Die Qualitätskontrolle von pharmazeutisch verwendeten Substanzen ist eine Voraussetzung für die sichere Anwendung von Arzneimitteln. Sie ist eng mit der Bestimmung der Verunreinigungen einer Substanz im Rahmen der Reinheitsanalytik verknüpft. Dabei spielt das Europäische Arzneibuch (Ph. Eur.) eine wichtige Rolle. Die in der vorliegenden Arbeit durchgeführten Untersuchungen zur Bestimmung des Verunreinigungsprofils waren auf die Neuerarbeitung oder Überarbeitung der im Ph. Eur. beschriebenen Prüfungen auf „Verwandte Substanzen“ ausgerichtet. Im Rahmen der Neuerarbeitung einer Monographie für Trimebutin und Trimebutin-Maleat wurde eine RP-HPLC-Methode entwickelt. Neben den bekannten Verunreinigungen war ein weiterer Peak nachweisbar, der N-Desmethyltrimebutin zugeordnet wurde. Die Trennung zwischen N-Desmethyltrimebutin und dem Hauptpeak sowie zwischen zwei bekannten Verunreinigungen ist kritisch. Für beide Peakpaare wurden Systemeignungskriterien festgelegt. Zur Definition von Akzeptanzkriterien in den erarbeiteten Monographieentwürfen wurden Chargen untersucht. Die Quantifizierung erfolgte über die „Externer-Standard“-Methode mit einer Verdünnung der Untersuchungslösung als Referenz. Falls erforderlich, wurden die Korrekturfaktoren in die Berechnung des Gehaltes einbezogen. Die DC-Methode zur Prüfung auf „Verwandte Substanzen“ von Adenosin sollte gegen eine HPLC-Methode ausgetauscht werden. In Übereinstimmung mit Ergebnissen des EDQM-Labors haben die Untersuchungen bestätigt, dass mit einer Ionenpaar-HPLC-Methode die Anwesenheit von Inosin, Guanosin, Uridin und Adenin in Adenosin kontrolliert werden kann. Durch die Festlegung einer Auflösung > 1.5 zwischen Adenin und Inosin als Systemeignungskriterium werden nicht geeignete HPLC-Säulen erkannt. Durch die DC-Prüfung des Ph. Eur. können verschiedene Nucleotide nachgewiesen werden. Die vorgeschlagene HPLC-Methode wurde durch Einführung eines Gradienten so geändert, dass Nucleotide, Nucleoside und Adenin gleichzeitig nachgewiesen werden konnten. Die Analyse der Proben bestätigte die Ergebnisse der DC, dass kleine Mengen Adenosin-5’-monophosphat in den Chargen vorhanden waren. Eine CE-Methode zur Reinheitsprüfung von Glutathion wurde entsprechend der Kommentare zum in Pharmeuropa veröffentlichten Monographievorschlag überarbeitet. Die kritischen Trennungen zwischen dem internen Standard und Cystein sowie zwischen L-γ-Glutamyl-L-cystein und dem Hauptpeak, die durch den Systemeignungstest überprüft werden, waren durch den pH-Wert des Trennpuffers kontrollierbar. Glutathion zeigt beispielhaft, dass das Verunreinigungsprofil fermentativ gewonnener Produkte komplex ist und von den Herstellungs- und Aufreinigungsprozessen abhängt. Gleiches gilt für Aminosäuren, die vermehrt biotechnologisch gewonnen werden. In den Aminosäure-Monographien ist zur Reinheitsprüfung eine DC auf „Ninhydrin-positive Substanzen“ vorgeschrieben. Diese Methode ist auf den Nachweis anderer Aminosäuren, die durch unvollständige Abtrennung bei der Extraktion aus Proteinhydrolysaten stammen können, ausgelegt. Die Analyse von Aminosäuren mittels CE nach Derivatisierung mit FMOC-Cl ermöglicht einen sensitiven und selektiven Nachweis anderer Aminosäuren. Durch den Einsatz von CBQCA als Derivatisierungsreagenz können auch Aminozucker und kleine Peptide erfasst werden. Mit beiden Methoden wurde das Verunreinigungsprofil von Histidin, Isoleucin, Phenylalanin und Serin bestimmt. Während in den Phe- und Ser-Proben keine Verunreinigungen erfasst wurden, wurden in den Ile-Proben nach Derivatisierung mit FMOC-Cl andere Aminosäuren gefunden. Alle untersuchten Aminosäuren zeigten nach Derivatisierung mit CBQCA viele Verunreinigungen. Wegen Peaküberlagerungen konnten Aminosäuren mit dem verwendeten Trennpuffer (25 mM Boratpuffer pH 9.20; 25 mM SDS) nicht bestimmt werden. Durch eine Variation des Puffers (20 mM Tetraboratpuffer pH 9.3; 100 mM SDS) war es möglich, die CBQCA-derivatisierten Aminosäuren zu trennen und zuzuordnen. Im Hinblick auf die Anwesenheit anderer Aminosäuren waren die Ergebnisse der beiden Verfahren vergleichbar. Insbesondere wurden in den Ile-, Phe- und Ser-Proben keine basischen Aminosäuren sowie Cystein gefunden. Deren FMOC-Derivate comigrierten mit einem Peak, der nach Strukturaufklärung mittels NMR-Spektroskopie als Nebenprodukt der Derivatisierungsreaktion mit FMOC-Cl identifiziert wurde. Als Verunreinigungen von biotechnologisch hergestellten Aminosäuren kommen organische Säuren in Frage. Durch eine RP-HPLC unter Zusatz von Heptafluorbuttersäure als Ionenpaarreagenz wurden Aminosäuren und organische Säuren getrennt. Die Detektion erfolgte mittels ELSD. Nach dem Hauptpeak wurden Störsignale detektiert, weshalb sich die Anwendung der Methode zur Reinheitsprüfung als schwierig herausstellte. Die durchgeführten Experimente deuten darauf hin, dass der ELSD mit der großen Substanzmenge überlastet ist und es zur Verschleppung von Substanz kommt. / The quality control of active pharmaceutical ingredients is a prerequisite for the safe use of drug products and is intimately connected with the determination of the impurity profile of the substances. The European Pharmacopoeia (Ph. Eur.) is a key instrument for purity control. Within this work, impurity profiling was aimed at elaboration or revision of the tests for “Related substances” described in the Ph. Eur. For purity control of trimebutine and trimebutine maleate an RP-HPLC method was developed. Beside the known impurities, an additional peak could be detected being due to desmethyl trimebutine. Critical parameters of the method were the separation between desmethyl trimebutine and the main peak as well as the separation between two known impurities. Both should be controlled for system suitability testing. Acceptance criteria described in the draft monograph take account of batch testing. Contents of impurities were calculated by means of external standard method using a dilution of test solution as reference. If necessary the correction factors were used. It was proposed to replace the thin layer chromatography for determination of related substances of adenosine by a HPLC method. In