Die vorliegende Arbeit beschreibt die Reaktionen von Nitrenen und Dinitrenen, die durch die Photolyse ihrer aromatischen Azide und Bisazide in einer Novolakmatrix generiert wurden. Ein Reaktionsmechanismus wird vorgestellt. Eine Reihe von aromatischen Aziden und Bisaziden wurden synthetisiert und spektroskopisch charakterisiert. Die Vergrößerung des konjugierten -Systems im Molekül durch die Einführung entsprechender Gruppen zwischen den beiden Phenylringen zeigt sich in der bathochromen Verschiebung der langwelligsten Absorptionsbande zur i-Linie (365 nm) der Quecksilberbestrahlungsquelle. Gleichzeitig wird die Quantenausbeute der Photolyse der Azidgruppen in ein Nitren unter Abspaltung von molekularem Stickstoff reduziert. Novolakdimere und Trimere wurden als Modellverbindungen für ein Novolak mit geringem Molekulargewicht synthetisiert. Struktur-Eigenschafts-Beziehungen dieser Oligomere wurden durch den Einsatz von spektroskopischen und chromatographischen Methoden aufgestellt. Die Photolyse aller untersuchten Bisazide erfolgt ausschließlich biphotonisch, d.h. die Abspaltung der beiden Stickstoffmoleküle erfolgt sequentiell durch die Absorption von zwei Photonen. Die Hauptreaktionsprodukte der in der Novolakmatrix photolytisch generierten Nitrene sind erstens, die primären Amine Aminoazid und Diamin. Zweitens, entstehen sekundäre Amine durch die H-Abstraktion der Nitrene an den Methylenbrücken vom Novolakoligomer und der anschließenden Rekombination der gebildeten Imino- und Kohlenstoffradikale. Aus der Wasserstoffabstraktion der Nitrene an den Hydroxygruppen vom Novolak resultiert die Bildung von Chinoniminderivaten. Die Rekombination von Oligomerradikalen führt zu einem Novolak mit erhöhtem Molekulargewicht. Durch die Anwendung von chromatographischen und spektroskopischen Methoden und der Synthese von Modellverbindungen wurde sowohl die Bildung der Aminoazide in der photochemischen Reaktion der Bisazide, als auch die Reaktion der Nitrene an den Hydroxygruppen des Novolakes erstmalig bewiesen. / In this thesis experimental investigations of the reactions of aromatic nitrenes and bisnitrenes generated by photolysis of azides and bisazides in a novolak matrix are presented and a reaction mechanism is proposed. Various bisazides and aminoazides were synthesized and characterized using spectroscopic methods. The extension of the conjugated -system in the molecules attained by introducing appropriate linkage groups between the two phenyl rings is reflected by a bathochromic shift of the absorption maximum towards the i-line (365 nm) of the mercury lamp. At the same time the quantum yield of the photolysis of the azido group leading to a nitrene by extrusion of molecular nitrogen (N2) is reduced. Novolak dimers and trimers used as model compounds for low molecular weight novolaks were synthesized. The relationship between structure and properties of these oligomers was established by means of spectroscopic and chromatographic methods. The photolysis of all investigated bisazides exclusively proceeds by a biphotonic mechanism, i.e. the two nitrogen molecules are sequentially extruded by absorption of two photons. Main reaction products of the photochemically generated nitrenes in the novolak matrix are firstly, the corresponding primary amines, aminoazides and diamines. Secondly, secondary amines are formed by hydrogen abstraction of the nitrenes from the methylene bridges and subsequent recombination of the formed imino radical and the carbon radical. The hydrogen abstraction from the hydroxy group of the novolak oligomers results in the formation of quinonimine derivatives. Recombination of the polymer radicals leads to novolaks with increased molecular weight. Applying chromatographic methods and synthesizing model compounds, the formation of aminoazides in the photochemical reaction of bisazides and the reaction of the nitrenes with the hydroxy group of the novolak were evidenced for the first time.

