- Titel
- Influence of decorporation agents on the speciation of trivalent lanthanides and actinides in the artificial human digestive system
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1010825
- Übersetzter Titel (DE)
- Einfluss von Dekorporationsmitteln auf die Speziation dreiwertiger Lanthanide und Actinide im künstlichen menschlichen Verdauungssystem
- Erstveröffentlichung
- 2025
- Datum der Einreichung
- 01.08.2025
- Datum der Verteidigung
- 20.11.2025
- Abstract (DE)
- In dieser Dissertation wird die Koordinationschemie dreiwertiger Lanthanide und Actinide untersucht, mit besonderem Fokus auf Europium(III) (Eu³⁺) und Curium(III) (Cm³⁺) in wässriger Umgebung. Aufgrund ihrer Redoxstabilitäten und chemischen Eigenschaften wurden Eu(III) und Cm(III) als repräsentative f-Elemente ausgewählt. Zusätzlich weisen diese Ionen hervorragende lumineszenzspektroskopische Eigenschaften auf. Im Mittelpunkt stehen Liganden aus der Familie der Aminopolycarboxylate mit starken Komplexbildungseigenschaften, wie Ethylendiamintetraacetat (EDTA) und Ethylenglycol-bis(β-aminoethylether)-N,N,N′,N′-tetraacetat (EGTA). Zudem wurden vergleichende Studien mit dem neu synthetisierten neunzähnigen Liganden Diethylenglycol-bis(3-aminopropylether)-N,N,N′,N′-tetraacetat (DEGTA) durchgeführt. Ziel ist es, das strukturelle, thermodynamische und mechanistische Verhalten dieser Komplexe besser zu verstehen. Erste Untersuchungen zielten auf die Komplexbildungsreaktionen von Eu(III) und Cm(III) mit EDTA und EGTA, zwei gut charakterisierten Liganden, ab. Durch eine Kombination der fortschrittlichen Methoden zeitaufgelöste laser-induzierte Fluoreszenzspektroskopie (TRLFS) und 1H- und 13C-Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) konnten verifizierte Daten zur Metallspeziation in Lösung gewonnen werden. Ergänzend wurden mittels 1H NMR die Protolysekonstanten der Liganden bestimmt. Isotherme Titrationskalorimetrie (ITC) ermöglichte zudem thermodynamische Analysen der Komplexbildungsreaktionen, wobei sowohl enthalpische als auch entropische Beiträge erfasst wurden. Die Ergebnisse zeigen für alle Liganden eine konsistente 1:1-Stöchiometrie, jedoch auch ligandenspezifische Unterschiede in Stabilität und Koordinationsmodi. DEGTA bildet neunfach koordinierte Komplexe, die strukturelle Vergleichsmöglichkeiten bieten. TRLFS- und NMR-Daten zeigen das Vorliegen zweier verschiedener 1:1-Komplexe: eine vollständig deprotonierte Spezies, vergleichbar mit EDTA- und EGTA-Komplexen, sowie einen weiteren, teilweise protonierten Komplex bei niedrigerem pH-Wert. Diese Beobachtung verdeutlicht, wie die Flexibilität des Ligandenrückgrates und Protolysekonstanten die Stabilität beeinflussen. Obwohl DEGTA der erhöhten Zähnigkeit nach überlegen scheint, bleibt seine Komplexstabilität hinter Erwartungen zurück. Ursache dafür ist eine sterische Selbstbehinderung durch das flexible Molekülrückgrat, welches eine optimale Koordinationsgeometrie verhindert. Die Ergebnisse zeigen deutlich, wie Struktur und Flexibilität die Stabilität mehrzähniger Ligandensysteme beeinflussen. Ein innovativer Aspekt dieser Arbeit ist die Untersuchung von Wasserstoffisotopenaustauschreaktionen in deuteriumreicher, alkalischer Umgebung (NaOD/D₂O), bei denen Lanthanid-Aminopolycarboxylat-Komplexe unter C–H-Aktivierung reagieren. Dabei zeigte sich eine deutliche Abhängigkeit der Wirksamkeit vom Metallion. Lutetium(III) (Lu³⁺) mit dem kleinsten Ionenradius zeigte die höchsten H-D-Austauschraten. Die Reaktion wurde mittels 1H/2H-NMR- und Raman-Spektroskopie bestätigt und durch theoretische Berechnungen mechanistisch untermauert. Diese Erkenntnisse liefern neue Impulse für die metallvermittelte C–H-Aktivierung in wässriger Lösung – ein Gebiet mit hoher Relevanz für Isotopenmarkierung und Katalyse. Gleichzeitig ermöglicht der einfache Zugang zu deuterierten Liganden den Einsatz der 2H NMR-Spektroskopie auch unter schwierigen Bedingungen, etwa bei hohem 1H-Hintergrund in künstlichen Körperflüssigkeiten. Der anwendungsbezogene Teil der Arbeit fokussiert sich auf die biomedizinische und umwelttechnische Relevanz