Diese Arbeit beschreibt die Realisierung mehrerer theoretischer Ansätze zur Synthese von Oligonucleotiden, die an gezielter Position mit der trans-{PtII(NH3)2}2+ - Spezies modifiziert sind. Es wurde ein Synthesebaustein "Pt-T" synthetisiert, der die direkte Einführung eines N3-platinierten Thymidins während der Oligonucleotidsynthese ermöglicht. Unter den Bedingungen der Standard - H-Phosphonat - Synthese werden bei Verwendung des synthetisierten platinierten Synthesebaustein "Pt-T" platinierte Oligonucleotide erhalten, die eine trans-[PtII(NH3)2Py(N3-T)]+ - Modifizierung enthalten. Mit Hilfe der Sanger - Sequenzierung konnte gezeigt werden, daß die an T angebundene trans-{PtII(NH3)2Py}2+ - Platinspezies T7 DNA Polymerase blockiert. Weiterhin konnte gezeigt werden, daß die Spaltung der 5'-Phosphorsäurediesterbindung durch Schlangengift - Phosphodiesterase infolge dieser Platinmodifizierung deutlich langsamer abläuft. Durch Ersatz von Pyridin durch 1,6-Lutidin bleibt die Reaktionsfähigkeit der trans-Position am Platin erhalten. Durch geeignete Reaktionsbedingungen wurde das nach erfolgter Oligonucleotidsynthese an einem 4-mer gebundene Platin bifunktional an den selben Strang gebunden und so trans-[PtII(NH3)2{d(TTTG)-N3-T(2),N7-G(4)}]+, ein kurzes Oligonucleotid mit intrastrand-crosslink, synthetisiert. Die durchgeführte enzymatische Hydrolyse zeigt eine hohe Beständigkeit gegenüber dem Abbau mit Schlangengift - Phosphodiesterase und alkalischer Phosphatase. / This work describes the synthesis of oligodeoxynucleotides, which are modified at a specific position with the trans-{PtII(NH3)2}2+ - species. A platinated monomer building block "Pt-T" has been synthesized separately prior to automated synthesis. Platin modified oligonucleotides were elongated by use of standard H-phosphonate chemistry. The use of the synthesized platinated building block "Pt-T" leads to platinated oligonucleotides with a trans-[PtII(NH3)2Py(N3-T)]+ - modification. The synthesized oligonucleotides have been subjected to sequencing by the Sanger - method and it could be shown, that this modification blocks T7 DNA polymerase. Furthermore it could be shown, that the cleavage of the 5'-phosphodiester bond by snake venom phosphodiesterase due to these modification runs down clearly more slowly. In consequence of substitution of pyridine by 2,6-lutidine the reactivity of the trans - position of the platinum remains received. After oligonucleotide synthesis the platinum became crosslinked, thus trans-[PtII(NH3)2{d(TTTG)-N3-T(2),N7-G(4)}]+, a short oligonucleotide with intrastrand-crosslink, was synthesized. The enzymatic hydrolysis showed a high constancy facing the degradation with snake venom phosphodiesterase and alkaline phosphatase.

Cette étude porte sur la synthèse et la caractérisation d'oxydes de titane à grandes surfaces spécifiques et avec des tailles de pores dans le domaine des mésopores. Après une analyse critique de la bibliographie, nous avons choisi différentes voies de synthèse en vue de structurer l'oxyde de titane. L'obtention d'une mésoporosité a été faite par : utilisation d'agents structurants de type tensioactif cationique et non-ionique, par voie sol-gel en présence de porogène et par recouvrement de MTS siliciques mésoporeux par une monocouche de TiO2. Des oxydes de titane de 200 à 400 m²/g de surface spécifique et de taille de pores de 60 à 140 Å ont été obtenus. Ils ont ensuite été fonctionnalisés par des acides phosphoniques comportant soit des fonctions basiques (guanidine) soit des fonctions hydrophobes (chaîne alkyle C8). Les matériaux hybrides ainsi obtenus pourront être utilisés pour faire de la catalyse basique hétérogène.

