Die Reaktionspfade und Reaktionsdynamik photoinduzierter bimolekularer Ladungstransferreaktionen werden mit Hilfe der ultraschnellen polarisationsabhängigen UV-Pump/IR-Probe-Spektroskopie charakterisiert. Allgemein akzeptierte Modelle zur Beschreibung von bimolekularen Elektrontranserreaktionen nehmen an, dass Ladungstrennung in polaren Lösungsmitteln zu zwei Arten von Ionenpaaren führt, den lockeren (LIPs) und den engen Ionenpaaren (TIPs). TIPs und LIPs können durch die Beobachtung von Schwingungsmoden spektroskopisch unterschieden werden. Allerdings deuten die multiplen Zeitskalen sowohl für die Bildung von TIPs als auch LIPs darauf hin, dass eine Unterscheidung in zwei Arten von Ionenpaaren mit definierter Geometrie eine erhebliche Vereinfachung ist. TIPs und LIPs sind vielmehr als Grenzfälle zu betrachten, zwischen derer eine kontinuierliche Verteilung verschiedener Ionenpaare existiert. Die Natur der Ionenpaare wird durch die Verteilung der neutralen Reaktionspaare vor Initiation der Reaktion bestimmt. Außerdem wird gezeigt, dass TIPs höchst anisotrop sind. Die Wichtigkeit der beidseitigen Orientierung der Reaktanten wird dabei offengelegt. Weiterhin wird erstmalig ein femtosekundenspektroskopischer Beweis für die Existenz von Kohlensäure in wäßriger Lösung präsentiert. Eine Photosäure wurde verwendet, um die ultraschnelle Protonierung von Bikarbonat optisch auszulösen. Kohlensäure wurde bisher als Feststoff in Eismatrizen und in der Gasphase detektiert. Da Kohlensäure als Intermediat zwischen Kohlenstoffdioxid und Bikarbonat postuliert wird, ist ihre Charakterisierung von immenser Bedeutung für das Verständnis grundlegender Säure-Base Chemie von Karbonaten in wäßriger Lösung. Die Analyse der zeitabhängigen Signale unter Verwendung eines theoretischen Modells erlaubt die Bestimmung der bimolekularen Reaktionsdynamik. Dies ermöglicht einen Einblick in die Säure-Base Chemie von Kohlensäure. / The reaction pathways and dynamics of photoinduced bimolecular charge transfer reactions are characterised with ultrafast polarisation-sensitive UV-pump/IR-probe-spectroscopy. Generally accepted models for bimolecular electron transfer reactions suppose that charge separation in polar solvents leads to two geminate ion pairs, namely loose (LIPs) and tight ion pairs (TIPs). By monitoring vibrational marker modes TIPs and LIPs can be distinguished spectroscopically. However, multiple time scales for the formation of TIPs and LIPs indicate that a distinction between two kinds of ion pairs with well-defined geometries is a considerable simplification. TIPs and LIPs should rather be regarded as limiting cases, as there is a continuous distribution of different ion pairs between these two limits. The crucial parameter governing the nature of the ion pairs is the distribution of neutral reaction pairs subsequent to initiation of the reaction. Furthermore, TIPs are found to be highly anisotropic, revealing the importance of mutual orientation of the reactants. This thesis also presents for the first time femtosecond infrared spectroscopic results proving the existence of carbonic acid in aqueous solution. A photoacid is used to optically trigger the ultrafast protonation of bicarbonate. Carbonic acid has only been detected as solid existing in ice matrices and in the gas phase, so far. Because carbonic acid is often postulated as intermediate between carbon dioxide and bicarbonate its characterisation is of substantial support in understanding fundamental acid-base chemistry of carbonates in aqueous solution as well as in biophysical situations. Analysing the time-dependent signals using a theoretical model to describe bimolecular reaction dynamics an on-contact proton transfer reaction rate is derived. This gives an insight into the acid-base chemistry of carbonic acid.

