Pyrrolizidine alkaloids are naturally occurring secondary plant metabolites mainly found in plant families of Asteraceae, Boraginaceae, and Fabaceae. Chemically, PAs consist of a pyrrolizidine core bearing hydroxyl groups, the so-called necine base, and mono- or dicarboxylic necine acids bound to the pyrrolizidine core via ester linkages. 1,2-unsaturated PAs are hepatotoxic, genotoxic, and carcinogenic due to the highly reactive pyrrolic metabolites formed by cytochrome P450 monooxygenases (CYPs) primarily in the liver. The presence of PAs as frequent contaminants in the wide variety of food and feed products would be a concern for public health. Due to the inadequate data, the risk assessment of PAs was mainly approached using the two most toxic potent congeners, i.e., lasiocarpine and riddelliine. However, the toxic potencies of individual PA congeners differentiated widely between the congeners probably related to their structural features. The risk of PA-containing products is indeed overestimated, and a comprehensive risk assessment should take these differences into account. After analyzing the data of many PAs, Merz and Schrenk derived interim Relative Potency (iREP) factors to present the differences in their toxicity between the sub-groups concerning their structural features. But since this concept was derived from an inadequate database, it was found that the relative toxicity of individual congeners cannot be entirely reliably evaluated. My work aimed to achieve more comprehensive congener-specific in vitro toxicological data and estimate the structure-related characteristics for refining this concept. For this purpose, ten congeners, lasiocarpine, monocrotaline, retrorsine, senecionine, seneciphylline, echimidine, europine, heliotrine, indicine, and lycopsamine, were determined in a series of in vitro test systems with different endpoints to quantify their cytotoxicity, genotoxicity, and mutagenicity. Cytotoxicity was assessed using the Alamar blue assay. A clear structure dependence could be demonstrated in primary rat hepatocytes and HepG2 (CYP3A4) cells. On the contrary, in HepG2 cells, none of the selected PAs exhibited cytotoxic effects, probably due to the lack of CYPs. The role of CYP450 enzymes in metabolic activation was further confirmed using an inhibition assay and the activity of CYP450 enzymes was measured by a kinetic assay analyzing 7-benzyloxyresorufin-O-dealkylation (BROD). Furthermore, utilizing a glutathione-reductase-DTNB recycling assay indicated that glutathione might not play a critical role in PA-induced cytotoxicity. A micronucleus test was used for determining the PA-induced clastogenic genotoxicity. All selected PA congeners exhibited a concentration-dependent manner in the HepG2 (CYP3A4) cells. The relative potencies of PA congeners estimated from Alamar blue assay and micronucleus assay are generally consistent with the following ranking: lasiocarpine > senecionine > seneciphylline ≥ retrorsine > heliotrine (?) echimidine ≥ europine ≈ indicine ≈ lycopsamine ≈ monocrotaline. Compared to the iREP reported by Merz and Schrenk, monocrotaline exhibited considerably lower toxic potency. However, echimidine was more toxic than expected. On the other hand, mutagenicity was measured in Ames fluctuation assay with Salmonella typhimurium strains TA98 and TA100. None of the selected PA congeners up to 300 µM showed mutagenic effects despite metabolic activation with S9-mix.

