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Entwicklung niedermolekularer Scavenger für V-Stoffe (2017)

Christian Schneider

V-Stoffe, die zur Klasse der Neurotoxischen Organophosphonate (NOPs) zählen, gehören zu den giftigsten bekannten Verbindungen. Ihre ausgeprägte Toxizität gegenüber dem Menschen erlaubt ihren Einsatz als chemische Kampfstoffe. Obwohl diese Verbindungen bereits vor mehr als 60 Jahren zum ersten Mal hergestellt wurden, steht noch keine sichere und universelle Therapiemethode zur Verfügung. Ein vielversprechender neuer Ansatz besteht in der Entwicklung sogenannter Scavenger. Dabei handelt es sich um Verbindungen, die NOPs im Körper binden und unschädlich machen, bevor sie Schaden anrichten. Makrocyclische Wirtverbindungen, die mit einer nukleophilen Gruppe substituiert sind, besitzen diese Eigenschaften. In der vorliegenden Arbeit wurden neue Sulfonatocalix[4]arenderivate hergestellt, die mit einer Hydroxamsäuregruppe als nukleophiler Gruppe substituiert sind. Die erhaltenen Verbindungen wurden von unseren Kooperationspartnern am Institut für Pharmakologie und Toxikologie der Bundeswehr in München auf ihre Aktivität zur Entgiftung verschiedener V-Stoffe in wässriger Lösung untersucht. Als Ausgangsmaterialien zur Darstellung der potentiellen Scavenger wurden zunächst geeignete Sulfonatocalix[4]arenderivate synthetisiert. Anschließend wurden die Calixarenderivate mit entsprechenden Vorstufen verknüpft, in denen die Hydroxamsäuregruppe enthalten ist. Es wurde ein Scavenger hergestellt, der VX mit einer Halbwertszeit von etwa 4 Minuten entgiftet, was im Vergleich zur Spontanhydrolyse einer Beschleunigung um das 3500-fache entspricht. Auch andere V-Stoffe wurden mit ähnlichen Geschwindigkeiten entgiftet. Diese Verbindung stellt damit den effizientesten niedermolekularen Scavenger für V-Stoffe dar, der bislang entwickelt wurde. Neben den Messungen zur Bestimmung der Abbauraten für V-Stoffe wurden auch mechanistische Studien und Bindungsstudien durchgeführt. Hierbei konnte gezeigt werden, dass der Calixarenring effizient in wässriger Lösung an VX bindet. Außerdem wurde beobachtet, dass bei der Entgiftung von VX selektiv das ungiftige Abbauprodukt EMPA entsteht.

Rationale Entwicklung neuer nachhaltiger Methoden zur Einführung von Fluoralkyl(thio/seleno)gruppen (2017)

Christian Matheis

Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue nachhaltigere Methoden zur gezielten Einführung fluoralkyl(thio/seleno)lierter Substituenten in komplexe organische Moleküle entwickelt. Dafür wurde insbesondere die Sandmeyer-Reaktion als universelles Werkzeug zur Funktionalisierung breit verfügbarer Aniline genutzt. Die entscheidenden Vorteile dieser Technologie sind die milden Reaktionsbedingungen, das breite Substratspektrum und die exzellente Toleranz funktioneller Gruppen, weshalb sie sich selbst für komplexe Verbindungen in einem späten Synthesestadium eignet. Außerdem zeichnen sich die in dieser Arbeit entwickelten Prozesse zur direkten Einführungen von SCF3 , SeCF3 und SC2F5-Gruppen dadurch aus, dass sie mit Kupfermengen von nur 10 mol% zu den seltenen Beispielen katalytischer Sandmeyer-Reaktionen gehören. Unter ebenso vorteilhaften Reaktionsbedingungen und gleicher katalytischer Kupfermengen konnten auch α-Diazoester, die selbst leicht aus Aminosäuren herstellbar sind, zu den entsprechenden Trifluormethylthio- und Trifluormethylselenoethern umgesetzt werden. In weiteren Projekten gelang es, neue Zugänge zu Di- und Trifluormethylthioethern durch das innovative Reaktionskonzept der Thiocyanierung/Fluoralkylierungskaskade zu etablieren. Breit verfügbare Alkylelektrophile wurden hierbei unter milden Reaktionsbedingungen und preiswerten Schwefel- und Fluoralkyl-Quellen di- und trifluormethylthioliert. Außerdem konnte die Reaktionskaskade auch für regioselektive elektrophile C–H-Fluoralkylthiolierungen elektronenreicher Aromaten mit NTS als nachhaltige elektrophile Schwefelquelle genutzt werden. In allen neuen Verfahren wurden konsequent praktische Fluoralkyl(thio/seleno)-Quellen verwendet, die auf dem nachhaltigen Ruppert-Prakash-Reagenz TMSCF3 basieren. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber bekannten Verfahren, die häufig präformierte, instabile Metall-Salze oder teure, hochmolekulare Reagenzien verwenden. Das große synthetische Potential der neu entwickelten Methoden wurde jeweils anhand zahlreicher funktionalisierter Substrate demonstriert. Darüber hinaus lieferten mechanistische Studien einen näheren Einblick in den Ablauf der Reaktionen.