Die vorliegende Dissertation präsentiert eine detaillierte quantenchemische Untersuchung der H-Abstraktion von Methan durch MgO und Li dotiertes MgO. Motiviert wurde die durch das UniCat-Excellenz-Cluster, welches sich zum Ziel gesetzt hat, die oxidative Kupplung von Methan (OCM) im Detail zu verstehen. Basierend auf der Hypothese, dass Li+O•– Spezies für den H-Abstraktion Schritt verantwortlich sind, wurden kleine kationische MgO- und Li dotierte MgO-Cluster (die O•– Sites modellieren) untersucht. Zur Erstellung von möglichst realen Gasphasen-Modell-Systemen, wurde die globalen Minima der Gasphasencluster mittels eines genetischen Algorithmus bestimmt. Zum Vergleich wurden auch die Strukturen von neutralen MgO-Cluster bestimmt, um eventuelle strukturelle Unterschiede zu erkennen. Anschließend wurden die optimierten Cluster in Bezug auf ihre Eignung zur C-H-Bindungsaktivierung von Methan untersucht. Die Verwendung von kleinen Cluster-Größen ermöglicht es, die Reaktion im Detail zu studieren und verschiedene Methoden der Berechnung zu vergleichen. Die Ergebnisse für die kleinen Cluster wurden anschließend mit realistischeren Modellen verglichen, die eine genauere Beschreibung der Li dotierten Oberflächen ermöglichen, wie zum Beispiel non-embedded und embedded-Cluster und slab Modelle. Unerwartete Ergebnisse für die Betrachtung der Li+O•– Spezies haben zur Untersuchung von zusätzliche Arten von Defekten in MgO (wie niedrig koordinierten O2-Seiten, O-Leerstellen mit unterschiedlicher Ladung und Verunreinigungen) geführt, die als aktive Zentren in OCM fungieren können. Insbesondere wurden morphologische Defekte und verschiedene Arten von F Zentren untersucht. Die Aktivierung von Methan an defekten MgO-Oberflächen wurde innerhalb eines Cluster-Ansatzes untersucht und durch periodische Berechnungen mittels periodic slab models verifiziert. Die Ergebnisse wurden mit vorhandenen experimentellen Daten verglichen. / This work presents a detailed quantum chemical (mostly DFT) study of H abstraction from methane by MgO and Li doped MgO. It is motivated by the UniCat effort to understand the oxidative coupling of methane (OCM). Based on the hypothesis that an Li+O•– species is responsible for the H abstraction step in OCM small cationic MgO and Li doped MgO clusters (which model O•– sites) were investigated. Because we were interested in real gas phase model systems the global minimum structures of (MgO)n+ and LiO(MgO)n-1 clusters were first determined (by means of genetic algorithm) and then used in subsequent reactivity studies. To check if there are any structural differences between neutral and cationic MgO clusters the neutral species were studied as well. After structure determination, the activation of methane by the O•– radical sites was investigated. The small cluster sizes enabled to study the reaction in detail and to compare different methods of calculations. The results were verified by comparison with more realistic models that mimic Li doped MgO surface, like non-embedded and embedded clusters and slab models. However, unexpected results for the Li+O•– sites led to the consideration of additional types of sites in MgO that may be active for OCM – such as low-coordinated O2- sites, O vacancies with different charge and impurity defects. In particular morphological defects and different types of F centers were investigated. Methane activation by defective MgO surface was studied by a cluster approach and then followed by periodic calculations on periodic slab models. The results were compared to existing experimental data.

Ein Schlüsselprozess in der Immunantwort ist die durch das proinflammatorische Zytokin Interferon-gamma (IFNg) induzierte transiente Akkumulation von neu synthetisierten defekten Proteinen, die durch Anknüpfen von Polymeren des Proteins Ubiquitin (Ub) post-translational modifiziert werden. Die Ubiquitinierung ist das Schlüsselsignal für den Abbau dieser Proteine. Die Abbauprodukte dienen unter anderem als Quelle für die Prozessierung von Antigenen. Um die frühe Immunantwort besser zu verstehen, wurden im Rahmen dieser Arbeit die Identität und Charakteristika dieser neu synthetisierten Proteine, sowie die Topologie ihrer post-translationalen Modifizierung durch Ub untersucht. Dazu wurde die massenspektrometrischen Analyse ubiquitinierter Proteine weiterentwickelt, indem die experimentellen Konditionen auf deren Analyse optimiert wurden. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass die kombinierte Verdauung der Ub-Konjugate mittels zweier Peptidasen die Identifizierung der Proteinpeptide und der Indikatorpeptide für Ubiquitinierungsstellen entscheidend verbessert. Es wurde demonstriert, dass eine selektive Isotopenmarkierung der neu synthetisierten Proteine möglich ist. Mit Hilfe dieser Methode gelang es, Veränderungen der Ub Modifikationen bezüglich der Topologie sowie quantitative Unterschiede der ubiquitinierten Proteine aus humanen HeLa-Zellen in An- und Abwesenheit von IFNg zu identifizieren. Nach Induktion durch IFNg wurden drei polyubiquitinierte, drei mono- oder polyubiquitinierte und 111 potentiell ubiquitinierte Proteine identifiziert. Diese Proteine zeigten, dass keine generelle Ubiquitinierungspräferenz für die durch IFNg verstärkt transkribierten Gene besteht. Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern das Verständnis der frühen zellulären Immunantwort und tragen zum Verständnis von Krebs- und Autoimmunerkrankungen sowie chronischen Entzündungsprozessen bei. Möglicherweise bilden sie die Grundlage für die Weiterentwicklung entsprechender Therapien. / A key process within the immune response of organisms is the transient accumulation of newly synthesized defective proteins affected by the proinflammatory cytokine interferon-gamma(IFNg). These proteins are post-translationally modified by attachment of polymers of the protein ubiquitin (Ub), which represents the key signal for targeting them to degradation. The resulting peptides can serve as sources for antigen processing. In order to get an insight into the details of the cellular early immune response, the identity and characteristics of the newly synthesized proteins and the topology of their post-translational modification with Ub were investigated. An essential progress of the mass spectrometric approach was achieved by optimizing the experimental conditions with regard to the requirements of the analysis of the targeted proteins. In particular, it could be shown that a combined digestion of Ub-conjugates with two peptidases leads to an improved detection of protein peptides and indicator peptides for ubiquitination sites. It was shown that a selective isotopic labeling of the newly synthesized proteins was possible. With this method, a decisive step forward was made in the understanding of changes of the Ub modifications with respect to the topology and in clarifying the quantitative differences between Ub-conjugates from IFNg treated and untreated human HeLa cells. Three IFNg induced polyubiquitinated proteins, three mono- or polyubiquitinated as well as 111 potential Ub-substrates could be identified. These proteins did not show any general ubiquitination preference for genes whose transcription is enhanced in presence of IFNg. The results obtained in this work help to broaden and refine the general picture of the early cellular immune response. They contribute to the knowledge on molecular processes of cancer, autoimmune diseases or chronic inflammation and, potentially, can give hints for the continued development of corresponding therapies.

