Reaction behavior of iron and copper complexes towards dioxygen

To provide a better understanding of the reactions of iron and copper proteins with dioxygen, the corresponding reactions of small molecule model complexes with dioxygen were analysed using spectroscopic and kinetic methods. Special attention focused upon the binding and activation of dioxygen by iron proteins such as hemerythrin (Hr) and protocatechuat-3,4-dioxygenase (3,4-PCD) and by copper proteins like hemocyanin (Hc) and tyrosinase. Iron complexes of the ligand tmpa (tmpa = tris[(2-pyridyl)methyl]amine, also known as tpa in literature) were synthesised and modifications of the tmpa ligand were made. Increasing as well as decreasing chelate ring sizes in the highly active complex [Fe(tmpa)(dbc)]B(C6H5)4 (dbc = 3,5-di-tert-butylcatecholate dianion), only resulted in decreased reactivity of the investigated compounds. A detailed low-temperature stopped-flow investigation of the reaction of dioxygen with [Fe(tmpa)(dbc)]B(C6H5)4 was performed and activation parameters of Delta H# = 23 +- 1 kJ mol-1 and Delta S# = -199 +- 4 J mol-1 K-1 were obtained. Crystal structures of bromo-(tetrachlorocatecholato-O,O\u27)(bis((2-pyridyl)methyl)-2-pyridylamine-N,N\u27,N\u27\u27)-iron(III) (2), (mu-oxo)-bis(bromo)(bis((2-pyridyl)methyl)-2-pyridylamine-N,N\u27,N\u27\u27,N\u27\u27\u27)-diiron(III) (3), dichloro-((2-(2-pyridyl)ethyl)bis((2-pyridyl)methyl)amine-N,N\u27,N\u27\u27,N\u27\u27\u27)-iron(III) (4) and (tetrabromocatecholato-O,O\u27)((2-(2-pyridyl)ethyl)bis((2-pyridyl)methyl)amine-N,N\u27,N\u27\u27,N\u27\u27\u27)-iron(III) (5) are reported (Chapter 2). Besides altering the chelate ring size the influence of the donor atoms of the ligand on catechol dioxygenase reactivity was investigated. Two derivatives of the tmpa ligand (uns-penp and acetyl-uns-penp) were synthesised, where one aromatic nitrogen donor was replaced by an aliphatic nitrogen donor. The iron(III) complexes of the tripodal ligands N\u27,N\u27-bis[(2-pyridyl)methyl]ethylenediamine (uns-penp), [Fe(uns-penp)Cl2]ClO4 x CH3CN, [{Fe(uns-penp)Cl}2O](ClO4)2 x 2CH3CN and the amide derivative N-Acetyl-N\u27,N\u27-bis[(2-pyridyl)methyl]ethylenediamine (acetyl-uns-penp), [Fe2(acetyl-uns-penp)2O](ClO4)2 x H2O, [Fe(acetyl-uns-penp)(tcc)Br] x (C2H5)2O and [{Fe(acetyl-uns-penp)(tcc)}2O] x (C2H5)2O x CH3OH were synthesised and characterised. Catechol dioxygenase reactivity of in situ prepared complex solutions only showed slower reactions in comparison with the iron tmpa system (Chapter 3). Corresponding ligand system variations in the small molecule model complexes of copper proteins were made and analysed with respect to dioxygen reactivity. Intramolecular ligand hydroxylation was observed during the reactions of dioxygen with the dicopper(I) complexes of the ligands L3 (L3 = alpha,alpha\u27-bis[(2-pyridylethyl)amino]-m-xylene) and L5 (L5 = alpha,alpha\u27-bis[N-(2-pyridylethyl)-N-(2-pyridylmethyl)-amino]-m-xylene). The