Anisotropic nanomaterials: structure, growth, assembly, and functions

Comprehensive knowledge over the shape of nanomaterials is a critical factor in designing devices with desired functions. Due to this reason, systematic efforts have been made to synthesize materials of diverse shape in the nanoscale regime. Anisotropic nanomaterials are a class of materials in which their properties are direction-dependent and more than one structural parameter is needed to describe them. Their unique and fine-tuned physical and chemical properties make them ideal candidates for devising new applications. In addition, the assembly of ordered one-dimensional (1D), two-dimensional (2D), and three-dimensional (3D) arrays of anisotropic nanoparticles brings novel properties into the resulting system, which would be entirely different from the properties of individual nanoparticles. This review presents an overview of current research in the area of anisotropic nanomaterials in general and noble metal nanoparticles in particular. We begin with an introduction to the advancements in this area followed by general aspects of the growth of anisotropic nanoparticles. Then we describe several important synthetic protocols for making anisotropic nanomaterials, followed by a summary of their assemblies, and conclude with major applications

Translocation of neonicotinoid insecticides in guttation of seed-coated crops and the effects on honey bees Apis mellifera L. (Hymenoptera: Apidae)

Die Saatgutbeizung mit Clothianidin, Imidacloprid und Thiamethoxam (Neonicotinoide) stellte ein Applikationsverfahren im Pflanzenschutz dar, von dem bislang kein Risiko gegenüber Nicht-Zielorganismen angenommen wurde. Nach den akuten Bienenschäden im Rheintal 2008 ruht in Deutschland die Zulassung der Wirkstoffe zur Saatgutbeizung in Mais und Getreide; seit Mai 2013 ist die Anwendung weiter eingeschränkt (Durchführungs-VO (EU) Nr. 485/2013). Die von Pflanzen periodisch abgesonderte Guttation wurde als ein zusätzlicher Expositionspfad von Wirkstoffrückständen festgestellt und ein damit einhergehendes Risiko für Wasser sammelnde Honigbienen (Apis mellifera L.) aufgeworfen. Im Freiland wurde das Auftreten von Guttation in Mais, xTriticale und Winterraps beobachtet und der Verlauf der in Guttation freigesetzten Rückstände ermittelt. HPLC-MS-Analysen zeigten, dass die maximal freigesetzten Rückstände bei Winterraps mit bis zu 130 µg a.s. pro Liter (Reetz et al. 2015) deutlich unter denen von Mais (bis zu 8.000 µg a.s. L-1) und xTriticale (bis zu 1.300 µg a.s. L-1) liegen (Reetz et al. 2011). Im Frühjahr sind die von Winterraps in Guttation freigesetzten Rückstände niedriger (~30 µg a.s. L-1). Vergleichbar ist der Konzentrationsverlauf bei Wintertriticale. Mais (Sommerkultur) setzt deutlich höhere Rückstände und über einen langen Zeitraum frei. In Laborversuchen (nach OECD-Richtlinie 213) führte die Fütterung einer Lösung aus gleichen Teilen Guttation von gebeiztem Winterraps und Zucker an isolierte Einzelbienen zu einer Mortalität von <20 % (Wallner et al. 2012). Eine zuckerhaltige Lösung wird von Bienen verstoffwechselt; Wasser wird hingegen aufgrund des geringen Zuckergehaltes lediglich transportiert. Gezielte Beobachtungen von Wasser sammelnden Honigbienen im Freiland sind nicht möglich. Daher wurde die Rückstandsanalyse von Honigblasen heimkehrender Sammlerinnen herangezogen (Reetz und Wallner 2014). Es zeigte sich, dass das Gewicht der einzelnen Honigblasen im Herbst niedriger ist, wenn die Maximalkonzentrationen in Guttation bei Winterraps auftreten. Dennoch ist der Anteil des eingetragenen Wassers im Verhältnis zu Nektar um das 25-fache erhöht (Reetz et al. 2012). Untersuchungen zum Wassersammelverhalten von Honigbienen in Tagesverläufen im Herbst zeigten, dass bei hiesigen Klimabedingungen diese Aktivität über den Tag hinweg erfolgt und somit eine zeitliche und räumliche Überschneidung zwischen dem Auftreten von Guttation und der Sammelaktivität von Honigbienen standortspezifisch gegeben ist. Zu Zeiten eines reichhaltigen Nektarangebotes stellt Nektar ein übergeordnetes Sammelgut dar und liefert in einem gewissen Umfang Flüssigkeit für ein Bienenvolk; reines Wasser wird dennoch in geringen Mengen eingetragen. Dass Guttation von Honigbienen als Wasserquelle angenommen wird, zeigten bereits gelegentliche Freilandbeobachtungen. Eine unmittelbare Exposition von Bienen gegenüber gebeizten Winterrapsschlägen in Regionen intensiver Landwirtschaft mit reduzierter Vielfalt an Wasserquellen führte zu einer höheren Frequenz, mit der Bienen Guttation sammelten. Mittels HPLC-MS-Analysen von Honigblasen heimkehrender Sammlerinnen (n= 204) wurde in 19 % (n= 38) der Proben Thiamethoxam in Konzentrationen von 0,3 bis 0,95 µg pro Liter detektiert (LOQ= 0,3 µg L-1; Reetz et al. 2015 akzeptiert). In 12 % der Proben (n= 24) wurde Thiamethoxam unterhalb der Bestimmungsgrenze (LOQ) festgestellt. Die Substanz Clothianidin sowie dessen Metabolit TZMU konnten jeweils in einer Probe (0,5 %) festgestellt werden (Clothianidin <LOQ; TZMU <LOD). Anhand dieser Untersuchungen kann eine aktive Aufnahme von Guttation gebeizten Winterrapses durch Wasser sammelnde Honigbienen belegt werden. Zudem konnte aufgezeigt werden, dass Guttation bei fehlenden Alternativen für Honigbienen eine Wasserquelle darstellt. Die während der jüngsten Entwicklungsstadien des Winterrapses über Guttation freigesetzten Rückstände können nach theoretischen Berechnungen für einzelne Honigbienen ein Risiko darstellen. Im Vergleich zu den in Guttation gemessenen Rückständen geht von den gemessenen Konzentrationen in den Honigblasen keine akut toxische Gefährdung für einzelne Bienen bzw. auf Populationsebene