Die im Jahre 1963 von Robert Bruce Merrifield vorgestellte festphasengebundene Peptidsynthese beeinflusste in hohem Maße verschiedene Bereiche der Naturwissenschaften. Doch trotz zahlreicher neuer Entwicklungen hat sich in der das Prinzip der eingesetzten Trägermaterialien nicht grundlegend geändert. Geringfügig quervernetzte Polystyrol-Harze sind immer noch die meist verwendeten Trägermaterialien in der standardisierten Peptidsynthese. In dieser Arbeit wurden superparamagnetische Kern-Schale-Nanopartikel entwickelt und erstmals deren Einsatz als neues Trägermaterial für die Synthese von Peptiden, Peptid-Polymer-Konjugaten und Oligonucleotiden demonstriert. Unter Verwendung einer mikrowellenunterstützten Syntheseroute gelang es zunächst superparamagnetische Magnetitpartikel mit einem Durchmesser von durchschnittlich 6 nm darzustellen. Anschließend wurde ein neu entwickelter mikrowellenunterstützter Stöber-Prozess zur Herstellung von Magnetit-Silica-Kern-Schale-Nanopartikel angewendet, welche im dritten Schritt mit Aminopropyltrimethoxysilan funktionalisiert wurden. Es wurden hochpräzise, monodisperse Kern-Schale-Nanopartikel mit einem Durchmesser von durchschnittlich 69 nm und einem Beladungswert von 0.11 mmol/g erhalten, welche in durchgeführten Stabilitätstests hervorragende Ergebnisse zeigten und als neue Trägermaterialien für festphasengebundenen Synthesen getestet wurden. Die erforderliche Produktaufreinigung erfolgte durch ein externes Magnetfeld, durch welches die Partikel reversibel sedimentierbar sind. Erste Studien der Synthese einer 4-mer-Peptidsequenz zeigten Ausbeuten von über 70% und mit herausragender Reinheit von über 95%. Besonders eindrucksvolle Ergebnisse erzielten die Partikel bei der Synthese von Peptid-Polymer-Konjugaten, bei denen die Ligationsreaktionen mit vorher nicht dokumentierten Umsatzraten verliefen. Außerdem konnte die Anwendbarkeit bei der Synthese eines Trinucleotids nachgewiesen werden. / In 1963 Merrifield introduced the method of solid-phase supported synthesis and thus revolutionized peptide synthesis. In spite of several new developments, the main principle of established solid supports has not changed much. Still lightly cross linked poly(styrene) resins dominate the used supports. This work reports on surface amino functionalized, superparamagnetic nanoparticles with a protective silica shell to be applicable as colloidal supports for organic synthesis of peptides, peptide polymer conjugates and oligonucleotides. A microwave supported synthesis route lead to superparamagnetic magnetite particles with an average particle diameter of 6 nm. Subsequently a new developed microwave assisted Stöber process was used to build up magnetite-silica-core-shell-nanoparticles, which were functionalized in a third step with aminopropyltrimethoxysilane. Defined monodisperse core-shell nanoparticles were obtained with an average diameter of 69 nm and a concentration of free amino groups of 0.11 mmol/g, which showed excellent results in conducted stability tests and were used as new support materials for solid-supported syntheses. Convenient magnetic sedimentation proved to ensure ease of purification after each reaction step. Initial studies of a synthesis of a tetramer peptide sequence showed yields of more than 70% and an outstanding purity of more than 95%. The particles also showed impressive results in the synthesis of peptide-polymer conjugates, in which the ligation reactions proceeded conversion rates, which had not been published before. In addition, the applicability of the particles was demonstrated in the synthesis of a trinucleotide.

