Formaldehyde is a chemical used widely in the manufacture of building materials. A remarkable example is represented by the Lucite two-step Alpha technology for the large scale production of methyl methacrylate (MMA), the essential building block of all acrylic-based products. Esters and ketones are important intermediates in the manufacture of acrylate esters therefore α-hydroxymethylenation of carbonyl compounds using formaldehyde as a one carbon alkylating agent and subsequent dehydration to the corresponding methylenated derivatives has been explored in the current work. We report a novel catalytic approach for the synthesis of methyl methacrylate (MMA) via one-pot α-methylenation of methyl propanoate (a chemical intermediate of the ALPHA process) with formaldehyde, generated in situ by Ru-catalysed dehydrogenation of methanol. Elucidation of the mechanism involved in the catalytic dehydrogenation of methanol along with the collateral alcohol decarbonylation reaction was gained through a combined experimental and DFT study. The development of an alternative process where anhydrous formaldehyde is produced in situ would provide a simplification over the current second step of the ALPHA technology where the formaldehyde is initially produced as formalin, subsequently dehydrated to afford anhydrous formaldehyde in order to ensure high selectivity to MMA. As an alternative approach, ketones, in particular 3-pentanone and 2-butanone, were targeted as potential substrates in order to overcome some of the problems related to competing reactions that occur at the ester group. Hydroxymethylenation, followed by dehydration and Baeyer-Villager oxidation, possibly catalysed by enzymes to reverse the normal selectivity, leads to the formation of acrylate esters. The catalytic reaction is enabled by a gold carbene hydroxide complex in such a way that the substrate undergoes C-H activation and the nascent metal alkyl acts as a nucleophile towards the electrophilic formaldehyde, supplied in the form of alcoform* (solution of paraformaldehyde in methanol).

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The primary purpose of this study was to investigate the combination of experimental and computational methods in the search for reproducible colloidal surface-enhanced Raman scattering of pharmaceutical compounds. In the search for optimal experimental conditions for colloidal surface-enhance Raman scattering, the amphipathic β-blocker propranolol was used as the target molecule. Fractional factorial designs of experiments were performed and a multiobjective evolutionary algorithm was used to find acceptable solutions, from the results, that were Pareto ranked. The multiobjective evolutionary algorithm suggested solutions outside of the fractional factorial design and the experiments were then performed in the laboratory. The results observed from the suggested solutions agreed with the solutions that were found on the Pareto front. One of the experimental conditions observed on the Pareto front was then used to determine the practical limit of detection of propranolol. The experimental conditions that were chosen for the limit of detection took into account reproducibility and enhancement, the two most important parameters for analytical detection using surface-enhanced Raman scattering. The principal conclusion to this study was that the combination of computational and experimental methods can reduce the need for experiments by > 96% and then selecting solutions from the Pareto front improved limit of detection by a factor of 24.5 when it was compared to the previously reported limit of detection for propranolol. Using the same experimental conditions that were used for the limit of detection, these experiments were extended to plasma spiked with propranolol in order to test detection of this pharmaceutical in biofluids. Concentrations of propranolol were prepared using plasma as the solvent and measured for detection using colloidal surface-enhanced Raman scattering. Detection was determined as <130 ng/mL, within physiological concentrations, previously achieved using separation techniques. The second part of this thesis also involved a combination of experimental and computational methods. Raman optical activity was utilized to investigate secondary structure of amino acids and diamino acid peptides in combination with density functional theory calculations. Amino acids are important biological molecules that have vital functions in the biological system. They have been recognized as neurotransmitters and implicated in neurodegenerative diseases. Raman and Raman optical activity experimental results were compared to determine site-specific acetylation, marker bands for constitutional isomers and identification of functional groups that interact with the solvent. The experimental spectra were then compared to those from the density functional theory calculations. The results indicated that; constitutional isomers cannot be distinguished from the Raman spectra but can be distinguished from the Raman optical activity spectra, site-specific acetylation can be identified from the Raman spectra, however, Raman optical activity provides more structural information in relation to acetylation. When the results were compared to the density functional theory calculations for the diamino acid peptides the results agreed reasonably well, however, agreement was not as good for the monoamino acids because diamino acid peptides support fewer conformations due to the peptide bond whereas monoamino acids can adopt a far greater number of conformations. Combined computational and experimental techniques have developed the ability to detect and characterize biomedical compounds, a significant move in the advancement of Raman spectroscopies.

