Universitätsbibliothek

In dieser Arbeit konnten ethanolische Sole aus TEOT und der metabolisierbaren α-Hydroxycarbonsäure Milchsäure (LA) in spinnfähige viskose Spinnmassen überführt werden und erstmalig über die Methode des Druckspinnens zu Mikrofasern prozessiert werden. Die hybriden Fasern sind intrinsisch stabil. Über FTIR- und 13C-MAS-NMR-Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass in der Faser der Koordinationsmodus von LA an Ti sowohl im mono- als auch im bidentaten Modus (Nomenklatur bezogen auf die Säureeinheit) vorliegt. Die nähere Untersuchung des Degradationsverhaltens einer LA-Faser zeigte hauptsächlich die Freisetzung von Lactat und Ethanol innerhalb weniger Stunden. Danach kann kaum noch ein Massenverlust der Fasern nachgewiesen werden. Vermutlich ist die Degradationsgeschwindigkeit abhängig von der Sättigungskonzentration der wasserlöslichen Titanoxid-Spezies Ti(OH)4 und Ti(O)(OH)2. Die Löslichkeit dieser Verbindungen beträgt ca. 1 µmol/L. Die Freisetzung von Titanverbindungen an das Degradationsmedium konnte über ICP-Messungen und indirekt auch über NMR-Messungen der Degradationsprodukte in Lösung nachgewiesen werden. Nach ca. einer Woche in Lösung bildet sich der wasserlösliche metallorganische Komplex TiBALDH. Dieser Komplex zeigt keinen negativen Einfluss auf die Umwelt, so dass Zellkulturmedien, die in Kontakt mit den Fasermaterialien getreten sind, in Zukunft nach dem Autoklavieren gefahrlos entsorgt werden können. Zudem sollte keines der detektierten Abbauprodukte in den abgegebenen Mengen toxisch auf den humanen Organismus bei in vivo-Anwendungen wirken. Lactat und Ethanol können im menschlichen Organismus verstoffwechselt werden. TIBALDH ist dem im menschlichen Serum nachweisbaren Titan(IV)citrat-Komplex strukturell sehr ähnlich. Aufgrund der Tatsache, dass die Bildung von TiBALDH ca. 1 Woche dauert, ist die vorherige Bildung des Titan(IV)citrat-Komplexes im humanen Organismus wahrscheinlich. Weiterhin konnte das hybride Fasermaterial durch den Zusatz von basischen Stoffen neutralisiert werden und nach Vorkonditionierung der Fasern als nicht zytotoxisch eingestuft werden. Als Gegenionen wurde Ammonium, das biogene Amin Phenethylamin, die Aminosäure Phenylalanin und das Biopolymer CHI getestet. Für zukünftige Weiterentwicklungen können auch basische Wirkstoffe als Gegenionen herangezogen werden. Somit könnte das hybride Zellträgermaterial zusätzlich eine Drug-Delivery-Funktion erhalten. Die LA-Fasern verhalten sich nach dem Verspinnen sehr flexibel. Bei einer Lagerung bei RT jedoch verspröden diese sehr schnell innerhalb von 3 d. Diese Materialeigenschaft wurde im zweiten Teil der Arbeit näher untersucht und optimiert. Tempern des Fasermaterials bei 170 °C bewirkte eine Umlagerung der LA-Liganden zu AA-Liganden, aber keine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Versuche einer getemperten LA-Faser mit CHI als Gegenion zeigte durchwegs positive Eigenschaften in den Zytotoxizitätstests und auf deren Oberfläche konnten Zellen der Zelllinien L929, 16HBE, HTB94 und MG63 erfolgreich kultiviert werden. Durch die Verwendung anderer metabolisierbarer α Hydroxycarbonsäuren konnten Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung der Fasern gezogen werden. Die Fasern scheinen aus wenig untereinander vernetzen Titan-oxo-carboxo-Clustern der Summenformel [Ti6O6(OR)6(Carboxylat)6] (mit R = H2+, H, Et oder „Ti6O6(OR)5(Carboxylat)6“) zu bestehen. Durch Variation der verwendeten Säuren konnten die Wechselwirkungen der Cluster untereinander verstärkt werden, so dass beispielsweise eine Faser mit MA bedeutend flexiblere Eigenschaften – auch bei einer Lagerung für 3d bei RT aufweist. Des Weiteren konnte durch Lagerung dieser Faser bei 4 °C der Versprödungsprozess für mind. 1 Monat gestoppt werden. Eine Lagerung von Medizinprodukten bei 4 °C stellt in Ländern mit ausreichender Infrastruktur kein Problem dar. Aufbauend auf diesen Tatsachen und TGA-MS-Messungen konnte die These aufgestellt werden, dass sich zwischen den wenig untereinander vernetzten Titan-oxo-carboxo-Cluster direkt nach dem Verspinnen noch Wassermoleküle befinden. Diese Reste an Wasser verleihen – vermutlich aufgrund der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen – der Faser flexible Eigenschaften. Bei einer Lagerung bei RT entweichen diese Wasserreste und die Faser versprödet; bei einer Lagerung bei 4°C wird das Verdampfen des restlichen Wassers bedeutend verlangsamt. Die Faser mit den flexibelsten Eigenschaften konnte letztendlich durch die Verwendung des zweizähnigen Carboxylat-Liganden MalA erhalten werden. