Described herein, is the synthesis and coordination chemistry of eight novel ligands L1-L8, and the solid state studies of diphenylcarbazide and dithizone. These ligands form metallosupramolecular assemblies upon coordination of transition metal ions resulting in a wide range of architectures. Described in chapter two is a series of ligands that contain both N-donor and N-oxide donor atoms, L1-L4. Reaction of L1 with Cu2+ results in the formation of a mononuclear complex [Cu(L1)(ClO4)2(sol)] (solvent = MeCN or H2O), whereas L2 forms the dinuclear double helicate [Ni2(L2)2]4+ with Ni2+. Reaction of L3 with Cu2+ results in the formation of a head-to-tail dinuclear double helicate [Cu2(L3)2]4+. The N-oxide units imparts flexibility in the ligand strand and where the unoxidised ligand strand forms a circular helicate, the incorporation of an N-oxide unit allows the formation of the dinuclear double helicate. Reaction of L4 with Co2+ results in the formation of a tetranuclear circular helicate [Co4(L4)4]8+. Analogous complexes that contain ligands with a 1,3-phenyl spacer unit give pentanuclear circular helicates, whereas with a 1,3-phenol spacer the lower tetranuclear species is observed. The difference in the nuclearity of the circular helicates is due to the steric bulk of the methyl group on the central phenol spacer. In the dinuclear double complex formed with L3 the N-oxide unit allows the ligand to flex, whereas the steric bulk of the –OH unit in L4 is sufficiently large that even with the added flexibility that the N-oxide units imparts a double helicate cannot be formed. Chapter three introduces a new class of polydentate ligands, L5-L7, these ligands consist of N-donor domains separated by a 1,3-phenol unit. The ligand L5 contains two identical tridentate N-donor domains, reaction of L5 with Zn2+ results in a tetranuclear circular helicate [Zn4(L5)4]8+. Within the structure all four Zn2+ ions are six-coordinate, arising from the coordination of two tridentate domains from two different ligand strands. Reaction of L6 with Ag+ results in the formation of the dinuclear double meso-helicate [Ag2(L6)2]2+. Reaction of L6 with Cd2+ produces a crystalline material that consists of both colourless and orange species. The colourless crystals correspond to the mononuclear complex [Cd(L6)2(MeCN)2]2+, whereas the orange crystals produce the dinuclear double meso-helicate [Cd2(L6)2]2+. This variation in self-assembly is a direct result of the –OH unit on the 1,3-phenol spacer; if the -OH unit is protonated the oxygen atom can only coordinate once and therefore the mononuclear complex forms, however deprotonation of one of the -OH unit results in the oxygen coordinating twice as a bridging donor to form the dinuclear complex. Both the [Cd(L6)2(MeCN)2]2+ and [Cd2(L6)2]2+ species are present in solution, under equilibrium conditions, varying the stoichiometry alters the predominant species. The ligand L7 is unsymmetrical, upon reaction with Co2+ the ligand partitions into two different binding sites; a tridentate N-donor domain and a tridentate domain consisting of the bidentate N-donor domain and the O-donor atom from the central 1,3-phenol spacer. The resulting dinuclear HH-[Co2(L7)2]3+ complex demonstrates that the two cobalt metal centres occupy different binding sites. Examining the solid state X-ray crystallographic data suggests that the two cobalt metal centres in the [Co2(L7)2]3+ complex occupy different oxidation states; Co2+ and Co3+ to give a mixed valence helicate. In an analogues fashion to L6, reaction of L7 with Zn2+ produces a crystalline material that consists of both colourless and orange species. The colourless crystals correspond to the mononuclear complex [Zn(L7)2]2+, whereas the orange crystals produce the dinuclear double helicate [Zn2(L6)2]3+. In the mononuclear [Zn(L7)2]2+ species the Zn2+ metal centre is coordinated by the tridentate N-donor domain of two different ligands. In the dinuclear [Zn2(L6)2]3+ species each Zn2+ metal centres is coordinated by the tridentate N-donor domain of one ligand and the tridentate domain, consisting of the bidentate N-donor and the O-donor from the central 1,3-phenol spacer, from another different ligand. The variation in the self-assembly is a direct result of the stoichiometry of the reaction; the formation of these two complexes is under the same equilibrium conditions of the previous L6 structures. Described in chapter four is the potentially pentadentate N-donor ligand L8, which comprises of a bidentate and tridentate binding domains separated by a 1,3-pyrene spacer. Reaction of L8 with Cu2+ results in the formation of a tetranuclear circular helicate [Cu4(L8)4]8+. Each of the Cu2+ ions adopts a 5-coordinate geometry formed by the coordination of the bidentate domain of one ligand strand and the tridentate domain of a different ligand strand, resulting in a head-to-tail tetranuclear circular helicate. The formation of this head-to-tail circular helicate is a result of the 1,3-pyrene spacer preventing the formation of the linear double stranded assemblies and secondly the stereoelectronic preference of Cu2+. Chapter five reports the solid state studies of diphenylcarbazide and dithizone, which are both useful reagents for the colorimetric determination of a variety of different metal ions. Examination of the scientific literature over the past 100 years shows that the coordination chemistry of DPC and DPTC is inconsistent, with literature sources proposing contradictory and non-definitive explanations, this chapter aims to extend the knowledge surrounding these reagents by isolating crystals. DPC