Synthese und Charakterisierung hochgeordneter peptidmodifizierter Silicananoporen als Modellsysteme für biologische Hybridmaterialien

Diese Arbeit behandelt die Synthese von anorganisch/organischen Hybridmaterialien. Durch detaillierte Charakterisierung der Struktur und Oberflächenanbindung von Peptiden an porösen Trägersystemen sollen Informationen über natürlich vorkommenden Hybridmaterialien gewonnen werden. Der Fokus liegt hierbei auf deren Charakterisierung mit diversen Techniken der Festkörper NMR, welche besondere Anforderungen an die herzustellenden Materialien stellt. Die Synthesen beginnen bei der Herstellung des porösen Trägersystems, über die Anbringung von chemischen Linkergruppen bis hin zur Anbindung von Biomolekülen. Als Basis des Trägersystems dienen die porösen Silicamaterialien MCM 41 und SBA-15, welche über eine templatbasierte Synthese hergestellt werden. Der besondere Anspruch an die herzustellenden Träger ist dabei ein hierarchisches und hoch definiertes Porensystem. Nur dies lässt die angestrebte homogene Funktionalisierung des Materials zu. Außerdem erreichen nur definierte Materialien hohe spezifische Oberflächen, die für die Analyse mittels Festkörper NMR Techniken unerlässlich sind. Anschließend wird eine Linkergruppe für die Anbindung von Peptiden an den Poreninnenwänden angebracht. Hierzu werden die Ansätze des Graftings und der Co Kondensation gegeneinander abgewogen und eine geeignete Methode etabliert. Im finalen Schritt werden die linkermodifizierten Strukturen gezielt mit kurzen Peptidsequenzen modifiziert und im Detail mit Festkörper NMR Techniken auf deren chemische Struktur untersucht. Ziel ist es eine kovalente Oberflächenfunktionalisierung mit hoher Funktionalisierungsdichte und einheitlicher Oberflächenbehandlung zu realisieren. Hierzu wird die kovalente Bindung zwischen Peptid und Linker mittels Festkörper NMR Messungen nachgewiesen und deren Orientierung in der Pore untersucht. Weiterhin werden die Funktionalisierungsdichten und die Veränderung des Porensystems durch die Funktionalisierung mit diversen Techniken untersucht. Nach Entwicklung einer zuverlässigen Funktionalisierungsstrategie für Peptide werden auch andere organische Moleküle angebunden und untersucht. Dazu zählen stimuli-responsive Moleküle und Spin Labels, die für spezielle DNP NMR Anwendungen benötigt werden

A disintegrin derivative as a case study for PHIP labeling of disulfide bridged biomolecules

A specific labeling strategy for bioactive molecules is presented for eptifibatide (integrilin) an antiplatelet aggregation inhibitor, which derives from the disintegrin protein barbourin in the venom of certain rattlesnakes. By specifically labeling the disulfide bridge this molecule becomes accessible for the nuclear spin hyperpolarization method of parahydrogen induced polarization (PHIP). The PHIP-label was synthesized and inserted into the disulfide bridge of eptifibatide via reduction of the peptide and insertion by a double Michael addition under physiological conditions. This procedure is universally applicable for disulfide-containing biomolecules and preserves their tertiary structure with a minimum of change. HPLC and MS spectra prove the successful insertion of the label. 1H-PHIP-NMR experiments yield a factor of over 1000 as lower limit for the enhancement factor. These results demonstrate the high potential of the labeling strategy for the introduction of site selective PHIP-labels into biomolecules’ disulfide bonds

A novel strategy for site selective spin-labeling to investigate bioactive entities by DNP and EPR spectroscopy

A novel specific spin-labeling strategy for bioactive molecules is presented for eptifibatide (integrilin) an antiplatelet aggregation inhibitor, which derives from the venom of certain rattlesnakes. By specifically labeling the disulfide bridge this molecule becomes accessible for analytical techniques such as Electron Paramagnetic Resonance (EPR) and solid state Dynamic Nuclear Polarization (DNP). The necessary spin-label was synthesized and inserted into the disulfide bridge of eptifibatide via reductive followed by insertion by a double Michael addition under physiological conditions. This procedure is universally applicable for disulfide containing biomolecules and is expected to preserve their tertiary structure with minimal change due to the small size of the label and restoring of the previous disulfide connection. HPLC and MS analysis show the successful introduction of the spin label and EPR spectroscopy confirms its activity. DNP-enhanced solid state NMR experiments show signal enhancement factors of up to 19 in ¹³C CP MAS experiments which corresponds to time saving factors of up to 361. This clearly shows the high potential of our new spin labeling strategy for the introduction of site selective radical spin labels into biomolecules and biosolids without compromising its conformational integrity for structural investigations employing solid-state DNP or advanced EPR techniques