accordance with results of the EDQM laboratory within this work it was confirmed that an ionpair-RP-method was suitable for the determination of inosine, guanosine, uridine and adenine in adenosine samples. A resolution of not less than 1.5 between the adenine and inosine peaks is a measure for adequate performance of the chromatographic system. Nucleotides can be determined by means of the TLC method described in the Ph. Eur. monograph for adenosine. The proposed ionpair-HPLC-method was found to be not suitable for determination of nucleotides. However, using modified chromatographic conditions and gradient elution the detection of nucleotides, nucleosides and adenine was possible. The analysis of adenosine batches confirmed the presence of small amounts of adenosine-5’-monophosphate which is in accordance with TLC results. A CE method can be used for impurity profiling of glutathione. The draft monograph for glutathione published in Pharmeuropa was revised with reference to the given comments. The separations between the internal standard and cysteine as well as L-γ-glutamyl-L-cysteine and the main peak are checked by means of the system suitability tests. Both separations could be controlled by the pH of the electrolyte solution. Glutathione is indicative of the complex impurity profile of fermentatively produced substances, which is particularly dependent on the manufacturing and purification process. Amino acids should be regarded in a similar way. Nowadays, biotechnological processes dominate the industrial production. Monographs in the Ph. Eur. are mainly adapted to amino acids obtained from extraction since the described TLC method for “ninhydrin-positive substances” limits the presence of other amino acids as impurities. Derivatisation with FMOC-Cl in combination with CE is sensitive and selective for determination of other amino acids. In order to broaden the spectrum of detectable impurities towards amino sugars and low molecular peptides derivatisation with CBQCA can be used. Both methods were applied to impurity profiling of histidine, isoleucine, phenylalanine and serine. Amino acids as impurities were only found in Ile batches, but not in Phe and Ser batches. However, analysis of CBQCA labelled samples revealed a number of peaks. Using the standard separation buffer (25 mM borate buffer pH 9.20; 25 mM SDS) the assignment of amino acids was difficult because of comigration. But varying the buffer (20 mM tetraborate buffer pH 9.3; 100 mM SDS) could improve the separation of amino acids and, at the same time, the possibility of assignment. Considering the presence of other amino acids, results of both methods were well comparable. Particularly, Ile, Phe and Ser batches did not contain basic amino acids as well as cysteine. Their FMOC derivatives overlapped with a peak, which was identified by means of NMR spectroscopy to be a by-product of the derivatisation reaction with FMOC-Cl. Nevertheless, putative impurities of biotechnologically produced amino acids include carboxylic acids. For simultaneous detection of amino acids and organic acids a RP-HPLC method using heptafluorobutyric acid as ion-pair in combination with ELSD was developed. However, the application of the method for purity control was not successful because of peaks, which appeared after the main peak disturbing the detection of the putative impurities. Regarding the performed experiments the problem seems to be located in the ELSD. Probably because of the huge amount of substance the detector is overloaded resulting in a carryover of the substance.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Funktionalisierung von Titanoberflächen mit dem Glycosaminoglycan Heparin, um bei Kontakt des Werkstoffs mit Blut die Gerinnungskaskade nicht auszulösen und das Material für Stents (Gefäßstützen) im arteriellen System einsetzbar zu machen. Für die Modifizierungen wurden als Modell der oxidierten Titanoberfläche sowohl oxidierte cp-Titanplättchen als auch TiO2-Pulver verwendet. Heparin kam zum Einsatz, da es sowohl die Hämostase (Blutgerinnung) als auch die Proliferation (Überwucherung) mit glatten Muskelzellen unterdrückt und somit eine Restenose (Wiederverengung) des in die verengte Arterie eingebrachten Stents verhindert. Die kovalente Immobilisierung des Wirkstoffs erfolgte über bifunktionale Spacer (Haftvermittlermoleküle). Spacer waren 3-(Trimethoxysilyl)-propylamin (APMS), N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilan (Diamino-APMS) und N1-[3-(Trimethoxysilyl)-propyl]diethylen¬triamin (Triamino-APMS). Der qualitative und quantitative Nachweis der Funktionalisierung von TiO2 mit Haftvermittler bzw. Heparin erfolgte durch schwingungsspektroskopische Methoden, komplexometrische Farbreaktionen sowie der Bestimmung des Zetapotentials im Elektrolytkontakt. Durch die Anbindung von APMS, Di- und Triamino-APMS stieg das Zetapotential von ca. -26 mV auf positive Werte zwischen +41 und +45 mV. Ein Absinken des Zetapotentials belegte die erfolgreiche Anbindung von Heparin (Werte zwischen -39 und -37 mV) an die verschiedenen Haftvermittler, ebenso wie das Vorhandensein der symmetrischen SO3-Valenzschwingung bei 1040 cm-1. Der quantitative Nachweis der immobilisierten Aminogruppen über die Ninhydrinreaktion ergab für die TiO2-Pulver Werte zwischen 17-20 NH2/nm2, wobei die dichteste Funktionalisierung mit APMS und die niedrigste mit Triamino-APMS erzielt werden konnte. Alle Werte lagen im Bereich von Multilayern, da ein Monolayer aus ca. 2 3 NH2/nm2 besteht. Die immobilisierte Menge an Heparin war bei Verwendung von APMS am größten (53.3±3.6 ng/cm2) und bei Triamino-APMS am geringsten (32.1±5.7 ng/cm2). Die biologische Wirksamkeit des gebundenen Heparins wurde über das chromogene Substrat ChromozymTH® bestimmt und verblieb bei Anbindung an den Spacer mit der größten Moleküllänge (Triamino-APMS) mit ca. 70% am wirksamsten. Neben der kovalenten Anbindung des Wirkstoffs an Spacer zielte diese Arbeit auf die Entwicklung von organisch modifizierten, porösen SiO2-Wirkstoffdepots (P-MA-PS; Poly-methacryl¬oxy¬propylpolysilsesquioxane) für Heparin ab, die sowohl als Volumenwerkstoffe als