Die Mechanochemie ist eine effekive und überzeugende Methode zur Herstellung von Alumniumhydroxidfluoriden (Al(OH)3-xFx) mit einem sehr geringen Fluorgehalt. Durch den Prozess des Mahlens werden strukturelle Defekte in den Kristalliten erzeugt, die zu einer zunehmenden Amorphisierung des Kristallsystems führen. Die partielle Fluorierung von Alumniumhydroxid während des Mahlprozesses führt dabei zu einer noch stärkeren Amorphisierung und zur Bildung von Alumniumhydroxyfluoriden. Eine wichtige Rolle bei der resultierenden Produktzusammensetzung spielt die Variation der Synthesebedingungen, wie der Grad der Fluorierung, der Dauer des Mahlprozesses und des Wassergehalt der Edukte. Folglich wurde zuerst der Einfluss von Wasser und dessen Bedeutung durch die verschiedenen Kombinationen von Oxid- und Hydroxid- (Al(OH)3, Al2O3), sowie Fluorid-Quellen mit oder ohne Kristallwasser (β-AlF3.3H2O, α-AlF3) bei der mechanochemischen Synthese von hochgestörten Alumniumhydroxidfluoriden untersucht. Um den optimalen Fluorierungsgrad zu ermitteln, wurden verschiedene Aluminiumhydroxidfluoride mit Al/F-Molverhältnissen von 1:1.5 bis 1:0.05 über die mechanochemische Syntheseroute hergestellt. Eine tiefergehende Charakterisierung der Struktur- und Oberflächeneigenschaften der entsprechenden Produkte erfolgte mittels XRD, 27Al- und 19F-Festkörper-NMR, thermischer Analyse, Stickstoffabsorptions- und Zeta Potentialmessungen. Mit γ-Al(OH)3 und β-AlF3•3H2O als Hydroxid- und Fluorid-Quellen wurden dabei ab einem Verhältnis Al:F von 1:0.25 und hin zu höheren Fluoridanteilen besonders ungeordnete Strukturen erzeugt. Der Fluorierungsgrad betrifft dabei besonders die Ausbildung von 4- und 5-fach koordinierten Al-Zentren, die sonst nicht in den Edukten vorkommen. Diese Spezies beeinflussen die Bildung von Alumniumoxid und ermöglichen den Phasenübergang zu α-Al2O3 schon bei tieferen Temperaturen. Der Einfluss der Mahldauer auf die Struktur und Oberfläche wurde am Beispiel von γ-Al2O3 im Detail untersucht. Die mechanochemische Synthese beeinflusst dabei die Absorption von Fluor an der Grenzschicht von γ-Al2O3 zu Wasser stark. Die Dauer des Mahlprozesses gewinnt daher einen großen Einfluss auf die entstehenden Produkte. Da Fluor nicht im Bulk von γ-Al2O3 vorkommt, kann mit der 19F-Festkörper-NMR eine Zuordnung der unterschiedlichen an der Oberfläche adsorbierten F-Spezies getroffen werden. / The mechanochemical approach opens a reliable and effective strategy for the formation of aluminium hydroxide fluorides with a very low F-content. Milling has the effect of introducing structural defects, causing amorphisation. The fluorination by milling creates a further and drastic increase of this degree of amorphisation. Synthesis conditions (milling time, fluorination degree, water content) play a crucial role in the product composition. Firstly, the significant role played by water in the mechanochemical synthesis of highly distorted aluminium hydroxide fluorides was evaluated. The importance of water in the synthesis was considered by a separated combination of O/OH sources (Al(OH)3, Al2O3) and fluorine sources with or without structural water (β-AlF3.3H2O, α-AlF3). Concerning the degree of fluorination, different aluminium hydroxide fluorides with varying Al/F molar ratios from 1:1.5 up to 1:0.05 were successfully synthesized by mechanochemical reactions. The characterization of the products by XRD, 27Al and 19F MAS NMR, thermal analysis, nitrogen adsorption and zeta potential techniques allows a detailed understanding of the structure and surface properties of the products. Using γ-Al(OH)3 and β-AlF3•3H2O as OH- and F-sources, respectively, strongly disordered products were obtained with an Al: F molar ratio higher than 1:0.25. The degree of fluorination affects the amount of 4- and 5-fold coordinated Al sites, not present in the reactants. Obviously, these species affect the phase transition to alumina, by decreasing the transition temperature of the formation of α-Al2O3. The influence of the milling time was considered by studying the power of a high energy ball milling process on the structure and at the surface of γ-Al2O3. The mechanochemical treatment strongly influences the adsorption of fluorine at the γ-Al2O3/ water interface. The time of the treatment has relevant importance on these processes. Since fluorine is not originally present in the bulk of γ-Al2O3, 19F MAS NMR studies allow the discrimination of different F-species adsorbed at the surface or present as metal fluoride particles in γ-Al2O3 powders after adsorption experiments.

