CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de NÃvel Superior / O objetivo deste trabalho à contribuir com o desenvolvimento da quÃmica do sistema Fe-cyclam, atravÃs da sÃntese e caracterizaÃÃo de novos complexos metÃlicos deste sistema com duas classes de ligantes: carboxilados (oxalato e acetato) e ligantes polinitrilados (7,7,8,8 âtetracianoquinodimetano e tetracianoetileno ). AtravÃs da caracterizaÃÃo do complexo cis-[Fe(cyclam)ox]PF6 por infravermelho foi possÃvel identificar que o ligante oxalato encontra-se coordenado ao centro metÃlico de forma bidentada, bem como garantir que o ligante macrocÃclico cyclam continua na esfera de coordenaÃÃo do metal. O potencial formal de meia onda do processo redox Fe3+/2+ do complexo foi observado em â39mV vs Ag/AgCl. O potencial observado encontra-se deslocado 240mV para menores valores em relaÃÃo ao complexo precursor, favorecendo ao estado de oxidaÃÃo Fe3+ do metal, devido ao maior efeito σ doador do ligante oxalato frente aos cloretos. O espectro UV-Vis do complexo cisâ[Fe(cyclam)ox]PF6, em meio aquoso, apresentou trÃs bandas: 229nm, atribuÃda a uma transiÃÃo intraligante do cyclam, 293nm e 357nm, atribuÃdas à transferÃncia de carga de orbitais π do ligante para o orbitais dπ* do metal. Os experimentos fotoquÃmicos demonstraram a grande sensibilidade do complexo à luz, sendo observado a labilizaÃÃo do ligante oxalato da esfera de coordenaÃÃo do metal, e a reatividade da espÃcie formada atravÃs da obtenÃÃo do complexo trans-[Fe(cyclam)acet2]PF6, AtravÃs do estudo de Raio-X, obtido a partir do cristal do complexo trans-[Fe(cyclam)acet2]PF6, foi possÃvel comprovar o modo de coordenaÃÃo das duas molÃculas de acetato na posiÃÃo trans, bem como a identificaÃÃo da disposiÃÃo do cyclam no plano da molÃcula atravÃs de um arranjo conformacional trans-III. Os espectros no infravermelho dos complexos cis - [Fe(cyclam)(TCNX)Cl]Cl, onde TCNX representa os ligantes TCNQ ou TCNE, apresentaram um maior nÃmero de bandas referentes aos estiramentos CN, comparativamente aos ligantes livres, confirmando a alteraÃÃo da simetria do ligante causada pela coordenaÃÃo do metal. Com base nos deslocamentos destas freqÃÃncias para menores valores, comparativamente ao ligante livre, foi possÃvel identificar que os ligantes TCNQ e TCNE estÃo coordenados em sua forma radicalar, estado de oxidaÃÃo â1, sugerindo assim a ocorrÃncia de um processo de transferÃncia de elÃtrons do centro metÃlico, previamente reduzido (Fe2+), para os ligantes TCNX. Os potenciais redox dos Ãtomos de ferro, nos complexos com os ligantes polinitrialados TCNQ (693mV vs ENH) e TCNE (854mV vs ENH), foram deslocados para potenciais mais positivos, comparativamente ao observado no complexo precursor cis-[Fe(cyclam)Cl2]Cl (405mV vs ENH), indicando assim um forte deslocamento de densidade eletrÃnica dπ para os orbitais de simetria π dos ligantes TCNX. Os processos centrados nos ligantes coordenados ficaram mais prÃximos do que nos ligantes livres, indicando uma diminuiÃÃo na barreira de transferÃncia de elÃtrons, que segundos dados da literatura leva a uma melhor conduÃÃo elÃtrica. Os espectros eletrÃnicos dos complexos, em meio aquoso, apresentaram uma banda localizada em baixa energia, atribuÃda a transferÃncias de carga do tipo LMCT dos orbitais pπ das molÃculas de TCNX, para os orbitais dπ* do Ãon Fe3+. No complexo com o ligante TCNQ, esta banda aparece em 764nm e no complexo com o ligante TCNE, em 861nm. Observa-se ainda nos dois complexos a presenÃa das bandas referentes Ãs transiÃÃes LMCT dos cloretos para o Ãon Fe3+ em regiÃes muito prÃximas, em 557 no complexo com TCNE e em 568nm no complexo com TCNQ. A presenÃa desta banda novamente sugere a presenÃa do Ferro no estado oxidado (Fe+3). / The main objective of this work is to contribute with the chemistry of the system Fe-Cyclam