Le fluor est devenu un élément incontournable en chimie médicinale. Les propriétés physico-chimiques induites par l'incorporation de cet atome dans les composés organiques en font un outil efficace dans la conception de mimes de fonctions chimiques. Les difficultés pour accéder aux composés azotés fluorés permettent d'envisager l'utilisation des milieux superacides et acides fluorants comme alternative de synthèse.Dans la première partie, la réactivité de N-allyl-N-arylbenzènesulfonamides en milieu superacide HF / SbF5 a été étudiée. La non observation de la cyclisation de type Friedel-Craft intramoléculaire initialement envisagée pour ces composés a été expliquée grâce à une étude mécanistique utilisant la RMN basse température in situ. En modifiant les conditions opératoires, la synthèse de N-arylbenzènesulfonamides α-fluorés a pu être développée. Les structures obtenues ont été testées pour l'inhibition des anhydrases carboniques.Dans la seconde partie, une nouvelle réaction d'hydrofluoration d'ynamides dans le milieu HF / pyridine a été développée. Cette stratégie a permis d'obtenir régio- et stéréosélectivement des (E)-α-fluoroènamides originaux. Par analogie avec les fluoroalcènes décrits en tant que mimes d'amides, les α-fluoroènamides sont potentiellement des isostères de la fonction urée. Le biomimétisme de ces structures est discuté grâce aux résultats d'études structurales réalisées par modélisation moléculaire. La réactivité surprenante de structures ortho-substituées en milieu superacide a permis le développement d'une réaction de polycyclisation intramoléculaire d'ynamides, cette nouvelle méthode permettant d'accéder en une étape à des polycycles azotés à haute valeur ajoutée. / During the last decades, fluorine became an essential element in medicinal chemistry. The original physical and chemical properties induced by the incorporation of this atom in organic compounds led to the development of fluorinated compounds as bioisosters in medicinal chemistry. Difficulties to access to fluorinated nitrogen containing compounds by "classical methods" led to the use of superacid as an alternative for their synthesis.In the first part of this work, the reactivity of unsaturated N-arylbenzenesulfonamides in superacidic media HF / SbF5 was studied. Intramolecular cyclisation of Friedel-Craft type expected for these compounds was studied and explored through a mechanistic study based on in situ low temperature NMR experiments. By modifying the operating conditions, the synthesis of α-fluorinated N-arylbenzenesulfonamide compounds was developed. The synthetized structures were then tested for carbonic anhydrase inhibition.In a second part, a new hydrofluorination reaction of ynamides was developed, using fluorhydric acid / pyridine media. This strategy allowed to access regio- and stereoselectively to original (E)-α-fluoroenamides. By analogy with the described fluoroalkenes as peptid bond isosters, α-fluoroenamides could potentially be considered as urea bioisosters. The bioisosterism of these structures was discussed and evaluated by using molecular modelling. The surprising reactivity of ortho-substitued structures in superacid media allowed the development of an intramolecular polycyclisation reaction, offering a one step route to complex nitrogen containing molecular polycyclic motif.

The research work reported in this thesis is focused on the chiral analysis, quantification of enantiomeric composition, assignment of absolute configuration of molecules with chosen functional groups. The weak intra-molecular hydrogen bonding interactions are detected by exploiting several multinuclear and multi-dimensional techniques. Pulse sequences have been designed to manipulate the spin dynamics to derive specific information from the complex NMR spectra encountered in diverse situations. Broadly, the thesis can be classified in to three sections. The section I containing two chapters reports the introduction of new chiral auxiliaries and protocols developed for enantiomeric discrimination, measurement of enantiomeric contents, assignment of absolute configuration for molecules possessing specific functional groups using chiral solvating and derivatizing agents. The section II, reports NMR experimental evidence for the observation of the rare type of intramolecular hydrogen bonds involving organic fluorine in biologically important organic molecules, that are corroborated by extensive DFT based theoretical calculations. The section II also discusses the H/D exchange mechanism as a tool for quantification of HB strengths in organic building blocks. The section III reports the two different novel NMR methodologies designed for deriving information on the scalar interaction strengths in an orchestrated manner. The designed sequences are able to completely eradicate the axial peaks, prevents the evolution of unwanted couplings and also yields ultrahigh resolution in the direct dimension, permitting the accurate measurement of scalar couplings for a particular spin. The brief summary about each chapter is given below. Chapter 1 provides a general introduction to one and two dimensional NMR spectroscopy. The pedagogical approach has been followed to discuss the conceptual understanding of spin physics and the NMR spectral parameters. The basic introduction to chirality, existing approaches in the literature for discrimination of enantiomers and the assignment of absolute configuration of molecules with chosen functional groups and their limitations are briefly discussed. The brief introduction to hydrogen bond, experimental methods to obtain the qualitative information about the strengths of hydrogen bonds, and the theoretical approaches employed in the thesis to corroborate the NMR experimental findings have been provided. The mechanism of H/D exchange, the utilization of exchange rates to derive strengths of intra-molecular hydrogen bond in small molecules have also been discussed. This chapter builds