Universität Stuttgart
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Item Open Access Synthetic and mechanistic prospects of homogeneous gold catalysis(2009) Pankajakshan, Sreekumar; Hashmi, A. Stephen K. (Prof. Dr.)a) The first chapter of this thesis manifests the exploration of homogeneous gold-catalyzed conversions of furan containing aryl-ynamides and ynol ethers. Enynes boast to be the most explored substrate structures in the realm of homogeneous gold catalysis, whereas the reactivity of ene-ynamides and ene-ynol ethers are much less explored till date.34, 45 Hashmi and co-workers recently reported the homogeneous gold-catalyzed synthesis of phenols from furan containing ynamides/ynol ethers.45e These substrates showed excellent reactivity and selectivity apparently owing to the heteroatom directly attached to the alkyne unit. Impressed with the reactivity and high selectivity of these systems, we decided to explore the catalytic activity of the aryl substituted variants of these compounds. Gold catalysis of aryl-ynamides The aryl-ynamide substrates turned out to be interesting candidates for gold catalysis. The mode of reactivity depended on the tether length. The substrates with two carbon tether underwent a Friedel-Crafts type reaction upon subjected to gold catalysts and furnished benzannulated arenes in moderate to excellent yields (Scheme C). A combination of Ph3PAuCl /AgBF4 (5 mol%, 1:1) in CH2Cl2 or CHCl3 was found to be the best choice of catalyst. The reaction conditions were mild and a broad spectrum of polyarenes and polyheteroarenes were synthesized. The substrates carrying an unactivated arene failed to react even under higher temperature and prolonged reaction time. The gold catalysis of substrates 58r-58t with a longer tether took a completely different pathway and gave rise to cyclopentadiene structures (Scheme D). Similar to shorter tethered substrates, electron withdrawing groups on the arene were not tolerated. b) The second chapter of this thesis deals with the development of gold-catalyzed transformations of furan containing alkynes that prove the potential intermediacy of a cationic intermediate in these types of reactions. The actual electronic state of the intermediate in gold-catalyzed enyne cycloisomerizations is a hot spot in recent scientific reports.20a-c A cyclopropyl "carbene" form of the intermediate has been used by most of the authors. But it is important to note that such a species is yet to be isolated or characterized spectroscopically. Recently Fürstner et al., proposed remarkable experimental evidence for the involvement of the cationic form of this intermediate in gold-catalyzed cyclizations.20a,20c The scenario demands the consideration of the actual electronic state of the intermediate as a mesomeric/tautomeric package of different canonical forms (Scheme H). In the context of this thesis it was found that furyl-alkynes carrying electron donating substituents in the α-position of the tether led to the formation of unexpected five-membered structures (instead of the expected phenols) when subjected to gold catalysts (Scheme I). The observed reactivity pattern for the substrates 116/118 was highly informative and served as an experimental evidence for the significant contribution of the cationic form of the intermediate AO in the mesomeric/tautomeric equilibria shown in the scheme H. A mechanistic proposal based on this intermediate was suggested for this hitherto unknown transformation in the gold catalysis of furyl-alkynes (Scheme J). c) The third chapter of this thesis elaborates the unexpected formation of N,O-acetals from oxanorbornadienes-the potential precursors for phenols- upon exposure to gold and other Lewis acids (Scheme K). AuCl was found to be the best Lewis acid catalyst under the given conditions, and Yb(CF3SO3)3 also showed remarkable reactivity. The generality and the absence of any other products/side products confirmed that the reactions followed general acid catalysis. The observation that there is a net reversal in the connectivity of the tether in the product hinted at a complex mechanism operating in the process. d) The fourth chapter of this thesis describes the investigations carried out on the aerobic oxidation reactions catalyzed by gold. A homogeneous catalytic system comprising of gold(I) chloride, n-butyl lithium and sodium carbonate was developed and was found to oxidize primary aromatic alcohols to aldehydes. The system was poor in activity towards aliphatic and secondary alcohols (Scheme L).Item Open Access