auch zur Modifikation von Titan(dioxid)oberflächen anwendbar wären. Die Matrices wurden ausgehend von MAS (Methacryl¬oxypropyl¬trimethoxysilan) über den Sol-Gel Prozeß anorganisch und anschließend über photochemische Polymerisation zusätzlich organisch vernetzt. Die Quantifizierung des Polymerisationsgrads erfolgte über die Signalintensität der methacrylischen C=C-Doppelbindung bei 1635 cm-1 durch Integration einer Gauß-Funktion. Über den Polymerisationsgrad der organischen Matrix zwischen 0-71% konnte die Freisetzungskinetik von Heparin je nach therapeutischer Anforderung eingestellt werden. Es konnte gezeigt werden, daß hohe Wirkstoff-Beladungen und niedrige Polymerisationsgrade mit einer schnelleren Freisetzung des Heparins korrelierten, die aufgrund der Endlichkeit des Wirkstoffs im Depot einer Kinetik 1. Ordnung unterlag. Die kumulativ freigesetzten Wirkstoffmengen verhielten sich hierbei proportional zur Wurzel aus der Freisetzungszeit, was dem Higuchi-Modell zur Wirkstofffreisetzung aus porösen Matrices mit einem rein Diffusions-kontrollierten Mechanismus entsprach. Die durch Hydrolyse bedingte Degradation der anorganischen Matrix, die UV-VIS-spektroskopisch bei &#955; = 220 nm gemessen wurde, folgte einer Kinetik pseudo-0. Ordnung. Da das freigesetzte Heparin seine biologische Wirksamkeit beibehielt, sind P-MA-PS Matrices interessant für klinische Anwendungen, wie z.B. für die Beschichtung von Gefäßstützen, die im Blutkontakt stehen. / Aim of this work was the functionalization of titanium surfaces with the glycosaminoglycane heparin to improve the surface hemocompatibility for an application in the field of coronary stenting. Surface modification was performed using both TiO2 powder and titanium sheets as substrates imitating the (oxidized) surface of titanium implants. The substrates were modified with heparin to prevent side effects like blood coagulation and neointimal proliferation after implantation, which can both lead to restenosis of the acute artery closure. Surfaces can be modified either by covalent bonding of the drug to the metal by a silane spacer or by embedding the active agent into a polymer matrix for the controlled release over a certain period of time. Covalent attachment of heparin to titanium metal and TiO2 powder was carried out using the coupling agents 3-(Trimethoxysilyl)-propylamine (APMS), N-[3-(Trimethoxysilyl)-propyl]-ethylenediamine (Diamino-APMS) and N1-[3-(Trimethoxysilyl)-propyl]-diethylenetriamine (Triamino-APMS). Additionally, the influence of primary accomplished TiO2 films on the density of surface bound spacer was determined. Therefore, polished titanium substrates were covered with thin (< 2 µm) TiO2 layers by means of thermal/anodic oxidation, physical vapor deposition (PVD) or the sol-gel process and were then modified with the different spacer molecules, respectively. Aim was a correlation between the composition/topography of the TiO2 layers and the amount of bound spacer molecules. At this, two tendencies could be observed. Firstly, the density of surface bound spacer was generally highest for APMS (115-212 nmol/cm2) and lowest for Triamino-APMS (102-176 nmol/cm2), which was due to that smaller molecules underlie less intermolecular sterical hindrance onto surfaces. And secondly, on TiO2 surfaces with a higher roughness and therewith a higher specific surface area more spacer molecules could be immobilized (in the sequence: PVD > heat treated > anodized > sol-gel). The amount of surface bound coupling agent and heparin was quantified photometrically by the ninhydrin reaction and the toluidine-blue test. The biological potency of heparin was determined photometrically by the chromogenic substrate Chromozym TH and fibrinogen adsorption on the modified surfaces was investigated using the QCM-D (Quartz Crystal Microbalance with Dissipation Monitoring) technique. Zeta-potential measurements confirmed the successful coupling reaction; the zeta-potential of the unmodified anatase surface (approx. -26 mV) shifted into the positive range (> +40 mV) after silanisation. Binding of heparin resulted in a strongly negatively charged surface with zeta-potentials of approx. 39 mV. The successful heparinization could also be followed using RAMAN-spectroscopy by the occurrence of the peak at 1040 cm-1 (S=O vibration) caused by the drug. The amount of covalently attached primary amino groups on TiO2 powder was the highest for APMS (20 NH2/nm2) and decreased for Di- and Triamino-APMS (19 & 17 NH2/nm2). The hereby accomplished aminosilane layers were all in the range of multilayers since a monolayer is approx. 2 3 NH2/nm2. On the APMS spacer, the greatest amount of 53.3±3.6 ng/cm2 heparin was immobilized compared to Di- and Triamino-APMS (41.2±6.9 & 32.1±5.7 ng/cm2). The retaining biological activity of heparin was found to be the highest (70%) for the covalent attachment with Triamino-APMS as coupling agent due to the long chain of this spacer molecule and therefore the highest mobility of the drug. Moreover, this work aimed to investigate the use of an organically modified porous silica matrix (Poly(methacryloxypropyl)-poly(silsesquioxane); P-MA-PS) as a release system for heparin. The matrices were obtained from the precursor methacryloxypropyltrimethoxysilane (MAS) via the sol-gel process under acidic conditions following photochemical polymerization and cross-linking of the organic matrix. Modulation of the polymerization degree of the organic matrix in the range 0-71% allowed to adjust the release kinetics of heparin according to therapeutic needs. It was demonstrated that higher drug loads and a decreasing polymerization degree resulted in a faster release profile of heparin, which followed a square root of time kinetic according to the Higuchi model. The hydrolytic degradation of the xerogel was found to follow a zero-order kinetic whereas the heparin concentration did not show an influence on the degradation rate of the anorganic matrix. Since the released heparin retained its biological activity, P-MA-PS matrices may be interesting for clinical application, for instance as coating on drug eluting coronary stents.

