Kaiserslautern - Fachbereich Chemie
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Gegenstand der vorliegenden Dissertation war die Erarbeitung eines besseren Verständnisses für ein grundlegendes Konzept der molekularen Erkennung - den Intra-Rezeptor-Wechselwirkungen. In zwei Projekten sollte dies mit Hilfe von Modellsystemen verwirklicht werden.
Im ersten Projekt wurden verschiedene Bis(kronenether)-Derivate synthetisiert, um den Einfluss der Intra-Rezeptor-Wechselwirkungen systematisch untersuchen zu können. Die Synthese lieferte die Derivate als Gemisch von Diastereomeren, wobei für ein Derivat mit Camphanoylsubstituenten die Trennung der Diastereomere nach chromatographischer Trennung erfolgreich realisiert werden konnte. Die lösungsmittelabhängige Charakterisierung der Kaliumkomplexierung der Bis(kronenether)-Derivate in Methanol/Wasser-Gemischen erfolgte mittels isothermer Titrationskalorimetrie (ITC). Es zeigten sich unterschiedliche Einflüsse in den Enthalpie- und Entropiebeiträgen der einzelnen Derivate, welche sich allerdings aufgrund von Enthalpie-Entropie-Kompensation nicht in unterschiedlichen Werten für ∆G äußern. Darauf aufbauend wurde ein weiteres Modellsystem konzipiert, welches einen Azakronenether als Grundkörper aufweist. Die Ausgangsverbindung hierfür wurde synthetisiert und eine Kristallstruktur des Natriumiodid-Komplexes ergab wichtige strukturelle Hinweise für die Durchführbarkeit weiterer Arbeiten.
Im zweiten Projekt sollte untersucht werden, ob die Eigenschaften eines bekannten cyclischen Hexapeptids, bei Bindung von Anionen Intra-Rezeptor-Wechselwirkungen auszunutzen, auf ein strukturell ähnliches System übertragen werden können. Ein cyclisches Pseudohexapeptid sowie das kleinere cyclische Pseudotetrapeptid, in welchen 1,5-disubstituierte 1,2,3-Triazole die cis-Amide an den Prolinuntereinheiten der entsprechenden cyclischen Peptide imitieren, wurden synthetisiert. Die hohe konformationelle Übereinstimmung der cyclischen Pseudopeptide zu den cyclischen Peptiden konnte über Kristallstrukturanalyse und 1H-NMR spektroskopische Untersuchungen nachgewiesen werden.
Die Bindungseigenschaften des cyclischen Pseudohexapeptids gegenüber Anionen wurden mit Hilfe der NMR-Spektroskopie und der Isothermen Titrationskalorimetrie (ITC) untersucht. Das cyclische Pseudohexapeptid bindet anorganische Anionen mit außergewöhnlich hohen Bindungskonstanten in kompetitiven Wasser/Methanol Lösungsmittelgemischen unter Ausnutzung von Intra-Rezeptor-Wechselwirkungen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die intrinsische Anionenaffinität von diesem Derivat größer ist als bei dem cyclischen Hexapeptid.
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.
