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Faculty / Organisational entity
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Systeme mit Edukten und Produkten von
Veresterungsreaktionen in ionischen Flüssigkeiten (IF)zu untersuchen. Es wurden die
Reaktionen von Ethanol, 1-Propanol und 1-Butanol mit Essigsäure zu den entsprechenden
Estern: Ethylacetat, Propylacetat und Butylacetat betrachtet. Die drei sauren ionischen
Flüssigkeiten,1-Methylimidazoliumhydrogensulfat [HMIM][HSO4], 1-Ethyl-3-methylimidazoliumhydrogensulfat
[EMIM][HSO4] und 1-Butyl-3-methylimidazoliumhydrogensulfat
[BMIM][HSO4], dienten hier als Katalysator und Extraktionsmittel zur
Aufarbeitung des Reaktionsgemisches. Ziel war es auch, durch Extraktion mit diesen
ionischen Flüssigkeiten Reaktionsprodukt(e) aus dem Reaktionsgemisch zu entfernen und
ähnlich wie bei der Reaktivdestillation das Reaktionsgleichgewicht zu stören.
Daten über das flüssig-flüssig Phasengleichgewicht wurden gesammelt. Die Experimente
umfassten einerseits ternäre nichtreaktive Systeme bestehend aus Alkohol + Ester + IF und
Essigsäure + Ester + IF, andererseits wurden reaktive Fünfkomponentensysteme, die alle
Komponenten, beteiligt an der Reaktion, plus IF enthalten, bestimmt. Um die experimentellen
Daten auf ähnliche, nicht untersuchte, Systeme übertragen zu können wurde systematisch der
Einfluss mehrerer Parameter auf das Phasengleichgewicht untersucht, wie z.B. die Länge der
Alkylkette am Kation oder am Alkohol und die Temperatur. Aus den Messungen wurde klar,
dass mit steigender Alkylkette am Kation die Mischungslücken kleiner werden und
gleichzeitig die Löslichkeit der Edukte in der ionischen Phase verbessert wird. Eine längere
Alkylkette des Alkohols (und des entsprechenden Esters) bewirkt größere Zweiphasengebiete
und verbessert die Löslichkeit der Edukte in der organischen Phase. Da generell eine gewisse
Abhängigkeit zwischen Phasengleichgewicht und erreichten Reaktionsumsatz beobachtet
wurde, lassen sich die erzielbaren Ergebnisse bei bekanntem Phasengleichgewicht abschätzen.
Der Einfluss der Temperatur auf das flüssig-flüssig Gleichgewicht wurde nur für die ternären
Systeme untersucht.
Kinetische Versuche mit IF als Katalysator ergaben relativ enttäuschende Ergebnisse. Die
Hydrogensulfate erwiesen sich als schwache Katalysatoren für diese Reaktionen. In einem
großtechnischen Prozess werden deshalb zusätzliche Katalysatoren, wie Schwefelsäure o.ä.,
notwendig sein.
Aus den experimentellen Phasengleichgewichtsdaten und den Kinetikmessungen wurden
UNIQUAC- bzw. Kinetikansatz-Parameter durch Anpassung gewonnen. Um die reaktiven
Systeme zu simulieren, wurde ein mathematisches Modell, das Phasengleichgewicht und
Reaktionsgleichgewicht in einer Gegenstromextraktionskaskade berücksichtigt, in Matlab
implementiert.
Mehrere vielversprechende Anwendungen der untersuchten ionischen Flüssigkeiten wurden
simuliert und diskutiert. Während alle untersuchten Hydrogensulfate in der Lage sind, Wasser
aus dem Ester/Reaktionsgemisch zu extrahieren, kann man nur [EMIM][HSO4] und
[BMIM][HSO4] zur Entfernung von (kürzerkettigen) Alkoholen und Säuren verwenden. Es
wurden Reaktivextraktionsverfahren für die Herstellung von Ethylacetat konzipiert, die die
Eigenschaften der jeweiligen IF ausnutzen, um im Wesentlichen Wasser aus dem
Reaktionsgleichgewicht zu entfernen und z.B. reinere Produktströme oder höhere
Reaktionsumsätze zu erreichen. Beste Aussichten auf Erfolg von allen drei Salzen hat dabei
die IF [EMIM][HSO4], da im hier vorgeschlagenen Verfahren die wenigsten zusätzlichen
destillativen Trennschritte zu erwarten sind. Die Simulationen ergeben signifikante
Einsparung an Energiekosten gegenüber Reaktivdestillationsverfahren, da hier Energie
hauptsächlich nur zum Verdampfen von Wasser notwendig ist.
Der Katabolismus von Pyrimidin-Nukleobasen erfolgt in Arabidopsis thaliana über einen dreistufigen Stoffwechselweg. In diesem wird Uracil zu beta-Alanin, Kohlenstoffdioxid und Stickstoff in Form von Ammonium abgebaut. Die erste Reaktion, die Reduktion von Uracil zu Dihydrouracil wird von dem plastidären Enzym Dihydrouracil-Dehydrogenase (Pyd1) katalysiert. „Knockout“-Mutanten zeigten verglichen mit Wildtyp-Pflanzen bis zu 50-fach erhöhte Uracilgehalte in allen untersuchten Geweben. Diese Mutanten waren nicht in der Lage, die radioaktiv markierten Pyrimidine Uridin und Uracil zu degradieren und deshalb hochsensitiv gegenüber den toxischen Derivaten 5-Fluorouridin und 5-Fluorouracil. Im Gegensatz dazu wiesen Mutanten, die Pyd1 überexprimieren eine erhöhte Resistenz gegenüber diesen toxischen Derivaten auf. Expressionsanalysen deckten auf, dass Pyd1 hauptsächlich im trockenen Samen exprimiert wird. Die transgenen Pyd1-Pflanzen wiesen einen drastischen Keimungsphänotyp auf. Während „knockout“-Mutanten 2 Tage später als Arabidopsis thaliana-Wildtyp-Pflanzen keimten, waren die Pyd1-Überexpressions-pflanzen in der Lage etwas früher zu keimen. Dies indiziert, dass die Aktivität der Pyd1 in der frühen pflanzlichen Entwicklung von entscheidender Bedeutung ist. Auch der Abscisinsäure-Stoffwechsel scheint in diesen Keimungsphänotyp involviert zu sein. Weiterhin entwickelten die Pyd1-Überexpressionspflanzen mehr Schoten und Samen als Wildtyp-Pflanzen, die „knockout“-Pflanzen weniger. War während der pflanzlichen Entwicklung Stickstoff limitierend, erhöhten sich Pyd1-Expression und Pyd1-Aktivität. Pyd1 scheint ein Schlüsselregulator des Pyrimidin-Katabolismus zu sein, der zwischen den Bedürfnissen an Stickstoff von Nukleotiden und anderen Metaboliten wie beispielsweise Aminosäuren vermittelt. Weiterhin erwies sich Pyd1 als wichtige Komponente in der Remobilisierung des Stickstoffs aus seneszenten Geweben. Es wurde untersucht, ob eventuell ein weiteres Enzym mit Dihydrouracil-Dehydrogenase-Aktivität existiert. Das Arabidopsis thaliana-Protein mit der höchsten Homologie zur Aminosäuresequenz von Pyd1 ist das Enzym Dihydroorotat-Dehydrogenase (DHODH), welches den vierten Schritt der Pyrimidin-de novo-Synthese katalysiert, die Oxidation von Dihydroorotat zu Orotat. Der Pyrimidinkatabolismus stellt die Umkehrung der Pyrimidin-de novo-Synthese dar und die von Pyd1 und DHODH katalysierten Reaktionen sind chemisch ähnlich. Transgene Pflanzen mit einer gesteigerten DHODH-Expression waren zu einer erhöhten Dihydroorotat-Oxidation in der Lage, zeigten aber keinerlei Pyd1-Aktivität. Während eine geringfügige Reduktion in der DHODH-Expression keinen Einfluss auf die pflanzliche Entwicklung hatte, wiesen Dosismutanten mit einer starken Reduktion des DHODH-Transkriptgehaltes einen drastischen Phänotyp auf. Die entsprechenden Pflanzen waren zwergwüchsig, bildeten rötlich-braune Keimblätter aus und ihr Wurzelwachstum war im Vergleich zu Arabidopsis thaliana-Wildtyp-Pflanzen stark vermindert. Zudem hatten diese Pflanzen weniger RNA, was auf eine geringere Pyrimidinverfügbarkeit hindeutet. Gewebespezifische Expressionsanalysen unterstrichen die Bedeutung der DHODH und damit der Pyrimidin-de novo-Synthese in wachsenden Geweben, in denen die Bereitstellung neuer Pyrimidin-Grundgerüste von essentieller Bedeutung ist. Weiterhin konnten erste Hinweise darauf erbracht werden, dass die pflanzliche DHODH, so wie auch das Homolog in Tieren an der äußeren Oberfläche der inneren Mitochondrienmemban verankert und dort als Flavoprotein an die Atmungskette gekoppelt ist.
Ionische Flüssigkeiten werden als alternative zu klassischen Lösungsmitteln für chemische Umsetzungen diskutiert u. a. auch für Reaktionen an denen gelöste Gase beteiligt sind. Deshalb ist die Kenntnis der Gaslöslichkeit sowie der eventuell auftretenden Hochdruck-Mehrphasen-Gleichgewicht in Systemen mit ionischen Flüssigkeiten sowohl von wissenschaftlichem als auch von technischem Interesse.