Mit der Blickrichtung auf die Synthese und Darstellung neuer Verbindungen zur Verbesserung der Lebensqualität, Grundbedürfnisse und Gesundheit einer modernen Gesellschaft sind neue Strategien, welche die Konzepte der Nachhaltigkeit, Effizienz und Umweltschutz verinnerlichen, von immenser Bedeutung. Multikomponentenreaktionen (MCRs) offerieren hierfür einen attraktiven Lösungsansatz. Als Eintopfreaktionen zeichnen sich MCRs durch hohe Stufen- sowie Atomökonomien aus und können ferner dazu beitragen Kosten, Zeit, Energie und Abfälle einzusparen. Durch den modularen Charakter von MCRs lassen sich darüber hinaus schnell und effizient eine Vielzahl unterschiedlicher Molekülstrukturen generieren. Vor diesem Hintergrund konnten im Rahmen dieser Forschungsarbeit einige neue, kombinatorische Konzepte zur Synthese α-substituierter Glycinderivate entwickelt werden. Ausgehend von einer weiterentwickelten, Pd-katalysierten, enantioselektiven 3-Komponentenreaktion auf Basis von Sulfonsäureamiden, Glyoxylsäure Monohydrat und Boronsäuren konnte eine unerwartete Hintergrundreaktion festgestellt werden, die sich schlussendlich als erste katalysatorunabhängige Petasis-Reaktion auf Basis von Sulfonsäureamiden als Amin-Komponente darstellte. In Anbetracht der Aufgabe eine ressourcensparende und nachhaltigere Aufbaumöglichkeit von unnatürlichen Aminosäurederivaten zu entwickeln, gelang es im Zuge dieser Doktorarbeit weiterhin eine Pd-katalysierte, decarboxylative 3-Komponentenreaktion aufzubauen und zu etablieren. Dabei bieten Arylcarbonsäuren als Schlüsselkomponenten in einem decarboxylativen Konzept mit Palladium eine kostengünstigere und umweltfreundlichere Alternative zu den bisher bestehenden Methoden mit Organoboronsäuren oder anderer Organometall-Spezies. Überraschenderweise konnte im Zuge der Untersuchungen zur Substratbreite der Aldehyd-Komponente eine direkte, decarboxylative Addition zwischen den eingesetzten Arylcarbonsäuren und den verschiedenen Glyoxylsäureestern beobachtet werden. Dabei eröffnete diese Methode in ersten Untersuchungen eine interessante Möglichkeit zur Darstellung entsprechender Mandelsäurederivate.

In dieser Arbeit wurden photoaktive Übergangsmetallkomplexe mit häufig vorkommenden Metallen wie Chrom, Vanadium und Kupfer untersucht. Hierbei wurden ausgewählte Exemplare mit besonders interessanten photophysikalischen und photochemischen Eigenschaften in Bezug auf praktische Anwendungen spektroskopisch charakterisiert. Über statische und insbesondere zeitaufgelöste FTIR- und Lumineszenzspektroskopie wurde ein tieferes Verständnis der Dynamik nach Lichtanregung erzielt. Das Hauptziel dieser Forschung besteht darin seltene und teure Elemente wie Ruthenium und Iridium gegen häufigere Metalle zu ersetzen. In diesem Zusammenhang wurden mononukleare, oktaedrische Chrom(III)- und Vanadium(III)-Komplexe mit Polypyridylliganden, die im Arbeitskreis von Prof. Dr. Katja Heinze synthetisiert wurden, spektroskopisch charakterisiert. Diese Systeme zeigen vielversprechende Lumineszenzeigenschaften mit einer roten bzw. nahinfraroten Phosphoreszenz, wobei bei tiefen Temperaturen besonders hohe Quantenausbeuten und längere Lebensdauern beobachtet werden konnten. Außerdem wurden einkernige Chrom(0)-, Molybdän(0)- und Wolfram(0)-Komplexe spektroskopisch charakterisiert, die allesamt im Arbeitskreis von Prof. Dr. Biprajit Sarkar synthetisiert wurden. Es sind mononukleare Komplexe mit Pyridyl-Carben-Liganden und Carbonyl-Coliganden mit einer dualen Phosphoreszenz (Emissionsbande im roten und nahinfraroten Bereich), wobei sich die niederenergetische Bande interessanterweise bis 1300 nm erstreckt. Außerdem zeigen die drei Komplexe bei intensiver Bestrahlung mit sichtbarem oder UV-Licht in organischer Lösung eine photochemische Reaktivität. Als weitere vielversprechende Luminophore (sichtbare Emission) wurden Kupfer(I)-Komplexe analysiert, die für organische Leuchtdioden relevant sind. Einerseits wurden zweikernige Systeme mit einer zentralen Cu2I2-Einheit untersucht, die sich durch eine Fluorierung an den Phosphin-Hilfsliganden von den Derivaten aus Vorarbeiten unterscheiden. Die Systeme wurden im Arbeitskreis von Prof. Dr. Stefan Bräse zur Verbesserung der Löslichkeit im Vergleich zu unfluorierten Derivaten entwickelt. Die spektroskopischen Befunde dieser Arbeit zeigen, dass insbesondere die Einführung von Trifluormethylgruppen nicht nur die Löslichkeit, sondern auch die Stabilität verbessert. Andererseits wurden vierkernige Komplexe mit näherungsweise oktaedrischen Cu4X4-Clustern (X = I, Br, Cl) charakterisiert, wobei sich teilweise eine stark thermochrome Lumineszenz mit zwei klar separierten roten bzw. blauen Phosphoreszenzbanden ergab. Der Ursprung dieser Thermochromie konnte erstmalig auf experimentellem Weg den starken strukturellen Veränderung innerhalb des Cu4X4-Clusters zugeordnet werden. Außerdem sind Kupfer(I)-Komplexe vielversprechende Kandidaten zur Verwendung als Photosensibilisatoren. Bei einem vom Arbeitskreis von Dr. Michael Karnahl zu Verfügung gestellten Kupfer(I)-Einkerner mit einem Liganden mit ausgedehntem 𝜋-System ergab sich ein langlebiger, nicht-strahlender Triplett-Zustand. In einem verwandten Projekt wurden ein- und zweikernige Kupfer(I)-Komplexe untersucht, die im Arbeitskreis von Dr. Claudia Bizzarri synthetisiert wurden. Der Fokus lag hierbei auf dem Einfluss einer Dimerisierung (kovalente Verbindung zweier mononuklearer Komplexe) oder einer Protonierung eines Liganden auf die photophysikalischen Eigenschaften.