Der Fokus dieser Dissertation lag in der Untersuchung des Potentials von Aluminium-chlorofluorid (ACF) als Katalysator für die Synthese von fluorierten Verbindungen. Insbesondere die C−F-Aktivierung von verschiedenen polyfluorierten Stoffen wurde untersucht, welches die Effizienz des festen Lewis-Säure-Katalysators für diesen Reaktionstyp zeigte. Das potente Treibhausgas 2-Chlor-1,1,1,2-tetrafluorpropan wurde erfolgreich in das dehydrofluorierte Produkt. Weiterhin wurden Umsetzungen von Pentafluorpropan-Isomeren wie z.B. 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan, 1,1,1,2,2-Pentafluorpropan und 1,1,1,2,3-Pentafluorpropan mit ACF als Katalysator untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung der primären CH2F-Gruppe in schnell stattfindet und dabei keine Wasserstoffquelle erfordert. Im Kontrast dazu, wurde für die Aktivierung von CF2-Gruppen eine Wasserstoffquelle wie etwa HSiEt3 benötigt und resultierte in der Bildung eines Produktgemischs. Alternativ wurden Hydrofluorierungsreaktionen von mehreren Substraten durch die Synthese und den Einsatz eines neuen Materials erreicht, welches auf der Immobilisierung von HF auf der Oberfläche von ACF beruht. Dieses HF-ACF wurde unter der Verwendung von vielfältigen Charakterisierungsmethoden umfassend untersucht. Die innere Struktur des Festkörpers, wurden mit MAS-NMR-Spektroskopie, FTIR, Inelastische Neutronenstreuung, XRD und Thermoanalyse analysiert Dadurch konnte gezeigt werden, dass eine geringfügige Reorganisation des bulks zu einer besser geordneten Matrix und die Bildung einer mit der ACF-Oberfläche wechselwirkenden Polyfluorid-Struktur vorliegt. Zur Bestimmung der Oberflächengröße wurde das BET-Modell genutzt und zur Analyse der Porengröße wurde die NLDFT verwendet. Abschließend wurden verschiedene Probeverbindungen an der Oberfläche des HF-ACFs adsorbiert um die Azidität der Oberfläche zu bestimmen und es konnte gezeigt werden, dass eine signifikante Reduktion der Lewis- und Brønsted-Azidität vorliegt. / The main focus of this thesis lies in the study of the potential of aluminum chlorofluoride (ACF) as a catalyst for the synthesis of fluorinated compounds. In particular, C−F bond activations of various polyfluorinated compounds were studied, showing the efficiency of this solid Lewis acid catalyst for this type of reaction. The potent greenhouse gas 2-chloro-1,1,1,2-tetrafluoropropane was successfully transformed into the dehydrofluorination product 2-chloro-3,3,3-trifluoropropene under mild conditions. Similarly, transformation of pentafluoropropane isomers, such as 1,1,1,3,3-pentafluoropropane, 1,1,1,2,2- pentafluoropropane and 1,1,1,2,3-pentafluoropropane was also investigated using ACF as a catalyst. It was evidenced that the primary CH2F group present in 1,1,1,2,3-pentafluoropropane was easily activated without the need for a hydrogen source. In contrast, to activate CF2 groups, a hydrogen source such as HSiEt3 was required, generating a variety of products. Alternatively, successful hydrofluorination reactions of several substrates were conducted by synthesizing a new material, based on the loading of hydrogen fluoride (HF) at the surface of ACF. This HF-loaded ACF was deeply studied using a wide range of characterization methods. For the bulk, MAS NMR spectroscopy, Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR), Inelastic Neutron Scattering (INS), Powder X-Ray Diffraction (P-XRD), and thermoanalysis were performed, revealing a slight reorganization of the bulk towards a better-ordered matrix and the formation of polyfluoride structure interacting with the surface of ACF. The BET model was used for the surface area determination, and the pore size analysis was established using the non local density functional theory (NLDFT). Finally, various probe molecules were adsorbed at the surface of HF-loaded ACF to determine the acidity of the surface, revealing a significantly reduced Lewis and Brønsted acidity.