Dirhodium Coordination Polymers for Asymmetric Cyclopropanation of Diazooxindoles with Olefins: Synthesis and Spectroscopic Analysis

A facile approach is reported for the preparation of dirhodium coordination polymers [Rh₂(L1)₂]n (Rh₂-L1) and [Rh₂(L2)₂]n (Rh₂-L2; L1=N,N’-(pyromellitoyl)-bis-L-phenylalanine diacid anion, L2=bis-N,N’-(L-phenylalanyl) naphthalene-1,4,5,8-tetracarboxylate diimide) from chiral dicarboxylic acids by ligand exchange. Multiple techniques including FTIR, XPS, and ¹H→¹³C CP MAS NMR spectroscopy reveal the formation of the coordination polymers. ¹⁹F MAS NMR was utilized to investigate the remaining TFA groups in the obtained coordination polymers, and demonstrated near-quantitative ligand exchange. DR-UV-vis and XPS confirm the oxidation state of the Rh center and that the Rh-single bond in the dirhodium node is maintained in the synthesis of Rh₂-L1 and Rh₂-L2. Both coordination polymers exhibit excellent catalytic performance in the asymmetric cyclopropanation reaction between styrene and diazooxindole. The catalysts can be easily recycled and reused without significant reduction in their catalytic efficiency

Synthese und Charakterisierung hochgeordneter peptidmodifizierter Silicananoporen als Modellsysteme für biologische Hybridmaterialien

Diese Arbeit behandelt die Synthese von anorganisch/organischen Hybridmaterialien. Durch detaillierte Charakterisierung der Struktur und Oberflächenanbindung von Peptiden an porösen Trägersystemen sollen Informationen über natürlich vorkommenden Hybridmaterialien gewonnen werden. Der Fokus liegt hierbei auf deren Charakterisierung mit diversen Techniken der Festkörper NMR, welche besondere Anforderungen an die herzustellenden Materialien stellt. Die Synthesen beginnen bei der Herstellung des porösen Trägersystems, über die Anbringung von chemischen Linkergruppen bis hin zur Anbindung von Biomolekülen. Als Basis des Trägersystems dienen die porösen Silicamaterialien MCM 41 und SBA-15, welche über eine templatbasierte Synthese hergestellt werden. Der besondere Anspruch an die herzustellenden Träger ist dabei ein hierarchisches und hoch definiertes Porensystem. Nur dies lässt die angestrebte homogene Funktionalisierung des Materials zu. Außerdem erreichen nur definierte Materialien hohe spezifische Oberflächen, die für die Analyse mittels Festkörper NMR Techniken unerlässlich sind. Anschließend wird eine Linkergruppe für die Anbindung von Peptiden an den Poreninnenwänden angebracht. Hierzu werden die Ansätze des Graftings und der Co Kondensation gegeneinander abgewogen und eine geeignete Methode etabliert. Im finalen Schritt werden die linkermodifizierten Strukturen gezielt mit kurzen Peptidsequenzen modifiziert und im Detail mit Festkörper NMR Techniken auf deren chemische Struktur untersucht. Ziel ist es eine kovalente Oberflächenfunktionalisierung mit hoher Funktionalisierungsdichte und einheitlicher Oberflächenbehandlung zu realisieren. Hierzu wird die kovalente Bindung zwischen Peptid und Linker mittels Festkörper NMR Messungen nachgewiesen und deren Orientierung in der Pore untersucht. Weiterhin werden die Funktionalisierungsdichten und die Veränderung des Porensystems durch die Funktionalisierung mit diversen Techniken untersucht. Nach Entwicklung einer zuverlässigen Funktionalisierungsstrategie für Peptide werden auch andere organische Moleküle angebunden und untersucht. Dazu zählen stimuli-responsive Moleküle und Spin Labels, die für spezielle DNP NMR Anwendungen benötigt werden

Chemically Modified Silica Materials as Model Systems for the Characterization of Water-Surface Interactions

A series of novel functionalized mesoporous silica-based materials with well-defined pore diameters, surface functionalization and surface morphology is synthesized by co-condensation or grafting techniques and characterized by solid-state NMR spectroscopy, DNP enhanced solid state-NMR and thermodynamic techniques. These materials are employed as host-systems for small-guest molecules like water, small alcohols, carbonic acids, small aromatic molecules, binary mixtures and others. The phase-behavior of these confined guests is studied by combinations of one dimensional solid-state NMR techniques (¹HMAS, ²H-line shape analysis, ¹³C CPMAS) and two-dimensional correlation experiments like ¹H-²⁹Si- solid-state HETCOR