the bridge for the rest of the chapters. Each of these topics are discussed at length in the corresponding chapters. Part I: NMR Chiral Analysis: Novel Protocols Chapter 2 discusses a simple mix and shake method for testing the enantiopurity of primary, secondary and tertiary chiral amines and their derivatives, amino alcohols. The protocol involves the in-situ formation of chiral ammonium borate salt from a mixture of C2 symmetric chiral BINOL, trialkoxyborane and chiral amines. The proposed concept has been convincingly demonstrated for the visualization of enantiomers of a large number of chiral and pro-chiral amines and amino alcohols. The protocol also permits the precise measurement of enantiomeric composition. The significant advantage of the protocol is that it can be performed directly in the NMR tube, without any physical purification. The structure of the borate complex responsible for the enantiodifferentiation of amines has also been established by employing multinuclear NMR techniques and DFT calculations. From DOSY and 11B NMR experiments it has been ascertained that there are only two possible complexes or entities which are responsible for differentiating enantiomers. From the combined utility of DFT calculations and the 11B NMR chemical shifts, the structure of the borate complex has been determined to be an amine-coordinated complex with the N atom of the amine. Chapter 3 discusses a simple chiral derivatizing protocol involving the coupling of 2-formylphenylboronic acid and an optically pure [1,1-binaphthalene]-2,2-diamine for the rapid and accurate determination of the enantiopurity of hydroxy acids and their derivatives, possessing one or two optically active centers. It is established that this protocol is not only rapid method for discrimination of enantiomers but also highly effective for assigning the absolute configuration of various chiral hydroxy acids and their derivatives. The developed protocol involves the coupling of 2-formylphenylboronic acid with (R)-[1,1-binaphthalene]-2,2-diamine, and 2-formylphenylboronic acid with (S)-[1,1-binaphthalene]-2,2-diamine as chiral derivatizing agents. The absence of aliphatic peaks from the derivatizing agent, large chemical shift separation between the discriminated peaks of diastereomers, and the systematic change in the direction of displacement of peaks for an enantiomer in a particular diastereomeric complex, permitted the unambiguous assignment of absolute configuration. Part II : Rare Type of Intramolecular Hydrogen Bonding In chapter 4 The rare occurrence of intramolecular hydrogen bonds of the type N–H˖˖˖F–C, in the derivatives of imides and hydrazides in a low polarity solvent, is convincingly established by employing multi-dimensional and multinuclear solution state NMR experiments. The observation of 1hJFH, 2hJFN, and 2hJFF of significant strengths, where the spin polarization is transmitted through space among the interacting NMR active nuclei, provided strong and conclusive evidence for the existence of intra-molecular hydrogen bonds. Solvent induced perturbations and the variable temperature NMR experiments unambiguously supported the presence of intramolecular hydrogen bond. The two dimensional HOESY and 15N–1H HSQC experiments reveals the existence of multiple conformers in some of the investigated molecules. The 1H DOSY experimental results discarded any possibility of self or cross-dimerization of the molecules. The results of DFT based calculations, viz., Quantum Theory of Atoms In Molecules (QTAIM) and Non Covalent Interaction (NCI), are in close agreement with the NMR experimental findings. In chapter 5 the rates of hydrogen/deuterium (H/D) exchange determined by 1H NMR spectra have been utilized to derive the strength of hydrogen bonds and to monitor the electronic effects in the site-specific halogen substituted benzamides and anilines. The theoretical fitting of the time dependent variation in the integral areas of 1H NMR resonances to the first order decay function permitted the determination of H/D exchange rate constants (k) and their precise half-lives (t1/2) with high degree of reproducibility. The comparative study also permitted the determination of relative strengths of hydrogen bonds and the contribution from electronic effects on the H/D exchange rates. Part III: Novel NMR Methodologies for the Precise Measurement of 1H-1H Couplings Chapter 6 describes two novel NMR methodologies developed for the precise measurement of 1H-1H couplings. Poor chemical shift dispersion and the pairwise interaction among the entire coupled network of protons results in the severely complex and overcrowded one dimensional 1H NMR spectra, hampering both the resonance assignments and the accurate determination of nJHH. The available two-dimensional selective refocusing (SERF) based experiments suffer from the evolution of magnetization from uncoupled protons as intense uninformative axial peaks. This creates ambiguity in the identification of peaks belonging to the coupled partners of a selectively excited proton, hindering the extraction of their interaction strengths. This challenge has been circumvented by designing two novel experimental technique, cited as “Clean-G-SERF” and “PS-Clean-G-SERF”. The Clean-G-SERF technique completely eradicates the axial peaks and suppresses the evolution of unwanted couplings while retaining only the couplings to the selectively excited proton. The method permits the accurate determination of spin-spin couplings even from a complex proton NMR spectrum in an orchestrated manner. The PS-Clean-G-SERF technique has been designed for the complete elimination of axial peaks and undesired couplings, with a blend of ultra-high resolution achieved by real time broad band homonuclear decoupling has been discussed in this chapter. The spin dynamics involved in both these pulse sequences have been discussed. The diverse applications of both these novel experiments have been demonstrated.