Aufgrund der Fähigkeit von Langerhans Zellen, welche den C-Typ Lektin (CTL) Rezeptor Langerin exprimieren, Antigene zu internalisieren und T-Zellen zu präsentieren, wurde Langerin als attraktives Ziel für neue Immunotherapien erkannt. Langerin kann Pathogene wie z.B. Viren erkennen, die zur Erhöhung der Avidität Kohlenhydratliganden multivalent präsentieren, da die monovalenten Kohlenhydratliganden nur niedrige Affinitäten für Langerin aufweisen. Die natürlichen monovalenten Kohlenhydratliganden besitzen nur niedrige Affinitäten für Langerin. Inspiriert durch die Natur stellt Multivalenz eine Strategie zur Überwindung der schwachen CTL-Kohlenhydrat-Wechselwirkung dar. Im Gegensatz zur hochmultivalenten Präsentation von Liganden mit undefinierter Anordnung hat sich diese Arbeit zum Ziel gesetzt auch die Ökonomie der Liganden zu optimieren, indem Liganden auf einer DNA Gerüststruktur so präsentiert wurden, dass sie die Distanz zwischen den Bindungstaschen des Homotrimers Langerin wiederspiegeln. Eine Untersuchung der relevanten multivalenten Bindungsmechanismen führte zu einer Anordnung der Liganden, die sowohl statistisches Rebinding als auch den Chelate Effekt einbezog. Der Rebinding Effekt wurde als Mittel erkannt, dass nicht nur die Avidität des Liganden an einer Bindungstasche erhöht, sondern auch ausgenutzt werden kann, um den Chelate Effekt zu amplifizieren. Diese Methode stellt eine Möglichkeit dar niedrige oder nicht vorhandene Multivalenzeffekte bei der bivalenten Präsentation von Liganden zu überwinden, wenn hochaffine Liganden nicht zur Verfügung stehen. Eine Kombination dieser Strategie mit der Entwicklung eines neuen selektiven Liganden für Langerin führte zu dem stärksten bekannten Langerinbinder (IC50 = 300 nM). Die Ligand-PNA-DNA Konstrukte wurden selektiv von Langerin exprimierenden Zellen bei nanomolaren Konzentrationen internalisiert und stellen ein System dar, welches in Zukunft für den Transport von Beladungen Anwendung finden könnte. / Targeting the C-type lectin (CTL) langerin has received increasing attention as a novel immunotherapy strategy due to the capacity of Langerhans cells, which express langerin, to endocytose and cross-present antigens to T-cells. Langerin recognizes pathogens such as viruses, which present carbohydrates in a multivalent fashion to increase avidity as the monovalent carbohydrate ligands only display low affinity for langerin. Inspired by nature, multivalency has therefore been a key tool for overcoming the low affinities of CTL-carbohydrate interactions. In contrast to highly multivalent ligand presentation with undefined arrangements this work strove to optimize ligand economy by designing bivalent ligands that take the distance between the binding sites of the homotrimeric langerin into consideration by precise arrangement of ligands on DNA-based scaffolds. Studying the multivalent mechanisms at work led us to the design of ligands that take both statistical rebinding and the chelate effect into account. The rebinding effect was recognized as a tool that not only increases ligand avidity at a single binding site but in addition can be exploited to amplify the chelate effect. This method provides a solution for overcoming the low or non-existing multivalency effects when bivalently presenting low affinity ligands on a rigid scaffold if high affinity ligands are unavailable. A combination of this arrangement strategy with the development of a first langerin selective glycomimetic ligand led to the most potent molecularly defined langerin binder to date (IC50 = 300 nM). The ligand-PNA-DNA constructs were selectively internalized by langerin expressing cells at nanomolar concentrations and constitute a delivery platform for the future transport of cargo to Langerhans cells.

Smac-Mimetika (SMCs) sind eine Klasse von Tetrapeptid-abgeleiteten Medikamenten, die dem homodimeren, pro-apoptotischen Protein Smac nachempfunden sind. Sie binden und hemmen die Apoptose-Inhibitoren (IAPs), eine Klasse von anti-apoptotischen Proteinen, die von vielen medikamentenresistenten Krebszellen überexprimiert werden. In dieser Arbeit wurden Strategien zur Steigerung und Kontrolle der Aktivität von SMCs durch Konjugation an Oligonukleotide (ON) untersucht. ONs wie Desoxyribonukleinsäure (DNA) oder das peptidbasierte Analogon Peptidnukleinsäure (PNA) bieten einzigartige Erkennungseigenschaften, die zur Detektion und/oder zur Modulation der Expression krebsspezifischer Genprodukte genutzt werden können. Letzteres kann z. B. mit Antisense-Oligonukleotiden (ASOs) erreicht werden, kurzen einzelsträngigen DNA- oder RNA-Molekülen, die die Translation einer komplementären Zielsequenz blockieren. Im ersten Teil der Arbeit wurden Konjugate aus SMCs und ASOs auf Synergie-Effekte getestet. Viele menschliche Krebszelllinien sind gegen