Abstract Die Phorbazole und Diazonamide sind Naturstoffe marinen Ursprungs. Als strukturelle Gemeinsamkeiten zeichnen sie sich durch einen oder mehrere Oxazol-Ringe sowie durch das Vorhandensein von Chloratomen aus. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals eine Totalsynthese von Phorbazol C entwickelt, ausgehend von p-Hydroxybenzaldehyd und 2- Methylpyrrol-5-carbonsäureethylester. In den Schlüsselschritten wurden die Bausteine über eine Amidbindung verknüpft und der Oxazolring durch Cyclodehydratisierung aufgebaut. Für das 4-Chloroxazol-haltige Phorbazol A wurde ein alternativer Syntheseweg gewählt. Dieser führte jedoch wegen einer unerwarteten Umlagerungsreaktion zu einem neuem Konstitutionsisomeren der Zielstruktur. Für das komplex aufgebaute Diazonamid A wurde eine Retrosynthese entwickelt und entsprechende Modellreaktionen durchgeführt. Dabei wurden Indolyl-4-Chloroxazole mit verschiedenen Substituenten synthetisiert. Für die Synthese von 2,2-Diarylessigsäureestern erwiesen sich Chromarenkomplexe als geeignete Elektrophile. Die Einführung eines weiteren Substituenten zum Aufbau des quartären Kohnelstoffatoms gelang in nur mäßigen Ausbeuten. Hier führten Bleiarylverbindungen zum Erfolg. / Abstract Phorbazoles and Diazonamides are marine natural products. They share one or more oxazole rings and the presence of chloro atoms as common structural features. The present thesis describes the first total synthesis of Phorbazole C, starting from p-hydroxybenzaldehyde and 2-methylpyrrol-5-ethylcarboxylate. As key step the building blocks were connected as amide. The oxazole-ring was formed via cyclo- dehydration. An alternative synthetic approach was chosen for Phorbazole A that contains a 4-chloro- oxazole. This led to a new constitutional isomer of the lead structure due to an usual rearrangement. For the complex structure of Diazonamide A a retrosynthetic approach was developed. Different key structures were examined by model reactions. As a result, indolyl-4- chlorooxazoles with various substituents were synthesized. A second arene ring was introduced into 2-aryl-acetic acid by chromium fluoroarene complexes as electrophiles. The introduction of another substituent in order to establish the quaternary carbon atom was accomplished in low yields. Lead aryl compounds turned out to be advantageous in this reaction.

Oxidativ modifizierte Phospholipide haben PAF-ähnliche Struktur und zeigen in vitro PAF-ähnliche Wirkung. Dabei handelt es sich hauptsächlich um fragmentierte Phosphatidylcholine, die eine lange Fettsäure- oder Alkylkette in sn-1 Stellung und einen kurzen Acylrest (C4-C9) mit oxidiertem C-Atom in sn-2 Stellung haben und als PAF-ähnliche Lipide bezeichnet werden. In der vorliegenden Arbeit wurden durch eine neue HPLC-Fluoreszenzmethode ein Vertreter dieser in vivo existierender PAF-ähnlichen Lipide im Plasma quantifiziert. Dieses fragmentierte Phosphatidylcholin (FPC) besitzt einen Palmitoylrest in sn-1 Position, sowie eine C3 oder C4 Kette in sn-2 Position und erfüllt damit die strukturelle Voraussetzungen für biologische Aktivität. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass FPC in biologisch aktiven Fraktionen enthalten war, deren biologische Aktivität jedoch nicht von PAF bewirkt wurde, sondern von PAF-ähnlichen Lipiden. Dies unterstützt die Vermutung, dass FPC biologische Aktivität zeigt. Im Plasma wird FPC von Lipoproteinen transportiert. Oxidativer Stress in biologischen Systemen, ausgelöst durch Tabakrauch, Organischämie/ Reperfusion, Vitamin E-Mangel oder Inkubation von Zellen mit H2O2, führte zu einer Erhöhung der FPC-Konzentration. Damit wurde gezeigt, dass die PAF-ähnlichen Lipide in vivo durch Radikal-induzierte Lipidperoxidation gebildet werden können. Trotz eines Konzentrationsanstiegs von FPC nach oxidativem Stress, kam es bei einer systemischen Inflammation, die von Radikal-bildenen Prozessen begleitet ist, jedoch nicht zu einer Anreicherung von FPC-ähnlichen Lipidperoxidationsprodukten. Ursache für die fehlende Anreicherung von oxidativ modifizierten Lipiden bei einer systemischen Inflammation könnte ihr rascher Abbau durch Phospholipasen, oder der Abbau von Vorstufen, bzw. die Substratrminderung, sein. / Oxidative