This thesis describes the inclusion of dynamical effects in the theoretical calculation of Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopic parameters. The studies were performed using Density Functional Theory (DFT) methodology and a perturbation-theoretical approach to g-tensor calculations. Hydrogen atoms trapped in octasilasesquioxane cages display unexpectly high, positive g-values. Computational simulation of these systems successfully reproduced the positive g-values and found them to arise from spin-orbit coupling around the oxygen nuclei. Dynamical effects were estimated by calculating the potential well in which the hydrogen atom moves. Semiquinone radical anions are important bioradicals that play a role in photosynthesis and respiration. The simplest and most prototypical, benzosemiquinone anion, was simulated both in the gas phase and in aqueous solution by Car-Parrinello Molecular Dynamics (CPMD). The neutral benzoquinone was also simulated for comparison. The solvation environments of both the anionic and neutral molecules were analysed and compared. EPR parameters were calculated for the semiquinone, providing the first example of full inclusion of dynamic effects in g-tensor calculation. The effects of different solvation interactions on the g-tensor and hyperfine interactions were extensively examined. Additionally, static calculations (i.e., calculations not incorporating any dynamical effects) were performed. Comparison between these (and prior computational studies) and the dynamical system allowed an assessment of the effects of dynamics on solvation and EPR parameters. Ubisemiquinone radical anion, one of the most widely-occurring semiquinone radicals, was simulated in the aqueous phase using CPMD. The solvation environment was analysed and EPR parameters were calculated. The motion of the side-chain, and its effects on solvation and EPR parameters, were examined. / Dieser Dissertation liegt die Einbeziehung dynamischer Effekte in die Berechnung Elektronspinresonanzparameter (ESR) zugrunde dar. Die Berechnungen wurden mit Hilfe eines Dichtefunktionaltheorie (DFT) Ansatzes und einer störungstheoretischen g-Tensorrechnungsmethode durchgeführt. In Octasilasesquioxankäfigen gefangene Wasserstoffatome haben laut Experiment unerwartet große, positive g-Werte. Diese positiven g-Werte konnten mit theoretischen Simulationen reproduziert werden und anhand der Datan ermittelt werden daß sie auf Spinbahnkopplung um die Sauerstoffkerne zurückzuführen sind. Dynamische Effekte wurden aus Berechnung der Potentialkurve, in der sich das Wasserstoffatom bewegt, abgeschätzt. Semichinonanionen sind wichtige Bioradikalen die eine Rolle in der Respiration und der Photosynthese spielen. Benzosemichinonanion, das einfachste und prototypischste Semichinonanion, wurde in der Gas- und wässriger Lösungsphasen mit Hilfe der Car-Parrinello Molekulardynamik (CPMD) Methode simuliert. Das neutrale Benzochinon wurde zum Vergleich berechnet. Die Lösungsumgebungen des neutralen Chinons und des anionischen Semichinons wurden analysiert und verglichen. Die EPR-Parameter wurde erstmalig unter volle Einbeziehung von dynamischen Effekten in g-Tensorberechnung für das Semichinon berechnet. Dazu wurden statische Berechnungen (d.h. ohne Berücksichtigung dynamischer Effekte) durchgeführt. Aufgrund eines Vergleiches von statischen Berechnungen mit dem dynamischen System konnten die Effekte der Dynamik auf Lösungsverhalten und EPR-Parameter abgeschätzt werden. Eines der verbreitesten Semichinon-Radikale, Ubisemichinonanion, wurde zudem in wässriger Lösungsphase mit CPMD simuliert. Die Lösungsumgebung wurde analysiert, und EPR-Parameter berechnet. Die Bewegung der Nebengruppen, und deren Einfluss auf Wasserstoffbrückenbindungen und EPR-Parameter wurden analysiert.