In jüngster Zeit wurde ein komplett neues Feld für den Bedarf an einer Konvertierung von Kohlenstoffdioxid zu Methan erschlossen. Im Gegensatz zu der Erde besteht die dünne Atmosphäre des Mars aus 95,3 % Kohlenstoffdioxid. Um dort hinzukommen und der Menschheit ein potentielles zweites Zuhause zu schaffen, bedarf es allerdings der Raumfahrt. Die bisherigen Raketen dafür wurden entweder mit Feststoffbrennstoffen, flüssigem Wasserstoff sowie flüssigem Sauerstoff oder in neuerer Zeit mit einer Mischung aus Rocketpropellent-1 (Mischung aus Diesel und Kerosin) und flüssigem Sauerstoff geflogen. Die neue Generation der Raketen von SpaceX, Nasa und Blue Origin für die Marsbesiedlung wird allerdings mit Methan und flüssigem Sauerstoff fliegen. Das Besondere daran ist, dass alle Missionen sowohl von NASA, als auch von den privaten Raumfahrtunternehmen, planen den Treibstoff für den Rückflug über den CO2-Fischer-Tropsch Prozess auf dem Mars aus Kohlenstoffdioxid zu gewinnen und alle lebensnotwendigen Chemikalien auf dem Mars aus Wassereis und CO2 über diesen Weg zu erzeugen. Für diesen Prozess unter diesen extraterrestrischen Bedingungen bedarf es neuer und besserer heterogener Katalysatoren, um die Besiedelung des Mars und des Sonnensystems sowie die Nutzung der dort vorhandenen Rohstoffe möglich zu machen. Daher war in dieser Arbeit das Ziel neuartige Heusler-Legierungen zu erhalten und diese in eine für die Katalyse nutzbare Form zu überführen, um damit das katalytische Potential der Legierungen in der CO2-Fischer-Tropsch-Anwendungen erstmalig zu überprüfen. Dadurch sollten neue Katalysatoren für zukünftige CO2-Fischer-Tropsch-Anwendungen untersucht werden, da diese Prozesse einen breiteren Zugang zu Raffinerieprodukten, Wachsen, Alkanen und Alkenen liefern können als die CO2-intensiven klassischen Routen über den Steamcracker. Sind diese Katalysatoren auch im Hinblick auf den Irdischen gebraucht von großem Interesse. Dazu sollte in dieser Arbeit untersucht werden, welche niedermolekularen Produktfraktionen im Rahmen eines Katalysator Screenings erhalten werden können. Dabei war es die Zielsetzung, die Metallkombinationen zu iterieren und einen groben Überblick über die Produktverteilung anhand der häufigsten Produkte sowie der C4- und C4+-Fraktion zu geben. Zu diesem Zweck wurden Cu2YZ, Ni2YZ, Fe2YZ und Co2FeZ bzw. Fe2CoZ mittels thermischem metallischem Sintern erzeugt und charakterisiert. Unter Zuhilfenahme verschiedener physikalischer und chemischer Methoden wie der pulsed laser ablation (PLAL) und der Zerkleinerung mittels Kugelmühle wurden Katalysatoren erzeugt, welche im Anschluss auf Aluminiumoxids sowie des Siliziumdioxid-Trägermaterials aufgebracht wurden. Die so erhaltenen Material wurde in pelletierter Form in einer Hochdruckströmungsapparatur auf die katalytischen Fähigkeiten der jeweiligen Metallkombination in der CO2-Hydrierung untersucht.