through the synthesis and characterization of complexes with carboxylate ligants, acetate and oxalate, and polinitrilate ligands, 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (TCNQ) and tetracyanoethylene (TCNE). The infrared spectra of the cis-[Fe(cyclam)ox]PF6 complex allowed to identify the coordination of the oxalate ligand to the iron metal in a bidentate mode as well as to suggest the presence of the macrocycle in the coordination sphere of the metal. The redox potential of the complex was observed at â39mV vs Ag/AgCl. The potential is dislocated 240mV for more positive potential when compared to that observed for the precursor complex cis-[Fe(cyclamCl2]Cl. This effect can be attributed to the stronger σ effect of the oxalate ligand when compared to the chlorine. The UV-Vis spectra of the complex, presented three bands: 229nm, attributed to a cyclam intraligand transition and the bands 293nm and 357nm, referring to ligand to metal electronic transfer from π orbitals of the oxalate to dπ* of the metal. The photochemical experiments proved the great sensibility of the complex to the light presence, being observed the reactivity effect of the complex formed after the light exposition by the formation of the trans-[Fe(cyclam)acet2]PF6 complex. Through the Ray-X obtained of the crystal of the trans-[Fe(cyclam)acet2]PF6 complex was possible to identify the coordination of two molecules of acetate at the trans position, as well as to identify the disposition of the cyclam ligand on the plane in a trans-III arrange. The infrared spectrum of the complexes cis - [Fe(cyclam)(TCNX)Cl]Cl, where the TCNX represent the ligands TCNQ and TCNE, present a great number of bands referring to the νCN, when compared with the ligands not coordinated, confirming the symetry changed induced by the metal coordination. Through the wavenumber variation of these bands was possible to identify that the TCNQ and TCNE ligands are coordinated in your radical way, oxidation state â1, suggestion this way the occurrence of a electron transfer from the iron, previously reduced (Fe+2), to the TCNX ligands. The redox potentials of the iron metals in the complexes with the polinitrilate ligands TCNQ (693mV vs ENH) and TCNE (854mV vs ENH) were dislocated for more positive potentials, when compared to the cis-[Fe(cyclam)Cl2]Cl precursor complex (405mV vs ENH), indicating the occurrence of an electronic density transfer to the TCNX molecules. The two potentials of the ligands on the complexes were closer than the ligands not coordinated, this approximation of the potential indicate a decrease of the inner electron transfer. The electronic spectra of the complexes, showed bands in the low energy region, attributed to a charge transfer LMCT, from the TCNX pπ orbital to the metal dπ* orbital. In the cis-[Fe(cyclam)(TCNQ)Cl]Cl complex, the band was observed at 764nm while in the complex with the TCNE ligand this band was observed at 861nm. Also, the complexes presented bands at 557nm (TCNE complex) and 568nm (TCNQ complex)referring to the LMCT transitions from the chlorine atoms to the iron metal reinforcing the assignment of the (Fe+3) oxidation state for the metal center.

Cyclam (1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane) derivatives are widely used for various purposes. In a medicine they are applied as ligands for radiometals applied as diagnostic or therapeutic agents against tumours, hypoxic brain tissues etc. In this thesis a new method for asymmetric cyclam derivati- ves preparation was developed. New cyclam derivatives with trifluoroethyl groups were prepared too. Paramagnetic metal complexes with these fluori- nated ligands can be used as contrast agents for 19 F-MRI. Keywords: Cyclam; Non-symmetric protection; Contrast agents; Trifluoroethylamines; Paramagnetic relaxation; 19 F-MRI.