Das Aufpressen von Kohlendioxid bei einer Temperatur nahe dessen kritischer Temperatur auf eine homogene, einphasige, binäre flüssige Mischung aus einem organischen Lösungsmittel und einer hydrophoben ionischen Flüssigkeit bzw. aus Wasser und einer hydrophilen ionischen Flüssigkeit, kann zur Entmischung der zuvor homogenen Flüssigkeit in zwei koexistierende Flüssigphasen L1 und L2 (die mit einer Dampfphase V im Gleichgewicht stehen) führen.
Das zweiphasige flüssige System kann z. B. bei chemischen Umsetzungen, aber auch bei der Aufarbeitung von Reaktionslösungen von Vorteil sein, wenn z. B. die Extraktion eines Produkts in die zweite flüssige Phase zu einer Erhöhung des Umsatzes einer chemischen Reaktion führt.
In der vorliegenden Arbeit wurde das Hochdruck-Mehrphasen-Gleichgewicht ternärer Systeme bestehend aus (Kohlendioxid + Alkohol/Wasser + ionische Flüssigkeit bzw. Ethylencarbonat) experimentell untersucht.
Zunächst wurden die Hochdruck-Mehrphasen-Gleichgewichte von zwei organischen ternären Systemen (Kohlendioxid + Methanol + [bmim][PF6]) und (Kohlendioxid + 1-Butanol + [hmim][Tf2N]) bei Temperaturen zwischen 293 und 333 K und Drücken bis zu 12 MPa experimentell bestimmt. Die Untersuchungen bestanden aus dem Vermessen der Druck-Temperatur-Koordinaten der kritischen Endpunktlinien, sowie der Zusammensetzungen der im Dreiphasengleichgewicht koexistierenden flüssigen Phasen L1 und L2.
Danach wurden an vier Systemen aus (Kohlendioxid + Wasser + ionische Flüssigkeit) ähnliche experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Diese beschränkten sich jedoch im wesentlichen auf die Bestimmung des Druckbereiches in dem solche Mehrphasen-Gleichgewichte auftreten.
Bei dem wässrigen System (Kohlendioxid + Wasser + Ethylencarbonat), das untersucht wurde, wurde ein deutlich komplizierteres Phasenverhalten beobachtet, in dem auch ein Vierphasengleichgewicht L1L2L3V sowie zwei Typen von Dreiphasengleichgewichten auftreten. Für dieses System wurden sowohl die Druck-Temperatur-Koordinaten des unteren kritischen Endpunkts des Dreiphasen-Gleichgewichts als auch die des Vierphasengleichgewichts bestimmt. Außerdem wurde die Zusammensetzung der im Gleichgewicht koexistierenden flüssigen Phasen L1 und L2 bei 313 und 333 K im Druckbereich von 6,05 bis 20,3 MPa bestimmt.
Darüber hinaus wurde die Löslichkeit von Kohlendioxid in drei homogenen, einphasigen Lösungsmittelgemischen aus (Methanol + [bmim][PF6]) mit unterschiedlicher Zusammensetzung experimentell bestimmt. Diese Untersuchungen erfolgten mit einer nach der synthetischen Methode arbeitenden Versuchsapparatur.
Abschließend wurde die Löslichkeit von Kohlendioxid in den untersuchten binären Lösungsmittelgemischen (Methanol + [bmim][PF6]) mit Hilfe von Modellen der molekularen Thermodynamik abgeschätzt.
Die Entwicklung eines neuartigen Therapiekonzeptes erfordert umfangreiche Prüfungen insbesondere für die Sicherheit der Anwendung am Menschen. Die Verwendung des apathogenen, onkoselektiven, replikationskompetenten Parvovirus H-1 (H-1PV) zur onkolytischen Virotherapie bei bösartigen Hirntumoren (Glioblastome) ist eine vielversprechende Alternative (oder Ergänzung) zu den bisherigen Therapien, wie Operation, Chemotherapie und Bestrahlung. In unserer Arbeitsgruppe konnte gezeigt werden, dass H-1PV in der Lage ist, nach einmaliger intratumoraler oder mehrfacher intravenöser Applikation im Rattengliom-Modell eine vollständige Regression des Tumors ohne pathologische Nebenwirkungen herbeizuführen. In Vorbereitung einer klinischen Studie Phase I/IIa mit H-1PV wurden in dieser Arbeit wichtige Aspekte dieser neuartigen Virotherapie untersucht:
1. Ausscheidung und Übertragung von H-1PV in vivo in der Ratte
Es konnte gezeigt werden, dass infektiöse Viren in Urin und Speichel unabhängig von der Applikationsart und der Anwesenheit eines Tumors ausgeschieden werden, was bedeutet, dass eine Übertragung von H-1PV durch Tröpfcheninfektion stattfinden könnte. In klinischen Studien muss daher geprüft werden, ob das Virus auch vom Menschen ebenso im Urin und Speichel ausgeschieden wird.
2. Intranasale Applikation von H-1PV zur Behandlung von Glioblastomen in der Ratte
Es konnte gezeigt werden, dass H-1PV auch nach intranasaler Applikation den Tumor erreicht, dort virale Proteine gebildet werden und in infizierten tumortragenden Tieren die Überlebenszeit signifikant verlängert werden konnte im Vergleich mit den nicht-infizierten Kontrolltieren. Diese Applikationsart wäre eine einfach durchzuführende Art der Anwendung, da sie keinen chirurgischen Eingriff am Gehirn erfordert.
3. Replikation von H-1PV in vivo im Rattenmodell
Durch die Fähigkeit von H-1PV in Tumorzellen repliziert zu werden, können nach einer einzigen Virusapplikation einer geringen Dosis initial nicht infizierte Zellen der Tumormasse infiziert und lysiert werden. In vivo im Rattengliom-Modell konnte gezeigt werden, dass H-1PV zunächst im ganzen Organismus verteilt wird, nach kurzer Zeit aber im Tumorgewebe angereichert und die Viruskonzentration dort länger aufrecht erhalten bleibt als bei Tieren ohne Tumor. Die Expression des viralen, zytotoxischen Proteins NS-1 war bei allen Applikationsarten auf das Tumorgebiet beschränkt. Die Daten sprechen für eine zumindest begrenzte Vermehrung von H-1PV im Tumorgewebe.
4. Adaptierung von H-1PV an humane Glioblastomzellen
H-1PV gehört zu der Gruppe der Nager-Parvoviren und wird daher in Rattentumorzellen effizienter vermehrt als in humanen Glioblastomzellen. In dieser Arbeit wurden durch Passagieren an eine humane Glioblastomzelllinie adaptierte virale Einzelklone von H-1PV in verschiedenen humanen Glioblastomzellen charakterisiert. Alle Klone konnten sich stärker in diesen vermehren und diese effizienter lysieren. In vivo führte einer der Klone zu einem signifikant langsameren Tumorwachstum und verlängerter Überlebenszeit der Tiere im Vergleich zum Wildtyp. Bei der Analyse der genetischen Mutationen der Klone konnten verschiedene Alterationen detektiert werden, wobei sich die Mutationsgeschwindigkeit von H-1PV als eher gering erwies, was für eine sichere Anwendung von H-1PV beim Menschen ein Vorteil ist. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Onkoselektivität von H-1PV durch die Adaptierung nicht verloren ging, was bedeutet, dass auch die adaptierten viralen Klone weiterhin apathogen für nicht transformierte Zellen sind.
Die Ergebnisse dieser Arbeit leisten einen Beitrag zur Erprobung von H-1PV im Hinblick auf die klinische Anwendung im Menschen. H-1PV erwies sich als einfach zu applizierendes, in vivo replikationskompetentes, sicheres und anpassungsfähiges Virus für die onkolytische Virotherapie von Gliomen beim Menschen. Dass H-1PV seine Onkoselektivität durch Adaptation an humane Gliomzellen nicht einbüßte, eröffnet die Möglichkeit das Virus an weitere Krebsentitäten anzupassen und auch dort zur onkolytischen Therapie einzusetzen.