Goldnanopartikel werden in der kolloidalen Katalyse als Modellsystem genutzt, um den Einfluss des Partikelgröße, der Partikelform und der Zusammensetzung in bimetallischen Systemen sowie der Ligandensphäre auf die katalytische Reduktion von 4-Nitrophenol zu 4-Aminophenol zu untersuchen. Goldnanopartikel eignen sich vor allem deshalb als Modellsystem, da sie in kurzer Zeit, in hohen Ausbeuten und mit definierten Eigenschaften hergestellt werden können. Es konnte erstmals nachgewiesen werden, dass Goldnanopartikel mit einem Durchmesser von 13 nm die höchste katalytische Umsetzungsrate bei der Reduktion von 4-Nitrophenolzu 4-Aminophenol besitzen. Im Zuge dieser Arbeit wird dieses Aktivitätsmaximum der Nanopartikel näher untersucht. Dazu werden drei Aspekte vorgestellt: die Abhängigkeit von der Goldnanopartikelform, die Abhängigkeit der Substratgröße und der Einfluss der Ligandensphäre auf die Katalyse. Überraschenderweise ist CTAB als oberflächenaktiver Ligand ein Co-Katalysator bei der Reduktion, während die Anwesenheit von Natriumcitrat die Reaktion verlangsamt. Es wurden Aspekte wie die Konzentration und die Größe der Goldnanopartikel in dem komplexen Wechselspiel der Aktivitäten des Katalysators und Co-Katalysators untersucht. Dies führte zu der beispielgebenden Erkenntnis, dass oberflächenaktive Liganden mit positiver Ladung und Stickstofffunktionen die Katalyse positiv beeinflussen. In einer weiteren Studie wurde der Reaktionsmechanismus der 6-Elektronenreduktion von 4-Nitrophenol zu 4-Aminophenol erforscht. Es konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die Reduktion in zwei Teilschritten abläuft. N-Arylhydroxylamin ist als wichtiges Intermediat in der Lösung der Reduktion erstmals nachgewiesen worden. Drei kinetische Regime werden für die Reduktion von 4-Nitrophenol gefunden und geben einen Einblick in die Oberflächenreaktion von Nitroaromaten an Goldnanopartikeln. / Gold nanoparticles as model systems in colloidal catalysis are used to gain insights into the decisive parameters of the catalytic model reduction. Size, shape, composition of bimetallic systems, and ligand sphere are factors influencing the reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol by sodium borohydride in the presence of gold nanoparticles. The increasing interest in gold nanoparticle catalysis is mainly due to their stability, their fast and high yield synthesis as well as their extraordinary diversity of the modes of preparation. This thesis is assigned to unravel the important parameters of gold nanoparticle catalysis. In the first part of the thesis, CTAB-stabilized gold nanoparticles were synthesized by applying the seeding-growth approach in order to gain information about the size dependence of the catalytic reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol with sodium borohydride. Unexpectedly, CTAB-stabilized gold nanoparticles with a diameter of 13nm were most efficient in this complex system. In this context, molecular aspects such as shape, size of the substrate and ligand sphere were discussed as possible reasons for the enhanced activity for medium sized gold nanoparticles. Here, it was shown for the first time that the ligand sphere plays a crucial role in colloidal catalysis. Micellar catalysis with colloidal gold nanoparticles was performed by means of ligand exchange procedures. In addition, this thesis shows for the first time that intermediates can be unambiguously identified in the reaction solution with colloidal gold nanoparticles as catalysts. 4-N-hydroxylaminophenol was found to be the key intermediate in this system. In this context, three kinetic regimes which were crucial for the aromatic nitro reduction are found to cover the reaction kinetics. Thus, this thesis provides new insight into the catalytic process itself and leads to a better understanding of the catalytic activity of gold nanoparticles.