reacts with Cd2+ to form the mononuclear species [Cd(DPC)2]2+ the two ligands are coordinating through both the N-donor and O-donor domains. The discrepancies surrounding the DPC reaction is whether the redox reactions between the metal and ligand occur, upon reaction of DPC and Cd2+ the metal does not oxidise the ligand. Reaction of DPC and Cu2+ is more complex than the previous Cd2+ reaction, the resulting [Cu3OH(OH2)3(DPTO)6]5+ structure comprises of six ligands and three metal ions. DPC undergoes oxidative intramolecular cyclisation to form the nitrogen containing heterocycle 2,3-diphenyltetrazolium-5-olate (DPTO) and coordinates the Cu2+ metal centre in two different modes: via both the oxygen and amide nitrogen atoms or by the bridging carbonyl unit. The [Cu3OH(OH2)3(DPTO)6]5+ structure is also generated when reacting DPCO with Cu2+. Unfortunately a crystal of a chromium or vanadium complex with DPC was not achieved; however the cyclised ligand was isolated, highlighting that the oxidation and cyclisation of DPC is important in the coordination chemistry of these ions. Reaction of the sulphur derivative DPTC with various metal ions results in the deprotonation of the ligand to form the monoanionic species, which coordinates the metal ions via the S-donor and azo N-donor atoms. Reaction of DPTC with Hg2+ to form the mononuclear complex [Hg(DPTC)2]. The simple mononuclear complex involves two DPTC ligands coordinating the four-coordinate Hg2+ ion as a bidentate donor via the N-donor and S-donor atoms. The reaction of DPTC with both Hg2+ and Ag+ results in an interesting structure containing two Ag+, two Hg2+ and four DPTC ligands. The DPTC appears to first react with Hg2+ to form the previous [Hg(DPTC)2] complex, this then acts as a bidentate ligand, coordinating via the S-donor atom and the Hg2+ itself to form the [Hg2Ag2(DPTC)4(acetone)2(ClO4)2] complex. The reaction of DPTC with Cu2+, whether the anion is perchlorate or tetrafluoroborate, results in a very interesting structure, which comprises of eight DPTC ligands and eight Cu+ metal ions. The reaction of Cu2+ with DPTC results in the metal ion reducing to Cu+ and simultaneously the DPTC deprotonates to form the monoanionic form. The counter-anion acts as a template and the formation of the “Cu8” is a result of the presence of the anion. Reaction of copper (II) acetate with DPTC results in the [Cu2(DPTC)2(DPTCO)] complex. The structure contains three ligands and two reduced distorted tetrahedral Cu+ ions. Each Cu+ ion has four-coordinate geometry arising from the coordination of two different forms of the DPTC ligands. Two of the ligands present are the monoanionic DPTC, coordinating via the S-donor and terminal N-donor azo atoms. Whereas the third ligand has completely oxidised to form DPTCO, coordinating via both the terminal N-donor azo N-donor atoms, the sulphur atom bridges both of the metal ions.

Matrix assisted laser desorption/ionisation mass spectrometry (MALDI-MS) for small molecule analysis has been plagued with inherent problems associated with matrix interference. The matrix plays an important role in MALDI-MS where it has the ability to absorb UV energy from the laser employed and transfer it to the analyte, acts as a proton donor and protecting the analytes from being obliterated. For decades, research has been performed to eradicate matrix interference by matrix avoidance, finding alternative matrices, suppression through sample preparation methods and via chemical modification.In this investigation a number of the above mentioned approaches have been undertaken. First, a mesoporous silica powder, SBA-16, functionalised with a phenyl group to absorb UV from the MALDI-MS laser gave unfruitful results due to inhomogeneous dispersion of the SBA-16 powder. Therefore the same material was prepared but as a thin film and a homogeneously coated surface was generated with the phenyl group incorporated into the silica and this was compared with a conventional matrix, 2,5-dihydroxybenzoic acid (DHB). This was by far the most sensitive method which was accurate, with little background noise and importantly for small molecule analysis clear of matrix interference. Other surface systems were also tested such as graphene on copper and silver on copper, but the functionalised SBA-16 thin film remained the best. Graphite and 2B pencil were also investigated for MALDI-MS but were compared with conventional matrices (DHB and α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA)) in a functional genomics study. The ability of all methods to find subtle phenotypic differences in various yeast strains was assessed with the help of multivariate data analysis (MVDA). Although DHB came out best, 2B pencil produce notably good separations that correlated nicely with the different genotypes. Therefore in addition to conventional matrices, 2B pencil should be considered for functional genomic studies when MALDI-MS is used as it is such a rapid and inexpensive method. Finally, chemical modifications were performed on amino acids where picolinic acid was used to attach a chromophore to the compounds, therefore, allowing UV absorption from the laser. Upon attaching the picolinate UV absorbing group, the amino acid compounds were detected LC-MS at an increased intensity of 10 to 100-fold. Moreover, enhanced separation in LC-MS was also observed.This project has successfully investigated alternative approaches to matrix-free MALDI-MS analysis. Functionalised SBA-16 thin films were by far the best method and this novel surface for MALDI-MS has the potential to transform small molecule analysis.