Im Rahmen dieser Arbeit konnten mit 2‘-Hydroxyphenylpyrazolderivaten erfolgreich zwei enantiomerenreine P,N-Liganden mit Binaphtholrückgrat synthetisiert werden. Dabei wurde das Pyrazolstickstoffatom mit einem Methyl- bzw. Benzylrest substituiert. Beide Liganden konnten in guten Ausbeuten und Reinheit erhalten werden. Mit beiden Liganden konnten erfolgreich Übergangsmetallkomplexe dargestellt werden. Im Falle des Methylderivates konnten drei dieser Komplexe auch strukturell charakterisiert werden. Dabei wurde Diastereomerenbildung aufgrund des siebengliedrigen Metallacyclus beobachtet. Im Falle des Dichloropalladiumkomplexes wurden zwei Isomere beobachtet. Beim Rutheniumcymol-Komlex bei welchem der Ligand einzähnig koordiniert, wurde erwartungsgemäß nur ein Isomer beobachtet. Bei zweizähniger Koordinationsweise bildeten sich hingegen vier Diastereomere, da aufgrund der Koordinationsumgebung das Metallzentrum nun ein Stereozentrum darstellt. Eines der Diastereomere konnte isoliert werden, da in diesem Fall die Isomerisierung nur langsam erfolgt. Im Falle des Palladiumkomplexes war dies nicht möglich. Die hydroxymethylsubstituierten Liganden konnten in guten Ausbeuten mit verschiedenen Substituenten in Position 1 und 5 erhalten werden. In Position 5 konnten Methyl-, n-Butyl-, tert-Butyl- und Phenyl- eingeführt werden. Bei Verwendung anderer Methylketone sind hier auch weitere Derivate denkbar. Der Pyrazolstickstoff konnte mit Methyl-, Benzyl-, tert-Butyl- und Phenylgruppen substituiert werden. Durch Verwendung anderer Alkylhalogenide sollte auch nahezu jeder andere Substituent zu verwirklichen sein. Im Falle des tert-Butyl- und Phenylrestes musste vom entsprechend substituierten Hydrazinderivat ausgegangen werden. Sofern die entsprechenden Hydrazine zugänglich sind sollte ebenfalls eine breite Variation der Reste möglich sein. Von vielen dieser Derivate wurden die entsprechenden Palladium(II)-Allyl-Komplexe dargestellt und NMR-spektroskopisch charakterisiert. Hierbei lag das Interesse vor allem auf der scheinbaren Rotation der Allylgruppe. Die beobachteten Spektren sind konsistent mit dem in der Literatur beschriebenen Umlagerungsmechanismus. Zwei dieser Komplexe konnten auch kristallographisch charakterisiert werden. Mit dem dimethylsubstituierten Pyrazolliganden wurden weitere Übergangsmetallkomplexe mit Eisen, Rhodium und vor allem Ruthenium dargestellt. Der Eisen-Halbsandwichkomplex konnte NMR-spektroskopisch untersucht werden. Die Rhodiumverbindungen wurden ebenfalls mit NMR-spektroskopisch und massenspektrometrisch untersucht. Die Ruthenium-verbindungen wurden auch mit NMR-Spektroskopie und Massenspektrometrie untersucht. Zwei Komplexe konnten zusätzlich kristallographisch charakterisiert werden. Ein Phosphonitliganden konnte trotz intensiver Bemühungen nicht in ausreichender Reinheit dargestellt werden, da bei der Synthese zahlreiche Probleme auftraten. Mit dem erhaltenen Liganden konnten dennoch zwei Palladiumkomplexe in moderater bis guter Reinheit isoliert und spektroskopisch charakterisiert werden. Die erhaltenen Komplexe wurden im Hinblick auf ihre katalytische Aktivität bei verschiedenen Reaktionen hin untersucht. Hierbei lag der Schwerpunkt auf der Trost-Tsuji-Reaktion, aber auch Suzuki-Kupplungen und Hydrierungen von Ketonen und Alkenen wurden durchgeführt. Die Palladium-Allyl-Komplexe zeigten alle sehr gute Aktivitäten bei der Umsetzung von Diphenylpropenylacetat mit Dimethylmalonat. Mit Ausnahme der hydroxyphenylsubstituierten Liganden konnte jedoch keine Enantioselektivität beobachtet werden. Die ee-Werte waren bei diesen beiden Verbindungen mit 35 und 22 % jedoch ebenfalls nur moderat. Mit anderen Nucleophilen konnte kein Umsatz beobachtet werden. Bei den Hydrierungsreaktionen konnten moderate bis gute Reaktivitäten beobachtet werden, allerdings konnte hier keine Enantioselektivität erzielt werden. Mit dem Pyrazolylalkohol 2-(1,5-Dimethylpyrazol-3-yl)propan-2-ol konnte zwar kein P,N-Ligand dargestellt werden, aber es konnte eine Reihe von Übergangsmetallkomplexen synthetisiert werden. Dabei zeigte sich, dass diese Verbindung einen interessanten Liganden darstellt, welcher verschiedene Koordinationsmodi ermöglicht. Durch das acide Proton des Alkohols sind zusätzlich intra- und intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen möglich. So konnten monomere, dimere und polymere Metallkomplexe beobachtet werden. Die Verbindungen wurden im Hinblick auf ihre strukturellen, spektroskopischen und magnetischen Eigenschaften untersucht.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese enantiomerenreiner N,N-heterozyklischer Liganden, die Analoga zu den bekannten chiralen Bisphosphanen BINAP, DIOP und PHANEPHOS darstellen. Die Synthese des enantiomerenreinen (R,S)-Dimethyl[1,1'-binaphthyl]-2,2'-dicarboxylat, welches für die Darstellung von (R,S)-2,2'-Bis[3,(5)-pyrazolyl]-1,1'-binaphthyl benötigt wird, gelang über zwei literaturbekannte Syntheserouten. Durch anschließende Umsetzung mit NaH und DMSO in THF konnte das entsprechende Ketosulfoxid erhalten werden, welches mittels Zink in einem Ethanol/Essigsäure-Gemisch zur Acetylverbindung reduziert wurde. Durch die Kondensation der Acetylvorstufe mit N,N-Dimethylformamiddimethylacetal sowie der anschließenden Zyklisierung mit Hydrazin-Monohydrat gelang es, das gewünschte Bispyrazolylbinaphthyl zu erhalten. 1H-NMR Untersuchungen weisen auf die Ausbildung einer supramolekularen Struktur hin. Der eindeutige Nachweis gelang jedoch durch die Analyse von Einkristallen mittels Röntgendiffraktometrie. Die Festkörperstruktur zeigt, dass sich durch Wasserstoffbrücken zu den Stickstoffatomen benachbarter Moleküle eine Trimerstruktur ausbildet. Durch den anschließenden Austausch der NH-Protonen gegen die linearkoordinierenden Gruppe 11 Metalle (Cu(I), Ag(I) und Au(I)) konnten stark fluoreszierende sechskernige Komplexe erhalten werden. Des Weitern wurde (R,S)-2,2'-Bis[3,(5)-pyrazolyl]-1,1'-binaphthyl mit verschiedenen Rutheniumvorstufen umgesetzt, deren Aktivität anschließend in der asymmetrischen Transferhydrierung von Acetophenon untersucht wurden. Die Löslichkeit des Liganden konnte durch Substitution der Protonen in Position 1 bzw. 5 der Pyrazolringe durch Alkylgruppen erhöht werden. Durch die Reaktion des Aminopropenon mit Guanidincarbonat wurde (R)-2,2'-Bis-4-[pyrimidin-2-amin]-1,1'-binaphthyl erhalten, welches einen weiteren interessanten N,N-Donorliganden darstellt. Die Synthese des 3,3'-((4S,5S)-2,2'-Alkyl-1,3-dioxolan-4,5-diyl)bis(1H-pyrazol) erfolgt ausgehend von der kostengünstigen enantiomerenreinen Weinsäure. Über die Stufe des Weinrebamid konnte schließlich die Acetylverbindung generiert werden. Die darauf folgende Kondensation mit DMF-DMA und anschließendem Ringschluss mit Hydrazinhydrat führte zu dem gewünschten Bispyrazol. Die Umsetzung des Dioxolanliganden mit Allylpaladium(II)chlorid-Dimer führte zu einem einkernigen Komplex. Nach Deprotonierung des Liganden und anschließender Umsetzung mit [RhCODCl]2 konnte dagegen ein vierkerniger Rhodiumkomplex beobachtet werden. Neben den Bispyrazolen, die eine Chiralitätsebene sowie ein Chiralitätszentrum aufweisen, gelang es über die Vorstufe der racemischen [2,2‘]-Paracyclophan-3,11-dicarbonsäure ein Bispyrazol zu synthetisieren, das eine planare Chiralität aufweist.
Neutrale Oxovanadium(V)-Komplexe mit einem zweibasischen ONO-Chelatliganden und einem monovalenten, kinetisch labilen Liganden wurden aus 2,6-cis-substituierten Piperidinen synthetisiert. Die Komplexe wurden strukturell charakterisiert und hinsichtlich ihrer Eignung zur Aktivierung von Peroxiden in mechanistischen und synthetischen Studien untersucht. Die benötigten Auxiliare ließen sich ausgehend von Pyridin-2,6-dicarbonsäurederivaten sowohl in achiraler (meso) als auch in chiraler Form (C1-Symmetrie) in mehrstufigen Synthesen in ausreichender Menge darstellen. Die so gewonnenen heterocyclischen Aminodiole reagierten mit VO(OEt)3 in Ausbeuten von 63–90 % zu Oxovanadium(V)-Piperidinkomplexen. Die Vanadiumkomplexe waren in Lösung sowohl in Abwesenheit als auch in Anwesenheit von TBHP über einen Zeitraum von drei Tagen (erwartete Maximaldauer von Oxidationsexperimenten) stabil, ließen sich aber von N-2-Hydroxybenzyliden-2-aminophenol quantitativ aus der Vanadiumverbindung verdrängen. Die Eignung der Oxovanadium(V)-Komplexe als Oxidationskatalysatoren wurde mit Hilfe des Thianthren-5-oxid-Testes (xSO–Test) untersucht. Dabei überwog die Oxygenierung am Thioether-Schwefel, so dass der Reagenzkombination aus Oxovanadium(V)-Piperidinkomplex und TBHP eher elektrophile als nucleophile Eigenschaften zugeordnet werden können. Die neuen Katalysatoren eigneten sich, um Tetrahydrofuranderivate teilweise hoch diastereoselektiv aus substituierten 4-Pentenolen aufzubauen. Die Ausbeuten an O-Heterocyclen lagen für das 5-exo-Produkt in einem Bereich von 76–82 % mit cis-Selektivitäten für an der Doppelbindung dimethyl-substituierte Substrate von 54:46 bis 95:5. Unter turnover Bedingungen erwies sich der Ligandentyp als hinreichend robust, um in 91%iger Ausbeute zurückgewonnen werden zu können. Bei vergleichbarer Selektivität gegenüber bisher verfügbaren Katalysatoren schienen Oxovanadiumpiperidinkomplexe eine deutlich höhere Standfestigkeit zu besitzen. Alle in dieser Arbeit durchgeführten Vanadium-katalysierten Oxidationen von 5-Methyl-1-phenylhex-4-en-1-ol lieferten 3-Benzoyloxy-2,2-dimethyl-5--butyrolacton als unerwünschtes Begleitprodukt. Je höher die Lactonausbeute war, desto weniger Zielmolekül cis-2-(2-Hydroxyprop-2-yl)-tetrahydrofuran ließ sich isolieren. In einer Begleitstudie unter Einbezug positionsselektiv deuterierter 5-Methyl-1-phenylhex-4-en-1-ole wurde offensichtlich, dass das Nebenprodukt aus einer aeroben Folgereaktion aus cis-2-(2-Hydroxyprop-2-yl)-tetrahydrofuran entsteht. Künftige V/TBHP-basierende Alkenoloxygenierungen sollten daher unter anaeroben Bedingungen durchgeführt werden. Versuche einen chiralen Oxovanadium(V)-Piperidinkomplex zur enantioselektiven Oxygenierung einzusetzen, lieferten nur racemische Produkte. Zur Enantiomerenanalytik wurde ein neues, weitgehend hydrolysestabiles Derivatisierungsreagenz entwickelt, das sich in allen Fällen als zuverlässige und preiswerte Alternative zu existierenden Verfahren zur Enantiomerenbestimmung primärer, sekundärer und tertiärer Alkohole bewährte.