In dieser Arbeit konnte ein humaner IgG1-Antikörper mittels verschiedener massenspektrometrischer Methoden erfolgreich untersucht und charakterisiert werden. Neben der Bestimmung der molekularen Massen des betrachteten Anti-Interleukin-8-Antikörpers und dessen Fragmenten konnte auch die Bildung von Oligomeren untersucht werden. Es wurden verschiedene Oligomere, bis hin zum Pentamer, massenspektrometrisch gemessen und es konnten auch Erkenntnisse gewonnen werden, dass Konzentrationseffekte maßgeblich zur Oligomerbildung bei diesem Antikörper beitragen. Die Antikörperglykosylierung, eine sehr prominente und hoch diverse Modifikation, wurde bei diesem Antikörper ebenfalls gefunden und neben dem intakten Antikörper auch in dessen Fragmenten und im Dimer gemessen. Neben dieser natürlichen Modifikation wurden auch Derivatisierungen des Antikörpers analysiert, dabei wurden unterschiedliche Metallmarkierungen analysiert. Es konnten verschiedene Markierungsgrade bestimmt werden, auch wenn diese nebeneinander als Mischung vorlagen. Der Nachweis, dass der Antikörper auch weiterhin intakt und bindungsfähig ist, konnte erbracht werden. Die Bildung von Komplexen des Antikörpers mit verschiedenen Proteinen konnte ebenfalls mittels Massenspektrometrie gezeigt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass es möglich war, eine Quantifizierungsstrategie für Antikörper zu entwickeln. Mit dieser können absolute Quantifizierungen durchgeführt werden, während diese gleichzeitig unabhängig von Art und Struktur des einzusetzenden Standards sind. Damit ist es möglich, die Probleme des Bradford-Assays zu umgehen. Des Weiteren sind nur minimale Kenntnisse über den zu analysierenden Antikörper notwendig, sodass dieses Verfahren auch hervorragend auf bisher nicht charakterisierte Antikörper angewendet werden kann. / The aim of this work is the characterization of an antibody. The used human IgG1-antibody was successfully investigated with various mass spectrometric methods. In addition to the determination of the molecular masses of the analyzed Anti-Interleukin-8 antibody itself and its fragments the formation of oligomers was examined. Different oligomers up to pentamers could be mass spectromatrically measured. Resulting from this, it was possible to find that concentration effects are the main factors for the oligomer formation of this particular antibody. The glycosylation of antibodies, a prominent and high diverse modification, was also found in this antibody and was measured in the intact molecule, in its fragments and also the dimer. Next to this native modification, also a derivatization of the antibody was investigated. Different metal containing modifications were analyzed. Thereby it was possible to determine various tagging degrees, even in a mixture of these metal containing modifications. The important question, whether the tagged antibody is still active and capable for binding, can be answered positively. Furthermore the formation of antibody-protein complexes could be shown via mass spectrometry. It was also successful to develop a quantification strategy for this antibody. With this an absolute quantification was possible, which was independent from the type and the structure of the used standard. With this method it is possible to overcome the problems of the Bradford assay. In addition to this only very little information about the antibody is needed for the quantification, which allows to use this method for non characterized antibodies.