aus. Die im Honigblaseninhalt ermittelten Rückstände (<1 µg L-1; <1 ppb) liegen unterhalb der bislang als Grenzwerte einer chronischen Exposition für sublethale Effekte bei Honigbienen beschriebenen Konzentrationen (2 ppb; Sandrock et al. 2014). Guttation bei xTriticale und Winterraps tritt nur temporär auf, wohingegen Mais auch das in den Fahnenblättern zusammengelaufene Guttationswasser über einen längeren Tageszeitraum zur Verfügung stellt. Im Herbst, zum Zeitpunkt der Maximalkonzentrationen in Guttation von xTriticale und Winterraps, ist der Wasserbedarf im Bienenvolk reduziert, wohingegen Guttation bei Mais zu einem Zeitpunkt auftritt, an dem die Populationsstärke und damit einhergehend der Wasserbedarf eines Bienenvolkes zunimmt.Seed coating with the systemic neonicotinoids clothianidin, imidacloprid, and thiamethoxam was considered environmental justifiable and no side effects on non-target organisms such as honey bees were considered during the registration process as seed coatings. In 2008, sowings with neonicotinoid-coated corn has caused severe damages on honey bee colonies in the upper Rhine Valley, Germany. As a consequence, the seed coating with neonicotinoids in maize and wheat was suspended in Germany in May 2008; since May 2013 there is a temporary ban of the three neonicotinoids by the EU Regulation No. 485/2013. The release of systemic active substances (a.s.) in guttation of seed-coated plants, e.g. winter oilseed rape (WOR, Brassica napus L.), represents a possible contamination source for non-target organisms and could actively be used as a water source by honey bees (Apis mellifera L.). The occurrence of guttation was examined and sampled under field conditions in maize, xtriticale and WOR. The residual analysis of guttation from seed-coated WOR revealed the release of residues up to 130 µg a.s. L-1 in autumn (Reetz et al. 2015). However, even the highest residues in WOR guttation are considerably lower than those in guttation of maize (up to 8,000 µg a.s. L-1) or xtriticale (up to 1,300 µg a.s. L-1; Reetz et al. 2011). In spring, the released residues in WOR guttation are lower than in early autumn (~30 µg a.s. L-1) and continue to decline steadily until flowering. Considerable high amounts of residues have been released by maize (spring crop) over a long period of the crop cycle. Laboratory investigations (according to OECD-Guideline 213) showed that feeding of isolated honey bees with a sugar/guttation-solution from seed-coated WOR leads to a mortality less than 20 % (Wallner et al. 2012), but this way of exposure is not similar to the situation of water foraging honey bees. Observations of water foraging honey bees in the field are nearly impossible. Therefore, honey-sac content of foragers returning to the hive were analysed for residues (Reetz and Wallner 2014). These experiments showed that on the one side the weight of honey sacs is lower during autumn at the same time when high residues in guttation of seed-coated WOR occur than in summer, and on the other side, that the intake of water is increased by the factor of 25 compared to the amount of nectar, which seems to be associated with the absence of nectar sources during autumn (Reetz et al. 2012). There seems to be no exclusive season- or daytime-depending water collecting activity in honey bee colonies in temperate zones. Therefore, the collection of guttation from seed-coated plants by foraging honey bees is likely. However, during summer and the periods of high nectar flows honey bees might gather rather runny nectar as a replacement for water than WOR guttation. Honey bees gathering on WOR guttation were just occasionally observed in a small-patterned landscape, but more frequently in the field site with intensive agriculture and a reduced variety of alternative water sources. HPLC-MS-analysis of honey sacs (n= 204) reveal that residues of thiamethoxam are detectable in 19 % (n= 38) of the honey-sac contents with a range of 0.3 to 0.95 µg a.s. per litre (LOQ= 0.3 µg a.s. L-1; Reetz et al. 2015 accepted). In 12 % (n= 24) of the samples, thiamethoxam could be detected in concentrations below LOQ. Clothianidin and its metabolite TZMU were measured in one sample each (0.5 %) at concentrations below LOQ (clothianidin) and LOD (TZMU), respectively. Based on these experiments, it has been proven that honey bees use guttation of seed-coated WOR as water source in absence of alternative nearby water sources. Thus, during a short period of about a few weeks in autumn, when the highest residues are released in WOR guttation, there might theoretically be a risk for single honey bees. Guttation of xtriticale and WOR is just temporary present in the field, whereas guttation of maize is present in the leaf sheaths during the day due to the funnel function of the maize leaves. Additionally to theses facts, there is a low water demand in honey bee colonies during autumn in contrast to the occurrence of maize guttation, which occurs at the same time when honey bee colonies raise and have an increasing demand of water. The current evaluation of short-term effects of chronic exposure to sublethal concentrations of neonicotinoids in pollen on honey bees at colony level is based on the application of higher concentrations (2 ppb clothianidin; Sandrock et al. 2014) than detected in the honey-sac contents of the water foraging honey bees in this experiment (< 1 µg a.s. L-1; < 1 ppb). Based on these threshold values for side effects by chronic feeding of neonicotinoids, the concentrations of residues measured in the honey sacs of water foraging honey bees seem to have still less potential for side effects on single honey bees or on colony level