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der strukturellen Untersuchung von photochemisch reaktiven Molekülen. Hierzu wurden verschiedene kombinierte IR/UV-Techniken in Molekularstrahlexperimenten verwendet.
Es wurde 3-Hydroxyflavon mit zwei angelagerten Wassermolekülen, 3-Hydroxychromon und als metallorganische Verbindung Bis(benzol)chrom im elektronisch angeregten Zustand untersucht. Mit 7-Hydroxy-4-methylcoumarin stand auch ein mikrosolvatisiertes, photochemisch aktives System im elektronischen Grundzustand im Fokus.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue spektroskopische Methode entwickelt, welche die isomerenselektive Messung des IR-Spektrums im elektronisch angeregten Zustand ermöglicht. Diese Quadrupelresonanztechnik wird angewendet, sollte es durch isoenergetische Anregungsenergien zum Verlust der Isomerenselektivität der R2PI-Methode kommen.
Durch Anwendung einer IR/IR-Lochbrennmethode für den elektronischen Grundzustand sowie der neuen Quadrupelresonanztechnik für den elektronisch angeregten Zustand an 3-Hydroxyflavon mit zwei angelagerten Wassermolekülen, konnte erstmals der experimentelle Beweis erbracht werden, dass es im Molekularstrahlexperiment zur Anregung und Ionisation der beiden stabilsten Isomere kommt. Desweiteren wurden für die untersuchten elektronischen Zustände sowohl die IR-Banden zugeordnet als auch eine eindeutige strukturelle Zuordnung der Isomere getroffen.
Die Studien zu 3-Hydroxychromon belegen im Vergleich mit (TD-)DFT-Rechnungen, dass es nach elektronischer Anregung zu einer Protonentransferreaktion kommt. Es konnten direkte strukturelle Informationen des Monomers sowie der protonentransferierten Struktur gewonnen werden.
Mit den spektroskopischen Untersuchungen an Bis(benzol)chrom wurde gezeigt, dass sich die massen- und isomerenselektiven Methoden auch auf die Substanzklasse der metallorganischen Verbindungen anwenden lassen. Es gelang erstmals, direkte strukturelle Informationen von Organometallverbindungen im elektronischen Grundzustand als auch nach photochemischer Anregung mittels kombinierter IR/UV-Techniken zu gewinnen. Somit ist eine strukturelle Untersuchung von katalytisch aktiven Organometallverbindungen im elektronischen Grundzustand, wie auch nach photochemischer Anregung, möglich.
Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Untersuchung von Mikrosolvatationseffekten. Hierzu wurden Wassercluster von 7-Hydroxy-4-methylcoumarin mit vier bis sechs schrittweise angelagerten Solvatmolekülen im elektronischen Grundzustand analysiert. Mithilfe von DFT-basierten Rechnungen wurden für jede Clustergröße verschiedene Bindungsmotive diskutiert und eine mögliche strukturelle Zuordnung getroffen.
Ausgelöst durch gestiegene Leichtbauanforderungen kommen im Automobilbau vermehrt
Verbund- und Hybridbauweisen zum Einsatz. Verschiedene Materialien werden
gemäß den jeweiligen spezifischen Anforderungen einzelner Bauteile bzw. Baugruppen
ausgewählt, um ihr Potential bezogen auf das Gewicht und die (mechanische)
Funktionalität optimal auszuschöpfen. Hierbei kann auch bei Großserienanwendungen
neben der klassischen Blechschalenbauweise der Einsatz von Kunststoffen
und Faserverbundwerkstoffen zielführend sein. Allerdings sind entwicklungsspezifische
Besonderheiten zur funktionalen Absicherung bzw. Auslegung derartiger
Konzepte zu bewältigen. Dabei sind sowohl die Anforderungen an die Steifigkeit und
die (Betriebs-)Festigkeit als auch die Vorgaben an die passive Sicherheit maßgebend.
Bauteile aus kurzfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen, die im
Spritzgussverfahren hergestellt werden, stellen hier eine besondere Herausforderung
dar. Das mechanische Verhalten ist von zahlreichen Faktoren wie lokal unterschiedlichen
Faserorientierungen, viskosen Effekten und Umgebungseinflüssen
abhängig.
Um Zeit und Kosten zu sparen, ist im heutigen Produktentwicklungsprozess von
Fahrzeugen bzw. bei der Auslegung der einzelnen Bauteile die Berechnung aller
relevanten Lastfälle mittels numerischer Simulationen unumgänglich. Die Weiterentwicklung
der Methoden und Modelle zur Simulation von Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen
sind in den letzten Jahren verstärkt durch verschiedene
Forschungsprojekte vorangetrieben worden. Dabei spielt auch die einhergehende
Charakterisierung der Werkstoffe eine tragende Rolle. Ziel dieser Arbeit ist, die
verfügbaren Methoden zur Berechnung und Charakterisierung von Spritzgussbauteilen
aus kurzfaserverstärkten Kunststoffen aufzuzeigen, weiterzuentwickeln und
anhand wissenschaftlicher Experimente zu validieren. Hierbei werden quasi-statische
und crashrelevante Versuche mit verschiedenen Probekörpern durchgeführt und
analytisch weiterverarbeitet. Im Anschluss werden diese zum Aufbau ausgewählter
Rechenmodelle eines expliziten FE-Solvers genutzt. Angewendet werden dabei
sowohl rein phänomenologische als auch integrative mikromechanische Simulationsmethoden
mit isotropen und anisotropen elasto-plastischen bzw. elasto-viskoplastischen
Ansätzen.
Angesichts des anhaltenden demografischen, ökonomischen und gesellschaftlichen Wandels steht die Stadtplanung großen Herausforderungen gegenüber. Insbesondere die Reaktivierung und Revitalisierung der innerstädtischen Bereiche als den räumlichen, funk-tionalen und emotionalen Zentren der Städte bilden hierbei ein wesentliches Handlungsfeld. Neben den Auswirkungen auf den gesamten Planungsprozess beeinflussen die daraus resultierenden Handlungserfordernisse insbesondere den stadtplanerischen Entwurf im Sinne der Organisation räumlicher Strukturen und ihrer Wechselwirkungen. Aufgrund der hohen Komplexität der zu bewältigenden Aufgaben beim Entwerfen im innerstädtischen Kontext kommt hierbei den informationstechnischen Möglichkeiten der I&K-Technologien in Form von Visualisierungen und Simulationen große Bedeutung zu.
Vor dem Hintergrund der Herausforderungen des Entwerfens im innerstädtischen Kontext liegt das Ziel der Arbeit in der Erarbeitung von Ansätzen zur Qualifizierung des stadtpla-nerischen Entwurfsprozesses durch computerbasierte Visualisierungen und Simulationen. Hierbei gilt es zunächst, die gegebenen Rahmenbedingungen und Entwicklungstendenzen in den Innenstädten hinsichtlich der daraus resultierenden Handlungserfordernisse für das stadtplanerische Handeln zu untersuchen. Besagte Erfordernisse umfassen beispielsweise die Stärkung der Innenstädte als Wohnstandort, als Zentren des Handels, der Dienstleistung und der Kultur sowie als Bereiche hoher Dichte und Nutzungsmischung. Gleichzeitig gilt es, den Forderungen der integrierten Innenstadtentwicklung gerecht zu werden, in deren Rahmen ein tragfähiger stadtplanerischer Entwurf, unter Berücksichti-gung ganzheitlicher Strategien, zum raumverträglichen und zukunftsfähigen Ausgleich der unterschiedlichen Ansprüche und Interessen beitragen muss.
Bezogen auf die Möglichkeiten zur Unterstützung und Qualifizierung des Entwurfsprozes-ses durch Visualisierung raumbezogener Informationen und möglicher Entwicklungszu-stände steht neben der Analyse bestehender Techniken und Anwendungen die Ausei-nandersetzung mit einer Vielzahl technischer Neuerungen im Fokus. Diese technischen Neuerungen zeigen sich insbesondere in den Bereichen der GI-Systeme, der 3D-Stadtmodelle, der sog. ‚Neogeografie’ sowie der ‚Augmented Reality’ und ‚Virtual Reality’. Im Rahmen der Notwendigkeit zur Simulation dynamischer urbaner Prozesse bildet die Suche nach flexiblen, modular erweiterbaren Simulationsarchitekturen sowie die Möglich-keiten zur Simulation räumlicher und gesellschaftlicher Prozesse mittels automatenbasier-ter Modelle den Schwerpunkt.
Zusammenfassend erfordert der effektive und ökonomische Einsatz von Anwendungen der Visualisierung und Simulation die enge Verknüpfung und Abstimmung der gegebenen Einsatzmöglichkeiten mit den inhaltlichen und methodischen Anforderungen des stadtpla-nerischen Entwurfs.