L'objectif de ce travail est de synthétiser des nanomatériaux de TiO2 pour la dégradation des COV et pour l'élimination des bactéries en surface. Tout d'abord, basé sur une synthèse des matériaux de TiO2 avec la présence d’un liquide ionique BmimPF6 par une voie sol-gel modifiée, les rôles de deux éléments constitutifs de BmimPF6 (P et F) ont été étudiés en faisant remplacer BmimPF6 par des additives contenant P et F. Par rapport à la référence P25 et aux matériaux de TiO2 synthétisés sans additif, le TiO2 synthétisé en présence de P a déjà montré une meilleure cristallinité en phase anatase avant la calcination, et une surface spécifique élevée et une petite taille moyenne des cristaux étaient maintenus même après calcination. Ces propriétés étaient similaires aux échantillons TiO2 synthétisés en présence de BmimPF6; Tandis que les cristaux de TiO2 en présence de F ont montré une forme anisotrope pendant le murissement de la synthèse. Les évaluations de l'activité photocatalytique des photocatalyseurs ont ensuite été réalisées. Par rapport au TiO2 synthétisé sans additif et au TiO2 P25, les matériaux de TiO2 à faible teneur en P et F ("PANaF") ont présenté une activité plus élevée sous irradiation UVA à la dégradation d'un COV modèle, Méthyléthylcétone (MEK) en phase gazeuse. Le même matériau a également montré une activité anti-bactérienne en surface plus élevée sous UVA contre plusieurs souches de différentes espèces bactériennes dans liquide par rapport à celles de P25. Une corrélation entre la performance photocatalytique élevée et les propriétés des matériaux pour TiO2 "PANaF" a été finalement proposée. Les influences de la présence de PO43- en bulk ou en surface de TiO2, de la concentration d’O2 dissous dans le milieu et de la topologie de surface des photocatalyseurs sur l'activité photocatalytique éteint également sujets de discussion. Le produit "PANaF" présente un intérêt pour l'élaboration industrielle à cause des réactifs pas cher et son performance élevée. / The objective of this work consists in synthesizing TiO2 nanomaterials designed for the degradation of VOCs and for the elimination of bacteria on surface. Firstly, based on a synthesis of a BmimPF6-ionic liquid-derived TiO2 material through a modified sol-gel route, the roles of two constituent elements of BmimPF6 (P and F) have been investigated by replacing BmimPF6 with P- and F- contained additives. Comparing to the reference P25 and additive-free-derived TiO2 materials, P-derived TiO2 showed already well crystallized anatase phase before calcination and a high surface area along with a small mean crystal size even after calcinations. Those properties were similar to that synthesized with the presence of BmimPF6; while F-derived TiO2 crystals showed anisotropic shape during the aging step of the synthesis. Evaluation of the photocatalytic activity of the photocatalysts has been performed then. Compared to additive-free derived TiO2 and the TiO2 P25, P- and F- derived TiO2 materials with low P and F content (“PANaF”) showed higher activity under UVA in terms of gas-phase degradation of a model VOC, Methl Ethyl Ketone (MEK). The same material also showed higher surface anti-bacterial activity under UVA in liquid against several strains of different bacterial species over that of P25. A correlation between the high photocatalytic performances with the material properties for “PANaF” TiO2 materials was finally proposed. The influences of the presence of bulk or surface PO43-, dissolved O2 concentration and surface topology on photocatalytic activity were also discussed. The cheap replacement additives used and the resulted high activity of “PANaF” TiO2 nanomaterials presents interest for industrial elaboration.

Résumé en français indisponible. / Mechanisms of volatile transfer from subducting slab to the melting region beneath arc volcanoes are probably the least understood process of arc magma genesis. Fluorine, which suffers minimum degassing in arc primitive melt inclusions, retains the information about the role of volatiles during magma genesis at depth. Experimentally determined solubility of F in aqueous fluid, and partition coefficients of F between fluid and minerals provide first order geochemical constraints about the volatile-transporting agent.My thesis experimentally determined F solubility in fluid and its partition coefficients among several phases. The systems are in equilibrium with hornblende and a humite group mineral (some contain melt or pyroxene) at 1 – 2 GPa, from 770 to 1047 °C, or equilibrium with hydrogrossular, pyroxene and norbergite or chondrodite at 2.5 – 3 GPa and 877 °C. The experiments were conducted with piston cylinder and cold sealing technique. The oxygen fugacity conditions were controlled by NNO buffer, while some were unbuffered. The fluids were extracted into volumetric flasks, and their compositions were determined by mass balance calculations. Moreover, the consistency was verified by HPLC for fluorine ion, and ICP-MS or ICP-AES for major cations of the quenched fluids.In 1 GPa experiments, the quench phases are so rare that the majority of the fluid compositions from direct analyses are consistent with mass balance results in their uncertainties. Moreover, my mass balance procedure takes into account all the measurements errors, which leads to large uncertainties on fluid compositions. The consistency demonstrates that most of fluorine aflter annealing in the capsule is present as fluorine ion. Futhermore, increases of the masses of starting materials, fluid proportions and analytical precisions will improve the uncertainties performances. ������������ can be represented by a single value 0.135 ± 0.036, which is independent of temperature, bulk composition and buffer conditions at 1 GPa. Df between fluid and humite group minerals is much less. Xf of hornblende and norbergite decrease from 1 to 2 GPa, while F partitionig between them doesn't change much. It indicates that F partitioning between fluid and minerals increases. Moreover, F concentrations in norbergite between NNO buffered and unbuffered experiments are significantly different. Meanwhile, Fe concentration variations of norbergite indicate that unbeffered experiments have higher oxygen fugacity than the NNO buffered ones. According to high temperature improves the free radical exchange reactions, H2O + 0.5O2 ⇄ 2OH. It indicates that both water fugacity and oxygen fugacity contribute to OH fugacity in fluid. I developed a simple model in which XF in humite group minerals are correlated to the ratio between F and OH. It is sucessfully applied to estimate the F concentration in the fluid, which co-exists with clinohumite, using Xf value.With the knowledge of my study, a new constraint can be framed on slab flux. The average F concentration in the fluid is 2700 ppm for F-rich experiments and it constrains the maximum amount of F carried by fluid in the presence of amphibole. Using partition coefficient of F to estimate F abundance in subducting slab, one can conclude that the increase of F concentration in the subarc mantle by fluid, in equilibrium with hornblende, to be less tan 5 ppm. Significant F enrichments found in arc lavas cannot be derived from aqueous fluid of subductiong slab in the presence of amphibole. Therefore, this result highlights the role either 1) slab melt, 2) fluid in equilibrium with eclogite, or perhaps 3) supercritical fluid for the element transfer from slab to mantle wedge.