Die Natur entwickelte im Laufe der Evolution eine unvorstellbare Vielfalt an unterschiedlichsten Lebewesen. Viele diese Organismen besitzen die Fähigkeit, biologisch aktive Sekundärstoffe zu produzieren, die ihnen im täglichen Überlebenskampf einen Vorteil gegenüber ihren Konkurrenten bieten. Die Effizienz, mit der solche Naturstoffe in lebenden Organismen biosynthetisch dargestellt werden, wurde von der organisch-chemischen Synthese bislang nicht annähernd erreicht. Die Untersuchung von Biosynthese-Routen verspricht daher nicht nur die Entdeckung wissenschaftlich interessanter Phänomene, sondern bietet zudem die Chance, von der Natur zu lernen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen dabei deutlich, dass sowohl die genaue Analyse des Aufbaus bereits lange bekannter Metabolite, wie z.B. des Furanonaphthochinons I (FNQ I) oder des Chrysophanols, als auch die Untersuchung der Biosynthese strukturell neuartiger Sekundärstoffe, wie etwa des Sorbicillactons A, von großem Interesse sein können. Die gewonnenen Informationen können dann zur optimierten biotechnologischen oder synthetischen Produktion viel versprechender bioaktiver Substanzen genutzt werden. Auch die Gewinnung neuer Substanzen aus der Natur, z.B. als Leitstrukturen für die Pharma-Forschung, ist ein lohnendes Ziel. Eine stete Verbesserung der Methoden zur Charakterisierung von Naturstoffen, z.B. unter Anwendung von Online-Analyse-Verfahren, hilft dabei, die gezielte Entdeckung noch unbekannter Metabolite schneller und einfacher zu gestalten. Für die Aufklärung der Konstitution von Substanzen nützlich ist hier vor allem die Kopplung von HPLC mit NMR und MS, wie beispielsweise im Rahmen der Identifizierung von Secohyperforin und neuer mariner Macrolactame gezeigt. Die Kombination von HPLC mit CD bietet zudem die Chance zur effizienten Aufklärung der absoluten Stereostruktur chiraler Verbindungen direkt am Peak im Chromatogramm. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Isolierung, die biosynthetische und strukturelle Charakterisierung sowie die Produktion bioaktiver Sekundärstoffe unter Anwendung und Weiterentwicklung unterschiedlichster Konzepte und Methoden der Naturstoffchemie. Die vielfältigen Ergebnisse sind das Resultat von interdisziplinären Kooperationen innerhalb des SPP 1152 (DFG Schwerpunktprojekts 'Evolution metabolischer Diversität') und des vom BMBF geförderten Exzellenzzentrums BIOTECmarin ('Nachhaltige Nutzung mariner Schwämme'). / In the course of evolution nature has developed an unimaginable abundance of most diverse creatures. Most of these organisms produce biologically active secondary metabolites, which give them advantages over their competitors in their daily fight for survival. The efficiency of the biosynthesis of such natural products in living organisms has by far not been reached by organic-chemical synthesis. The investigation of biosynthetic routes therefore does not only promise to discover academically interesting phenomena, but additionally provides the chance to learn from nature. The results of the work presented here clearly show that both, the analysis of pathways to long-known metabolites, like, e.g., furanonaphthoquinone I (FNQ I) or chrysophanol, as well as investigations on the biosynthesis of structurally unprecedented, novel secondary metabolites, like, e.g., sorbicillactone A, can be of particular interest. The information thus obtained can then be utilized for an optimized biotechnological or synthetic production of promising biologically active compounds. The extraction of novel substances from natural sources, e.g., as lead structures for pharmaceutical research, is likewise a rewarding goal. The continuous improvement of methods for the characterization of natural products, e.g., by application of online analytical methods, helps to accelerate and to simplify the directed discovery of as yet unknown metabolites. To elucidate the constitutions of compounds, the hyphenation of HPLC with NMR and MS is of particular value, as it becomes obvious from the identification of secohyperforin and of new marine macrolactams. The combination of HPLC and CD additionally offers the possibility to elucidate full absolute stereostructures of chiral compounds directly from the peak in the chromatogram. The aim of the present work was the isolation, characterization, and production of secondary metabolites by applying und further developing diverse concepts and methods of natural products chemistry. The versatile findings are the result of interdisciplinary cooperations within the SPP 1152 (DFG priority programme 'Evolution of Metabolic Diversity') and the BMBF-funded center of excellence BIOTECmarin ('Sustainable Use of Marine Sponges').

Siliciumhaltige Analoga von Loperamid und Penfluridol wurden hergestellt, Versuche zu einer alternativen Synthese von Sila-Haloperidol wurden unternommen. Siliciumhaltige Sigma-Liganden des 1,4´-Silaspiro[tetralin-1,4´-piperidin]-Typs wurden hergestellt und kristallographisch sowie pharmakologisch mit ihren Kohlenstoff-Analoga verglichen. / Silicon-containing analogs of loperamide and penfluridol were synthesized, an alternative synthesis of sila-haloperidol was tried. Silicon-containing sigma ligands of the 1,4´-silaspiro[tetralin-1,4´-piperidinium] type were synthesized and their x-ray structures as well as their pharmacological properties were compared with their respective carbon analogs.