Proteinqualitätskontrolle im endoplasmatischen Retikulum : Identifizierung und Charakterisierung von Komponenten des Abbaus missgefalteter sekretorischer Proteine(2003) Hitt, Reiner; Wolf, Dieter H. (Prof. Dr.)Das endoplasmatische Retikulum (ER), der Faltungsort von Proteinen des sekretorischen Systems, besitzt ein komplexes Netzwerk faltungsunterstützender und kontrollierender Proteine. Sekretorische Proteine, die ihre endgültige räumliche Konformation jedoch nicht erlangen, werden dem Ubiquitin-Proteasom-System zum Abbau zugeführt. Dieser Prozess wird im Allgemeinen mit ER-Degradation oder ER-assoziierte Degradation (ERAD) bezeichnet. In der vorliegenden Arbeit wurden drei zur endoplasmatischen Proteinqualitätskontrolle gehörende Themengebiete bearbeitet: Als erstes wurde die Klonierung des bisher unbekannten DER7 Gens mit Hilfe der isolierten ERAD Mutante der7-1 durchgeführt. Danach erfolgte eine weitergehende Charakterisierung des Der1 Proteins und der Vergleich mit den Der1-Homologen Ydr411c (S. cerevisiae) und R151.6 (C. elegans). Zuletzt wurde der Einfluss einiger zytosolischer Chaperone auf den Abbau des ERAD Modellsubstrats CPY* untersucht. Die bisher nicht charakterisierte ERAD Mutante der7-1 bewirkt einen verlangsamten Abbau der ERAD Substratproteine CPY* und PrA*. Zusätzlich ist die Beweglichkeit dieser Proteine im elektrischen Feld verringert. Es konnte gezeigt werden, dass dies auf eine defekte Prozessierung der N-Glykoside im endoplasmatischen Retikulum zurückzuführen ist. Durch Kreuzen des der7-1 Allels mit Nullmutanten von Glukosidase I und II, durch Komplementation mit plasmidkodierter Glukosidase I und durch meiotische Kartierung wurde gefunden, dass DER7 mit CWH41 identisch ist. CWH41 kodiert für das Enzym Glukosidase I, welches bei der Prozessierung der Oligosaccharide im endoplasmatischen Retikulum einen terminalen alpha1,2-Glukoserest entfernt. Korrekt getrimmte Oligosaccharide scheinen daher für eine effiziente Proteindegradation notwendig zu sein. Das bestätigt sich durch den, für Doppelmutanten des ERAD und der „unfolded protein response“ (UPR) typischen, temperaturabhängigen Wachstumsdefekt von der7-1 deltaire1 Mutanten. Das Protein Der1 wurde schon in früheren Arbeiten als eine Komponente der ERAD-Maschinerie identifiziert. Bisher wurde jedoch eine Beteiligung nur am Abbau einiger löslicher missgefalteter Proteine nachgewiesen. Durch den Vergleich des Der1 abhängigen Abbaus von löslicher CPY* und membranständigem CTG* (CPY*-Transmembrandomäne-GFP) konnte nun gezeigt werden, dass die Funktion von Der1 unabhängig von der Missfaltung ist und sich wahrscheinlich auf die Degradation löslicher Proteine beschränkt. Eine topologische Charakterisierung von Der1 zeigte, dass der N- und der C-Terminus im Zytosol lokalisiert sind und Der1 insgesamt vier Transmembrandomänen besitzt. Es wurde außerdem gefunden, dass Der1 sehr empfindlich auf Veränderungen am Protein reagiert. Einzig kleinere Modifikationen des C-Terminus, wie das Einfügen eines einzelnen HA-Epitops oder einer N-Glykosylierungs-Konsensussequenz, erhalten die Funktionalität des Proteins. Um potentielle Interaktionspartner von Der1 zu finden, wurde nach High-Copy-Suppressoren der Temperatursensitivität von der1-2 deltaire1 Doppelmutanten gesucht. Es wurden 19 Genbankplasmide erhalten, die im Genbankinsert weder DER1 noch IRE1 enthielten. Ihre Wirkungsweise ist jedoch möglicherweise indirekt, da der Abbau von CPY* durch ihre Expression in der1-2 Mutanten nicht wiederhergestellt wurde. Die fortschreitende Genomsequenzierung ermöglichte inzwischen die Identifizierung einer „Der1-ähnlichen“ Familie mit mehr als 15 Vertretern aus den unterschiedlichsten Organismen. Zwei dieser homologen Proteine sind Ydr411c aus S. cerevisiae und R151.6 aus C. elegans. Das Der1 homologe Protein Ydr411c wurde wegen seiner Zugehörigkeit zur „Der1-ähnlichen“ Familie Dfm1 (Der1-like family member) benannt. Ebenso wie Der1, besitzt Dfm1 einen zytosolischen C-Terminus und ist im endoplasmatischen Retikulum lokalisiert. Im Gegensatz zur deltader1 deltaire1 Doppelmutation, führt die deltadfm1 deltaire1 Doppeldeletion jedoch nicht zu temperatursensitiven Hefestämmen. Des Weiteren konnte nur ein äußerst schwacher Einfluss von Dfm1 auf den Abbau des ERAD Substrats CPY* festgestellt werden. Das C. elegans Protein R151.6 hingegen, scheint dieselbe Funktion wie Der1 der Hefe auszuüben. Seine heterologe Expression in deltader1 deltaire1 Doppelmutanten hob die konditionale Letalität dieses Stamms auf. Das deutet darauf hin, dass die Funktion von Der1 auch in höheren