SMCs resistent, weil andere anti-apoptotische Proteine wie das zelluläre FLICE-ähnliche Protein (c-FLIP) als Ausfallsicherung wirken. Es konnte gezeigt werden, dass diese Resistenz durch Kupplung eines SMC an ein anti-c-FLIP ASO überwunden werden kann. Im zweiten Teil wurden kurze ON-Sonden verwendet, um ein templiertes Reaktionssystem zur gezielten Aktivierung eines SMCs in Gegenwart von X-linked Apoptose-Inhibitor (XIAP) mRNA zu erzeugen. Es wurden zwei verschiedene Ansätze untersucht: Ein templierter Acyl-Transfer, bei dem hochaffine, bivalente SMCs aus niedrig affinen, monovalenten Vorläufern erzeugt werden und eine Demaskierung der für die Bindungsaffinität von SMCs entscheidenden, N-terminalen Aminogruppe durch templierte Reduktion eines Azids. Für die zweite Strategie wurden zwei verschiedene Reaktionen verglichen, die Staudinger-Reduktion mit Phosphinen und eine katalytische Photoreduktion mit einem Ruthenium-Komplex. / Smac mimetic compounds (SMCs) are a class of tetrapeptide-derived drugs, modelled after the homodimeric, pro-apoptotic protein Smac. They bind and antagonize Inhibitor of Apoptosis Proteins (IAPs), a class of anti-apoptotic proteins overexpressed by many drug-resistant cancer cells. In this work, strategies to enhance and control the activity of SMCs by conjugating them to oligo-nucleotides (ON) were investigated. ONs like deoxyribonucleic acid (DNA) or the peptide-based analog peptide nucleic acid (PNA) offer unique recognition properties that can be used to detect and/or modulate the expression of cancer-specific gene products. The latter can be achieved with antisense oligonucleotides (ASOs), short single-stranded DNA or RNA molecules that block the translation of a complementary sequence of interest. In the first part of this work, conjugates between SMCs and ASOs were tested for synergy. Many human cancer cell lines are resistant to SMCs because other anti-apoptotic proteins like the cellular FLICE-like protein (c-FLIP) act as a failsafe. It could be demonstrated that by joining an SMC with an anti-c-FLIP ASO this resistance can be overcome. In the second part, short ON probes were used to create a templated reaction system to conditionally activate an SMC in the presence of x-linked inhibitor of apoptosis (XIAP) mRNA. Two different approaches were explored: A templated acyl transfer that yields high affinity bivalent SMCs from low affinity, monovalent precursors and unmasking of the N-terminal amino group, which is crucial for the binding affinity of SMCs, by templated reduction of an azide. For the second strategy, two different chemistries were compared, Staudinger reduction with phosphines and a catalytic photoreduction using a ruthenium complex.

Die steigende Anzahl dezentraler wetterabhängiger Energiesysteme im Stromversorgungsnetz führt zu einer Wandlung der Energieversorgungsstruktur. Um die Netzstabilität zu gewährleisten sowie die Energie- und Klimaziele der Bundesregierung zu erreichen, können dezentrale Energiesysteme in die zentrale Energieversorgungsstruktur mithilfe eines virtuellen Kraftwerkes eingebunden werden. Für wirtschaftliche Entscheidungen bei virtuellen Kraftwerken muss die Bilanz des virtuellen Kraftwerkes vollständig betrachtet werden. Mit einer Optimierung der Fahrpläne der Energiesysteme mit Betrachtung der Restriktionen für Wärme können wirtschaftliche Fehlentscheidungen beim Betrieb und der Auslegung virtueller Kraftwerke vermieden werden. Die Bundesrepublik spricht bei KWK-Anlagen von einer Schlüsseltechnologie für die Einbindung von Energiesystemen mit stark schwankender Stromerzeugung, da die KWK-Anlagen sehr flexibel sind. Diese Flexibilität wird aber durch die Restriktionen der Wärmeabnahme begrenzt. Für die Betrachtung virtueller Kraftwerke ist eine gesamtwirtschaftliche Betrachtung für Wärme und Strom durchzuführen, wenn KWK-Anlagen an dem virtuellen Kraftwerk beteiligt sind. Die folgende Arbeit erstellt eine Simulation, die mit sechs über das Jahr verteilten Testfällen zeigt, dass eine vollständige Bilanz eines virtuellen Kraftwerkes die Restriktionen für Strom und für Wärme einbinden muss. Die wichtigsten Parameter der Simulation sind die Strom- und die Wärmelast, Preisstrukturen für Strom und Wärme sowie die Eigenschaften der beteiligten Energiesystemen, wie beispielsweise die minimale und maximale Leistung, die Laständerungsgeschwindigkeit und die Kapazität bei Speichern. Grundlage für die Testfälle sind reale Daten eines regionalen Energieversorgers zu den Lasten, Energiesystemen und Preisen. Die vorliegende Arbeit weist nach, dass eine Integration der Wärmeerzeugungskosten und -erlöse notwendig ist, um den wirtschaftlichen Betrieb eines virtuellen Kraftwerks vollständig darzustellen. Damit kann eine Entscheidungsgrundlage für einen Verbund von Energiesystemen für ein virtuelles Kraftwerk getroffen werden. Es können optimierte Fahrpläne generiert werden, um frühzeitig Energie am Markt zu handeln und somit den Gewinn des virtuellen Kraftwerkes unter Berücksichtigung aller Randbedingungen zu maximieren.