Ce mémoire est consacré à l'élaboration, au greffage chimique de macrocycles azotés sur des surfaces, le développement des procédés d'élaboration de surfaces sensibles aux ions, l'évaluation de leurs propriétés et la réalisation de prototypes de capteurs chimiques sensibles aux ions. Les macrocycles azotés sont des cyclames sensibles aux ions de métaux de transition et des terpyridines sensibles aux lanthanides. Un capteur sensible à l'ion Fer (III) est réalisé par fonctionnalisation d'un ISFET et de structures de nitrure de silicium/silicium au moyen du greffage de macrocycles azotés de type cyclames sur la surface du dispositif. Un agent de couplage poly(méthylhydrosiloxane) (PMHS) permet cette immobilisation avec une grande efficacité. L'immobilisation d'un dérivé du cyclame (naphtyl-cyclam) sur des surfaces d'or a permis la préparation de capteurs chimiques sensibles aux ions. Les molécules de cyclame ont été déposées sur des électrodes en or par des interactions fortes entre le groupe de naphtyle et la surface d'or. Le film obtenu a été caractérisé en termes de composition, morphologie et propriétés électriques. La conductivité protonique du film naphtyl-cyclam a été mise en évidence par la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) et la voltampérométrie cyclique (CV). Nous avons montré que l'immobilisation de dérivé de phényl-terpyridine sur des surfaces d'or a permis la préparation des capteurs chimiques sensibles aux ions Gadolinium (III). Les molécules de terpyridine ont été auto-assemblées sur des électrodes en or par des interactions fortes (greffage chimique) avec groupement thiol terminal. Les propriétés électriques de ces interfaces films sensibles/électrolyte sont décrites et des modèles théoriques sont proposés d'après les résultats expérimentaux obtenus par la spectroscopie d'impédance électrochimique / This dissertation is devoted to the elaboration, the chemical grafting of aminated macrocycles on surfaces, the development of elaboration processes of surfaces sensitive to the ions, the evaluation of their properties and the fabrication of prototypes of chemical sensors sensitive to the ions. The aminated macrocycles are cyclames, sensitive to transition metal ions and terpyridines sensitive to lanthanides. A chemical sensor sensitive to iron (III) ion is fabricated by means of the functionalization of an ISFET and of silicon nitride/silicon structures through grafting of aminated macrocycles of the cyclam type on to the surface of the device. The coupling agent poly(methylhydrosiloxane) (PMHS) allows such an immobilization with a high efficiency. The immobilization of a derivative of cyclam (naphtyl-cyclam) on gold surfaces allowed the preparation of chemical sensors sensitive to the ions. The molecule of cyclam was deposited on gold electrodes by strong interactions between the naphtyl group and the gold surface. The film obtained was characterized in terms of composition, morphology and electrical properties. The proton conductivity of the N-MNC film was brought out, for the first time, by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and by cyclic voltammetry (CV). We showed that the immobilization of the phenyl-terpyridine derived on gold surfaces allowed the preparation of the chemical sensors sensitive to gadolinium (III) ions. The molecules of terpyridine were self-assembled on gold electrodes by strong interactions (chemical grafting) with a final thiol group. The electrical properties of these sensitive films/electrolyte are described and theoretical models are proposed from the experimental results obtained by the electrochemical impedance spectroscopy

Title: Design and synthesis of selective copper(II) chelators Author: Jan Havlík Department: Department of Inorganic Chemistry, Faculty of Science Supervisor: assoc. prof. RNDr. Jan Kotek, Ph.D. Supervisor's e-mail address: modrej@natur.cuni.cz The aim of this work was to prepare selective copper(II) chelators. Within the frame of this thesis were synthesized 13 compounds, from which 7 are new. All compounds were fully characterized by NMR spectroscopy and mass spectrometry. Copper(II) complex of synthesized ligand 1,11-bis(methylphosphinic acid)cyclam, (1,11-dipin), was studied in thermodynamic and formation/decomplexation studies. For 1,11-dipin-copper(II) complex were determined values of rate constants and activation parameters. Keywords: selective chelator, copper, cyclam derivatives, macrocyclic ligands, methylphosphonate, methylphosphinate