In den letzten Jahren stieg aufgrund eines zunehmenden Ernährungsbewusstseins die Nachfrage nach Lebensmitteln mit gesundheitsfördernden Inhaltsstoffen an. Dabei wird vor allem einer Ernährung reich an Obst und Gemüse protektive Eigenschaften zugesprochen. Besonders für sekundäre Pflanzenstoffe wie die Gruppe der Anthocyane werden positive gesundheitliche Eigenschaften, wie antiinflammatorische-, antioxidative- und chemo-präventive Wirkungen postuliert. Für die beschriebenen biologischen Wirkmechanismen ist jedoch die Verfügbarkeit der Anthocyane am Ort der Resorption von entscheidender Bedeutung. Im pharmazeutischen Bereich werden Verkapselungstechniken angewandt, um das Erreichen des Wirkstoffs am potentiellen Wirkort zu gewährleisten. Vorrausetzung ist jedoch, dass die Bioaktivität des Wirkstoffs dabei nicht herabgesetzt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Modulation der Stabilität und der Freisetzung der Anthocyane anhand von unterschiedlichen Wildheidelbeerextrakt (Vaccinium myrtillus L., HBE)-beladenen Verkapselungssystemen im Vergleich zu nicht verkapseltem HBE unter Bedingungen des Gastrointestinaltrakts untersucht. Die HBE-beladenen Kapselsysteme (Pektinamidhohl-, Molkenprotein-, multidisperse Hüll- und Apfelpektin¬kapseln) wurden von verschiedenen Projektpartnern des Clusterprojekts „Bioaktive Inhaltsstoffe aus mikrostrukturierten Multikapselsystemen: Untersuchungen zum Einfluss der Mikrostruktur und der molekularen Zusammensetzung auf die Stabilisierung und kontrollierte Freisetzung von sekundären Pflanzenstoffen und deren Auswirkung auf biologische Signalparameter“ zur Verfügung gestellt. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit bildeten Untersuchungen, ob Kapselsysteme einen Einfluss auf die biologische Aktivität von Inhaltsstoffen des HBE ausüben.
In Kooperation mit dem Arbeitskreis von Prof. Mäder (Uni Halle) wurden in vitro Systeme zur Simulation der Magen- und Dünndarmpassage eingesetzt, um die Freisetzung der Anthocyane aus HBE-beladenen Kapselpräparaten vergleichend zum HBE zu untersuchen. Anschließend erfolgte am Beispiel der Anthocyane die Erfassung der Anthocyangehalte mittels HPLC-UV/VIS. Die Anthocyanfreisetzung fand unabhängig vom Kapseltyp während der Magensaftsimulation innerhalb von 10 min statt. Die freigesetzten Anthocyane erwiesen sich als stabil über den restlichen Inkubationszeitraum von 2 h. Anthocyane liegen beim pH-Wert des Magens (pH 1.5) als stabilisierte Flavyliumkationen vor, wodurch ihr Abbau verhindert wird. Im Gegensatz dazu wurde während der Dünndarmsimulation (pH 6.8) eine Abnahme der Anthocyankonzentration des HBE festgestellt. Durch den Einsatz von Verkapselungstechniken konnten unabhängig vom Kapseltyp die Freisetzung und Stabilität der Anthocyane signifikant erhöht werden. Zusätzlich wurde gezeigt, dass Proteine (Molkenproteine), die vom Arbeitskreis Prof. Kulozik (TU München) zur Verfügung gestellt wurden, die Anthocyane während der Dünndarmsimulation stabilisierten.
Des Weiteren wurde ein ex vivo Modell mit humanem Dünndarminhalt von Patienten mit künstlichem Darmausgang (Ileostoma) zur weiterführenden Untersuchung der Stabilität und Freisetzung von Anthocyanen des HBE etabliert. Mit steigender HBE Konzentration wurde ein verzögerter Abbau der Anthocyane beobachtet. Zusätzlich zu den Inkubationen in humanem Dünndarminhalt (pH 6.3) wurde HBE in einem Reduktionspuffer (pH 6.3) vergleichend inkubiert. Dabei ergaben sich Hinweise, dass ein Abbau der Anthocyane durch intestinale Enzyme oder mikrobielle Enzymaktivitäten erfolgte. In Inkubationen der unterschiedlichen HBE-beladenen Kapselsysteme mit humanem Dünndarminhalt wurde eine Freisetzung der Anthocyane im Zeitraum bis zu 8 h gemessen. Dabei ergab sich eine Kompensation des Anthocyanabbaus durch kontinuierliche Freisetzung.
Mittels der durchgeführten Freisetzungs- und Stabilitätsuntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die vorliegenden Verkapselungstechniken zu einer unerwünschten Freisetzung der Anthocyane während der Magenpassage führten. Im Dünndarmmilieu trugen diese Kapselsysteme zu einer kontinuierlichen Freisetzung, einer damit einhergehenden Kompensation des Anthocyanabbaus und somit höheren Wirkstoffkonzentrationen am potentiellen Wirkort bei. Folglich ist es in Zukunft notwendig, die Kapselsysteme so zu optimieren, dass eine Anthocyanfreisetzung im Magen verhindert wird und somit die intakten Kapseln den Dünndarm erreichen.
Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war mittels in vitro Experimenten an den humanen Darmkrebszelllinien Caco-2 und HT-29 zu prüfen, ob die verwendeten Verkapselungssysteme einen Einfluss auf die biologische Wirksamkeit der Anthocyane ausüben. Zusätzlich sollte untersucht werden, welche Subfraktionen des HBE (Anthocyan-, Polymer- und Phenolcarbonsäurefraktion), die vom Arbeitskreis Prof. Winterhalter (TU Braunschweig) zur Verfügung gestellt wurden, zu dessen biologischen Wirksamkeit beitragen.
Um eine Aussage über potentielle zytotoxische Effekte des HBE, der HBE-Subfraktionen und der HBE-beladenen Kapselsysteme auf humane Darmkrebszellen treffen zu können, wurde der Farbreaktionstest „Alamar blue Assay“, in dem die mitochondriale Aktivität als Maß für die Vitalität der Zelle bestimmt wird, durchgeführt. Die antioxidative Wirksamkeit wurde als Modulation unterschiedlicher Biomarker, wie oxidative DNA-Schäden, der Gehalt an Glutathion und die Reduktion intrazellulärer reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), in Kurz- und Langzeitinkubationen untersucht.
Es zeigte sich, dass weder der HBE noch die eingesetzten HBE-Subfraktionen (Anthocyan-, Polymer- und Phenolcarbonsäurefraktion) zytotoxische Wirkungen an der Zelllinie Caco-2 aufwiesen. Eine antioxidative Wirksamkeit wurde in der Erhöhung des Glutathiongehalts durch Zellinkubation mit HBE und Phenolcarbonsäurefraktion im Konzentrationsbereich von 100 - 500 µg/ml nachgewiesen. Des Weiteren wurde eine Abnahme des Gehalts an induzierten intrazellulären ROS (50 - 500 µg/ml HBE), sowie eine Erniedrigung Menadion-induzierter oxidativer DNA-Schäden (5 - 50 µg/ml HBE) beobachtet. Inkubationen mit Anthocyan- und Polymerfraktion zeigten keine antioxidativen Effekte in den verwendeten Zellsystemen. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass nur die Phenolcarbonsäurefraktion zur antioxidativen Kapazität des HBE beiträgt.
In Inkubationen mit multidispersen Hüllkapseln stellte sich heraus, dass diese aufgrund ihrer äußeren Ölphase in dieser Formulierung nicht für die in vitro Experimente geeignet waren, da die Ölphase ein Aufschwimmen im Zellkulturmedium bewirkte. Von den eingesetzten Kapselsystemen wurde lediglich bei Inkubationen mit Molkenprotein- und Apfelpektinkapseln im Konzentrationsbereich von 50 - 500 µg/ml eine signifikante Reduktion der Zellvitalität beobachtet. Eine tendenzielle Erhöhung des Glutathiongehalts der Zelle (100 - 500 µg/ml), eine Erniedrigung der induzierten ROS (100 - 500 µg/ml) und eine Reduktion Menadion-induzierter oxidativer DNA-Schäden (5 - 10 µg/ml) wurde nach Inkubation mit den Kapselsystemen (Pektinamidhohl-, Molkenprotein- und Apfelpektinkapseln) nachgewiesen. Das antioxidative Potential des HBE wurde durch die Verkapselungstechniken nicht reduziert.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sowohl der HBE, die Phenolcarbonsäurefraktion als auch die HBE-beladenen Kapselsysteme antioxidativ wirksam (Erhöhung des GSH-Gehalts, Erniedrigung der intrazellulären ROS und Schutz vor oxidativen DNA-Schäden) sind. Welche weiteren Inhaltstoffe zur Wirksamkeit des HBE beitragen muss in weiterführenden in vitro Studien charakterisiert werden. Insgesamt führte der Einsatz von Verkapselungstechniken zu keiner Reduzierung der biologischen Wirksamkeit bei gleichzeitiger Stabilisierung der Anthocyane des HBE. Damit stellen Kapselsysteme eine gute Möglichkeit dar, die Freisetzung bioaktiver Stoffe im Körper zu steigern, ohne deren Effektivität zu beeinflussen. Die in dieser Arbeit beobachteten in vitro Effekte auf ausgewählte Biomarker des oxidativen Stresses, müssten in weiterführenden in vivo Studien verifiziert werden.