Organismen konserviert ist. Als weiteres stellte sich die Frage ob die zytosolischen Chaperone der Hsp90 und Hsp100/Clp am Abbau löslicher ERAD Substrate beteiligt sind. Die in dieser Arbeit getesteten deltahsc82, deltahsp82, deltasti1, deltasba1 und deltahsp104 Nullmutanten zeigten jedoch keinen Einfluss auf die Abbaugeschwindigkeit von CPY*. Ob zytosolische Chaperone generell nur beim Abbau von Membransubstraten eine Rolle spielen, müssen weitere Untersuchungen zeigen.Item Open Access Einfluss der Herstellungsparameter auf die mechanischen Eigenschaften von Si-(B-)C-N-Precursorkeramiken(2002) Bauer, Arndt; Aldinger, Fritz (Prof. Dr.)Ziel dieser Arbeit ist es, den Herstellungsprozess für Precursorkeramiken zu optimieren und den Einfluss einzelner Herstellungsparameter auf die Eigenschaften und insbesondere auf die Hochtemperaturkriechverformung von Si-(B)-C-N-Precursorkeramiken zu charakterisieren. Am Beispiel eines kommerziell erhältlichen Polysilazans Ceraset werden als wichtigste Parameter die Vernetzungstemperatur der Polymere, die Polymerpartikelgröße nach dem Mahlen und Sieben sowie die Press- und Pyrolysebedingungen betrachtet. Dabei zeigt sich, dass die geringste Porosität einer Keramik, die über das Pressen von Polymerpulver erhalten werden kann, bei etwa 11 % liegt. Es stellt sich heraus, dass vor allem die Porosität des gepressten Grünlings für die Enddichte der Keramik ausschlaggebend ist und im optimalen Fall etwa 7 % beträgt. Von spezieller Bedeutung ist dabei die offene Porosität. Die nach außen offene Porenkanäle werden benötigt, um während der Pyrolyse ein Entweichen der Gase aus dem Grünling zu ermöglichen. Die Porosität des Grünlings hängt von der Viskosität des Polymers während des Pressvorgangs ab und kann deshalb über die Parameter Vernetzungsgrad und Warmpresstemperatur gesteuert werden. Zusätzlich zur Dichte und Hochtemperaturstabilität werden weitere Eigenschaften wie die Hochtemperaturverformung, die Bruchzähigkeit, der Elastizitätsmodul und die Biegefestigkeit von Precursorkeramiken in Abhängigkeit von den Herstellungsbedingungen ermittelt. Eine simultane Maximierung aller untersuchten Eigenschaften ist nicht möglich, so dass für bestimmte Anforderungsprofile Kompromisse gesucht werden müssen. Als Parameter mit der größten Wirkung auf die Eigenschaften hat sich die Partikelgröße erwiesen. Große Partikel haben einen positiven Einfluss auf die Bruchzähigkeit und die Hochtemperaturstabilität, wohingegen kleine Partikel sich vorteilhaft auf die Hochtemperaturkriechverformung und die Biegefestigkeit auswirken. Die Hochtemperaturverformung wurde durch Experimente bei konstanten Spannungen und Temperaturen zwischen 1350 und 1500 °C untersucht. Es wurde eine detaillierte Charakterisierung der Zeit-, Spannungs- und Temperaturabhängigkeit sowohl unter Druck- (bis 300 MPa) als auch unter Biegebeanspruchung (bis 50 MPa) durchgeführt. Dabei wird bei beiden Beanspruchungsarten selbst bei einer Versuchsdauer von bis zu zwei Wochen kein stationäres Kriechen beobachtet. Die Dehnraten sinken vielmehr auf Werte unterhalb der Nachweisgrenze ab. Es wird versucht, das Freie-Volumen-Modell, das ursprünglich zur Beschreibung der Relaxation in metallischen Gläsern entwickelt und inzwischen vor kurzem erfolgreich auf Precursorkeramiken übertragen wurde, auch bezüglich der Gültigkeit für die hier untersuchten Materialien zu überprüfen.Item Open Access Thermal cycling creep of a fiber reinforced aluminum alloy(2000) Flaig, Alexander; Arzt, Eduard (Prof. Dr.)In der vorliegenden Arbeit wurde das Kriechverhalten eines Metall-Matrix-Verbundwerkstoffes unter thermozyklischen Bedingungen untersucht. Bei dem Werkstoff handelt es sich um eine eutektische Al-Si Legierung, die mit 15 Vol.% diskontinuierlicher Aluminiumoxid-Fasern verstärkt wurde. Fortgeschrittene Methoden der mechanischen Hochtemperaturprüfung wurden verwendet, um die spannungsabhängige Verformungsrate während der thermischen Zyklen zu messen. Speziell untersucht wurden die Einflüsse der Maximaltemperatur, der thermischen Amplitude, von Haltezeiten, des Vorzeichens der Belastung und der Orientierung der Verstärkung untersucht. Bei geringen Spannungen wurde im Vergleich zu isothermen Bedingungen eine Beschleunigung des Kriechens gefunden und der beobachtete Spannungsexponent sank auf kleine Werte. Eine genaue Analyse der Dehnungen in einzelnen Zyklen lieferte Belege für das Vorhandensein beträchtlicher inelastischer Dehnungen, die sich von Halbzyklus zu Halbzyklus gegenseitig größtenteils kompensierten. Ein kontinuumsmechanisches Modell wurde