Im Ergebnis werden zwei Ebenen zur Qualifizierung des innerstädtischen Entwurfspro-zesses durch Techniken und Anwendungen der Visualisierung und Simulation identifiziert und daraus Ansätze für neue Entwurfstools abgeleitet. Die erste Ebene beinhaltet die me-thodisch-inhaltliche Auseinandersetzung mit den Möglichkeiten zur Verknüpfung von Vi-sualisierungen und Simulationen mit den jeweiligen Stufen des stadtplanerischen Ent-wurfsprozesses sowie den dort zu leistenden Aufgaben. Die zweite Ebene bildet schließlich die Auseinandersetzung mit den Möglichkeiten zur zielgerichteten Weiterentwicklung und/ oder Synthese bestehender Techniken und Anwendungen.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem penicillin-bindenden Protein 2a (PBP2a) von Streptococcus pneumoniae und dessen Rolle bei der ß-Lactam-Resistenz. Hierbei sind grundsätzlich zwei verschiedene Typen von mutiertem PBP2a zu unterscheiden. In Cefotaxim-resistenten Labormutanten kommt es in höheren Selektionsstufen zum Verlust von PBP2a durch das Auftreten von vorzeitigen Translations-Stops. Eine solche Mutation wird bei Mutante C403 durch die Wiederholung eines Genabschnitts von 8bp Länge verursacht. Es konnte gezeigt werden, dass diese Art der Mutation einen geringen Einfluss auf die Resistenz hat. Jedoch ist der Verlust des PBP nicht alleine für die Erhöhung des Resistenzniveaus in C403 verantwortlich. Auch in einem Stamm mit einem Mosaik-PBP2x klinischen Ursprungs führt die Transformation mit dem pbp2a von C403 zu einer leichten Erhöhung der Resistenz. Die Mutation des pbp2a von C403 hat auch Auswirkungen auf das Wachstums- und Lyseverhalten von Streptococcus pneumoniae. Eine Mutante des Wildtyps R6 mit dem pbp2a von C403 zeigt ein langsameres Wachstum und eine früher einsetzende Lyse. In ß-Lactam-resistenten klinischen Isolaten von Streptococcus pneumoniae und Streptococcus mitis treten niederaffine PBP2a-Varianten auf, welche auch unter Cefotaxim-Selektion transformiert werden können. Im Rahmen dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass die isolierte Übertragung eines für ein niederaffines PBP2a codierenden Gens zur deutlichen Erhöhung der Cefotaxim-Resistenz eines Stamms mit Mosaik-PBP2x führt. Im Gegensatz zum pbp2a von C403 verursacht das pbp2a von Streptococcus mitis B6 im Wildtyp eine später einsetzende Lyse. Das Wachstum ist jedoch ebenso verlangsamt wie nach dem Verlust von PBP2a. Bei der Analyse niederaffiner PBP2a-Varianten aus klinischen Isolaten traten zwei Mutationen häufig auf, die immer gemeinsam anzutreffen sind: Die Mutation T411>A, welche direkt stromabwärts des aktiven Serins der Penicillin-bindenden Domäne lokalisiert ist, und die Mutation Q431>L. Es konnte demonstriert werden, dass die erste Mutation einen starken Abfall der Affinität gegen Bocillin FL verursacht und die zweite Mutation einen Einfluss auf des Laufverhalten des Proteins in der SDS-PAGE hat. Die Inaktivierung des signal-tranduzierenden Zwei-Komponenten-Systems CiaRH führt in Mutanten mit inaktiviertem PBP2a zu einer Rückkehr der Wachstumsrate auf Wildtyp-Niveau. Stämme mit niederaffinem PBP2a zeigen nach Inaktivierung von CiaRH eine Verkürzung der stationären Phase, ähnlich wie dies bereits für PBP2x beschrieben wurde. Durch die Experimente im Rahmen dieser Arbeit konnte somit gezeigt werden, dass Mutationen in PBP2a einen Einfluß auf die Cefotaxim-Resistenz, das Wachstum und die Lyse von Streptococcus pneumoniae haben können. Auftreten und Ausmaß dieser Effekte sind abhängig von der Art der Mutation und dem genetischen Hintergrund in den diese transformiert wird.
Bei einem Stent handelt es sich um ein medizinisches Implantat, das zur Behandlung von Gefäßverengungen (Stenosen) eingesetzt wird. Ein implantierter Stent verbleibt in der Regel lebenslang im Gefäß und muss alle auftretenden Belastungen dauerhaft ertragen ohne zu brechen. Für die Auslegung eines Stents und zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens können durch die Finite Element Methode (FEM) schon im Vorfeld die auftretenden Spannungen und Dehnungen berechnet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein (Referenz-) Stent anhand unterschiedlicher Simulationen und Experimente analysiert und untersucht. Dabei wird sowohl der Herstellungsprozess des Stents betrachtet, als auch dessen Verhalten in unterschiedlich komplexen Gefäßen. In experimentellen Untersuchungen wird die Radialkraft bestimmt und das Ermüdungsverhalten des Stents bei einer simulierten Kniebeuge von 90° ermittelt. Mit der gewonnenen Erfahrung wird eine Vergleichsrechnung zweier neuer Stent-Designs durchgeführt. Auf Basis der Simulationen wird ein Prototyp hergestellt. Mit Hilfe der Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulation wird der Einfluss des Referenz-Stents auf die Blutströmung durch die Berechnung der Strömungsverhältnisse in unterschiedlich komplexen Gefäßen näher betrachtet. Die Interaktion zwischen Stent, dem umgebenden Gefäß und der Blutströmung wird durch die gekoppelte FEM-CFD-Simulation untersucht.
In der vorliegenden Arbeit wurden neue katalytische Methoden zur regioselektiven Knüpfung von C-C-Bindungen vorgestellt. Die Methoden sind breit anwendbar, besitzen eine gute Verträglichkeit mit funktionellen Gruppen und erlauben präparativ arbeitenden Chemikern einen einfachen Zugang zu wertvollen Verbindungen, die zuvor nur durch Verwendung luft- und feuchtigkeitsempfindlicher, oder teurer Reagenzien in abfallintensiven Prozessen zugänglich waren.
Im ersten Teil der Arbeit wurden Arylchloride als elektrophile Kupplungspartner für Decarboxylierende Biarylsynthese erschlossen. Das synthetische Potential der Reaktion wurde an den Wirkstoffen Telmisartan und Xenalipin demonstriert. Im zweiten Teil der Arbeit wurden neue Reagenzien und Reaktionen entwickelt, mit denen Trifluormethylgruppen selektiv in organische Moleküle eingeführt werden. Die neuen Reagenzien zeichnen sich durch ihre gute Verfügbarkeit, ihre hohe Stabilität gegenüber Luft und Feuchtigkeit, sowie durch ihre einfache Handhabung aus, und sie besitzen eine hohe Kompatibilität mit funktionellen Gruppen. Die Entwicklung einer decarboxylierenden palladiumkatalysierten Trifluormethylierungsreaktion von Arylchloriden mit gut verfügbaren und preiswerten Trifluoracetaten wurde als Fernziel zukünftiger Arbeiten vorgestellt.