No description available.

Des couches minces co-deposées de Titanium Zirconium Vanadium (TiZrV) sont utilisés dans les accélérateurs de particules et les sources de lumière synchrotron pour maintenir les conditions d’ultravide. Elles sont pulvérisés sur les parois internes des chambres à vides, transformant celles-ci en « pompe chimique de gaz ». La tendance dans la conception d’accélérateurs d’électrons consiste à approcher les pôles des aimants de direction au plus près du faisceau d’électrons. Cela implique la réduction du diamètre des tubes hébergeant le vide et nécessite l’utilisation de très petits diamètres pour les chambres à vide. L’application du dépôt par vaporisation physique (PVD) dans un aussi faible diamètre devient alors très difficile. Le but de ce projet est de développer une nouvelle procédure de dépôt couplé à l’assemblage, en utilisant un mandrin sacrificiel en aluminium comme substrat de la couche mince en même temps que la création autour de lui de la chambre à vide elle-même par électroformage de cuivre. La première partie de l’étude concerne la production et la caractérisation de chambre de cuivre électroformées. La robustesse mécanique de l’assemblage complet a été validée, et les caractéristiques du film lui-même sont etudièes par microscopie électronique à balayage (MEB), diffraction des rayons X (DRX), spectrométrie de fluorescence-X (XRF) et spectrométrie de photoélectrons X (XPS). De plus, les performances de « pompage chimique des gaz » des nouvelles chambres à vide ainsi élaborées sont mesurées et comparées avec des valeurs de références de revêtements déposés par des procédures classiques dans des tubes de plus grand diamètres. La deuxième partie de l‘étude concerne l’évaluation des impuretés incluses lors des différentes étapes du procédé : le revêtement PVD, l’électroformage et l’étape de dissolution chimique du mandrin. La spectrométrie de désorption thermique et les profils de composition en épaisseur par XPS permettent de quantifier les impuretés dans le cuivre électroformé et dans le film de TiZrV. De plus, la présence d’hydrogène emprisonné dans le cuivre électroformé est étudiée à partir de différents bains à base de sulfate de cuivre. L’un d’entre eux, sans additifs, nécessite l’utilisation de courants pulsés. Le comportement électrochimique du bain permet la sélection de différents paramètres de séquences de pulses, dérivées de situations typiques des courbes transitoires. Finalement, le développement de prototypes de taille réelle a été atteint avec la création de chambres à vide revêtues de TiZrV de 2 mètres de long et 4mm de diamètre, ce qui n’a pas d’équivalent à ce jour. / Titanium Zirconium Vanadium (TiZrV) thin film coatings are used in particle accelerators and synchrotron light sources to maintain ultra-high vacuum conditions. They are deposited on the internal walls of the vacuum chambers, transforming them from a gas source into a chemical pump. The trend in electron accelerators design consists in approaching the poles of the steering magnets close to the electron beam. This implies reducing the bore hosting the vacuum chamber and using very small diameter vacuum pipes. The application of physical vapor deposition (PVD) in such small diameter chambers becomes then very difficult. The aim of this project is to develop a novel procedure of coating/assembly, using a sacrificial aluminium mandrel as substrate of the thin film together with the creation of a surrounding copper chamber by electroforming. The first part of the study deals with the production and characterization of the electroformed chambers. The mechanical robustness of the assembly is checked, and the film characterization is performed by secondary electron microscopy (SEM), X-ray diffraction analysis (XRD), X-ray Fluorescence Spectroscopy (XRF) and X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Moreover, the pumping performance is measured and compared with reference values of coatings produced by the standard PVD technique. The second part of the study evaluates the impurities included during the different steps of the process: PVD coating, electroforming and chemical etching of the mandrel. Thermal desorption spectroscopy and XPS depth profiling allow to quantify the impurities in the electroformed copper and the TiZrV thin film. Furthermore, the presence of hydrogen trapped in the electroformed copper is studied for different copper sulphate baths. One of them, without additives, require the use of pulse currents. The electrochemical behaviour of the bath allows the selection of different pulse parameters, derived from typical situations on the transient curves. Finally, the development of real-scale prototypes was achieved with the creation of a 4 mm diameter, 2 meters TiZrV coated vacuum chamber, which is unrivalled up to date.

