Während der letzten vier Jahrzehnte erfuhr die Stoffgruppe der ionischen Flüssigkeiten (ILs) ein fortwährend steigendes Interesse. Es handelt sich dabei um ionische Verbindungen, deren Schmelzpunkt unterhalb von 100 °C liegt. Eine der zahlreichen Anwendungen ist die Verwendung als Lösemittel für anorganische Synthesen. Methoden wie NMR-, UV-VIS- und Schwingungsspektroskopie sind geeignete Mittel, um einen Einblick in den Synthesemechanismus zu ermöglichen, die Stabilität der IL zu überwachen und die Produktcharakterisierung zu unterstützen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf Reaktionen von elementaren Chalkogenen, insbesondere Selen und Tellur, in Imidazolium- und Phosphonium-basierten ILs, die kommerziell erhältlich bzw. durch Anionenmetathese zugänglich sind.

Amino-functionalized organic–inorganic hybrid materials with a narrow distributed nanostructure of 2–4 nm in size were obtained by means of a template-free and non-aqueous procedure. Simultaneous twin polymerization of novel amino group containing twin monomers with 2,2′-spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasiline] has been applied for this purpose. The amino groups of the organic–inorganic hybrid material are useful for post derivatization. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die Copolymerisation wurde mit dem Ziel untersucht, polymere Materialien zu synthetisieren, die die individuellen Eigenschaften der entsprechenden Homopolymere kombinieren. Die Dissertation konzentrierte sich auf die Elektrosynthese und Charakterisierung von leitfähigen Copolymerfilmen auf Basis von Pyrrol- und Thiophenderivaten. Mit einer Reihe von elektrochemischen, spektroskopischen und mikroskopischen Untersuchungsmethoden (Zyklovoltammetrie, elektrochemische Impedanz-spektroskopie, photoelektrochemische Spektroskopie, Elektrospray- Ionisations-Massenspektroskopie, Festkörper- NMR, Raman-Spektroskopie, Thermoanalyse und Rasterelektronenmikroskopie) wurde die Bildung echter Copolymere von Pyrrol mit Bithiophen und von 3-Methylthiophen mit Ethyl-3-thiophenazetat nachgewiesen. Die analytischen Ergebnisse bestätigen, dass Random- Copolymere und keine Block-Copolymere gebildet wurden. Die elektronischen und strukturellen Eigenschaften der Copolymerfilme liegen zwischen denen der jeweiligen Homopolymere und sind abhängig von der Copolymerzusammensetzung. Insbesondere die Halbleiterparameter der Copolymerfilme von Pyrrol mit Bithiophen wie Flachband-Potential, Bandlücken-Energie und Ladungsträgerdichte verschieben sich von denen des reinen Polypyrrols bis zum Polybithiophen, wenn der Gehalt an Bithiophen im Copolymerfilm vergrößert wird. Diese Parameter sind einstellbar durch Variation des Monomerverhältnisses oder des Polymerisationspotentials. Außerdem konnten die strukturellen und elektronischen Eigenschaften des funktionalisierten Polymers Ethyl-3-thiophenazetat durch Copolymerisation mit 3-Methylthiophen deutlich verbessert werden. Die synthetisierten leitfähigen Copolymerfilme können in der Sensorik Anwendung finden. / The copolymerization has been studied as a new strategy to synthesize polymer materials by combining interesting properties of the respective homopolymers. In this dissertation, the work focused on the electrosynthesis and characterization of conducting copolymer films based on pyrrole and thiophene derivatives. A variety of electrochemical, spectroscopic and microscopic techniques such as cyclic voltammetry, electrochemical impedance and photoelectrochemical spectroscopy, electrospray ionization mass spectroscopy, solid state NMR and Raman spectroscopy, thermal analysis and scanning electron microscopy supported the formation of true copolymers of pyrrole with bithiophene and 3-methylthiophene with ethyl-3-thiophene acetate. The analytical results exhibited that random copolymers were produced rather than block copolymers. The electronic and structural characteristics of the copolymer films were intermediate between those of the respective homopolymers and they were dependent on the copolymer composition. In particular, the semiconducting parameters of the copolymer films of pyrrole and bithiophene such as flat band potential, band gap energy and charge carrier density shifted from those of polypyrrole to polybithiophene with increasing bithiophene content of the copolymer films. Such parameters were controlled precisely by alternating either the monomer ratio or the polymerization potential. In addition, the morphological and electronic properties of the functionalized polymers of ethyl-3-thiophene acetate were increased significantly by copolymerization with 3-methylthiophene. The obtained conducting copolymer films were able to be applied in the field of sensoric.