Es wurde untersucht, welchen Einfluss verschiedene hochdisperse Fließregulierungsmittel, wie sie bisher in der pharmazeutischen Technologie aber auch in der Lebensmittel- und Futtermittelindustrie eingesetzt werden, auf einige ausgewählte kohäsive Schüttgüter ausüben. Dazu wurden binäre Mischungen mit variierender Konzentration an Fließregulierungsmittel und Schüttgut hergestellt und in einem Freifallmischer gemischt. Als Fließverbesserer kamen verschiedene hochdisperse Kieselsäuren, darunter eine pyrogene Kieselsäure vom Typ AEROSIL® (Evonik Degussa GmbH) und mehrere Fällungskieselsäuren vom Typ SIPERNAT® (Evonik Degussa GmbH), zum Einsatz. Maisstärke, Kartoffelstärke und Hoechst Wachs C Micropulver® dienten als kohäsive Modellsubstanzen. Für den fließregulierenden Effekt spielt die gewählte Mischdauer eine entscheidende Rolle. Denn während des Mischvorgangs werden die ehemals Mikrometer bis Millimeter großen Fließregulierungsmittelagglomerate sukzessive zerkleinert, bis sie nanoskalige Rauigkeiten auf der Schüttgutoberfläche erzeugen. Je nach gewählter Mischdauer ergeben sich somit differierende Belegungsgrade der Trägerpartikeloberfläche. Die adsorbierten Oberflächenrauigkeiten bewirken eine Vergrößerung des Haftabstands zwischen den Pulverpartikeln und eine Verkleinerung der Kontaktfläche. Dadurch reduzieren sie die interpartikulären Anziehungskräfte, die vor allem durch van-der-Waals-Kräfte verursacht werden, und verbessern somit die Fließeigenschaften des Schüttgutes. Die interpartikulären Haftkräfte der binären Mischungen wurden mit Hilfe eines Zugspannungstesters gemessen. Die Größe und Anzahl der Kieselsäureadsorbate auf der Schüttgutoberfläche wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie und anschließender bildanalytischer Auswertung (KS 300©, Carl Zeiss) bestimmt. Es konnten Unterschiede im fließregulierenden Potential der einzelnen Kieselsäuren aufgezeigt werden, die sich durch deren individuelle Tendenz zur Fragmentierung erklären lassen. Unabhängig davon, ob Mais- oder Kartoffelstärke verwendet wurde, und welche Untersuchungsmethode den Messungen zugrunde lag, wiesen die getesteten Fließregulierungsmittel eine gleich bleibende Rangfolge ihres fließverbessernden Potentials auf. Es konnte somit gezeigt werden, dass Fällungskieselsäuren sich in gleicher Weise als Fließregulierungsmittel eignen wie die bereits breit eingesetzten pyrogenen Kieselsäuren. Jedoch müssen die Agglomerate der gewählten Silica leicht und schnell zerkleinerbar sein. Dies trifft in besonderer Weise für vermahlene Produkte zu, da deren Agglomeratgefüge lockerer sind als bei unvermahlenen Substanzen. Solche Fließregulierungsmittel, die eine große spezifische Oberfläche aufweisen, das bedeutet über eine kleine Primärpartikelgröße verfügen, besitzen eine besonders feste Agglomeratstruktur, die sich beim Mischen nur schwer zerkleinern lässt. Diese Kieselsäuren sind deshalb zur Fließregulierung nur wenig geeignet. Weiterhin sind hydrophobe Kieselsäuren den hydrophilen überlegen, wenn es darum geht, die Fließeigenschaften der Pulver zu verbessern. Das Fehlen zusätzlicher Wasserstoffbrückenbindungen wird hier für die hervorragende fließverbessernde Potenz der hydrophoben Materialien verantwortlich gemacht. Spielt jedoch das Wasseraufnahmevermögen der Silica eine Rolle, so ist es von Vorteil eine hydrophile Kieselsäure einzusetzen. Hierbei übertreffen die Fällungskieselsäuren die pyrogenen Kieselsäuren sogar in der Absorptionsfähigkeit. Die Erkenntnisse stellen einen Fortschritt für die Charakterisierung der verschiedenen Silica-Typen dar. Besonders, da der Kieselsäuretyp SIPERNAT® im Vergleich zum Typ AEROSIL® noch wenig erforscht und etabliert ist. Nachteilig für die Verwendung im Pharmabereich ist allerdings die im Vergleich zu den pyrogenen Kieselsäuren niedrigere chemische Reinheit. Die Auswahl beschränkt sich hier ausschließlich auf Produkte, die über einen hohen SiO2-Gehalt verfügen und somit den Anforderungen der Ph. Eur. genügen. Die getesteten Substanzen bleiben daher vorerst interessanter für den lebensmittel- oder futtermitteltechnologischen Bereich. / This study set out to investigate by experimentation the influence of the addition of various types of high dispersive flow regulators, used in pharmaceutical technology and the food and feed sector, to some selected cohesive bulk powders. For this purpose, binary mixtures consisting of various concentrations of the flow additive and the bulk solid were prepared in a free fall mixer. Different kinds of high dispersive silica including an AEROSIL® fumed silica (Evonik Degussa GmbH) and various SIPERNAT® precipitated silicas (Evonik Degussa GmbH) were applied as flow additives. Corn starch, potato starch and Hoechst Wachs C Micropulver® represented the cohesive test materials. For the flow enhancing effect, the selected blending time plays a decisive role, as during the blending process, former large silica agglomerates were successively diminished until they form nanosized roughnesses on the host particle surface. The grade of surface coverage differs according to the duration of the blending process. The adsorbed surface roughness lead to an increase