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis Einheitenverzeichnis Indizeverzeichnis 1 Einleitung 2 Problemdarstellung 2.1 Hintergrund und Problemdarstellung 2.2 Literaturrecherche – State of the Art 3 Wissenschaftstheoretische Grundpositionen, Forschungsziele und Forschungsmethode 3.1 Wissenschaftstheoretische Grundpositionen und Forschungsziele 3.2 Auswahl der Forschungsmethode 4 Beschreibung der Simulation und der Ergebnisse 4.1 Mathematische Grundlage der Optimierung 4.2 Allgemeiner Aufbau der Simulation 4.3 Eingabedaten 4.4 Erste Optimierungsstufe 4.5 Zweite Optimierungsstufe 4.6 Beschreibung von Testfällen 5 Diskussion der Ergebnisse und Zielerreichung 6 Fazit und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang

Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des enantiomerenspezifischen Umweltverhaltens des Flammschutzmittels Hexabromcyclododecan (HBCD). Zu Beginn erfolgte daher die Optimierung und Validierung eines enantiomerenspezifischen Analysenverfahrens für die Bestimmung von HBCD in Biota. Die errechneten mittleren Wiederfindungen lagen im Bereich von 100-102 % und die Nachweisgrenzen zwischen 0,131 und 0,255 pg g-1. Untersuchungen zur ubiquitären Verteilung von HBCD erfolgten an Eiern der Silbermöwe deutscher Nord- und Ostseeinseln (Probenahme 1988-2008). In allen Fällen dominierte alpha-HBCD das Diastereomerenmuster, wobei eine bevorzugte Anreicherung von (-)-alpha-HBCD sowie ein zeitlicher Trend aller Enantiomeren-Gehalte festgestellt wurde. Zur Klärung der Frage einer Bioakkumulation sowie -isomerisierung der HBCD-Stereoisomere erfolgten Langzeit-Fütterungsversuche an Spiegelkarpfen. Die Untersuchungen ergaben eine signifikante Akkumulation des jeweils gefütterten HBCD-Enantiomers, jedoch konnte die Hypothese der Bioisomerisierung nicht bestätigt werden. Ein weiterer Schwerpunkt lag in Untersuchungen zur cytochromabhängigen enantiomerenspezifischen Biotransformation von HBCD im Rahmen des Metabolismus an Lebermikrosomen diverser Spezies. Hier konnte gezeigt werden, dass HBCD dem Phase I-Metabolismus unterliegt und hydroxyliert wird. Dabei weist jedes HBCD-Enantiomer ein spezifisches Metabolitenmuster auf, was eine Zuordnung der hydroxylierten Verbindungen zum entsprechenden HBCD-Enantiomer erlaubt. Anhand von Zeitreihen sowie der Berechnung von Halbwertszeiten konnte der Verdacht eines enantiomerenspezifischen Metabolismus in Richtung einer Anreicherung von (-)-alpha- und (+)-gamma-HBCD bestätigt werden. Inkubationsansätze mit reinen Cytochrom (CYP)-Isoformen sowie molekülmechanische Berechnungen legen die Vermutung nahe, dass dem CYP3A4 eine Schlüsselrolle bei der Metabolisierung von HBCD zukommt. / The main emphasis of this thesis was on the enantio-specific environmental behaviour of the polybrominated flame retardant hexabromocyclododecane (HBCD). Initially, an enantio-specific analytical method for the determination of HBCD in biota was optimised and validated. The calculated mean recoveries ranged from 100 to 102 % and the limits of detection are in the range of 0.131 to 0.255 pg g-1. First investigations of the ubiquitous environmental distribution of HBCD were performed using herring gull eggs from different islands in the North and Baltic Sea (sampling 1988 to 2008). In all cases alpha-HBCD was the predominant diastereomer. Significant deviations from the racemic mixture revealed a preferred enrichment of the first eluting (-)-alpha-HBCD. In addition, a temporal trend of HBCD levels was observed. To clarify the issue of accumulation as well as bioisomerisation of HBCD stereoisomers, a long-term feeding study with mirror carps was performed. The results showed an accumulation of each initially fed HBCD enantiomer, but hypothesis of a bioisomerisation could not be confirmed. Another important focus of this work was to study the cytochrome-dependent enantio-specific biotransformation of HBCD enantiomers in various species of liver microsomes. It was shown that HBCD is subject to phase I metabolism. In the course of this process, HBCD is metabolised to hydroxylated products, whereas each HBCD enantiomer results in a specific metabolite pattern allowing the allocation of the corresponding hydroxylated compounds. Investigation of time series as well as the calculation of half-lives, the hypothesis of an enantio-specific metabolism towards an enrichment of (-)-alpha- and (+)-gamma-HBCD could be confirmed. Incubation mixtures with pure cytochrome (CYP) isoforms, as well as molecular mechanic calculations suggest that CYP3A4 plays a key role in the biotransformation processes of HBCD.