dinuclear copper(I) complex [Cu2L5](ClO4)2 and the dicopper(II) complex [Cu2(L3-O)(OH)(ClO4)]ClO4 were characterised by single-crystal X-ray structure analysis. Furthermore, phenolate-bridged complexes were synthesised with the ligand L4-OH and Me-L5-OH (structurally characterised: [Cu2(L4-O)Cl3] with L4 = alpha,alpha\u27-bis[N-methyl-N-(2-pyridylethyl)amino]-m-xylene and [Cu2(Me-L5-O)(mu-X)](ClO4)2 x nH2O with Me-L5-OH = 2,6-bis[N-(2-pyridylethyl)-N-(2-pyridylmethyl)amino]-4-methylphenol and X = C3H3N2- (prz), MeCO2- and N3-). Temperature-dependent magnetic studies revealed the antiferromagnetic coupling of the copper ions of these complexes (Chapter 4). The reactions of dioxygen with copper(I) complexes of the tridentate ligands 1,1,4,7,7-pentamethyldiethylethylenetriamine (Me5dien), 1,1,4,7,7-pentaethyldiethylethylenetriamine (Et5dien), N-methyl-[bis(2-pyridyl)methyl]amine (Me-bpa) and N-methyl-[(2-pyridyl)ethyl(2-pyridyl)methyl]amine (MeL) have been investigated using low-temperature stopped-flow techniques. The formation of a bis(mu-oxo) copper complex as a reactive intermediate could only be detected spectroscopically at low temperatures for [Cu(Me5dien)(CH3CN)]ClO4 and allowed a quantitative kinetic analysis to be performed. Crystal structures of the copper(II) complexes [(Me-bpa)Cu(Cl)2], [{(Me-bpa)Cu(Cl)(ClO4)}2], [{(MeL)Cu(Cl)(ClO4)}2] and [(MeL)Cu(NCS)2] are reported. (Chapter 5)Zum besseren Verständnis der Reaktionen von Eisen- und Kupferproteinen mit elementarem Sauerstoff wurden im Rahmen dieser Arbeit für Eisen- und Kupferproteine Modellkomplexe mit geringer Molekularmasse mit spektroskopischen oder kinetischen Methoden untersucht. Besondere Aufmerksamkeit wurde hierbei der Bindung und der Aktivierung von elementarem Sauerstoff durch die Eisenproteine, wie z. B. Hämerythrin (Hr) und Protocatechuat-3,4-dioxygenase (3,4-PCD), und die Kupferproteine, wie z. B. Hämocyanin (Hc) und Tyrosinase, gewidmet. Bezüglich der Modelle für Eisenenzyme wurde der Ligand tmpa (tmpa = tris[(2-pyridyl)methyl]amin; in der Literatur auch mit tpa abgekürzt) untersucht und systematisch variiert. Die Vergrößerung und Verkleinerung der Chelatringgröße im hochreaktiven Komplex [Fe(tmpa)(dbc)]B(C6H5)4 (dbc = 3,5-Di-tert-butylcatecholat Dianion) führte nur zu einer verringerten Reaktivität der untersuchten Verbindungen. Die Reaktion von elementaren Sauerstoff mit [Fe(tmpa)(dbc)]B(C6H5)4 wurde mittels der Tieftemperatur-\u27stopped-flow\u27-Technik untersucht und ergab die Aktivierungsparameter Delta H# = 23 +- 1 kJ mol-1 und Delta S# = -199 +- 4 J mol-1 K-1. Weiterhin wurden die Kristallstrukturanalysen der Verbindungen bromo-(tetra-chlorocatecholato-O,O\u27)(bis((2-pyridyl)methyl)-2-pyridylamine-N,N\u27,N\u27\u27)-eisen(III) (2), (mü-oxo)-bis(bromo)(bis((2-pyridyl)methyl)-2-pyridylamine-N,N\u27,N\u27\u27,N\u27\u27\u27)-dieisen (III) (3), dichloro-((2-(2-pyridyl)ethyl)bis((2-pyridyl)methyl)amine-N,N\u27,N\u27\u27,N\u27\u27\u27)-eisen (III) (4) und (tetrabromocatecholato-O,O\u27)((2-(2-pyridyl)ethyl)bis((2-pyridyl)methyl) amine-N,N\u27,N\u27\u27,N\u27\u27\u27)-eisen (III) (5) beschrieben (Kapitel 2). Neben der Änderung der Chelatringgröße wurde auch der Einfluss der Donoratome des Liganden untersucht. Dazu wurden abgeleitet vom tmpa zwei Liganden (uns-penp und acteyl-uns-penp) synthetisiert, bei denen ein aromatischer Stickstoff durch einen aliphatischen Stickstoff ersetzt wurde. Die Eisen(III)-Komplexe mit den tripodalen Liganden N\u27,N\u27-bis[(2-pyridyl)methyl]ethylenediamin (uns-penp), [Fe(uns-penp)Cl2]ClO4 x CH3CN, [{Fe(uns-penp)Cl}2O](ClO4)2 x 2CH3CN und dem Amidderivat N-Acetyl-N\u27,N\u27-bis[(2-pyridyl)methyl]ethylenediamin (acetyl-uns-penp), [Fe2(acetyl-uns-penp)2O](ClO4)2 x H2O, [Fe(acetyl-uns-penp)(tcc)Br] x (C2H5)2O und [{Fe(acetyl-uns-penp)(tcc)}2O] x (C2H5)2O x CH3OH wurden synthetisiert und charakterisiert. Untersuchungen zur Catecholdioxygenasereaktivität der in situ dargestellten Komplexlösungen zeigten nur langsamere Reaktionen im Vergleich zu dem Eisen-tmpa-System (Kapitel 3) Die Ligandensysteme für Modelle von Kupferproteinen wurden nach denselben Gesichtspunkten verändert wie bei den Modellen für die Eisenproteine. Intramolekulare Hydroxylierung des Liganden war bei der Reaktion von elementaren Sauerstoff mit Dikupfer(I)-Komplexen der Liganden L3 (L3 = alpha,alpha\u27-bis[(2-pyridylethyl)amino]-m-xylol) und L5 (L5 = alpha,alpha\u27-bis[N-(2-pyridylethyl)-N-(2-pyridylmethyl)-amino]-m-xylol) zu beobachten. Der dinukleare Kupfer(I)-Komplex [Cu2L5](ClO4)2 und der Dikupfer(II)-Komplex [Cu2(L3-O)(OH)(ClO4)]ClO4 konnten durch Einkristallröntgenstrukturanalyse charakterisiert werden. Zusätzlich wurden Phenolatverbrückte Komplexe mit den Liganden L4-OH und Me-L5-OH synthetisiert (Strukturlösungen für [Cu2(L4-O)Cl3] mit L4 = alpha,alpha\u27-bis[N-methyl-N-(2-pyridylethyl)amino]-m-xylol und [Cu2(Me-L5-O)(mü-X)](ClO4)2 x nH2O (Me-L5-OH = 2,6-bis[N-(2-pyridylethyl)-N-(2-pyridylmethyl)amino]-4-methylphenol und X = C3H3N2- (prz), MeCO2- und N3-). Temperaturabhängige magnetische Untersuchungen zeigten antiferromagnetische Kopplung der Kupferionen in diesen Komplexen (Kapitel 4). Die Reaktionen von elementaren Sauerstoff mit Kupfer(I)-Komplexen der dreizähnigen Liganden 1,1,4,7,7-pentamethyldiethylethylenetriamin (Me5dien), 1,1,4,7,7-pentaethyldiethylethylenetriamin (Et5dien), N-methyl-[bis(2-pyridyl) methyl]amin (Me-bpa) und N-methyl-[(2-pyridyl)ethyl(2-pyridyl)methyl]amin (MeL) mit Hilfe der Tieftemperatur-\u27stopped-flow\u27-Technik untersucht. Die Bildung eines bis(mü-oxo)-Kupferkomplexes konnte dabei bei tiefen Temperaturen nur für den Komplex [Cu(Me5dien)(CH3CN)]ClO4 spektroskopisch beobachtet und quantitativ kinetisch analysiert werden. Die Komplexe [(Me-bpa)Cu(Cl)2], [{(Me-bpa)Cu(Cl)(ClO4)}2], [{(MeL)Cu(Cl)(ClO4)}2] und [(MeL)Cu(NCS)2] konnten kristallographisch charakterisiert werden. (Kapitel 5

