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Diese Arbeit gibt neue Einblicke in die kinetischen und mechanistischen Aspekte der konventionellen radikalischen und der Reversible-Addition–Fragmentation-chain-Transfer- (RAFT-)Polymerisation von der Oberfläche von Silica-Nanopartikeln. Die Terminierungskinetik der oberflächeninitiierten Polymerisation von n-Butylmethacrylat (n-BMA) wurde mit Hilfe der Single-pulse–pulsed-laser-Polymerisation (SP–PLP) in Kombination mit der Elektronenspinresonanzspektroskopie (ESR-Spektroskopie) analysiert. Die Polymerisation wurde dabei durch den neu entwickelten oberflächengebundenen Photoinitiator 2,2-Dimethoxy-2-phenyl-1-(2-(2-(trimethoxysilyl)-ethyl)phenyl)-1-on (DMPTS) initiiert. Die erhaltenen Geschwindigkeitskoeffizienten der Terminierung kt, die ausschließlich der Terminierungsreaktion zwischen zwei oberflächengebundenen Radikalen zugeordnet werden konnten, waren signifikant kleiner als die Literaturwerte für das entsprechende homogene Polymerisationssystem. Erstaunlicherweise konnte außerdem keine Kettenlängenabhängigkeit von kt gefunden werden. Dies zusammen mit der Tatsache, dass bei temperaturabhängigen Untersuchungen eine Aktivierungsenergie für kt gefunden wurde, die in exzellenter Übereinstimmung mit der des Propagationsgeschwindigkeitskoeffizienten von n-BMA ist, lässt das Bild einer reaktionsdiffusionskontrollierten Terminierung oberflächengebundener Makroradikale entstehen. Die Entwicklung des oberflächengebundenen Photoinitiators DMPTS erlaubte weiterhin neue Einblicke in die Propagationskinetik – insbesondere deren Temperaturabhängigkeit betreffend – oberflächengebundener Makroradikale. Mittels der PLP von n-BMA in Kombination mit der Größenausschlusschromatographie (engl. size-exclusion chromatography, SEC) wurden Werte für den Geschwindigkeitskoeffizienten der Propagation kp und die entsprechende Aktivierungsenergie ermittelt, die exzellent mit den Daten der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) für die Polymerisation von n-BMA in homogenem Reaktionsmedium übereinstimmen, sodass kein Einfluss der Oberflächenverankerung der Makroradikale auf die Propagationskinetik ersichtlich ist. Weiterhin wurde die Kinetik der RAFT-Polymerisation von n-Butylacrylat (BA) von Oberflächen bei –40 °C mit Hilfe verschiedener ESR-spektroskopischer Methoden für den R- und den Z-Gruppen-Ansatz unter Verwendung oberflächengebundener Trithiocarbonate als RAFT-Agenzien untersucht. Die kinetischen Analysen des R-Gruppen-Ansatzes mittels stationärer ESR-Experimente lieferten Gleichgewichtskonstanten Keq, die um eine Größenordnung kleiner sind als die Literaturwerte für entsprechende homogene Polymerisationssysteme, was darauf hindeutet, dass die Oberflächenverankerung des RAFT-Agens einen signifikanten Einfluss auf die Kinetik der RAFT-Polymerisation hat. Durch die Aufnahme zeitlicher Konzentrationsverläufe der Intermediatspezies und der propagierenden Radikale nach Einzelpulsinitiierung mittels der hochaufgelösten zeitabhängigen ESR-Spektroskopie (SP–PLP–ESR–RAFT) in Kombination mit PREDICI®-Simulationen wurden diese Ergebnisse bestätigt, da eine Abnahme des Geschwindigkeitskoeffizienten der Addition eines Makroradikals an die RAFT-Gruppe mit zunehmender Anzahl beteiligter oberflächengebundener Makromoleküle gefunden wurde. Dieser Befund ist im Einklang mit der Vorstellung, dass die Additionsreaktion bei Beteiligung verankerter Makromoleküle diffusionskontrolliert abläuft, was auf die unterdrückte Translations- und die eingeschränkte Segmentdiffusion oberflächengebundener Polymerketten zurückzuführen ist. Ein noch kleinerer Wert von Keq wurde für den Z-Gruppen-Ansatz gefunden und kann darauf zurückgeführt werden, dass die in Lösung wachsenden Ketten für die Additionsreaktion mit der RAFT-Gruppe, die sich über den gesamten Verlauf der Polymerisation in unmittelbarer Nähe zur Partikeloberfläche befindet, durch die Polymerschicht auf der Oberfläche diffundieren müssen. Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass eine Additionsreaktion stattfindet, nimmt mit zunehmender Polymerschichtdicke ab, was durch einen kleineren Wert von Keq bei Verwendung von einem RAFT-Agens, das über die Z-Gruppe verankert war und über eine makromolekulare anstatt einer niedermolekularen R-Gruppe verfügte, gezeigt werden konnte. Die vorgestellten Ergebnisse geben einen umfangreichen Überblick über den Einfluss der Oberflächenverankerung von Komponenten, die am Prozess der radikalischen Polymerisation beteiligt sind, auf die Kinetik der oberflächeninitiierten radikalischen Polymerisation und ebnen den Weg für detaillierte, systematische Untersuchungen der Zusammenhänge zwischen der Kinetik von radikalischen Polymerisationen an Oberflächen und der molekularen Struktur der erhaltenen oberflächengebundenen Polymere.

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Membranproteine spielen eine wichtige Rolle in vielen biochemischen Prozessen der Zelle, wie zum Beispiel der Signaltransduktion, der Zelladhesion oder auch der Erkennung von Krankheitserregern. Viele dieser Proteine sind von Bedeutung für die Entwicklung neuer innovativer Medikamente. Somit hat auch die Entwicklung von Sensoren, die die Untersuchung von Membranproteinen in ihrer natürlichen Umgebung erlauben an Bedeutung gewonnen [1]. Thema dieser Doktorarbeit war die Entwicklung von Analysekonzepten die es ermöglichen unterschiedliche Aspekte von Membraninteraktionen zu untersuchen und zu quantifizieren. Als Analysemethode wurde dafür reflektometrische Interferenz Spektroskopie (RIfS) eine markierungsfreie, optische Methode verwendet. RIfS erlaubt es die Höhe dünner transparenter Filme zu bestimmen, indem das Weißlicht-Reflexionspektrum eines solchen Films aufgezeichnet wird. Durch die Überlagerung der in dem Film mehrfach reflektierten Teilstrahlen entsteht ein Interferenzmuster im Reflexionsspektrum, welches Aufschluß gibt über die Schichtdicke und den Brechungsindex des transparenten Films. Es wurde bereits gezeigt, dass RIfS eine geeignete Methode zur Untersuchung von Protein-ProteinWechselwirkungen ist [2]. Aus diesem Grund wurde RIfS als Detektionsverfahren für die Entwicklung eines Membransensors gewählt. Im Laufe dieser Arbeit entstanden zwei Aufbauten für reflektometrische Messungen. Ein Standard RIfS Aufbau und ein Instrument das die Methode mit Fluoreszenz-Mikroskopie kombiniert. Um dieWechselwirkung von Proteinen selbst und Proteinen mit Membranbestandteilen wie Lipiden zu untersuchen, wurde ein Konzept basierend auf festkörperunterstützten Membranen entwickelt. Dieses Experiment erlaubt es die Wechselwirkungen auf artifiziellen Membranen, sowie auf rekonstituierten Zellmembranen zu untersuchen. Zudem wurde ein Analysekonzept mit Nano-BLMs entwickelt, dass es erlaubt den simultanen Transport von Molekülen in ein membranverschlossenes Kompartiment hinein als auch heraus zu beobachten. Neben diesen membranbasierten Experimenten wurde auch ein Konzept entwickelt, welches es erlaubt die molekulare Erkennungsreaktion von sehr kleiner Analyten direkt zu messen. Dieses Messkonzept erlaubt es die Bindung von Molekülen mit sehr kleinem Molekulargewicht an einen auf dem Sensor immobilisierten Partner direkt zu quantifizieren.