in particle distance and reduced the contact area. Thus, surface roughness diminishes the inter-particle forces which are determined mainly by the van-der-Waals-forces and improve the flow properties of the powder. The inter-particle forces were classified by a tensile strength tester and the size and the number of adsorbates were determined by scanning electron microscopy followed by the use of an image analyzing program (KS 300©, Carl Zeiss). Differences in the flow enhancing potency were shown, which can be explained by the individual tendency of each silica to form smaller fragments. Independent of which bulk solid was used - corn starch or potato starch - and the test method applied, the flow additives showed a consistent rank order of their flow regulating potency. It was demonstrated that precipitated silicas can be as suitable when used as flow regulators as fumed silicas are. An adequate fragmentation tendency must be a precondition for the use as a force reducer, implying that the silica must form small aggregates in a short period of time. Particularly fine ground silicas are composed of agglomerates which can easily be destroyed. It was shown very impressively that those silicas with a high specific surface consist of smaller primary particles which form stronger agglomerates. These types do not represent adequate flow conditioners. Hydrophobic silicas are superior force reducers compared to hydrophilic ones. The lack of additional hydrogen bonds seems to be the reason for the better flow regulating effect of the hydrophobic materials. However, if water adsorbing capacity is of importance, hydrophilic silicas are more suitable. In this case, the precipitated silicas even outperform the fumed silicas. This study has made progress in the characterization of different silica types in order that the various possible applications of each type may become clearer, particularly, as the SIPERNAT®-type is not currently as well established as the AEROSIL®-type. A disadvantage of precipitated silicas in comparison to fumed silicas is their lower chemical purity. Only those products which offer a high SiO2-content conform to Ph. Eur.. It is for this reason that these materials are more suitable for use in the food and feed industry than in the pharmaceutical sector.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Silaanaloga bereits bekannter organischer Riechstoffe und deren Derivate synthetisiert und auf ihre olfaktorischen Eigenschaften untersucht. Die erhaltenen Riechstoffe zählen zur Klasse der polycyclischen moschusartigen Riechstoffe bzw. zu den acyclischen holzig-ambraartigen Riechstoffen Des weiteren wurden penta- und hexakoordinierte Silicium-Komplexe dargestellt und strukturell charakterisiert, die unter anderem Silicium-Iod-, Silicium-Selen- und Silicium-Tellur-Bindungen aufweisen. Durch NMR-Untersuchungen im Festkörper und in Lösung konnten Erkenntnisse über die dynamische Umlagerung dieser Komplexe gewonnen werden. / In the course of this dissertation sila analogues of known organic odorants and their derivatives were synthesized and studied for their olfactory properties. The obtained odorants belong to the group of polycyclic musk odorants and acyclic woody-ambery odorants, respectively. Furthermore, penta- and hexacoordinate silicon complexes were synthesized and structurally characterized, amongst them were compounds with Si-I, Si-Se, and Si-Te bonds. NMR studies in the solid state and in solution gave information about the dynamic rearrangement of these complexes.

In Fortführung der bisher in dieser Forschungsgruppe durchgeführten Studien mit (2,4,6-Trimethoxyphenyl)silanen wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit weitere Untersuchungen zu den Schutzgruppen-Eigenschaften der Si-(2,4,6-Trimethoxyphenyl)-Gruppe angestellt und anschließend die hierbei gewonnenen Erkenntnisse verwendet, um Sila-Analoga bereits bekannter biologisch aktiver Verbindungen über neue Synthesewege mit (2,4,6-Trimethoxyphenyl)silanen darzustellen. Des Weiteren wurden im Rahmen der Untersuchungen zur C/Si-Bioisosterie die pharmakologischen Eigenschaften dieser bereits auf anderem Weg synthetisierten Wirkstoffe in Kooperation mit anderen Forschungsgruppen vervollständigt. Darüber hinaus wurden auch die Arbeiten zum Thema „(2,4,6-Trimethoxyphenyl)silane als Silylierungsreagenzien für O-Nucleophile“ weitergeführt. / The properties of the Si-(2,4,6-trimethoxyphenyl) group as a protecting group for silicon were further investigated as part of a continuation of the research done in this work group concerning (2,4,6-trimethoxyphenyl)silanes. The information obtained in these studies was then applied to the syntheses of silicon analogues of known carbon-based biologically active compounds by proceeding with synthetic strategies using (2,4,6-trimethoxyphenyl)silanes. Furthermore, the pharmacological properties of the synthesized compounds were investigated in cooperation with other research groups as part of studies concerning C/Si-bioisosterism. The properties of (2,4,6-trimethoxyphenyl)silanes as silylation agents for O-nucleophiles were additionally investigated as part of a related project.

