Universiẗat, Diss., 2002--Freiburg (Breisgau). / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2002.

Universiẗat, Diss., 2004--Köln.

Universiẗat, Diss., 2004--Bielefeld.

Universiẗat, Diss., 2005--Bonn.

Universiẗat, Diss., 2006--Frankfurt (Main).

In den vergangenen Jahren wurden anorganische Salzhydratschmelzen und Ionic Liquids als neuartige Reaktions- und Lösemedien für Cellulose etabliert. Ausgangspunkt für die vorliegende Arbeit zum Lösungszustand von Cellulose in Salzschmelzen war, ein Verständnis für die strukturelle Veränderung beim Auflösen von Cellulose in diesen Solventien zu entwickeln, sowie einen Zusammenhang zwischen der Cellulosestruktur in Lösung und der im Regenerat herzustellen. Auf der Grundlage NMR-spektroskopischer Untersuchungen wurde eine direkte Wechselwirkung zwischen bevorzugten Hydroxylgruppen der Cellulose und den Lithiumkationen der Salzhydratschmelze LiCl∙5D2O nachgewiesen und eine konkrete Lösungsstruktur vorgeschlagen. Unter Verwendung von schwingungsspektroskopischen Methoden und der 13C-CP/MAS-NMR wird die Struktur der Cellulose im festen Salzhydrat als amorph charakterisiert. NMR-Untersuchungen an unkonventionell synthetisierten Cellulosederivaten liefern neue Erkenntnisse zu deren Ordnungsgrad und Substitutionsmuster.

Nuclear magnetic resonance is a non-invasive way to observe material properties on a molecular level. Magnetic resonance imaging is an important diagnostic tool in medicine. Molecules of several metabolites in muscle tissue show similar interactions as molecules partially oriented in orienting media. These interactions could provide new information about processes in vivo, this can serve for diagnostics of metabolism. New insight into the function is gained by observation of metabolites in orienting media. Observable anisotropic interactions in muscle tissue in vivo could be used for diagnostic purposes. Anisotropic NMR interaction of solvent as a new method for observation of phase transition of hydrogel with temperature change or change of solvent composition. Use of magnetic resonance imaging in slices to observe the collapse of polyacrylamide in water-acetone mixtures. Use of diffusion-weighted magnetic resonance imaging to observe phase transition of PNIPAM-based semi-interpenetrating polymer.

In this thesis the syntheses and detailed investigations on two foldable PBI systems were presented. The reversible, solvent-dependet folding/unfolding-behavior was used to study the ground and excited states properties of folda-dimer and folda-trimer by means of different spectroscopic methods as well as theoretical studies. The switching between charge transfer or excimer formation pathways of photoexcited molecules influenced by the spatial arrangement of chromophores within defined dye systems illustrates the impact of conformational preferences on functional properties. / In dieser Arbeit wurden die synthetischen Anstrengungen sowie die profunden Untersuchungen zu zwei faltbaren PBI-Systemen mit definierter Struktur gezeigt. Das reversible Faltungsvermögen des Folda-Dimers und Folda-Trimers wurde hinsichtlich seiner Eigenschaften im Grundzustand sowie im angeregten Zustand mithilfe unterschiedlicher optischer Methoden sowie theoretischer Ansätze eingehend charakterisiert. Das durch die Konstellation der PBI-Chromophore zueinander bedingte Umschalten zwischen Ladungstransfer und Excimerbildung illustriert die große Bedeutung konformativer Präferenzen für die funktionellen Eigenschaften.