In dieser Arbeit werden Synthesen neuartiger Tellurocyanate beschrieben, die Alkyl-, Allyl-, Allenyl- und Propargyl-Strukturen oder cyclischen Aufbau aufweisen. Die Darstellung erfolgt durch die Umsetzung von halogenierten Vorläufern mit verschiedenen Tellurocyanatsalzen oder aus lithiumorganischen Verbindungen mit Tellurpulver und Bromcyan. Die licht- und sauerstoffempfindlichen Substanzen werden mittels NMR-Spektroskopie (u. a. 125Te) und in einem Fall durch eine Einkristall-Röntgenstrukturanalyse charakterisiert. Ein weiterer Schwerpunkt besteht darin, die Reaktivität der Titelverbindungen zu dokumentieren, auch im Vergleich mit anderen Chalkocyanaten. Es wird gezeigt, daß Thermolysen von Allyl-Tellurocyanaten in Lösung oder in der Gasphase in präparativ nutzbaren Ausbeuten zu Isonitrilen führen. Diese entstehen möglicherweise [3,3]-sigmatrop über bisher unbekannte Isotellurocyanat-Zwischenstufen, aber auch radikalische Zwischenprodukte können durchlaufen werden. 2-Butenyl- und 1,2-Butadienyl-tellurocyanate bilden unter Photolysebedingungen durch 1,4-Eliminierung von HTeCN Kohlenwasserstoffe. Das wird bei der Photolyse des 2-Butenylselenocyanats nicht beobachtet. Bei der Behandlung von Tellurocyanaten mit elementarem Selen oder Schwefel findet ein irreversibler, zum Teil sehr rasch verlaufender Elementaustausch statt. Die Umsetzungen von 13C-markierten Tellurocyanaten mit unmarkierten Seleno- oder Thiocyanaten führen zu bislang nicht beobachteten CN-Austausch-Reaktionen, die auf die intermolekularen Wechselwirkungen des Telluratoms mit weiteren Cyanogruppen anderer Moleküle zurückzuführen sind.

Amino-functionalized organic–inorganic hybrid materials with a narrow distributed nanostructure of 2–4 nm in size were obtained by means of a template-free and non-aqueous procedure. Simultaneous twin polymerization of novel amino group containing twin monomers with 2,2′-spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasiline] has been applied for this purpose. The amino groups of the organic–inorganic hybrid material are useful for post derivatization. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Recently, acremolin (4), a novel modified base, was isolated from a marine-derived fungus and claimed to possess a structure with a 1H-azirine moiety. It is shown now that the reported NMR data are not compatible with this antiaromatic heterocycle, which should be an extremely unstable compound. An isomeric, substituted N2,3-ethenoguanine is presented as a plausible alternative structure of acremolin that is consistent with all spectroscopic data. Thus, 1H-azirines keep their classification as very short-lived intermediates.

Die Knochenhomöostase erfolgt durch das Zusammenspiel mehrerer Zelltypen. Während die Osteoblasten für den Knochenaufbau verantwortlich sind, resorbieren die Osteoklasten Knochengewebe. Beide Vorgänge werden durch die Osteozyten streng reguliert. Eine Störung im strikt regulierten Gleichgewicht zwischen Knochenabbau und Knochenaufbau kann daher zu Knochenkrankheiten wie Osteoporose führen. Auf molekularer Ebene erfolgt die Kommunikation zwischen den einzelnen Zelltypen über zwei wichtige Signalwege, den der „Bone Morphogenetic Protein“-Superfamilie (BMPs) und den der Wnt-Proteine. Die Signalübertragung wird hierbei durch sekretierte Faktoren induziert, die an Rezeptoren auf der Zelloberfläche binden. Deren Aktivierung führt zu einem intrazellulären Signal, welches letztlich die Expression von Zielgenen reguliert. Beide Signalwege werden auf mehreren Ebenen, extrazellulär, membranständig und intrazellulär reguliert. Das 2003 identifizierte Sclerostin ist ein Vertreter der extrazellulären Regulatorproteine und wurde aufgrund seiner Zugehörigkeit zur DAN-Familie zunächst fälschlicherweise als direkter Inhibitor des BMP-Signalwegs eingestuft. Mittlerweile wird allerdings davon ausgegangen, dass Sclerostin den Wnt-Signalweg negativ reguliert, indem es die Wnt Ko-Rezeptoren LRP5 und LRP6 bindet, die beide zu der Familie der „Low-density lipoprotein receptors“ gehören. Über