Diese Arbeit zeigt die Verwendung ueberkritischer Fluide als analytisches Werkzeug fuer den Transport einer Gruppe nichtfluechtiger Molekuele, naemlich Nucleobasen, in die Gasphase. Das am haeufigsten verwendete ueberkritische Fluid ist Kohlendioxid, welches sich jedoch als zu ineffizient bei der Aufloesung von Nucleobasen herausstellte. Deshalb wurde ein Gemisch aus Ethylen mit Ethanol als Cosolvens als ueberkritisches Loesungsmittel verwendet. Für die Erkennung des kritischen Punktes reiner Fluide oder verduennter Fluidmischungen wurde eine neue Methode entwickelt. Die Verschiebung des kritischen Punktes von Ethylen durch Zugabe von Ethanol wurde experimentell ermittelt und mit der Zustandsgleichung von Soave Redlich Kwong in Beziehung gesetzt. Fuer einen Molenbruch des Cosolvens Ethanol von 0.054 erhoeht sich die kritische Temperatur nur um 5,5 C, wohingegen die Theorie eine Erhoehung um 10 C vorhersagt. Fuenf biologisch relevante Nucleobasen wurden mit Hilfe von 3% Ethanol als Cosolvens in ueberkritischem Ethylen geloest. Die Zusammensetzung des Ueberschall-Molekularstrahles der expandierten Loesung wurde mit einem Quadrupol-Massenspektrometer quantitativ analysiert. Das Signalverhaeltnis der Nucleobasen zu Ethylen lag in der Groessenordnung von 10^-4 bis 10^-5. Diese Nucleobasen wurden auch auf Oberflaechen abgeschieden, sowohl durch Hochdruckexpansion der ueberkritischen Loesungen, als auch durch Verdampfung von alkoholischen Loesungen (nach der ’Drop Casting’ Methode). Die dabei entstehenden Morphologien wurden ex-situ mittels Rasterkraftmikroskopie untersucht. Die Ursachen dieser Unterschiede werden anhand der relevanten Nukleationsmechanismen diskutiert. / This work highlights the use of supercritical fluids (SCF) as an analytical tool for the transfer of a group of non-volatile molecules, namely nucleobases, into the gas phase. The most commonly used SCF carbon dioxide was found inefficient in dissolving the nucleobases. Therefore, a mixture of ethylene (p_c = 50.6 bar and T_c = 9.35 C) with a cosolvent was used as the SC solvent. A new bracketing method was developed for detecting the critical point (CP) of pure fluids and diluted mixtures of fluids. The shift in CP of ethylene on addition of ethanol was determined and related to theoretical calculations by using the Soave Redlich Kwong equation of state. Comparing the experimental results to theoretical methods for calculating the CP showed large deviations. The critical temperature shifted by only 5.5 C when the mole fraction of the cosolvent i.e. ethanol was 0.054. Five biologically relevant were dissolved in SC ethylene using 3% of ethanol as cosolvent. The supersonic molecular beam composition of the expanded solution was analyzed quantitatively using a quadrupole mass spectrometer and the ratio of the nucleobases to ethylene in the beam was found to be of the order of 10^-4 to 10^-5. Surface deposition of the nucleobases through SCF solutions was carried out and the morphology was recorded using Atomic Force Microscopy. Remarkable differences were observed while comparing the morphology obtained after deposition using rapid expansion of supercritical solutions (RESS) and drop casting method. These differences are discussed in terms of diffusion, rate of evaporation of the solvent, degree of supersaturation, and the nucleation process.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Thermodynamik und Kinetik der Proteinadsorption auf neutralen sowie geladenen, kolloidalen Kern-Schale-Mikrogelen untersucht. Die weiche polymere Schicht der Schale reagiert mit großen Volumenänderungen auf Änderungen der Umgebungstemperatur, des pH-Wertes oder der Salzkonzentration. Untersuchungen mit Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FT-IR) zeigten, dass generell die native Sekundärstruktur der verwendeten Proteine, die auf den Mikrogelen adsorbiert wurden, erhalten blieb. Im Gegensatz zur Proteinadsorption auf festen Oberflächen wurde zudem eine hohe katalytische Aktivität der Enzyme nach der Immobilisierung verzeichnet, die gegenüber derjenigen der freien Enzyme in manchen Fällen sogar erhöht war. Mithilfe der isothermalen Titrationskalorimetrie (ITC) und FT-IR Spektroskopie wurden als treibende Kräfte des Adsorptionsprozesses elektrostatische und hydrophobe Wechselwirkungen identifiziert. Weitere Untersuchungen zeigten, dass im Falle von geladenen Mikrogelen das elektrostatische Potential wie auch der abgesenkte lokale pH-Wert innerhalb des Netzwerks eine Änderung des Ladungszustands der adsorbierenden Proteine zur Folge hat. Zusätzlich konnte mithilfe der Fluoreszenzspektroskopie und der Verwendung Fluoreszenz-markierter Proteine die kinetische Aufnahme in die Mikrogele als auch die Reversibilität der Reaktion analysiert werden. Es wurde dabei ein dynamischer Austausch zwischen gebundenen und freien Proteinmolekülen nachgewiesen, welcher die Verwendung von Gleichgewichtsmodellen für die Beschreibung der Proteinadsorption rechtfertigt. Außerdem erfolgt der Vorgang in zwei Schritten: i) ein schneller diffusionslimitierter Schritt, in dem der Hauptteil der gesamten Proteinmenge bindet und ii) ein anschließender wesentlich langsamerer Bindungsvorgang. Die Adsorptionsexperimente wurden anschließend auf Untersuchungen in binären Proteinmischungen ausgedehnt, um die kompetitive Proteinadsorption zu studieren. / In the present work the thermodynamics and the kinetic mechanism of protein adsorption to charged and uncharged core-shell microgels of colloidal dimension were explored. The soft polymeric layer of the shell is sensitive towards changes of