Entwicklung nachhaltiger katalytischer Verfahren. Chemische Nutzung nachwachsender Rohstoffe und atomökonomische Synthese von Amiden (2016)

Sabrina Baader

Nachhaltige Chemie beinhaltet die Nutzung stofflicher Ressourcen und deren Umwandlung ohne Schaden für zukünftige Generationen. Dabei hat sich insbesondere die Katalyse als nützliche Technologie etabliert, durch die Syntheserouten zu hochwertigen Produkten abgekürzt und dabei die CO2-Bilanz des Gesamtprozesses verbessert wird. Im Rahmen dieser Dissertation wurden nachhaltige, homogen-katalytische Prozesse zur Einbindung nachwachsender Rohstoffe in die chemische Wertschöpfungskette und zur abfallminimierten Synthese von Amiden und Peptiden entwickelt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die isomerisierende Metathese als Methode zur Valorisierung nachwachsender Rohstoffe etabliert. Mit einem bimetallischen Katalysatorsystem, bestehend aus dem Isomerisierungskatalysator [Pd(µ-Br)(tBu3P)]2 und NHC-basierten Ruthenium-Metathesekatalysatoren, werden Doppelbindungen ungesättigter Verbindungen kontinuierlich entlang der Kohlenwasserstoffkette verschoben und können gleichzeitig, ungeachtet ihrer Position, eine Metathese durchlaufen. Dies erlaubt die Umwandlung von zwei unterschiedlichen Olefinen in ein Gemisch mit homogener Produktverteilung und einstellbarer mittlerer Kettenlänge. Das synthetische Potential dieser Transformation wurde anhand der Darstellung von Dieselersatzkraftstoffen demonstriert, die vollständig auf erneuerbaren Ressourcen basieren und aufgrund ihres Siedeverhaltens in modernen Motoren in unverdünnter Form eingesetzt werden können. Der neu entwickelte Tandemprozess ermöglicht weiterhin die gezielte Kürzung olefinischer Seitenketten in Gegenwart von Ethen. Die isomerisierende Ethenolyse der natürlich vorkommenden Allylbenzole Eugenol, Allylanisol, Safrol und Methyleugenol wurde zur Synthese wertvoller Styrole mit komplexen Substitutionsmustern eingesetzt. Die isomerisierende Ethenolyse stellt außerdem die Schlüsseltechnologie zur Valorisierung von Cashew-Nussschalenöl dar. Ausgehend von dem bisher ungenutzten Abfallstoff wurde die Synthese der Tsetsefliegen-Lockstoffe 3-Ethyl- und 3-Propylphenol sowie des Polymervorläufers 3,3’-Hydroxystilben demonstriert. Der zweite Teil dieser Doktorarbeit umfasste die rationale Entwicklung einer abfallminimierten und umweltfreundlichen Methode zur Synthese von Amiden aus Carbonsäuren und Aminen. Dazu wurde ein hocheffektives, luft- und wasserstabiles Ru(IV)-Katalysatorsystem identifiziert, das die Addition von Carbonsäuren an Alkine unter Bildung von Enolestern sowie die weitere Umsetzung dieser Aktivester mit Aminen zu Amiden vermittelt. Ein einstufiges Eintopf-Verfahren zur Synthese von Amiden, bei dem alle Reagenzien zu Beginn der Reaktion zugegeben werden, wurde unter Verwendung von Ethoxyacetylen als Aktivierungsreagenz entwickelt. Hierbei werden die Carbonsäuren in Gegenwart eines Amins intermediär in hochreaktive Ketenacetale überführt, die nach Aminolyse die entsprechenden Amide in sehr guten Ausbeuten liefern. Die Anwendungsbreite dieses milden Reaktionsprotokolls umfasst aliphatische und aromatische Carbonsäuren sowie N- und C terminal geschützten Aminosäuren.