von Metall-Liganden-Wechselwirkungen, insbesondere im Kontext der Dekorporation inkorporierter f-Elemente. Angesichts ihrer chemotoxischen und radiotoxischen Gefahren besteht ein dringender Bedarf an Chelatoren, die diese Ionen wirksam aus dem Körper entfernen. Hierzu wurde das modifizierte UBM-Protokoll verwendet, um die physiologischen Bedingungen im Gastrointestinaltrakt zu simulieren. In anschließenden Verdrängungsstudien wurden EDTA, EGTA, Diethylentriaminpentaacetat (DTPA) und der Hydroxypyridonat-basierte Ligand 3,4,3-LI(1,2-HOPO) hinsichtlich ihrer Effizienz bei der Freisetzung von Eu(III) und Cm(III) untersucht. Die Kombination von TRLFS und 2H NMR ermöglichte dabei eine beidseitige Perspektive, sowohl von Metall- als auch Ligandenseite. Die in vitro-Ergebnisse zeigen, dass lineare Liganden mit hoher Zähnigkeit und günstigen Protolysekonstanten wie DTPA und HOPO besonders effektiv bei der Metallfreisetzung sind. HOPO zeigte dank vororganisierter Struktur und selektiver Donoratome eine überragende Leistung. EGTA hingegen, trotz hoher Komplexstabilität, war unter den Bedingungen synthetischer Körperflüssigkeiten weniger wirksam. Diese Resultate unterstreichen die Bedeutung zielgerichteten Ligandendesigns für medizinische Anwendungen. Insgesamt liefert die Arbeit eine solide Grundlage für die Entwicklung von Chelatoren für therapeutische oder umweltrelevante Anwendungen. Die umfassenden thermodynamischen, strukturellen und mechanistischen Erkenntnisse leisten einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Komplexierung von f-Elementen unter physiologischen Bedingungen und schlagen eine Brücke zwischen Grundlagenforschung und praktischer Anwendung.
- Abstract (EN)
- This dissertation explores the coordination chemistry of trivalent lanthanide and actinide ions, with a particular focus on europium(III) (Eu³⁺) and curium(III) (Cm³⁺), in aqueous environments. Eu(III) and Cm(III) have been selected due to their redox stabilities and chemical properties. They are typical representatives of the trivalent lanthanides and actinides and provide excellent luminescence properties. The work centers on aminopolycarboxylate ligands known for their strong chelating properties, such as ethylenediaminetetraacetate (EDTA) and ethylene glycol-bis(β-aminoethyl ether)-N,N,N′,N′-tetraacetic acid (EGTA), with comparative investigations involving the newly synthesized nonadentate ligand diethylene glycol bis(3-aminopropyl ether)-N,N,N’,N’-tetraacetic acid (DEGTA). By employing a broad suite of experimental techniques, the study seeks to better understand the structural, thermodynamic, and practical behaviours of these complexes. Initial investigations focused on the complexation mechanisms of Eu(III) and Cm(III) with EDTA and EGTA, both of which are widely used and well-characterized ligands. Using a unique combination of advanced techniques, reliable structurally verified data was obtained. Time-resolved laser-induced fluorescence spectroscopy (TRLFS) and 1H and 13C nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy were used to monitor metal speciation in solution. In addition, 1H NMR spectroscopy allowed for the determination of ligand protonation constants. Isothermal titration calorimetry (ITC) provided thermodynamic insights into the complexation reactions, delivering both enthalpic and entropic contributions. The comparative study revealed consistent 1:1 stoichiometries across ligands, alongside ligand-specific differences in stability and coordination modes. DEGTA provided valuable structural comparisons by forming nine-coordinate complexes with Eu(III) and Cm(III). Interestingly, TRLFS and NMR studies revealed the existence of not just one, but two distinct 1:1 complexes: a fully deprotonated species, comparable to those of EDTA and EGTA, and a second, partially protonated complex occurring at lower pH. This unexpected speciation behaviour highlighted the subtle influence of backbone flexibility and protonation equilibria on complex stability. Although DEGTA confirms known trends regarding ligand denticity–particularly in terms of