Die funktionelle Bildgebung der Expression der Cyclooxygenase-2 (COX-2) stellt aufgrund ihrer bedeutsamen Rolle bei pathophysiologischen Prozessen, insbesondere bei der Tumorprogression, einen wichtigen Forschungsansatz dar. Als nichtinvasive, bildgebende Methode bietet die PET (Positronen-Emissions-Tomographie) unter Ausnutzung von radiomarkierten Molekülen eine Möglichkeit, zeitlich und räumlich molekulare Prozesse abzubilden und zu verfolgen. Das Radionuklid Fluor-18 wird wegen seiner nahezu optimalen kernphysikalischen und chemischen Eigenschaften für die PET verwendet. Aufgrund der hohen Anforderungen, die an einen Radiotracer für die Bildgebung mittels PET gestellt werden, ist es bisher nicht gelungen, eine geeignete radiomarkierte Verbindung für die Visualisierung der COX-2-Expression in vivo zu entwickeln. Insbesondere die Spezifität, Selektivität und Affinität sowie die metabolische Stabilität eines Radiotracers sind wesentliche Parameter, die über den Erfolg der Verbindung in vivo entscheiden. Basierend auf den bisherigen Erkenntnissen bei der Entwicklung radiomarkierter selektiver COX-2-Inhibitoren verfolgte diese Arbeit zwei Strategien der Radiotracerentwicklungen. Als potente Zielverbindungen wurden aus der Stoffklasse mit tricyclischer Kernstruktur das Pyrrolo[3,2,1-hi]indol PI (1-(4-Fluorphenyl)-2-(4-methansulfonyl)phenyl-pyrrolo[3,2,1-hi]indol) und das 1,2-Dihydropyrrolo[3,2,1-hi]indol DHPI (5-Fluorphenyl-4-(4-methansulfonyl)phenyl-1,2-dihydropyrrolo[3,2,1-hi]indol) ausgewählt. Die Radiosynthese von [18F]PI gelang in einer manuellen Cu(II)-vermittelten 18F-Fluorierung ausgehend vom entsprechenden Arylboronsäurepinakolester. Die Radiosynthese von [18F]DHPI erfolgte automatisiert über eine Zwei-Stufen/ Ein-Topf-Reaktion bestehend aus einer 18F-Fluorierung und anschließender intramolekularer McMurry-Reaktion. Der Radiotracer [18F]DHPI wurde umfassend hinsichtlich seiner radiopharmakologischen Eigenschaften untersucht. Trotz seiner hohen Stabilität in vivo ist insbesondere die hohe Lipophilie von [18F]DHPI hinderlich für eine spezifische Anreicherung im Tumorgewebe. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die chemische Struktur eines potenten, jedoch metabolisch unzureichend stabilen Radiotracers mit 1,5-Diaryl-substituierter Pyrazol-Kernstruktur und [18F]Fluormethylseitenkette (basierend auf Celecoxib) durch Seitenkettenverlängerung und Deuterierung verändert, sodass eine Beeinflussung der Stabilität erfolgen sollte. Es wurden die entsprechenden Referenzverbindungen und Präkursoren hergestellt. Die Radiosynthesen der drei Zielverbindungen erfolgten automatisiert in einer nucleophilen aliphatischen Substitutionsreaktion. Die drei Radiotracer wurden in vitro und in vivo hinsichtlich ihrer Stabilität und der zugrundeliegenden Metabolisierungsprozesse untersucht. Dabei zeigte insbesondere die Methode der Deuterierung ein hohes Potential für die Verbesserung der metabolischen Stabilität unter Beibehaltung der Affinität zum Zielenzym.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit, wird ein neuartiges Markierungsschema für die Festkörper-NMR-Spektroskopie vorgestellt, das sogenannte Reduced Adjoining Protonation (RAP) Schema, welches die Protonendetektion sämtlicher Aliphaten erlaubt. Hochaufgelöste, 1H-detektierte 1H,13C Korrelationsspektren wurden erhalten. Des Weiteren wurde der Vorteil von hohen MAS-Frequenzen untersucht. 