Characterization of Structures, Fragmentation Pathways and Magnetism of Mononuclear and Oligonuclear Transition Metal Complexes in Isolation (2017)

Johannes Lang

This thesis comprises several independent research studies on transition metal complexes as trapped ions in isolation. Electrospray Ionization (ESI) serves to transfer ions from solution into the gas phase for mass spectrometric investigations. Subsequently, a variety of experimental and theoretical methods provide fundamental insights into molecular properties of the isolated complexes: InfraRed (Multiple) Photon Dissociation (IR-(M)PD) spectroscopy provides information on binding motifs and molecular structures at cryo temperatures as well as at room temperature. Collision Induced Dissociation (CID) serves to elucidate molecular fragmentation pathways as well as relative stabilities of the complexes at room temperature. Quantum chemical calculations via Density Functional Theory (DFT) substantiate the experimental results and deepen the fundamental insights into the molecular properties of the complexes. Magnetic couplings between metal centers in oligonuclear complexes are investigated by Broken Symmetry DFT modelling and X Ray Magnetic Circular Dichroism (XMCD) spectroscopy.

Untersuchung polarer Substituenteneffekte in Alkenoxylradikal-Cyclisierungen (2016)

Irina Kempter

Die vorliegende Arbeit fasst Erkenntnisse zum Einfluss polarer Alken-Substituenten auf Selektivitäten intramolekularer Alkoxylradikal-Additionen zusammen. Ergänzend zu den eigenen mechanistisch-synthetischen Studien flossen in die Bewertung der Reaktionsverläufe thermodynamische Daten und molekularorbital-theoretische Erkenntnisse ein, die in Kooperation mit Jens Hartung aus Dichtefunktional-Rechnungen abgeleitet wurden. Die existierende Lehrmeinung beschreibt Sauerstoffradikale in Additionen und Substitutionen als Elektrophile, deren Selektivitäten durch sterische Effekte gesteuert werden. Auf Grundlage dieser Einteilung lassen sich atmosphärische und physiologische Sauerstoffradikal-Reaktionen und das komplementäre Reaktionsverhalten zu ionischen Cyclisierungen von Alkenolen deuten. Vorläufermoleküle, die Sauerstoffradikale in unverzweigten Kettenreaktionen unter pH-neutralen nicht oxidativen Bedingungen freisetzen, erlaubten in der vorliegenden Arbeit strukturell komplexere Sauerstoffradikale mit hoher Spezifität zu erzeugen und aus den isolierten Produkten ein differenzierteres Bild zur Radikalselektivität abzuleiten. In diesem Bild besitzen Sauerstoffradikale Grenzreaktivität. Gegenüber Akzeptor-substituierten Alkenen treten Sauerstoffradikale als Nucleophile und gegenüber Donor-substituierten Alkenen als Elektrophile auf. Elektrophilie bildet darüber hinaus die Grundlage für einen neuen 2,3-cis-dirigierenden Effekt Allyl-ständiger Akzeptor-Gruppen, in denen der polare Einfluss über den sterischen dominiert. In einem Projekt zur Synthese von Isomuscarinen, die sich durch Positionierung einer endocyclischen Hydroxy-Gruppe von den Glutamat-abgeleiteten Muscarin-Alkaloiden unterscheiden, fiel eine unerwartete 2,3-cis-Selektivität der 5-Hexen-2-oxylradikal-Cyclisierung auf. Aus sterischen Gründen wäre das 2,3-trans-konfigurierte Produkt favorisiert. 2,3-cis-Selektivität, die sich sowohl bei thermisch als auch photochemisch durchgeführten homolytischen Bromcyclisierungen zum Aufbau von Isomuscarin-Gerüsten zeigte, lässt sich in einem der diastereomeren Radikale durch den konformellen Effekt einer Methylgruppe zu 2,3-trans übersteuern. Die Befunde legen nahe, dass die 2,3-cis-Selektivität aus der kinetischen Reaktionskontrolle der Cyclisierungsreaktion resultiert. Kristallographische Untersuchungen der vier racemischen Isomuscarine und umfangreiche NMR-Studien aus denen sogar 1J(14N,13C) offenkund wurden, stützten die stereochemische Analyse zur Radikalselektivität. Um die Ursache 2,3-cis-selektiver Radikalcyclisierungen einzugrenzen, wurde in einem zweiten Projekt das Untersuchungssystem auf das Allyl-ständig Hydroxy-substituierte 4-Pentenoxylradikal reduziert. Letzteres liefert in Gegenwart von Bromtrichlormethan das 2,3-cis-Cyclisierungsprodukt in einer Selektivität von 74:26. Da das 2,3-cis- und das 2,3-trans-Stereoisomer des (3-Hydroxytetrahydrofuran-2-yl)methyl-Radikals unter den Reaktions-bedingungen nicht ringöffnen, liegt der 2,3-cis-Selektiviät ein kinetischer Einfluss der Allyl-ständigen Hydroxy-Gruppe zugrunde. Auch Acyloxy-Gruppen in allylischer Position ermöglichen 2,3-cis-selektive 4-Pentenoxylradikal-Cyclisierungen, jedoch mit abweichender Selektivität. Den polaren Effekt überlagert demzufolge der sterische des eingesetzten Substituenten. Das Zusammenspiel zwischen polarem und sterischem Effekt eines Allyl-ständigen Substituenten gelang es in einem dritten Projekt zu separieren. In diesem Projekt variierte der Allyl-ständige Substituent von Hydroxy, Methoxy, Trifluoracetoxy, Chlor, Benzamido, Benzolsulfonamido, N-Phthalimido zu Benzoylsulfanyl. Entlang dieser Reihe fiel der Anteil 2,3-cis-bromcyclisierter Produkte bei thermisch induzierter Umsetzung der synthetisierten Allyl-substituierten 4-Pentenylthiohydroxamate mit Bromtrichlormethan. In einer Korrelationsanalyse folgt der cis-Anteil an 5-exo-trig-Cyclisierungsprodukt der Stabilisierung der HOMO-Energie, wobei 2-substituierte But-3-ene als Modell-Verbindungen zur Korrelation eingesetzt wurden. Mit zunehmendem sterischen Substituenteneinfluss, ausgedrückt anhand des entsprechenden Winstein-Holness-Parameters, steigt der Anteil 2,3-trans-konfigurierter Cyclisierungsprodukte. 2,3-cis-Selektivität resultiert in dem Modell aus einer Verlangsamung der 2,3-trans-Reaktion durch den stabilisierenden Einfluss eines sterisch möglichst kleinen stark elektronenziehenden Substituenten. Mit zunehmender Stabilisierung des Alkenteils sinkt die Geschwindigkeit der Radikaladdition. Mit zunehmender Raumerfüllung des Allyl-Substituenten wird jedoch das Konformer aus dem die 2,3-cis-Reaktion erreicht werden kann zu energiereich, um nennenswert eine Rolle zu spielen. Direkt an der Doppelbindung gebundene Substituenten haben einen noch deutlicheren Einfluss auf die Radikalselektivitäten, da sie die Energien von π-Typ-Orbitalen direkt beeinflussen. Alkoxylradikale addieren dabei rascher an eine terminal Cyano-substituierte Doppelbindung als an eine unsubstituierte. Kontrollreaktionen mit einer Radikaluhr zeigten, dass alle Intermediate auf Radikale zurückzuführen sind. Anwenden ließ sich die unerwartete nucleophile Reaktivität in der Synthese einer neuen Tetrahydrofuran-abgeleiteten Aminosäure.