the number and type of donor atoms, i.e. the binding motifs–its complex stabilities with Eu(III) and Cm(III) surprisingly does not follow the trend of denticity in the series EDTA, EGTA, and DEGTA. This was attributed to steric self-hindrance caused by DEGTA’s extended and flexible backbone, which can interfere with optimal coordination geometry. These findings underscore the complex interplay between structure, flexibility, and stability in polydentate ligand systems. A notable addition to this research was the investigation of hydrogen isotope exchange reactions involving lanthanide–aminopolycarboxylate complexes in alkaline deuterated environments (NaOD/D₂O). These reactions, which involve C–H activation at the aminoacetate backbone, were shown to proceed with metal-ion-dependent efficiency. Lutetium(III) (Lu³⁺), with its smallest ionic radius among the lanthanides, produced the highest isotope exchange yields. This behaviour was monitored and quantified via 1H/2H NMR and Raman spectroscopies. Complementary theoretical calculations supported the elucidation of the underlying reaction mechanisms. This part of the study does not only introduce a new reactivity mode for these coordination systems but also provides important fundamental insights into metal-mediated C–H activation in aqueous solution–research tremendously relevant for isotopic labelling and mechanistic catalysis studies. Furthermore, these investigations open the door to easy available deuterated ligands, which allow to perform 2H NMR spectroscopy under challenging environments, where a large 1H NMR background occurs, e.g. artificial biofluids. The most application-orientated part of the dissertation centres on the biomedical and environmental relevance of metal–ligand interactions, specifically regarding decorporation strategies for lanthanide and actinide contaminants. Given the serious chemotoxic and radiotoxic hazards posed by internalized f-elements, the identification of ligands capable of effectively removing these ions from the human body is of high importance. To simulate physiological conditions, a modified Unified Bioaccessibility Method (UBM) was used to replicate the gastrointestinal environment. Displacement studies were then conducted to evaluate the effectiveness of various chelators–EDTA, EGTA, diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA), and the hydroxypyridonate-based ligand 3,4,3-LI(1,2-HOPO)–in mobilizing Eu(III) and Cm(III) from pre-formed, biologically relevant complexes. In order make the results more reliable and to investigate from both, the metal´s and the ligand´s view, the complementary methods TRLFS and 2H NMR spectroscopy were applied. These in vitro studies demonstrated clear trends: linear, high-denticity ligands with favourable protonation profiles, such as DTPA and HOPO, exhibited significantly greater efficacy in mobilizing metal ions compared to cyclic counterparts or related ligands characterized by elevated pKa values. Their high complex stability constants allowed them to overcome both cationic and anionic competition under biofluid conditions. HOPO, in particular, showed outstanding performance, likely due to its optimized combination of preorganized structure and selective donor atoms. EGTA, while forming stable complexes, was less efficient at displacing metals in competitive environments, highlighting the importance of fine-tuning ligand design for medical applications. The findings establish an important foundation for selecting and developing chelators tailored to chelation therapy and environmental remediation. Comprehensive thermodynamic and structural data reinforce the value of in vitro screening methods in assessing decorporation agents. In addition, the mechanistic insights gained contribute to a deeper understanding of metal–ligand interactions under physiological conditions. Collectively, this dissertation advances both theoretical and applied aspects of lanthanide and actinide coordination chemistry, thereby narrowing the divide between fundamental research and biomedical and environmental applications.