Modellierung und Simulation von Retentionsbodenfiltern zur weitergehenden Mischwasserbehandlung
(2011)
Retentionsbodenfilter zur weitergehenden Mischwasserbehandlung (RBF) können einen wichtigen Beitrag zum Gewässerschutz leisten, indem sie Entlastungsabflüsse aus konventionellen Regenüberlaufbecken reinigen. Die Filterdimensionierung erfolgt nach Stand der Technik vorwiegend durch die Beurteilung der hydraulischen Flächenbelastung. Um die dazu notwendigen Daten zu erhalten, sind Niederschlag-Abfluss- Berechnungen des Kanalnetzes erforderlich. Wird in Ergänzung die Einhaltung stofflicher Zielgrößen gefordert, sind Schmutzfrachtberechnungen anzuwenden. Vor dem Hintergrund biochemischer, naturnaher Prozesse in RBF erscheint es sinnvoller, die geeigneten Abmessungen des Filterbeckens vorwiegend anhand der stofflichen Belastung und der entsprechenden Reinigungsleistung zu ermitteln. Die vorliegende Arbeit soll einerseits einer Erweiterung des Kenntnisstandes über die Prozesse in RBF dienen. Andererseits sollen vorhandene Prozessvorstellungen in Modellrechnungen überprüft werden. Eine detaillierte Nachbildung von Laborversuchen erfolgt mittels eines biokinetischen Reaktionsmodells, welches für Pflanzenkläranlagen entwickelt wurde. Der durch die Simulationsauswertung erweiterte Kenntnisstand wird zur Weiterentwicklung eines vereinfachten Retentionsbodenfilter-Moduls für Schmutzfrachtsimulationen verwendet. Am Ende soll ein Planungs- und Optimierungswerkzeug gewonnen werden, welches den derzeitigen Wissensstand abbildet und der Ingenieurpraxis gerecht wird. Die verwendete, ausgewertete Datengrundlage umfasste zunächst zwei mehrmonatige Messphasen am RBF Saarbrücken-Ensheim (Dittmer, 2006), zugehörige Säulenversuche im Labormaßstab (Woźniak, 2007) sowie die Ergebnisse eigener Versuche aus vorhergehenden Simulationsstudien. Während die eigenen Laboruntersuchungen in der vorliegenden Arbeit ergänzt wurden, erfolgte die wesentliche Erweiterung der Datengrundlage durch Vorlage von Messdaten aus einer zweijährigen Kampagne des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft der Universität Kassel (Prof. Dr.-Ing. F.-B. Frechen) am RBF Oberelsungen. Die Auswertung dieser Rohdaten, der vergleichende Einschätzungen der beiden Filteranlagen und die geordnete Zusammenstellung aller weiteren Untersuchungen bilden die wesentlichen Vorarbeiten der Simulationsstudien. Als Ergebnis wird festgestellt, dass die beiden RBF sowohl untereinander als auch mit anderen Anlagen vergleichbar sind. Dadurch ist eine Zusammenführung von Aspekten verschiedenen Ursprungs möglich. Laborversuche sollten jedoch gesondert bewertet werden. Vor Anwendung des biokinetischen Reaktionsmodells CW2D werden die Modellteile der Hydraulik, des Stofftransportes und des Stoffrückhaltes getrennt betrachtet. In allen genannten Teilprozessen kann eine hohe Annäherung an Messwerte erzielt werden - ein Exkurs zu stark abweichenden Filtersubstraten für Pflanzenkläranlagen belegt die große Bandbreite des möglichen Modelleinsatzes. Die weitergehenden Prozesse des Stoffumsatzes wurden zur Nachbildung einzelner Hochlastereignisse in Laborversuchen mit Säulen verwendet, wobei ebenfalls eine Deckung mit der Datengrundlage erreicht werden kann. Eine langfristige Wiedergabe der Filterleistung gelingt bisher jedoch nicht. Als Ursache wird vor allem die Beschreibung der Trockenphasen herausgestellt. Mögliche Modellerweiterungen um Filtrationsprozesse organischer Partikel sowie vorgeschlagene Änderungen des biokinetischen Reaktionsmodells könnten hierzu Abhilfe schaffen. Die Weiterentwicklung eines RBF-Modells als Bestandteil der Schmutzfrachtmodellierung bezieht sich auf die Kernparameter CSB und NH4-N und in Ergänzung auf NO3-N. Zur Vorbereitung stofflicher Prozessbeschreibungen wird das hydraulische Modell optimiert. Bezüglich CSB erfordert die Wiedergabe der tatsächlichen Reinigungsleistung eine Unterteilung in gelöste und partikuläre Bestandteile. Es wird nachgewiesen, dass mittels konstanter, partikulärer Ablaufkonzentrationen sowie konstanter Wirkungsgrade für die gelösten Anteile die Filterleistung abgebildet werden kann. Eine Verbesserung der Ergebnisse wird durch die Beachtung von Trockenphaseneinflüssen erreicht. Bezüglich NH4-N wird der wesentliche Entwicklungsschritt mit einer zweistufig linearen Sorptionsisotherme eingeführt. Das neue Stickstoffmodell wird – ergänzt um die Berücksichtigung von Regenerationszeiten - in seiner Eignung belegt. In einer abschließenden Simulationsstudie zur Optimierung des RBFs Oberelsungen wird aufgezeigt, dass sich aus hydraulischen und stofflichen Kriterien unterschiedliche Dimensionierungen ableiten lassen.
Modellierung und Simulation von Retentionsbodenfiltern zur weitergehenden Mischwasserbehandlung
(2011)
Retentionsbodenfilter zur weitergehenden Mischwasserbehandlung (RBF) können einen wichtigen Beitrag
zum Gewässerschutz leisten, indem sie Entlastungsabflüsse aus konventionellen Regenüberlaufbecken
reinigen. Die Filterdimensionierung erfolgt nach Stand der Technik vorwiegend durch die Beurteilung der
hydraulischen Flächenbelastung. Um die dazu notwendigen Daten zu erhalten, sind Niederschlag-Abfluss-
Berechnungen des Kanalnetzes erforderlich. Wird in Ergänzung die Einhaltung stofflicher Zielgrößen gefordert,
sind Schmutzfrachtberechnungen anzuwenden. Vor dem Hintergrund biochemischer, naturnaher Prozesse
in RBF erscheint es sinnvoller, die geeigneten Abmessungen des Filterbeckens vorwiegend anhand
der stofflichen Belastung und der entsprechenden Reinigungsleistung zu ermitteln.
Die vorliegende Arbeit soll einerseits einer Erweiterung des Kenntnisstandes über die Prozesse in RBF dienen.
Andererseits sollen vorhandene Prozessvorstellungen in Modellrechnungen überprüft werden. Eine
detaillierte Nachbildung von Laborversuchen erfolgt mittels eines biokinetischen Reaktionsmodells, welches
für Pflanzenkläranlagen entwickelt wurde. Der durch die Simulationsauswertung erweiterte Kenntnisstand
wird zur Weiterentwicklung eines vereinfachten Retentionsbodenfilter-Moduls für Schmutzfrachtsimulationen
verwendet. Am Ende soll ein Planungs- und Optimierungswerkzeug gewonnen werden, welches den derzeitigen
Wissensstand abbildet und der Ingenieurpraxis gerecht wird.
Die verwendete, ausgewertete Datengrundlage umfasste zunächst zwei mehrmonatige Messphasen am
RBF Saarbrücken-Ensheim (Dittmer, 2006), zugehörige Säulenversuche im Labormaßstab (Woźniak, 2007)
sowie die Ergebnisse eigener Versuche aus vorhergehenden Simulationsstudien. Während die eigenen Laboruntersuchungen
in der vorliegenden Arbeit ergänzt wurden, erfolgte die wesentliche Erweiterung der Datengrundlage
durch Vorlage von Messdaten aus einer zweijährigen Kampagne des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft
der Universität Kassel (Prof. Dr.-Ing. F.-B. Frechen) am RBF Oberelsungen. Die Auswertung
dieser Rohdaten, der vergleichende Einschätzungen der beiden Filteranlagen und die geordnete Zusammenstellung
aller weiteren Untersuchungen bilden die wesentlichen Vorarbeiten der Simulationsstudien.
Als Ergebnis wird festgestellt, dass die beiden RBF sowohl untereinander als auch mit anderen Anlagen
vergleichbar sind. Dadurch ist eine Zusammenführung von Aspekten verschiedenen Ursprungs möglich.
Laborversuche sollten jedoch gesondert bewertet werden.
Vor Anwendung des biokinetischen Reaktionsmodells CW2D werden die Modellteile der Hydraulik, des Stofftransportes
und des Stoffrückhaltes getrennt betrachtet. In allen genannten Teilprozessen kann eine hohe
Annäherung an Messwerte erzielt werden - ein Exkurs zu stark abweichenden Filtersubstraten für Pflanzenkläranlagen
belegt die große Bandbreite des möglichen Modelleinsatzes. Die weitergehenden Prozesse des
Stoffumsatzes wurden zur Nachbildung einzelner Hochlastereignisse in Laborversuchen mit Säulen verwendet,
wobei ebenfalls eine Deckung mit der Datengrundlage erreicht werden kann. Eine langfristige Wiedergabe
der Filterleistung gelingt bisher jedoch nicht. Als Ursache wird vor allem die Beschreibung der Trockenphasen
herausgestellt. Mögliche Modellerweiterungen um Filtrationsprozesse organischer Partikel sowie
vorgeschlagene Änderungen des biokinetischen Reaktionsmodells könnten hierzu Abhilfe schaffen.
Die Weiterentwicklung eines RBF-Modells als Bestandteil der Schmutzfrachtmodellierung bezieht sich auf
die Kernparameter CSB und NH4-N und in Ergänzung auf NO3-N. Zur Vorbereitung stofflicher Prozessbeschreibungen
wird das hydraulische Modell optimiert. Bezüglich CSB erfordert die Wiedergabe der tatsächlichen
Reinigungsleistung eine Unterteilung in gelöste und partikuläre Bestandteile. Es wird nachgewiesen,
dass mittels konstanter, partikulärer Ablaufkonzentrationen sowie konstanter Wirkungsgrade für die gelösten
Anteile die Filterleistung abgebildet werden kann. Eine Verbesserung der Ergebnisse wird durch die Beachtung
von Trockenphaseneinflüssen erreicht. Bezüglich NH4-N wird der wesentliche Entwicklungsschritt mit
einer zweistufig linearen Sorptionsisotherme eingeführt. Das neue Stickstoffmodell wird – ergänzt um die
Berücksichtigung von Regenerationszeiten - in seiner Eignung belegt. In einer abschließenden Simulationsstudie
zur Optimierung des RBFs Oberelsungen wird aufgezeigt, dass sich aus hydraulischen und stofflichen
Kriterien unterschiedliche Dimensionierungen ableiten lassen.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist es, ein elasto-plastisches Stoffmodell für teilgesättigte
bindige Böden zu entwickeln. Abweichend von den aus der Literatur bekannten Stoffmodellen
für teilgesättigte Böden werden Änderungen von Zustandgrößen unmittelbar erfassbar sein. Der
Einfluss der Zustandsgrößen Anfangsporenzahl, -sättigungsgrad, Temperatur,
Konsolidierverhältnis sowie des Spannungsniveaus auf das mechanische Verhalten eines
gängigen, ausgeprägt plastischen Tons wird untersucht.
Zur Ermittlung der relevanten Stoffparameter wird eine Reihe aufwändiger Versuche in einem
neu entwickelten Triaxialgerät durchgeführt. Dieses Triaxialgerät ist in der Lage, die für
teilgesättigte Böden charakteristische Saugspannung während des Versuchs sowohl zu messen
als auch zu regeln. Die in diesem Triaxialgerät durchgeführten Versuche dienen zur Ermittlung
des deviatorischen Versagenszustandes des Bodens.
Der Einfluss sämtlicher Zustandgrößen auf die Grenzfläche des Stoffmodells wird für den
vorliegenden Kaolinit mittels eines Separationsansatzes in einem einzigen Parameter
berücksichtigt. Die weiteren Parameter des Modells bleiben für alle Zustände konstant. Das
Verhalten im elastischen Bereich ist durch Funktionen für Kompressions- und Schubmodul
gesteuert, die von den Zustandsgrößen abhängen. Das volumetrische Verhalten erfasst eine
Kappenfunktion, die an die deviatorische Grenzfläche anschließt.