Etablierung einer milden Heck-Matsuda-Reaktion zur Synthese von Stilbennitronen und deren Anwendung als fluoreszierende Spin Traps (2017)

Andre Karbach

Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit war die Synthese eines auxochrom-substituierten Derivats von p-Nitrostilbennitron (PNSN), sowie dessen biologische Anwendung als fluoreszierende spin trap, zur Identifikation und Lokalisation von zellulär gebildeten ROS. Zunächst wurden von Hauck et al. (2009) veröffentlichte Syntheseschritte zur Darstellung von PNSN optimiert. Die Synthese der dazu korrespondierenden Aldehydvorstufe, konnte zunächst auch im Rahmen dieser Arbeit nicht auf auxochrom-funktionalisierte Nitrostilbenaldehyde übertragen werden. Deshalb wurde die dazu verwendete Heck-Matsuda-Reaktion einem Screening unterzogen (8 Ansätze). Die effektivste Umsetzung erfolgte durch das Erhöhen der gesamten Reaktionszeit bei einer initialen Kühlung. Anschließend wurde gezeigt, dass sich die optimierten Bedingungen auch zur Darstellung anderweitig-substituierter Stilbenaldehyde eignen (9 Ansätze). Auch zur Synthese der entsprechenden Stilbennitrone musste die publizierte Methode stark modifiziert werden und resultierte in teils quantitativen Ausbeuten. Alle dargestellten Stilbennitronderivate wurden ausgiebig in Modelsystemen auf ihre optischen Eigenschaften, ihre Fähigkeit zum spin trapping und einer potentiellen, damit einhergehenden Fluoreszenzabnahme untersucht. In der Summe aller Untersuchungen stellte das p-Nitro-o-methoxystilbennitron (PNOMSN) das einzige der synthetisierten spin traps dar, welches verbesserte Eigenschaften bzgl. PNSN aufwies. Aus diesem Grund wurde PNOMSN in vitro auf seine biologische Anwendbarkeit überprüft (3 Zelllinien). Mittels eines SRB-Tests wurde zunächst dessen Atoxizität nachgewiesen. Danach wurde via konfokaler Laser-scanning-Mikroskopie (cLSM) eine mitochondriale Akkumulation von PNOMSN verfolgt und unter Zugabe von Atmungsketteninhibitoren festgestellt, dass auch auf zellulärer Ebene dessen Fluoreszenz innerhalb weniger Sekunden gequencht wird. In einer weiteren Studie wurden die entsprechenden Spin-Addukte aus Zellen extrahiert und EPR-spektroskopisch vermessen. Zudem wurde gezeigt, dass stabile Nitroxylradikale auch aus Kunststoffverbrauchsmaterialien (oxidierte HALS; TEMPO-Derivate) extrahiert werden und solche Messungen verfälschen können. Außerdem konnte Fluorescein in ortho-Position formyliert und somit weiter zu einem Nitron funktionalisiert werden. Analog zu den Stilbennitronen wurde auch das dargestellte Fluoresceinnitron in Modelsystemen untersucht. Nach Hauck (2007) wurde die cyclische spin trap EMPO synthetisiert. Zudem gelang es NBD-Chlorid und Dansylchlorid kovalent daran zu koppeln.