This work encompasses three parts. The first part provides a concise review of the most prominent metaheuristic concepts currently available and gives essential preliminaries together with definition of the combinatorial optimization problems. It substantiates the choice of the investigation direction and basis idea of the developed methods. In the second part the new nonlinear global optimization routines based on the TS strategy are described. The new approaches are the Gradient Tabu Search (GTS), the Gradient Only Tabu Search (GOTS), and the Tabu Search with Powell’s Algorithm (TSPA). In the last part of the work the GOTS is applied for such chemical optimization problems. The chapter provides a systematic approach how the variables are chosen and the adjustable parameters are set. As test cases the global minimum energy conformation of some amino acids, of two angiotensin converting enzyme (ACE) inhibitors, of 2-acetoxy-N,N,N-trimethylethanaminium, and of a HIV-1 protease inhibitor is determined. / Die Arbeit umfasst drei Kapitel. Das erste Kapitel stellt eine kurze Zusammenfassung über die bekanntesten, zurzeit verwendeten Metaheuristischen-Konzepte dar und gibt notwendige Einleitungen zusammen mit der Definition der kombinatorischen Optimierungsprobleme. Das Kapitel begründet die Wahl des Tabu-Ansatzes und diskutiert die Basisideen der entwickelten Methoden. Im zweiten Kapitel werden die neuen entwickelten, nichtlinearen Optimierungsroutinen beschrieben, die auf Tabu-Suchstrategien beruhen. Die neuen Algorithmen sind Gradient Tabu Search (GTS), Gradient Only Tabu Search (GOTS) und Tabu Search with Powell’s Algorithm (TSPA). Das letzte Kapitel der Arbeit beschreibt die Anwendung der GOTS Methode auf dieses Problem. Diskutiert werden die Auswahl der Variablen und die Einstellung der justierbaren Parameter. Die Effizienz der GOTS Methode wird an Hand einiger Aminosäuren, zwei Angiotensin-Derivaten (ACE-Hemmer), des Acetylcholin und eines HIV-1-Protease-Hemmstoff gezeigt.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Umfang der gastrointestinalen Absorption und Metabolisierung von mit der Nahrung aufgenommenen Polyphenolen in vivo zu ermitteln. Darüber hinaus sollte deren systemische Verfügbarkeit anhand von humanen Serum- und Urinproben bestimmt werden. Lebensmittel der Wahl war dabei Apfelsaft. Die Identifizierung und Strukturaufklärung der Polyphenole und ihrer Metabolite erfolgte mittels Hochleistungsflüssigchromatographie-Diodenarray-Detektion (HPLC-DAD), HPLC-Elektrospray-Tandemmassenspektrometrie (HPLC-ESI-MS/MS) sowie Kapillargaschromatographie-Massenspektrometrie (HRGC-MS). Quantitative Analysen wurden mittels HPLC-DAD durchgeführt; für die Bestimmung der Polyphenolgehalte in Urinproben sowie von D-(-)-Chinasäure wurde die HPLC-ESI-MS/MS im Single Reaction Monitoring (SRM) Modus eingesetzt. Zur Etablierung der Polyphenolanalytik und zur Auswahl eines für die Studien geeigneten Saftes wurden die Polyphenolprofile verschiedener Presssäfte aus Most- und Tafeläpfeln sowie kommerziell erhältlicher Apfelsäfte ausgewertet. Für die Säfte aus Tafeläpfeln wurden Polyphenolmengen zwischen 154 und 178 mg/L bestimmt, wohingegen die Säfte aus Mostäpfeln Gehalte zwischen 261 und 970 mg/L aufwiesen. Bei den Säften des Handels wiesen die naturtrüben Apfelsäfte mit 182 bis 459 mg/L höhere Polyphenolgehalte auf als die klaren Produkte (120 - 173 mg/L). Bei oraler Aufnahme kommen die Polyphenole zuerst mit Speichel in Kontakt. Umsetzungen mit zentrifugiertem Speichel führten zu keiner Modifikation der Substanzen. In Gegenwart von nativem Speichel wurden für die ß-glycosidisch gebundenen Flavonoidglycoside hydrolytische Abbaureaktionen in Abhängigkeit der Struktur ihres Zuckerrestes beobachtet. Nach Antibiotikumzugabe wurden deutlich geringere Abbauraten ermittelt. Die Hydrolyse erfolgt demnach hauptsächlich durch Enzyme der bakteriellen Mundflora. Im Weiteren gelangen die Polyphenole über die Speiseröhre in den stark sauren Magen. Zur Überprüfung ihrer Stabilität wurden die Apfelpolyphenole mit künstlichem Magensaft (pH 1,81) über vier Stunden inkubiert. Einzig für Procyanidin B2 wurde ein nahezu vollständiger Abbau nachgewiesen. Nach Passage des Magens erreichen die Polyphenole das neutrale bis leicht alkalische Duodenum. Die Inkubation erfolgte mit simuliertem Duodenalsekret (pH 7,2) über einen Zeitraum von 24 Stunden. Für 5-Kaffeoylchinasäure wurde eine 37%ige Abnahme beobachtet. Dabei wurden 3- und 4-Kaffeolychinasäure, Kaffeesäure, D-(-)-Chinasäure sowie Kaffeesäuremethylester generiert. Vergleichbare Ergebnisse wurden bei der Inkubation von 4-p-Cumaroylchinasäure erhalten. Kaffeesäure unterlag einer 26,3%igen Umsetzung zu Ferulasäure, Dihydrokaffeesäure und Kaffeesäuremethylester. Bei den monomeren Flavan-3-olen wurden mittels HPLC-Analytik an chiraler Phase Epimerisierungen nachgewiesen. Procyanidin B2 war nach vier Stunden nur noch in Spuren erfassbar. Quercetin wurde vollständig in Phloroglucin, 3,4-Dihydroxybenzoesäure und 2,4,6-Trihydroxybenzoesäure gespalten. Um die Verfügbarkeit der Polyphenole im Dickdarm zu untersuchen, wurde eine Interventionsstudie mit naturtrübem Apfelsaft bei Probanden mit einem Stoma des terminalen Ileums durchgeführt. Nach oraler Aufnahme von einem Liter Saft wurde der Ileostomaausfluss über einen Zeitraum von acht Stunden gesammelt. In den Ileostomabeuteln wurden zwischen Null und 33,1% der einzelnen aus dem Apfelsaft aufgenommenen phenolischen Substanzen wiedergefunden. Der ausgeschiedene Anteil der Flavonoidglycoside war dabei abhängig von der Struktur des jeweiligen Zuckerrestes. Als Metabolite waren D-(-)-Chinasäure, 1- und 3-Kaffeoylchinasäure, Phloretin und dessen 2´-O-Glucuronid sowie die Methylester der Kaffee- und p-Cumarsäure nachweisbar. Für die höhermolekularen Procyanidine wurden Wiederfindungen von 90,3% sowie deren partieller Abbau ermittelt. Die systemische Verfügbarkeit der Polyphenole sowie ihre renale Ausscheidung wurden in zwei weiteren Humanstudien mit gesunden Probanden untersucht. Nach Konsum von einem Liter naturtrüben Apfelsaft erfolgten Blutabnahmen über einen Zeitraum von acht Stunden; Urin wurde über einen Zeitraum von 24 Stunden untersucht. Die Bilanzierung der Apfelpolyphenole erfolgte sowohl vor als auch nach enzymatischer Hydrolyse. Kaffeesäure, 