Das entwickelte Stoffmodell wird mittels der Schnittstelle UMAT in das FE-Programmsystem
ABAQUS implementiert. Die Validierung des Modells erfolgt anhand der Simulation
verschiedener Laborversuche. Abschließend wird eine geotechnische Problemstellung in Form
einer Flachgründung untersucht und die maximal aufnehmbare Spannung bei Aufsättigung durch
Beregnung des Bodens aufgezeigt.
Als Biosphärenstadt besitzt St. Ingbert große Zukunftschancen. In der Stadt St. Ingbert gibt es auf den verschiedenen Ebenen der städtebaulichen Planung bereits einige Ansätze, die als Grundlage für die Verwirkung der Stadtentwicklung und Freiraumplanung herangezogen werden können. Beispielsweise werden im Rahmen des städtebaulichen Entwicklungskonzepts der Mittelstadt St. Ingbert städtebauliche Forderungen berücksichtigt. Aber gleichzeitig stellen die ungewöhnlich hohe Bevölkerungsdichte und die Alterung der Bevölkerung eine Herausforderung für eine nachhaltige Entwicklung in der Zukunft dar. In der vorliegenden Arbeit wurde anhand der Ist-Situation der Stadt St. Ingbert ein Masterplan für die Grün- und Freiräume erstellt. Durch eine Analyse und Bewertung der Ist-Situation wurden die Probleme und Defizite im Plangebiet aufgezeigt. Dadurch lassen sich Handlungserfordernisse und Entwicklungsmaßnahmen ableiten, um die vielfältigen Bedürfnisse der Bevölkerung bezüglich der Grün- und Freiräume zu befriedigen, wie z.B. Vernetzung der Grün- und Freiräume durch Einrichtung eines Wanderwegesystems, Aufwertung der Freiflächen mittels Umgestaltungs- und Sanierungsmaßnahmen für die planbezogenen öffentlichen Grünflächen usw. In der Vertiefungsphase sollten die Handlungsempfehlungen für ausgesuchte Elemente des geplanten Freiraumsystems als Leitprojekte erarbeitet werden, beispielsweise Umgestaltung der Verkehrsknotenpunkte am Wasserpark, Vergrößerung der Wasserflächen im Stadtpark, Gestaltung des kleinen Parks am Freibad sowie Aufbau von Holzstegen im Landschaftspark. Solche Leitprojekte haben auch weiterhin eine wesentliche Bedeutung für die gezielte Durchführung von Einzelmaßnahmen im öffentlichen, halböffentlichen und privaten Bereich. Durch eine verstärkte Grün- und Freiraumplanung lässt sich die Wohn- und Lebensqualität der Stadt zu verbessern und es kann ein Beitrag zur künftigen Gesamtentwicklung der Stadt geleistet werden. Durch Umsetzung von Leitprojekten sinkt das Risiko, dass durch kurzfristige Entscheidungen die Freiraumsituation der Stadt verschlechtert wird; gleichzeitig bietet sich die Chance, die Freiraumsituation zu verbessern. Die Ausarbeitung des „Masterplans: Grün und Gesundheit für die Biosphärenstadt St. Ingbert“ bietet die Chance, dass für St. Ingbert in Zukunft eine nachhaltige Entwicklung gewährleistet ist.
Innerhalb der eingereichten Arbeit wurden ionische Cluster mittels IR- und kombinierter IR+UV-Spektroskopie untersucht und durch Vergleich mit theoretischen Untersuchungen Strukturen zugeordnet. Die Arbeit behandelt zum einen anionische Cluster aus Kobalt und Liganden (Alkohole, Alkane, Alkene) und zum anderen kationische Cluster aus Aluminium und Aminosäuren bzw. Peptiden. Es wurde IR-Photodissoziationsspektroskopie an isolierten anionischen Clustern aus 1-4 Kobalt und 1-3 Alkohol Einheiten im Molekularstrahl angewendet und mit Hilfe von DFT- Rechnungen Strukturen und Spinzustände zugeordnet. In allen untersuchten Spezies wurden lediglich Wasserstoffbrücken der Form OH…Co beobachtet, aber keine Wasserstoffbrücken zwischen den Alkohol Molekülen. Es findet demnach eine sehr effiziente Anlagerung der Alkoholmoleküle an das Metall bzw. den Metallcluster statt. Weiterhin gibt es Hinweise darauf, dass Co3-Einheiten eine wichtige Rolle beim Aufbau von Kobalt/Alkohol-Clustern spielen. Um diesem Sachverhalt weiter nachzugehen, müssen die Untersuchungen auf größere Cluster ausgeweitet werden. Die große Rotverschiebung der OH-Streckschwingungsfrequenz vom reinen Alkohol zur gebundenen Spezies weist auf starke H-Brücken und eine starke Aktivierung der OH-Gruppe(n) durch den anionischen Metallcluster hin. Diese Spezies sind demnach gut geeignet, um OH-Gruppen für weitere Reaktionen zu aktivieren. Durch die deutlichen Einflüsse der Multiplizität der Cluster auf die Schwingungsfrequenzen können mit Hilfe der DFT-Rechnungen auch Aussagen über die Spinzustände getroffen werden. Die vorgestellten Untersuchungen zeigen somit, dass die Anwendung von IR-Spektroskopie neben der Strukturaufklärung auch Hinweise auf die Multiplizität geben kann. Ferner liefert die massen- und strukturselektive IR-Spektroskopie die Möglichkeit, die Aktivierung und Aggregation von Liganden an Metallcluster auf molekularer Ebene zu untersuchen. Weiterhin wurden IR-, UV- und eine neu entwickelte kombinierte IR+UV-Photodissoziationsspektroskopie zur Strukturanalyse von Clustern aus Aluminiumkationen und geschützten Aminosäuren sowie Dipeptidmodellen in der Gasphase durchgeführt. Durch den Vergleich mit theoretischen Analysen konnten Strukturen und Spinzustände für die [Al-AcPheOMe]+/3+-Spezies zugeordnet werden. Die Untersuchung des [Al-AcPheOMe]+ Clusters zeigte einige interessante Ergebnisse. Es konnten zwei verschiedene Konformere beobachtet werden, die sich nur bezüglich der Orientierung ihrer Seitenkette unterscheiden. Zudem konnte gezeigt werden, dass sich die Konformation des Rückgrats von AcPheOMe bei der Anlagerung von Al+ von einer b- Faltblatt-analogen Anordnung zu einer helicalen Form ändert, so dass sich Aluminium an beide CO-Gruppen anlagern kann. Im Falle des dreifach geladenen Clusters konnte erstmalig eine kombinierte IR+UV-Photodissoziationsspektroskopie auf Kationen angewendet werden. Hierbei handelt es sich um eine Weiterentwicklung der nonresonant ionization detected IR spectroscopy (NID-IR), die für neutrale Spezies entwickelt wurde. Diese Methode ermöglicht es, auch für stark gebundene Cluster, eine schwingungssensitive Dissoziation zu erhalten. Auf diese Art konnte ein Isomer beobachtet werden, das sich vom einfach geladenen Cluster ableiten lässt. Im Vergleich zum gestreckten AcPheOMe-Monomer beobachtet man insbesondere beim [Al-AcPheOMe]3+ eine stark globulare Form, die das Aluminium über die CO-Gruppen und den Phenylring einschließt und somit der Ladungsstabilisierung dient. Weiterhin wurden weitere geschützte Aminosäuren auf ihr Aggregationsverhalten mit Aluminiumkationen untersucht. [Al-AcTyr(Me)OMe]+ konnte nachgewiesen und spektroskopisch untersucht werden. Analog zu den Untersuchungen von [Al-AcPheOMe]+ wurden UV- und IR-Photodissoziationsspektren aufgenommen. Um jedoch den Einfluss der größeren Seitenkette des Tyrosins im Vergleich zu der des Phenylalanins zu ermitteln, sind noch detaillierte theoretische Strukturanalysen notwendig. IR-Photodissoziationsspektroskopie wurde auch bei kationischen Clustern aus Aluminium und der geschützten aliphatischen Aminosäure Valin durchgeführt. Hierbei konnte ebenfalls über die Anregung im NH-Streckschwingungsbereich eine Dissoziation des Clusters induziert werden. Da bisher nur wenige Rechnungen zu diesen beiden Systemen vorliegen, konnten noch keine eindeutigen Strukturzuweisungen erfolgen. Allerdings ist die Tendenz zu einer helicalen Konformation des Peptidrückgrats zu erkennen. Diese Arbeit beschreibt die erstmalige Anwendung von IR-Photodissoziationsspektroskopie an anionischen Kobalt/Ligand-Aggregaten sowie die Entwicklung einer neuen Technik, um hochgeladene ionische Cluster infrarotspektroskopisch untersuchen zu können. Mit Hilfe von DFT-Rechnungen können darüber hinaus Strukturen zugeordnet und Aussagen über Spinzustände getroffen werden.
Furocumarine (FC) sind sekundäre Pflanzenmetaboliten, die u.a. von Früchten und Gemüsen wie Grapefruit oder Sellerie als Phytoalexine gebildet werden. So liegt die geschätzte durchschnittliche menschliche Exposition über die Nahrung bei einer Gesamt-FC-Menge von 0,56 mg/Tag in Deutschland, bei Akutexpositionen können 100-fach höhere Werte erreicht werden. Ihre Grundstruktur besteht aus einem Cumarinmolekül mit linear oder angular ankondensiertem Furanring, zudem können sie unterschiedlich substituiert sein: über 90 verschiedene natürlich vorkommende Derivate bekannt, die sich in der Ausprägung ihrer Eigenschaften stark unterscheiden. In Kombination mit UVA-Strahlung wirken FCs wie das Cumarin Limettin phototoxisch, photomutagen und photoclastogen.