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit ein neuartiges faserförmiges Material auf Basis von Titan-oxo-carboxo-Clustern produziert werden, welches großes Potential besitzt als Zellträgermaterial Anwendung zu finden. Aufbauend auf den hier gewonnenen Ergebnissen können die mechanischen Eigenschaften weiter optimiert und die Anforderungen des gewünschten Zielgewebes feinjustiert werden. Zudem besteht die Möglichkeit dem Material Drug-Delivery-Eigenschaften zu verleihen. Somit könnte das Scaffold aus Mikrofasern neben den bereits integrierten chemischen und physikalischen Stimuli (die Oberflächenfunktionalitäten und die Oberflächentopographie der Fasern) auch durch freigesetzte Wirkstoffe Zellen zur gewünschten Differenzierung anregen.

GPCRs, particularly muscarinic receptors (mAChRs), are significant therapeutic targets in many physiological conditions. The significance of dualsteric hybrids selectively targeting mAChR subtypes is their great advantage in avoiding undesired side effects. This is attained by exploitation of the high affinity of ligand-binding to the orthosteric site and the structural diversity of the allosteric site to target an individual mAChR subtype, as well as offering signal bias to avoiding undesired transduction pathways. Furthermore, dualsteric targeting of mAChR subtypes helps in the elucidation of the physiological role of each individual mAChR subtype. The first project was the attempt of synthesis of the M2-preferring ligand AFDX-384. AFDX-384 is known to preferentially bind to the M2 receptor subtype as an orthosteric antagonist, with partial interaction with residues in the allosteric site. This project aimed to re-trace the synthesis route of AFDX-384, to open the door to its upscaling and the future synthesis of AFDX-type dualsteric ligands. The multi-step synthesis of AFDX-384 is achieved through the synthesis of its 2 precursors, the chloro acyl derivative VIII and the piperidinyl derivative IV. Upscaled synthesis of the piperidinyl derivative IV was attained. Synthesis of the chloro acyl compound VIII was attempted. Several trials to synthesize the benzopyridodiazepine nucleus as well as its chloro-acylation resulted in the production of the novel crystal structures V and VI. X-ray crystallography was also done for crystallized molecules of the closed-ring benzopyridodiazepine VII that was previously synthesized. Chloro-acylation reactions of compound VII using phosgene seem to be attainable when done using reflux overnight. However, the use of methanol to aid in elution during silica gel column chromatography converted the expected product to the carbamate analogue IX. Hence, further attempts in purification should refrain from the use of methanol. The use of triphosgene instead of phosgene demonstrates a cleaner route for further upscaled synthesis. The second project was the synthesis of dualsteric ligands involving variable orthosteric and allosteric moieties. Four different types of hybrids have been created over multiple steps. Dualsteric ligands have been synthesized using either a phthalimido- or 1,8-naphthalimidopropylamino moiety as the allosteric-binding group, coupled to either N-desmethyl pirenzepine or N-desmethyl clozapine using variable chain lengths. Furthermore, the synthesis of the dualsteric ligands involving N-desmethyl clozapine linked to either the super-agonist iperoxo or acetylcholine, and being connected using variable alkane chain lengths. Several reaction conditions have been investigated throughout the analysis of the optimal condition to conduct the critical final step of synthesis of these dualsteric hybrids, which involves the linking of the two segments of the hybrid together. The optimal method, which produced the least side products and highest yield, was to connect the two intermediates of the compound in absence of base, catalyst or microwaves while stirring at 35 °C for several days using acetonitrile as solvent (silica gel TLC monitoring, 0.2 M aqueous KNO3/MeOH 2:3). The ideal purification methods for the final compounds were found to be either crystallization from the reaction medium or using C18 reverse phase silica gel flash chromatography (using H2O/MeOH solvent system). All the hybrids will be subjected to pharmacological testing using the appropriate FRET assays.