the temperature, pH value, and salt concentration of the solution which results in a drastic volume change upon change of one of these triggers. Studies with Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy showed, that the secondary structure of the proteins used was significantly retained after immobilisation regardless of the charge state of the microgels employed. Moreover, unlike protein adsorption onto solid surfaces immobilisation into the networks did not compromise the catalytic activity of the proteins. Actually, an enhanced activity was found for some cases. The thermodynamic analysis performed by isothermal titration calorimetry (ITC) and structural investigations by FT-IR spectroscopy experiments led to the identification of the electrostatic and hydrophobic interactions as the main driving forces of protein adsorption. Further studies showed that proteins bound to negatively charged gel networks regulate their charge according to the electrostatic potential and to the lowered local pH value around the hydrogels. Fluorescence spectroscopy experiments with fluorescent-tagged proteins were suitable to analyse the kinetic uptake of the proteins into the gel networks as well as the reversibility of binding. It was demonstrated that bound proteins are dynamically exchanged by proteins in solution which justifies the application of equilibrium binding models to quantify the adsorption data. Moreover, the adsorption of proteins proceeds in two steps: i) a fast, diffusion-limited binding regime in which the majority of proteins is bound and ii) a second slow binding regime. The adsorption experiments were extended to binary protein mixtures in order to study competitive protein adsorption.

Die Oberflächen-stoßinduzierte Fragmentierung von reinen und gemischten Antimonclustern wurde im Bereich hyperthermischer Kollisionsenergien untersucht. In diesem Energiebereich sind die Prozesse des Ladungstransfers, des Energietransfers sowie der Fragmentierung der Cluster besonders wichtig. Die Cluster wurden in einer gepulsten Bogenentladungsquelle erzeugt und nach Massenselektion in einem Flugzeit-Massenspektrometer mit sechs verschiedenen Oberflächen (Diamant, Siliziumdioxid, Antimon(III)oxid, Gold, Graphit und einer fluorierten organischen Monolagenoberfläche (C10-F-SAM)) unter Ultrahochvakuumbedingungen zur Wechselwirkung gebracht. Die daraus hervorgehenden ionischen Produkte wurden in einem zweiten Flugzeit-Massenspektrometer analysiert. Der Ladungstransfer zwischen Projektilion und Oberfläche zeigte deutliche Unterschiede in Abhängigkeit von der Oberfläche. Dieser Effekt wurde anhand der Gesamtfragmentionenausbeute studiert und kann gut durch die unterschiedlichen Austrittsarbeiten beschrieben werden. Die Effektivität der Oberflächen hinsichtlich des Transfers von kinetischer in innere Energie der auftreffenden Cluster ließ sich aus den Massenspektren der Fragmentionen bestimmen. Diese konnten aufgrund der bekannten Bindungsenergien der Antimon-Cluster mittels der Thermometermolekülmethode ausgewertet werden. Es wurde eine für alle Clustergrößen charakteristische Korrelation zwischen Energietransfereffektivität und Oberfläche festgestellt. Von allen untersuchten Oberflächen zeigt die F-SAM-Oberfläche den geringsten Energieübertrag. Der höchste Energieübertrag wird bei der Streuung an der Diamantoberfläche gemessen. Die Energieübertragseffektivität der anderen Oberflächen reiht sich zwischen diesen beiden Extremen ein. Diese Korrelation konnte sowohl mit makroskopischen (Härte) als auch mit mikroskopischen (Bindungsenergie, interatomare Abstände und Debye-Temperatur) Eigenschaften der zugehörigen Festkörper erklärt werden. / Surface-induced fragmentation of pure and mixed antimony clusters was investigated within the hyperthermal collision energy range. Charge transfer, energy transfer and fragmentation of the clusters are important processes in this range. Clusters were produced in a pulsed arc-discharge cluster ion source (PACIS) and mass-selected in a time-of-flight mass spectrometer. In a next step, the clusters were brought into interaction with six different surfaces (diamond, silicon dioxide, antimony(III)oxide, gold, graphite and a self-assembled organic mono-layer surface (C10-F-SAM)) under ultra-high vacuum conditions. The emerging product ions were analysed in a second time-of-flight mass spectrometer. A notable difference between the six surfaces was found with respect to the charge transfer between projectile ion and surface. This effect was analysed in considering the total fragment ion yield and can be attributed to the different work functions of these surfaces. The transfer from translational energy into vibrational modes of the impinging clusters has been determined from the mass spectra of the fragment ions as a function of the surface. The known binding energies of the antimony clusters allow the use of the thermometer molecule model to evaluate the fragment ion distribution. A correlation between the energy transfer efficiency and the type of surface was found which is valid for all cluster sizes. From all the surfaces, which have been investigated, the F-SAM surface shows the lowest and the diamond surface shows the highest energy transfer efficiency. The efficiency of the other surfaces falls in-between these two extremes. The correlation between the energy transfer efficiency of a surface and the kind of surface can be satisfactorily explained in terms of either macroscopic (hardness) or microscopic (binding energy, interatomic distances and Debye-temperature) properties of the solids.