Approximately one third of the genes for the completely sequenced bacterial genomes have an unknown, uncertain, or incorrect functional annotation. Approximately 11,000 putative proteins identified from the fully-sequenced microbial genomes are members of the catalytically diverse Amidohydrolase Superfamily. Members of the Amidohydrolase Superfamily separate into 24 Clusters of Orthologous Groups (cogs). Cog3653 includes proteins annotated as N-acyl-D-amino acid deacetylases (DAAs), and proteins within cog2355 are homologues to the human renal dipeptidase. The substrate profiles of three DAAs (Bb3285, Gox1177 and Sco4986) and six microbial dipeptidase (Sco3058, Gox2272, Cc2746, LmoDP, Rsp0802 and Bh2271) were examined with N-acyl-L-, N-acyl-D-, L-Xaa-L-Xaa, L-Xaa-D-Xaa and D-Xaa-L-Xaa substrate libraries. The rates of hydrolysis of the library components were determined by separating the amino acids by HPLC and quantitating the products. Gox1177 and Sco4986 hydrolyzed several N-acyl-D-amino acids, especially those where the amino acid was a hydrophobic residue. Gox1177 hydrolyzed L-Xaa-D-Xaa and N-acetyl-D-amino acids with similar catalytic efficiencies (~10⁴ M⁻¹s⁻¹). The best substrates identified for Gox1177 and Sco4986 were N-acetyl-D-Trp and N-acetyl-D-Phe, respectively. Conversely, Bb3285 hydrolyzed N-acyl-D-Glu substrates (kcat/Km ⁹́⁸ 5 x 10⁶M⁻¹s⁻¹) and, to a lesser extent, L-Xaa-D-Glu dipeptides. The structure of a DAA from A. faecalis did not help explain the substrate specificity of Bb3285. N-methylphosphonate derivatives of D-amino acids were inhibitors of the DAAs examined. The structure of Bb3285 was solved in complex with the N-methylphosphonate derivative of D-Glu or acetate/formate. The specificity of Bb3285 was due to an arginine located on a loop which varied in conformation from the A. faecalis enzyme. In a similar manner, six microbial renal dipeptidase-like proteins were screened with 55 dipeptide libraries. These enzymes hydrolyzed many dipeptides but favored L-D dipeptides. Respectable substrates were identified for proteins Bh2271 (L-Leu-D-Ala, kcat/Km = 7.4 x 10⁴ M⁻¹s⁻¹), Sco3058 (L-Arg-D-Asp, kcat/Km = 7.6 x 10⁵ M⁻¹s⁻¹), Gox2272 (L-Asn-D-Glu, kcat/Km = 4.7 x 10⁵ M⁻¹s⁻¹), Cc2746 (L-Met-D-Leu, kcat/Km = 4.6 x 10⁵ M⁻¹s⁻¹), LmoDP (L-Leu-D-Ala, kcat/Km = 1.1 x 10⁵ M⁻¹s⁻¹), Rsp0802 (L-Met-D-Leu, kcat/Km = 1.1 x 10⁵ M⁻¹s⁻¹). Phosphinate mimics of dipeptides were inhibitors of the dipeptidases. The structures of Sco3058, LmoDP and Rsp0802 were solved in complex with the pseudodipeptide mimics of L-Ala-D-Asp, L-Leu-D-Ala and L-Ala-D-Ala, respectively. The structures were used to assist in the identification of the structural determinants of substrate specificity.