En France, des minéralisations stratiformes de fluorine spatialement liées à une discordance socle/couverture sont localisées à la base de la série sédimentaire mésozoïque du bassin de Paris autour du Morvan cristallin, avec des réserves estimées à environ 5.5 Mt de fluorine. Ce travail concerne principalement quatre gisements de fluorine développés au sein de grès/conglomérats à Antully, de calcaires à Courcelles-Frémoy et de dolomies à Pierre-Perthuis et Marigny-sur-Yonne. L’objectif est d’apporter des contraintes sur l’âge et l’origine de ces minéralisations à l’aide d’une approche pluri-disciplinaire combinant géochronologie, pétrographie, géochimie élémentaire et isotopique afin d’élaborer un modèle métallogénique. Une première étude géochronologique permet de déterminer l’âge de mise en place des minéralisations de la génération géodique de fluorine de Pierre-Perthuis à 130 ± 15 Ma. L’élaboration d’une paragenèse générale détaillée révèle deux séquences minérales de type « fluorine-barytine-quartz », précédées par un événement de dissolution/karstification affectant les phases carbonatées des roches encaissantes. Au cours de ces phases de dissolution, le fluide s’enrichit en calcium et joue un rôle majeur pour la minéralisation en fluorine. Une étude microthermométrique des inclusions fluides piégées dans les cristaux géodiques de fluorine montre la présence de fluides particulièrement riches en CaCl₂ avec des températures entre 80-100°C, et des températures ponctuellement plus élevées. L’ensemble de ces données a été confronté à l’histoire thermique du sud-est du bassin de Paris et permet d’évoquer une remontée de fluides hydrothermaux au Crétacé inférieur jusqu’à la discontinuité entre le socle et la base du bassin sédimentaire. L’origine météorique de l’eau a été identifiée par les isotopes stables de l’oxygène sur les générations de quartz. L’implication d’une source granitique a été démontrée par les rapports isotopiques ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb très radiogéniques dans la galène et l’étude des minéraux constituants du socle granitique, avec l’implication de la biotite en tant que source potentielle du fluor. Au cours du Crétacé inférieur, le soulèvement des bordures du bassin de Paris génère un gradient hydraulique susceptible de provoquer la mise en charge de fluides météoriques dans les massifs cristallins, percolant à travers le socle en profondeur (2 à 5 km). La dissolution des carbonates par les fluides ascendants hydrothermaux contenant du fluor va permettre la formation de la fluorine au cours de l’enrichissement du fluide en calcium dans le bassin au niveau de la discontinuité socle/couverture. / In France, unconformity-related stratabound fluorite deposits occurred at the base of Mesozoic sedimentary units from the Paris Basin around the Morvan Massif, and reserves are estimated to about 5.5 Mt. This work mainly concerns four fluorite deposits in sandstones at Antully, in limestones at Courcelles-Frémoy and in dolomite at Pierre-Perthuis and Marigny-sur-Yonne. The aim of this study is to constrain the age and origin of mineralizations inferred from a multi-disciplinary approach including geochronoly, petrography, elementary and isotopic geochemistry in order to produce a metallogenic model. Firstly, the geochronological study allows to determine the age of the geodic fluorite stage at Pierre-Perthuis at 130 ± 15 Ma. The detailed paragenetic sequence displays two major mineral successions of “fluorite-barite-quartz”, occurring after two dissolution or karstification events that affect the carbonate phases in host-rocks. During the dissolution event, the fluid is enriched in calcium and plays a key role for the fluorite mineralization. The microthermometric study of fluid inclusions in geodic fluorite crystals shows CaCl₂-rich fluids with temperature around 80-100°C, with sporadic higher temperatures. All these data has been confronted to the thermal history of southeastern part of Paris Basin and allows to evoke deep ascendant hydrothermal brine circulation during the Early Cretaceous at the basement/basin unconformity. The meteoritic origin of fluid is determined by the oxygen isotopic compositions in the quartz stages. The implication of basement source has been demonstrated by the radiogenic lead isotopic compositions added to the study of major minerals in basement with the involvement of biotite as a potential source of fluor. During the Early Cretaceous, it is proposed that flows of meteoric waters percolated downwards to depths of 2-5 km, driven by a hydraulic gradient due to the flexural deformation of the Paris Basin. The carbonate dissolution by the fluor-bearing ascendant hydrothermal fluids will allows the deposition of fluorite mineralization during the Ca enrichment of fluids in the basin at the basement/cover unconformity.

L’atome de fluor est omniprésent dans plusieurs domaines grâce à sa capacité à moduler les propriétés biologiques et physicochimiques d’une molécule. De ce fait, la demande en molécules originales ne cesse de croître. Dans ce contexte, la synthèse de nouveaux réactifs fluorés et le développement de nouvelles méthodologies de synthèse pour introduire ces motifs fluorés suscite un fort intérêt. La première partie de cette thèse a été consacrée à l’élaboration d’un réactif inédit, source de CHFMe, et l’étude de sa réactivité. Cela a permis d’accéder à des composés substitués par un groupement OCHFMe, une classe de dérivés sous-explorée et pourtant prometteuse en chimie médicinale (Chapitre 2). Le chapitre 3 a été dédié au groupement CF₂PO(OEt)₂, un motif d’intérêt grâce à son bioisostérisme avec le groupement phosphate. L’étude d’une voie d’accès directe aux molécules aliphatiques comportant le groupement CF₂PO(OEt)₂ a été étudiée. Enfin, en collaboration avec l’UCL, l’étude de nouveaux groupements fluorés radiomarqués a été réalisée. En effet, le chapitre 4 a porté sur le développement d’une méthodologie permettant de synthétiser des molécules comportant un motif SCF₂¹⁸F, combinant ainsi les propriétés du motif émergent SCF₃ à celles du fluor 18. / The fluorine atom is ubiquitous in several fields thanks to its unique feature to modulate the biological and physical properties of a molecule. Thus, the demand for original fluorinated molecules is steadily increasing. In this context, a special attention has been paid to the synthesis of new fluorinated reagents as well as the development of new methodologies to introduce fluorinated motifs. The first part of this PhD thesis focused on the design of an unprecedented CHFMe-containing reagent and the study of its reactivity. A new access to OCHFMe-containing molecules was possible, an underexplored class of compounds despite their potential in medicinal chemistry (Chapter 2). The chapter 3 was dedicated to the CF₂PO(OEt)₂ moiety, which is of high importance due to its bioisosterism with the phosphonate group. A direct pathway toward the synthesis of aliphatic CF₂PO(OEt)₂-containing molecules was investigated. Finally, in collaboration with the Université Catholique de Louvain, the design of new radiolabeled fluorinated groups was studied. Indeed, the chapter 4 was devoted to the development of a methodology to access SCF₂¹⁸F-containing molecules, combining hence the properties of the emerging moiety SCF₃ with the ones of the ¹⁸F atom.