modified phospholipids have PAF like structure and show in vitro PAF like activity. They consist of fragmented phosphatidylcholine with a long fatty acid or alkyl chain in sn-1 position and a short acylrest (C4-C9) with a oxidized C-atom in sn-2 position. According to their structure they are called PAF like lipids. In this paper one representative of these in vivo existing PAF like lipids are quantified in plasma by means of a new fluorescence HPLC method. These fragmented phosphatidylcholines consits of a palmitoylrest in sn-1 position and a C3 or C4 chain in sn-2 position and therefore they fullfill the strutural conditions to have biological activity. We further showed, that the biological active fractions contain FPC. The biological activity is not caused by PAF but by PAF like lipids. This fact supports the hypothesis that FPC are biological active. FPC is carried by lipoproteins in plasma. Oxidative stress caused by cigarette smoke, ischemia/ reperfusion, Vitamin E deficiency or incubation of cells with H2O2 leads to an increase of the concentration of FPC. Thereby it could be shown that PAF like lipids can be formed in vivo by means of radical induced lipidperoxidation. Many radical producing processes are involved in systemic inflammation. Despite of an increase of FPC's concentration after oxidative stress, there was no accumulation of FPC like lipidperoxidation products during systemic inflammation. One reason for the missing accumulation of oxidative modified lipids during systemic inflammation can be the fast degradation by phospholipases or the reduction of substrat.

Das Entwicklungsstadium bestimmter Krankheiten ist eng mit der Konzentration diverser Proteine in biologischen Proben verknüpft. Eine sensitive Detektion dieser sogenannten Biomarker kann somit maßgeblich zu einer frühzeitigen Diagnose beitragen. In der vorliegenden Arbeit wurden strukturierte, fluorogene Sonden entwickelt, die die Möglichkeit bieten in einem homogenen Verfahren Zielproteine sensitiv, direkt und in Echtzeit nachzuweisen. Die peptidische Erkennungssequenz für das Zielprotein wurde dabei von zwei zueinander komplementären PNA-Segmenten flankiert. Die Sonden besaßen dadurch eine haarnadelförmige Anordnung, die kontrolliert eingebaute Reporter in eine enge Proximität zwang und ein minimales Hintergrundsignal im ungebundenen Zustand gewährleistete. Durch die Wechselwirkung mit dem Zielprotein erfolgte eine Reorganisation der Sondenstruktur, die fluoreszenzspektroskopisch verfolgt werden konnte. Für den Einbau der fluorogenen Einheiten wurden verschiedene Strategien entwickelt und die resultierenden Architekturen bzgl. ihres Einsatzes als sensitives Detektionssystem validiert. Als Zielproteine wurden die intrazellulären SH2-Domänen der Src- und Lck-Kinase sowie die extrazelluläre Matrix-Metalloprotease MMP-7, ein proteolytischer Biomarker für Krebs, untersucht. Besonders die neuartigen In-Stem Hairpin Peptide Beacons (IS-HPBs), bei denen fluorogene Pseudonukleobasen in die PNA-Stammregion eingebaut wurden, zeichneten sich als sensitive Proteasereporter mit einer bis zu 50-fachen Signalverstärkung aus. Mit einem excimerbasierten IS-HPB und einer zeitaufgelösten Fluoreszenzmethode konnte die direkte Detektion von MMP-7 bei einer kritischen Konzentration von 1 nM im humanen Blutserum erreicht werden. Eine mögliche Anwendbarkeit in der medizinischen Diagnostik wurde somit bekräftigt. Weiterhin wurden erste Hinweise mithilfe thermodynamischer Untersuchungen erhalten, dass die Strukturierung einer peptidischen Sonde zu einer erhöhten Selektivität beiträgt. / The developmental stage of certain diseases is closely linked to the concentration of various proteins in biological samples. A sensitive detection of these so-called biomarkers can thus significantly contribute to an early diagnosis. In the present work, structured, fluorogenic probes were developed that offer the possibility of a sensitive, direct and in real-time detection of target proteins in a homogeneous process. The peptidic recognition sequence for the target protein was thereby flanked by two self-complementary PNA segments. As a result, the probes possessed a hairpin-type arrangement, in which