Da in Pflanzen FCs hauptsächlich in Mischungen verschiedener Derivate vorkommen, wurde im Rahmen dieser Arbeit in vitro an V79-Zellen ein einfaches Instrument zur Bewertung natürlich vorkommender FC-Gemische entwickelt, welches die relative phototoxische, -mutagene und -clastogene Potenz verschiedener FCs berücksichtigt. Hierzu wurden versch. Assays speziell für photochemische Anwendungen etabliert und optimiert:
Die phototoxischen Effekte wurden über den Resazurin-Reduktionstest charakterisiert und quantifiziert, die Quantifizierung des photomutagenen Potentials erfolgte mit Hilfe des HPRT-Assays, die des photoclastogenen über den Mikrokerntest. Am Beispiel von 5-Methoxypsoralen (5-MOP) konnte eine Abhängigkeit des EC50-Wertes der Zellvitalität 72 h nach der Bestrahlung, der Erhöhung der Mutationsfrequenz (MF) und der Erhöhung der Zahl mikrokerntragender Zellen (MNZ) sowohl von der 5-MOP-Konzentration als auch von der applizierten UVA-Dosis gezeigt werden; im HPRT-Assay und Mikrokerntest waren strikt lineare Zusammenhänge zu beobachten. Adverse Effekte unter Lichtausschluss konnten nicht festgestellt werden. Zum Vergleich der Potenz verschiedener FC-Derivate wurde eine Standard-UVA-Dosis von 125 mJ/cm² festgelegt. 5-MOP war in allen Testsystemen am reaktivsten, weshalb allen anderen FCs Phototoxizitäts, -mutagenitäts bzw. -clastogenitäts-Äquivalenzfaktoren (PTEF, PMEF, PTCF) relativ zu 5-MOP zugeordnet wurden über den Vergleich der EC50-Werte und der Steigungen der Linearregressionen der Auftragung der MF bzw. der MNZ gegen die FC-Konzentration; 5-MOP wurde der Faktor 1 zugewiesen. Generell waren angulare FCs im Vergleich zu ihren linearen Strukturisomeren deutlich weniger photoreaktiv, an Pos. 8 substituierte lineare FCs waren unreaktiver als an Pos. 5 substituierte, die Einführung einer Hydroxygruppe oder Zweitsubstitution mit einer Methoxygruppe führte zum Reaktivitätsverlust.
Das Verhalten von Furocumarinen in Mischungen wurde isobolographisch am Beispiel von 5-MOP und 8-MOP untersucht. Komplexere Mischungen mit bis zu 9 verschiedenen FC-Derivaten wurden bezüglich ihres Interaktions-Index’ CI auf Abweichungen von 1 untersucht und die Dosis-Wirkungsbeziehungen der theoretischen 5-MOP-Dosisäquivalente mit 5-MOP verglichen. So konnte auf Vorliegen von Dosis-Additivität geschlossen werden.
Als Ursache für die beobachteten Reaktivitätsunterschiede konnten mangelnde Absorption, geringere Interkalationsfähigkeit oder generell Wechselwirkungen mit der DNA über den Vergleich der Absorptionsspektren, hypochromen und bathochromen Effekten in Gegenwart von Kalbsthymus-DNA oder die Ethidiumbromid- und Hoechst33258-Verdrängungsassays ausgeschlossen werden. Weiterhin konnten zwei Systeme zur Bestimmung der zellfrei photochemisch gebildeten Singulett-Sauerstoff und Superoxidradikalanionen etabliert werden. Hier wurden Psoralen für die O2•--Bildung und Riboflavin für die 1O2-Bildung als Positivkontrolle benutzt, wobei angulare FCs und Limettin generell stärker zur ROS-Produktion fähig waren.
Das in dieser Arbeit etablierte Äquivalenzfaktoren-Modell stellt ein gutes Instrument zur Bewertung komplexer natürlich vorkommender FC-Gemische und Abschätzung der in vivo-Phototoxizität über die direkt in der Haut bzw. im Blutplasma gefundene FC-Konzentration dar. Zur direkten Bewertung der oral oder dermal aufgenommen Menge müssen allerdings weitere Faktoren wie Absorption, Metabolismus, zeitabhängige Verteilung und Exkretion, Hauttyp, Reparatur oder generell komplexere Reaktionen des Gewebes in vivo wie Entzündung oder Krebs berücksichtigt werden.
Zahlreiche neue und andauernde Herausforderungen sowie verschiedenste Rahmenbedingungen beeinflussen die Raumentwicklungspolitik: Globalisierung und Standortwettbewerb der Regionen,Veränderung des Staatsverständnisses und Europäisierung, Regionalisierung der Aktionsräume, demographischer Wandel und die Haushaltsnot öffentlicher Kassen. Ein instrumenteller Ansatz der Raumentwicklungspolitik zur Lösung der Probleme ist dabei die Kooperation zwischen Gebietskörperschaften,die in vielerlei Hinsicht positive Skaleneffekte hervorruft. Hierbei wird die kleinräumige interkommunale Kooperation schon seit etlichen Jahrzehnten angewandt. Aufgrund der zunehmenden Regionalisierung der Aktionsräume aller gesellschaftlichen Akteure stellt sich allerdings vermehrt die Frage, inwiefern interkommunale Kooperationen auch auf großräumigere Zusammenhänge ausgedehnt werden können. Im Sinne der Policy-Forschung wird in der vorliegenden Arbeit die Politikidee, mit großräumigen regionalen Kooperationen zu einer besseren und effizienteren Raum- und Wirtschaftsentwicklung zu kommen, auf ihre Rahmenbedingungen und ihre Praxistauglichkeit untersucht. Die Policy-Analyse mit ihren Untersuchungsmethoden bietet im Hinblick auf Akteure, Politikentstehung, Steuerungsmechanismen und Konfliktlösung dazu die entsprechenden Instrumente. Sowohl kleinräumige als auch großräumige Kooperationen zwischen Gebietskörperschaften und weiteren Akteuren bewegen sich aus raumentwicklungspolitischer Sicht immer im Spannungsfeld zwischen ausgleichs- und wachstumsorientierter Raumentwicklung. Während der Ansatz der „großräumigen Verantwortungsgemeinschaften“, der als „Überregionale Partnerschaften“ Inhalt eines Modellvorhabens der Raumordnung ist, eher in Richtung Ausgleich tendiert, sind großräumige regionale Kooperationen im Sinne der vorliegenden Arbeit per se nicht einem Pol zuzuordnen. So sind wachstumsorientierte Kooperationen ebenso denkbar wie ausgleichsorientierte, wobei letztere aufgrund des regelmäßig größeren räumlichen Umgriffs eher zu erwarten sind. Für großräumige regionale Kooperationen stellen sich ähnliche Anforderungen an ihre Organisation wie an klassische interkommunale Kooperationen. Dabei zeigt sich, dass sich die großräumige regionale Kooperation von den anderen Kooperationen in erster Linie dadurch unterscheidet, dass sie eine größere räumliche Entfernung zwischen den Kooperationspartnern aufweist als die meisten anderen „gängigen“ Kooperationen, sich die Raumstruktur der Kooperanden in der Regel deutlich unterscheidet und demnach mehr unterschiedliche als gemeinsame bzw. gleiche Herausforderungen bestehen. Es zeigt sich, dass großräumige regionale Kooperationen in erster Linie punktuell, d. h. in einzelnen Policy-Feldern, möglich sind. Durch die Bearbeitung nur eines Policy-Feldes ist es umso schwieriger, den Nutzen der Kooperation gerecht zu verteilen. Der Aufbau einer gemeinsamen Kooperations- und Planungskultur ist zwischen unterschiedlichen Räumen in großräumigen regionalen Kooperationen ebenfalls schwieriger zu bewerkstelligen als in räumlich relativ eng gefassten interkommunalen und regionalen Kooperationen. Durch die größere Entfernung kann es zum Teil bereits zu Mentalitätsunterschieden zwischen den handelnden Akteuren kommen. Im empirisch untersuchten Beispiel konzentrieren sich die Kooperationen zwischen dem Rhein-Hunsrück-Raum und dem Rhein-Main-Gebiet auf die jeweiligen räumlichen Randbereiche. Direkte Kooperationen zwischen den Ausgangs- und Entwicklungsschwerpunkten der beiden Regionen – d. h. Kooperationen großräumigerer Art – finden sich erst in Ansätzen. Dies vermag nicht zu verwundern, da beide Regionen erst in geringem Maße (Region Rhein-Hunsrück) bzw. nicht unumstritten (Ballungsraum Frankfurt/Rhein-Main) institutionalisiert sind und somit keine Institution für Großteile der Region ihre Stimme erheben kann. Hierzu müssen im Sinne einer Regional Governance noch entsprechende Strukturen geschaffen bzw. weiterentwickelt werden. Die größte Herausforderung großräumiger regionaler Kooperationen ist die Integration kleinerer Maßnahmen, lokaler und regionaler Entwicklungskonzepte sowie Leuchtturmprojekte in ein strategisches Gesamtkonzept. Dies stellt aber ein aufwändiges und schwieriges Unterfangen dar und widerspricht damit der Forderung nach schnellen Erfolgen und konkreten, überschaubaren Projekten, welche eine Kooperation für ihren Erfolg benötigt. Insofern steht der Etablierung großräumiger regionaler Kooperationen noch ein langer Weg bevor, dessen Beschreitung allerdings angesichts der vielfältigen Herausforderungen an Kommunal-, Regional- und Raumentwicklung nur schwerlich umgangen werden kann.