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Die Radiomarkierung biologisch relevanter Verbindungen mit dem Radionuklid 18F erlaubt Untersuchungen mit Hilfe der Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Mit Hilfe der PET werden quantitative Informationen über die räumliche und zeitliche Verteilung von Radiotracern im lebenden Organismus erhalten. Diese Radiotracer sind Grundlage für die in vivo-Erforschung der Physiologie des menschlichen Organismus, sowie zur Aufklärung und Nachverfolgung pathologischer Prozesse. Neben bekannten Ansätzen der Acylierung, Thioetherbildung und Hydrazonbildung ist es notwendig neue Markierungsmethoden zu entwickeln, um Probleme bei Markierungsreaktionen, wie niedrige Ausbeuten und Denaturierung empfindlicher biologisch relevanter Moleküle, zu umgehen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Evaluation der Click-Chemie, speziell der 1,3 dipolaren [3+2]Cycloaddition von Alkin- und Azid-Derivaten als neue, alternative Reaktion zur Markierung von biologisch relevanten Molekülen. Ziel der Arbeit war es einen 18F markierten, bifunktionellen Markierungsbaustein, versehen mit einer Alkinfunktion durch eine vollautomatisierte Synthese (Modulsynthese) herzustellen. Ein Peptid, ein Protein und ein Oligonukleotid als biologisch relevante Moleküle, sollten mit einer Azidfunktionalität versehen werden. Mit Hilfe eines geeigneten Katalysator-Ligandsystems sollten ein bifunktioneller Markierungsbaustein, sowie ein azidfunktionalisiertes biologisch relevantes Molekül miteinander gekuppelt werden unter Verwendung der 1,3-dipolaren [3+2]Cycloaddition. Die untersuchte Methode sollte mit anderen Markierungsmethoden verglichen werden. Es wurde eine Modulsynthese zur einfachen, schnellen und vollautomatisierten Herstellung eines alkinfunktionalisierten Synthesebausteins, 4-[18F]Fluor-N-methyl-N-(prop-2-inyl)benzolsulfonamid, p[18F]F SA, entwickelt. Dieser basiert auf einem Sulfonamid-Derivat und ist mit dem Positronenstrahler 18F gekuppelt. Ausgehend von einer Trimethylammonium-Markierungsvorstufe kann das p[18F]F SA mit einer radiochemischen Ausbeute von 27-40% und einer radiochemischen Reinheit >99% innerhalb von 80 min hergestellt werden. Die Reaktion läuft in Sulfolan bei 80°C innerhalb von 10 min ab. Das Produkt liegt aufgrund der HPLC-Reinigung mit einem hohen Reinheitsgrad (RCR >99%) vor und weist eine spezifische Aktivität von 120 570 GBq/µmol auf. p[18F]F SA eignet sich zur Markierung von biologisch relevanten Molekülen, da es unter den Markierungsbedingungen der Cycloaddition stabil ist und eine für das Arbeiten im wässrigen Milieu günstige Lipophilie (logP = 1,7) aufweist. Die verschiedenen Beispiele der drei Verbindungsklassen werden mit einer Azidfunktion versehen. Ein Phosphopeptid (H-MQSpTPL-OH), HSA und ein Aminohexylspacer tragendes Oligonukleotid (NH2 (CH2)6 pCCG CAC CGC ACA GCC GC) werden mit Succinimidyl-5-azidvalerat umgesetzt, wodurch eine Funktionalisierung an den Aminogruppen erfolgt. Während das Phosphopeptid und das Oligonukleotid einfach azidfunktionalisiert vorliegen, werden durch diese Methode 27 Azidreste an das HSA angebracht. Damit stehen Alkin- und Azid-Derivat für die Cycloaddition zur Verfügung. Das Phosphopeptid konnte mit einer Ausbeute von 29% innerhalb von 45 min hergestellt werden. Als Katalysator-Ligandsystem wird ein Gemisch aus Kupfersulfat und Natriumascorbat in Boratpuffer (pH = 8,4) eingesetzt. Man geht von 0,3-0,4 mg der peptidischen Markierungsvorstufe aus. Die Methode wurde mit der [18F]SFB-Markierung des Phosphopeptids verglichen. Man erhält ähnliche Ausbeuten und Reinheiten bei ähnlichen Reaktionsbedingungen. Ein wesentlicher Vorteil ist die Höhe der spezifischen Aktivität des eingesetzten p[18F]F SA, die bis zu zehnfach höher ist, als die des [18F]SFB. Das führt vermutlich zu einem ähnlichen Unterschied der spezifischen Aktivitäten der markierten Peptide, die jedoch nicht genau bestimmt wurden. Auch sind die Reaktionszeiten zur Peptidmarkierung bei Nutzung von p[18F]F SA um ein Drittel geringer. Das führt zur Verminderung der gesamten Synthesezeit. Die Markierung von azidfunktionalisiertem HSA (Beispielprotein) erfolgt mit einer radiochemischen Ausbeute von 57% innerhalb von ca. 45 min. Als Katalysator-Ligandsystem wird ein Komplex aus TBTA und Kupfer(I)-Ionen in Phosphatpuffer (pH = 7,4) / Dimethylsulfoxid verwendet. Die Masse der eingesetzten Markierungsvorstufe beträgt 0,3 mg. Ein Vergleich der Markierungsmethode erfolgte mit der Markierung mit den bifunktionellen Markierungsbausteinen [18F]SFB und [18F]FBA. Bei gleicher Proteinkonzentration ist der Umsatz von p[18F]F SA mit 94% am höchsten. Die Reaktion des hydrazinfunktionalisierten HSA mit [18F]FBA erfordert Temperaturen von 50-60°C, um einen Umsatz des Markierungsbausteins in