Formine der Cappuccino-Familie nukleieren lineare Aktinfilamente mittels der formin homolgy 2- (FH2-) Domäne, Spir-Proteine mittels des WASP-Homologie-Domäne 2- (WH2-) Clusters. spire- und cappuccino-Mutanten haben in Drosophila einen nahezu identischen Phänotyp. Zudem wurde ein überlappendes Expressionsmuster der Säugerhomologe von Drosophila spire- und cappuccino, spir-1 und formin 2, im sich entwickelnden und im adulten Zentralnervensystems von Mäusen beobachtet. In dieser Arbeit wurde eine mögliche Interaktion von Spir-Proteinen mit Forminen der Cappuccino-Familie aus Drosophila und Maus in in vitro Bindungsstudien und in in vivo Kolokalisationsstudien untersucht. Eine direkte Interaktion wurde für Drosophila Spir und Cappuccino sowie für Säuger Spir-1 und Formin-2 nachgewiesen. Die Interaktionsdomänen sind konserviert und wurden auf die Kinase Non-catalytic C-lobe Domain (KIND-Domäne) der Spir-Proteine und auf die FH2-Domäne der Cappuccino-Proteine eingegrenzt. Diese Interaktion ist spezifisch für Spir- und Cappuccino-Proteine. So interagiert die FH2-Domäne des Formins Diaphanous-1 nicht mit Spir-1-KIND. Ebenso interagiert die KIND-Domäne des RasGEFs very-KIND (VKIND) nicht mit der FH2-Domäne von Formin-2. / Formins of the Cappuccino-family and Spir proteins are nucleators of unbranched actin filaments. Cappuccino proteins mediate nucleation by means of the formin homology 2 (FH2) domain, Spir proteins via a cluster of four WASP homology domains 2 (WH2). The Drosophila spire- and cappuccino- mutant phenotypes are nearly identical. Furthermore, the mammalian orthologs of Drosophila spire- and cappuccino, spir-1 and formin-2 have an overlapping expression pattern in the developing and adult nervous system of mice. The work presented here focused on a potential protein interaction of Cappuccino-subfamily formins and Spir proteins which was analyzed using in vitro binding assays and in vivo colocalization studies. A direct interaction between Drosophila Spir and Cappuccino as well as between mammalian Spir-1 and Formin-2 was determined. The binding sites were narrowed down to the Kinase Non-catalytic C-lobe Domain (KIND) domain of Spir and the FH2 domain of Cappuccino-subfamily formins. This conserved interaction is specific for Spir- and Cappuccino proteins. Both, the in vivo and the in vitro studies did not reveal any interaction of Spir-1-KIND with the FH2-domain of the formin Diaphanous-1 nor for Formin-2-FH2 with the KIND domain of the RasGEF very-KIND (VKIND).

Diastereo- und enantiomerenreine Rheniumthioaldehydkomplexe mit stereogenem Metall und P-chiralen Phosphanliganden wurden ausgehend von [CpRe(CO)(NO)(NCCH3)]BF4 synthetisiert. Die Thioaldehydkomplexe und Zwischenprodukte wurden NMR- und IR-spektroskopisch sowie kristallographisch charakterisiert. Additionsreaktionen von C- und S-Nucleophilen an koordinierten Thiobenzaldehyd wurden insbesondere hinsichtlich ihrer Stereoselektivität untersucht. Chiral modifizierte Liganden wurden unter Rückgewinnung wiederverwendbarer Komplexvorstufen freigesetzt. / Diastereo- and enantiopure rhenium thioaldehyde complexes with stereogenic metal center and P-chiral phosphane ligands were prepared starting from [CpRe(CO)(NO)(NCCH3)]BF4. The thioaldehyde complexes and all intermediates were characterized by NMR and IR spectroscopy as well as X-Ray diffraction. The reactivity of thiobenzaldehyde complexes in nucleophilic additions was studied with regard to stereoselectivity. Chirally modified ligands were liberated.

In the first part of this work a new approach to measure transient absorption spectra of fluorescent compounds by means of laser flash photolysis technique was presented. Generally, the recorded transient absorption signal consists of transient absorption, fluorescence and ground state bleaching. Thus, for fluorescent chromophores a fluorescence correction is indispensable in order to obtain undisturbed absorption decay curves as well as accurate transient absorption spectra. Due to time response characteristics of the PMT detector the fluorescence contribution cannot be corrected by recording the fluorescence separately. Measuring two transient absorption signals with probe light differing in intensity, compounds with quantum yields up to ~ 35 % can be investigated. This is a major improvement because transient absorption spectroscopy is a powerful method to gain insight into the kinetics and the energy of excited states and information in the time domain of fluorescence are no longer lost. In the second part the synthesis and the photophysical characterisation of redox cascades were reported. These cascades consist of an acridine acceptor and up to three triarylamine donor subunits. The redox potentials of the triarylamines were tuned by adequate substituents in the para-position of the phenyl ring to ensure a directed redox gradient. Upon photoexcitation a locally excited state or a CT state is populated which then injects