Native chemische Ligation ist heutzutage die Methode der Wahl für die chemische Synthese von Proteinen. Die Voraussetzung der Methode: ein Cystein Rest am N-Terminus, gilt als größter Nachteil der Methode. N-alpha-Auxiliare werden seit mehreren Jahren als Cystein-Surrogat verwendet, um diese Einschränkungen zu überwinden. Aufgrund zahlreicher Einschränkungen haben sich die Auxiliare als Standard Methode nicht durchgesetzt. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine neue Klase N-alpah-Auxiliare entwickelt. Die Auxiliare sind einfach zu synthesieren, können direkt auf den Festphasen in das Peptid eingeführt und unter milden basischen Bedingungen wieder abgespalten werden. Modelversuche wurden durchgeführt um ihr Eigenschaften hinsichtlich der native chemische Ligation und Abspaltung zu evaluieren. Daraufhin wurden die Auxiliare für die Synthese der antimikrobiellen Domäne des Dermicidin Proteins verwendet. Die chemische Ligation an der festen Phase hat in den letzten Jahren erheblich an Popularität gewonnen. Die Methode profitiert von der einfachen Reinigungseigenschaften der Festphasensynthese und erlaubt die sequenzielle Verknüpfung von mehreren Peptidfragmenten zu den gewünschten Zielproteinen mit hohen Reinheiten. Im zweiten Teil der Dissertation wurde das Konzept der chemische Festphasen Ligation mit der Hilfe eines „Second Generation“ Auxiliar über die Cysteinchemie hinaus erweitert. Durch Auxiliar-unterstüzte Festphase Ligation“ wurde die variable tandem repeats Domäne des MUC1 Proteins hergestellt. / Native chemical ligation continues to lead as the method of choice for the total chemical synthesis of proteins. Despite the methods broad use the method requirement for a terminal cysteine residue remains its biggest disadvantage. N-alpah-auxiliaries have long been used to overcome this inherent hindrance by acting as cysteine mimics. The method however has still not achieved broad use due to several key issues. In the first part of the thesis a new class of N-alpha-auxiliaries is presented. The auxiliaries are straightforwardly synthesized, readily introduced onto the peptide building blocks and cleaved under mild basic conditions. Model tests were carried out to evaluate the auxiliaries’ characteristics and their removal chemistry was developed. Finally, the auxiliary was utilized for the synthesis of the antimicrobial C-terminal domain of Dermicidine. Solid phase chemical ligation has grown in popularity in the recent years. Benefitting from the solid-phase inherent purification characteristic it allows for multiple peptide fragments to be ligated in a sequential fashion to yield the full length protein target in high purity. In the second part of the dissertation the concept of solid phase chemical ligation is expanded beyond the cysteine junction using a “second generation” auxiliary. MUC1 protein variable tandem repeats domain was synthesized using auxiliary-assisted solid phase chemical ligation.

