Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden drei neue Zugangswege zu kettenverlängerten Kohlenhydraten aus ungeschützten Aldosen entwickelt. Dabei ermöglichen diese Protokolle die Synthese verschiedener Klassen von kettenverlängerten Strukturen. Neben der selektiven Darstellung von 2-Ketoaldonsäurederivaten konnten effiziente Zugangsstrategien zu hoch funktionalisierten bizyklischen C-Glycosiden und polyhydroxylierten Pseudopeptiden präsentiert werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass ein breites Spektrum dieser verschiedenen Arten kettenverlängerter Kohlenhydrate aus ungeschützten natürlichen Hexose- und Pentose-Substraten zugänglich ist. Durch den Einbezug der natürlich vorhandenen Hydroxylgruppen der Aldosen ermöglichen die präsentierten Kaskadenreaktionen einen sehr effektiven Zugang zu hoch funktionalisierten Produkten, welche in Sequenzen unter Verwendung von Schützungsstrategien nur in aufwendigen, mehrstufigen Reaktionen zugänglich wären. Zudem konnte gezeigt werden, dass die natürlich vorkommende Chiralität in den verwendeten Substraten für ein stereoselektives Dirigieren der neu installierten Stereozentren nutzbar ist. Damit konnte eine bedeutende Erweiterung des bestehenden Repertoires von Methoden für die Verlängerung ungeschützter Kohlenhydrate erreicht werden.. Die entwickelten Transformationen bestechen durch ihre hohe Atomökonomie, wie auch durch ihre sehr gute ökologische und ökonomische Bilanz und erfüllen damit die Anforderungen an nachhaltige Synthesemethoden. / The scope of the presented work was the investigation of new organocatalysed synthesis strategies of carbon chain elongated carbohydrates. Here three new accesses to three different structure motifs of these biologically highly important and manifold compounds from unprotected carbohydrates were developed. Using naturally occurring, unprotected pentoses and hexoses, a wide variety of keto aldonic acids, bicyclic C-glycosides and glycosylated pseudopeptides are accessible in three different cascade reactions. All of the presented strategies enable the C-chain elongation by employment of the naturally occurring aldehyde motive without tedious protection ad deprotection protocols or synthetic modifications of the substrates. By utilisation of the chiral hydroxyl moieties of the carbohydrate chain, diastereoselective control of the installation of the stereocenters formed in the cascade reactions is achieved. The high regio- and diastereoselectivities, high yields as well as the convenient synthesis conditions of the presented protocols make the presented cascade reactions valuable tools among the already described accesses to the biological important compounds of chain elongated carbohydrates. The presented cascades enable the diastereoselective synthesis of a high variety of these motifs in only one synthetic step from readily available unprotected carbohydrates without additional modification steps. These advantages give rise to a very high atom economy of the transformations, which therefore fulfil the requirements to green chemistry and sustainable synthesis methods.

Das Enzym Tryptophan Synthase ist ein ausgezeichnetes Beispiel einer molekularen Fabrik auf der Nanoskala mit zwei katalytischen Zentren. Der katalytische Zyklus des Moleküls beruht zudem auf zahlreichen allosterischen Wechselwirkungen sowie der Übertragung des Intermediats Indol durch einen intramolekularen Tunnel. In dieser Arbeit wird das erste kinetische Modell eines einzelnen Tryptophan Synthase Moleküls konstruiert und analysiert. Simulationen zeigen starke Korrelationen zwischen den Zuständen der Katalysezentren sowie die Ausbildung von Synchronisation. Mit stochastischer Thermodynamik wird die experimentell unzugängliche Reaktionskonstante für die Rückübertragung des Indols aus Messdaten rekonstuiert. Methoden, die den Informationsaustausch in bipartiten Markovnetzwerken charakterisieren, werden auf beliebige Markovnetzwerke verallgemeinert und auf das Modell angewendet. Der abschließende Teil befasst sich mit chemischen Reaktionsnetzwerken von Metaboliten und Enzymen. Es werden algebraische Modelle (Halbgruppen) konstruiert, welche aufeinanderfolgende und simultane katalytische Funktionen von Enzymen und von Unternetzwerken erfassen. Diese Funktionen werden genutzt, um eine natürliche Dynamikum sowie hinreichende und notwendige Bedingungen für seine Selbsterhaltung zu formulieren. Anschließend werden die algebraischen Modelle dazu genutzt, um eine Korrespondenz zwischen Halbgruppenkongruenzen und Skalenübergängen auf den Reaktionsnetzwerken herzustellen. Insbesondere wird eine Art von Kongruenzen erörtert, welche dem Ausspuren der globalen Struktur des Netzwerkes unter vollständiger Beibehaltung seiner lokalen Komponenten entspicht. Während klassische Techniken eine bestimmte lokale Komponente fixieren und sämtliche Informationen über ihre Umgebung ausspuren, sind bei dem algebraischen Verfahren alle lokalen Komponenten zugleich sichtbar und eine Verknüpfung von Funktionen aus verschiedenen Komponenten ist problemlos möglich. / The channeling enzyme tryptophan synthase provides a paradigmatic example of a chemical nanomachine with two distinct catalytic subunits. It catalyzes the biosynthesis of tryptophan, whereby the catalytic activity in a subunit is enhanced or inhibited depending on the state