suitable appended labels are forced into close proximity and guaranteed a minimal background signal in the unbound state. By interacting with the target protein a reorganization of the probe structure occured, which could be followed by fluorescence spectroscopy. To embed the fluorogenic units different approaches were developed and the resulting architectures were validated relating to their use as a sensitive detection system. As target proteins the intracellular SH2-domains of the Src and Lck kinase and the extracellular matrix metalloprotease MMP-7, a proteolytic biomarker for cancer, were investigated. In particular, the new In-Stem Hairpin Peptide Beacons (IS-HPBs), in which fluorogenic pseudo nucleic acids were incorporated into the PNA-stem region, proved as sensitive protease reporters with an up to 50-fold signal amplification. By using an excimer-signaling IS-HPB and a time-resolved fluorescence method the direct detection of MMP-7 with a critical concentration of 1 nM within complex human blood serum was achieved. A possible application in medical diagnostics was thus confirmed. Furthermore, initial indications were obtained using thermodynamic studies that the structure of a peptide-based probe contributes to increased selectivity.

Im Unterricht laufen routinierte Handlungen oft unbewusst ab. Solche Handlungsmuster sind wichtig für Lehrkräfte sowie für Schüler, da sie dem Unterricht Struktur geben und Sicherheit vermitteln. Sind sie aber hinderlich für die Entwicklung von Schülerleistungen, müssen sie verändert werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, kulturspezifische als auch schulstufenspezifische Handlungsmuster in Bezug auf die Umsetzung der Phasen der Erkenntnisgewinnung mit Hilfe einer Videoanalyse zu identifizieren. Dabei werden zusätzliche Qualitätsmerkmale einbezogen. Weiterhin wird überprüft, ob die Umsetzung der Erkenntnisgewinnung mit den Lehrer- und Schülervorstellungen zum Naturwissenschaftsverständnis zusammenhängt. Die Analyse der Unterrichtsvideos ergab, dass mehr Unterschiede hinsichtlich der Umsetzung von Erkenntnisgewinnungsprozessen auf kulturspezifischer Ebene bestehen als auf schulstufenspezifischer Ebene. Dabei fokussieren die schwedischen Lehrkräfte auf die Phase der Untersuchung und die dazugehörende Planungsphase. Die Lehrkräfte der deutschen Sekundarstufe I setzen hingegen auch andere Phasen der Erkenntnisgewinnung wie die Hypothesenbildung und die Auswertung und Interpretation vergleichsweise häufig um. Weiterhin zeigte sich trotz des (vorgegebenen) Fokus auf Erkenntnisgewinnung in der deutschen Sekundarstufe I eine konstant hohe Bedeutung der Vermittlung von Fachwissen. In der deutschen Sekundarstufe II ist auffällig, dass viel Zeit dazu verwendet wird, Versuche in selbstständiger Schülerarbeit aufzubauen. Vermutlich wird diesem Befund eine höhere Komplexität experimentellen Arbeitens zugrunde liegen. Generell werden im Chemieunterricht selten Fragestellungen formuliert und naturwissenschaftliche Untersuchungen reflektiert. Als zentrale Schlussfolgerung aus den Befunden kann abgeleitet werden, dass die Förderung einer ganzheitlichen, expliziten und möglichst offenen Umsetzung der Erkenntnisphasen in Schule und Lehrerausbildung notwendig ist. / In the classroom, routine actions are often carried out unconsciously. Such teaching patterns are important for teachers as well as for students as they structure lessons and provide security. However, if they are likely to be detrimental to the development of students, they must be changed. The aim of the current study is to identify culturally specific teaching patterns as well as teaching patterns between lower and upper secondary classes, by a comparison between students in Germany and Sweden followed by comparing teaching practices within several grades in Germany. This was achieved using video analysis to investigate the teaching practices used during the phases of Scientific Inquiry. During the analysis, further characteristics of quality were assessed. Further attention was paid to whether the implementation of Scientific Inquiry was related to the views of the nature of science held by the teachers and students. The analyses showed that the