Designing new materials for CO₂ capture and utilization is one of the most challenging research topics. Metal-organic frameworks (MOFs) are one of the most efficient CO₂ adsorbents, as well as an emerging class of heterogeneous catalysts for CO₂ chemical transformations. Highlighted by their high content of active centers, large internal surface areas, tunable pore size, and versatile chemical functionalities, MOFs can serve as highly stable and reusable heterogeneous catalysts and provide a great platform to explore the structure-function relationships for transforming CO₂ into useful chemicals. In this dissertation, we aim to develop a new class of metal-cyclam based robust MOFs as porous materials for CO₂ uptake as well as efficient catalysts for CO₂ chemical transformations, including CO₂ chemical fixation, CO₂ photo- and electroreduction. Chapter 1 introduces the concept and main challenges of CO₂ capture and conversion. The potential of metal-cyclam complexes as molecular catalysts for CO₂ conversion is also mentioned. The current state of the art in designing stable MOFs and azamacrocyclic-based MOFs is briefly discussed. Finally, the strategies, challenges and future outlook of using MOF as catalysts in CO₂ chemical transformation are summarized. Metal-organic frameworks (MOFs) as highly ordered, tunable hybrid materials have shown great promise in photon collection, energy transfer and photocatalytic reactions. In Chapter 2, the fundamental principles of energy transfer in the condensed phase are summarized, and a series of studies in light-harvesting, excited state quenching and photo-excited reactivity occurring within ruthenium-polypyridyl-doped zirconium MOFs are reviewed. The application of MOFs in energy conversion devices such as dye-sensitized solar cells (DSSC) is also discussed. Chapter 3 reports two new robust 3D porous metal-cyclam based Zr-MOFs, VPI-100 (Cu) and VPI-100 (Ni) with potential as heterogeneous catalysts for CO2 chemical fixation. The frameworks are prepared by a modulated synthetic strategy and the structure highlighted by eight-connected Zr₆ clusters and metallocyclams as organic linkers. The VPI-100 MOFs exhibit excellent chemical stability in various organic and aqueous solvents over a wide pH range and show high CO₂ uptake capacity (up to ∼9.83 wt% adsorption at 273 K under 1 atm). Moreover, VPI-100 MOFs demonstrate some of the highest reported catalytic activity values (turnover frequency and conversion efficiency) among Zr-based MOFs for the chemical fixation of CO₂ with epoxides. The MOFs, which bear dual catalytic sites (Zr and Cu/Ni), enable chemistry not possible with the cyclam ligand under the same conditions and can be used as recoverable stable heterogeneous catalysts without losing performance. A follow-up study of CO₂ chemical fixation using Hf analogs of VPI-100 is presented in Chapter 4. Structural characterization and catalytic performance of Hf-VPI-100 are summarized. Moreover, a detailed comparison of VPI-100 and Hf-VPI-100 is made. In situ powder X-ray diffraction (PXRD), quartz crystal microbalance (QCM) and diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTs) have been used to probe the interaction between the guest molecules (CO₂/epoxide) and Hf-VPI-100. For CO₂, no specific chemical binding sites in MOFs has been observed and the uptake of CO₂ does not change the crystal structure of Hf-VPI-100. Both QCM and DRIFTs revealed the irreversible binding between the framework and 1,2-epoxybutane. The epoxide uptake per unit cell of VPI-100 MOFs and diffusion coefficients have been calculated by QCM analysis. Transition metal complexes capable of visible light-triggered cytotoxicity are appealing potential candidates for photodynamic therapy (PDT) of cancer. In Chapter 5, two monometallic polyazine complexes, [(Ph₂phen)₂Ru(dpp)]²⁺ and [(Ph₂phen)₂Os(dpp)]⁺ (Ph₂phen = 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline; dpp =2,3-bis(2-pyridyl)pyrazine), were synthesized, characterized and studied as light activated drugs to kill rat malignant glioma F98 cells. Both compounds display strong absorption in visible spectrum, oxygen-mediated DNA and BSA photocleavage and significant photocytotoxicity under blue light irradiation along with negligible activity in the dark. The compounds show approximately five-fold higher cytotoxicity compared the traditional chemotherapeutic drug, cisplatin. Furthermore, [(Ph₂phen)₂Os(dpp)]⁺ shows promising photocytotoxicity in F98 rat malignant glioma cells within the phototherapeutic window with an IC50 value of (86.07±8.48) µM under red light (625 nm) irradiation. In Chapter 6, the mixed-metal supramolecular complex, [(Ph₂phen)₂Ru-(dpp)PtCl₂]²⁺, was found to display significant DNA modification, cell growth inhibition, and toxicity towards F98 malignant glioma cells following visible light irradiation. The design of this complex has a significantly higher potential for membrane permeability than three other FDA-approved anti-cancer agents, including cisplatin, and exhibited a dramatic ten-fold higher uptake by F98 cells than cisplatin in a two-hour window. Based on studies with a rat glioma cell line, the compound has very low cytotoxicity in the dark, but results in substantial cell death upon light treatment. The complex is thus among the first to exhibit all the hallmarks of a very promising new class of PDT agents. / Ph. D.