C-H-activation-mediated-by-Transition-Metals (2017)

Dawei Zhao

C-H activations(C-H bond weakening effects) under impact of transition metal atoms are theoretically investigated, two model systems are used, one is CH3MX, the other is n-ButMX, (X=F,Cl,Br,I,H,CN, M include all transition metal atoms from group 4 to group 10).

Freisetzung glycosidisch gebundener Aromastoffe während der Wein- und Sektbereitung: chemische, sensorische und molekularbiologische Untersuchungen (2017)

Doreen Schober

In der vorliegenden Arbeit wurden 18 Saccharomyces-Hefestämme sowie zwei Stämme der Nichtsaccharomyces-Hefen Torulaspora delbruckii und Metschnikowia pulcherrima und ein Enzympräparat aus Aspergillus niger in Gärungen im Labor- und Praxismaßstab sowie in betriebsüblichen Wein- und Sektgärungen bezüglich ihres Potentials zur Freisetzung von glycosidisch gebundenen Aromastoffen charakterisiert. Die Untersuchungen wurden in drei Jahrgängen für die Rebsorten Chardonnay, Riesling und Muskateller durchgeführt. Hierbei wurden die Verfahren der Traubenverarbeitung zur Intensivierung der unterschiedlichen Ausgangsgehalte an Aromastoffvorläufern variiert. Zusätzlich wurden in Mosten der Rebsorten Riesling, Muskateller und Gewürztraminer die Einflussfaktoren Maischestandzeit und Pressung auf den Ausgangsgehalt an Aromastoffvorläufern untersucht. Alle Moste, hergestellten Weine, Grundweine und Sekte sind aromachemisch mittels SPE/GC-MS sowie die Weine und Sekte sensorisch durch die deskriptive Analyse untersucht worden. Anhand multivariater Statistik wurden die Datensätze modelliert. Die 18 eingesetzten Saccharomyces-Hefestämme sowie zusätzlich zwei Laborstämme der Art Debaromyces hansenii und Pichia anomala wurden mittels Plattentests unter Verwendung von YNB-Mangelmedium bei Zugabe der Substrate Arbutin und Cellobiose als Kohlenstoff-Quelle sowie mittels pNPG-Assay quantitativ auf Glycosidase-Aktivität getestet. Das Enzympräparat wurde ebenfalls mit dem Assay untersucht. Mittels qPCR erfolgte die Analyse der relativen Genexpression der mit der Glycosidase-Aktivität von Saccharomyces-Hefen in Verbindung stehenden Gene EXG1, SPR1 und YIR007W über den Verlauf einer Gärung. Die Analyse der Aromastoffvorläufer wurde mittels einer im Zuge der Arbeit etablierten SPE/GC-MS-Methode für die Injektion großer Probenvolumina durchgeführt. Anhand dieser Analytik als Referenzmethode sollte eine Schnellanalytik mittels FT-MIR entwickelt werden. Die Untersuchungen zur Variation der Traubenverarbeitung demonstrierten einen signifikanten Einfluss auf die Aromastoffvorläufer-Gehalte im Most. Erstmalig konnte in dieser Arbeit verdeutlicht werden, dass eine verlängerte Maischestandzeit sowie gesteigerter Pressdruck bis hin zum fertigen Wein und Sekt als signifikanter Einflussfaktor sowohl auf die Gehalte der Aromastoffvorläufer als auch auf die Sensorik bestehen bleibt. Die Auswahl des Saccharomyces-Hefestammes hingegen konnte nicht als signifikanter, maximal als marginaler Einflussfaktor auf die Freisetzung der Aromastoffvorläufer oder die Sensorik der finalen Weine, Grundweine und Sekte identifiziert werden. Es wurden selbst bei weitestgehendem Ausschluss anderer mikrobiologischer Einflussfaktoren keine reproduzierbaren Unterschiede zwischen den untersuchten Hefestämmen nachgewiesen, wodurch kein prognostizierbarer Effekt ermittelt werden konnte. Dieses Ergebnis konnte durch die Charakterisierung der Enzymausstattung und aktivität der Hefen erklärt werden. Die Hefen konnten in den Plattentests die glycosidische Bindung der Substrate Arbutin und Cellobiose nicht spalten. Da Arbutin als spezifisch zum Nachweis des Enzyms 1,4 β Glucosidase gilt, kann davon ausgegangen werden, dass das Enzym in den Saccharomyces-Hefen nicht exprimiert wurde. Detektierbar mittels pNPG-Assay war hingegen eine basale