Die Umsetzung des Park-Nucleotids zu Lipid I in der bakteriellen Zellwandbiosynthese wird durch das Enzym MraY katalysiert. Dieses Enzym ist ein interessantes, bisher ungenutztes Target für neuartige Antibiotika. In der vorliegenden Dissertation wurde das fluoreszenzmarkierte Park-Nucleotid, welches für MraY-Assays geeignet ist, totalsynthetisch dargestellt. Die Synthese konnte ausgehend von kommerziell erhältlichem N-Acetylglucosamin in 14 Stufen mit einer Gesamtausbeute von 4 % erfolgreich durchgeführt werden. Dabei wurden einige Schritte auf Basis einer literaturbekannten Synthese gründlich optimiert und neue Wege zur Darstellung des Peptids und anschließender Kupplung mit einem Kohlenhydrat Baustein gefunden. Im Zuge dieser neuen Syntheseroute wurde die Uridindiphosphat-N-Acetylmuraminsäure, als Substrat für MurC-Assays, synthetisiert. Dies gelang in einer achtstufigen Synthese ausgehend von der geschützten N-Acetylmuraminsäure in einer Gesamtausbeute von 15 %. Die Muraymycine, eine Klasse von natürlichen Nucleosid-Antibiotika, inhibieren das Enzym MraY effizient. In dieser Dissertation wurde der Grundstein für die Synthese möglichst vielfältiger vereinfachter Muraymycin Analoga gelegt, welche potentielle Inhibitoren für MraY darstellen. Die Harnstoffpeptidseitenkette wurde variiert, um den Einfluss dieses Strukturbausteins auf die Inhibitor-Aktivität intensiver untersuchen zu können. Der Ersatz der anspruchsvoll zu synthetisierenden Aminosäure Epicapreomycidin durch die kommerziell erhältlichen Aminosäuren L-Lysin, L-Ornithin, L-Arginin, L-Alanin und L-Methionin konnte die Synthese der Harnstoffpeptidkette stark vereinfachen. Des Weiteren wurde durch eine stereospezifische Synthese die geschützte 2S,3S-Diaminohexansäure dargestellt, um das in den natürlichen Muraymycinen enthaltene L-Hydroxyleucin, welches häufig mit einer Fettsäure verestert ist, zu ersetzten. Dieses sollte durch den Austausch einer Esterbindung durch eine Amidbindung zu einer Stabilisierung der Muraymycin Derivate führen. Unter Verwendung des in dieser Dissertation beschriebenen Lysin-haltigen Harnstoffpeptids wurden vor kurzen vereinfachte Muraymycin-Analoga synthetisiert und IC50 Werte mittels eines fluoreszenzbasierten MraY-Assays bestimmt. Diese stark vereinfachten Verbindungen weisen bereits gute Inhibitor Aktivitäten auf. Durch die Kombination der verschiedenen, in dieser Arbeit synthetisierten Harnstoffpeptide und Aminosäuren mit unterschiedlichen Uridinderivaten kann zukünftig eine große Anzahl diverser potentieller Inhibitoren dargestellt werden.