Mechanistic Studies of Copper(I)-Catalyzed 1,3-Halogen Migration

An ongoing challenge in modern catalysis is to identify and understand new modes of reactivity promoted by earth-abundant and inexpensive first-row transition metals. Herein, we report a mechanistic study of an unusual copper­(I)-catalyzed 1,3-migration of 2-bromostyrenes that reincorporates the bromine activating group into the final product with concomitant borylation of the aryl halide bond. A combination of experimental and computational studies indicated this reaction does <i>not</i> involve any oxidation state changes at copper; rather, migration occurs through a series of formal sigmatropic shifts. Insight provided from these studies will be used to expand the utility of aryl copper species in synthesis and develop new ligands for enantioselective copper-catalyzed halogenation

Glucose-Derived Palladium(0) Nanoparticles as in Situ-Formed Catalysts for Suzuki-Miyaura Cross-Coupling Reactions in Isopropanol.

Effective and convenient protocols using renewable sugar-derived palladium(0) nanoparticles (PdNPs) as in situ-formed catalysts for Suzuki-Miyaura cross-coupling reactions in isopropanol under thermal and microwave heating conditions have been developed. The addn. of a small amt. of glucose (5 mol %) to the reaction mixt. lead to an increase in yield of the cross-coupled products compared to control expts. that omitted glucose. The size and morphol. of the in situ-formed PdNPs were detd. by TEM, and further EF-TEM anal. showed a hydrophilic hydroxylated shell around the individual palladium particles. The polar/hydrophilic nature of the nanoparticles allowed for their facile removal from the cross-coupled product, and a significant decrease in the amt. of palladium incorporated into the final product was obsd., as measured by ICP-MS anal. [on SciFinder(R)