ähnlicher Höhe wie bei Markierungen mit p[18F]F SA und [18F]SFB zu erreichen. Die Bedingungen für die Markierung mit [18F]SFB weicht dahingehend ab, dass ein pH Wert von 8,4 angewandt wird um eine Markierung zu erreichen. Grund ist die Notwendigkeit der Deprotonierung der im HSA vorhandenen, bei niedrigeren pH Werten protonierten Aminogruppen. Das limitiert die Reaktion auf einen Bereich um diesen pH-Wert. Die Untersuchung der Markierung von Oligonukleotiden ergab, dass ebenfalls ein Komplex aus TBTA und Kupfer(I)-Ionen notwendig ist. Als Lösungsmittel dient ein Gemisch aus 1 M Natriumhydrogencarbonat-Lösung, Acetonitril und Dimethylsulfoxid (14:5:1). Nach 20 min Reaktionszeit bei 10°C kann das Produkt mit einem Anteil von 30% im Reaktionsgemisch nachgewiesen werden. Damit ist nachgewiesen, dass auch die Markierung von Oligonukleotiden unter milden Bedingungen mit dieser Reaktion möglich ist. Zusammenfassend kann man feststellen, dass sich die Click-Reaktion hervorragend für die schonende Markierung der biologisch relevanten Moleküle Phosphopeptid, HSA und Oligonukleotid eignet. TBTA wirkt während der Reaktion als Chelatbildner für die Kupfer(I)-Ionen und verhindert somit eine Bindung an die zu markierenden Moleküle oder deren Zersetzung. Damit wird die Stabilität der biologisch relevanten Moleküle gewährleistet und bei in vivo-Anwendung, das Einbringen cytotoxischen Kupfers verhindert. Im Zuge der Untersuchungen wurde ein Vergleich der Markierungsreaktionen Acylierung, Thioetherbildung, sowie Hydrazon- und Oximbildung durchgeführt. Die bifunktionellen Markierungsbausteine [18F]SFB, [18F]FBAM und [18F]FBA wurden dafür herangezogen. Die 1,3-dipolare [3+2]Cycloaddition unterscheidet sich von den zum Vergleich herangezogenen Reaktionen. Sie vereint die positiven Eigenschaften der anderen Markierungsreaktionen in sich: • Die Reaktion läuft unter milden Reaktionsbedingungen ab. • Der verwendete Markierungsbaustein p[18F]F SA ist unter den Markierungsbedingungen stabil und lässt sich in einer Einschrittsynthese mit Hilfe eines vollautomatisierten Synthesemoduls einfach in hohen Ausbeuten und Reinheiten, sowie mit einer hohen spezifischen Aktivität herstellen. Damit erweitert die 1,3 dipolare [3+2]Cycloaddition das Spektrum der Markierungsreaktionen und bietet das Potential zur Markierung verschiedenster biologisch relevanter Moleküle.

Im Kontext komplexer zellulärer Prozesse stellen Phosphopeptide essentielle bioaktive Verbindungen dar, die mit Phosphorylierungs- und Dephosphorylierungsreaktionen eng verbunden sind. Diese Prozesse sind in die Regulation nahezu jeder zellulären Funktion involviert und spielen damit ebenso im Falle von Erkrankungen eine tragende Rolle. Synthetische Phosphopeptide könnten in Form molekularer Sonden zur Charakterisierung dieser physiologisch fundamentalen Prozesse beitragen. Die radiopharmazeutische Forschung brachte in den letzten zwei Jahrzehnten zahlreiche radiomarkierte Peptide für das Peptidrezeportargeting im Rahmen der Tumordiagnose und -therapie hervor. Unter diesen regulatorischen Peptiden mit vorwiegend neuroendokrinem Ursprung sind bisher keine radiomarkierten Phosphopeptide für die Anwendung in der molekularen Bildgebung bekannt. Das Anliegen dieser Arbeit ist es, grundlegende Erkenntnisse zur Synthese und Markierung von Phosphopeptiden zu erlangen. Neben der Etablierung der Radiomarkierung von Phosphopeptiden mit dem kurzlebigen Positronenstrahler Fluor-18 und deren radiopharmakologischen Charakterisierung steht auch die Fluoreszenzmarkierung mit dem Fluorophor 5(6)-Carboxyfluorescein (CF) im Fokus. Phosphopeptidliganden der kürzlich identifizierten Polo-Box-Domäne (PBD) als Phosphopeptid-bindende Proteindomäne der Zellzykluskinase Plk1, die ebenso ein interessantes onkologisches Target darstellt, wurden für diese Arbeit als Model ausgewählt. Es stand ein Repertoire verschiedenster Methoden zur Verfügung, welche molekulare Bildgebung mittels Kleintier-PET, wie auch optische Bildgebung und die Radiomarkierung mittels klassischer und Mikrofluidik-Technik beinhalten. Im ersten Abschnitt der Promotion wurden kürzlich vorgestellte Plk1-PBD-gerichtete Phosphopeptide mit einer Ser-pThr-Kernsequenz ausgewählt und deren Darstellung mit der Fmoc-gestützten orthogonalen Festphasenpeptidsynthese (SPPS) vollzogen. Dabei erfolgt die Umsetzung nach dem Prinzip des Synthon-basierten Ansatzes, der den Einsatz des monobenzylierten Phosphothreonin-Bausteines involviert. Das Uronium-basierte Kupplungs- und Aktivierungsreagenz HBTU/HOBt/DIPEA, sowie das Abspaltreagenz TFA/Wasser/Thioanisol/EDT als eine modifizierte Variante des Reagenz K garantiert die zuverlässige Synthese von Phosphopeptiden unter Erhalt der Phosphatfunktion. Zur Charakterisierung der Peptide wurden HPLC und Massenspektrometrie als geeignete