of the other subunit, gates control the accessibility of the reactive sites and the intermediate product indole is directly channeled within the protein. The first single-molecule kinetic model of the enzyme is constructed. Simulations reveal strong correlations in the states of the active centers and the emergent synchronization. Thermodynamic data is used to calculate the rate constant for the reverse indole channeling. Using the fully reversible single-molecule model, the stochastic thermodynamics of the enzyme is closely examined. The current methods describing information exchange in bipartite systems are extended to arbitrary Markov networks and applied to the kinetic model. They allow the characterization of the information exchange between the subunits resulting from allosteric cross-regulations and channeling. The final part of this work is focused on chemical reaction networks of metabolites and enzymes. Algebraic semigroup models are constructed based on a formalism that emphasizes the catalytic function of reactants within the network. A correspondence between coarse-graining procedures and semigroup congruences respecting the functional structure is established. A family of congruences that leads to a rather unusual coarse-graining is analyzed: The network is covered with local patches in a way that the local information on the network is fully retained, but the environment of each patch is not resolved. Whereas classical coarse-graining procedures would fix a particular patch and delete information about the environment, the algebraic approach keeps the structure of all local patches and allows the interaction of functions within distinct patches.

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.

Es konnte eine Grundsatzbestätigung des Reaktionsprinzips zur Bildung eines Ni–CO22–-Adduktes durch Deprotonierung eines Ni-Formiat-Komplexes erreicht und die Stöchiometrie dieser Reaktion aufgeklärt werden. Das gebildete Ni–CO22–-Addukt ist ein strukturelles und funktionelles Modell des Ni–CO22–-Adduktes der Ni,Fe-CODH. Durch Isotopenmarkierung und die Untersuchung der Umsetzung mit CO2 konnte außerdem die Beteiligung eines analogen Ni–CO22–-Intermediates in der Reduktion von CO2 an Ni0-Komplexen gezeigt und der Reaktionsmechanismus aufgeklärt werden. Im zweiten Teil wird die quantitative Bildung von CO aus dem Ni–CO22–-Addukt beschrieben. Außerdem konnten die verwandten Na+- und K+-Komplexe dargestellt und Struktur-Reaktivitäts-Beziehungen abgeleitet werden. Durch Einsatz substöchiometrischer Mengen des Gegenions K+ konnte kontrolliert Ni(I)- und CO2•–-Chemie ausgelöst werden. Es kam zur Bildung eines Ni(I)-Formiat- und eines Ni-Oxalat-Komplexes; bei hohen Konzentrationen entstand sogar ein gemischter Ni-Oxalat-Mesoxalat-Komplex. Die Bildung von Mesoxalat (C3O64-) aus einzelnen CO2-Bausteinen war bisher nur postuliert worden. Im dritten Teil wurde ein Ni(II)-Vorläuferkomplex jeweils mit Cobaltocen oder Decamethylcobaltocen reduziert. Es konnten die entsprechenden NiI-Verbindungen mit Cobaltocenium-Gegenionen als Feststoffe charakterisiert werden. Wurden jedoch Lösungen der entsprechenden Verbindungen untersucht, zeigte sich im Falle des Komplexes mit Cobaltoceneinheit, dass ein Redox-Gleichgewicht vorliegt, welches bei Raumtemperatur weit auf der Seite der Ausgangsverbindungen liegt und nicht den Nachweis der charakteristischen spektroskopischen Eigenschaften von Ni(I)-Verbindungen zulässt. Dennoch reagiert die Verbindung aus dem Gleichgewicht heraus mit CO2 und als Produkt wurde ein mononuklearer Ni-Carbonat-Komplex identifiziert. / A confirmation of the reaction principle for the formation of a Ni-CO22- adduct by deprotonation of a Ni formate complex was achieved and the stoichiometry of this reaction was elucidated. The Ni-CO22- adduct formed is a structural and functional model of the Ni-CO22- adduct of Ni,Fe-CODH. Isotopic labelling and investigation of the reaction with CO2 also revealed the involvement of an analogous Ni-CO22- intermediate in the reduction of CO2 on Ni0 complexes and elucidated the reaction mechanism. In the second part, the quantitative formation of CO from the Ni-CO22- adduct is described. Furthermore, the related Na+- and K+-complexes could be obtained and structure-reactivity relationships could be derived. By using sub-stoichiometric amounts of the counterion K+, Ni(I) and CO2-- chemistry could be triggered in a controlled manner. A Ni(I)-formate and a Ni--oxalate complex were formed; at high concentrations even a mixed Ni--oxalate-mesoxalate complex was formed. The formation of mesoxalate (C3O64-) from individual CO2 building blocks had previously only been postulated. In the third part, a Ni(II) precursor complex was reduced with cobaltocene or decamethylcobaltocene, respectively. It was possible to characterise the corresponding NiI compounds with cobaltocenium counterions as solids. When solutions of the corresponding compounds were examined, it was shown in the case of the complex with cobaltocenium unit that a redox equilibrium exists which is far on the side of the parent compounds at room temperature and does not allow the detection of the characteristic spectroscopic properties of Ni(I) compounds. Nevertheless, the compound reacts out of equilibrium with CO2 and a mononuclear Ni-carbonate complex was identified as the product.