Verunreinigungen von Fremdelementen können den Wirkungsgrad von Solarzellen schon im Spurenbereich beeinträchtigen. Die Kenntnis der Verunreinigungen in Si ist entscheidend für die Produkt- und Produktionskontrolle neuer Solarzellenmaterialien. In dieser Arbeit wurden Analysenmethoden mit unterschiedlichen Messverfahren unter besonderer Berücksichtigung der Ansprüche der Solarindustrie entwickelt, verbessert, charakterisiert und verglichen. Mit der Sektorfeld-Massenspektrometrie (SFMS) mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) nach Matrixabtrennung konnten 22 Elemente mit Bestimmungsgrenzen bis zu 120 pg g−1, quantifiziert werden. Das neue Verfahren erlaubte die Bestimmung aller Elemente in einem Analysengang ohne Analytverlust. Dabei wurde ein bisher in der Literatur nicht beschriebener Mechanismus aufgeklärt, welcher die Retention von Bor im Matrixverdampfungsschritt ohne Zusatz von Komplexbildnern erlaubt. Mit der Glimmentladungs-(GD )MS wurden 32 Elemente bis in den sub ng g−1-Bereich bestimmt. Es gelang, relative Empfindlichkeitsfaktoren zur Quantifizierung von B, P, As, Ga, Ge und Fe zu errechnen. Methoden basierend auf der elektrothermischen Verdampfung (ETV), gekoppelt an ICP-MS und ICP-Emissionsspektroskopie (OES) sowie Gleichstrombogen-OES wurden zur Charakterisierung von metallurgischem Si-Pulver mit Gehalten im µg g−1-Bereich verwendet. Die Totalreflexion-Röntgenfluoreszenz wurde als Volumenmessmethode für die Si-Analytik eingesetzt. Komplettiert wird das Methodenspektrum durch Oberflächenanalytik von Wafern mittels Laserablation-(LA)-ICP-MS. Es wurden erstmalig für Silicium Konzepte zur quantitativen Bestimmung der Verunreinigungen auf Si-Wafern über eine Kalibrierung der LA mit eingetrockneten flüssigen Standards erarbeitet und gezeigt, dass sich das Verfahren zum Nachweis typischer metallischer Ausscheidungen eignet. Die Neutronenaktivierungsanalyse wurde als anerkannte Referenzmethode der Halbleiterindustrie zur Validierung der Methoden eingesetzt. / Element impurities can affect the efficiency of solar cells already on the trace level. The knowledge of the impurities in Si is thus crucial for the product and production control of new solar cell materials. In this work, analysis methods based on different measurement principles have been developed, improved, characterized and compared with special consideration of the requirements of the solar industry. Sector field mass spectrometry (SFMS) with inductively coupled plasma (ICP) subsequent to matrix separation has been used to determine 22 elements with limits of determination down to 120 pg g−1 on sample basis. The new, optimized procedure allowed the determination of all analytes in one sweep without analyte loss during the evaporation step. A so-far unexplained mechanism for the retention of boron without use of additional complexing agents was elucidated. Glow discharge (GD)MS was used to measure 32 elements down to the sub-ng g−1 range. Relative sensitivity factors for the quantification of B, P, As, Ga, Ge and Fe have been calculated. Methods based on electrothermal vaporization (ETV) coupled to ICP-MS and ICP emission spectroscopy (OES) as well as direct current arc OES were used for the characterization of metallurgical grade Si powder with concentrations in the µg g−1 range. Total reflection X-ray fluorescence was used as a method for bulk impurity concentration analysis. The spectrum of methods is complemented by surface analysis of silicon wafers by laser ablation (LA)-ICP-MS. New concepts for quantitative analysis of silicon surfaces by the calibration of LA with dried liquid standards were elaborated. It has been demonstrated that this method is suitable for the detection of typical metallic precipitations in silicon like copper silicide. For validation of the methods, instrumental neutron activation analysis was used as the generally accepted reference method in the semiconductor industry.