Glycosidase-Aktivität, welche vermutlich auf die Nebenaktivität der exo 1,3 β Glucanase Exg1p zurückzuführen ist. Für das korrespondierende Gen EXG1 wurde mittels qPCR über den Verlauf einer Gärung proportional zum Abbau der Glucose eine ansteigende relative Expression bestimmt. Glucose scheint als Hemmstoff für die Genexpression von EXG1 zu wirken. Mit dem Anstieg der Genexpression ging die Abnahme der glycosidisch gebundenen Aromastoffvorläufer einher. Zwischen den untersuchten Saccharomyces-Hefestämmen bestanden dabei keine Unterschiede. Die Analyse der Sekte ergab nach neunmonatiger zweiter Gärung signifikante Unterschiede zwischen den regulär mit Hefe hergestellten Sekten und den ausschließlich unter Säureeinfluss stehenden Varianten ohne Hefezugabe. Damit konnte verdeutlicht werden, dass Saccharomyces-Hefen eine Glycosidase-Aktivität ausbilden, da sie im Vergleich zur ausschließlichen säurehydrolytischen Wirkung signifikant erhöht Aromastoffvorläufer freigesetzt hatten. Die Verwendung verschiedener Hefestämme führte hingegen nicht zu konsistenten Unterschieden in der Freisetzung der Aromastoffvorläufer und blieb ohne bemerkenswerte Auswirkungen auf die Sensorik der Grundweine und Sekte. Die im Praxismaßstab hergestellten Weine bestätigten diese Beobachtungen. Das aus Aspergillus niger stammende Enzympräparat AR2000 zeichnete sich hingegen in der Quantifizierung der Glycosidase-Aktivität mit ca. 1000fach erhöhter Aktivität gegenüber den Hefen aus. Dementsprechend setzte das Enzym in den Gärungen signifikant erhöht Aromastoffvorläufer frei und führte zu veränderten sensorischen Profilen der Weine und Sekte. Die weiterhin in die Versuche einbezogenen Nichtsaccharomyces-Hefen wurden teilweise positiv auf das Enzym β Glucosidase getestet und waren, insbesondere im Fall des Pichia anomala Stammes, auch durch eine signifikant erhöhte quantitative Enzymaktivität charakterisiert. Durch die umfassende Charakterisierung der Saccharomyces-Hefen im Vergleich mit Nichtsaccharomyces-Hefen und Enzympräparat wurde deutlich, dass die Glycosidase-Aktivität der Saccharomyces-Hefen nicht ausreicht, um das Aromapotential während der Wein- und Sektbereitung bedeutend ausschöpfen zu können. Die in dieser Arbeit etablierte large volume injection GC-MS-Methode wurde validiert und gilt als eine stabile Methode mit hohen Wiederfindungsraten und guter Reproduzierbarkeit. Aufgrund von probenabhängigen Verlusten durch die SPE und die möglicherweise unvollständige enzymatische Spaltung der Aromastoffvorläufer bleibt der Gesamtmethode vermutlich ein systematischer Fehler der absoluten Aromastoffvorläufer-Gehalte zueigen, vergleichende Analysen sind jedoch problemlos möglich. Zum jetzigen Kenntnisstand existiert keine alternative Analysemethode. Die Unschärfe der SPE/GC-MS-Analytik pflanzte sich entsprechend bei der Entwicklung der Schnellmethode zur Quantifizierung der Aromastoffvorläufer mittels FT-MIR fort, welche mit der GC-MS-Methode als Referenzmethode etabliert werden sollte. Im Zuge der Methodenentwicklung am Gerät FT 120 Winescan (Foss) wurde zunächst die Signalintensität der Analyten in den Spektren verbessert, da Aromastoffvorläufer in Most und Wein unterhalb der üblichen Nachweisgrenze der MIR Spektroskopie liegen. Diese Erhöhung der Signalintensität wurde durch eine Vergrößerung der Küvettenstärke auf 150 µm und durch Verwendung der Lösungsmittel Dimethylsulfoxid oder Methanol erreicht. Für beide Küvetten-Lösungsmittel-Kombinationen wurde jeweils eine Basiskalibration mit einem Probensatz aus 37 heterogenen Most- und Weinproben verschiedener Rebsorten und Herkunft erstellt. Die Kalibrationen waren durch vielversprechende statistische Vorhersageparameter charakterisiert. Der Validierung mit unabhängigen Datensätzen konnten beide Kalibrationen aber bisher nicht standhalten.