The aim of this work was to investigate older, established drugs. The extent of the protein binding of chiral ephedra alkaloids to AGP and of ketamine to albumin was determined. Since enantiomers of these drugs are individual available, the focus was on possible enantioselective binding and structural moieties involved in the binding. Previously published work suggested that ephedrine and pseudoephedrine can bind stereoselectively to proteins other than albumin in serum. For the determination of the extent of protein binding, the established ultrafiltration with subsequent chiral CE analysis was used. To determine the influence of basicity on binding, the drugs methylephedrine and norephedrine were also analyzed. Drug binding to AGP increased with increasing basicity as follows: norephedrine < methylephedrine < ephedrine < pseudoephedrine. pKaff was determined both graphically using the Klotz plot and mathematical indicating a low affinity of the ephedra alkaloids to AGP. Using STD-NMR spectroscopy experiments the aromatic protons and the C-CH3 side chain were shown to be most strongly involved in binding, which could be confirmed by molecular docking experiments in more detail. For all drugs, van der Waals-, π π , cationic interactions, hydrogen bonds, and a formation of a salt bridge were observed. The individual enantiomers showed no significant differences and thus the binding of ephedra alkaloids to AGP is not significant. In contrast to the ephedra alkaloids, the possible enantioselective binding to albumin was investigated for R and S ketamine. Again, ultrafiltration followed by CE analysis was performed. The binding of ketamine to one main binding site could be identified. A non-linear fit was used for the determination of pKaff. Using the NMR methods STD-NMR, waterLOGSY-NMR, and CPMG-NMRspectroscopy: the aromatic protons as well as the protons of the NCH3 methyl group showed the largest signal intensity changes, while the cyclohexanone protons showed the smallest changes. pKaff was also determined by the change in the chemical shift at different drug-protein ratios. These obtained values confirm the values obtained from ultrafiltration. Based on this, ketamine is classified as a low-affinity ligand to albumin. There were no significant differences between the individual enantiomers and thus the binding of ketamine to albumin is not a stereoselective process. Using statistical design of experiments an efficient chiral CE method for determining the extent of protein binding of R and S ketamine to albumin was developed and validated according to ICH Q2 (R1) guideline. The stability of ketamine was also investigated because a yellowish discoloration of an aqueous solution of ketamine developed under heat. XRPD investigations showed the same crystal structure for all batches examined. An untargeted screening using LC HRMS as well as LC UV measurements showed no degradation of ketamine or the presence of impurities in stress and non-stressed ketamine solutions, confirming the stability of ketamine under the stress conditions investigated. The lower the quality of the water used in the stress tests, the more intense the yellow discoloration occurred. The impurity or the mechanism that causes the yellow discoloration could not be identified. / Ziel dieser Arbeit war es ältere, etablierte Arzneistoffe zu untersuchen. Das Ausmaß der Proteinbindung von chiralen Ephedra-Alkaloiden an AGP und von Ketamin an Albumin wurde bestimmt. Da Enantiomere dieser Wirkstoffe individuell verfügbar sind, lag der Fokus auf möglichen enantioselektiven Bindungen und strukturellen Funktionalitäten, die an der Bindung beteiligt sind. Zuvor veröffentlichte Arbeiten deuteten darauf hin, dass Ephedrin und Pseudoephedrin stereoselektiv an andere Proteine als Albumin im Serum binden können. Zur Bestimmung des Ausmaßes der Proteinbindung wurde die etablierte Ultrafiltration mit anschließender chiraler CE-Analyse eingesetzt. Um den Einfluss der Basizität auf die Bindung zu bestimmen, wurden auch die Wirkstoffe Methylephedrin und Norephedrin analysiert. Die Bindung des Wirkstoffs an AGP nahm mit zunehmender Basizität wie folgt zu: Norephedrin < Methylephedrin < Ephedrin < Pseudoephedrin. pKaff wurde sowohl grafisch mit Hilfe des Klotz-Plots als auch mathematisch bestimmt, was auf eine geringe Affinität der Ephedra-Alkaloide zu AGP hinweist. Mittels STD-NMR Spektroskopie Experimenten konnte gezeigt werden, dass die aromatischen Protonen und die C-CH3-Seitenkette am stärksten an der Bindung beteiligt sind, was durch molekulare Docking-Experimente detailliert bestätigt werden konnte. Für alle Wirkstoffe wurden van-der-Waals-, π π , kationische Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen und die Bildung einer Salzbrücke beobachtet. Die einzelnen Enantiomere zeigten keine signifikanten Unterschiede, so dass die Bindung von Ephedra-Alkaloiden an AGP nicht signifikant ist. Im Gegensatz zu den Ephedra-Alkaloiden wurde die mögliche enantioselektive Bindung an Albumin für R und S Ketamin untersucht. Auch hier wurde eine Ultrafiltration mit anschließender CE-Analyse durchgeführt. Die Bindung von Ketamin an eine Hauptbindungsstelle konnte identifiziert werden. Für die Bestimmung von pKaff wurde eine nichtlineare Anpassung verwendet. Mit den NMR-Methoden STD-NMR, waterLOGSY NMR und CPMG-NMR Spektroskopie zeigten sowohl die aromatischen Protonen als auch die Protonen der NCH3-Methylgruppe die größten Änderungen der Signalintensität, während die Cyclohexanon-Protonen die geringsten Änderungen afuwiesen. pKaff wurde auch durch die Änderung der chemischen Verschiebung bei verschiedenen Wirkstoff-Protein-Verhältnissen bestimmt. Die Werte bestätigen die durch die Ultrafiltration erhaltenen Werte. Auf dieser Grundlage wird Ketamin als Ligand mit niedriger Affinität zu Albumin eingestuft. Es zeigten sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den einzelnen Enantiomeren und somit ist die Bindung von Ketamin an Albumin kein stereoselektiver Prozess. Mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung wurde eine effiziente chirale CE-Methode zur Bestimmung des Ausmaßes der Proteinbindung von R und S Ketamin an Albumin entwickelt und gemäß der ICH Q2 (R1) Richtlinie validiert. Die Stabilität von Ketamin wurde ebenfalls untersucht, da sich unter Hitze eine gelbliche Verfärbung einer wässrigen Ketaminlösung entwickelte. XRPD-Untersuchungen zeigten für alle untersuchten Chargen die gleiche Kristallstruktur. Ein nicht zielgerichtetes Screening mittels LC HRMS sowie LC UV-Messungen zeigte keinen Abbau von Ketamin oder das Vorhandensein von Verunreinigungen in Stress- und nicht gestressten Ketaminlösungen, was die Stabilität von Ketamin unter den untersuchten Bedingungen bestätigt. Je schlechter die Qualität des in den Stresstests verwendeten Wassers war, desto intensiver trat die Gelbverfärbung auf. Die Verunreinigung oder der Mechanismus, der die gelbe Verfärbung verursacht, konnte nicht identifiziert werden.

