With their three-dimensional macromolecular structure and shape, and with their tuneable properties in both the inner and outer spheres, dendrimers are ideal model compounds in the nanometre range between 1 and 10 nm. The possibility to combine different properties within one macromolecule destines them for use in various high-end research fields such as medicine, pharmacy, biology, supramolecular chemistry, nanotechnology and material sciences. On the basis of their high end-group density and a compact, highly branched molecular structure, dendrimers are successfully investigated as carrier systems for active substances and metal ions (e.g. contrast agents for the visualisation of blood vessels), as templates for metal nanoparticles, as artificial enzymes with defined functions, and as materials for catalysis. / Dendrimere sind aufgrund ihrer dreidimensionalen Makromolekülstruktur und -form und ihrer steuerbaren Eigenschaften sowohl an der Oberfläche als auch im Molekülinneren ideale Modellverbindungen im Nanometerbereich – sie sind zwischen 1 und 10 nm groß –, die vorzugsweise in der Medizin, Pharmazie, Biologie, Supramolekularen Chemie, Nanotechnologie und den Materialwissenschaften eingesetzt werden. Aufgrund ihrer hohen Endgruppendichte und der kompakten, stark verzweigten Molekülform werden Dendrimere unter anderem als Trägermaterialien und Transportsysteme für Wirkstoffe und Metallionen, zum Beispiel als Kontrastmittel zur Visualisierung von Organen und Blutgefäßen, als Template für metallische Nanopartikel, zur Erzeugung künstlicher Enzymfunktionen und in der Katalyse erfolgreich untersucht.

With their three-dimensional macromolecular structure and shape, and with their tuneable properties in both the inner and outer spheres, dendrimers are ideal model compounds in the nanometre range between 1 and 10 nm. The possibility to combine different properties within one macromolecule destines them for use in various high-end research fields such as medicine, pharmacy, biology, supramolecular chemistry, nanotechnology and material sciences. On the basis of their high end-group density and a compact, highly branched molecular structure, dendrimers are successfully investigated as carrier systems for active substances and metal ions (e.g. contrast agents for the visualisation of blood vessels), as templates for metal nanoparticles, as artificial enzymes with defined functions, and as materials for catalysis. / Dendrimere sind aufgrund ihrer dreidimensionalen Makromolekülstruktur und -form und ihrer steuerbaren Eigenschaften sowohl an der Oberfläche als auch im Molekülinneren ideale Modellverbindungen im Nanometerbereich – sie sind zwischen 1 und 10 nm groß –, die vorzugsweise in der Medizin, Pharmazie, Biologie, Supramolekularen Chemie, Nanotechnologie und den Materialwissenschaften eingesetzt werden. Aufgrund ihrer hohen Endgruppendichte und der kompakten, stark verzweigten Molekülform werden Dendrimere unter anderem als Trägermaterialien und Transportsysteme für Wirkstoffe und Metallionen, zum Beispiel als Kontrastmittel zur Visualisierung von Organen und Blutgefäßen, als Template für metallische Nanopartikel, zur Erzeugung künstlicher Enzymfunktionen und in der Katalyse erfolgreich untersucht.