In der Entwicklung von Technologien für die nachhaltige Erzeugung, Speicherung und Umwandlung von Energie werden Hochleistungskatalysatoren benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Übergangsmetall-basierte Katalysatoren, namentlich TiO2/Kohlenstoff-Komposite, anorganisch-organische Hybridsysteme auf Basis von NiFe Phosphonaten sowie Ni Phosphide, synthetisiert, charakterisiert und hinsichtlich ihrer photo- und elektrokatalytischen Eigenschaften untersucht. Es wird gezeigt, dass die Grenzflächeneigenschaften der TiO2/C-Komposite signifikant durch die Gestaltung des Heizvorgangs während der Synthese beeinflusst werden. Insbesondere der Einsatz von Mikrowellenstrahlung vermag die Synthese von Kohlenstoff-basierten Materialien positiv zu beeinflussen. Schnelles Erwärmen führt zu stärkeren Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und Kohlenstoff, einheitlicheren Beschichtungen und kleineren Partikeln mit schmaleren Partikelgrößenverteilungen, wodurch die photokatalytische Aktivität verbessert wird. Schichtartige, hybride NiFe-Phenylphosphonat-Materialien werden ausgehend in Benzylalkohol dargestellt und ihre Aktivität in der OER im basischen Milieu untersucht. Die Hybridpartikel werden in-situ in NiFe-Hydroxid Nanoschichten umgewandelt. Röntgenspektroskopische Untersuchungen deuten auf eine induzierte, teilweise verzerrte Koordinationsumgebung der Metallzentren im Katalysator hin. Die Kombination der synergistischen Effekte zwischen Ni und Fe mit den strukturellen Eigenschaften des Hybridmaterials ermöglicht einen effizienten Katalysator. Weiterhin werden Nickel-Phosphide durch die thermische Behandlung der Phenyl- oder Methylphosphonate des Nickels, welche Schichtstrukturen aufweisen, in H2(5%)/Ar-Atmosphäre synthetisiert. Ni12P5, Ni12P5-Ni2P und Ni2P Nanopartikel, die mit einer dünnen Schicht aus Kohlenstoffmaterial beschichtet sind, werden erhalten. Ni12P5-Ni2P und Ni2P Nanopartikel katalysieren die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) im Sauren effektiv. / High-performance catalysts play a key role in the development of technologies for sustainable production, storage, and conversion of energy. In this thesis, transition-metal-based catalysts, including TiO2/carbon composites, hybrid organic-inorganic NiFe phosphonates, and Ni phosphides are synthesized, characterized, and investigated in photocatalytic or electrocatalytic reactions. TiO2 is frequently combined with carbon materials, such as reduced graphene oxide (rGO), to produce composites with improved properties. TiO2 is more efficiently stabilized at the surface of rGO than amorphous carbon. Rapid heating of the reaction mixture results in a stronger coupling between the nanoparticles and carbon, more uniform coatings, and smaller particles with narrower size distributions. The more efficient attachment of the oxide leads to better photocatalytic performance. Layered hybrid NiFe-phenylphosphonate compounds are synthesized in benzyl alcohol, and their oxygen evolution reaction (OER) performance in alkaline medium is investigated. The hybrid particles transformed in situ into NiFe hydroxide nanosheets. X-ray absorption spectroscopy measurements suggest the metal sites in the active catalyst inherited partly the distorted coordination. The combination of the synergistic effect between Ni and Fe with the structural properties of the hybrid results in an efficient catalyst that generates a current density of 10 mA cm-2 at an overpotential of 240 mV. Moreover, nickel phosphides are synthesized through thermal treatment under H2(5%)/Ar of layered nickel phenyl- or methylphosphonates that act as single-source precursors. Ni12P5, Ni12P5-Ni2P and Ni2P nanoparticles coated with a thin shell of carbonaceous material are produced. Ni12P5-Ni2P and Ni2P NPs efficiently catalyze the hydrogen evolution reaction (HER) in acidic medium. Co2P and CoP NPs are also synthesized following this method.

Exploring new technologies that can meet the world’s energy demands in an efficient and clean manner is critically important due to the depletion of natural resources and environmental concerns. Dye-sensitized solar cells (DSSCs) are low-cost and clean technology options that use solar energy efficiently and are being intensively studied. How to further reduce the cost of this technology while enhancing device performance is one of the demanding issues for large scale application and commercialization of DSSCs. In this research dissertation, four main contributions are made in this regard with the motivation to reduce further cost of DSSC technology. Firstly, ~10% efficiencies were achieved after developing understanding of key concepts and procedures involved in DSSCs fabrication. These efficiencies were achieved after step-by-step modifications in the DSSC design. Secondly, carbon nanotubes (CNTs) were successfully employed as an alternative to Pt in the counter electrodes of DSSCs. DSSCs fabricated with CNTs were ~86% as efficient as Pt-based cells. Non-aligned CNTs were successfully grown using four different CVD methods and finally, multi-walled vertically aligned CNTs (MW-VACNTs) were synthesized using water-assisted chemical vapor deposition (WA-CVD). Thirdly, carbon derived from pyrolysis of nanocrystalline cellulose (NCC) was successfully employed in counter electrodes of DSSCs instead of Pt. DSSCs with NCC were ~58% as efficient as Pt-based DSSCs. Fourthly, novel organic metal-free dyes were designed and employed instead of commonly used Ru-based dyes. DSSCs with these novel sensitizers were ~62% as efficient as those using the conventional Ru-based dyes. Characterization techniques including current-voltage measurements, scanning electron microscopy (SEM), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), cyclic voltammetery (CV), thermogravimetric analysis (TGA), small angle x-ray scattering (SAXS), atomic force microscopy (AFM) and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used.