Schwingungsspektroskopie ist eine vielseitige spektroskopische Methode, mit der Molekülstrukturen und inter-/intramolekulare Wechselwirkungen untersucht werden können. Sie ist deshalb ein hervorragendes Mittel für die Identifikation von Molekülen. Die vorliegende Arbeit umfasst drei Projekte, in denen Schwingungsspektroskopie angewandt wurde, um reaktive Moleküle und ihre Hochtemperatur-Reaktionsprodukte zu untersuchen: 1. Die Aufklärung der Entstehungsmechanismen von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs) in Verbrennungsprozessen ist eines der Hauptanliegen der Verbrennungschemie. In der vorliegenden Arbeit wurde IR/UV-Ion-Dip-Spektroskopie in Verbindung mit DFT-Frequenzrechnungen und FTIR-Messungen angewandt, um Produkte von Radikal-Radikal-Reaktionen in einem Mikroreaktor bei hohen Temperaturen zu identifizieren. Als IR-Laserquelle für die IR/UV-Ion-Dip-Experimente diente der Freie-Elektronen-Laser FELIX (Free-Electron Laser for Infrared eXperiments) in Nijmegen (Niederlande). In einem Teilprojekt wurde der A 1A´ (S1) <- X 1A´ (S0) Übergang in 1-(Phenylethinyl)naphthalin (1-PEN), einem mutmaßlich verbrennungsrelevanten Molekül, mit [1+1]-REMPI-Spektroskopie untersucht. 2. Die Identifikation von gasförmigen Reaktionsprodukten bei der thermischen Analyse (EGA: Emissionsgasanalyse) kann als komplementäre Methode zur DTA/TG zusätzliche Informationen für die Aufklärung von Reaktionsmechanismen liefern. Der Aufbau eines elementaren EGA/FTIR-Experiments, basierend auf einer heizbaren IR-Gaszelle, ermöglichte in der vorliegenden Arbeit die Durchführung dynamischer IR-Messungen, mit denen thermische Umsetzungen von Übergangsmetall-Precursorkomplexen zu Koordinationspolymeren untersucht wurden. 3. Die Synthese des ersten bei Raumtemperatur stabilen Diborins, einer Verbindung mit einer Bor-Bor-Dreifachbindung, stellte einen Meilenstein in der elementorganischen Chemie dar. Dies implizierte eine umfassende Untersuchung der Eigenschaften der BB-Bindung und hatte die Synthese einer Reihe ähnlicher Bor-Bor-Mehrfachbindungssysteme mit variierenden Bindungseigenschaften zur Folge. In der vorliegenden Arbeit wurde Raman-Spektroskopie in Verbindung mit DFT-Frequenzrechnungen angewandt, um für diese Bor-Bor-Systeme die strukturellen/elektronischen Eigenschaften der zentralen CBBC-Einheit zu untersuchen.