Chimeric antigen receptors (CARs) are able to specifically direct T cells to tumor antigens and therapy with anti-CD19 CARs has already cured cancer patients with B-cell lymphomas who have undergone long-term therapy non-successful. Despite this impressive result, the therapy is currently only approved as a last treatment option for blood cancers due to its life-threatening deficiencies. For patient safety and to enable additional application such as the treatment of solid tumors, CAR-T cells must be controllable, e. g. by chemically programmable CARs (cpCARs) regulated by hapten-like compounds. This thesis reports the synthesis and characterization of such hapten-like compounds. In the first step, seven different warheads with two different spacers were bound to biotin in order to find a suitable warhead for programming the cpCAR. In a second step, synthetic routes for the three pharmacophores folate, c(RGD), and an RGD peptidomimetic were developed. The routes allow the modification of the pharmacophores with one of the warheads from the first step. CuAAC was chosen as a bioorthogonal approach to link pharmacophores and warheads. In total, three different pharmacophores were modified with the 1,3-diketone motif of compound 21 leading to 112, 113 and 128. Activation of the T-cell signaling cascade was tested after binding of these hapten-like compounds to the cpCAR in the presence of suitable target structures. For 112, only a slight, non-significant, activation of the T-cell signaling cascade was observed, whereas for 113 and 128, a significant activation of the T-cell signaling cascade was observed. The poor solubility of the folate compounds led to alternative strategies. Folic acid was exchanged by pteroic acid and the bifunctional, linear compounds were enlarged to trifunctional dendrimers. Besides the reported regioisomer in 112, a second one, which was not reported to date, occurred by the cyclization of the linear RGD pentapeptide leading to 113. After the reported synthesis of an RGD peptidomimetic analogous to 128 could not be reproduced, a new synthetic route was developed. It also consists of 17 steps, but reduces the number of linear steps from 13 to 10. Moreover, the developed route contains an asymmetric hydrogenation step and is, compared to the published one, more flexible by the use of the copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC). In addition, an unknown reaction was observed. Instead of the formation of a Schiff base in the reductive amination of 129, an insertion of propargylamine occurred forming 131. The reaction is almost quantitative and in high purity. After requiring no purification, it could be predestined for industrial purposes, such as the synthesis of N-functionalized 1,2-dihydroquinolines or as a building block with various orthogonal functional groups. Besides the sulfonamide 16, the diketone (21, 27, 31) and lactam compounds (39 – 41), experiments on adapter molecules with further warheads were performed. In the synthesis of a proadapter approach, in which the warhead is formed only after the retro-aldol reaction catalyzed by the mAb, 6 of 10 steps were successfully performed. A newly developed synthesis to keto-sulfonyl and keto-sulfoxide compounds could not be completed but was performed on a small scale to the point of keto-sulfonyl and keto-sulfoxide. Furthermore, a universal synthesis route was designed to allow the introduction of the warhead at the end of the synthesis by acylation. Thus, after 5 shared steps, 3 of them in quantitative yield, different warheads may be introduced. Moreover, this also facilitates the purification and the analysis of the compounds by the absence of tautomerism or labile groups. However, the acylation experiments were not successful with either the acid cyanide or the Weinreb amide. In summary, this thesis has proven that the 1,3-diketone motif is a suitable warhead for programming the cpCAR, which was developed by Hudecek et al. (unpublished data). The hapten-like compounds 112, 113 and 128 simultaneously bind to integrin ${\alpha}_v{\beta}_3$ and the cpCAR activating the T-cell signaling cascade. The modular synthesis strategy and the use of the bioorthogonal CuAAC allow straightforward access to these valuable immunotherapeutics but revealed the need for an additional purification step to remove copper ions. / Chimäre Antigen-Rezeptoren (CARs) ermöglichen es T-Zellen spezifisch auf Tumorantigene auszurichten. Die Therapie mit anti-CD19 CARs konnte bereits eindrucksvolle Ergebnisse liefern und austherapierte Krebspatienten mit B-Zell-Lymphomen heilen. Durch zum Teil lebensbedrohliche Nebenwirkungen ist sie aktuell jedoch nur als letzte Therapiemöglichkeit zugelassen. Um Patienten zu schützen und ihr Einsatzgebiet zu erweitern, beispielsweise zur Behandlung von soliden Tumoren, müssen CAR-T-Zellen kontrollierbar sein, z. B. durch chemisch programmierbare CARs (cpCARs), die durch hapten-artigen Verbindungen reguliert werden. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese und Charakterisierung von solchen Verbindungen. Dafür wurden im ersten Schritt sieben verschiedene reaktive Gruppen mit zwei unterschiedlichen Spacern an Biotin gebunden, um eine geeignete reaktive Gruppe für die Programmierung des cpCARs zu finden. Im zweiten Schritt wurden Syntheserouten für die drei Pharmakophore Folat, c(RGD) und ein RGD-Peptidomimetikum entwickelt. Die Routen ermöglichen es das jeweilige Pharmakophor mit einer der reaktiven Gruppe aus dem ersten Schritt zu modifizieren. Zur Verbindung von Pharmakophor und reaktiver Gruppe, wurde die CuAAC als bioorthogonaler Ansatz gewählt. Insgesamt wurden im Rahmen dieser Arbeit drei verschiedene Pharmakophore mit dem 1,3-Diketon-Motiv von Verbindung 21 modifiziert. Mit den resultierenden Verbindungen 112, 113 und 128 wurde die Aktivierung der T-Zell-Signalkaskade bei Anwesenheit geeigneter Zielstrukturen untersucht. Bei 112 konnte nur eine leichte, nicht signifikante Aktivierung der T-Zell-Signalkaskade beobachtet werden, während bei 113 und 128 eine deutliche Aktivierung der T-Zell-Signalkaskade beobachtet wurde. Die schlechte Löslichkeit der Folatverbindungen führte zu Versuchen Folsäure gegen Pteroinsäure zu tauschen und die linearen Verbindungen zu trifunktionalen, dendrimeren Verbindungen mit weiteren Triethylenglycol-Ketten zu vergrößern. Neben dem publizierten Regioisomer in 112 trat bei der Zyklisierung des linearen RGD-Pentapeptides ein zweites Regioisomer auf, das zu 113 führte. Nachdem die veröffentlichte Syntheseroute eines RGD-Peptidomimetikums, das analog zu 128 ist, nicht reproduziert werden konnte, wurde eine neue Syntheseroute entwickelt. Sie besteht ebenfalls aus 17 Schritten, die Anzahl der linearen Schritte konnte jedoch von 13 auf 10 reduziert werden. Zusätzlich enthält die entwickelte Route einen asymmetrischen Hydrierungsschritt und ist durch den Einsatz der Kupfer-katalysierten Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC) flexibler als die bereits publizierte Synthese. Während der Entwicklung der Syntheseroute wurde eine Reaktion beobachtet, die in der Literatur bisher nicht bekannt ist. Anstatt der Bildung eines Imins bei der reduktiven Aminierung von 129 kam es zu einer Insertion von Propargylamin, was zu 131 führte. Die Reaktion verläuft dabei nahezu quantitativ und in hoher Reinheit, so dass keine Aufreinigung notwendig ist. Sie könnte somit prädestiniert für industrielle Zwecke sein, wie zum Beispiel die Synthese von N-funktionalisieren 1,2-Dihydrochinolinen oder als Baustein mit mehreren funktionellen Gruppen, die orthogonal zu einander sind. Zusätzlich zum Sulfonamid 16, den Diketon- (21, 27, 31) und Lactamverbindungen (39 – 41), wurden Versuche zu Adaptermolekülen mit weiteren reaktiven Gruppen durchgeführt. Bei der Synthese eines Proadapter-Ansatzes, bei dem die reaktive Gruppe erst nach der vom mAb katalysierten Retroaldolreaktion entsteht, konnten 6 von 10 Schritten erfolgreich durchgeführt werden. Eine neu entwickelte Synthese von Keto-Sulfonyl- und Keto-Sulfoxid-Verbindungen konnte nicht abgeschlossen, aber im kleinen Maßstab bis zum Keto-Sulfonyl bzw. Keto-Sulfoxid durchgeführt werden. Des Weiteren wurde eine universelle Syntheseroute entworfen, um die Einführung der reaktiven Gruppe am Ende der Synthese durch Acylierung zu ermöglichen. So können nach den ersten 5 gemeinsamen Schritten, 3 davon in quantitativer Ausbeute, verschiedene reaktive Gruppen eingeführt werden. Darüber hinaus wird durch die Abwesenheit von Tautomerie oder labilen Gruppen sowohl die Aufreinigung als auch die Analytik der Verbindungen erleichtert. Die Acylierungsversuche waren jedoch weder mit dem Säurecyanid noch mit dem Weinreb-Amid erfolgreich. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit bewiesen werden, dass das 1,3-Diketon-Motiv eine geeignete reaktive Gruppe zur Programmierung des cpCARs ist, der von Hudecek et al. (bisher unveröffentlicht) entwickelt wurde. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass die hapten-artigen Verbindungen gleichzeitig an Integrin ${\alpha}_v{\beta}_3$ und den cpCAR binden und die T-Zell-Signalkaskade aktivieren. Die modulare Synthesestrategie und der Einsatz der bioorthogonalen CuAAC für die Herstellung der Verbindungen ermöglichen einen unkomplizierten Zugang zu diesen wertvollen Immuntherapeutika, offenbarten jedoch die Notwendigkeit für einen zusätzlichen Reinigungsschritt zur Entfernung der Kupferionen.