Das Ziel dieser Arbeit war die Synthese niedermolekularer Verbindungen, die an die prä-miRNA binden und dadurch die Reifung zur miRNA inhibieren. Daher sollten die RNA-Binder 2-Desoxystreptamin sowie Neamin mit Alkinen funktionalisiert und durch Kupfer-katalysierte Azid-Alkin 1,3-dipolare Cycloaddition (CuAAC) mit verschiedenen bivalenten Aziden verknüpft werden. Im Rahmen dieses Projekts wurde der synthetische Zugang zu den benötigten Alkin- sowie Azid-funktionalisierten Grundbausteinen optimiert. Ferner wurde ein effektives und zuverlässiges Protokoll für die CuAAC erarbeitet, welches es ermöglichte, 88 Testsubstanzen in guter Ausbeute und hoher Reinheit zu isolieren. Anschließend wurde die Substanzbibliothek in einem BRCA-Reifungsassay unter kompetitiven Bedingungen auf die Inhibition der miRNA-Reifung getestet. Dabei wurden mehrere potente Inhibitoren der miRNA-Reifung mit IC50-Werten von bis zu 0.5 µM identifiziert. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Etablierung einer chemo-enzymatische RNA-Funktionalisierungsstrategie um prä-miRNA-Sonden herzustellen: In-vitro-Transkriptionen mit der T7-RNA-Polymerase sowie Ligationen mit der T4 RNA Ligase 1 waren das Fundament der enzymatischen RNA-Synthese, während die Funktionalisierung der RNA durch CuAAC erzielt wurde. Dafür wurden die neuen Verbindungen O-(5‘-Guanosin)-O-propargylmonophosphat sowie 3‘,5‘-O,O-Bisphosphat-5-ethinyluridin synthetisiert, durch in-vitro-Tran¬skription an das 5‘-Ende von prä-miRNAs eingeführt und anschließend durch CuAAC mit einem Fluoreszenzlöscher modifiziert. Das Uridinbisphosphat wurde durch CuAAC mit einem Fluorophor markiert und anschließend effizient mit der T4 RNA Ligase 1 an das 3‘-Ende verschiedener prä-miRNAs ligiert. Darüber hinaus war es auch möglich, das Alkin-modifizierte Uridinbisphosphat an das 3‘-Ende von prä-miRNAs zu ligieren, dieses durch eine zweite Ligation an eine definierte interne Position zu verschieben und abschließend durch CuAAC zu funktionalisieren. / The objective of this work was the synthesis of small molecules, which bind to pre-miRNAs to prevent their maturation to fully active miRNAs. To create a substance library of bivalent inhibitors, the RNA binding motifs 2-deoxystreptamine as well as neamine were alkyne modified and linked with several bisazides via a copper catalyzed alkyne-azide cycloaddition (CuAAC). Hence, optimized syntheses of the basic building blocks along with an effective and reliable CuAAC-protocol were established. 88 test substances were isolated in good yield and high purity. Finally they were analyzed with regard to their potential to selectively inhibit the miRNA maturation. For this purpose, the assay was performed under competitive conditions with a set of two pre-miRNA-pairs. The initial screening revealed several inhibitors with IC50-values in the lower µM range. The second focus of this work was on the development of a synthetic access to alkyne modified ribonucleotides to establish a chemo-enzymatic functionalization strategy for RNAs using in-vitro-transcription, ligation and CuAAC. In this context, the syntheses of 3‘,5‘-O,O-bisphosphate-5-ethinyl uridine and O-(5‘-guanosine)-O-propargyl monophos-phate are described for the first time. The guanosine monophosphate was used as transcription starter to address the 5’-end of RNA and was consecutively labeled with an azido-tagged quencher. The uridine bisphosphate was conjugated with a fluorophor and introduced to the 3’-end of RNAs by T4 RNA ligase 1. Moreover, the uridine bisphosphate can be ligated to the 3’-end without a fluorophor attached, to serve as a connecting point for a further ligation with an oligonucleotide of any length. Thereby, the former terminal alkynylated uridine was shifted to a defined internal position by successive enzymatic reactions and was successfully derivatized with a fluorophor by CuAAC.

Oxygenierungs- und Oxidationsreaktionen sind in unserem Alltag allgegenwärtig und von großer Bedeutung. Sie finden Anwendung von der Natur bis hin zur Industrie. Der Einsatz von O2 als Sauerstoffquelle bzw. Oxidationsmittel ist besonders erstrebenswert. Die Erforschung der Aktivierung von O2 an Übergangsmetallkomplexen und Untersuchung der Reaktivität der resultierenden Verbindung ist von großer Bedeutung für das Verständnis dieser Reaktionen und Mechanismen. In dieser Arbeit wurde zunächst der Komplex trans-[Ir(4-C5F4N)(CNtBu)(PiPr3)2] synthetisiert, welcher mit dem 4-C5F4N- und dem CNtBu-Liganden stabilisierende Komponenten und wertvolle analytische Sonden enthält. Ausgehend von dieser Iridium(I)-Verbindung konnte auf verschiedenen Wegen der Peroxidokomplex trans-[Ir(4-C5F4N)(O2)(CNtBu)(PiPr3)2] erhalten und umfangreich charakterisiert werden. In Gegenwart von [Fe(C5H5)2][PF6] konnten Hinweise auf einen redoxkatalysierten Mechanismus gewonnen werden. Im nächsten Abschnitt konnte gezeigt werden, dass sich der Peroxidokomplex durch Bronstedsäuren aktivieren lässt. So wurde z.B. unter der Verwendung von Säuren wie HCl, CF3COOH oder HF die Bildung von H2O2 erzielt. Dabei entstehen die entsprechenden Iridium(III)-Komplexe mit den koordinierten Säureanionen. In Gegenwart von HCOOH werden ein Carbonatokomplex und H2 als Hauptprodukte gebildet und es konnten Hinweise zum Mechanismus dieser komplexen Reaktion gewonnen werden. Des Weiteren sind Lewissäuren und Elektrophile in der Lage, die metallgebundene Disauerstoffeinheit des Peroxidokomplexes zu aktivieren. Dazu wurden unter Anderem Silane und Borane eingesetzt. Im Fall von ClSiMe3 und BClCy2 konnten während der Reaktion Intermediate detektiert und analysiert werden. Tragen die