Neue Wege zu hochreaktiven Verbindungen

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung neuer Methoden für die Synthese der bisher nicht zweifelsfrei nachgewiesenen C6H8-Isomere 1,2-Cyclohexadien und Cyclohexin sowie deren spektroskopischer Nachweis mit Hilfe der Matrixisolationsspektroskopie. Ab initio-Berechnungen der C6H8-Hyperfläche auf B3LYP/6-31G**-Niveau ergaben, daß es sich bei 1,2-Cyclohexadien um ein chirales, gespanntes Allen mit C1-Symmetrie und nicht -wie bisher angenommen- mit C2-Symmetrie handelt und die asymmetrische Streckschwingung der Allengruppierung von 1,2-Cyclohexadien verschwindend geringe Signalintensität aufweist. Deshalb kann die spektroskopische Identifikation nicht wie bisher angenommen anhand dieser Schwingung sondern muß durch intensitätsstarke Signale im fingerprint-Bereich erfolgen. Bei der Synthese von 1,2-Cyclohexadien wurden drei Strategien verfolgt. Als erstes fanden heterogene Gasphasen-Eliminierungen von Halogenverbindungen mit C8K statt. Bei Umsetzungen mit 1,6-Dibromcyclohexen konnte das intermediäre Auftreten von 1,2-Cyclohexadien anhand von Folgeprodukten nachgewiesen werden. Außerdem waren bei Matrixexperimenten Signale zu beobachten, die sich durch Vergleich mit Berechnungen 1,2-Cyclohexadien zuordnen ließen. Umsetzungen mit anderen Vorläufern lieferten keine Anzeichen für den direkten spektroskopischen Nachweis des cyclischen Allens. Die zweite Synthesestrategie war die pyrolytische Zersetzung thermisch labiler Vorläufermoleküle wie 11-Oxatricyclo[6, 2, 1, 0 2,7]undeca-2,9-dien. Die Pyrolyse wurde im Bereich zwischen 700 und 900°C untersucht, führte neben der Spaltung auch zur Isomerisierung der Ausgangsverbindung und belegte die zwischenzeitliche Bildung von 1,2-Cyclohexadien durch Folge- und Fragmentierungsprodukte. Eine direkte spektroskopische Beobachtung gelang aufgrund von Überlagerung mit anderen Signalen und der hohen Spaltungstemperaturen nicht. Pyrolyseexperimente mit anderen Vorläufern führten nicht zum gewünschten Ergebnis. Die dritte Synthesestrategie war die Addition von atomarem Kohlenstoff am [pi]-System von Cyclopenten, das über ein bicyclisches Carben zu 1,2-Cyclohexadien reagieren sollte. Eine Reaktion von C1 mit Cyclopenten ließ sich dabei nicht zweifelsfrei belegen. Die Synthese von Cyclohexin sollte durch [beta]-Eliminierung von 1,2-Dibromcyclohexen mit C8K erfolgen. Die Bildung von Folgeprodukten konnte das intermediäre Auftreten von Cyclohexin belegen, eine direkte spektroskopische Beobachtung gelang nicht. Auch die Durchführung pyrolytischer und photolytischer Spaltungsversuche führte nicht zum Ziel. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden außerdem Versuche zur Emission von Graphitpartikeln durchgeführt, die mit unterschiedlichen Substraten in einer Argon-Matrix zur Reaktion gebracht wurden. Die Verdampfung von Graphit erfolgte durch elektrische Funkenentladung. Als Produkte ließen sich im IR-Spektrum alle bisher bekannten offenkettigen und cyclischen neutralen und anionischen Kumulene sowie einige Kumulenoxide und Stickstoff-Heterokumulene nachweisen. Erwärmung der Matrix führte zur Bildung größerer Cluster. C1 und C2 konnten anhand ihrer Folgeprodukte nachgewiesen werden. Cokondensation mit CO führte überwiegend zu Kumulenmono- und -dioxiden. Bei der Cokondensation mit N2 bildeten sich hauptsächlich Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindungen, wobei C1N2- gefolgt von C2N2-Verbindungen die Hauptprodukte darstellten. Darüber hinaus gelang es, Verbindungen der Graphitemission zu isolieren und in Stickstoff als Matrixmaterial spektroskopisch zu charakterisieren. Die Cokondensation mit Ethylen führte zur Bildung von Allen und Propin und belegte die selektive Reaktion mit C1. Ob es dabei zur Addition von C1 an das [pi]-System oder zur CH-Insertion gekommen war, konnte nicht bestimmt werden. Die Umsetzung mit Acetylen führte durch CH-Insertion selektiv zu Propargylen. Durch Bestrahlung mit Licht der Wellenlänge [lambda] = 313 nm ließ es sich reversibel in Vinylidencarben überführen. Andere C3H2-Isomere konnten nicht beobachtet werden

A Game-based Approach to Understand Human Factors in Supply Chains and Quality Management

Abstract Quality management is an important function for viable production networks. In order to qualify decision makers to understand the fundamental principles of quality management in production networks, a game-based simulation and learning environment is developed, which can furthermore be used to understand how human factors influence the quality of decisions in complex production networks. Previous studies have shown that underlying factors must exist, which predict the players' performance. It is currently unexplored, which factors are contributing to high performance. To deeper investigate which human factors are critical for supply chain success and to further refine the quality management game a series of studies were examined. As expected, expertise had a great impact on performance, however contrary to the expectations cognitive skills had none. The refined decision dashboard, with seamlessly integrated self-adapting visualizations on key performance indicators, had a significant positive impact on game performance. The studies suggest that the developed game is a valuable contribution for the qualification of quality managers, as the quality of decision increased