implementation of Scientific Inquiry differs more between Germany and Sweden than between grades. Swedish teachers focus on the investigation and the subordinate planning phase. Teachers of the German lower secondary classes focus more on other phases of Scientific Inquiry, such as formulating hypotheses and evaluation and interpretation. Although the focus of the lessons was given, content knowledge was often a particular focus in the German lower secondary classes. In German upper secondary grades it was apparent that a lot of time was spent enabling students to set up experiments on their own. This is presumably due to the higher complexity of the experimental work. In general, time is seldom spent on formulating scientific questions and reflecting on the scientific investigations. A major conclusion that can be derived from this study is that the support of a holistic, explicit and open implementation of the teaching of Scientific Inquiry remains indispensable in school and in teacher training.

Die Untersuchungen der nichtskalierbaren Eigenschaften von Clustern in dem Größenregime, in dem jedes Atom zählt, zeigten, daß hier neuartige Phänomene und Funktionalität entstehen können. Dadurch motiviert wurden in dieser Arbeit: i) strukturelle und elektronische Eigenschaften sowie die Reaktivität von Metall Clustern, ii) stationäre optische Eigenschaften und iii) zeitabhängige Eigenschaften und optimale Kontrolle von ultraschnellen Prozessen in Edelmetallcluster und in nonstoichiometrischen Natrium-Fluorid Cluster, untersucht. / The study of the nonscalable properties of clusters in the size regime in which each atom counts have shown that fully new phenomena and striking new unexpected properties of small clusters can emerge. In this work three aspects have been addressed: i) the structural and electronic properties and reactivity of metal clusters, ii) stationary optical propertis and iii) real time investigation and control of ultrafast processes in noble metal and in nonstoichiometric sodium fluoride clusters.

Um hochsensitive räumliche Auflösung zu erreichen, wurden oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) und spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie (TERS) weiterentwickelt. Das grundlegende Funktionsprinzip ist jedoch noch nicht vollständig verstanden und auch Experimente dazu fehlen teilweise. In dieser Arbeit habe ich zuerst Gap-mode TERS eingesetzt, bei welcher ein starkes elektromagnetisches Feld es ermöglicht, dünne Schichten von sehr schwach streuenden Molekülen zu untersuchen. Mit der Nanometerauflösung von TERS konnte ein auf der Goldoberfläche spontan phasen-getrennten, gemischtes Thiolsystem räumlich aufgelöst werden, während STM die Nanodomänen nicht über ihre Höhenunterschiede erkennen konnte. Neue Studien deuten auf eine Raman-Verstärkung durch Graphen und Flachgold aufgrund eines chemischen Mechanismus hin. Kupfer Phthalocyanin (CuPc)-Moleküle zwischen Graphen und einer flachen Goldoberfläche erlauben Elektronenübertragungen in beide Richtungen und damit stellt sich die Frage, ob chemische Verstärkungen von SERS zueinander addiert werden können. Die Ergebnisse deuten auf eine Kopplung von den zwei einzelnen Oberflächen hin. Es wurde eine 68-fache Verstärkung von geschichtetem CuPc zwischen Graphen und Gold beobachtet, jeweils bezogen auf CuPc auf Glimmer. Zuletzt wurde mittels TERS diese Schichtstruktur untersucht. Moleküle, die sich auf der Goldoberfläche selbstanordnen und mit Graphen bedeckt worden sind, fungieren als optische Sensoren, bei welchen die Graphenverkapselung die Moleküle beschützt. Außerdem kann eine sehr hohe Raman-Verstärkung mit großer lokaler Auflösung aufgrund der kombinierten Effekte von SERS und TERS herbeigeführt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Spitze, die Graphen-verstärkte Raman-Streuung (GERS) zusätzlich um vier Größenordnungen verbessern kann, aber Gap-mode TERS abschirmt. / The quest to achieve ultrahigh sensitivity, surface specificity and high spatial resolution has led to the development of plasmon- and chemically- enhanced Raman spectroscopy, including techniques such as surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) and tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS). However, a lack of fundamentally experimental demonstrations still remains. In this thesis, I firstly used gap-mode TERS, which allows studying even molecularly thin layers of very weakly scattering molecules. With the nanoscale spatial resolution provided by TERS, the spontaneous segregation in a mixed thiol system on a gold surface could be resolved, while scanning tunneling microscopy (STM) could not discern the nanodomains via their apparent height difference. Furthermore, since graphene and a flat gold surface both were known to provide some Raman enhancement through mainly a chemical mechanism, sandwiching copper phthalocyanine (CuPc) molecules between graphene and a flat gold surface allowed electrons to be transferred in both directions, and thereby to address the question whether chemical enhancements with different origins in SERS can add to each other. The results suggest that the chemical enhancements were influenced by the two individual surfaces, and a 68-fold enhancement of sandwiched CuPc between graphene and gold was observed, as compared to CuPc on mica. Last, TERS was applied to study this sandwiched structure. Molecules self-assembled on a gold surface and covered by transferred graphene acted as optical probes. Such an arrangement has interesting properties in the sense that molecules are protected and encapsulated by graphene. Also, a possible ultrahigh Raman enhancement together with localized spatial resolution may be achieved due to the combined effects from SERS and TERS. The results showed that a tip can improve graphene-enhanced Raman scattering (GERS) further by 4 orders of magnitude, but graphene exerts some shielding effect to gap-mode TERS.

Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Arbeit richtet sich auf die Untersuchung der photophysikalischen Eigenschaften von Derivaten von N,N-Dimethylaminobenzonitril (DMABN) und N-Phenyl-pyrrolobenzonitril (PBN) als Donor-Akzeptor Verbindungen. Die untersuchten Verbindungen zeichnen sich durch Einführung von Fluor-Substituenten durch eine erhöhte Akzeptorstärke aus, wodurch neue Erkenntnisse bzgl. der intramolekularen Charge-Transfer-Zustände (ICT) gewonnen werden konnten. Hierbei wurden die Ergebnisse zum Verhalten der untersuchten Moleküle im angeregten Zustand mit denen der entsprechenden Basisverbindungen verglichen. Die spektroskopischen und photophysikalischen Eigenschaften wurden sowohl durch die Anwendung der stationären und zeitaufgelösten Fluoreszenzspektroskopie bei Raum- und Tieftemperatur als auch durch Nutzung der transienten Absorptionsspektroskopie in Kombination mit quantenchemischen Berechnungen untersucht. Im Unterschied zu den Basisverbindungen DMABN und PBN zeigen die Spektren der fluorierten Derivate nur eine einzige stark rotverschobene Fluoreszenzbande, die dem ICT-Zustand zugeordnet werden kann. Die extrem kleinen Quantenausbeuten, die typisch für alle fluorierten Derivate sind, können auf die Existenz eines weiteren strahlungslosen Deaktivierungskanals zurückgeführt werden. Der beobachtete ICT kann mit dem TICT-Modell (Twisted intramolecular Charge Transfer), bei dem von einer gegenseitigen Verdrillung der Donor- und Akzeptoreinheiten ausgegangen wird, erklärt werden. Weiterhin wurden die Variation der Verknüpfungsposition zwischen Donor- und Akzeptoreinheit sowie der Einfluss zusätzlicher Akzeptor-Substituenten auf die Eigenschaften der ICT-Zustände untersucht. Durch die Ergebnisse dieser Arbeit konnte ein vertieftes Verständnis über die Ladungstrennungsprozesse in Donor-Akzeptor-Systemen, die sich durch eine starke Solvatochromie und die Existenz von strahlungslosen Deaktivierungskanälen auszeichnen, entwickelt werden. Es konnte die Möglichkeit der Besetzung von zwei verschiedenen ICT-Zuständen (TICT – verboten, mesomerer ICT – erlaubt) gezeigt werden. / The focus of this work is mainly concerned with the investigation of photophysical properties of electron donor-acceptor compounds, namely, derivatives of N,N-dimethylamino benzonitrile (DMABN) and N-phenyl-pyrrolobenzonitrile (PBN). New insights into the intramolecular charge transfer (ICT) states were obtained while dealing with an acceptor moiety