| License: Publishing license for publications including print on demand (17MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-340485
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.34048
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 3 July 2017 |
| Referee: | Prof. Dr. Burkhard König |
| Date of exam: | 1 July 2016 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Lehrstuhl Prof. Dr. Burkhard König |
| Keywords: | vesicles cooperative photocatalysis screening hydrolysis membrane interface |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 34048 |
Abstract (English)
were examined and successfully applied to enhance the aqueous hydrolysis of active esters and the upconversion of light. In addition, a fast screening technique for visible light photocatalysis reactions was developed. Chapter 1 briefly introduces into the topic of functionalised vesicles and explains the design of the projects in this thesis spanning from cooperative effects on functionalised ...
Abstract (English)
were examined and successfully applied to enhance the aqueous hydrolysis of active esters and the upconversion of light. In addition, a fast screening technique for visible light photocatalysis reactions was developed. Chapter 1 briefly introduces into the topic of functionalised vesicles and explains the design of the projects in this thesis spanning from cooperative effects on functionalised vesicles to the development of a screening technique. Chapter 2 presents the concept of cooperative hydrolysis on the surface of membranes. Hydrolytic activity is provided by vesicles functionalised with an amphiphilic zinc complex, which acts as a Lewis acid and is able to hydrolyse aryl esters. We showed that co-embedding of different membrane additives into the surface of the vesicles increases the hydrolytic rate up to 16-fold. We examined different lipids and observed the highest cooperative enhancement of hydrolysis in fluid DOPC membranes. Mechanistic studies suggested that in such fluid membranes the reactions follow a Michaelis-Menten saturation kinetic, while in rigid DSPC vesicles second order kinetics are observed. Chapter 3 shows that, not only catalytic activity of functionalised vesicles can be enhanced using membrane additives, but also the selectivity. By co-embedding of an amphiphilic nonchiral hydrolysis catalyst with amphiphilic chiral additives into the membrane of a phospholipid vesicle we were able to introduce enantioselectivity to a non-chiral catalyst. This was shown for enantiomerically pure amino acid esters, which in the presence of an appropriate chiral additive show a twofold enhancement of the hydrolysis rate of one enantiomer. In Chapter 4 we tried to simplify the concept of functionalised vesicles for hydrolysis and instead of using custom made amphiphilic metal complexes we examined the direct adsorption of lanthanide ions onto the surface of the vesicles. We show that their interaction with vesicles prepared from zwitterionic phosphatidylcholine lipids provides soft particles with surface functionalised with lanthanide ions. This was confirmed via sensitisation of europium ions by pyrene that was co-embedded inside the phospholipid bilayer. Such assembly provides a high density of Lewis-acidic metal centres, which hydrolyse phosphodiesters 17 times faster compared to homogeneous aqueous lanthanide solutions. Chapter 5 is a study on triplet-triplet annihilation upconversion process in vesicles. We show that such light upconverting soft particles can be made on the basis of fluid DOPC vesicles in aqueous media. This process consists of the interaction between two sets of dyes (sensitizer and annihilator). We studied the effect of their position in the membrane on the upconversion efficiency: High local concentration of the dyes in the membrane increases the intensity of the detected delayed fluorescence. This was observed whether the dyes were on the surface of the bilayer or inside. Crucial for the upconversion to take place in vesicles is the fluidity of the membrane. In rigid membranes no upconversion is observed. In Chapter 6 we developed a high throughput screening technique for photocatalytic transformations using known indicators and microtiter plate instrumentation. Photocatalytic reactions often produce beside the desired products a stoichiometric by-product, such as reactive oxygen species or acids. These can be easily detected by an indicator allowing to perform 96 reactions at once and evaluate the reaction conversion by addition of the indicator measuring its absorbance. The concept is able to reproduce reported reaction results and correlates well with GC analysis. We used this system for identifying two new catalysts for the hydroxylation of boronic acids. We successfully employed the technique for photochemical reductions, monitoring the formation of aryl radicals from aryl halides. To confirm the robustness of the method for different substrates we screened various drugs bearing an aryl halide moiety and identified two new dehalogenation reactions.
Translation of the abstract (German)
Im Rahmen dieser Arbeit wurden kooperative Effekte auf der Oberfläche funktionalisierter Vesikel untersucht und erfolgreich zur Verbesserung wässriger Hydrolyse aktiver Ester und zur Aufkonversion von Licht eingesetzt. Zusätzlich wurde eine schnelle Screening-Methode für photokatalytische Reaktionen entwickelt. Kapitel Eins gibt einen kurzen Überblick über das Thema funktionalisierter Vesikel ...