Title: Bifunctional chelators for selective copper(II) binding Autor: Bc. Monika Paúrová Department: Department of Inorganic Chemistry, Faculty of Science Supervisor: doc. RNDr. Jan Kotek, Ph.D. Supervisor's e-mail: modrej@natur.cuni.cz Abstract: In this Master thesis, cyclam bifunctional derivatives bearing pendant phosphinate groups (4-methyl-11-p-aminobenzyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane-1,8- bis(methylenephosphinic acid)) and phosphonate groups (4-methyl-11-p-aminobenzyl- 1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane-1,8-bis(methylenephosphonic acid)), were prepared and studied as potential ligands for complexation of divalent copper. These ligands are suitable for binding to a macromolecular carrier. Keywords: radiomedicine, copper, cyclam, chelating agent, phosphinate, phosphonate, kinetic inertness, kinetic lability, thermodynamic stability

Die Entwicklung von makrocyclischen Chelatoren, die mit Kupferionen thermodynamisch stabile und kinetisch inerte Komplexe bilden, ist in den letzten Jahren zunehmend in den Fokus der Forschung gerückt. Das ergibt sich insbesondere aus der Möglichkeit, Radiokupfernuklide aufgrund günstiger kernphysikalischer Eigenschaften sowohl für diagnostische (64Cu) als auch therapeutische (67Cu) Anwendungen einzusetzen. Hervorzuheben ist der Azamakrocyclus Cyclam (1,4,8,11-Tetraazacyclodecan), da dieser mit Kupfer(II)-Ionen Komplexe hoher thermodynamischer Stabilität bildet. Zudem weist der Chelator weitere Funktionalisierungsmöglichkeiten auf, um in Hinblick auf eine nuklearmedizinische Anwendung pharmakologisch relevante Moleküle wie beispielsweise Peptide oder Proteine (Antikörper oder Antikörperfragmente) kovalent zu binden und damit eine spezifische Anreicherung im Tumorgewebe zu ermöglichen. Allerdings erfordert das Maßschneidern der Eigenschaften von neuen bifunktionellen Chelatoren Kenntnisse über den Einfluss der Substituten auf die Stabilität der gebildeten Kupfer(II)-Komplexe. Die thermodynamische Stabilität lässt keine Aussagen über das Verhalten in vivo zu. Die Ursache für die kinetische Labilität in Säugetieren ist noch nicht vollständig verstanden, wird aber u. a. auf kupferbindende Enzyme bzw. Proteine zurückgeführt. Die Bioverteilung der Radiokupferkomplexe wird aber auch von weiteren Parameter, wie Hydrophilie, Ladung und Polarisierbarkeit beeinflusst. Mit dieser Arbeit wurde ein wesentlicher Beitrag zur Entwicklung von 64Cu Chelaten auf Basis von Cyclam-Propionsäure-Liganden geleistet. Diese Stoffklasse ist bisher synthetisch wenig erschlossen und Radiokupfer-markierte Komplexe zudem bisher gar nicht beschrieben. Daher ist es von besonderem Interesse die kinetische Stabilität Radiokupfer-markierter Cyclam-Propionsäure-Derivate zu untersuchen und mit einer Reihe bekannter Radiokupfer-markierter Cyclam-Essigsäure-Komplexe zu vergleichen. Es wurden vier N-funktionalisierte Cyclam-Derivate 13, 14b, 15 und 16, die eine unterschiedliche Anzahl an Propionsäuregruppen tragen, erfolgreich synthetisiert und in sehr hoher Reinheit (>99%) isoliert. Besonders hervorzuheben ist die erstmalige Synthese des trans-N,N´´-funktionalisierten Cyclam-Propionsäure-Derivates 14b in hoher Ausbeute (gesamt = 32%). Von den Verbindungen 13, 14b, 15 und 16 sind entsprechende Kupfer(II)-Komplexe hergestellt worden. Zur