The preparation of the shape-persistent carbosilane-functionalized porphyrins H2TPP(4-SiRR’Me)4, Zn(II)- TPP(4-SiRR’Me)4 (R = R’ = Me, CH2CHvCH2, CH2 CH2CH2OH; R = Me, R’ = CH2 CHvCH2, CH2CH2CH2OH; TPP = tetraphenyl porphyrin), H2TPP(4-Si(C6H4-1,4-SiRR’Me)3)4, and Zn(II)-TPP(4-Si- (C6H4-1,4-SiRR’Me)3)4 (R = R’ = Me, CH2CHvCH2; R = Me, R’ = CH2CHvCH2) using the Lindsey condensation methodology is described. For a series of five samples their structures in the solid state were determined by single crystal X-ray structure analysis. The appropriate 0th and 1st generation porphyrin-based 1,4-phenylene carbosilanes form 2D and 3D supramolecular network structures, primarily controlled by either π–π interactions (between pyrrole units and neighboring phenylene rings) or directional molecular hydrogen recognition and zinc–oxygen bond formation in the appropriate hydroxyl-functionalized molecules. UV-Vis spectroscopic studies were carried out in order to analyze the effect of the dendritic branches on the optical properties of the porphyrin ring. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese und die Charakterisierung von Carbosiloxandendrimeren der 1. – 3. Generation, welche periphere Me2SiH, MeSiH2 bzw. SiH3 Gruppen besitzen, vorgestellt. Ausgehend von diesen Verbindungen konnte am Beispiel eines mit einer Dimethylvinylsilyl-Einheit funktionalisierten Titanocendichlorides gezeigt werden, dass sich durch die Hydrosilylierungsreaktion metallorganische Bausteine an SiH-funktionalisierte Carbosiloxandendrimere anbinden lassen. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit bildeten Carbosilandendrimere. Eine neue Variante der Darstellung dieser Moleküle durch die konvergente Synthesemethode mit Hilfe von kettenverlängernden, 1 zu 2 bzw. 1 zu 3 verzweigten Bausteinen konnte partiell erfolgreich durchgeführt werden. Die Anbindung von cyclischen (12-Krone-4, 15-Krone-5, 18-Krone-6, Sila-8-Krone-3, Sila-11-Krone-4) und acyclischen (Triethylenglycolmonomethylether) Polyethern an dendritische Carbosilane der 1. und 2. Generation wird ebenfalls beschrieben. Hierzu wurden Carbosilandendrimere mit peripheren SiH-Einheiten durch Hydrosilylierung mit den entsprechenden allyl- bzw. vinylfunktionalisierten Ethern zur Reaktion gebracht. Die auf diesem Weg erhaltenen Dendrimere mit endständigen cyclischen bzw. linearen Polyethern wurden mit Alkalimetallionen (Li+, Na+, K+) umgesetzt und die entstandenen Komplexe massenspektrometrisch untersucht.

The preparation of the shape-persistent carbosilane-functionalized porphyrins H2TPP(4-SiRR’Me)4, Zn(II)- TPP(4-SiRR’Me)4 (R = R’ = Me, CH2CHvCH2, CH2 CH2CH2OH; R = Me, R’ = CH2 CHvCH2, CH2CH2CH2OH; TPP = tetraphenyl porphyrin), H2TPP(4-Si(C6H4-1,4-SiRR’Me)3)4, and Zn(II)-TPP(4-Si- (C6H4-1,4-SiRR’Me)3)4 (R = R’ = Me, CH2CHvCH2; R = Me, R’ = CH2CHvCH2) using the Lindsey condensation methodology is described. For a series of five samples their structures in the solid state were determined by single crystal X-ray structure analysis. The appropriate 0th and 1st generation porphyrin-based 1,4-phenylene carbosilanes form 2D and 3D supramolecular network structures, primarily controlled by either π–π interactions (between pyrrole units and neighboring phenylene rings) or directional molecular hydrogen recognition and zinc–oxygen bond formation in the appropriate hydroxyl-functionalized molecules. UV-Vis spectroscopic studies were carried out in order to analyze the effect of the dendritic branches on the optical properties of the porphyrin ring. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Nanopartikel basierte colorimetrische Assays bieten vielfältige Anwendungsmöglichkeiten vom Nachweis ionischer oder molekularer Spezies bis hin zu komplexen Strukturen, wie zum Beispiel Zellen oder Bakterien. Trotz der großen Anzahl von Anwendungsbeispielen in der Literatur gibt es nur sehr wenige Beispiele für den Fall, wenn Analyt und Sensorpartikel etwa gleich groß sind. Jedoch nimmt das Interesse an dem Nachweis solcher Analyten, wie zum Beispiel von Viren, in der Bioverfahrenstechnik, der Umwelttechnik und Medizin stetig zu. In der Dissertation wird anhand von drei unterschiedlichen Anwendungsbeispielen die lückenlose Anwendbarkeit des Nanopartikel basierten colorimetrischen Sensorprinzips für verschiedene Analyten aus dem gesamten interessierenden Größenspektrum nachgewiesen. Für die Detektion von Ionen bzw. Ionenkomplexen ist mit der Funktionalisierung der Goldnanopartikel mit bakteriellen Zellhüllenproteinen ein spezifisches Nachweisverfahren für spezielle Ionenkomplexe entwickelt worden. Erste Ergebnisse zum Nachweis von toxischen Arsen(V)-Komplexen in wässriger Lösung belegen das enorme Potential. Als Nachweisgrenze konnten Werte im Bereich herkömmlicher sensitiver Messverfahren ermittelt werden. Durch Untersuchung der Wechselwirkung von Au- und AuxAg1-x–Nanopartikeln mit dendritischen Polymerstrukturen mit Abmessungen im Größenbereich zwischen 2 und 5 nm konnten tiefere Einblicke in das Aggregationsverhalten der Partikel bei der Ausbildung größerer komplexer Strukturen erzielt werden, die eine sensorische Umsetzung ermöglichen. Derartige Betrachtungen existieren bisher nur für Ionen oder kleinere molekulare Spezies. Der Nachweis von Analyten mit zu den Nanopartikeln vergleichbarer Größe wird am Beispiel zweier unterschiedlicher viraler Proben, dem Rinder-Coronavirus (BCV) und einem humanen Influenzavirus (H3N2) in grundlegenden Experimenten demonstriert. Die Durchführung dieser Arbeiten mit prozessnahem Virusprobenmaterial ist mit besonderen Herausforderungen an die Signalgewinnung und Interpretation verbunden. Aufbauend auf diesen experimentellen Ergebnissen konnte in einer skalenübergreifenden Betrachtung für Analytgrößen vom Subnanometerbereich bis hin zu einigen hundert Nanometern die lückenlose, universelle Anwendbarkeit des colorimetrischen Sensorprinzips demonstriert werden. Diese Betrachtungen ermöglichen generelle Aussagen zur Lage des Farbumschlagbereiches sowohl in Abhängigkeit von der Analytgröße als auch der Funktionalisierung, der Konzentration und der Größe der Nanopartikel.

Das Ziel der Arbeit war es, Skalenverhalten und Lösungseigenschaften von flexiblen Dendrimeren als Modell für hochverzweigte Polymere zu untersuchen. Als Untersuchungsmethode wurde die gepulste Feldgradienten NMR (PFG-NMR) eingesetzt, um das hydrodynamische Verhalten der Dendrimere in Lösung zu erforschen. Aus der Konzentrationsabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten konnte abgeleitet werden, dass das Verhalten der PAMAM-Dendrimere dem von Proteinen ähnelt, die Dendrimere also starr und globulär sind. Um die Abhängigkeit des hydrodynamischen Radius von der Molmasse zu untersuchen, kamen Lösungen von mehreren Generationen PAMAM-Dendrimeren mit verschiedenen Endgruppen zum Einsatz. Mit PFG-NMR wurden die Diffusionskoeffizienten bestimmt, aus denen die hydrodynamischen Radien nach der Stokes-Einstein-Beziehung berechnet wurden. Ein Skalenansatz lieferte die beste Beschreibung der Daten für alle drei untersuchten Systeme. Die ermittelten Skalenexponenten waren u = 3,7 für alle untersuchten PAMAM-Dendrimere. Dies bedeutet, dass deren Wachstum im dreidimensionalen Raum begrenzt ist, da der Skalenexponent einen Wert größer drei annimmt. Die Art der Endgruppen hatte in diesem Fall keinen erkennbaren Einfluss auf das Skalenverhalten. An Lysin-Dendrimeren wurde der Einfluss der Kernfunktionalität auf den Skalenexponenten untersucht. Die Lysin-Dendrimere standen als Monodendren (Kernfunktionalität, KF=1) und als Dendrimere mit einem Thiacalixaren-Kern (Thia1: KF=2, Thia2: KF=4) zur Verfügung. Die Skalenexponenten waren folgende: Für das Monodendron war u = 2,0, für Thia1 war u = 2,3 und Thia2 hatte einen Skalenexponent von u = 3,9. Da die Dendren in allen drei Fällen identisch waren, muss dieser Unterschied durch den Kern begründet sein. Weiter wurde die effektive Ladung von PAMAM-COONa G1,5 Dendrimeren in verdünnter D2O-Lösung als Funktion des pH-Werts mit Hilfe von Elektrophorese-NMR untersucht. Dabei änderte diese sich von Zeff = -5 e bei pH 12,6 zu Zeff = +5 e bei pH 1,8.