of increased strength in the form of fluorinated analogues of both these compounds. The molecules studied in this work have been compared with their corresponding parent compounds to get more useful information on the excited state behaviour. The spectroscopic and photophysical properties were studied using steady-state and time-resolved fluorescence at room and low temperature as well as with transient absorption spectroscopy in conjunction with quantum chemical calculations. Unlike in the parent compounds DMABN and PBN, their fluorinated derivatives show only a single strongly red-shifted fluorescence emitted from the ICT state, and possess low quantum yields. The nearly non-fluorescent behaviour for all of these fluorinated derivatives investigated is due to the presence of a photochemical mechanism additional to that of ICT, which acts as a new non-radiative funnel. The ICT observed in these compounds can be explained by twisting motion taking place between the donor and acceptor moieties. Thus, twisted intramolecular charge transfer (TICT) model supports the observations. Apart from the changes in the strength of the acceptor moieties, the ICT nature has been further explored by changing their linking positions as well as with additional acceptor substituents. From the findings obtained in this work, a deeper understanding of the charge separation processes occurring in donor-acceptor systems with high solvatochromism and non-radiative decay properties was obtained. The possibility for populating two different ICT states (of forbidden nature – TICT, and allowed nature – mesomeric ICT) has been exemplified.

Die markierungsfreie Detektion von molekularen Wechselwirkungen mittels Feldeffekt-basierter Sensoren ist eine vielversprechende Strategie zur Entwicklung einer neuen Generati-on von Biochips mit direkter elektrischer Auslesung und somit geeignet für schnelle, einfache und kostengünstige Analysen. In dieser Arbeit wurde als Transducer eine kapazitive Elektrolyt-Isolator-Silizium- (EIS) Struktur zur markierungsfreien elektrischen Detektion geladener Makromoleküle anhand ihrer intrinsischen Ladung verwendet. Als Modellsystem für die Untersuchung der im EIS-Sensor durch die Ausbildung „planarer“ bzw. „brush“-ähnlicher Molekülschichten induzierten Effekte wurden Polyelektrolyt-Multischichten (PEM) bzw. DNA-Moleküle verwendet. Die Adsorption der positiv und negativ geladenen Polyelektrolyt-Schichten an die Sensor-Oberfläche, sowie der Einfluss der Polyelektrolyt-Konzentration, der Ionenstärke und der Art des Elektrolyten auf das EIS-Signal wurden elektrochemisch untersucht. Zusätzlich wurde die Ausbildung der PEM physikalisch unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskopes und der Ellipsometrie charakterisiert. Basierend auf Silizium-Isolator-Silizium-Strukturen wurde zum ersten Mal ein Mikroarray mit „Nanoplate“ EIS-Sensoren entwickelt, die alle auf einem einzigen Chip integriert waren. Dies ermöglicht mittels differenzieller Messanordnungen eine verlässliche Detektion der DNA-Hybridisierung bzw. -Denaturierung. Die Eigenschaften des Biosensors wurden durch Verwendung von Gold-Nanopartikeln für die Immobilisierung der DNA auf der Sensorober-fläche sowie durch eine niedrige Salzkonzentration im Messpuffer entscheidend verbessert. Die Ergebnisse dieser neuen Vorgehensweise wurden mittels Fluoreszenz-Mikroskopie vali-diert. Darüber hinaus wurde ein elektrostatisches Modell für einen EIS-Sensor mit einer „planaren“ und einen weiteren, mit „brush“-ähnlicher Molekularschicht entwickelt. Das Modell prognos-tiziert eine starke Abhängigkeit der Sensorsignalstärke von der Elektrolytkonzentration, der Ladungsdichte auf der Oberfläche und dem Abstand zwischen geladener Schicht und Sensor-oberfläche. Die Prognosen stimmten durchweg gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. / Label-free detection of molecular interactions utilizing field-effect devices is one of the most attractive approaches for a new generation of biochips with direct electrical readout for a fast, simple and cost-effective analysis. In this study, a capacitive electrolyte-insulator-semiconductor (EIS) structure was used as transducer for the label-free electrical