Micro RNA sind nicht-kodierende dsRNA ~22 Nukleotiden lang, die eine wichtige Rolle in der Entwicklung und Regulation in beinahe allen Eukaryoten spielen. MiRNAs binden target mRNA, was zu einer Blockierung der Proteintranslation führt. Viele Krankheiten sind bekannt, die durch veränderte miRNA Expressionsmuster entweder beeinflusst oder verursacht werden. Demnach könnte eine Manipulation der miRNA-Bildung einen therapeutischen Ansatz darstellen. MiRNA werden im Zytoplasma von längeren haarnadelförmigen prekursor RNA (pre-miRNA) durch das Enzym Dicer freigsetzt. Inhibition dieser Spaltung könnte durch spezifische pre-miRNA-bindende Moleküle erfolgen. Selektive Binder der pre-miRNA als Inhibitoren der miRNA-Reifung können durch testen von Substanzbibliotheken mit Hochdurchsatzscreening (HTS) gefunden werden. Diese Arbeit beschreibt den ersten homogenen Assay der miRNA-Reifung. Eine Fluoreszenzsonde in Form einer pre-miRNA wurde benutzt, die einen 5´-Fluorophor (FAM, Cy3, oder TMR) und einen 3´-Quencher (DABCYL) aufweist. Durch die nahe Nachbarschaft von Fluorophor und Quencher in der nativen Haarnadelstruktur erfolgt Fluoreszenzlöschung. Dicer spaltet diese Struktur effizient, was zur Dissoziation von Fluorophor und Quencher und somit zu einem Fluoreszenzanstieg führt. Der Assay wurde für HTS optimiert. Die ersten Verbindungen wurden auf deren Inhibition der miRNA-Reifung getestet. Mit einem Duplexassay, wobei zwei unterschiedliche pre-miRNA Sonden mit verschiedenen Fluorophoren eingesetzt wurden, konnte etwas spezifische Inhibition gezeigt werden. Der Assay wurde in Zellen durchgeführt und der Fluoreszenzanstieg mit Fluoreszenzmikroskopie detektiert. Somit ist ein Zell-basiertes Screening von Inhibitoren möglich. Eine einfachere Synthese der Sonde mittels in vitro Transkription und anschließender enzymatischen Ligation wurde entwickelt. Verwendung des Assays um hoch selective Inhibitoren der miRNA-Reifung zu entdecken könnte zu therapeutischen Ansätzen führen. / Micro RNAs (miRNAs) are non-coding dsRNAs of ~22 nucleotides that play a vital role in development and regulation in nearly all eukaryotes. MiRNAs bind target mRNA, thus blocking protein translation. Many diseases have been found to be influenced or caused by aberrant expression of miRNAs. A manipulation of miRNA formation may have therapeutic potential. MiRNAs are cleaved from longer hairpin precursor RNA (pre-miRNA) in the cytoplasm by the enzyme Dicer. It might be possible to inhibit this cleavage through specific pre-miRNA binding molecules. Selective binders of pre-miRNA as inhibitors of miRNA maturation can be found by testing large libraries of substances through high throughput screening (HTS) using an appropriate assay. This work describes the first homogenous assay of miRNA maturation. A fluorescent probe in the form of a pre-miRNA containing a 5´-fluorophore (FAM, Cy3, or TMR) and a 3´-quencher (DABCYL) was used. This ‘beacon’ in its native hairpin formation brings the fluorophore and quencher moieties into close proximity, resulting in fluorescence quenching. Dicer efficiently cleaves this structure, leading to dissociation of fluorophore and quencher and thus a fluorescence increase. In the presence of an RNA ligand that blocks cleavage, a lower fluorescence increase is seen. The assay was optimized for HTS. The first compounds were tested for their inhibition of miRNA maturation. Using a duplex assay, with two different pre-miRNA probes each containing a different fluorogenic group, some specific inhibition was shown. The assay was performed in cells using fluorescence microscopy to measure the fluorescence. This would allow for a cell-based screening of inhibitors. A simpler approach of beacon synthesis using in vitro transcription followed by enzymatic ligation was also established. Use of this assay to discover highly selective inhibitors of miRNA maturation may lead to disease therapeutics.