den molekularen Inhibitionsmechanismus von Sclerostin war jedoch zum Startpunkt dieser Dissertationsarbeit wenig bekannt. Daher wurde Sclerostin im Rahmen dieser Arbeit biophysikalisch und biochemisch charakterisiert. Die Aufklärung mittels NMR-Spektroskopie ergab für Sclerostin eine Struktur, die sich in drei Regionen gliedert: den Cystinknoten, sowie einen „Loop“-Bereich und die Fingerregion. Vom zentralen Cystinknoten gehen drei Peptid-Schleifen in zwei entgegengesetzte Richtungen aus. Schleife eins und drei bilden eine definierte ß-Faltblattstruktur und ähneln zwei Fingern einer Hand. Die zweite Schleife, welche vom Cystinknoten isoliert in die entgegengesetzte Richtung verläuft („Loop“), ist wie die beiden langen N- und C-Termini flexibel und unstrukturiert. Die in Zusammenarbeit mit der Firma AbD-Serotec entstandenen Fab-Fragmente ermöglichten die Bestimmung des Bindeepitops der Sclerostin/LRP5-Interaktion im Bereich der unstrukturierten dritten Schleife von Sclerostin. Die Struktur von Sclerostin und die Identifikation des Bindeepitops auf Sclerostinseite geben nun erste Einblicke in den molekularen Mechanismus der Sclerostin/LRP5-Interaktion. Diese Kenntnis kann für die Entwicklung von Kleinmolekülinhibitoren mittels rationalem Drugdesign genutzt werden, welche, wie auch der in Kooperation entwickelte die Sclerostinaktivität neutralisierende Antikörper AbD09097, hochinteressante Ansätze für neuartige anabole Therapien von Krankheiten mit Knochenschwund darstellen. / Different cell types like osteoblasts, osteoclasts and osteocytes maintain bone homeostasis. While osteoblasts build up bone, osteoclasts resorb bone tissue and both actions are tightly regulated by the osteocytes. Imbalance between bone formation and resorption will lead to various bone diseases, e.g. osteoporosis. On a molecular level communication between these cell types occurs through two major signalling pathways, i.e. the bone morphogenetic proteins (BMPs) and the Wnt-factors. In both pathways signal transduction is induced by secreted factors, which bind to cell surface receptors. This activation leads to an intracellular signal that finally regulates expression of target genes. Both pathways are tightly regulated at various cellular levels, extracellular, at the membrane as well as intracellular. Sclerostin, which was identified in 2003, is a member of the extracellular modulator proteins. Initially it was wrongly classified as a direct inhibitor of the BMP-signalling pathway due to its classification as a member of the DAN-family. Meanwhile it became apparent that sclerostin targets the Wnt-pathway by binding to the Wnt co-receptors LRP5 and LRP6, which belong to the family of low-density lipoprotein receptors. At the beginning of this work very little was known about the molecular mechanism how sclerostin inhibits the Wnt-pathway. The structure analysis of sclerostin employing NMR-spectroscopy revealed in a modular architecture, which can be divided into three regions: the central, characteristic cystine knot, the loop-region and the two fingers. From the cystine knot three loops emanate in two opposite directions. Loop one and loop three form defined ß-sheet structures resembling two fingers of a hand. Loop two, which runs into the opposite direction, is unstructured and highly flexible like the long N- and C-termini. Antibody fab-fragments, which were generated in collaboration with AbD-Serotec, facilitated the mapping of the binding-epitop of sclerostin to LRP5/6, highlighting an extended area of the unstructured loop region of sclerostin as the LRP5/6 binding site. The high-resolution structure of sclerostin and the identification of the LRP5-binding-epitop yield first insights into the molecular mechanism of sclerostin-LRP5 interaction. This knowledge can now be used to develop small-molecule inhibitors by rational drug design, which are, like the sclerostin activity neutralising fab-fragment AbD09097, highly interesting targets for new bone-anabolic therapies of diseases characterised by bone loss.