Lewissäuren Chloratome wird die entsprechende Dichloridoiridium(III)-Verbindung gebildet. Durch Einsatz von BPh3 konnte eine veränderte Reaktivität erreicht werden und der Ausgangskomplex trans-[Ir(4-C5F4N)(CNtBu)(PiPr3)2] zurückerhalten werden. / Oxygenation- and oxidation reactions are ubiquitous and of great importance to our daily life. They find application from nature to industry. The use of O2 as an oxygen source or oxidation reagent, respectively, is particularly desirable. The research on the activation of O2 at transition metal complexes and the investigations of the reactivity of the resulting compounds is of great significance for the understanding of these reactions and mechanisms. Herein, this work describes the synthesis of the complex trans-[Ir(4-C5F4N)(CNtBu)(PiPr3)2], which incorporates stabilizing and valuable analytical elements provided by the 4-C5F4N and CNtBu ligands. Starting from this iridium(I) compound, the peroxido complex trans-[Ir(4-C5F4N)(O2)(CNtBu)(PiPr3)2] could be synthesized using different methods. In the presence of [Fe(C5H5)2][PF6], indications for a redox catalyzed mechanism could be provided. The next chapter shows that Bronsted acids are capable of activating the peroxido complex. With the help of acids like HCl, CF3COOH or HF, for example, the formation of H2O2 was achieved. Thereby, the corresponding iridium(III) complexes with the coordinating anions are formed. In the presence of HCOOH, a carbonato complex and H2 are formed as main products and ideas for the mechanism of this complex reaction were indicated. Furthermore, Lewis acids and electrophiles have the ability to activate the metal bound dioxygen moiety of the peroxido complex. Silanes and boranes were used for this purpose amongst others. In case of ClSiMe3 and BClCy2, intermediates of the reactions could be detected and analysed. If the Lewis acids carry chloride atoms, the corresponding dichlorido iridium(III) compounds were formed. BPh3 enabled a different reactivity and allowed the isolation of the starting material trans-[Ir(4C5F4N)(CNtBu)(PiPr3)2].

Die Analyse der Röntgen- und Neutronenkleinwinkelstreuung stellt ein ideales Werkzeug für Untersuchungen der Struktur submikroskopischer Teilchen und deren Wechselwirkungen dar. Hierbei eröffnet die Variation des Streukontrastes ein zusätzliches Spektrum an Informationen. Wie in der vorliegenden Arbeit gezeigt wird, kann durch die Verwendung komplementäre Verfahren ein detailliertes Bild der untersuchten Systeme erarbeitet werden. Im Fokus der Diskussion stehen Polyethylennanopartikel und Strukturen basierend auf hyperverzweigtem Polyglycerol. Die durchgeführten Untersuchungen liefern beispielsweise Rückschlüsse auf den Mechanismus, der zu einer nahezu idealen Anordnung unverzweigter Polymerketten, während der Bildung der Polyethylennanopartikel, führt. Im amorphen Anteil dieser plättchenförmigen Partikel findet demnach ausschließlich eine Richtungsänderung beim Wiedereintritt der Polymerketten in die kristalline Phase statt, wodurch eine ungehinderte Kettendiffusion möglich ist. Der Einfluss von Defekten entlang der Polymerkette auf die Partikelstruktur konnte durch Untersuchungen eines präzise verzweigten Polyethylens ermittelt werden. Bei weiteren Untersuchungen von wässrigen Dispersionen eines hyperverzweigten Polyglycerols konnte die übergeordnete Struktur als Fraktal beschrieben werden. Der signifikante Beitrag der Mikrostrukturierung des Moleküls zu dessen Kleinwinkelstreuung wurde in den Analysen berücksichtigt. Die Strukturuntersuchungen von Molekülen mit dem polaren hyperverzweigten Kern und einer nahezu vollständigen Funktionalisierung durch bipolare Ketten profitierte von diesen Ergebnissen. Hierbei wurde die Struktur dieser Moleküle in polaren und unpolaren Medien ermittelt. In einer polaren Umgebung wurde die Bildung von Assoziaten beschrieben. Dies liefert wertvolle Hinweise auf die Wirkungsweise als Wirkstofftransportsystem liefert. / The analysis of the small angel X-Ray and neutron scattering is an ideal tool for the discussion of the structure and interactions of submicroscopic particles. Herein, the variation of the scattering contrast enlarges the spectrum of information, additionally. As shown in the presented work, complementary probes give a detailed picture of the investigated systems. The focal point of the discussion is set on polyethylene nanoparticles and structures based on hyperbranched polyglycerol. The analyses provide, for instance, information on the mechanism that leads to an ideal arrangement of the non-branched polymer chains during the formation of the platelet-like polyethylene nanoparticles. The amorphous phase exclusively hosts the redirection of the polymer chains into the crystalline domain. This allows the unimpeded chain diffusion. The effect of defects along the polymer chain on the particle structure was studied by the analyses of polyethylene with precisely placed methyl groups. Analyses of aqueous dispersions of hyperbranched polyglycerol reveal the fractal-like character of the global molecule structure. Additionally, the significant contribution of the molecule’s microstructure to the corresponding small angle scattering was considered. The analyses of molecules composed of the hyperbranched core and a complete functionalisation with bipolar chains profited from these results. Hereby, the molecule structure in polar and non-polar media was identified. In polar surrounding the formation of well-defined aggregates was described. This provides essential information for a further discussion of this type of molecules as drug delivery platform.