The present PhD thesis describes the synthesis and characterization of novel planarchiral 1,2-P,O-ferrocenes and their application in the Pd-catalyzed Suzuki-Miyaura reaction. It was especially focused on the development of a new synthetic pathway to this type of substitution pattern by applying the anionic phospho-Fries rearrangement in ferrocene chemistry. Starting from hydroxy ferrocene, a high diversity of Fc–O–P- type (Fc = (n5-C5H5)(n5-C5H4)) compounds were synthesized, whereby the electronic properties of the phosphorus fragments were varied. The anionic phospho-Fries rearrangement successfully occurred subsequent to an ortho-lithiation with a non-nucleophilic base giving the 1,2-P,O-ferrocenes in up to quantitative yields. The usage of chiral pool-based alcohols for the synthesis of chiral ferrocenyl phosphates allowed a diastereoselective proceeding, giving single isomers in up to 95% de. Temperature-dependent investigations of mixed ferrocenyl-, phenyl- and Nheterocyclicphosphates revealed a limitation of ferrocenyl-based rearrangements per reaction step, contrary to phenyls. 1,2-P,O-ferrocenyl phosphonates could successfully be converted into phosphines by applying Stelzer P,C cross-coupling reactions on ferrocenes for the first time. Their usage as ligands for C,C cross-coupling reactions was confirmed by the synthesis of sterically hindered biaryls in high yields at 70°C with a low catalyst loading of 1 mol-% Pd. Functionalization of the 1,2-P,O -structural motif could be achieved by applying nucleophilic aromatic substitution reactions (SNAr) as an alternative pathway for the synthesis of ferrocenyl aryl ethers. Subsequent to a Fries rearrangement sterically-demanding 1,3-di-orthosubstituted aryloxy ferrocenes could be obtained. Multi SNAr reactions of hydroxyferrocenes at polyfluorinated arenes gave up to pentaferrocenyl-functionalized aryl ethers, whose electrochemical properties were investigated. The reaction of CH2-enlarged ferrocenylmethanols gave α-ferrocenylcarbenium ions instead of phosphates, while treating them with chlorophosphates. Enantiopure 2-P(S)Ph2-substituted derivatives of these ions underwent a subsequent intermolecular “S2−“ migration, resulting in thioethers, for example (Sp,Sp)-(2-(P(S)Ph2)FcCH2)2S, in a unique mechanism. Instead, the presence of electronrich arenes gave electrophilic aromatic substituted benzenes bearing chiral ferrocenylmethyl backbones. These type of ligands gave biaryls with up to 26 % ee. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung von neuartigen planar-chiralen 1,2-P,O-ferrocenen sowie deren Anwendung in der Pd-katalysierten Suzuki-Miyaura Reaktion. Dabei lag der Focus in der Anwendung anionischer phospho-Fries Verschiebungen auf Ferrocene um dieses spezielle Substitutionsmuster erhalten zu können. Ausgehend von Hydroxyferrocenen wurde so eine Vielzahl neuer Verbindungen des Typs Fc–O–P (Fc = (n5-C5H5)(n5-C5H4)) synthetisiert, wobei die elektronischen Eigenschaften des Phosphor-tragenden Fragmentes variiert wurden. Die anionische phospho-Fries Verschiebung erfolgte im Anschluss einer ortho-Lithiierung mit einer nicht-nucleophilen Base, was 1,2-P,O-Ferrocene nahezu quantitative ergab. Durch die Verwendung von chiral-pool basierten Alkoholen für die Synthese chiraler Ferrocenylphosphate konnte eine diastereoselective 1,3-O->C Umlagerung mit Isomerenreinheiten von bis zu 95 % erreicht werden. Untersuchungen von gemischten