Methoden herangezogen. An die erfolgreiche Darstellung von Phosphopeptiden schloss sich im Weiteren die Ausarbeitung einer zuverlässigen Radiomarkierungsstrategie mit dem kurzlebigen Positronenstrahler Fluor-18 an. Das bifunktionelle, aminogruppenselektive Agenz N-Succinimidyl-4-[18F]fluorbenzoat ([18F]SFB) ist für eine indirekte und milde Markierung von Peptiden geeignet. Durch Optimierung der N-terminalen 18F-Fluorbenzoylierung des Phosphopeptides MQSpTPL 2 hinsichtlich der Verwendung eines 0,05 M Na2HPO4-Puffers (pH 9) als Reaktionsmedium bei geringer Peptidmenge (0,5 mg), sowie 40°C Reaktionstemperatur und 30 min Reaktionszeit kann das 18F-markierte Phosphopeptid [18F]FBz-MQSpTPL [18F]4 in guten radiochemischen Ausbeuten von 25-28%, mit entsprechender radiochemischer Reinheit >95% mittels HPLC-Reinigung und guter spezifischer Aktivität (20-40 GBq/µmol) hergestellt werden. Der Einsatz von Peptiden ist für die molekulare Bildgebung besonders attraktiv, jedoch oftmals durch ihre Instabilität in vivo, ausgelöst durch ubiquitär vorhandene endogene Peptidasen, limitiert. Beispielsweise besitzt ein N-terminal 18F-fluorbenzoyliertes Neurotensin(8-13) eine biologische Halbwertszeit von weniger als 5 min in vivo. Mit dem neuartigen 18F-markierten Phosphopeptid [18F]FBz-MQSpTPL [18F]4 wurde ein Peptid geschaffen, das in vitro und besonders in vivo außerordentlich hohe Stabilität von > 50% nach 60 min aufweist und damit wegweisende Eigenschaften für die Entwicklung neuer stabiler Radiopeptide für die molekulare Bildgebung aufzeigt. Da Phosphopeptiden aufgrund ihrer negativgeladenen Phosphatfunktionalität ein intrazellulärer Zugang verwehrt bleibt, wie auch in dieser Arbeit an den Tumorzelllinien HT-29 und FaDu nachgewiesen wurde, steht die Realisierung einer verbesserten intrazellulären Internalisierung von Phosphopeptiden im Blickfeld des zweiten Teils der Promotion. Der Versuch einer gezielten Zellaufnahme über rezeptorinternalisierende Peptide wurde mit dem Neuropeptidhormon Neurotensin(8-13) (NT(8-13)), welches über einen G-Protein-gekoppelten Mechanismus in die Zelle gelangt, beschritten. Jedoch zeigte ein Triazol-verbrücktes Konjugat 8 aus NT(8-13) als molekularer Transporter und dem Phosphopeptid MQSpTPL 2, welches auf Basis der Azid-Alkin-Click-Chemie synthetisiert wurde, anhand seiner niedrigen Bindungsaffinität (IC50 = 8,33 µM) kein Potential zu einer erfolgreichen Zellinternalisierung des Phosphopeptides. Vermittler eines rezeptorunabhängigen molekularen Zelltransportes stellen zellpenetrierende Peptide (CPP) dar. Versuche mit den derzeit kürzesten CPPs, den zellpenetrierenden Pentapeptiden (CPP5) oder auch Bax-Inhibitoren genannt, waren nicht erfolgreich. Zwei weitere, in dieser Arbeit verwendete, potente CPPs sind sC18, abgeleitet aus dem antimikrobiellen Peptid Cathelicidin, sowie hCT(18-32)-k7, einem verzweigten Calcitonin-Derivat. Mit den Phosphopeptid-CPP-konjugierten Verbindungen MQSpTPL-sC18 2-CPP1 und MQSpTPL-hCT(18-32)-k7 2-CPP2 wurden nicht-toxische Konstrukte geschaffen, die eine definierte Aufnahme in HeLa, MCF-7 und HT-29 Zellen aufweisen, wie nach Markierung mit dem Fluoreszenzfarbstoff 5(6)-Carboxfluorescein (CF) mittels optischer Bildgebung nachgewiesen werden konnte. Die Integration und Anwendung der Mikrofluidik-Technik im Rahmen der Darstellung der N-terminal 18F-fluorbenzoylierten Phosphopeptid-CPP-Konjugate [18F]FBz-MQSpTPL-sC18 [18F]2-CPP3 und [18F]FBz-MQSpTPL-hCT(18-32)-k7 [18F]2-CPP4 weist im Vergleich zur konventionellen Radiomarkierung entscheidende Vorteile auf. In Anwesenheit der für die [18F]SFB-Markierung reaktiven ε-NH2-Gruppen in den CPP-Fragmenten zeichnet sich im Rahmen der mikrofluiden Markierung entscheidende Selektivität für den N-Terminus der Peptide ab. Die radiochemischen Markierungsausbeuten betragen 21% für [18F]2-CPP3 und 26% für [18F]2-CPP4, im Vergleich zu 2-4% für [18F]2-CPP3 und [18F]2-CPP4 bei klassischer Markierung. In Zellaufnahmestudien wurde ebenfalls eine Internalisierung der 18F-markierten Konjugate in FaDu, HT-29 und MCF-7 Zellen bestätigt, die in allen drei Zelllinien vergleichbar ist und um 40% ID/mg Protein liegt. Wie auch das 18F-markierte Hexaphosphopeptid selbst in Wistar-Unilever-Ratten, zeigten die 18F-markierten Phosphopeptid-CPP-Konjugate in Kleintier-PET-Untersuchungen in Balb/C-Mäusen (Normaltiere) die für ein radiomarkiertes Peptid typische Bioverteilung. Hierbei ist eine renale Exkretion eingeschlossen. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, erstmals 18F-markierte Phosphopeptide mit zellpenetrierenden Eigenschaften für die molekulare Bildgebung zu entwickeln. Diese neuen zellpenetrierenden Phosphopeptide stehen für die Untersuchung intrazellulärer Prozesse, die auf Phosphorylierungs-/Dephosphorylierungsprozessen basieren, zur Verfügung.