Die Umsetzung von alpha,beta-ungesättigten Aldehyden und Ketonen mit Wasserstoff über Pd-Modellkatalysatoren wurde anhand von Molekularstrahlmethoden, kombiniert mit Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (IRAS), Quadrupol-Massenspektrometrie (QMS) und Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS), unter wohldefinierten Ultrahochvakuumbedingungen untersucht. Das Ziel dieser Arbeit war es, ein atomistisches Verständnis der strukturellen Faktoren zu gewinnen, die die Aktivität und Selektivität eines Pd(111)-Einkristalls und Eisenoxid-geträgerter Pd-Nanopartikel für die Hydrierung der C=C- und C=O-Bindungen bestimmen. Exemplarisch für diese Art von Kohlenwasserstoffen wurden das Aldehyd Acrolein und das Keton Isophoron gewählt. Die NEXAFS- und IRAS-Studien zeigten, dass Isophoron bei niedrigen Bedeckungen auf Pd(111) in einer flachliegenden Geometrie adsorbiert wird. Die Neigungswinkel der C=C- und C=O-Bindungen in Bezug auf die Pd(111)-Ebene nehmen mit zunehmender Oberflächenbedeckung zu. Auf reinem Pd(111) ist die Neigung der C=C-Bindung stärker ausgeprägt, was auf eine Verzerrung des konjugierten pi-Systems hindeutet. Bei Anwesenheit von Wasserstoff wird eine schwächere Bindung von Isophoron an Pd beobachtet. Die selektive partielle Hydrierung über einer Pd(111)-Oberfläche und geträgerten Pd-Nanopartikeln unterschiedlicher Größen wurde unter Verwendung von Acrolein untersucht. Molekularstrahlmethoden wurden mit IRAS- und QMS-Messungen kombiniert, um gleichzeitig die Bildung von Adsorbaten auf der Oberfläche und die der Produkte in der Gasphase verfolgen zu können. Über einem Pd(111)-Kristall wird Propenol mit nahezu 100% Selektivität durch Hydrierung der C=O-Gruppe gebildet, während über Pd-Partikeln Propanal durch selektive Hydrierung der C=C-Gruppe erzeugt wird. IRAS-Untersuchungen zeigten, dass die Propenol-Bildung eine Modifikation der Pd(111)-Oberfläche mit einer dichten Oxopropyl-Monolage voraussetzt. / The conversion of alpha,beta-unsaturated aldehydes and ketones with hydrogen over model Pd catalysts was investigated using molecular beam techniques combined with infrared reflection-absorption spectroscopy (IRAS), quadrupole mass spectrometry (QMS), and near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) studies under well-defined ultra-high vacuum conditions. The aim of this work was to gain atomistic-level understanding of structural factors governing the selectivity and activity of a Pd(111) single crystal and iron-oxide-supported Pd nanoparticles for C=C and C=O bond hydrogenation. The ketone isophorone and the aldehyde acrolein were chosen as prototypical alpha,beta-unsaturated carbonyl compounds. NEXAFS and IRAS studies showed that isophorone is adsorbed on Pd(111) in a flat-lying geometry at low coverages. With increasing coverage, both C=C and C=O bonds tilt with respect to the surface plane. The tilting is more pronounced for the C=C bond on pristine Pd(111), indicating a strong distortion of the conjugated pi system upon interaction with Pd. Co-adsorbed hydrogen leads to a conservation of the in-plane geometry of the conjugated pi system, pointing to a much weaker interaction of isophorone with Pd in the presence of hydrogen. The selective partial hydrogenation over a Pd(111) surface and supported Pd nanoparticles with different particle sizes was investigated using acrolein. Molecular beam techniques were combined with IRAS and QMS measurements in order to simultaneously monitor the evolution of surface species and the formation of the final gas-phase products. Over a Pd(111) single crystal, acrolein is hydrogenated at the C=O bond to form propenol with nearly 100% selectivity, while over supported Pd particles, selective conversion of the C=C bond to propanal occurs. IRAS investigations showed that a distinct modification of the Pd(111) surface with a dense overlayer of an oxopropyl species is required for propenol formation.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Leistungsfähigkeit der Hochleistungsflüssigchromatographie mit Photodiodenarraydetektion (HPLC-DAD) im Rahmen der Systematischen Toxikologischen Analyse (STA) umfassend untersucht, ein besonderer Schwerpunkt lag dabei auf der Aussagesicherheit bei der Substanzidentifizierung. Die Grundlage für diese Untersuchungen bildete die Messung der UV-Spektren und relativen Retentionszeiten (RRT) von 2.682 toxikologisch relevanten Substanzen mit Hilfe moderner Diodenarraydetektoren und unter einheitlichen experimentellen Bedingungen (Eluent: Acetonitril/ Phosphatpuffer pH 2,3; Trennsäule: Lichrospher RP8ec). Die erhaltenen Daten wurden zusammen mit weiteren