Ferrocenyl-, Phenyl- und N-heterocyclischen Phosphaten bei verschiedenen Temperaturen zeigte eine Limitierung Ferrocenyl-basierter Umlagerungen pro Reaktionsschritt im Gegensatz zu denen von Phenylen. Die erhaltenen 1,2-P,O-Ferrocenylphosphate wurden erstmals mittels Stelzer P,C Kreuz-Kupplungsreaktionen erfolgreich in Phosphane umgesetzt. Deren Verwendung als Ligand in C,C Kreuz-Kupplungsreaktionen wurde am Beispiel der Synthese räumlich anspruchsvoller Biaryle in hohen Ausbeuten bei nur 70°C und niedrigen Katalysatorbeladungen von 1 mol-% Pd demonstriert. Die Funktionalisierung des 1,2-P,O-Strukturmotifes konnte durch die Anwendung von nucleophilen aromatischen Substitutionsreaktionen erreicht werden, die einen alternativen Zugang zu Ferrocenylarylethern bietet. Im Anschluss an eine Fries Umlagerung konnten so sterisch anspruchsvolle 1,3-di-ortho-substituierte Ferrocenylarylether erhalten werden. Durch mehrfache SNAr Reaktionen von Hydroxyferrocenen an polyfluorierten Aromaten wurden bis zu fünf-fach substituierte Ether erhalten, deren elektrochemischen Eigenschaften untersucht wurden. Die um eine CH2-Einheit verlängerten Ferrocenylmethanole gaben bei Reaktion mit Chlorophosphaten alpha Ferrocenylcarbeniumionen anstelle der gewünschten Phosphate. Enantiomerenreine 2-P(S)Ph2-substituierte Derivate dieser Ionen durchliefen anschließend einen intermolekularen ”S2–“ Transfer in einem einzigartigen Mechanismus, was bspw. in Thioethern des Typs (Sp,Sp)-(2-(P(S)Ph2)FcCH2)2S resultierte. In Anwesenheit elektronenreicher Aromaten wurden elektrophile aromatischen Substitutuionen und die Bildung chiraler ferrocenylmethyl-substitutuierter Benzene beobachtet. Deren Einsatz als Ligand ergab Biaryle mit bis zu 26 % ee.

The present PhD thesis describes the synthesis and characterization of novel planarchiral 1,2-P,O-ferrocenes and their application in the Pd-catalyzed Suzuki-Miyaura reaction. It was especially focused on the development of a new synthetic pathway to this type of substitution pattern by applying the anionic phospho-Fries rearrangement in ferrocene chemistry. Starting from hydroxy ferrocene, a high diversity of Fc–O–P- type (Fc = (n5-C5H5)(n5-C5H4)) compounds were synthesized, whereby the electronic properties of the phosphorus fragments were varied. The anionic phospho-Fries rearrangement successfully occurred subsequent to an ortho-lithiation with a non-nucleophilic base giving the 1,2-P,O-ferrocenes in up to quantitative yields. The usage of chiral pool-based alcohols for the synthesis of chiral ferrocenyl phosphates allowed a diastereoselective proceeding, giving single isomers in up to 95% de. Temperature-dependent investigations of mixed ferrocenyl-, phenyl- and Nheterocyclicphosphates revealed a limitation of ferrocenyl-based rearrangements per reaction step, contrary to phenyls. 1,2-P,O-ferrocenyl phosphonates could successfully be converted into phosphines by applying Stelzer P,C cross-coupling reactions on ferrocenes for the first time. Their usage as ligands for C,C cross-coupling reactions was confirmed by the synthesis of sterically hindered biaryls in high yields at 70°C with a low catalyst loading of 1 mol-% Pd. Functionalization of the 1,2-P,O -structural motif could be achieved by applying nucleophilic aromatic substitution reactions (SNAr) as an alternative pathway for the synthesis of ferrocenyl aryl ethers. Subsequent to a Fries rearrangement sterically-demanding 1,3-di-orthosubstituted