5-Kaffeoylchinasäure, 4-p-Cumaroylchinasäure, (-)-Epicatechin, Phloretin und Quercetin waren sowohl im Serum als auch im Urin detektierbar. Insgesamt wurden 5,3% (Serum) bzw. 23% (Urin) der mit dem Saft aufgenommenen phenolischen Verbindungen wiedergefunden. Davon waren im Urin 19,5% in Form hydroxylierter phenolischer Säuren nachweisbar. / The objective of the present work was to determine the amount of gastrointestinal absorption and metabolism of polyphenols after food consumption in vivo. Furthermore, their systemic availability should be determined by serum and urine samples.. The food under study was apple juice. Identification and structural elucidation of polyphenols and their metabolites were performed by high-performance liquid chromatography diode-array detection (HPLC-DAD), HPLC electrospray ionization tandem mass spectrometry (HPLC-ESI-MS/MS) as well as high-resolution gas chromatography mass spectrometry (HRGC-MS). Quantitative analyses were performed by HPLC-DAD; for the quantitation of polyphenol contents in the urine samples under study as well as the D-(-)-quinic acid, HPLC-ESI-MS/MS in the single reaction monitoring (SRM) mode was used. For the establishment of polyphenol analysis and for the selection of a suitable juice for the studies, the polyphenol profiles of different pressed juices of cider and dessert apples as well as commercially available apple juices were analysed first of all. For the juices from dessert apples polyphenol amounts ranged between 154 and 178 mg/l, whereas the juices from cider apples showed contents between 261 and 970 mg/l. Among commercially available juices, with 182 to 459 mg/l cloudy apple juices showed higher contents than the clear products (120 - 173 mg/l). By oral consumption, polyphenols come first into contact with saliva. Conversions with centrifuged saliva led to no modification of the substances. In the presence of whole saliva in ß-glycosidic bound flavonoid glycosides hydrolytic decomposition reactions in dependence of their sugar moiety were observed. After the addition of antibiotic, smaller degradation rates were clearly determined. Thus, hydrolysis resulted mainly from the enzymes of the oral bacterial flora. Afterwards, the polyphenols reach the highly acid stomach via the oesophagus. For examination of their stability the apple polyphenols were incubated with artificial gastric juice (pH 1.81) for four hours. Only for procyanidin B2 an almost complete decomposition was demonstrated. Following the passage of the stomach the polyphenols reach the neutral to slightly alkaline duodenum. Incubations were performed with simulated duodenal secretion (pH 7.2) over a period of 24 hours. For 5-caffeoylquinic acid, a decomposition of 37% was observed. Thereby,3- and 4-caffeoylquinic acid, caffeic acid, D-(-)-quinic acid as well as caffeic acid methyl ester were generated. Comparable results were received with the incubation of 4-p-coumaroylquinic acid. 26.3% of the caffeic acid underwent a conversion to ferulic acid, dihydrocaffeic acid and caffeic acid methyl ester. For monomeric flavan-3-ols epimerisation was demonstrated by HPLC analytics using a chiral phase. Only traces of procyanidin B2 were detectable after four hours. Quercetin was split completely into phloroglucinol, 3,4-dihydroxybenzoic acid and 2,4,6-trihydroxybenzoic acid. In order to investigate the availability of polyphenols in the large intestine, an intervention study with cloudy apple juice was accomplished by volunteers with a terminal ileostomy. After oral intake of one litre of juice the ileostomy discharge was collected over a period of eight hours. Between zero and 33.1% of the particular phenolic substances absorbed from the apple juice were recovered in the ileostomy bags. The excreted amount of the flavonoid glycosides depended thereby on the structure of the respective sugar moiety. As metabolites, D-(-)-quinic acid, 1- and 3-caffeoylquinic acid, phloretin and its 2´-O-glucuronide as well as the methyl ester of the caffeic and p-coumaric acid were detectable. For the high-molecular procyanidins recoveries of 90.3% as well as their partial decomposition were detected. The systemic availability of polyphenols as well as their renal elimination was investigated in two further human studies with healthy volunteers, respectively. After consumption of one litre of cloudy apple juice blood samples were taken over a period of eight hours; urine was analysed over a period of 24 hours. The measurement of the apple polyphenols was carried out both before and after enzymatic hydrolysis. Caffeic acid, 5-caffeoylquinic acid, 4-p-coumaroylquinic acid, (-)-epicatechin, phloretin and quercetin were detectable both in serum and urine. Alltogether 5.3% (serum) and 23.0% (urine) of the phenolic compounds consumed with the juice were recovered. In the urine, 19.5% of that was determined in form of hydroxylated phenolic acids.

Im Wasser-oxidierenden Cluster („oxygen-evolving complex“, OEC) des Photosystem II findet sich die primäre Quelle der Sauerstoffproduktion der Erde. Der OEC katalysiert in grünen Pflanzen unter Absorption von Sonnenlicht die Vierelektronen-Oxidation von Wasser zu Sauerstoff in einer zyklischen Sequenz von Oxidationszuständen (Kok-Zyklus). In dieser Arbeit wurden Strukturen, Spindichteverteilungen sowie EPR-Parameter ein-, zwei- und vierkerniger Mangankomplexe, die in Bezug auf den OEC modelliert wurden, mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie (DFT) berechnet. Hauptziel war das Verständnis der molekularen und elektronischen Struktur des vierkernigen Manganclusters des OEC durch direkten Vergleich mit experimentellen EPR-Daten. / Photosynthesis is the most fundamental process of life on earth. The biological production of oxygen in plant photosynthesis occurs in photosystem II (PSII). Here two water molecules are coupled in a four-electron oxidation to one O2 molecule, catalyzed by a tetranuclear manganese complex, known as the oxygen-evolving complex (OEC). In this thesis, density-functional theory (DFT) methods were validated and subsequently employed to study structures, spin-density distributions and EPR parameters of mono-, di-, and tetranuclear complexes with regard to the OEC. The goal was to draw conclusions on the molecular and electronic structure of the OEC.