In vitro Studien zum Einfluss von Extrakten aus Kaffee, Artischocke, Ingwer, Erdbeerbaum und Tee auf die Phosphodiesterase-Aktivität (2017)

Teresa Röhrig

Phosphodiesterasen (PDE) katalysieren die Hydrolyse der second messenger cAMP und cGMP und spielen damit eine wichtige Rolle in cAMP- und cGMP-vermittelten Signalkaskaden. PDE-Hemmstoffe besitzen pharmakologische Wirkungen und werden daher u.a. als Antikoagulantien, Antiphlogistika und Vasodilatatoren eingesetzt. Neben synthetischen PDE-Hemmstoffen sind zahlreiche natürliche Hemmstoffe bekannt, die sowohl in Arzneipflanzen als auch in Lebensmitteln vorkommen. So sind beispielsweise Methylxanthine, Chlorogensäuren, Alkylpyrazine und Flavonoide als PDE-Hemmstoffe beschrieben. Der Verzehr von Lebensmitteln mit PDE-hemmendem Potential könnte sich aufgrund der pharmakologischen Wirkungen von PDE-Hemmstoffen positiv auf das Risiko von Herz Kreislauf-Erkrankungen auswirken. Daher besteht gesteigertes Interesse, das PDE-hemmende Potential von verschiedenen Lebensmitteln und die dafür verantwortlichen Inhaltsstoffe zu identifizieren. Zwei Humanstudien haben in diesem Zusammenhang gezeigt, dass die PDE-Aktivität in Thrombozyten bei langzeitigem Konsum von Kaffee (Coffea arabica) gehemmt wurde. Dabei wurden die verantwortlichen Inhaltsstoffe in Kaffee nicht identifiziert, weshalb in der vorliegenden Arbeit eine Aktivitäts-geleitete Fraktionierung mit in vitro PDE-Aktivitäts-Assay durchgeführt wurde. Im Rahmen der Aktivitäts geleiteten Fraktionierung wurde eine Fraktion von wasserlöslichen Melanoidinen mit niedrigem Molekulargewicht (< 3 kDa), niedriger Polarität und UV-Aktivität (260 nm, 280 nm, 420 nm) als verantwortlich für die PDE-Hemmung durch Kaffee identifiziert. Als Mechanismus der Hemmung wurde eine nicht-kompetitive Hemmung bestimmt, die vermutlich durch die Chelatisierung von zweiwertigen Kationen durch die Melanoidinfraktion hervorgerufen wird. Da Daten zur Bioverfügbarkeit von intakten Melanoidinen in der Literatur fehlen, bleibt eine physiologische Bedeutung unklar. Weiterhin wurden in der vorliegenden Arbeit Arzneipflanzen mit kulinarischer Bedeutung auf ihr PDE-hemmendes Potential untersucht. Während Extrakte aus Erdbeerbaumfrüchten (Arbutus unedo) und Grüntee (Camellia sinensis) wider Erwarten keine Effekte auf die PDE-Aktivität besaßen, konnte für einen Artischockenblätterextrakt (ALE, Cynara scolymus) und einen Ingwerpulverextrakt (GPE, Zingiber officinale) ein mit Kaffee vergleichbares PDE-hemmendes Potential gezeigt werden. Einzelsubstanztestungen haben gezeigt, dass für das PDE-hemmende Potential des ALE vermutlich ein Synergismus von mehreren Inhaltsstoffen verantwortlich ist, wobei es sich sehr wahrscheinlich um Flavone und Chlorogensäuren handelt. Eine grobe Fraktionierung des GPE zeigte, dass das PDE-hemmende Potential der lipoiden Fraktion zuzuordnen war. Einzelsubstanztestung von [6]-Gingerol lässt vermuten, dass das PDE hemmende Potential von den Gingerolen und deren Derivaten ausgeht. So konnten in der vorliegenden Arbeit zwei neue Lebens- bzw. Arzneimittel mit PDE-hemmendem Potential identifiziert sowie die verantwortlichen Inhaltsstoffe eingegrenzt werden. Zukünftig gilt es zu untersuchen, ob Effekte durch den Verzehr dieser Extrakte oder Lebensmittel zu einem physiologischen Effekt führt, der positive Auswirkungen auf Herz-Kreislauf-Erkrankungen besitzt.