Spectroscopic methods were established decades ago in a wide variety of fields. This also applies to the pharmaceutical field, although they initially were mostly used for identity testing or structure elucidation only. Technical developments, such as miniaturization (NMR benchtop devices), Fourier transformations (for NMR, MIR spectroscopy) or the combination with chemometric evaluation (e.g., in Process Analytical Technology, PAT), have further increased their importance and opened up new applications. The aim of this work was to investigate further new approaches and to find new applications for already established methods and to show their benefits. By means of MIR, NIR and NMR data and their chemometric evaluation (principal component analysis, PCA; hierarchical cluster analysis, HCA; linear discriminant analysis, LDA), possibilities were presented to successfully determine the manufacturer or the pharmaceutical company of various paracetamol preparations. In the course of this, various similarities and correlations between the preparations of individual companies could also be identified. For this purpose, a suitable sample preparation was developed for each spectroscopic method, and suitable measurement parameters in order to obtain reproducible spectra for the chemometric evaluation were determined. Furthermore, the results of the two unsupervised methods (HCA, PCA) were compared with each other. The HCA was able to confirm those of the PCA for the very most part. Additionally, through these methods it was possible to characterize many of the preparations based on clusters formed by comparable tablet compositions. In order to be able to measure unmortared, whole tablets using the NIR spectrometer, an attachment was developed and manufactured using 3D printing. Its functionality was demonstrated by measuring and analyzing the tablets of two different batches of nine paracetamol preparations. The batches were clearly distinguished on the basis of a PCA and a significant difference was also demonstrated by means of statistical tests. For NMR spectroscopy, a method was developed to obtain optimized "fingerprint" spectra of drug formulations. For this purpose, a 1D DOSY measurement was elaborated, in which the signals of the active ingredient could be filtered out by the appropriate choice of measurement parameters. The chemometric evaluation can thus focus on the remaining signals of the excipients, on the basis of which the preparations of the same API can be distinguished. Especially in the case of formulations that consist largely of active ingredient, data pre processing of the spectra can thus be simplified and greater importance can be assigned to the originally very small excipient signals. A quantitative 1H NMR method was developed for the comparison of a high field spectrometer (400 MHz) with a benchtop spectrometer (80 MHz) for two finished drugs. It was shown that it is possible to obtain comparable results with both instruments, but that the influence of the excipients on the signals and the lower resolution of the benchtop instrument must be taken into account. Therefore, it was not possible to obtain comparable results without further optimization of the method for one of the active ingredients. In the investigation of various reactions between APIs and excipients using DOSY, its usefulness as a screening method in stability testing was demonstrated. For this purpose, three different APIs and excipients were stressed together and the reaction mixtures were subsequently measured using DOSY. Based on the translational diffusion coefficient, the reaction products could be identified and distinguished from the active ingredients and the excipients used. The importance of thoughtful processing could also be demonstrated. If all peak heights are selected when evaluating signals split by direct spin spin coupling, this allows the detection of hidden signals as long as not all signals have the same diffusion coefficient. The selective selection of individual peak heights in the case of split signals also enables the evaluation of signals that overlap slightly. However, the limitations of this method were also shown when two signals overlap too much and differ too little in their diffusion coefficients. Hence, it has been successfully demonstrated in the various projects that the new chemometric approaches, as well as the new applications of already established methods, enable in depth findings and thus have a clear added value. / Spektroskopische Methoden haben sich schon vor Jahrzehnten in den verschiedensten Bereichen etabliert. Dies betrifft auch den pharmazeutischen Bereich, auch