Aufklärung relevanter Fragestellungen bezüglich der chemischen und geometrischen Eigenschaften sind verschiedene spektroskopische Methoden (Röntgeneinkristallstrukturanalyse, IR, UV/VIS, Elektronenspinresonanz-Spektroskopie) anhand von den isolierten Kupfer(II)-Komplexen CuII-13, CuII-14b und CuII-16 herangezogen worden. Die röntgenkristallografischen Strukturaufklärungen der Komplexe CuII-14b und CuII-16 weisen eine verzerrt quadratisch-pyramidale Koordinationsgeometrie auf. Das Ligandenfeld wird innerhalb der Stickstoffebene mit steigendem Substitutionsgrad schwächer. Das wurde auch durch ESR-Messungen bestätigt. Nachweislich verursachen die zusätzlichen funktionellen Gruppen eine kleinere Ligandenfeldaufspaltung. Weiterhin nahm die kinetische Stabilität unter stark sauren Bedingungen mit steigendem Substitutionsgrad ab. Der Vergleich mit den bekannten oktaedrischen Kupfer(II)-Cyclam-Essigsäure-Komplexen zeigt, dass die quadratisch-pyramidalen Kupfer(II)-Cyclam-Propionsäure-Derivate unter stark sauren Bedingungen schneller dissoziieren. Als Ursache können die unterschiedlichen Konfigurationen diskutiert werden, da bei 4N+2-Geometrien die thermodynamisch bevorzugte trans III-Konfigurationen gebildet wird. Radiochemische Untersuchungen zur Bewertung der kinetischen Stabilität in vitro und in vivo sind mit den 64Cu-markierten Liganden 13, 14b, 15 und 16 durchgeführt worden. Hierfür ist ein In-vitro-Stabilitätstest basierend auf dem kupferbindenden Enzym Superoxid-Dismutase (SOD) bzw. humanem Serum für radiomarkierte Verbindungen entwickelt worden. In humanem Serum ist Albumin (~66 kDa) in sehr hoher Konzentration enthalten und eines der wichtigsten Transportproteine für extrazelluläre Kupfer-Ionen. Aufgrund seiner Abundanz im Blutplasma ist im Serum-Assay jeweils nur eine stark ausgeprägte Bande bei ca. 66 kDa detektiert worden. Dieser etablierte In-vitro-Stabilitätstest beruht im Gegensatz zu anderen herkömmlichen Analysemethoden (Radio-HPLC oder Radio-DC) auf dem Prinzip der Gelelektrophorese. Von großem Vorteil ist, dass mehrere Proben simultan untersucht werden können und die Ergebnisse zuverlässig und reproduzierbar sind. Die In-vitro-Ergebnisse zeigen einen ähnlichen Trend wie bei der säure-assoziierten Dissoziation, wobei die höchste Stabilität bemerkenswerterweise bei dem [64Cu]Cu-14b Komplex bestimmt wurde. Allerdings beruht der Mechanismus hier nicht auf einer Dissoziation sondern auf einer Transchelatisierung. Die Ergebnisse der Bioverteilungen in Wistar-Ratten korrelieren mit den In-vitro-Studien in humanem Serum. Der Komplex [64Cu]Cu 14b zeigte sowohl eine schnelle renale Blut-Clearence als auch eine sehr geringe Anreicherung in der Leber und stellt damit eine Alternative zu den kommerziell erwerblichen Liganden dar. Als geeignete Chelatoren bieten Cyclam-Monopropionsäure 13 und Cyclam-Dipropionsäure 14b die Möglichkeit, Radiokupfernuklide stabil zu binden und erlauben die mehrfache Einführung von EGFR-spezifischen Peptiden an das Grundgerüst. Als Grundgerüst wurde der Ligand 13 ausgewählt. Durch die Multifunktionalisierung sollen höhere Affinitäten zum Rezeptor und verbesserte metabolische Stabilitäten hervorgerufen werden. Für diese Verbindung liegen erste vielversprechende Ergebnisse vor, wobei hohe Affinitäten zu zwei EGFR-positiven Zelllinien bestimmt wurden.