aufgestellt, das den Verbundwerkstoff durch zwei aufeinander gestapelte und sich homogen verformende Platten annäherte. Das Modell wurde verwendet, um auf Basis von berechneten inneren Spannungen die Kriechraten und die innerzyklische Dehnungsentwicklung unter thermozyklischen Bedingungen zu erklären und vorherzusagen. Die experimentell gemachten Beobachtungen wurden im Vergleich zu den Simulationsergebnissen interpretiert und diskutiert. Die beobachteten Phänomene konnten auf Basis des Modells erklärt werden. Das Material zeigte ausgeprägtes Übergangsverhalten beim Be- und Entlasten. Dieses wurde mit Hilfe von spannungszyklischen Kriechexperimenten näher untersucht. Das Phänomen des Rückwärts-Kriechens nach äußerer Entlastung wurde ausgenutzt, um Effekte der Last-Übertragung von der Matrix auf die Fasern zu untersuchen und um auf die Entwicklung der Dehnrate eines Verbundwerkstoffes zurückzuschließen.Item Open Access Experimental and computational phase studies of the ZrO2-based systems for thermal barrier coatings(2006) Wang,Chong; Aldinger, Fritz (Prof.)The ZrO2-based materials are practically important as the thermal barrier coatings (TBC) for high temperature gas turbines, due to their low thermal conductivity, high temperature thermal stability and excellent interfacial compatibility. Studies of the phase equilibira, phase transformation, and thermodynamics of the ZrO2-based systems can provide the necessary basic knowledge to develop the next generation TBC materials. In the thesis, the systems ZrO2 - HfO2, ZrO2 - LaO1.5, ZrO2 - NdO1.5, ZrO2 - SmO1.5, ZrO2 - GdO1.5, ZrO2 - DyO1.5, ZrO2 - YbO1.5 and ZrO2 - GdO1.5 - YO1.5 were experimentally studied. The samples were prepared by the chemical co-precipitation method, with aqueous solutions Zr(CH3COO)4, HfO(NO3)2, and RE(NO3)3×xH2O (RE=La, Nd, Sm, Gd, Dy, Yb) as starting materials. Various experimental techniques, X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), electron probe microanalysis (EPMA), transmission electron microscopy (TEM), differential thermal analysis (DTA), and high temperature calorimetry were employed to study the phase transformation, phase equilibria between 1400 and 1700°C, heat content and heat capacity of the materials. A lot of contradictions in the literature were resolved and the phase diagrams were reconstructed.Item Open Access Segregation and phase transformations at interfaces(2004) López, Gabriel Alejandro; Mittemeijer, Eric Jan (Prof. Dr. Ir.)Important properties of metallic materials are strongly influenced by the behavior of interfaces, e.g. grain boundaries and free surfaces. Therefore the understanding of processes, which can change this behavior, have become of great importance from both the theoretical and the practical point of view. To these processes belong the grain boundary and surface segregation, the discontinuous precipitation as well as the grain boundary wetting. A particular goal of this work was to investigate the grain boundary and surface segregation in the Cu-Bi system under exactly the same conditions. The diffusivities of moving grain boundaries was determined in the Cu-In system applying, for the first time, a local analysis of growth kinetics of the discontinuous precipitation reaction. The Al-MG and Al-Zn systems were studied systematically regarding grain boundary wetting, in order to find an explanation for the enormous superplastic behavior of alloys based on these systems. The grain boundary and surface segregation were studied in the Cu-Bi system under identical conditions by using a special sample preparation procedure. After annealing of the samples at temperatures between 1073 and 1223 K segregation of Bi at grain boundaries and internal free surfaces in Cu bicrystals was accomplished. For the first time, Bi segregation at free surfaces was determined under equilibrium conditions. The segregation of Bi at the free surfaces was clearly stronger than at the grain boundaries. The morphology and kinetics of the discontinuous precipitation reaction were comprehensively studied in a Cu-4.5 At,% in alloy. Special attention was given to the determination of the concentration gradients remaining in the solute-depleted matrix. The grain boundary diffusion coefficient was determined applying a local interpretation of growth kinetics and thus the discrepancy between two differently models was eliminated. Finally the wetting behavior in Al-Mg and Al-Zn alloys was studied by a metallographic investigation. With this purpose cross-sections of samples with different compositions, which had been