wenn sie hier zunächst meist nur zur Identitätsprüfung oder Strukturaufklärung verwendet wurden. Durch technische Weiterentwicklungen, wie Miniaturisierungen (NMR benchtop Geräte), Fourier Transformationen (NMR, MIR) oder die Kombination mit einer chemometrischen Auswertung (z. B. bei Process Analytical Technology, PAT), haben sie weiter an Bedeutung gewonnen, und es wurden neue Einsatzbereiche erschlossen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, weitere neue Ansätze zu untersuchen und neue Anwendungen für bereits etablierte Methoden zu finden und deren Mehrwert aufzuzeigen. Es wurden Möglichkeiten aufgezeigt mittels MIR , NIR und NMR Daten und deren chemometrischen Auswertungen (Hauptkomponentenanalyse, PCA; hierarchische Clusteranalyse, HCA; lineare Diskriminanzanalyse, LDA) erfolgreich den Hersteller bzw. das pharmazeutische Unternehmen verschiedener Paracetamol Präparate zu bestimmen. In diesem Zuge konnten Ähnlichkeiten zwischen Präparaten unterschiedlicher Firmen identifiziert werden. Um dies zu erreichen, wurde für jede spektroskopische Methode eine geeignete Probenvorbereitung entwickelt sowie geeignete Messparameter festgelegt, um reproduzierbare Spektren für die chemometrische Auswertung zu erhalten. Weiterhin wurden die Ergebnisse der zwei unüberwachten Methoden (HCA, PCA) miteinander verglichen, wobei die HCA die der PCA zum allergrößten Teil bestätigen konnte. Zudem war es möglich durch diese Methoden viele der Präparate anhand von Clustern zu charakterisieren, die durch vergleichbare Tablettenzusammensetzungen gebildet wurden. Um mit Hilfe des NIR Spektrometers intakte Tabletten vermessen zu können, wurde ein Aufsatz entwickelt und mittels 3D Druck hergestellt. Dessen Funktionalität wurde überprüft, indem Tabletten aus je zwei unterschiedlichen Chargen von neun Paracetamol Präparaten vermessen und analysiert wurden. Dabei konnten die Batches anhand einer PCA eindeutig unterschieden und zudem mittels statistischer Tests ein signifikanter Unterschied nachgewiesen werden. Für die NMR Spektroskopie wurde eine Methode entwickelt, um optimierte „Fingerprint“ Spektren von Arzneimittelformulierungen zu erhalten. Dazu wurde eine 1D DOSY Messmethode erarbeitet, bei der durch die passende Wahl der Messparameter die Signale des Wirkstoffes herausgefiltert werden konnten. Die chemometrische Auswertung konnte sich somit auf die Signale der Hilfsstoffe beschränken, anhand derer die Präparate unterschieden werden können. Vor allem bei Formulierungen, die zum größten Teil aus Wirkstoff bestehen, kann so eine Datenvorverarbeitung der Spektren vereinfacht und den ursprünglich sehr kleinen Hilfsstoffsignalen eine größere Bedeutung beigemessen werden. Für den Vergleich eines Hochfeld Spektrometers (400 MHz) mit einem „benchtop“ Spektrometer (80 MHz) wurde für zwei Fertigarzneimittel eine quantitative 1H NMR Methode entwickelt. Es konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, mit beiden Geräten vergleichbare Ergebnisse zu erzielen. Dabei ist jedoch der Einfluss der Hilfsstoffe auf die Signale sowie die geringere Auflösung des „benchtop“ Gerätes zu berücksichtigen. Aus diesen Gründen war es ohne eine weitere Optimierung der Methode für einen der Wirkstoffe nicht möglich vergleichbare Ergebnisse mit beiden Geräten zu erzielen. Bei der Untersuchung verschiedener Reaktionen zwischen Wirk- und Hilfsstoffen mittels DOSY konnte dessen Nutzen als Screening Methode bei Stabilitätstests gezeigt werden. Für diesen Zweck wurden drei verschiedene Wirk- und Hilfsstoffe gemeinsam gestresst und die Reaktionsgemische anschließend mittels DOSY vermessen. Anhand des translationalen Diffusionskoeffizienten konnten die Reaktionsprodukte identifiziert und von den eingesetzten Wirk- und Hilfsstoffen unterschieden werden. Ebenso konnte die Bedeutung einer sorgfältigen Prozessierung demonstriert werden. Werden bei der Auswertung von Signalen, die durch direkte Spin Spin Kopplung aufgespalten wurden, alle Peakhöhen ausgewählt, erlaubt dies die Detektion von versteckten Signalen, falls nicht alle Signale den gleichen Diffusionskoeffizienten besitzen. Die selektive Auswahl einzelner Peakhöhen bei aufgespaltenen Signalen ermöglicht zudem die Auswertung von leicht überlappenden Signalen. Es wurden jedoch auch die Grenzen dieser Methode aufgezeigt: wenn zwei Signale zu stark überlappen und sich dabei in ihrem Diffusionskoeffizienten zu wenig unterscheiden. Somit konnte in den verschiedenen Projekten erfolgreich gezeigt werden, dass die neuen chemometrischen Ansätze, sowie die neuen Anwendungen bereits etablierter Methoden vertiefte Erkenntnisse ermöglichen und somit einen deutlichen Mehrwert besitzen.