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Es wurden verschiedene NMR-spektrokopische Messungen an flexiblen und chiralen MOFs durchgeführt. Zur Untersuchung der Porensysteme kamen 129Xe-NMR und 13C-NMR an adsorbiertem CO2 zum Einsatz, während die MOF-Gitter und ihre Wechselwirkungen mit adsorbierten Gastmolekülen mittels 13C- und 1H-MAS-NMR-Spektroskopie studiert wurden. Während DUT-8(Ni) Flexibilität zeigt, weist DUT-8(Cu) ein starres Gitter auf. Die Flexibilität der sogenannten Solid-Solutions hängt in ausgeprägter Weise vom Verhältnis der funktionalisierten bdc-Linker 2,5-bme-bdc und db-bdc ab. Dieses Verhältnis hat zudem einen großen Einfluss auf die Orientierung der adsorbierten CO2-Moleküle. Es wurde erstmals eine Methode vorgestellt, die den Festkörper-NMR-spektroskopischen Nachweis chiraler Seitengruppen in chiralen MOFs erlaubt, wie anhand des chiral modifizierten UMCM-1 (ChirUMCM-1) demonstriert wurde. Die Chiralität kann einen NMR-spektroskopisch messbaren Einfluss auf die intrinsische Dynamik des MOF-Gitters ausüben, wie am chiral modifizierten DUT-32 deutlich wurde, dessen chirale Seitengruppe selektiv 15N- und 13C-isotopenmarkiert wurde.

Es wurden verschiedene NMR-spektrokopische Messungen an flexiblen und chiralen MOFs durchgeführt. Zur Untersuchung der Porensysteme kamen 129Xe-NMR und 13C-NMR an adsorbiertem CO2 zum Einsatz, während die MOF-Gitter und ihre Wechselwirkungen mit adsorbierten Gastmolekülen mittels 13C- und 1H-MAS-NMR-Spektroskopie studiert wurden. Während DUT-8(Ni) Flexibilität zeigt, weist DUT-8(Cu) ein starres Gitter auf. Die Flexibilität der sogenannten Solid-Solutions hängt in ausgeprägter Weise vom Verhältnis der funktionalisierten bdc-Linker 2,5-bme-bdc und db-bdc ab. Dieses Verhältnis hat zudem einen großen Einfluss auf die Orientierung der adsorbierten CO2-Moleküle. Es wurde erstmals eine Methode vorgestellt, die den Festkörper-NMR-spektroskopischen Nachweis chiraler Seitengruppen in chiralen MOFs erlaubt, wie anhand des chiral modifizierten UMCM-1 (ChirUMCM-1) demonstriert wurde. Die Chiralität kann einen NMR-spektroskopisch messbaren Einfluss auf die intrinsische Dynamik des MOF-Gitters ausüben, wie am chiral modifizierten DUT-32 deutlich wurde, dessen chirale Seitengruppe selektiv 15N- und 13C-isotopenmarkiert wurde.