Although the basic structure of biological membranes is provided by the lipid bilayer, most of the specific functions are carried out by membrane proteins (MPs) such as channels, ion-pumps and receptors. Additionally, it is known, that mutations in MPs are directly or indirectly involved in many diseases. Thus, structure determination of MPs is of major interest not only in structural biology but also in pharmacology, especially for drug development. Advances in structural biology of membrane proteins (MPs) have been strongly supported by the success of three leading techniques: X-ray crystallography, electron microscopy and solution NMR spectroscopy. However, X-ray crystallography and electron microscopy, require highly diffracting 3D or 2D crystals, respectively. Today, structure determination of non-crystalline solid protein preparations has been made possible through rapid progress of solid-state MAS NMR methodology for biological systems. Castellani et. al. solved and refined the first structure of a microcrystalline protein using only solid-state MAS NMR spectroscopy. These successful application open up perspectives to access systems that are difficult to crystallise or that form large heterogeneous complexes and insoluble aggregates, for example ligands bound to a MP-receptor, protein fibrils and heterogeneous proteins aggregates. Solid-state MAS NMR spectroscopy is in principle well suited to study MP at atomic resolution. In this thesis, different types of MP preparations were tested for their suitability to be studied by solid-state MAS NMR. Proteoliposomes, poorly diffracting 2D crystals and a PEG precipitate of the outer membrane protein G (OmpG) were prepared as a model system for large MPs. Results from this work, combined with data found in the literature, show that highly diffracting crystalline material is not a prerequirement for structural analysis of MPs by solid-state MAS NMR. Instead, it is possible to use non-diffracting 3D crystals, MP precipitates, poorly diffracting 2D crystals and proteoliposomes. For the latter two types of preparations, the MP is reconstituted into a lipid bilayer, which thus allows the structural investigation in a quasi-native environment. In addition, to prepare a MP sample for solid-state MAS NMR it is possible to use screening methods, that are well established for 3D and 2D crystallisation of MPs. Hopefully, these findings will open a fourth method for structural investigation of MP. The prerequisite for structural studies by NMR in general, and the most time consuming step, is always the assignment of resonances to specific nuclei within the protein. Since the last few years an ever-increasing number of assignments from solid-state MAS NMR of uniformly carbon and nitrogen labelled samples is being reported, mostly for small proteins of up to around 150 amino acids in length. However, the complexity of the spectra increases with increasing molecular weight of the protein. Thus the conventional assignment strategies developed for small proteins do not yield a sufficiently high degree of assignment for the large MP OmpG (281 amino acids). Therefore, a new assignment strategy to find starting points for large MPs was devised. The assignment procedure is based on a sample with [2,3-13C, 15N]-labelled Tyr and Phe and uniformly labelled alanine and glycine. This labelling pattern reduces the spectral overlap as well as the number of assignment possibilities. In order to extend the assignment, four other specifically labelled OmpG samples were used. The assignment procedure starts with the identification of the spin systems of each labelled amino acid using 2D 13C-13C and 3D NCACX correlation experiments. In a second step, 2D and 3D NCOCX type experiments are used for the sequential assignment of the observed resonances to specific nuclei in the OmpG amino acid sequence. Additionally, it was shown in this work, that biosynthetically site directed labelled samples, which are normally used to observe long-range correlations, were helpful to confirm the assignment. Another approach to find assignment starting points in large protein systems, is the use of spectroscopic filtering techniques. A filtering block that selects methyl resonances was used to find further assignment starting points for OmpG. Combining all these techniques, it was possible to assign nearly 50 % of the observed signals to the OmpG sequence. Using this information, a prediction of the secondary structure elements of OmpG was possible. Most of the calculated motifs were in good aggreement with the crystal structures of OmpG. The approaches presented here should be applicable to a wide