Reaktionen zwischen reaktiven Oligonukleotiden, die durch komplementäre Nukleinsäuretemplate in hoher effektiver Molarität angeordnet werden, haben auf dem Gebiet der Nukleinsäurediagnostik an Bedeutung gewonnen. Sie bieten die Möglichkeit zur Erzeugung von mehreren Signalmolekülen pro Templat, wenn die templatgebundenen Produkte durch neue Reaktanden verdrängt werden. Da die Produkte ebenfalls hohe Templataffinitäten aufweisen, schränken sie jedoch die katalytische Templataktivität ein (Produktinhibierung). In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst ein neuer Ansatz zur Umgehung der Produktinhibierung entwickelt. Dazu wurde eine DNA-vermittelte PNA-Verknüpfungsreaktion in eine PCR integriert. Die Reaktion wurde direkt durch das während der PCR vervielfältigte Templat ausgelöst und erfolgreich in der einzelbasenspezifischen Genotypisierung von genomischer DNA eingesetzt. Die Nachweisgrenze war mit 30 Templatmolekülen im Vergleich zu bisherigen templatgesteuerten Reaktionen um etliche Größenordnungen niedriger. Ein alternativer Ansatz widmete sich neuen Strategien zur Verminderung der Produktinhibierung. Templatgesteuerte Verknüpfungs-Zyklisierungsreaktionen lieferten zyklische Verknüpfungsprodukte, welche gegenüber ihren linearen Pendants durch deutlich geringere Templataffinitäten gekennzeichnet waren. Daher überstiegen die Ausbeuten jene von Verknüpfungsreaktionen ohne Zyklisierung. Die Zunahme der Templataffinität in Folge der Verknüpfung wurde jedoch durch die Zyklisierung nicht vollständig kompensiert. Daher wurden templatgesteuerte Transferreakionen entwickelt, bei denen das DNA-Templat die Zyklisierung von nicht verknüpften Reaktionsprodukten steuert. Diese waren durch geringere Templataffinitäten als die linearen Reaktanden gekennzeichnet. Die Transfer-Zyklisierungsreaktionen lieferten bei fortgeschrittener Reaktion höhere Ausbeuten als Transferreaktionen ohne Zyklisierungsschritt. Dies bestätigte die erfolgreiche Verminderung der Produktinhibierung. / Reactions between reactive oligonucleotides that are aligned by complementary nucleic acid templates at high effective molarities have gained considerable attention in the field of nucleic acid diagnostics. They are capable of generating multiple signaling molecules per target, if the template-bound products are replaced by fresh reactants. However, since product molecules usually exhibit high template affinities, they impede the catalytic activity of the template (product inhibition). This work initially describes the development of a new approach that bypasses product inhibiton. To this end, a DNA-mediated PNA-ligation reaction was integrated in a PCR. The reaction was directly triggered by the template which was amplified during PCR. Furthermore, the reaction was successfully applied in single base-specific genotyping of genomic DNA. The limit of detection (30 template molecules) was several magnitudes lower compared to previous template-controlled reactions. In an alternative approach, new strategies to reduce product inhibition were developed. Template-mediated ligation-cyclization (“cycligation”) reactions generated cyclic ligation products that were characterized by significantly lower template affinities compared to their linear counterparts. The yields upon cycligation were higher than those from ligation reactions without cyclization. However, the increase in template affinity gained upon ligation of the reactants could not be completely compensated through product cyclization. Therefore, template-mediated transfer reactions were designed in which the DNA-template actuates the cyclization of non-ligated products. These were characterized by reduced template affinities compared to the linear reactants. The transfer-cyclization reactions produced higher yields than transfer reactions without a cyclization step, thereby confirming the successful reduction of product inhibition.