detection of charged macromolecules via their intrinsic charge. Polyelectrolyte multilayers (PEM) and DNA molecules were utilized as model systems to study the charge effects induced in EIS sensors by the formation of “planar”- and “brush”-like molecular layers, respectively. The layer-by-layer adsorption of positively and negatively charged polyelectrolyte (PE) layers onto the sensor surface as well as the influence of PE concentration, ionic strength and type of the applied electrolyte on the EIS sensor signal was electrochemically studied. In addition, the PEMs build-up was physically characterized using atomic force microscopy, scanning electron microscopy and ellipsometry. An array of on-chip integrated nanoplate EIS sensors based on a silicon-on-insulator structure was developed for the first time, enabling the reliable detection of DNA hybridiza-tion/denaturation in a differential measurement setup. Enhanced DNA biosensor characteris-tics were achieved by the immobilization of DNA molecules on the sensor surface via Au-nanoparticles and used low-concentrated buffer solution for the measurements. The results of this novel approach were validated by means of the fluorescence microscopy method. Furthermore, an electrostatic model for an EIS sensor modified with “planar”- and “brush”-like molecular layers was developed. The model predicts a strong dependence of the sensor signal on the electrolyte concentration, surface charge density and the distance between the charged layer and the sensor surface. This is consistently agreeing with the experimental re-sults.

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines Twinribozyms, das durch zweifache Spaltung und anschließende zweifache Ligation den Fragmentaustausch innerhalb einer RNA-Substratsequenz katalysiert. Als Basis für dieses Konzept diente das Hairpinribozym, das durch die Einführung einer zusätzlichen Helix derart verändert wurde, dass die Verknüpfung zweier Einheiten in einem Twinribozym möglich wurde. Weitere Sequenz- und Strukturoptimierung führte zu zwei Einzelmotiven mit hoher Substratselektivität und verbesserter Kofaktorakzeptanz. Durch die Verwendung von 5-Benzylmercapto-1H-tetrazol als Aktivator beim Standard-Phosphoramidit-Verfahren konnte die chemische RNA-Synthese in einem Umfang verbessert werden, der die Synthese eines Twinribozyms mit einer Länge von 141 Nukleotiden und beidseitiger Spaltaktivität erlaubte. Auf enzymatischem Weg wurde ein Twinribozym HP-TW5 synthetisiert, das aus einem 45-mer RNA-Substrat ein 16-mer Fragment herausschneidet und durch ein 20-mer Reparaturfragment ersetzt. Das nach Ligation in bis zu 30 % Ausbeute entstandene 49-mer Produkt wurde durch Sequenzanalyse eindeutig nachgewiesen. Auf diese Weise konnte die Reparatur einer Deletionsmutation in einer Modellreaktion erfolgreich durchgeführt werden. Die Twinribozym-vermittelte RNA-Reparatur bietet damit einen neuartigen Zugang zu gentherapeutischen Anwendungen. / Aim of this work was the development of a twin ribozyme that catalyses the fragment exchange within a RNA substrate sequence by twofold cleavage and subsequent twofold ligation. The hairpin ribozyme, serving as basis for this concept, was changed by introduction of an additional helix in a way, that connection of two units in a twin ribozyme became possible. Further sequence and structure optimization led to two different motifs with high substrate selectivity and improved activity under different cofactor conditions. By application of 5-Benzylmercapto-1H-tetrazole as activator in the standard phosphoramidite method, chemical RNA synthesis could be highly improved, allowing synthesis of a Twinribozyme with a length of 141 nucleotides and cleavage activity of both units. The enzymatically synthesised twin ribozyme HP-TW5 was used to cut out a 16-mer fragment from a 45-mer RNA substrate and replace it with a 20-mer repair fragment. The chemical identity of the 49-mer repair product, resulting from ligation in up to 30 percent yield, was proven by sequence analysis. With this model reaction, the repair of a deletion mutation could be successfully demonstrated. Twin ribozyme-mediated RNA-repair offers access to new applications in gene therapy.