variety of MPs and MP-complexes and should thus open a new avenue for the structural biology of MPs. / Biologische Membranen bestehen hauptsächlich aus Lipiden, ihre Funktion wird jedoch vor allem durch die eingebetteten Membranproteine (z.B. Kanäle, Ionenpumpen und Rezeptoren) bestimmt. Mutationen in dieser Proteinklasse können zum Auftreten verschiedener Krankheitsbilder führen, weshalb die Untersuchung der dreidimensionalen Struktur von Membranproteinen nicht nur von strukturbiologischem, sondern auch von pharmakologischem Interesse ist. In den letzten Jahren wurde eine Methode, die Festkörper NMR Spektroskopie, für Strukturuntersuchungen an Proteinproben im festen Aggregatzustand entwickelt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit drei verschiedenen Präparationsarten von Membranproteinen, die eine Aufnahme von hochaufgelösten Festkörper NMR Spektren erlauben. Als Modelsystem wurde das Protein G der äußeren Membrane (outer membrane protein G, OmpG) von Escherichia coli gewählt. Eine wichtige Vorraussetzung zur Berechnung der Proteinstruktur aus den NMR-Spektren, ist die Zuordnung der einzelnen Signale zur jeweiligen Aminosäure in der Proteinsequenz. In dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, die das Auffinden von Startpunkten für die sequentielle Zuordnung in großen Membranproteinen, wie zum Bsp. OmpG (281 Aminosäuren), erlaubt. Multidimensionale NMR Experimente mit verschieden spezifisch markierten Proben wurden durchgeführt und ermöglichten die Zuordnung von 50 % der NMR Signale der OmpG Proteinsequenz. Zur Überprüfung der gewonnenen Daten wurden diese zur Vorhersage von Sekundärstrukturelementen genutzt. Es konnte gezeigt werden, dass die berechneten Strukturmotive in guter Übereinstimmung zu den bisher veröffentlichten OmpG Strukturen liegen. Die in dieser Arbeit angewendeten Methoden sollten auf eine Vielzahl anderer Membranprotein anwendbar und somit einen neuen Weg zur Strukturbiologischen Untersuchung von Membranproteinen eröffnen.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchungen zur Komplexbildung von Cu2+, Zn2+, sowie Sn2+ und B(OMe)3 mit den Schiff-Basen aus 3-Aminopropyl-triethoxysilan (APTES) und 3-(2-Aminoethyl-amino)-propyl-trimethoxysilan (AEPTMS) mit α-Hydroxybenzocarbonylverbindungen. Die Liganden und die Komplexe wurden mit IR-, UV/VIS- und NMR-Spektroskopie charakterisiert. IR-Untersuchungen zeigen die charakteristischen C=N- und C=O-Valenzschwingungen. Sie werden durch die Komplexbildung deutlich verschoben. Die 1H- und 13C-NMR-Messungen indizieren die Komplexbildung mit einer signifikanten Verschiebung in den Signallagen der H- und C-Nachbaratome der Donatoratome. 29Si-NMR-Messungen indizieren keine Hydrolyse- und Kondensationsreaktionen im Verlauf der Synthese. Bei der Komplex-Synthese mit wasserhaltigen Übergangsmetallsalzen wurden Produkte von Sol-Gel-Prozessen gefunden. UV/VIS-spektroskopische Untersuchungen an den Mischungen der Übergangsmetallsalze mit APTES bzw. AEPTMS zeigen die Bildung typischer Aminkomplexe.

Es wird eine neue Methode zur Darstellung von Vinylthiocyanaten ueber [3,3]-sigmatrope Umlagerungen vorgestellt. Obwohl dabei aus einer energieaermeren Gruppe (Isothiocyanat) eine energiereichere (Thiocyanat) entsteht, isomerisiert das Senfoel zum Rhodanid. Das ist moeglich, weil der Energieunterschied zwischen den Isothiocyanaten und den entsprechenden Thiocyanaten vergleichsweise gering ist und strukturelle Eigenschaften die Gesamtenergie ebenfalls beeinflussen. Die Isothiocyanatvorlaeufer stellt man in vielen Faellen durch ein Eintopfverfahren her, welches ueber Azid- und Iminophosphoran- (bzw. Iminophosphit-) Verbindungen fuehrt. Die bereits erwaehnten Isomerisierungen der Isothiocyanate finden meistens in der Gasphase statt, um Reaktionen der Molekuele untereinander zu vermeiden. In einigen Faellen kommt es dabei zur Einstellung eines Gleichgewichtes, welches durch Analyse der Produkte unter Variation der Thermolysetemperatur bestimmt wird. Gleichzeitig kann dadurch die Ausbeute optimiert werden. In der Arbeit werden drei verschiedene Varianten [3,3]-sigmatroper Umlagerungen dargestellt: Typ A: die Propargylvorlaeufer reagieren zu Allenylthiocyanaten, Typ B: aus 2,3-Butadienyl-Verbindungen entstehen monosubstituierte 1,3-Butadiene, Typ C: aus 1,4-Diisothiocyanato-2-butinen werden disubstituierte 1,3-Butadiene. Im Anschluss daran beobachtet man elektrocyclische Reaktionen, ionische Isomerisierungen sowie eine Cope-Umlagerung. Als Folgereaktionen koennen auch Diels-Alder-Reaktionen durchgefuehrt werden. Zum Einsatz kommen dabei sowohl elektronenreiche als auch -arme Dienophile sowie ein ringgespannter Reaktionspartner.