Substanzinformationen in einer Spektrenbibliothek zusammengefasst, die als Buch und CD-ROM auch der Öffentlichkeit zugänglich gemacht wurde. Bei der Entwicklung eines Konzeptes zur Methodenvalidierung für die STA erwiesen sich insbesondere die Kenngrößen Selektivität und Spezifität als von zentraler Bedeutung. Unter Verwendung eines Fensteransatzes für die RRT und des Similarity Index (SI) für den Spektrenvergleich wurden sämtliche möglichen Substanzpaare aus der Spektrenbibliothek miteinander auf ihre Unterscheidbarkeit hin verglichen, wobei verschiedene RRT-Fensterbreiten und SI-Schwellenwerte zugrundegelegt wurden. Aus den Ergebnissen wurden Selektivitätsparameter wie die Relative Identification Power (RIP), die Discriminating Power (DP) und die Mean List Length (MLL) berechnet. Mit einer RIP von 84,2 %, einer MLL von 1,25 und einer DP von 0,9999 wurden für die Substanzidentifikation anhand von RRT + UV-Spektrum im Literaturvergleich sehr gute Ergebnisse erhalten. Die hohe Grad an Spezifität der UV-Spektren für den Einsatz in der STA wurde einerseits durch Auszählung sämtlicher in der Spektrenbibliothek gefundener Chromophore/Absorptionssysteme belegt: 1.650 verschiedene Absorptionssysteme wurden gefunden, über 60 % der Verbindungen trugen ein in diesem Substanzbestand einzigartiges Absorptionssystem. Andererseits wurde die computergestützte Unterscheidbarkeit zwischen verschiedenen Gruppen jeweils strukturell ähnlicher Wirkstoffe anhand des UV-Spektrums untersucht. Hierfür wurden 487 Substanzen in ein hierarchisches System von Haupt- und Untergruppen eingeteilt, zwischen denen anschließend mit Hilfe der Schrittweisen Diskriminanzanalyse (SDA) unterschieden werden sollte. Die sehr guten Klassifizierungsergebnisse und die Auflösung auch feiner struktureller Unterschiede, oftmals abseits des eigentlichen Absorptionssystems, lassen es grundsätzlich möglich erscheinen, auch Substanzen für die STA zu erschließen, die nicht in der Spektrenbibliothek enthalten sind. Insgesamt erwies sich die HPLC-DAD als hochselektives und -spezifisches Messverfahren, das zu Recht eine der wichtigsten STA-Methoden darstellt. / In this thesis the capability of high-performance liquid chromatography with photodiode array detection in the context of Systematical Toxicological Analysis (STA) was extensively investigated with a special focus on the certainty of substance identification. As the foundation for these investigations, UV spectra and relative retention times (RRT) of 2,682 toxicologically relevant compounds were recorded under uniform experimental conditions (mobile phase: acetonitrile/ phosphate buffer pH 2.3; column: Lichrospher RP8ec) using up-to-date photodiode array detectors. Together with additional substance information these data were built into a spectra library also made available to the public in the form of a book and a CD-ROM. During the development of a concept for the validation of a STA method, selectivity and specificity were found to be of central importance. Using a window approach for the RRT and the Similarity Index (SI) for spectral comparison, all possible substance pairs within the spectra library were examined in terms of their respective distinguishability, based on different RRT windows and SI threshold values. From the results selectivity parameters such as the Relative Identification Power (RIP), the Discriminating Power (DP), and the Mean List Length (MLL) were calculated. As compared to the literature, with a RIP of 84.2 %, a MLL of 1.25, and a DP of 0,9999 excellent results were obtained for the substance identification based on the combination of RRT and UV spectrum. The high degree of specificty of UV spectra for use in the STA was demonstrated on the one hand by counting all different chromophores/ absorption systems found in the spectra library: 1,650 systems were found, more than 60 % of the substances bore absorption systems unique in the dataset. On the other hand the computer-based distinction between different groups of structurally similar compounds on the basis of the UV spectrum was investigated by dividing 487 substances into a hierarchical system of main and subgroups and trying to distinguish between these groups using stepwise discriminant analysis (SDA). The highly satisfying classification results together with the resolution of fine structural differences, often remote from the actual absorption system, make it seem possible to also render substances not included in the spectra library accessible for the STA. In conclusion HPLC-DAD proved to be highly selective and specific, rightfully regarded as one of the most important STA methods.