aryloxy ferrocenes could be obtained. Multi SNAr reactions of hydroxyferrocenes at polyfluorinated arenes gave up to pentaferrocenyl-functionalized aryl ethers, whose electrochemical properties were investigated. The reaction of CH2-enlarged ferrocenylmethanols gave α-ferrocenylcarbenium ions instead of phosphates, while treating them with chlorophosphates. Enantiopure 2-P(S)Ph2-substituted derivatives of these ions underwent a subsequent intermolecular “S2−“ migration, resulting in thioethers, for example (Sp,Sp)-(2-(P(S)Ph2)FcCH2)2S, in a unique mechanism. Instead, the presence of electronrich arenes gave electrophilic aromatic substituted benzenes bearing chiral ferrocenylmethyl backbones. These type of ligands gave biaryls with up to 26 % ee. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung von neuartigen planar-chiralen 1,2-P,O-ferrocenen sowie deren Anwendung in der Pd-katalysierten Suzuki-Miyaura Reaktion. Dabei lag der Focus in der Anwendung anionischer phospho-Fries Verschiebungen auf Ferrocene um dieses spezielle Substitutionsmuster erhalten zu können. Ausgehend von Hydroxyferrocenen wurde so eine Vielzahl neuer Verbindungen des Typs Fc–O–P (Fc = (n5-C5H5)(n5-C5H4)) synthetisiert, wobei die elektronischen Eigenschaften des Phosphor-tragenden Fragmentes variiert wurden. Die anionische phospho-Fries Verschiebung erfolgte im Anschluss einer ortho-Lithiierung mit einer nicht-nucleophilen Base, was 1,2-P,O-Ferrocene nahezu quantitative ergab. Durch die Verwendung von chiral-pool basierten Alkoholen für die Synthese chiraler Ferrocenylphosphate konnte eine diastereoselective 1,3-O->C Umlagerung mit Isomerenreinheiten von bis zu 95 % erreicht werden. Untersuchungen von gemischten Ferrocenyl-, Phenyl- und N-heterocyclischen Phosphaten bei verschiedenen Temperaturen zeigte eine Limitierung Ferrocenyl-basierter Umlagerungen pro Reaktionsschritt im Gegensatz zu denen von Phenylen. Die erhaltenen 1,2-P,O-Ferrocenylphosphate wurden erstmals mittels Stelzer P,C Kreuz-Kupplungsreaktionen erfolgreich in Phosphane umgesetzt. Deren Verwendung als Ligand in C,C Kreuz-Kupplungsreaktionen wurde am Beispiel der Synthese räumlich anspruchsvoller Biaryle in hohen Ausbeuten bei nur 70°C und niedrigen Katalysatorbeladungen von 1 mol-% Pd demonstriert. Die Funktionalisierung des 1,2-P,O-Strukturmotifes konnte durch die Anwendung von nucleophilen aromatischen Substitutionsreaktionen erreicht werden, die einen alternativen Zugang zu Ferrocenylarylethern bietet. Im Anschluss an eine Fries Umlagerung konnten so sterisch anspruchsvolle 1,3-di-ortho-substituierte Ferrocenylarylether erhalten werden. Durch mehrfache SNAr Reaktionen von Hydroxyferrocenen an polyfluorierten Aromaten wurden bis zu fünf-fach substituierte Ether erhalten, deren elektrochemischen Eigenschaften untersucht wurden. Die um eine CH2-Einheit verlängerten Ferrocenylmethanole gaben bei Reaktion mit Chlorophosphaten alpha Ferrocenylcarbeniumionen anstelle der gewünschten Phosphate. Enantiomerenreine 2-P(S)Ph2-substituierte Derivate dieser Ionen durchliefen anschließend einen intermolekularen ”S2–“ Transfer in einem einzigartigen Mechanismus, was bspw. in Thioethern des Typs (Sp,Sp)-(2-(P(S)Ph2)FcCH2)2S resultierte. In Anwesenheit elektronenreicher Aromaten wurden elektrophile aromatischen Substitutuionen und die Bildung chiraler ferrocenylmethyl-substitutuierter Benzene beobachtet. Deren Einsatz als Ligand ergab Biaryle mit bis zu 26 % ee.