Im Rahmen dieser Dissertation wurde die säurekatalysierte Tandem-Aldol-MPV-Reaktion zur Darstellung von 1,3-Diolethern als Eintopfverfahren entwickelt. Dabei konnte ein Syntheseprotokoll entwickelt werden, das durch geschickte Wahl der Reaktionspartner, eines Katalysatorsystems aus LiClO4/ Trifluoressigsäure und geeigneter Reaktionsbedingungen ermöglichte, die klassische dreistufige Synthese von 1,3-Diolethern auf ein effizientes Eintopfverfahren zu reduzieren. Die Kombination mit umfangreichen mechanistischen Untersuchungen ermöglichte erstmals die Entwicklung einer asymmetrischen Variante der Tandem-Aldol-MPV-Reaktion. Dabei hat sich eine Kombination von chiralem Menthol und Methanol bewährt, wodurch die Reaktion mit hoher Chemoselektivität und ohne Konkurrenzreaktionen abläuft. Mit Hilfe dieser neuen Reaktionsbedingungen der asymmetrischen Tandem-Aldol-MPV-Reaktion gelang erstmals die Synthese von chiralen 1,3-Diolethern mit sehr guter Regio- und guter bis sehr guter Diastereo- und Enantioselektivität. Bemerkenswert ist die Möglichkeit der Steuerung der asymmetrischen Synthese und damit des selektiven Zugangs zu jeweils einem Enantiomer durch Variation zwischen (-)- bzw. (+)-Menthol. Als Erweiterung gelang erstmals eine intramolekulare Tandem-Aldol-MPV-Reaktion mit der Synthese verschieden substituierter pentacyclischer 1,3-Diolether. Auch hier gelang die Synthese ausgehend von zuvor synthetisierten Dialdehyden in einer Eintopfreaktion mit sehr hoher Diastereoselektivität. Auf dem zweiten großen Gebiet der Dissertation konnte eine neue innovative Syntheseroute zu Verbindungen in der Thiochromanreihe mit völlig neuartigem Substitutionsmuster entwickelt werden. Es gelang die Entwicklung einer milden Eintopfsynthese, die die Synthese hochsubstituierter anti-konfigurierter Thiochromane ermöglicht. Dabei gelang die Synthese eines Thiochromans ausgehend von racemischen Edukten, in dem stereoselektiv drei benachbarte Stereozentren aufgebaut wurden. / In this thesis, the acid-catalyzed tandem-aldol-Meerwein-Ponndorf-Verley-reaction for the preparation of 1,3-diolethers was developed. By handy choice of the reactants, the LiClO4/ trifluoroacetic acid catalyst system and appropriate reaction conditions an efficient one-pot-reaction protocol has been established. The development of an asymmetric execution was enabled by employing extensive mechanistic examinations. Consequently, a combination of chiral menthol and methanol leads to products with high chemoselectivities and without occurrence of competitive reactions. For the first time, by employing the novel optimized synthetic scheme for the asymmetric tandem-aldol-MPV reaction, chiral 1,3-diolethers have been prepared with very high regio- and moderate to very high diastereo- as well as enantioselectivity. Moreover, an opportunity for controlling asymmetric synthesis by variation of (-)- and (+)-menthol was developed. Hence, a selective access to the desired enantiomer is given. In continuative work an intramolecular tandem-aldol-MPV-reaction for the preparation of highly substituted penta-cyclic 1,3-diolethers was developed. Also in this case, the reaction was realized as an one-pot reaction with high anti-diastereoselectivity. The second chapter of this thesis describes a new innovative synthesis of thiochromans with completely unknown substitution pattern. We were able to establish a mild one-pot synthesis of highly substituted anti-configured thiochromans. As a special highlight we suceeded in the steroeselective synthesis of a thiochroman with three adjacent stereogenic centers starting from racemic educts.