The class of macrogols and macrogol-based excipients, i.e. macrogol fatty alcohol ethers, macrogol fatty acid esters, and polysorbates, plays an important role in modern galenic formulations. Formerly used as simple emulsifiers, they are nowadays utilized in fields such as targeted drug release to increase bioavailability, and as solubilizers for complex systems. For these multifaceted applications, and regarding the polydisperse structures of the macrogols, a reproducible and significant analytical procedure is required. For the characterization of excipients, the European Pharmacopoeia (Ph. Eur.) provides some compendial protocols which are able to describe the number of functional groups present in the substance. Some examples of these bulk parameters are the hydroxyl value, the iodine value, the peroxide value, or the acid value. Thus, these bulk parameters allow an overview of the average molar weight or possible degradation processes (e.g. autoxidation), but they provide no further information about the polymeric distribution which can heavily depend on the manufacturing process. Furthermore, bulk parameter investigations are very time-consuming and prone to errors due to their stringent reaction processes and numerous reaction steps. Since several years, the HPLC has been the gold standard of pharmaceutical analytics particularly due to the fact of automation. Coupled to UV detection, it offers the opportunity for a quick, easy, and robust analysis for many drugs. In the field of excipients, the development progress of HPLC-analysis is much slower due to the fact that most excipients lack a UV-chromophore. The application of the highly sensitive mass spectrometry would be eligible for detection but is rather complex and expensive. However, the development of the aerosol-based detectors such as the ELSD (evaporative light scattering detection), the CAD (charged aerosol detection), and the NQADTM (nano quantity aerosol detection) enables the application of HPLC for analyzing non-chromophoric substances. This work aimed to develop a generic HPLC-CAD method to analyze a wide range of macrogols and macrogol-based excipients. The separation was performed on a C18-column. A gradient method was developed based upon several linear gradient steps in order to be able to separate the different chain lengths. The mobile phases were water and acetonitrile, respectively, to which 0.1% formic acid was added. Macrogols in the average size range of PEG 300 to PEG 3000 were separated with acceptable resolution. The separation results were verified by mass spectrometry for PEG 300 - 1500. Five saturated and two non-saturated fatty acids, as well as two fatty alcohols of different chain lengths were successfully separated. 13 macrogol-based excipients were analyzed with the developed method and separated successfully. The macrogol fatty alcohol ethers, macrogol stearates, and polysorbates were separated to sufficient extent to analyze the polymeric distribution. The free PEGs in the excipients were separated and identified. Based on these free PEGs, different manufactural processes could be determined. Depending on the average chain lengths of the processed PEGs, the free fatty acids or alcohols could be identified and separated from the esters or ethers, respectively. For the smaller average chain lengths, the free fatty acids and alcohols coeluted with the esters and ethers. Macrogol glycerol hydroxy stearate (Cremophor® RH40) was separated into its components except for the linear monoesters which partially coeluted with the free PEGs, and the glycerol triesters which showed effects of size exclusion. The developed method was also used for stability tests of the non-saturated fatty acids, i.e. oleic and linoleic acid. Here, the fatty acid solutions were chemically (hydrogen peroxide) and thermally (60 °C) stressed and analyzed after different time spans. A time and temperature dependent degradation was observed. An assignment of some degradation products was performed by determining the m/z values with mass spectrometry. The method proved to be capable of separating the degradation products of the main substance and allows to estimate the dimension of degradational processes and partly identify the structures of the degradational products. In general, the provided method offers a good basis for analyzing and characterizing a wide field of substance classes. It provides an extension of bulk parameters (e.g. hydroxyl value) with a reduction of analytical effort. It offers a good starting point for more specific observations such as long-term stability or other related substance classes. / Der Gruppe der Macrogole sowie den darauf basierenden Abkömmlingen, den Macrogolfettalkoholethern, Macrogolfettsäureestern