In der Spektroskopie hat die Temperatur einen großen Einfluss auf das resultierende Spektrum und somit auf die Schlussfolgerung, die aus dem Spektrum erfolgt. Für Experimente mit Molekülen in einem Lösungsmittel ist eine Temperaturkontrolle kein Problem mehr. In der Gasphase finden spektroskopische Experimente jedoch häufig mit kühlenden Edelgasmatrizen statt, um ein Molekül zu kühlen, oder die zu untersuchenden Moleküle werden auf einem gekühlten Substrat deponiert, was nicht gerade einem Gasphasenexperiment entspricht. Ebenfalls zur Temperaturkontrolle verwendet wird die Stoßgaskühlung, bei der Moleküle durch Stöße mit Edelgasen gekühlt werden. Das verwendete Stoßgas thermalisiert jedoch durch Stöße mit der Vakuumkammer und wärmt sich dadurch auf.
Der Bau einer Cryo-Apparatur zur Kühlung von kommerziell gekauften FT-ICR Zellen auf weniger als 20 K für Experimente in der Gasphase, um auf Edelgasmatrizen oder Substrate verzichten zu können und eine kalte Umgebung für ein Stoßgas zu haben, ist Kernpunkt dieser Dissertation. Entgegen der in anderen Arbeitskreisen vorhandenen, mit verflüssigten Gasen betriebenen Cryo-FT-ICR Zellen sollte diese Zellkühlung in einem weiten Temperaturbereich kontrollierbar sein und über einen langen Zeitraum eine minimale Temperaturschwankung um eine eingestellte Temperatur liefern.
Gestestet wurde die neue Cryo-FT-ICR Zelle in Kaiserslautern mit Reaktionskinetiken von Nbn+ Metallclustern mit H2. Diese Kinetiken dienten dazu, das Verhalten der neuen Cryo-FT-ICR Zelle unter realen Bedingungen zu testen. Die vorgestellten Messungen zeigen eine Zunahme der relativen Geschwindigkeitskonstanten zu kalten Temperaturen hin. Dabei ist auch ein von der Clustergröße abhängiges Verhalten erkennbar.
Eine weitere Installation der Cryo-Apparatur fand am GAMBIT (General Abstraction of Magnetic Moments at BESSY by Ion Trapping) Experiment beim Berliner Elektronen-speicherring BESSY II statt. Mit den nun möglichen XMCD (X-Ray Magnetic Circular Dichroism) Experimenten in der Gasphase wurden erste Messungen von Co11+ und Co17+ Metallclustern durchgeführt. Die aus diesen ersten Messungen erhaltenen magnetischen Gesamtmomente stimmen gut mit in anderen Arbeitsgruppen gefundenen Gesamtmomenten aus Stern-Gerlach Experimenten überein. Die zu den Gesamtmomenten zugehörigen magnetischen Spin- und Bahnmomente untersuchten Metallcluster, die erstmals für freie Cluster in der Gasphase ermittelt werden konnten, werden vorgestellt.
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.