À ce jour, nos connaissances sur les propriétés structurales et fonctionnelles des métalloprotéines sont essentiellement basées sur des structures résolues par des méthodes de diffraction à rayons X appliquées à des échantillons monocristallins. Cependant, certaines protéines ne cristallisent pas ou cristallisent sous une forme qui n’est pas manipulable ou compatible avec des techniques des diffraction, et même si une structure à très haute résolution est disponible, la nature de l’ion métallique, sa géométrie de coordination ou son état d’oxydation restent souvent indéterminés.La Résonance Magnétique Nucléaire en rotation à l’angle magique (MAS NMR) est une technique très performante pour l’étude de systèmes biologiques et pour la caractérisation de la structure du site actif des métalloprotéines paramagnétiques, mais son application à l’analyse des noyaux proches d’un site paramagnétique est limitée à cause de la résolution et de la sensibilité faibles.L’objectif de cette thèse a été de développer des méthodes RMN basées sur des hautes fréquences de rotation (60-111 kHz MAS) pour faire face à ces problématiques. Un répertoire de séquences d’impulsion pour la détection et l’attribution des noyaux à proximité d’un centre paramagnétique est proposé, et à l’aide de méthodes de calculs de pointes, les données expérimentales acquises sont converties en contraintes structurales afin de déterminer la géométrie du site actif à l’échelle atomique. Cette approche est validée avec l’analyse de sites actifs de deux protéines microcristallines contenants différents ions paramagnétiques : Fe, Cu et Co. Ensuite, des données préliminaires sur un transporteur membranaire d’ions métalliques divalents non cristalline sont présentées.Les méthodes analytiques présentées ici constituent un ensemble d’outils indispensable pour l’élucidation de la structure et la fonction des sites métalliques de systèmes macromoléculaires biologiques. / Most of our understanding of metalloproteins derives from atomic or molecular structures obtained from diffraction methods on single crystal samples. However, not all proteins are amenable for diffraction studies, and even when a highly-resolved structure is available, often the nature of the metal ion, its coordination geometry or its oxidation state are not determined. The aim of the present thesis is the investigation of structural properties of metal sites in paramagnetic metalloproteins by Magic-Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance (MAS NMR). MAS NMR is a powerful technique for the investigation of biological systems, and may represent a direct probe of the structure at the active site of paramagnetic metalloproteins. However, it suffers from limited sensitivity and resolution when applied to nuclei close to a paramagnetic center.In this thesis, we address these limitations by developing NMR methods based on ultra-fast (60-111 kHz) MAS rates. A “toolkit” of suitably designed pulse sequences is built for the detection and the assignment of nuclei in close proximity of a paramagnetic center. State-of-the-art computational techniques are also employed to convert the experimental data into structural restraints for obtaining atomic-resolution geometries of active sites. We benchmark this approach with the study of Fe, Cu and Co sites in two microcrystalline proteins, and we also provide preliminary data on a non-diffracting divalent metal ion transporter in lipid membranes. We anticipate that the techniques described here are an essential tool to elucidate many currently unanswered questions about structure and function of metal sites in structural biology.