Cysteine proteases play a crucial role in medical chemistry concerning various fields reaching from more common ailments like cancer and hepatitis to less noted tropical diseases, namely the so-called African Sleeping Sickness (Human Arfican Trypanosomiasis). Detailed knowledge about the catalytic function of these systems is highly desirable for drug research in the respective areas. In this work, the inhibition mechanisms of the two cysteine proteases cathepsin B and rhodesain with respectively one low-molecular inhibitor class were investigated in detail, using computational methods. In order to sufficiently describe macromolecular systems, molecular mechanics based methods (MM) and quantum mechanical based method (QM), as well as hybrid methods (QM/MM) combining those two approaches, were applied. For Cathespin B, carbamate-based molecules were investigated as potential inhibitors for the cysteine protease. The results indicate, that water-bridged proton-transfer reactions play a crucial role for the inhibition. The energetically most favoured pathway (according to the calculations) includes an elimination reaction following an E1cB mechanism with a subsequent carbamylation of the active site amino acid cysteine. Nitroalkene derivatives were investigated as inhibitors for rhodesain. The investigation of structurally similar inhibitors showed, that even small steric differences can crucially influence the inhibition potential of the components. Furthermore, the impact of a fluorination of the nitroalkene inhibitors on the inhibition mechanism was investigated. According to experimental data measured from the working group of professor Schirmeister in Mainz, fluorinated nitroalkenes show – in contrast to the unfluorinated compounds – a time dependent inhibition efficiency. The calculations of the systems indicate, that the fluorination impacts the non-covalent interactions of the inhibitors with the enzymatic environment of the enzyme which results in a different inhibition behaviour.

Two chiral chemical molecules being mirror images of each other, also referred to as enantiomers, may have different pharmacokinetic, pharmacodynamic, and toxicological effects. Thus, pharmaceutical manufacturers and authorities are increasingly interested in the approval of enantiopure drugs. However, the isomeric purity and the limits for isomeric impurities have to be specified applying enantioselective analytical methods, such as capillary electrophoresis. The separation of enantiomers in capillary electrophoresis may be improved by the addition of ionic liquids to the background electrolyte. The aim of this work was to investigate the influence of different separation conditions on the enantioseparation of phenethylamines in background electrolytes containing ionic liquids based on tetrabutylammonium cations. Best chiral separations were achieved at acidic pH values using phosphate buffers containing 125 mmol/L tetrabutylammonium based salts. Different reasons explaining enhanced enantioseparations in buffers containing ionic liquids were found. First, due to an improvement of the cyclodextrin solubility, the addition of ionic liquids to the background electrolyte enables the use of higher concentrations of these chiral selector. Furthermore, the adsorption of tetrabutylammonium cations to the negatively charged capillary surface results in a reduction of the electroosmotic flow. Hence, the resulting prolongation of migration times leads to a longer period of time for the separation of temporarily formed diastereomeric analyte cyclodextrin complexes, which yields improved enantioseparation. Additionally, due to a decrease of the adsorption of positively charged phenethylamine analyte molecules to capillary surface silanol groups, the adsorption of ionic liquid cations inhibits peak broadening. A further reason explaining an enhanced enantioseparation by the addition of ionic liquids to the background electrolyte is a competition between tetrabutylammonium cations and analyte enantiomers for the inclusion into cyclodextrin cavities. Furthermore, the influence of different chiral counterions, combined with tetrabutylammonium cations, on the enantioseparation of phenethylamines was investigated. Solely anions based on the basic proteinogenic amino acids L lysine and L arginine yielded chiral separation results superior to those achieved using achiral tetrabutylammonium chloride as background electrolyte additive. Especially the application of tetrabutylammonium L argininate gave very good enantioseparations of all investigated ephedrine derivatives, which might be explained by the ability of L arginine to affect the formation of complexes between analytes and cyclodextrins. Besides the investigation of the influence of ionic liquids on the enantioseparation, complexes between phenethylamine enantiomers and β cyclodextrin derivatives were characterized by affinity capillary electrophoresis. The binding constants between analyte enantiomers and cyclodextrins and the electrophoretic mobilities of the temporarily formed complexes were determined and compared to the observed chiral resolution values. While neither the calculated binding constants nor their differences correlated with the quality of the enantioseparation, a strong correlation between the differences of the electrophoretic mobilities of the complexes and the chiral resolution values was found.