The Mouse Functional Genome Database (MfunGD): functional annotation of proteins in the light of their cellular context

MfunGD () provides a resource for annotated mouse proteins and their occurrence in protein networks. Manual annotation concentrates on proteins which are found to interact physically with other proteins. Accordingly, manually curated information from a protein–protein interaction database (MPPI) and a database of mammalian protein complexes is interconnected with MfunGD. Protein function annotation is performed using the Functional Catalogue (FunCat) annotation scheme which is widely used for the analysis of protein networks. The dataset is also supplemented with information about the literature that was used in the annotation process as well as links to the SIMAP Fasta database, the Pedant protein analysis system and cross-references to external resources. Proteins that so far were not manually inspected are annotated automatically by a graphical probabilistic model and/or superparamagnetic clustering. The database is continuously expanding to include the rapidly growing amount of functional information about gene products from mouse. MfunGD is implemented in GenRE, a J2EE-based component-oriented multi-tier architecture following the separation of concern principle

The Negatome database: a reference set of non-interacting protein pairs

The Negatome is a collection of protein and domain pairs that are unlikely to be engaged in direct physical interactions. The database currently contains experimentally supported non-interacting protein pairs derived from two distinct sources: by manual curation of literature and by analyzing protein complexes with known 3D structure. More stringent lists of non-interacting pairs were derived from these two datasets by excluding interactions detected by high-throughput approaches. Additionally, non-interacting protein domains have been derived from the stringent manual and structural data, respectively. The Negatome is much less biased toward functionally dissimilar proteins than the negative data derived by randomly selecting proteins from different cellular locations. It can be used to evaluate protein and domain interactions from new experiments and improve the training of interaction prediction algorithms. The Negatome database is available at http://mips.helmholtz-muenchen.de/proj/ppi/negatome

DASC-PM v1.0 : ein Vorgehensmodell für Data-Science-Projekte

Das Thema Data Science hat in den letzten Jahren in vielen Organisationen stark an Aufmerksamkeit gewonnen. Häufig herrscht jedoch weiterhin große Unklarheit darüber, wie diese Disziplin von anderen abzugrenzen ist, welche Besonderheiten der Ablauf eines Data-Science-Projekts besitzt und welche Kompetenzen vorhanden sein müssen, um ein solches Projekt durchzuführen. In der Hoffnung, einen kleinen Beitrag zur Beseitigung dieser Unklarheiten leisten zu können, haben wir von April 2019 bis Februar 2020 in einer offenen und virtuellen Arbeitsgruppe mit Vertretern aus Theorie und Praxis das vorliegende Dokument erarbeitet, in dem ein Vorgehensmodell für Data-Science-Projekte beschrieben wird – das Data Science Process Model (DASC-PM). Ziel war es dabei nicht, neue Herangehensweisen zu entwickeln, sondern viel-mehr, vorhandenes Wissen zusammenzutragen und in geeigneter Form zu strukturieren. Die Ausarbeitung ist als Zusammenführung der Erfahrung sämtlicher Teilnehmerinnen und Teilnehmer dieser Arbeitsgruppe zu verstehen

The coming decade of digital brain research: a vision for neuroscience at the intersection of technology and computing

In recent years, brain research has indisputably entered a new epoch, driven by substantial methodological advances and digitally enabled data integration and modelling at multiple scales— from molecules to the whole brain. Major advances are emerging at the intersection of neuroscience with technology and computing. This new science of the brain combines high-quality research, data integration across multiple scales, a new culture of multidisciplinary large-scale collaboration and translation into applications. As pioneered in Europe’s Human Brain Project (HBP), a systematic approach will be essential for meeting the coming decade’s pressing medical and technological challenges. The aims of this paper are to: develop a concept for the coming decade of digital brain research, discuss this new concept with the research community at large, to identify points of convergence, and derive therefrom scientific common goals; provide a scientific framework for the current and future development of EBRAINS, a research infrastructure resulting from the HBP’s work; inform and engage stakeholders, funding organisations and research institutions regarding future digital brain research; identify and address the transformational potential of comprehensive brain models for artificial intelligence, including machine learning and deep learning; outline a collaborative approach that integrates reflection, dialogues and societal engagement on ethical and societal opportunities and challenges as part of future neuroscience research