In der vorliegenden Dissertation konnten erfolgreich neben der Entwicklung und Optimierung neuer Methoden in der Kettenverlängerung von Aldosen und Ketosen auch neue Farbstoffe zur Untersuchung von Protonierungs- und Wasserdynamiken designt und synthetisiert werden. Die Erweiterung des Verständnisses im Zusammenspiel von Aminosäuren und Kohlenhydraten hat einen großen Einfluss in der wissenschaftlichen Gesellschaft der Kohlenhydratchemie. Die Kontrolle im Aufbau von Stereotetraden und -pentaden führt zu einer Ausweitung der bekannten Möglichkeiten in der stereoselektiven Synthese von Naturstoffen und Biomimetika. Außerdem konnten durch eine einfache Methode die C-Glykoside seltener Kohlenhydrate dargestellt werden. Einbau von Aminosäuren in Kohlenhydratstrukturen konnten in hohen Stereoselektivitäten und der Möglichkeit der Stereomanipulation durch Wahl des Isocyanides erreicht werden. Die Synthese des zellgängigen Farbstoffes PAc-SNARF, sowie des Biolinkers IA-SNARF ermöglicht eine bildgebenden ratiometrischen pH-Untersuchungen in Zellen und auf Proteinoberflächen. Die Verallgemeinerung der Synthese der Farbstoff-Precursor für die SNARF-Derivate über eine Friedel-Crafts-Acylierung erlaubt eine kostengünstige Darstellung einer großen Bandbreite von Farbstoffen. Mithilfe der neu synthetisierten sterisch anspruchsvollen N-Methyl-6-oxychinoliniumbetain-Derivate verbunden mit der Fluoreszenzaufkonvertierungs-Spektroskopie konnte eine Verlangsamung von Wasser an hydrophoben Oberflächen bewiesen werden. Die gesammelten Ergebnisse und Erkenntnisse in diesen verschiedenen Themengebieten werden in Zukunft einen großen Einfluss in der Wissenschaftswelt haben. / In the presented dissertation new methods in the chain elongation of carbohydrates could be established and optimized. Besides that, new probes for the investigation of protonation and water dynamics could be designed and synthesized. The extension of comprehension in the interaction between amino acids and carbohydrates through hydrogen bonds has a great impact in the scientific community of carbohydrate research. The stereochemical control in the construction of stereotetrads and –pentads leads to a considerable extension of known methods in the synthesis of natural compounds and biomimetics. Additionally the C-glycosides of rare carbohydrates could be synthesized through simple methods. Installation of amino acids into carbohydrate structures could be achieved with very high stereoselectivity and the potential of manipulating the stereochemical course through the choice of different isocyanides. The synthesis of the cell permeable PAc-SNARF and the cysteine-bioapplicable IA-SNARF allow the ratiometric pH-imaging of cells and protein surfaces. The generalization of the synthesis of dye-precursors for SNARF-derivatives through friedel-crafts-acylation allow an inexpensive approach in synthesizing a broad spectrum of dyes. Through deployment of newly developed sterical demanding N-Methyl-6-oxyquinolinium betaine-derivates together with the fluorescence upconversion spectroscopy a deceleration of water reorientation near hydrophobic surfaces could be proven. The here summarized results and insights in the different topics will have a considerable influence in academic sciences.

Die Fortschritte bei synthetischen Polymeren konzentrieren sich in erster Linie auf die Bemühungen, Kunststoffe auf molekularer Ebene zu entwickeln, um vielversprechende Eigenschaften und Funktionen auf makroskopischer Ebene zu erreichen. Daher sind die Verbesserung der Materialsynthese sowie die Zunahme der Komplexität des makromolekularen Designs zu einem wichtigen Forschungsschwerpunkt geworden. Es wurden bemerkenswerte synthetische Strategien zur Entwicklung von sequenzgesteuerten Oligomeren entwickelt, die durch eine präzise Mikrostruktur eine anschließende Faltung zu kontrollierten multizyklischen Origamis ermöglichten. Allerdings bleiben die derzeitigen synthetischen Methoden für die Herstellung von Präzisionspolymeren mit hohem Molekulargewicht bis zu einem gewissen Grad statistisch. Daher ist es nach wie vor schwierig, große synthetische Makromoleküle zu entwerfen, die sich zu präzisen und einheitlichen zyklischen Strukturen zusammenfügen können. Sind parallele Fortschritte bei der Charakterisierung von großen multizyklischen makromolekularen Strukturen sehr gefragt, da die meisten der derzeitigen Techniken nur in der Lage sind, Indizien für die Strukturorganisation zu liefern. Die vorliegende Arbeit untersucht dabei die Synthese und die Morphologie von dynamischen und kontrollierten zyklischen Polymeren. Das synthetische Konzept basiert auf der Herstellung von sequenzgesteuerten Makromolekülen mittels regulierten Einbaus von reaktiven Selenol- oder Thiolgruppen an gewünschten Positionen innerhalb einer Polymerkette. Die kontrollierte oxidative Dimerisierung der funktionellen Gruppen führt zu Diselenid- bzw. Disulfidbrücken und bewirkt eine intramolekulare Vernetzung zur Erzeugung einer dynamischen einkettigen Zyklisierung. Um Einblicke auf molekularer Ebene zu gewinnen und den Grad an struktureller Kontrolle aufzuzeigen, wird eine synthetische Strategie entwickelt, die eine direkte Visualisierung der erhaltenen Polymerkonformation ermöglicht. / The field of material science has evolved drastically in the last decades. Progress in synthetic polymers primarily focuses on efforts to design materials at a molecular level to reach promising properties and functions. Improving material synthesis and increasing the complexity of macromolecular design have become a major research focus. Remarkable synthetic strategies have been developed toward the elaboration of sequence-defined oligomers, in which the precise microstructure can allow subsequent folding into controlled and precise multi-cyclic origamis. However, current synthetic routes toward precision polymers with high molecular weight remain statistical to some degree, which reflects a loss of structural control. Thus, designing large synthetic macromolecules that can fold into precise and uniform cyclic-shape structures remains difficult to reach. Parallel progress in characterization of large multi-cyclic macromolecular designs are highly demanded since most of the current techniques are only capable of providing circumstantial evidence of structural organization. Macromolecules with dynamic intramolecular crosslinks have become relevant due to their ability to potentially reach equilibrium structures in response to external stimuli. In this study, controlled synthetic route and morphology characterization of dynamic cyclic polymers are investigated. The synthetic concept is based on the preparation of sequence-controlled macromolecules to guide the insertion of reactive selenol or thiol groups at desired positions within a polymer chain. Controlled oxidative dimerization of the functional groups leads to diselenide or disulfide bridges respectively and induces intramolecular crosslinking to generate dynamic cyclization. To gain insight into the molecular level to reveal the degree of structural control, a synthetic strategy is developed to access an additional analytic tool and enable direct visualization of the obtained polymer conformations.