und Polysorbaten, kommt in der modernen Galenik eine wichtige Rolle zu. Dienten sie vormals nur als gewöhnliche Emulgatoren, so finden sie heutzutage vor allem im Bereich der gezielten Wirkstofffreisetzung, der Erhöhung der Bioverfügbarkeit sowie als Löslichkeitsvermittler komplexer Systeme Anwendung. Diese vielschichtigen Anwendungsgebiete erfordern, auch aufgrund der polydispersen Strukturen der Macrogole, eine reproduzierbare und aussagekräftige Analytik. Das Europäische Arzneibuch (Ph. Eur.) bietet zur Charakterisierung der Hilfsstoffe eine Handvoll Messgrößen, die sog. Fettkennzahlen, die eine Größenordnung vorhandener funktioneller Gruppen liefern. Zu diesen gehören Werte wie Hydroxylzahl, Iodzahl, Peroxidzahl oder Säurezahl. Diese bieten zwar einen Überblick über den Größenbereich der mittleren Kettenlängen oder einen möglichen Abbau der Strukturen, beispielsweise durch Autoxidation, jedoch geben sie keine Auskunft über die Polymerverteilung. Insbesondere diese kann jedoch, je nach Herstellungsweise, stark variieren. Außerdem ist die Methodik der Fettkennzahlenbestimmungen aufgrund der strikten Reaktionsabläufe und zahlreicher Reaktionsschritte einerseits sehr zeitaufwändig und andererseits anfällig für Fehler. Die HPLC hat, insbesondere aufgrund der Automation, bereits seit Jahren den Status des Goldstandards in der pharmazeutischen Analytik inne. Gekoppelt mit der UV-Detektion bietet sie für zahlreiche Wirkstoffe die Möglichkeit zur schnellen, einfachen und robusten Analyse. Im Bereich der Hilfsstoffe verbreitet sich die HPLC-Analytik langsamer, da viele Hilfsstoffe keinen Chromophor aufweisen. Eine Anwendung der hochsensitiven Massenspektrometrie wäre zwar zur Detektion geeignet, würde sich für die Routineanwendung jedoch als zu komplex und kostenintensiv gestalten. Doch mit der Entwicklung der Aerosol-basierten Detektoren wie dem ELSD (evaporative light scattering detector), dem CAD (charged aerosol detector) und dem NQADTM (nano quantity aerosol detector) wurde auch für nicht-chromophore Substanzen ein Einsatz der HPLC möglich. Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Entwicklung einer HPLC-CAD-Methode, die eine möglichst große Bandbreite der Macrogole und der darauf basierenden Hilfsstoffe erfassen kann. Die Trennung erfolgte an einer C18-Trennsäule. Es wurde eine Gradienten-Methode entwickelt, die aus mehreren linearen Gradientenstufen zusammengesetzt wurde, um verschiedene Kettenlängen der Polymere besser voneinander zu trennen. Als mobile Phasen dienten Wasser und Acetonitril, denen jeweils 0.1 % Ameisensäure zugesetzt wurden. Es konnten Macrogole im Bereich PEG 300 bis PEG 3000 mit akzeptabler Auflösung aufgetrennt werden. Diese Ergebnisse wurden für PEG 300 – 1500 mittels Massenspektrometrie verifiziert. Es konnten fünf gesättigte und zwei ungesättigte Fettsäuren, sowie zwei Fettalkohole verschiedener Kettenlängen voneinander getrennt werden. Es wurden 13 Macrogol-basierte Hilfsstoffe mit der entwickelten Methode untersucht und erfolgreich getrennt. Die Macrogolfettalkoholether, -stearate und Polysorbate wurden insoweit aufgetrennt, dass die Polymerverteilung beobachtet werden konnte. Freie PEGs in den Hilfsstoffen wurden getrennt und identifiziert. Anhand dieser konnten unterschiedliche Herstellungsweisen zugeordnet werden. Abhängig von der mittleren Kettenlänge der verarbeiteten PEGs konnten teilweise die freien Fettsäuren bzw. -alkohole von den Estern bzw. Ethern getrennt und identifiziert werden. Im Bereich der kürzeren mittleren Kettenlängen wurden die freien Fettsäuren und -alkohole von den Estern und Ethern überlagert. Macrogolglycerolhydroxystearat (Cremophor® RH40) wurde in seine Komponenten aufgetrennt, mit Ausnahme der linearen Monoester, die mit den freien PEGs partiell koeluierten und die Glyceroltriester, die Größenausschlusseffekte zeigten. Die Methode wurde für Stabilitätsuntersuchungen der ungesättigten Fettsäuren, Öl- und Linolsäure, eingesetzt. Hierzu wurden diese Säuren in Lösung chemisch (Wasserstoffperoxid) und thermisch (60 °C) gestresst und in bestimmten Zeitabständen analysiert. Es zeigte sich ein zeit- und temperaturabhängiger Abbau. Die teilweise Zuordnung der Abbauprodukte erfolgte durch Bestimmung des m/z mittels Massenspektrometrie. Die Methode war geeignet, um das Ausmaß eines oxidativen Abbaus von der Hauptsubstanz zu trennen und strukturell einzuordnen. Generell bietet die Methode eine gute Basis, die eine Vielzahl an Substanzgruppen erfassen und charakterisieren kann. Sie bietet eine Ergänzung der Fettkennzahlen, die einen verringerten Arbeitsaufwand mit sich bringt. Für spezifischere Betrachtungen (Langzeitstabilität, verwandte Substanzgruppen) stellt sie einen guten Ausgangspunkt dar.