Die Entwicklung von makrocyclischen Chelatoren, die mit Kupferionen thermodynamisch stabile und kinetisch inerte Komplexe bilden, ist in den letzten Jahren zunehmend in den Fokus der Forschung gerückt. Das ergibt sich insbesondere aus der Möglichkeit, Radiokupfernuklide aufgrund günstiger kernphysikalischer Eigenschaften sowohl für diagnostische (64Cu) als auch therapeutische (67Cu) Anwendungen einzusetzen. Hervorzuheben ist der Azamakrocyclus Cyclam (1,4,8,11-Tetraazacyclodecan), da dieser mit Kupfer(II)-Ionen Komplexe hoher thermodynamischer Stabilität bildet. Zudem weist der Chelator weitere Funktionalisierungsmöglichkeiten auf, um in Hinblick auf eine nuklearmedizinische Anwendung pharmakologisch relevante Moleküle wie beispielsweise Peptide oder Proteine (Antikörper oder Antikörperfragmente) kovalent zu binden und damit eine spezifische Anreicherung im Tumorgewebe zu ermöglichen. Allerdings erfordert das Maßschneidern der Eigenschaften von neuen bifunktionellen Chelatoren Kenntnisse über den Einfluss der Substituten auf die Stabilität der gebildeten Kupfer(II)-Komplexe. Die thermodynamische Stabilität lässt keine Aussagen über das Verhalten in vivo zu. Die Ursache für die kinetische Labilität in Säugetieren ist noch nicht vollständig verstanden, wird aber u. a. auf kupferbindende Enzyme bzw. Proteine zurückgeführt. Die Bioverteilung der Radiokupferkomplexe wird aber auch von weiteren Parameter, wie Hydrophilie, Ladung und Polarisierbarkeit beeinflusst. Mit dieser Arbeit wurde ein wesentlicher Beitrag zur Entwicklung von 64Cu Chelaten auf Basis von Cyclam-Propionsäure-Liganden geleistet. Diese Stoffklasse ist bisher synthetisch wenig erschlossen und Radiokupfer-markierte Komplexe zudem bisher gar nicht beschrieben. Daher ist es von besonderem Interesse die kinetische Stabilität Radiokupfer-markierter Cyclam-Propionsäure-Derivate zu untersuchen und mit einer Reihe bekannter Radiokupfer-markierter Cyclam-Essigsäure-Komplexe zu vergleichen. Es wurden vier N-funktionalisierte Cyclam-Derivate 13, 14b, 15 und 16, die eine unterschiedliche Anzahl an Propionsäuregruppen tragen, erfolgreich synthetisiert und in sehr hoher Reinheit (>99%) isoliert. Besonders hervorzuheben ist die erstmalige Synthese des trans-N,N´´-funktionalisierten Cyclam-Propionsäure-Derivates 14b in hoher Ausbeute (gesamt = 32%). Von den Verbindungen 13, 14b, 15 und 16 sind entsprechende Kupfer(II)-Komplexe hergestellt worden. Zur Aufklärung relevanter Fragestellungen bezüglich der chemischen und geometrischen Eigenschaften sind verschiedene spektroskopische Methoden (Röntgeneinkristallstrukturanalyse, IR, UV/VIS, Elektronenspinresonanz-Spektroskopie) anhand von den isolierten Kupfer(II)-Komplexen CuII-13, CuII-14b und CuII-16 herangezogen worden. Die röntgenkristallografischen Strukturaufklärungen der Komplexe CuII-14b und CuII-16 weisen eine verzerrt quadratisch-pyramidale Koordinationsgeometrie auf. Das Ligandenfeld wird innerhalb der Stickstoffebene mit steigendem Substitutionsgrad schwächer. Das wurde auch durch ESR-Messungen bestätigt. Nachweislich verursachen die zusätzlichen funktionellen Gruppen eine kleinere Ligandenfeldaufspaltung. Weiterhin nahm die kinetische Stabilität unter stark sauren Bedingungen mit steigendem Substitutionsgrad ab. Der Vergleich mit den bekannten oktaedrischen Kupfer(II)-Cyclam-Essigsäure-Komplexen zeigt, dass die quadratisch-pyramidalen Kupfer(II)-Cyclam-Propionsäure-Derivate unter stark sauren Bedingungen schneller dissoziieren. Als Ursache können die unterschiedlichen Konfigurationen