1H- und 13C-detektierte 3D Zuordnungsexperimente wurden implementiert, welche uns die Zuordnung von 90% aller aliphatischen Resonanzen von alpha-Spektrin SH3 erlaubten. Da die chemische Verschiebung abhängt vom Strukturmotiv, kann sie verwendet werden, um Sekundärstruktur-Informationen abzuleiten. Darüber hinaus wurde ein 1H-detektiertes H(H)CH 3D Experiment entwickelt, um weitreichende 1H,1H Kontakte zu ermitteln, welche für die Bestimmung der Tertiärstruktur genutzt werden können. Um artefaktfreie Relaxationsdaten zu erhalten, wurde das RAP-Markierungsschema modifiziert, um 1H- und 13C-verdünnte Proben zu erhalten, in denen Spindiffusion unterdrückt ist. Für die Untersuchung von Sub-Mikrosekunden-Dynamik werden Experimente vorgestellt zur Bestimmung von 13C T1 Relaxationszeiten und 1H,13C dipolaren Kopplungstensoren für Rückgrat- und Seitenketten-Resonanzen. Des weiteren zeigen wir, dass das RAP-Markierungsschema auf nicht-kristalline Systeme, wie Amyloidfibrillen des Abeta1-40 Peptids der Alzheimer-Krankheit, angewendet werden kann. Unter Verwendung von 1H-Detektion, erhielten wir hochaufgelöste 1H,13C Korrelationsspektren. Schließlich wurde der Perdeuterierungsansatz auf den L7Ae-box C/D Protein-RNA Komplex aus P. furiosus angewendet. Wir erhielten hochaufgelöste, 1H-detektierte 1H,15N, sowie 13C,13C Korrelationsspektren des Protein-RNA Komplexes. Weiterhin haben wir eine Methode zur Bestimmung genauer Abstands- und Winkelinformationen für die Protein-RNA Schnittstelle etabliert und schlagen Ansätze vor, für die Zuordnung der chemischen Verschiebungen von RNA-Resonanzen. / In this thesis, a novel labeling scheme for solid-state NMR spectroscopy, the Reduced Adjoining Protonation (RAP) scheme, is introduced, which allows proton detection of all aliphatic sites, as shown for the microcrystalline SH3 domain of alpha-spectrin. These samples yield high-resolution, 1H-detected 1H,13C correlation spectra. In addition, the benefit of high MAS frequencies was investigated. 1H- and 13C-detected 3D assignment experiments are implemented, which allowed us to assign 90% of all aliphatic resonances of alpha-spectrin SH3. As the chemical shift is dependent on the structural motif, it can be employed to derive secondary structure information. Furthermore, a 1H-detected H(H)CH 3D experiment is introduced, to obtain long-range 1H,1H contacts, which can be used for the determination of the tertiary structure. To obtain artifact-free relaxation data, the RAP labeling scheme was modified to obtain sparsely proton labeled, 13C dilute samples, in which spin diffusion is suppressed. To probe sub-microsecond dynamics, we report experiments to determine 13C T1 relaxation times and 1H,13C dipolar coupling tensors for backbone and side chain resonances, respectively. Furthermore, we show, that the RAP labeling scheme can be applied to non-crystalline systems, such as amyloid fibrils of the Alzheimer’s disease peptide Abeta1-40. Using 1H-detection, we obtained high-resolution 1H,13C correlation spectra. Finally, we applied the perdeuteration approach to the L7Ae-box C/D protein-RNA complex from P. furiosus. We obtained high-resolution, 1H-detected 1H,15N, as well as 13C,13C correlation spectra of the protein-RNA complex. In addition, we established a methodology to determine accurate distance and angular restraints for the protein-RNA interface and propose approaches for the chemical shift assignment of RNA resonances.