Nuclear magnetic resonance (NMR) experiments are reported at up to 30.5 GPa of pressure using radiofrequency (RF) micro-coils with anvil cell designs. These are the highest pressures ever reported with NMR, and are made possible through an improved gasket design based on nano-crystalline powders embedded in epoxy resin. Cubic boron-nitride (c-BN), corundum (α-Al2O3), or diamond based composites have been tested, also in NMR experiments. These composite gaskets lose about 1/2 of their initial height up to 30.5 GPa, allowing for larger sample quantities and preventing damages to the RF micro-coils compared to precipitation hardened CuBe gaskets. It is shown that NMR shift and resolution are less affected by the composite gaskets as compared to the more magnetic CuBe. The sensitivity can be as high as at normal pressure. The new, inexpensive, and simple to engineer gaskets are thus superior for NMR experiments at high pressures.

Eine zentrale Herausforderung des 21. Jahrhunderts ist die Reduktion von Treibhausgasen wie beispielsweise Kohlenstoffdioxid (CO2). Ein vielversprechender Ansatz hierfür ist die katalytische Umsetzung von CO2 zu Synthesegas (CO + H2) über die umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion. Nanopartikel sind ein wichtiges Forschungsgebiet aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten, einschließlich als Katalysatoren für die umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion. Im Fokus dieser Arbeit steht die Synthese von mono- und bimetallischen Nickel-Nanopartikeln und deren Aktivität für die umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion. Im ersten Teil dieser Arbeit wird das weithin bekannte thermische Reduktionsverfahren zur Herstellung von Nickel-Nanopartikeln vereinfacht und modifiziert. Die monometallischen Nickel-Nanopartikel werden eingehend charakterisiert und der Einfluss der Synthesebedingungen auf die finalen Nanopartikel sowie deren katalytische Aktivität für die Umwandlung von CO2 zu Synthesegas untersucht. In einem zweiten Teil wird das modifizierte Syntheseverfahren auf bimetallische Nickel-Nanopartikel durch Co-Reduktion von Nickel mit entweder Kupfer oder Kobalt übertragen. Die Nanopartikel werden eingehend untersucht und die Kern-Schale-Struktur der Nickel-Kupfer-Nanopartikel wird identifiziert und detailliert charakterisiert. Der Einfluss der Reaktionsparameter auf die finalen Nanopartikel und die Korrelation von Größe, Form und Kupfergehalt der Nanopartikel auf die Aktivität für die umgekehrte Wasser-Gas-Shift-Reaktion werden untersucht. / A great challenge of the 21st century is the minimization of greenhouse gases such as CO2. A promising approach is the catalytic conversion of CO2 to synthesis gas (CO + H2) via the reverse water gas shift reaction. Nanoparticles are an important field of research due to their unique properties and variety of applications including catalysts for the reverse water gas shift reaction. This work focusses on the synthesis of mono- and bimetallic nickel nanoparticles and their activity for the reverse water gas shift reaction. In the first part of this work the wellknown thermal reduction procedure for the preparation of nickel nanoparticles is adapted and simplified. The monometallic nickel nanoparticles are characterized thoroughly and the impact of the synthesis conditions on the final nanoparticles and their catalytic activity for the conversion of CO2 to CO are investigated. In a second part the adapted synthesis procedure is transferred to bimetallic nickel nanoparticles by co-reduction of nickel with either copper or cobalt. The nanoparticles are investigated thoroughly and the core-shell structure of nickel copper nanoparticles is identified and characterized in detail. The impact of the reaction parameters on the final nanoparticles as well as the correlation of size, shape and copper content of the nanoparticles on the activity for the reverse water gas shift reaction is investigated.