Chemische Synthese und Charakterisierung von Sauerstoff- und Schwefel-Heteroporphyrinen und ihren Mn(II)-, Co(II)-, Cu(II)-, Zn(II)- und Pd(II)-Komplexen. Strukturelle und spektroskopische Beschreibung der Liganden und Komplexe durch Röntgendiffraktometrie, EXAFS, NMR, UVVIS, Fluoreszenzspektroskopie, CV unf MS. Darstellung und Beschreibung dendritischer Heteroporphyrinmoleküle.

Streptococcus pneumoniae ist der häufigste Erreger bakterieller Meningitiden. Eine Pneumokokken-Meningitis führt trotz Ausschöpfung aller heute verfügbaren Behandlungsmöglichkeiten in 25 % der Fälle zum Tod. Steigende Antibiotikaresistenzen und die Limitation verfügbarer Vakzine auf einige Serotypen von S. pneumoniae erfordern neue Ansätze in der antimikrobiellen Therapie. Cholin-bindende Proteine (CBPs) sind gemeinsames Merkmal aller Pneumokokkenstämme und für die Virulenz dieses Bakteriums essenziell. Durch Zugabe potenter Anticholinergika können die CBPs von der Bakterienoberfläche abgelöst und damit inhibiert werden. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob durch Inhibition von CBPs während des Wachstums der Pneumokokken deren Phagozytose durch Mikrogliazellen in vitro gesteigert werden kann. Während ihres Wachstums wurden die Bakterien dazu mit potenten Anticholinergika inkubiert und am Ende ihrer exponentiellen Wachstumsphase auf murine Mikrogliazellen gegeben. Nicht alle eingesetzten Anticholinergika konnten die Inhibition der CBPs – angezeigt durch die Bildung langer Kokkenketten – bewirken, obwohl für sie alle eine hohe Affinität zu den CBPs in früheren Arbeiten nachgewiesen worden war. Ipratropium, das in höheren Konzentrationen das Pneumokokkenwachstum inhibiert, induzierte in den von uns eingesetzten niedrigen Konzentrationen weder die Bildung von Ketten noch führte es zu einer erhöhten Phagozytoseleistung. Mit DMAE funktionalisiert zeigten PAMAM-Dendrimere der 1. Generation ebenfalls keine Inhibition der CBPs: Es bildeten sich weder Kokkenketten noch zeigte sich eine erhöhte Bakterienaufnahme der Mikroglia. Im Gegensatz dazu stellte sich unter Einfluss von PPI-g2-DMAE neben ausbleibender Kettenbildung ein dosisabhängiger phagozytosehemmender Effekt dar. Einzig durch Co-Inkubation mit dem mit Cholin funktionalisierten PPI-Dendrimer der 2. Generation gelang die Inhibition der CBPs mit resultierender Bildung langer Ketten. Die Phagozytoseleistung zeigte eine dosisabhängige Steigerung sowohl für eine CoInkubation während der gesamten exponentiellen Wachstumsphase als auch nach Co-Inkubation während ihrer letzen 2 Stunden. Dennoch konnte im Sepsismodell der Maus durch intraperitoneale Injektion dieses Dendrimers 15 min vor Infektion mit S. pneumoniae kein protektiver Effekt erzielt werden: Zwischen den mit Dendrimeren behandelten Tieren und denen der Kontrollgruppe zeigten sich keine Unterschiede in Überlebenszeit und Sterblichkeit, dem krankheitsbedingten Gewichtsverlust, dem klinischen Score und der durch Ausplattieren von Milzhomogenaten ermittelten Keimkonzentration im