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.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung neuartiger molekularer Kapseln auf Basis von verbrückten Bis(cyclopeptiden) und die Untersuchung ihrer Anionenaffinität in wässrigen Lösungsmittelgemischen. Als Reaktionen zur Verbrückung der Cyclopeptidringe wurden die Olefinmetathese und die 1,3-dipolare Cycloaddition von Alkinen und Aziden (Click-Reaktion) verwendet, die unter thermodynamischer bzw. kinetischer Kontrolle verlaufen. Neben den dreifach verbrückten Kapseln wurden ebenso die analogen Bis(cyclopeptide) mit nur einem Linker synthetisiert und untersucht. Die Charakterisierung der Bindungseigenschaften dieser Verbindungen hinsichtlich der Komplexierung verschiedener anorganischer Anionen erfolgte mittels Massenspektrometrie, NMR-Spektroskopie und isothermer Titrationskalorimetrie. Alle untersuchten Verbindungen bilden 1:1 Komplexe mit den Anionen, indem sie diese in ihrem Hohlraum über Wasserstoffbrücken binden. Allerdings hat die Anzahl der Linker einen bedeutenden Einfluss auf das Bindungsverhalten der Bis(cyclopeptide). Im Gegensatz zu den neuen, sowie bereits bekannten, einfach verbrückten Bis(cyclopeptiden), verläuft die Komplexierung von Sulfat durch die molekulare Kapsel mit drei Triazollinkern endotherm. Der ungünstige enthalpische Beitrag zur Bindung wird von einem sehr günstigen entropischen Beitrag überkompensiert, was zu einer im Vergleich höheren Sulfataffinität führt. Die Ursache dieses unerwarteten Bindungsverhaltens liegt vor allem an einer schlechten Vororganisation der Kapsel. Ein weiterer großer Unterschied zwischen den einfach und dreifach verbrückten Bis(cyclopeptiden) liegt in der unterschiedlichen Kinetik bei der Sulfatkomplexierung. Durch die Erhöhung der Anzahl der Linker reduziert sich die Geschwindigkeit von Komplexierung und Dekomplexierung deutlich. Diese Untersuchungen lieferten neue Erkenntnisse, wie sich strukturelle Veränderungen auf das Rezeptorverhalten derartiger Systeme auswirken.
Ausgehend von einem donorfreien und einem DME-haltigen Eisenhalbsandwich-bromid des sperrigen Pentaisopropylcyclopentadienids, erhält man durch Substitution des Bromids gegen den 2,6-Diisopropylphenylrest einen sigma-Aryl-Eisencyclopentadienid-Komplex, der eine erstaunliche Stabilität aufweist. Dieser ist der erste vollständig charakterisierte Vertreter seiner Art und besitzt bei tiefer Temperatur die Eigenschaften eines molekularen Magneten. Durch Reaktion mit koordinativ ungesättigten Metallzentren lassen sich eine Vielzahl von Additions- und Substitutionsreaktionen beobachten. Eine Substitution des Bromids in den Eisenhalbsandwich-bromiden gegen ein Phenolat, bzw. Thiophenolat ist ebenfalls möglich. Die Resultate dieser Umsetzungen zeigen interessante strukturelle Ergebnisse bezüglich der Bindungsmöglichkeiten zwischen Eisen und Phenolaten sowie Thiophenolaten. Der Phenolatkomplex zeigt eine erstaunliche Stabilität und zersetzt sich auch in verdünnten Säuren und Basen nicht. Es ist erstmalig gelungen, das Pentaisopropylcyclopentadienid an ein Nickelzentrum zu koordinieren. Der resultierende Halbsandwichkomplex mit zwei verbrückenden Bromiden kann wie beim Eisen als Ausgangsverbindung zur Darstellung einer Vielzahl von neuen Komplexen dienen. Durch Addition von 1-Naphthyllithium an das 1,2,3,4-Tetraisopropyl-6-(dimethylamino)pentafulven gelingt die Synthese eines neuen sperrigen chiralen Cyclopentadienids. Dieses lässt sich an ein Nickelbromid-Fragment koordinieren und bildet den ersten im festen Zustand monomeren Vertreter eines Cyclopentadienyl-Nickelbromids. Durch Reduktion der beiden Halbsandwich-Bromide des Eisens und des Nickels in Gegenwart von Stickstoff erhält man Nitrido-Komplexe, die noch nicht eindeutig charakterisiert sind. Die Reaktivität dieser Verbindungen ist jedoch eindeutig. Sie sind in der Lage, mit elementarem Wasserstoff hochreaktive Amide zu bilden und ein Alkyl-H-Atom gegen eine Aminogruppe auszutauschen. Diese metallvermittelte Bildung von Alkylaminen aus Alkan, Stickstoff und Wasserstoff ist bislang nicht bekannt.
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.