Die Phosphorylierung als posttranslationale Modifikation von Proteinen spielt bei Signalwegen in Zellen eine große Rolle. Für die Entschlüsselung des molekularen Mechanismus der circadianen Uhr ist es daher von Interesse, die Phosphorylierungsstellen beteiligter Proteine zu identifizieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Proteine Period I und II mittels Flüssigkeitschromatographie und Tandemmassenspektrometrie (LC-MS/MS) auf Phosphorylierungsstellen untersucht. Hierbei lag der Fokus auf der Verbesserung bestehender Methoden, um eine bessere und umfassendere Identifizierung der Phosphorylierungsstellen, insbesondere in Bezug auf mehrfach phosphorylierte Peptide, zu erreichen. Der Arbeitsablauf beinhaltete die Verwendung mehrerer Proteasen, um eine hohe Sequenzabdeckung des Proteins zu erreichen. Nach der Proteolyse wurden die Phosphopeptide mittels Titandioxid angereichert. Hierbei und bei der LC-MS/MS-Analyse wurde Citrat als Additiv verwendet, welches eine bessere Chromatographie multiphosphorylierter Peptide ermöglicht. Bei der MS/MS-Analyse wurden CID und ETD als Fragmentierungsmethoden eingesetzt. Es konnten durch diese Methodik 30 bzw. 42 Phosphorylierungsstellen an den Proteinen Period I und II identifiziert werden, von denen 26 bzw. 14 zuvor nicht beschrieben waren. Nach der qualitativen Identifizierung wurden quantitative Varianten der optimierten Analytik untersucht, um die biologische Funktion der gefundenen Phosphorylierungsstellen untersuchen zu können. Hierbei wurden das metabolische Labeling der Zellen mit 15N-stickstoffhaltigen Aminosäuren und die säurekatalysierte Isotopenmarkierung auf Peptidebene mit 18O-Sauerstoff untersucht. Mit einer optimierten Variante der säurekatalysierten Isotopenmarkierung mit 18O-Sauerstoff lassen sich die Carboxygruppen der Peptide in 5h 30min mit einer Rate von >97% 18O-Sauerstoff markieren. Mit dieser Methode können weitere funktionelle Untersuchungen der Phosphorylierung an den Period-Proteinen durchgeführt werden. / Protein phosphorylation, a posttranslational modification, plays an important role in signal cascades in cells. In order to understand the molecular mechanism of the circadian clock, it is thus of interest to identify the phosphorylation sites on proteins contributing to the system. During the work for this thesis, the proteins Period I and II were analyzed for phosphorylation sites with liquid chromatography and tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). Hereby the focus was on improving existing methods in order to better identify multi-phosphorylated peptides. In the workflow, the Period proteins were digested with several proteases in order to archive a high sequence coverage for analysis. After proteolysis the phosphopeptides were subsequently enriched with titanium dioxide. During phosphopeptide enrichment and reversed phase chromatography, citrate was used as an additive for a better chromatography and recovery of multiphosphorylated peptides. During LC-MS/MS analysis, CID and ETD were used as fragmentation mechanisms in the mass spectrometer. Using these methods, 30 and 42 phosphorylation sites could be identified on the proteins Period I and II, respectively, including 26 and 14 which were previously unpublished. In order to unravel the biological function of these phosphorylation sites, quantitative methods for the optimized LC-MS approach were investigated. This included the metabolic labeling of cells with amino acids containing 15N-nitrogen as well as acid catalyzed 18O-oxygen labeling on peptide level. The developed optimized variant of acid catalyzed 18O-oxygen labeling achieves an inclusion of 18O-oxygen at the peptide carboxy groups with a rate of >97% in 5h 30min. This method can be used for further investigation of the biological function of the phosphorylation on the Period proteins.