In den letzten Jahrzehnten wurde das Konzept der grünen und nachhaltigen analytischen Chemie immer wichtiger. Ein wesentlicher Bestandteil besteht darin Chemikalien zu reduzieren und analytische Prozesse zu miniaturisieren. Das Ergebnis ist die Nutzung von kleinen Probenvolumina, welche oft zu Problemen in der Handhabung führen können. Besonders physikalische oder chemische Oberflächeneffekte und Kontaminationen stellen eine Herausforderung dar. Die akustische Levitation ist eine Möglichkeit der berührungslosen Probenhandhabung, d.h. Verunreinigungen und Oberflächenreaktionen sind ausgeschlossen, da die Probe nur mit der umgegebenen Gasphase interagiert. Hier ist eine Kopplung mit analytischen Methoden besonders erstrebenswert. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Implementierung von akustischer Levitation in die massenspektrometrische Analyse. Eine Kombination aus einem akustischen Levitator als kontaktloser Probengeber, Infrarot-Laser Desorption und Ionisierung mittels chemischer Ionisation bei Atmosphärendruck (APCI) ermöglichte die quantitative Analyse von verschiedensten pharmazeutischen Wirkstoffen im nanomolaren Bereich. Dieser grundlegende Aufbau wurde in der Folge weiterentwickelt und optimiert, sodass am Ende ein breites Spektrum an Analyten detektiert werden konnte. Zusätzlich wurde ein Trypsin Verdau miniaturisiert und kontaktlos im akustischen Levitator durchgeführt und massenspektrometrisch analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Trypsinverbrauch gesenkt werden konnte bei gleichzeitiger Verringerung der Reaktionszeit und Verbesserung der Ausbeuten im Vergleich zum Standard-Verfahren. / In recent decades, the concept of green and sustainable analytical chemistry has become increasingly relevant. The main idea is reducing chemicals and miniaturizing analytical processes. The result is the utilization of small sample volumes, which can often lead to handling problems. Especially physical or chemical surface effects and corresponding contaminations are a major challenge. Acoustic levitation is a possibility for non-contact sample handling, i.e. contamination and surface reactions are excluded, since the sample interacts only with the surrounding gas phase. Here, coupling with analytical methods is particularly desirable. The present work describes the implementation of acoustic levitation in mass spectrometric analyses. A combination of an acoustic levitator as a contactless sample supply, infrared laser desorption and post-ionization via atmospheric pressure chemical ionization (APCI) enabled the quantitative analysis of a wide variety of pharmaceutical agents in the nanomolar range. This basic setup was subsequently further developed and optimized so that a wide range of analytes could be detected. Additionally, a trypsin digestion was miniaturized and performed contactless in the acoustic levitator and analyzed by mass spectrometry. The results demonstrated that trypsin consumption could be reduced while simultaneously reaction time decreased and reaction yields increased compared to the tube method.

Die Proteinhülle von Pflanzenviren besteht aus Protein-Untereinheiten, die das Genom des Virus verkapseln und transportieren. Der zugrunde liegende self-assembly-Mechanismus kann für nanotechnologische Anwendungen genutzt werden, indem Fremdmoleküle in den Viren verkapselt werden. Diese sogenannten Virus-ähnlichen Partikel (VLP) können zum Wirkstofftransport in der Krebstherapie, für Gentherapie oder als Kontrastmittel bei bildgebenden Verfahren verwendet werden. Auch die Oberfläche der Proteinhülle kann chemisch oder molekularbiologisch funktionalisiert werden. Ein großer Vorteil von Pflanzenviren ist, dass sie keine Gefahr für den Menschen darstellen und einfach in natürlichen Wirtspflanzen hergestellt werden können. In dieser Arbeit wird am Beispiel des Cowpea Chlorotic Mottle Virus (CCMV) gezeigt, wie diese Nanomaterialien effizient hergestellt und nutzbar gemacht werden können. Im ersten Kapitel wurde eine Affinitätsextraktion basierend auf einem neuen Peptid-Aptamer entwickelt, um das CCMV selektiv aus dem Extrakt der infizierten Pflanze zu isolieren. Das Reinigungsprotokoll wurde validiert und eine finale Reinheit von 98,4% mittels Umkehrphasen-HPLC bestimmt. Im zweiten Kapitel wurden CCMV-VLPs durch rekombinante Expression und anschließende in vitro Assemblierung der Kapsidproteine hergestellt. Die Monodispersität der VLPs wurde durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bestätigt. Zusätzlich wurde eine Mutante der CCMV-VLPs hergestellt, die physiologischen Bedingungen standhält und für den Einsatz in vivo geeignet ist. Im dritten Kapitel wurden CCMV und dessen VLPs für nanotechnologische Anwendungen genutzt. Gold-Nanopartikel wurden in CCMV-VLPs verkapselt und im TEM sichtbar gemacht. Das CCMV-Kapsid wurde mit einem Modellpeptid funktionalisiert, um das Potenzial dieses Nanomaterials als chemische Plattform zu demonstrieren. / The protein shell of plant viruses consists of protein subunits that encapsulate and transport the viral genome. The underlying self-assembly mechanism can be utilized for nanotechnological applications by encapsulating foreign molecules within the viruses. These so-called virus-like particles (VLPs) can be used for drug delivery in cancer therapy, gene therapy, or as contrast agents in imaging techniques. Additionally, the surface of the protein shell can be functionalized chemically or via molecular biology techniques. A significant advantage of plant viruses is that they pose no threat to humans and can be easily produced in natural host plants. This work demonstrates how these nanomaterials can be efficiently produced and utilized using the example of Cowpea Chlorotic Mottle Virus (CCMV). In the first chapter, an affinity extraction based on a novel peptide aptamer was developed to selectively isolate CCMV from the extract of the infected plant. The purification protocol was validated, achieving a final purity of 98.4% using reverse-phase HPLC. In the second chapter, CCMV-VLPs were produced through recombinant expression and subsequent in vitro assembly of the capsid proteins. The monodispersity of the VLPs was confirmed by transmission electron microscopy (TEM). Additionally, a mutant of the CCMV-VLPs was produced that withstands physiological conditions and is suitable for in vivo applications. In the third chapter, CCMV and its VLPs were used for nanotechnological applications. Gold nanoparticles were encapsulated within CCMV-VLPs and visualized using TEM. The CCMV capsid was also functionalized with a model peptide to demonstrate the potential of this nanomaterial as a chemical platform.