Durch die Funktionalisierung von Silica- und Gold-Nanopartikeln mit einem neu entwickelten photoschaltbaren Polymer wurden gezielt selbst¬organisierte Architekturen aus Polymer-Nanokompositen aufgebaut. Silica-Oberflächen wurden mit Transferagenzien für eine oberflächeninitiierte reversible Additions–Fragmentierungs-Ketten-transferpolymerisation (engl. reversible addition–fragmentation chain transfer (RAFT-) Polymerisation) modifiziert und systematisch untersucht. Dazu wurden Mono-, Di- und Trialkoxysilylether als Ankergruppen in die chemische Struktur der RAFT-Agenzien integriert. Die Analyse von funktionalisierten planaren Substraten durch Rasterkraftmikroskopie hat gezeigt, dass di- und trifunktionelle Ankergruppen als vernetzte Aggregate auf der Oberfläche gebunden werden, wenn die Immobilisierung in Toluol durchgeführt wird. Als Ursache dafür wurde durch dynamische Lichtstreuung (DLS) eine, im Vergleich zur Reaktion mit der Oberfläche, beschleunigte Aggregation der Ankergruppen identifiziert. Die Vernetzung konnte durch die Verwendung von 1,2-Dimethoxyethan als Lösungsmittel unterbunden werden, wodurch besser definierte Oberflächenstrukturen erhalten wurden. Diese wurden ebenfalls durch Monoalkoxysilylether erreicht, die unabhängig vom Lösungsmittel keine Möglichkeit zur Vernetzung bieten. Die Charakterisierung funktionalisierter sphärischer Silica-Nanopartikel mittels Transmissionselektronen¬mikroskopie (TEM) bestätigten diese Ergebnisse. Dadurch wurde gezeigt, dass vernetzte Ankergruppen zu der Aggregation von Silica-Nanopartikeln führen. An den funktionalisierten Partikeln wurden RAFT-Polymerisationen durchgeführt, deren Produkte durch Gel-permeations¬chromatographie und Thermogravimetrie analysiert wurden. Dabei wurde gezeigt, dass die Beladungsdichte des Polymers nicht ausschließlich mit der Konzentration der RAFT-Agenzien auf der Oberfläche steigt, sondern vor allem mit deren Erreichbarkeit für Makroradikale. Zudem wurde festgestellt, dass der Anteil niedermolekularer Nebenprodukte unabhängig vom Aggregationgrad der verwendeten Ankergruppen ist. Nach diesen Prinzipien maßgeschneiderte Silica- und Gold-Nanopartikel wurden in einer Blockcopolymermatrix dispergiert und mittels TEM analysiert. Durch Mikrophasenseparation der Matrix konnten erstmals RAFT-Polymer-funktionalisierte Nanopartikel gezielt und selektiv in eine Phase integriert werden. Zusätzlich wurde beobachtet, dass selektiv Silica-Partikel mit kleinen Durchmessern aus der eingesetzten Größenverteilung eingebaut wurden. Neben dem Design von Nanopartikeln wurde ein photoschaltbares Polymer (PAzoPMA) für die Anwendung in Polymer-Nanokompositen entwickelt. Durch die reversible Licht-induzierte transcis-Isomer¬isierung der schaltbaren Azobenzol-Einheiten des Polymers, nimmt sowohl die molekulare Größe ab als auch das Dipolmoment deutlich zu. Diese Änderungen konnten durch Wasser-Kontaktwinkel-Analysen, DLS und Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie charakterisiert werden. Durch die Funktionalisierung von Silica- bzw. Gold-Partikeln mit diesem Polymer wurden photoschaltbare Nanokomposite synthetisiert, indem PAzoPMA über RAFT-Agenzien an die Oberfläche gebunden wurde. Die Bestrahlung einer Dispersion dieser Hybridpartikel mit ultraviolettem Licht induzierte die transcis-Isomerisierung, die eine Selbstorganisation der Primärpartikel zur Folge hatte. Insbesondere funktionalisierte Gold-Nanopartikel aggregierten zu definierten, sphärischen Überstrukturen, was durch DLS und optische Absorptions-spektroskopie belegt wurde. Durch letztere konnte außerdem gezeigt werden, dass der geschaltete Zustand länger stabil ist als bei bisher literaturbekannten Systemen mit Kleinmolekülen als Photoschalter. Eine weitere Stärke des entwickelten Systems wird mittels TEM-Analyse verdeutlicht. Die über die molare Masse des PAzoPMAs in der Partikelhülle einstellbaren Abstände der Primärpartikel, innerhalb dieser Überstrukturen, verdeutlichen das große Potential des Systems.

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