Nachhaltige Methoden zur Einführung von Fluoralkyl(thio)gruppen (2016)

Bilguun Bayarmagnai

Im Rahmen dieser Arbeit konnten neue Konzepte zur regioselektiven Einführung von CF3, SCF3, und SCF2H-Gruppen entwickelt und neue konzeptionelle Perspektiven für die Entwicklung nachhaltiger Fluoralkylierungsreaktionen und Reagenzien eröffnet werden. Im ersten Teilprojekt gelang es, praktische Eintopfverfahren zu entwickeln, mit denen Trifluormethyl- und Trifluormethylthiolgruppen selektiv in organische Moleküle eingeführt werden. Der maßgebliche Vorteil dieser Methoden ist, dass breit verfügbare aromatische Amine in situ diazotiert und ohne weitere Aufarbeitung weiter umgesetzt werden. Die vorteilhaften Reaktionsbedingungen wie z.B. Katalysatorbeladung, Raumtemperatur, und die hohe Toleranz gegenüber funktionellen Gruppen konnten beibehalten werden. Im nächsten Teilprojekt wurde aufbauend auf dem Konzept der nukleophilen Difluormethylierung der Organothiocyanate Zugang zu wertvollen Difluormethylthioethern ermöglicht. Dabei werden die Organothiocyanate in situ in Reaktionslösung aus diversen Aryl- und Alkylhalogeniden und –pseudohalogeniden erzeugt, welche anschließend unter Einsatz von TMSCF2H difluormethyliert werden konnten. Der entscheidende Vorteil dieser Methode ist der Einsatz der nachhaltigen CF2H-Quelle, welche aus Fluoroform herstellbar ist. In einem weiteren Teilpojekt erfolgte die Entwicklung eines Verfahrens zur Synthese von Trifluormethylthioethern. Dabei können Organothiocyanate unter Decarboxylierung von Trifluoracetaten in Anwesenheit von Eisenkatalysatoren leicht zu den korrespondierenden, wertvollen Trifluormethylthioethern umgesetzt werden. Die Anwendungsbreite konnte an zahlreichen aromatischen, heteroaromatischen und aliphatischen Organothiocyanaten demonstriert werden. In weiterführenden Arbeiten konnte dieses Reaktionskonzepts auf längerkettige perfluorierte Carboxylate erweitert werden. In einem weiteren Teilprojekt wurde die Sandmeyer Pentafluorethylthiolierung mit Aryldiazoniumsalzen ermöglicht. Sie stellt einen weiteren alternativen Zugang zu den pentafluorethylierten Aromaten dar. Im darauffolgenden Teilprojekt wurden alternative, nachhaltigere Synthesewege zu den gängigen elektrophilen SCF3-Reagenzien ausgehend von Me4NSCF3 mittels einfacher Salzmetatese realisiert. Besonders erwähnenswert hierbei ist, dass eine in situ Generierung dieser sensiblen Reagenzien die komplizierte Handhabung vereinfacht. Im letzten Teilprojekt wurden sowohl elektrophile als auch nukleophile Reagenzien zur regioselektiven Einführung von Phosphorothioat-Gruppen entwickelt. Die Anwendungsmöglichkeiten wurden anhand kupferkatalysierten Sandmeyer Reaktion von Aryldiazoniumsalzen, einer palladiumkatalysierten Umsetzung von Aryliodiden und einer kupferkatalysierten Umsetzung von Arylboronsäuren gezeigt. Zusammengefassend wurden in dieser Arbeit nachhaltige Methoden zur regioselektiven Einführung von CF3, SCF3, SCF2H und SP(O)(OMe)2-Gruppen entwickelt. Dabei wurde das Reaktionskonzept der Sandmeyer Reaktion angewandt. Die wesentlichen Vorteile dabei sind der Einsatz geringer Mengen der Kupferkatalysatoren, die milden Reaktionsbedingungen, sowie die hohe Toleranz gegenüber funktioneller Gruppen, wodurch sich diese Verfahren auch besonders in späten Synthesestufen anbietet.

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