Die Mechanochemie ist eine effekive und überzeugende Methode zur Herstellung von Alumniumhydroxidfluoriden (Al(OH)3-xFx) mit einem sehr geringen Fluorgehalt. Durch den Prozess des Mahlens werden strukturelle Defekte in den Kristalliten erzeugt, die zu einer zunehmenden Amorphisierung des Kristallsystems führen. Die partielle Fluorierung von Alumniumhydroxid während des Mahlprozesses führt dabei zu einer noch stärkeren Amorphisierung und zur Bildung von Alumniumhydroxyfluoriden. Eine wichtige Rolle bei der resultierenden Produktzusammensetzung spielt die Variation der Synthesebedingungen, wie der Grad der Fluorierung, der Dauer des Mahlprozesses und des Wassergehalt der Edukte. Folglich wurde zuerst der Einfluss von Wasser und dessen Bedeutung durch die verschiedenen Kombinationen von Oxid- und Hydroxid- (Al(OH)3, Al2O3), sowie Fluorid-Quellen mit oder ohne Kristallwasser (β-AlF3.3H2O, α-AlF3) bei der mechanochemischen Synthese von hochgestörten Alumniumhydroxidfluoriden untersucht. Um den optimalen Fluorierungsgrad zu ermitteln, wurden verschiedene Aluminiumhydroxidfluoride mit Al/F-Molverhältnissen von 1:1.5 bis 1:0.05 über die mechanochemische Syntheseroute hergestellt. Eine tiefergehende Charakterisierung der Struktur- und Oberflächeneigenschaften der entsprechenden Produkte erfolgte mittels XRD, 27Al- und 19F-Festkörper-NMR, thermischer Analyse, Stickstoffabsorptions- und Zeta Potentialmessungen. Mit γ-Al(OH)3 und β-AlF3•3H2O als Hydroxid- und Fluorid-Quellen wurden dabei ab einem Verhältnis Al:F von 1:0.25 und hin zu höheren Fluoridanteilen besonders ungeordnete Strukturen erzeugt. Der Fluorierungsgrad betrifft dabei besonders die Ausbildung von 4- und 5-fach koordinierten Al-Zentren, die sonst nicht in den Edukten vorkommen. Diese Spezies beeinflussen die Bildung von Alumniumoxid und ermöglichen den Phasenübergang zu α-Al2O3 schon bei tieferen Temperaturen. Der Einfluss der Mahldauer auf die Struktur und Oberfläche wurde am Beispiel von γ-Al2O3 im Detail untersucht. Die mechanochemische Synthese beeinflusst dabei die Absorption von Fluor an der Grenzschicht von γ-Al2O3 zu Wasser stark. Die Dauer des Mahlprozesses gewinnt daher einen großen Einfluss auf die entstehenden Produkte. Da Fluor nicht im Bulk von γ-Al2O3 vorkommt, kann mit der 19F-Festkörper-NMR eine Zuordnung der unterschiedlichen an der Oberfläche adsorbierten F-Spezies getroffen werden. / The mechanochemical approach opens a reliable and effective strategy for the formation of aluminium hydroxide fluorides with a very low F-content. Milling has the effect of introducing structural defects, causing amorphisation. The fluorination by milling creates a further and drastic increase of this degree of amorphisation. Synthesis conditions (milling time, fluorination degree, water content) play a crucial role in the product composition. Firstly, the significant role played by water in the mechanochemical synthesis of highly distorted aluminium hydroxide fluorides was evaluated. The importance of water in the synthesis was considered by a separated combination of O/OH sources (Al(OH)3, Al2O3) and fluorine sources with or without structural water (β-AlF3.3H2O, α-AlF3). Concerning the degree of fluorination, different aluminium hydroxide fluorides with varying Al/F molar ratios from 1:1.5 up to 1:0.05 were successfully synthesized by mechanochemical reactions. The characterization of the products by XRD, 27Al and 19F MAS NMR, thermal analysis, nitrogen adsorption and zeta potential techniques allows a detailed understanding of the structure and surface properties of the products. Using γ-Al(OH)3 and β-AlF3•3H2O as OH- and F-sources, respectively, strongly disordered products were obtained with an Al: F molar ratio higher than 1:0.25. The degree of fluorination affects the amount of 4- and 5-fold coordinated Al sites, not present in the reactants. Obviously, these species affect the phase transition to alumina, by decreasing the transition temperature of the formation of α-Al2O3. The influence of the milling time was considered by studying the power of a high energy ball milling process on the structure and at the surface of γ-Al2O3. The mechanochemical treatment strongly influences the adsorption of fluorine at the γ-Al2O3/ water interface. The time of the treatment has relevant importance on these processes. Since fluorine is not originally present in the bulk of γ-Al2O3, 19F MAS NMR studies allow the discrimination of different F-species adsorbed at the surface or present as metal fluoride particles in γ-Al2O3 powders after adsorption experiments.