Die Entwicklung neuartiger transparenter Materialien durch Kombination von organischen Polymeren und anorganischen Füllstoffen wurde untersucht. Für die Synthese der nanoskopischen anorganischen Füllstoffe wurde der Sol-Gel-Prozess für Metallfluoride mit Magnesium angewandt und auf Zirkonium und Titan erweitert. Auch wurden neue Herstellungs- und Trocknungsmethoden für die daraus gewonnenen Xerogele variiert und optimiert. Die Charakterisierung der hergestellten Metallfluorid-Sole und daraus gewonnener Nanopartikel erfolgte mittels NMR- und IR-Spektroskopie sowie SAXS- und TEM-Messungen und Elementaranalysen. Zur homogenen Mischbarkeit von anorganischen Füllstoffen und organischer Polymermatrix sind Modifikationen der Partikeloberfläche notwendig. Diese erfolgten über kovalent gebundene, teilweise perfluorierte, Carbonsäuren. Der Fortschritt der Modifizierung sowie die Eigenschaften der erhaltenen modifizierten Nanopartikel wurden mittels NMR- und IR Spektroskopie, teilweise auch mittels TA, untersucht. Unter Verwendung verschiedener transparenter und industriell relevanter Polymermatrices konnten durch homogene Verteilung der Nanopartikel transparente Kompositmaterialien erhalten werden. Die Veränderung der mechanischen und thermischen Eigenschaften der einzelnen neuen Materialien im Vergleich zu den reinen Polymeren wurde mittels DSC, Zugversuchen und Nanoindentation bestimmt. Zusätzlich zu diesen Anwendungsbereichen wurde der Einsatz der Nanopartikel in Elektrodenmaterialien zur Steigerung der Lebensdauer von Akkumulatoren und daraus resultierender Leistungsverbesserung untersucht. / The development of new transparent materials by combination of organic polymers and inorganic fillers was investigated. The fluorolytic sol-gel process was used to prepare fluorine containing nanoscopic inorganic fillers with magnesium, zirconium and titanium as metal components. The preparation and drying methods for the synthesis of xerogels was varied and optimized. Characterization of the metal fluoride sols and the nanoparticles obtained from the sols was executed by NMR and IR spectroscopy as well as SAXS and TEM measurements and elemental analysis. To achieve homogeneous miscibility for the inorganic fillers with the organic polymer matrix modification of the particles’ surface is crucial. This was achieved by covalent attachment of carbon acids; in case of fluorine polymers perfluorinated carbon acids were used. The progress of surface modification and the properties of the modified nanoparticles were monitored by NMR and IR spectroscopy. Based on thermal analysis, thermal stability of the modified nanoparticles was investigated. The modified metal fluoride nanoparticles were introduced into transparent and for industrial applications relevant polymer matrices. A homogeneous distribution to transparent nano composite materials was observed. The alteration of mechanical and thermal properties of the new materials was investigated by DSC, tension tests and nanoindentation and compared with the unmodified pure polymers. Another field of application of these nanoparticles is their application on electrode materials with the aim to improve electrode lifetime and to achieve a better performance of rechargeable batteries.

In dieser Dissertation wurden Verfahren für die konvergente Synthese von Peptide entwickelt. Für die erweiterte native chemische Ligation kamen bisher raumbeanspruchende Auxiliare zum Einsatz, die anspruchsvolle Ligationen behinderten. Zudem waren die drastischen säure-basierten Abspaltbedinungen mit vielen post-translationalen Modifikationen nicht vereinbar. In dieser Arbeit wurde ein neuartiges Auxiliargerüst mit geringerem Raumanspruch untersucht, dass eine erheblich mildere Abspaltung unter basischen Bedingungen ermöglichte. Dazu wurde ein kleiner Elektronenakzeptorsubsituent eingeführt, durch den nach der Ligation eine das Zielpeptid freisetzende Eliminierungsreaktion induziert werden konnte. Weiterhin konnte die Verwendung des kommerziell verfügbaren Penicillamins als Vorläufer in der Ligations-Entschwefelungs-Strategie demonstriert werden. Abschließend wurde die Ligation mit sequenz-internem Cystein untersucht. Hierbei zeigte sich, dass Peptide mit Cystein in einer bestimmten Position bevorzugt in thioester-basierten Kondensationen reagierten. / In this thesis approaches for convergent synthesis of peptides have been developed. In the extended native chemical ligation so far space demanding auxiliaries encumbered challenging condensations. Furthermore the required drastic acidolytic cleavage conditions were furthermore incompatible with many post-translational modifications. In the thesis a nouvelle less space demanding scaffold was scrutinized which allowed a milder basic cleavage. Therefore a small electron-accepting substituent was introduced that enabled the induction of an elimination reaction liberating the target peptide after the peptide ligation had taken place. Furthermore the applicability of the commercially available penicillamine as precursor of valine in the ligation-desulfurization strategy could be demonstrated. Finally the ligation with sequence internal cysteines was scrutinized. Herein it could be shown that certain peptides with cysteine in a distinctive position of the sequence preferable reacted in thioester-based condensation reactions.