In der vorliegenden Arbeit werden unter Verwendung von Hydrotris(pyrazolyl)-boraten (Tp) als tripodale Zuschauerliganden Modellsysteme für unterschiedliche Nicht-Häm-Eisenenzyme entwickelt und untersucht. Dabei steht im ersten Schritt die Syntheseoptimierung und Implementierung der noch nicht für biomimetische Studien verwendeten TpMes und TpMes* Liganden im Vordergrund. Darauffolgend werden geeignete Metall-Chloro-Vorläuferkomplexe [TpMesMCl] synthetisiert. Das Koordinationsverhalten des TpMes*-Liganden gegenüber zweiwertigen Übergangsmetallionen wird systematisch untersucht und eine Reihe von heteroleptischen [TpMes*MCl] und homoleptischen [(TpMes*)2M] Komplexen synthetisiert und charakterisiert. Die Modellverbindungen [TpMesFeCysOEt] und [TpMesFeCysAm], welche Cysteinatethylester und Cysteaminat als Substratliganden tragen, dienen jeweils als strukturelles sowie funktionelles Modell für die Cystein- und die Cysteamindioxygenase. Die Mesitylreste des TpMes-Liganden bilden eine schützende, becherartige Struktur um das Eisenzentrum. Die Reaktionsprodukte können so unter anderem erstmalig kristallografisch charakterisiert werden. Zudem wird ein Intermediat in der Reaktion von [TpMes*FeCysAm] mit O2 beobachtet und eingehend untersucht. Die Eisen(II)komplexe [TpMesFeOBzR], die neben dem Tp-Liganden unterschiedlich substituierte Benzoate tragen, zeigen bemerkenswerte Ähnlichkeit zum Ruhezustand von Lipoxygenasen. Mit tert-Butylhydroperoxid (tBuOOH) können temperaturempfindliche Spezies beobachtet werden, die den mononuklearen [TpMesFe(OOtBu)(OBzR)] Alkylperoxiden zugeordnet werden. Im letzten Teil dieser Arbeit wird [TpMesFeACC] als Modell für die 1-Aminocyclopropansäureoxidase dargestellt. Es ist möglich, reaktive Spezies mit tBuOOH und meta-Chlorperbenzoesäure (mCPBA) zu beobachten. Zudem liefert die elektrochemische in-situ-Aktivierung von Sauerstoff in Folge Hinweise auf (Hydro-)-peroxidkomplexe bei der Reaktion von [TpMesFeACC] mit dem Superoxidradikalanion. / In the present work model systems for different non-heme iron enzymes are developed and investigated with the help of hydrotris(pyrazolyl) borates (Tp) as tripodal spectator ligands. The first part focusses on the optimization of the synthesis and implementation of the TpMes and TpMes* ligands for biomimetic studies. Following this, suitable precursor complexes [TpMesMCl] are prepared. The coordination behavior of the so far rarely used TpMes* ligand towards divalent transition metal ions is systematically investigated and several heteroleptic [TpMes*MCl] and homoleptic [(TpMes*)2M] complexes are synthesized and characterized. The model complexes [TpMesFeCysOEt] and [TpMesFeCysAm], which carry cysteinate ethylester and cysteaminate as substrate ligands, serve as structural and functional models for the cysteine and cysteamine dioxygenase, respectively. The mesityl residues of the TpMes ligand form a protective, cup-like structure around the iron center. The reaction products could be characterized crystallographically for the first time. An intermediate in the reaction of [TpMes*FeCysAm] with O2 is intensively studied. The iron(II) complexes [TpMesFeOBzR], which in addition to the Tp ligand carry substituted benzoates, show remarkable similarities to the resting state of lipoxygenases. With tert-butyl hydroperoxide (tBuOOH) temperature-sensitive species are observed, which are assigned to the mononuclear [TpMesFe(OOtBu)(OBzR)] alkylperoxides. In the last part of this work, [TpMesFeACC] is presented as a model for 1-aminocyclopropan-1-carboxylic acid oxidase. It is possible to observe reactive species with tBuOOH and meta-chloroperbenzoic acid (mCPBA). In addition, the electrochemical in-situ activation of oxygen provides evidence for (hydro-)peroxide complexes in the reaction of [TpMesFeACC] with the superoxide radical anion.