Translation of the abstract (German)
Im Rahmen dieser Arbeit wurden kooperative Effekte auf der Oberfläche funktionalisierter Vesikel untersucht und erfolgreich zur Verbesserung wässriger Hydrolyse aktiver Ester und zur Aufkonversion von Licht eingesetzt. Zusätzlich wurde eine schnelle Screening-Methode für photokatalytische Reaktionen entwickelt. Kapitel Eins gibt einen kurzen Überblick über das Thema funktionalisierter Vesikel und erläutert die Planung der einzelnen Projekte dieser Arbeit, die von kooperativen Effekten auf funktionalisierten Vesikeln bis zur Entwicklung einer neuen Testmethode für photochemische Reaktionen reichen. Kapitel Zwei stellt das Konzept einer kooperativen Hydrolyse auf Membranoberflächen vor. Die hydrolytische Aktivität wird dabei durch Vesikel bereit gestellt, die mit einem amphiphilen Zinkkomplex funktionalisiert wurden. Dieser fungiert als Lewis-Säure und ist in der Lage Arylester zu hydrolysieren. Es wurde gezeigt, dass die gemeinsame Verankerung von verschiedenen Membranadditiven in der Vesikeloberfläche die Hydrolyserate um das 16-fache steigert. Verschiedene Lipide wurden untersucht und die größte Steigerung der kooperativen Hydrolyse konnte mit fluiden DOPC-Membranen beobachtet werden. Mechanistische Studien weisen darauf hin, dass Reaktionen in solch fluiden Membranen einer Michaelis-Menten Sättigungskinetik folgen, während in rigiden DSPC Vesikeln eine Kinetik nach zweiter Ordnung beobachtet wird. In Kapitel Drei wird gezeigt, dass durch Additive in der Membran nicht nur die katalytische Aktivität von funktionalisierten Vesikeln gesteigert werden kann, sondern auch deren Selektivität. Durch gleichzeitige Einlagerung eines amphiphilen nicht chiralen Hydrolysekatalysators zusammen mit chiralen amphiphilen Additiven in die Membran eines Phospholipidvesikels, waren wir in der Lage einem nicht chiralen Katalysator Enantioselektivität zu verleihen. Dies wurde anhand der Hydrolysegeschwindigkeit enantiomerenreiner Aminosäureester gezeigt. In Anwesenheit eines geeigneten chiralen Additives verdoppelt sich die Hydrolyserate nur eines Enantiomers. Kapitel Vier stellt einen einfachen Weg zu funktionalisierten Vesikel für die Hydrolyse vor. Anstelle von individuell synthetisierten amphiphilen Metalkomplexen, wurde eine direkte Adsorption von Lanthanoidionen auf die Vesikeloberfläche untersucht. Wir konnten zeigen, dass deren Wechselwirkung mit Vesikeln, hergestellt aus zwitterionischem Phosphatidylcholin, zu oberflächenfunktionalisierten Partikeln führt. Durch Sensibilisierung von Europiumionen mit Pyren, das in die Phospholipiddoppelschicht eingelagert wurde, konnte dies bestätigt werden. Diese Art der Funktionalisierung liefert eine hohe Dichte an Lewis-sauren-Metal-Zentren, welche Phosphodiester im Vergleich zu homogenen wässrigen Lanthanoidlösungen 17-fach schneller hydrolysieren. Kapitel Fünf fasst die Ergebnisse zur Energieaufkonversion über Triplet-Triplet Annihilierungsprozesse in Vesikeln zusammen. Wir zeigen, dass diese Lichtaufkonvertierungs-Partikel auf der Basis von fluiden DOPC Vesikeln in wässrigem Medium hergestellt werden können. Dieser Prozess basiert auf der Wechselwirkung zweier Farbstoffensorten (Sensibilisator und Annihlator). Wir haben den Effekt der Positionierung der Farbstoffe in der Membran auf die Effizienz der Aufkonversion untersucht: eine hohe lokale Konzentration der Farbstoffe in der Membran erhöht die Intensität der detektierbaren verzögerten Fluoreszenz. Diese konnte beobachtet werden, wenn die Farbstoffe auf der Oberfläche oder im Inneren der Doppelschicht waren. Ausschlaggebend für das Auftreten der Aufkonversion in Vesikeln ist die Membranfluidität. In rigiden Membranen konnte keine Aufkonversion beobachtet werden. In Kapitel Sechs wurde eine Hochdurchsatz-Screening-Methode für photokatalytische Transformationen mittels bekannten Indikatoren in Mikrotiterplattenentwickelt. Photokatalytische Reaktionen liefern häufig zusätzlich zum gewünschten Produkt stöchiometrischen Mengen an Nebenprodukt, wie reaktive Sauerstoff-Spezies oder Säuren. Diese können leicht mit Hilfe eines Indikators detektiert werden, der es ermöglicht 96 Reaktionen gleichzeitig durchzuführen. Der Fortschritt der Reaktion wird nach Zugabe eines Indikators durch Absorptionsmessung ermittelt. Die Methode ist in der Lage die Substratbreite bereits beschriebener Reaktionen zu reproduzieren und korreliert gut mit gaschromatographischen Analysen. Zwei neuartiger Katalysatoren für die Hydroxylierung von Boronsäuren wurden mit der Methode identifiziert. Zudem wurden die photochemische Erzeugung von Arylradikalen aus Arylhalogeniden, erfolgreich verfolgt. Um die Robustheit dieser Methode im Hinblick auf verschiedene Substrate zu bestätigen, wurden verschiedene Arzneistoffe, deren Struktur ein Arylhalogenid beinhaltet, untersucht und so zwei neue Dehalogenierungsreaktionen gefunden.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 22:28
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