annelaed at different temperatures, were prepared and examined afterwards. The wetting behavior plays a substantial role regarding the mechanical characteristics of these alloys. For the first time, the formation of a second solid layer at the grain boundaries was disccussed in terms of wetting by a solid phase. During the accomplished investigations the possibilities of the analytic transmission electron microscopy were mainly used. Concentration profiles within nm range could be determined thanks to the high resolution of this technique. Furthermore Auger electron spectroscopy, light and scanning electron microscopy, as well as microanalysis and X-ray diffraction analyses were used, in order to achieve the above-mentioned goals of this work.Item Open Access Using spin polarised positive muons for studying guest molecule partitioning in soft matter structures(2007) Martyniak-Stronczek, Aleksandra; Roduner, Emil (Prof. Dr.)The intention of this thesis is to explore the effect of guest molecules on the structure of diverse soft matter architectures, and thus the stability of the entire systems. More specifically, we focus on the determination of the factors that affect partitioning of fragrance components in emulsions and microemulsions, including various lyotropic liquid crystalline mesophases of cationic and anionic surfactants. It is well known that the most common fragrance materials are created based on the mixtures of aliphatic alcohols or/and phenyl alcohols. Until recently, however, qualitative and quantitative studies of the guest molecule partitioning into the surfactant membrane have been performed mostly for short, medium and long chain aliphatic alcohols. In consequence, in the literature arose a gap of information on the distribution of alcohols containing an aromatic group into colloidal surfactant dispersions. Hence, to fill at least partly this gap, the probes used in this work are muoniated cyclohexadienyl radicals derived from five different phenyl alcohols: 2-Phenylethan-1-ol (n = 2), 3-Phenylpropan-1-ol (n = 3), 4-Phenylbutan-1-ol (n = 4), 5-Phenylpentan-1-ol (n = 5) und Para-propyl-2-phenylethan-1-ol (n = 2 + 3). The variation of their hydrocarbon chain length (distinguished by the number, n, of CH2 groups in their hydrocarbon chain) changes their hydrophobicity, and this is expected to affect their partitioning between the aqueous and the hydrocarbon moiety of the surfactant dispersion, which is the main focus of the present study. Furthermore, a detailed understanding of solvation thermodynamic properties and reorientational dynamics of the chosen species, including Heisenberg spin exchange in order to confirm the interpretation of particular aspects, is also presented here. Common methods for the investigation of a variety of soft matter structures, such as spherical micelles, vesicles, lamellar, rectangular, hexagonal and cubic phases or bi-continuous sponge type structures include light, X-ray and neutron scattering, and measurements of calorimetric and rheological properties. Nuclear magnetic resonance is a powerful tool for the study of the dynamics of specific molecules or groups, or also of the entire structures. For the same purpose but with higher sensitivity, fluorescent dye molecules or spin labels are introduced as guests or bound to the amphiphile in specific positions, permitting optical spectroscopy (UV-Vis) or electron spin resonance studies, respectively. Technical applications may require other types of guest molecules to be introduced into these structures. Prominent examples are drug molecules for their delivery to specific sites in the body, or skin care, dyes and fragrance molecules in day care products or additives to food. They are often needed in low concentrations (because of the limited solubility or high toxicity, etc.) that makes it difficult to monitor them with conventional methods at a molecular level. For these reasons we used here a special experimental technique which permits highly sensitive spectroscopy, the Avoided Level Crossing Muon Spin Resonance (ALC-mSR). ALC-mSR relies on a unique property of the positive muon, i.e. where it becomes attached to a C=C double bond or phenyl group via addition of the muonium atom (Mu), which can be regarded as a light hydrogen isotope. Mu addition to unsaturated molecules produces radicals that contain the muon as a fully polarized spin label which reveals information about the structure, kinetics, distribution and solvation thermodynamics of such radicals even under extremely dilute conditions in different