diskutiert werden, da bei 4N+2-Geometrien die thermodynamisch bevorzugte trans III-Konfigurationen gebildet wird. Radiochemische Untersuchungen zur Bewertung der kinetischen Stabilität in vitro und in vivo sind mit den 64Cu-markierten Liganden 13, 14b, 15 und 16 durchgeführt worden. Hierfür ist ein In-vitro-Stabilitätstest basierend auf dem kupferbindenden Enzym Superoxid-Dismutase (SOD) bzw. humanem Serum für radiomarkierte Verbindungen entwickelt worden. In humanem Serum ist Albumin (~66 kDa) in sehr hoher Konzentration enthalten und eines der wichtigsten Transportproteine für extrazelluläre Kupfer-Ionen. Aufgrund seiner Abundanz im Blutplasma ist im Serum-Assay jeweils nur eine stark ausgeprägte Bande bei ca. 66 kDa detektiert worden. Dieser etablierte In-vitro-Stabilitätstest beruht im Gegensatz zu anderen herkömmlichen Analysemethoden (Radio-HPLC oder Radio-DC) auf dem Prinzip der Gelelektrophorese. Von großem Vorteil ist, dass mehrere Proben simultan untersucht werden können und die Ergebnisse zuverlässig und reproduzierbar sind. Die In-vitro-Ergebnisse zeigen einen ähnlichen Trend wie bei der säure-assoziierten Dissoziation, wobei die höchste Stabilität bemerkenswerterweise bei dem [64Cu]Cu-14b Komplex bestimmt wurde. Allerdings beruht der Mechanismus hier nicht auf einer Dissoziation sondern auf einer Transchelatisierung. Die Ergebnisse der Bioverteilungen in Wistar-Ratten korrelieren mit den In-vitro-Studien in humanem Serum. Der Komplex [64Cu]Cu 14b zeigte sowohl eine schnelle renale Blut-Clearence als auch eine sehr geringe Anreicherung in der Leber und stellt damit eine Alternative zu den kommerziell erwerblichen Liganden dar. Als geeignete Chelatoren bieten Cyclam-Monopropionsäure 13 und Cyclam-Dipropionsäure 14b die Möglichkeit, Radiokupfernuklide stabil zu binden und erlauben die mehrfache Einführung von EGFR-spezifischen Peptiden an das Grundgerüst. Als Grundgerüst wurde der Ligand 13 ausgewählt. Durch die Multifunktionalisierung sollen höhere Affinitäten zum Rezeptor und verbesserte metabolische Stabilitäten hervorgerufen werden. Für diese Verbindung liegen erste vielversprechende Ergebnisse vor, wobei hohe Affinitäten zu zwei EGFR-positiven Zelllinien bestimmt wurden.

In recent years, copper radioisotopes have been extensively studied for their suitable coordination and physical properties. Nuclides 61 Cu, 64 Cu and 67 Cu are used in nuclear medicine - in diagnostic as well as in therapeutic applications. The aim of the Thesis is a study of the coordination properties of divalent copper as a stepping stone for the next potential applications. The presented Thesis consists of two thematic parts. The first part deals with the synthesis of cyclam derivatives. Sixteen new macrocyclic ligands with different phosphorus acid coordinating pendant arms (phosphinate, phosphonate, germinal P-C-P) were prepared; an analogous ligand endowed by carboxylic acid pendant arm as well as tetramethylcyclam without coordinating arm were prepared for comparison. The influence of the nature of coordinating acid pendant arms on selectivity and on the rate of copper(II) complexation was studied in detail. The protonation constants of the free ligands and the stability constants of the complexes with selected transition metal ions were determined by potentiometric titrations and by 1 H and 31 P NMR spectroscopy. Kinetic properties - i.e. studies of the formation rate and kinetic inertness of the copper(II) complexes - were performed by UV-Vis spectroscopy. The formation kinetics of the selected...