- Freie Schlagwörter (DE)
- Dreiwertige Actinide und Lanthanide, Chelatbildner, Konkurrenz, Lumineszenzspektroskopie
- Freie Schlagwörter (EN)
- trivalent actinides and lanthanides, chelating agents, competition, luminescence spectroscopy
- Klassifikation (DDC)
- 540
- Klassifikation (RVK)
- VH 8048
- GutachterIn
- Prof. Dr. Thorsten Stumpf
- Prof. Dr. Clemens Walther
- BetreuerIn Hochschule / Universität
- Dr. Astrid Barkleit
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Dresden, Dresden
- Förder- / Projektangaben
- Bundesministerium für Bildung und Forschung Speziation und Transfer von Radionukliden im Menschen unter besonderer Berücksichtigung von Dekorporationsmitteln
(RADEKOR)
ID: 02NUK057A - Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Reaktorsicherheit und Verbraucherschutz Geochemical retention of radionuclides on cement alteration phases
(GRaZ II)
ID: 02E11860B - Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt NukSiFutur Nachwuchsforschungsgruppe TecRad: Wechselwirkungen von Technetium mit Mikroorganismen, Metaboliten und an der Mineral-Wasser-Grenzfläche - Radioökologische Betrachtungen
(TecRad)
ID: 02NUK072 - Sonstige beteiligte Institution
- Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e.V., Dresden
- Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1010825
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 19.12.2025
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Englisch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY-NC-ND 4.0- Inhaltsverzeichnis
ACKNOWLEDGMENTS SCIENTIFIC CONTRIBUTIONS TABLE OF CONTENS LIST OF ABBREVIATIONS SUMMARY ZUSAMMENFASSUNG 1 MOTIVATION AND GOALS 2 THEORETICAL BACKGROUND 2.1 CHEMISTRY OF LANTHANIDES AND ACTINIDES 2.1.1 Lanthanides 2.1.2 Actinides 2.2 HUMAN DIGESTIVE SYSTEM 2.2.1 Structure and function 2.2.2 Heavy metals in the digestive system 2.2.3 Decorporation agents for heavy metals 2.3 LUMINESCENCE SPECTROSCOPY 2.3.1 Spectroscopic properties of trivalent europium 2.3.2 Spectroscopic properties of trivalent curium 2.3.3 Time-resolved laser-induced fluorescence spectroscopy (TRLFS) 2.4 NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE (NMR) SPECTROSCOPY 2.4.1 Paramagnetic NMR spectroscopy 2.5 ISOTHERMAL TITRATION CALORIMETRY (ITC) 3 RESULTS AND DISCUSSION 3.1 INVESTIGATION OF METAL–LIGAND INTERACTIONS 3.1.1 Synthesis of DEGTA 3.1.2 pKa determination from 1H NMR pH titration series 3.1.3 Eu(III) and Cm(III) complexation by EDTA, EGTA, and DEGTA 3.1.3.1 pH dependent complexation of Eu(III) 3.1.3.2 Complexation of Eu(III) and Cm(III) by EDTA 3.1.3.3 Complexation of Eu(III) and Cm(III) by EGTA 3.1.3.4 Complexation of Eu(III) and Cm(III) by DEGTA 3.1.4 Comparison of the Eu(III) and Cm(III) Complexes of EDTA, EGTA, and DEGTA 3.2 DISPLACEMENT OF BIOLOGICAL LIGANDS BY DECORPORATION AGENTS 3.2.1 Selection of decorporation agents 3.2.2 Kinetics of the displacement reactions 3.2.3 Displacement of the phosphate fraction of the GIT 3.2.4 Displacement of all components of the GIT 3.2.5 Thermodynamic correlation of the displacing efficacy 3.2.6 Applicability to other complexing agents 3.2.7 Investigations from the ligand´s perspective 3.2.7.1 Deuteration of ligands 3.2.7.2 EGTA-d8 in the artificial GIT 3.2.8 Comparison of the ligand efficacy 3.3 EXCURSUS: U(III)-PNICTOGEN COMPLEXES 4 CONCLUSIONS AND OUTLOOK 5 MATERIALS AND METHODS 5.1 STARTING MATERIAL AND STOCK SOLUTIONS 5.2 SYNTHESES 5.2.1 DEGTA 5.2.2 3,4,3-LI(1,2-HOPO) 5.3 TRLFS SPECTROSCOPY 5.4 NMR SPECTROSCOPY 5.5 ISOTHERMAL TITRATION CALORIMETRY 5.6 DEUTERATION OF EGTA 5.7 PREPARATION OF THE ARTIFICIAL DIGESTIVE SYSTEM 5.8 DFT CALCULATIONS 5.9 DATA PROCESSING SOFTWARE 6 REFERENCES 7 APPENDIX