colloidal dispersions. Moreover, the high spin polarisation and the single particle counting technique make the muon an exceptionally sensitive probe. It has been already shown that ALC-mSR has so far found applications for the investigation of muonium-substituted free radicals in various environments, for example in the gas phase, in polymers, in liquid crystals, in zeolites, and also for Mu in semiconductors and for muons in metals. This time, however, to prove that this method is also suitable to apply in more complex (multicomponent) systems than described above, the ALC-mSR serves here as a tool for sensitive monitoring of the local environment and reorientational dynamics of muoniated radicals (kept at very low concentrations) in ternary and quaternary surfactant mixtures. Thus, it is a successive challenge of these studies to show that the muoniated radical can be treated as a spectator of the changes in the properties of diverse surfactant systems at a molecular level.Item Open Access In-situ radiation grafting of polymer films and degradation studies of monomers for applications in fuel cell membranes(2007) Mitov, Svetlin; Roduner, Emil (Prof. Dr.)The present work consists of three parts which deal with the optimization of the properties of polymers finding application as proton exchange membranes in PEMFCs. The focus is the oxidative and photochemical stability of non-fluorinated polymer membranes, as well as the radiation-induced grafting of commercially available fluoropolymer films. The use of the ESR technique is common for the first two parts of the dissertation. The third part comprises the results and discussions of DFT calculations for non-fluorinated and fluorinated fragments. In order to predict hydroxyl radical initiated degradation of new proton conducting polymer membranes based on sulfonated polyetherketones and polysulfones, five non-fluorinated aromatics (4,4'-sulfonyldiphenol, bisphenol A, 4,4'-diphenol, 4,'-dihydroxybenzophenone and sulfonated 4,4'-dichlorodiphenylsulfone) are chosen as model compounds for ESR experiments, aiming at the identification of products of HO· radical reactions with these monomers. Direct photolysis of aqueous solutions of H2O2 was chosen as the source of HO· radicals. In order to distinguish HO· radical attack from direct photolysis of the monomers, experiments were carried out in the presence and absence of H2O2. In the second part of the present work three different electron beam irradiated fluoropolymers - poly(ethylene-alt-tetrafluoroethylene), poly(tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene) and poly(vinylidenefluoride), as well as their grafting reactions with styrene, 25% styrene in benzene and 25% styrene in ethanol are investigated by means of ESR. Firstly, it was possible to compare the radiation chemistry of the three fluoropolymers that have been irradiated using the same irradiation source, doses and atmospheres. Secondly, it was possible to compare the decay of radicals in the different fluoropolymers by carrying out in-situ ESR measurements in a similar systematic manner during the radiation grafting process, aiming at an understanding of the influence of the irradiation atmosphere and of the diluent. In addition, in the radiation grafting of polymer films with styrene for fuel cell applications it is important to control whether the polystyrene chain is grafted onto a peroxy or a carbon centered radical. Thus thermodynamic properties of small alkyl and alkyl-peroxy radicals are studied to model primary, secondary and tertiary radicals in non-fluorinated and perfluorinated polymers and a comparative DFT study is conducted. Furthermore, it is shown based on DFT calculations that pronounced spin polarization effects lead to unexpected behavior of the hyperfine anisotropy. This is demonstrated by comparison of the parameters of CF3·CF2, both in its fully optimized non-planar and in a forced planar conformation, with those of the analogous non-fluorinated and essentially planar CH3·CH2 radical. A B3LYP or UB3LYP hybrid functional and 6-311+G** or EPR-II basis sets are used, and all calculations are performed with the Gaussian package.Item Open Access Untersuchungen fluider Systeme mit Computersimulationen und Neutronenbeugungsexperimenten(2004) Kreitmeir, Markus; Bertagnolli, Helmut (Prof. Dr.)Die vorliegende Arbeit zeigt, dass das Zusammenspiel von Neutronenbeugungsexperimenten und Computersimulationen sich als äußerst produktiv hinsichtlich der Untersuchung der Struktur von Fluiden erweist. Durch die durchgeführten