NMR studies on the influence of silica confinements on local and diffusive dynamics in LiCl aqueous solutions approaching their glass transitions

We use ¹H, ²H, and ⁷Li NMR to investigate the molecular dynamics of glass-forming LiCl-7H₂O and LiCl-7D₂O solutions confined to MCM- 41 or SBA-15 silica pores with diameters in the range of d = 2.8 nm–5.4 nm. Specifically, it is exploited that NMR experiments in homogeneous and gradient magnetic fields provide access to local and diffusive motions, respectively, and that the isotope selectivity of the method allows us to characterize the dynamics of the water molecules and the lithium ions separately. We find that the silica confinements cause a slowdown of the dynamics on all length scales, which is stronger at lower temperatures and in narrower pores and is more prominent for the lithium ions than the water molecules. However, we do not observe a temperature-dependent decoupling of short-range and long-range dynamics inside the pores. ⁷Li NMR correlation functions show bimodal decays when the pores are sufficiently wide (d > 3 nm) so that bulk-like ion dynamics in the pore centers can be distinguished from significantly retarded ion dynamics at the pore walls, possibly in a Stern layer. However, we do not find evidence for truly immobile fractions of water molecules or lithium ions and, hence, for the existence of a static Stern layer in any of the studied silica pores

²H NMR Studies on Water Dynamics in Functionalized Mesoporous Silica

Mesoporous silica MCM-41 is prepared, for which the inner surfaces are modified by 3-(aminopropyl)triethoxysilane (APTES) in a controlled manner. Nitrogen gas adsorpition yields a pore diameter of 2.2 nm for the APTES functionalized MCM-41. ²H nuclear magnetic resonance (NMR) and broadband dielectric spectroscopy (BDS) provide detailed and consistent insights into the temperature-dependent reorientation dynamics of water in this confinement. We find that a liquid water species becomes accompanied by a solid water species when cooling through ~210 K, as indicated by an onset of bimodal Mesoporous silica MCM-41 is prepared, for which the inner surfaces are modified by 3-(aminopropyl)triethoxysilane (APTES) in a controlled manner. Nitrogen gas adsorpition yields a pore diameter of 2.2 nm for the APTES functionalized MCM-41. ²H nuclear magnetic resonance (NMR) and broadband dielectric spectroscopy (BDS) provide detailed and consistent insights into the temperature-dependent reorientation dynamics of water in this confinement. We find that a liquid water species becomes accompanied by a solid water species when cooling through ~210 K, as indicated by an onset of bimodal ²H spin-lattice relaxation. The reorientation of the liquid water species is governed by pronounced dynamical heterogeneity in the whole temperature range. Its temperature dependence shows a mild dynamic crossover when the solid water species emerges and, hence, the volume accessible to the liquid water species further shrinks. Therefore, we attribute this variation in the temperature dependence to a change from bulk-like behavior towards interface-dominated dynamics. Below this dynamic crossover, ²H line-shape and stimulted-echo studies show that water reorientation becomes anisotropic upon cooling, suggesting that these NMR approaches, but also BDS measurements do no longer probe the structural (α) relaxation, but rather a secondary (β) relaxation of water at sufficiently low temperatures. Then, another dynamic crossover at ~180 K can be rationalized in terms of a change of the temperature dependence of the β relaxation in response to a glassy freezing of the α relaxation of confined water. Comparing these results for APTES modied MCM-41 with previous findings for mesoporous silica with various pore diameters, we obtain valuable information about the dependence of water dynamics in restricted geometries on the size of the nanoscopic confinements and the properties of the inner surfaces. ²H spin-lattice relaxation. The reorientation of the liquid water species is governed by pronounced dynamical heterogeneity in the whole temperature range. Its temperature dependence shows a mild dynamic crossover when the solid water species emerges and, hence, the volume accessible to the liquid water species further shrinks. Therefore, we attribute this variation in the temperature dependence to a change from bulk-like behavior towards interface-dominated dynamics. Below this dynamic crossover, ²H line-shape and stimulted-echo studies show that water reorientation becomes anisotropic upon cooling, suggesting that these NMR approaches, but also BDS measurements do no longer probe the structural (α) relaxation, but rather a secondary (β) relaxation of water at sufficiently low temperatures. Then, another dynamic crossover at ~180 K can be rationalized in terms of a change of the temperature dependence of the β relaxation in response to a glassy freezing of the α relaxation of confined water. Comparing these results for APTES modied MCM-41 with previous findings for mesoporous silica with various pore diameters, we obtain valuable information about the dependence of water dynamics in restricted geometries on the size of the nanoscopic confinements and the properties of the inner surfaces