<p><b>Background and aims:</b> Type 2 diabetes mellitus is connected with elevated glucose levels, which cause impaired glucose-stimulated insulin secretion (GSIS) and degeneration of β-cells. Mechanisms for such glucotoxic effects were explored in the present study.</p><p><b>Materials and methods:</b> INS-1E cells were cultured for 5 days in 5.5, 11, 20 or 27 mM glucose in the presence or absence of AMPK-agonist AICAR. GSIS was determined from INS-1E cells and islets obtained from type 2 diabetes and control donors. Human islets and INS-1E cells were functionally characterized (GSIS) and protein profiled (SELDI-TOF MS). Glucose-induced <i>de novo</i> synthesis of fatty acyls (HR-MAS NMR spectroscopy), fatty acid composition (GC-MS), triglyceride content and specific proteins (Western blotting) were determined in INS-1E cells.</p><p><b>Results:</b> Impaired GSIS was observed from INS-1E cells exposed to chronic hyperglycaemia and islets isolated from type 2 diabetics compared to INS-1E cells cultured at normal glucose levels and control islets, respectively. Several glucose-regulated proteins were found when type 2 diabetes and control islets or mitochondria from INS-1E cells cultured at different glucose concentrations were protein profiled. Glucose induced lipid <i>de novo</i> synthesis of both saturated and unsaturated fatty acids in specific proportions. Glucose-induced impairment of function and mass was reverted by inclusion of AICAR, which lowered levels of pro-apoptotic protein CHOP but left triglyceride content unaffected.</p><p><b>Conclusions:</b> Impaired GSIS and increased apoptosis observed in β-cells after prolonged exposure to elevated glucose concentrations involved accumulation of lipid species in specific proportions, AMPK-inactivation, ER-stress activation and complex, coordinated changes in expression patterns of mitochondrial and human islet proteins.</p>

<b>Background and aims:</b> Type 2 diabetes mellitus is connected with elevated glucose levels, which cause impaired glucose-stimulated insulin secretion (GSIS) and degeneration of β-cells. Mechanisms for such glucotoxic effects were explored in the present study. <b>Materials and methods:</b> INS-1E cells were cultured for 5 days in 5.5, 11, 20 or 27 mM glucose in the presence or absence of AMPK-agonist AICAR. GSIS was determined from INS-1E cells and islets obtained from type 2 diabetes and control donors. Human islets and INS-1E cells were functionally characterized (GSIS) and protein profiled (SELDI-TOF MS). Glucose-induced de novo synthesis of fatty acyls (HR-MAS NMR spectroscopy), fatty acid composition (GC-MS), triglyceride content and specific proteins (Western blotting) were determined in INS-1E cells. <b>Results:</b> Impaired GSIS was observed from INS-1E cells exposed to chronic hyperglycaemia and islets isolated from type 2 diabetics compared to INS-1E cells cultured at normal glucose levels and control islets, respectively. Several glucose-regulated proteins were found when type 2 diabetes and control islets or mitochondria from INS-1E cells cultured at different glucose concentrations were protein profiled. Glucose induced lipid de novo synthesis of both saturated and unsaturated fatty acids in specific proportions. Glucose-induced impairment of function and mass was reverted by inclusion of AICAR, which lowered levels of pro-apoptotic protein CHOP but left triglyceride content unaffected. <b>Conclusions:</b> Impaired GSIS and increased apoptosis observed in β-cells after prolonged exposure to elevated glucose concentrations involved accumulation of lipid species in specific proportions, AMPK-inactivation, ER-stress activation and complex, coordinated changes in expression patterns of mitochondrial and human islet proteins.

Ce travail consiste en l’étude par RMN multinoyaux de matériaux paramagnétiques d’électrodes positives pour batteries au Li. La RMN du solide permet une caractérisation de l’environnement local du noyau sondé grâce à l’exploitation des interactions hyperfines dues à la présence d’une certaine densité d’électrons célibataires (déplacement de contact de Fermi) ou de conduction (déplacement de Knight) sur ce noyau (densité transférée selon des mécanismes plus ou moins complexes). Les matériaux étudiés sont des phosphates de métaux de transition tels que Li3M2(PO4)3 (M = Fe, V), la famille des tavorites LiMPO4X (M = Fe, Mn; X = OH, F) ou encore les phases homéotypiques MPO4.H2O (M = Fe, Mn, V). Pour tous ces matériaux, caractérisés par RMN du 7Li, 31P et 1H, l’environnement local de ces noyaux a été étudié afin d’envisager les mécanismes de transfert de spin possibles. Des calculs ab initio ont été effectués pour reproduir les déplacements de RMN, puis établir des cartes de densité de spin afin d’étayer ou compléter la compréhension de ces mécanismes. / Paramagnetic materials for positive electrodes for Li batteries have been studied by multinuclear NMR. The local environment of the probed nucleus can be characterized by solid state NMR making use of hyperfine interactions due to transfer of some electron spin density (Fermi contact shift) on this nucleus, via more or less complex mechanisms. We studied a series of transition metal phosphates as Li3M2(PO4)3 (M = Fe, V) with anti-NASICON structure, LiMPO4X (M = Fe, Mn; X = OH, F) belonging to the tavorite family and the homeotypic phases MPO4.H2O (M = Fe, Mn, V). All these materials have been characterized by 7Li, 31P and 1H NMR, and the local environments of these nuclei have been analyzed to propose possible spin transfer mechanisms. First principles DFT calculations have been carried out to, first of all, reproduce the experimental NMR shifts, and then to confirm or complement the understanding of these mechanisms, in particular by plotting spin density maps.