Das Hauptanliegen dieser Arbeit war es valide chemische Verfahren für die Optimierung der Gesamtleistung von Glykan-Microarrays bereitzustellen. Dafür erfolgte eine gründliche Untersuchung jedes einzelnen Prozessschritts innerhalb der Arrayproduktion durch Anwendung komplementärer Methoden der chemischen Oberflächenanalytik. Mit Hilfe von fortgeschrittenen Verfahren der Elektronen-Spektroskopie für die chemische Anlayse (ESCA/XPS) wurden valide quantitative Daten bei der chemischen Charakterisierung der Oberflächen erhalten die mit den häufig eingesetzten qualitativen bzw. indirekten Verfahren (z.B. Kontaktwinkel Goniometrie und Fluoreszenz-Spektroskopie) so nicht erhalten werden können. Die robuste Anbindung von Glykanen auf der Substratoberfläche ist Voraussetzung für eine reproduzierbare Anwendung in der Diagnostik aber auch für die Entwicklung valider quantitativer Charakterisierungsmethoden zur Bewertung der Effizienz der Immobilisierungsreaktionen. Ein Schwerpunkt der Arbeit lag in der Charakterisierung und Optimierung der Glykananbindung an amin-reaktive Oberflächen. Hierzu wurden z.B. spezielle Glykane mit Fluorlabel auf epoxid-funktionalisierten Siliziumoberflächen immobilisiert. Eine Quantifizierung der angebundenen Glykane ist zum Beispiel über die Bestimmung der CF3-Gruppe im hochaufgelösten C1s XPS Spektrum möglich. Die Interaktionen Sonde-Analyt wurden modellhaft mit immobilisierten Glykanen und dem Lektin Concanavalin A mit Verfahren der chemischen Oberflächenanalytik untersucht. Neben der chemischen Charakterisierung frisch präparierter Glykansonden wurde auch das Alterungsverhalten der Glykan-Microarrays untersucht. / The objective of this research is to sidestep many of the initial and current problems of glycan microarray based devices by using new analytical approaches to control molecular engineering. For this purpose, a thorough investigation of each individual step in the array production is carried out by applying complementary methods of surface chemical analysis. New fluorophore-free protocols based on methods of surface analysis as XPS will be developed and validated to enable glycan microarray performance optimization. The advantage of these methods is the direct quantitative access to chemical bonds at high lateral resolution. In contrast to the frequently used qualitative or indirect methods (e.g. contact angle goniometry and fluorescence spectroscopy), valid quantitative data are obtained. The robust binding of glycans on the substrate surface, is a prerequisite for a reproducible application in the diagnostics but also for the development of valid quantitative characterization methods for the evaluation of the efficiency of the immobilization reactions. One focus of the work was the characterization and optimization of the glycan binding to popular amine-reactive surfaces. For this purpose, specific glycans with fluorine-label were immobilized on epoxide-functionalized silicon surfaces. A quantification of the attached glycan molecules is possible, for example, by determining the amount of CF3 groups using the high-resolution C1s XPS spectrum. The interactions between model probe (glycan molecules) and model analyte (lectin concanavalin A) were investigated using powerful methods surface chemical analysis. In addition to the chemical characterization of freshly prepared glycan probes, the aging behavior of the glycan microarrays was also investigated.