Hochdruckneutronenbeugungsexperimente wurden Strukturinformationen für einen großen Bereich thermodynamischer Zustände zugänglich. Die experimentellen Daten sind mit Hilfe von Computersimulationen genauer analysiert worden. Zu früheren Hochdruckmessungen an flüssigem und überkritischem Fluorwasserstoff wurden ab initio Molekulardynamik Simulationen nach der Methode von Car und Parrinello durchgeführt. Diese beschreiben die Änderung der Struktur des Systems sehr gut. Wegen des großen rechnerischen Aufwands wurden diese Simulationen am HLRS, dem Stuttgarter Höchstleistungsrechenzentrum, durchgeführt. Es wurden außerdem die vom Fluorwasserstoff gebildeten Assoziate analysiert. Es ließ sich zeigen, daß die Größe der Assoziate mit zunehmender Temperatur und abnehmender Dichte abnimmt. Aus den ab initio Simulationen konnten darüber hinaus die Änderung der Bindungslänge sowie des Dipolmoments des Fluorwasserstoffmoleküls mit Temperatur und Dichte hervorragend beschrieben werden. Weiterhin konnten dynamische Größen bestimmt werden. Die gewonnenen Daten sind in sehr guter Übereinstimmung mit experimentellen Werten, soweit diese existieren. Für diese Zustände von Fluorwasserstoff wurden auch force field Simulationen mit zwei bekannten Paarpotentialen gemacht. Außerdem wurde in dieser Arbeit ein neues Potential vorgestellt, das die Struktur des Fluorwasserstoffs am besten beschreibt. Nur bei einem literaturbekannten Paarpotential waren Aussagen über Bindungslänge und Dipolmoment möglich, die Resultate waren aber – im Gegensatz zu den Car-Parrinello Simulationen – nicht befriedigend. Bei Aufenthalten am Forschungsreaktor am Institut Laue-Langevin in Grenoble (F) und der Spallationsquelle ISIS nahe Oxford (GB) wurden Neutronenbeugungsexperimente an Fluorwasserstoff in der Gasphase sowie an überkritischem Methan durchgeführt. Die experimentellen Daten gasförmigen Fluorwasserstoffs weisen eine starke Abhängigkeit der Nahordnung mit der Dichte des Systems auf. Zu diesen Zuständen wurden wiederum force field Simulationen durchgeführt. Die experimentellen Daten konnten unter anderem mit Hilfe des neu entwickelten Potentials erklärt werden. Es konnte gezeigt werden, daß auch die Gasphase aus kurzen Fluorwasserstoffketten besteht; es existieren aber auch oligomere Ringe. Die Neutronenbeugungsexperimente an Deuteromethan und Methan vervollständigen eine Reihe von Experimenten, mit der die Nahordnung des Systems eingehender untersucht werden sollte. Weiterhin wurden bereits ermittelte Streudaten einer CD4/CH4 Mischung ausgewertet. Die Daten des reinen Methans erwiesen sich wegen der hohen inkohärenten Streuung des Wasserstoffs als nicht verwertbar. Genauere Strukturinformationen des Systems konnten mit Hilfe von EPSR Simulationen erhalten werden. Diese auf der Monte-Carlo Methode basierenden Simulationen führen eine Verbesserung gegebener Paarpotentiale mit Hilfe experimenteller Streudaten durch. Es konnte gezeigt werden, daß Systeme mit einfachen intermolekularen Wechselwirkungen durch Paarpotentiale ausreichend gut beschrieben werden können. Bei komplexeren intermolekularen Wechselwirkungen versagen diese aber im allgemeinen. Die Struktur fluiden Fluorwasserstoffs wird durch ab initio Simulationen deutlich besser wiedergegeben, als es Paarpotentiale vermögen. Außerdem besitzen die Car-Parrinello Simulationen die Fähigkeit, umfassende Aussagen über die Struktur und die Dynamik von Systemen zu machen. Aufgrund von Beschränkungen, die klassischen Modellen auferlegt werden – wie z.B. ein fester Bindungsabstand -, ist dies bei force field Simulationen nicht unbedingt möglich.Item Open Access Microbial aldolases as C-C bonding enzymes : investigation of structural-functional characteristics and application for streoselective reactions(2006) Inoue, Tomoyuki; Sprenger, Georg (Prof. Dr.)Carbon-carbon bonding enzymes can be attractive alternatives to standard chemical methods by allowing chiral control, taking advantage of mild reaction conditions and minimizing the use of protecting groups in reactions. Fructose-6-phosphate aldolase (FSA) from Escherichia coli catalyses reversibly the cleavage of D-fructose-6-phosphate into dihydroxyacetone (DHA) and D-glyceraldehyde-3-phosphate (GAP). In addition, the enzyme creates new building blocks with 3S, 4R configuration by use of DHA as donor and various aldehydes as acceptor. The goal of this work was to investigate FSA and compare it with the transaldolase from Bacillus subtilis (TALBsu) which is similar both in sequence and structure to FSA (30% identical in amino acid residues). This should