Ziel der vorliegenden Promotionsarbeit war die Entwicklung einer Methode zur Quantifizierung saurer Zentren auf Festkörperoberflächen mittels 15N-Festkörper-NMR-Spektroskopie von adsorbierten Pyridinmolekülen. Die 15N-Festkörper-NMR von adsorbiertem Pyridin ermöglicht die Unterscheidung verschiedener Arten von sauren Zentren, wie Lewis- und Brønsted-Zentren. Die Bestimmung der Art und der Konzentration auftretender saurer Zentren ist entscheidend, um die katalytische Aktivität fester Katalysatoren in einer Reaktion zu verstehen. Da 15N-NMR-Messungen zumeist zeitaufwendig sind, wurde in dieser Arbeit eine zeitoptimierte Messroutine entwickelt, die auf der Messung von 15N-Einzelpuls-Spektren mit kurzen Pulswiederholzeiten beruht. Um diese Spektren quantitativ auswerten zu können, müssen die detektierten NMR-Signale bezüglich ihrer T1-Relaxation korrigiert werden. Zudem treten in 15N-Einzelpuls-NMR-Spektren oft starke Störungen der Basislinie auf. Zur Unterdrückung dieser Störsignale wurde die EASY-Methode entwickelt, die auf der Messung von zwei schnell aufeinander folgenden Spektren basiert. Mittels dieser Methode können auftretende Störsignale in quantitativen 15N-NMR-Spektren unterdrückt werden. Die entwickelte zeitoptimierte Quantifizierungsmethode wurde an zwei Probenserien von festen Säuren getestet; zum einen an Aluminiumhydroxidfluoriden, als Vertreter von Verbindungen mit stark sauren Zentren, und zum anderen an hydroxylierten Magnesiumfluoriden, als Vertreter schwach saurer Verbindungen. Der Vergleich mit anderen quantitativen Methoden zeigte, dass die 15N-Festkörper-NMR-Spektroskopie von adsorbiertem Pyridin hervorragend für die Quantifizierung saurer Zentren geeignet ist und Einblicke in die katalytische Aktivität fester Katalysatoren ermöglicht. / The aim of the present dissertation was to develop a method for the quantification of acidic sites on solid surfaces by 15N solid-state NMR with pyridine as probe molecule. 15N NMR of adsorbed pyridine allows to distinguish different types of acidic sites like Lewis and Brønsted sites. The determination of the kind and concentrations of occurring acidic sites is crucial to understand the catalytic activity of a solid catalyst in a reaction.15N NMR measurements are often time-consuming. Hence, a time-optimized NMR quantification procedure was developed which uses 15N single pulse spectra with short pulse repetition delays. For quantitative analysis of these spectra, occurring signals were corrected according to their T1 relaxation. Furthermore, often strong baseline disturbances are observed in single pulse spectra. For the suppression of these disturbances, the EASY method was developed. The EASY method uses two successive scans to obtain quantitative NMR spectra, in which baseline disturbances are suppressed. The developed time-optimized method for the quantification of acidic sites was applied on two series of samples. One series of aluminum hydroxide fluorides as representatives of catalysts with strong acid sites and one series of hydroxylated magnesium fluorides as representatives of weak acidic catalysts. The comparison with other quantitative methods shows that 15N solid-state NMR of adsorbed pyridine is an excellent method for the quantification of acidic sites, because insights in the catalytic activity of a catalyst can be gained.