Metal-directed self-assembly with metals such as Pd(II) and Pt(II), that prefer a square planar coordination geometry, has been showing remarkable potential to construct supramolecular architectures such as helices, tubes, locks and cages. Some of these complexes have also been shown to assemble by means of metal-metal interactions and, more remarkably, the luminescent properties of certain complexes can also be used for sensing. For instance, Pt(II) and Pd(II) complexes display strong phosphorescence which is strongly reduced in the presence of oxygen. The work developed for this thesis is divided into three main chapters dealing with the different properties of Pd(II) and Pt(II) metal complexes. Chapter I was mainly developed at Technische Universität Kaiserslautern with a short partnership with the Kekulé-Institut für Organische Chemie und Biochemie at the Universität Bonn and addressed the construction of coordination macrocycles and cages from suitable Pd(II) sources and cyclopeptide-derived ligands. Cyclopeptide derived hollow coordination compounds were obtained through Pd(II)-directed self-assembly. Specifically, the treatment of the pyridine containing cyclopeptides CP1 and CP2 with [Pd(en)(NO3)2] afforded the metallamacrocycle CP12Pd2 and the cage CP22Pd3. These products were characterized by means of NMR spectroscopy and mass spectrometry. The reaction between CP1 and [Pd(CH3CN)4](BF4)2] afforded, according to ESI-MS and NMR measurements, a complex with the composition CP16Pd3 and the smaller cage CP14Pd2. Binding studies indicated that CP12Pd2 incorporated different dicarboxylates, sodium 1,3- benzenedisulfonate (BDS), and sodium 2,6-naphthalenedisulfonate (NDS) into its cavity. In the case of BDS a 1:1 complex was formed that had a log Ka of 4.8 ± 0.2 in D2O/CD3OD, 1:1 (v/v). In the case of NDS, binding was slow on the NMR time-scale and involved the binding of two guest molecules as confirmed by a crystal structure of the complex. Based on these first examples of Pd(II)-containing cyclopeptide-derived coordination compounds, future work should focus on the design of molecular architectures that can, for example, be used as receptors for biorelevant guests. In Chapter II, the aggregation abilities and photophysical properties of Pt(II) complexes bearing tridentate-azolate-based ligands and cyclopeptides with peripheral pyridyl moieties were investigated. This project was the result of a short-term secondment developed at the Institut de Science et d'Ingénierie Supramoléculaires in Strasbourg. Efforts were made at creating luminescent cyclopeptide-derived Pt(II) complexes by coordinating CP1 or CP2 to suitable Pt(II)-containing precursors. The coordination of both peptides to a known Pt(II) complex afforded insoluble products that could not be characterized further. To circumvent these solubility issues, the synthesis of the analogous cyclopeptide complexes containing more polar ligands was attempted. Although mass spectrometry provided evidence for the formation of the target complexes PtDeg-CP1 and PtDeg-CP2 in the crude reaction mixtures, the products could not be isolated in pure form. The impure samples of PtDeg-CP1 and PtDegCP2 both exhibited orange emission. Further work is necessary to improve the preparation of such complexes. Only then can the characterization of their photophysical properties and self-assembling behavior be addressed. Chapter III was the result of a project executed at Micronit Micro Technologies B.V. in Enschede, in which a microfluidic device with oxygen sensing abilities was produced from nanoparticles containing Pt(II)-porphyrins. To this end, microfluidic devices containing the Pt(II) complex PtTPTBPF incorporated in different polymeric matrices were prepared and their oxygen sensing abilities characterized. It was shown that chips containing the Pt(II) complex incorporated into OXNANO nanoparticles were highly sensitive to oxygen, easy to fabricate, and allowed reliable oxygen quantification. Chips made by using other polymeric matrices such as PDMS, Elastosil®E43 or polystyrene were less suitable for the measurements. The OXNANO-containing chips furthermore allowed measuring the oxygen consumption of HUVEC cells in a biological assay even in repeated measurements. Future studies should now involve using these chips for monitoring in real time small scale biological processes.