help to elucidate relationships between structure and function of both enzymes, and possible applications for FSA and TALBsu for the production of valuable sugars or sugar derivatives. Both fsa and talBsu genes were cloned with Histidine tags (6x or 10x His-tag) at the N- or C-termini to facilitate purification of the proteins. However, none of these fusion proteins (N-tagged FSA, C-tagged FSA, N-tagged TALBsu, C-tagged TALBsu) retained the complete enzyme activity. Both N-tagged FSA and TALBsu did not bind to Ni-NTA column, whereas both C-tagged enzymes bound to the resin and they could be purified. Concerning quaternary structures, N- or C-tagged TALBsu formed dimer or pentamer, while both His-tagged FSAs kept the decamer structures. This result demonstrated that His-tag would give negative influences on both FSA and TALBsu, and it was unsuitable for assay of those enzymes. In addition, FSA had different structural stability from that of TALBsu. To examine the importance of several residues at the active center in FSA, three FSA mutants (Q59E, Y131A and Y131F) were prepared so as to have the corresponding amino acid residues that are present in TALBsu and several other TALs (Gln -> Glu, Tyr -> Phe). The purified FSA Q59E protein retained approximately 66% of the wild type (WT) activity, whereas both Y131A and Y131F were completely inactive, though all three retained their decameric structures. From three-dimensional structural analysis of FSA Q59E (by the group of G. Schneider at Karolinska Institute, Stockholm), it appeared that the mutant protein's structure is identical to WT. Each mutant lost stability at high temperature and was thus denatured by heat treatment (75°C, 40min). This suggested that the Tyr131 residue has an important role for FSA activity. Indeed, a hydroxyl group at the phenyl moiety of the residue appears to be indispensable for the catalytic reaction, as the structural balance of FSA was lost by the alteration of Tyr131. Another mutant of FSA, A129S, was assayed for its synthetic capability and compared with FSA WT. Both WT and A129S catalyzed two reactions using DHA as donor with formaldehyde or glycolaldehyde as acceptor and produced S-erythrulose or D-xylulose, respectively. However, A129S showed much higher activity thus yielding larger amounts of products. On the other hand, almost no difference was observed in catalytic ability between WT and A129S for a reaction using hydroxyacetone as donor. It is supposed that a hydroxyl moiety of DHA interacts with the hydroxyl group of Ser129 in FSA A129S via a hydrogen bond and changes the affinity of the enzyme towards DHA. As further synthetic reactions, aminoaldehydes were assayed as acceptors for FSA. FSA recognized N-Cbz-3-aminopropanal with DHA and an aldol adduct (a precursor of fagomine) was produced even at 4 °C (performed by the group of P. Clapes in CSIC, Barcelona). This indicates a high utility of FSA in organic syntheses, the enzyme indeed could recognize large molecules including a benzene ring as acceptor and retains catalytic ability at rather low temperature. To evolve diverse catalytic abilities of FSA and progress further application of the enzyme, random mutagenesis was adopted by use of error prone PCR technique. As a result, various mutant proteins were acquired with the alteration of 1 to 6 residues per gene. This implies that FSA mutants can be prepared with this technique and enzyme libraries could be created. To compare FSA with TALBsu in structure, wild-type TALBsu was cloned in E. coli and purified. Three-dimensional structure analysis (by T. Sandalova in the group of G. Schneider in Karolinska Institute, Stockholm) revealed that the enzyme is a decameric protein (10 subunits of 23kDa) resulting from the dimerization of two identical pentamers. This makes TALBsu highly similar to FSA in structure with the exception only of a shorter C-terminal helix. TALBsu was tolerant of high temperature as FSA (at 75°C for 30-40min), and recognized different aldehydes or their phosphate derivatives as acceptors (Fru6P as donor). DHA was utilized as donor at a specific activity of about 10% of a reaction using Fru6P. Eight chimera proteins (chimera1-8) consisting of parts of FSA and progressively truncated TALBsu were designed and overexpressed in E. coli to probe structural determinants for each enzyme. However, several chimera samples (chimera1, 3, 6) showed only faint protein bands on SDS-PAGE and two (chimera2, 7) were not detected. All cell-free extracts of chimera proteins showed neither FSA nor TALBsu activity.