes for the controlled ROP of lactones from renewable resources, systematically expanding the accessible monomer scope from small, strained four-membered rings to unstrained macrolactones and functional seven-membered terpene-derived lactones. In the first part, the entropy-driven ROP of the 16-membered macrolactone ω pentadecalactone (PDL) was achieved under controlled conditions, affording high-molar-mass poly(ω-pentadecalactone) (PPDL) with moderate polydispersities. Its aliphatic backbone makes PPDL a promising sustainable analogue to polyolefins. Sequential block copolymerization with the four-membered racemic β-butyrolactone (BBL) yielded semi-crystalline materials that integrate the crystalline domains of both homopolymers, enabling tunable material properties. The second part investigated the effect of substitution pattern and stereochemistry on the polymerization kinetics and mechanism of the seven-membered terpene-based (-)-menthide and (+)-carvomenthide, which differ only in the relative positions of their substituents. Kinetic analysis combined with density functional theory (DFT) calculations revealed that subtle stereoelectronic differences strongly impact activation parameters, propagation rates, and susceptibility to side reactions. In (-)-menthide, the isopropyl group adjacent to the reactive ester moiety introduces steric hindrance and increases the activation, whereas the reduced steric demand near the ester in (+)-carvomenthide enables faster propagation but also promotes side reactions. These findings provide valuable guidelines for the rational design of terpene-based lactones. The third part focused on trans (+)-dihydrocarvide (DHC), a seven-membered lactone bearing a pendant isopropenyl group. ROP of DHC produced amorphous poly(dihydrocarvide) (PDHC) with full retention of the double bond. Block copolymerization with semi-crystalline PPDL or syndiotactic poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) introduced crystallinity and phase separation. The pendant double bonds in PDHC were further functionalized via thiol-ene chemistry to generate ATRP macroinitiators, enabling orthogonal grafting-from polymerizations of ethyl acrylate that afforded high-density polyester-based brush architectures. Overall, the combination of yttrium-mediated ROP with orthogonal post-polymerization techniques enables the construction of renewable polyester architectures such as block and graft copolymers that integrate amorphous, semi-crystalline, and functional segments. This modular approach offers a versatile platform to tailor thermal, mechanical, and functional properties, providing new opportunities for advanced biomedical and high-performance materials.Item Open Access Rheological studies, time dependency and orientation of nematic lyotropic liquid crystal gels(2025) Dombrowski, Max; Stubenrauch, Cosima (Prof. Dr.)Item Open Access Synthetic methodologies and design principles of proline derived linkers for potential applications in Metal Organic Frameworks (MOFs)(2025) Dilruba, Zarfishan; Laschat, Sabine (Prof. Dr.)Item Open Access Magnetism and spectroscopy of transition metal complexes : molecular quantum bits and single-molecule magnets(2025) Hunger, David; Slageren, Joris van (Prof. Dr.)
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