Blut infektionsbedingt verstorbener Tiere. Die von uns eingesetzten Konzentrationen von Ipratropium scheinen für eine Inhibition der CBPs nicht ausgereicht zu haben. Der bislang nicht genau geklärte wachstumsinhibitorische Effekt, der sich in unseren Versuchen bereits ab 5 mM bemerkbar machte, könnte jedoch durch Inhalation von Ipratropium gezielt zur Prophylaxe von Pneumokokken-Pneumonien genutzt werden. Bei an Dendrimere gekoppelten, eigentlich potenten Liganden der CBPs konnte beobachtet werden, dass sie als Teil des Dendrimers ihre Affinität gegenüber den CBPs nicht nur deutlich verändern, sondern auch unerwartete Effekte (Verminderung der Phagozytose) hervorrufen können. Wegen der raschen Elimination scheint die einmalige Gabe eines potenten Dendrimers zur Inhibition der CBPs in vivo nicht auszureichen und erklärt das Versagen im Sepsismodell. Neuere Untersuchungen zur Distribution im Hirnparenchym nach intraventrikulärer oder subarachnoidaler Injektion lassen hoffen, dass durch Gabe subtoxischer Dosen die von uns beobachtete Phagozytosesteigerung in vivo reproduzierbar ist. Durch Inhibition der CBPs ist es möglich, die Virulenz aller Serotypen des Pneumokokkus stark zu reduzieren. Potente Inhibitoren könnten sowohl als Therapeutikum als auch zur Infektionsprophylaxe eingesetzt werden, ohne dass es dabei zur Ausbildung von Resistenzen kommt, da zeitgleich mehrere Virulenzfaktoren inhibiert werden. Es ist daher von großem medizinischen Interesse, Inhibitoren der CBPs zu entwickeln, die in subtoxischen Dosen eine hohe Affinität zu den CBPs aufweisen und diese inhibieren.

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese und die Charakterisierung von Carbosiloxandendrimeren der 1. – 3. Generation, welche periphere Me2SiH, MeSiH2 bzw. SiH3 Gruppen besitzen, vorgestellt. Ausgehend von diesen Verbindungen konnte am Beispiel eines mit einer Dimethylvinylsilyl-Einheit funktionalisierten Titanocendichlorides gezeigt werden, dass sich durch die Hydrosilylierungsreaktion metallorganische Bausteine an SiH-funktionalisierte Carbosiloxandendrimere anbinden lassen. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit bildeten Carbosilandendrimere. Eine neue Variante der Darstellung dieser Moleküle durch die konvergente Synthesemethode mit Hilfe von kettenverlängernden, 1 zu 2 bzw. 1 zu 3 verzweigten Bausteinen konnte partiell erfolgreich durchgeführt werden. Die Anbindung von cyclischen (12-Krone-4, 15-Krone-5, 18-Krone-6, Sila-8-Krone-3, Sila-11-Krone-4) und acyclischen (Triethylenglycolmonomethylether) Polyethern an dendritische Carbosilane der 1. und 2. Generation wird ebenfalls beschrieben. Hierzu wurden Carbosilandendrimere mit peripheren SiH-Einheiten durch Hydrosilylierung mit den entsprechenden allyl- bzw. vinylfunktionalisierten Ethern zur Reaktion gebracht. Die auf diesem Weg erhaltenen Dendrimere mit endständigen cyclischen bzw. linearen Polyethern wurden mit Alkalimetallionen (Li+, Na+, K+) umgesetzt und die entstandenen Komplexe massenspektrometrisch untersucht.