a hole onto the adjacent donor and consequently results in a CS state. Fluorescence and transient absorption measurements revealed that HT depends strongly on donor strength and solvent polarity. Formation of a CS state was only observed in case of strong terminal donors or polar solvents. A low lying localised triplet state acts as an energy trap and quenches all CS states even in case of the cascade with the strongest terminal donor in very polar solvents. Furthermore, population of a CS state catalyses the formation of this triplet states which results in a shorter lifetime of the CS state compared to the lifetime of the CT state of the corresponding reference compound. Compared to redox cascades already reported in literature, the electronic coupling between the redox centres was decreased by sterical as well as electronic effects. To prolong the lifetime of the CS state saturated spacers on the one hand and a perpendicular orientation of the acceptor and the adjacent donor on the other hand were selected. The twisting of the subunits forming the CT state results in a higher degree of charge separation but its contribution to increase the lifetimes of the CS states is of minor importance. The longer lifetime of the CS states can be ascribed to the saturated spacers. Experimental data in combination with calculated values indicate that charge recombination takes place in the Marcus normal region by a superexchange mechanisms. Although charge recombination of the known cascades is located in the Marcus inverted region, these CS states decay faster than the CS states of the compounds investigated in this work. / Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Methode vorgestellt, mit dem transiente Absorptionsspektren von fluoreszierenden Verbindungen mit Hilfe der Laser-Blitzlichtphotolyse aufgenommen werden können. Ein transientes Absorptionssignal setzt sich im Allgemeinen aus transienter Absorption, Fluoreszenz und einer Ausbleichung des Grundzustands zusammen. Daher ist es für fluoreszierende Verbindungen unerlässlich, die Fluoreszenz zu korrigieren, um sowohl einwandfreie Abklingkurven als auch korrekte Spektren zu erhalten. Aufgrund der Charakteristik der Ansprechzeit des Photomultiplier-Detektors kann der Fluoreszenzbeitrag nicht durch ein eigens aufgenommenes Fluoreszenzsignal korrigiert werden. Jedoch können Verbindungen mit einer Fluoreszenzquantenausbeute bis ungefähr 35 % fehlerfrei gemessen werden, sofern das transiente Signal aus zwei Messungen mit unterschiedlicher Weißlichtintensität bestimmt wird. Dieser neue Ansatz zur Ermittlung transienter Absorptionsspektren ist eine entscheidende Verbesserung, da die Laser-Blitzlichtphotolyse eine leistungsstarke Methode zur Ermittlung kinetischer und energetischer Eigenschaften angeregter Zustände darstellt. Im zweiten Abschnitt wurde die Synthese von Redoxkaskaden vorgestellt und gerichtete Elektronentransferprozesse an diesen Verbindungen untersucht. Die Chromophore bestehen stets aus einem Acridin-Akzeptor und bis zu drei Triarylamin-Untereinheiten als Donoren. Die Redoxpotenziale der Triarylamine können in gewissem Maße durch geeignete Substituenten in para-Position der Phenylringe abgestimmt werden, womit ein gerichteter Redoxgradient erzielt wird. Nach Anregung mit Licht geeigneter Wellenlänge wird ein lokal angeregter oder ein CT-Zustand bevölkert. Anschließend wird ein Loch in die benachbarte Donoreinheit injiziert, was schließlich zu einem ladungsgetrennten Zustand führt. Fluoreszenz- und transiente Absorptionsmessungen zeigen, dass der Lochtransfer in starkem Maße von der Lösungsmittelpolarität sowie der Stärke des terminalen Donors abhängt. Die Ausbildung eines ladungsgetrennten Zustands konnte nur bei starken terminalen Donoren oder polaren Lösungsmitteln beobachtet werden. Ein energetisch tief liegender lokal angeregter Triplettzustand agiert als energetische Falle und löscht alle ladungsgetrennten Zustände – selbst im Falle der stärksten Donoruntereinheit in sehr polaren Lösungsmitteln. Darüber hinaus beschleunigt die Bevölkerung eines ladungsgetrennten Zustands die Ausbildung dieses Triplettzustands, was sich in einer kürzeren Lebensdauer dieses ladungsgetrennten Zustands, verglichen mit dem CT-Zustand der Referenzverbindung, äußert. Die elektronische Kopplung zwischen den einzelnen Redoxzentren wurde im Vergleich zu ähnlichen bereits bekannten Redoxkaskaden sowohl durch sterische als auch durch elektronische Effekte verringert. Um die Lebensdauer des ladungsgetrennten Zustands zu verlängern, wurden einerseits gesättigte Einheiten, die die Untereinheiten verbrücken, eingebaut. Andererseits wurde mit Hilfe sterischer Faktoren die Akzeptoreinheit gegenüber dem benachbarten Donor verdrillt, was zwar in einer stärker ausgeprägten Ladungstrennung resultiert, jedoch nur geringfügig zu einer Verlängerung des ladungsgetrennten Zustands beiträgt. Somit kann die verlängerte Lebensdauer dieses ladungsgetrennten Zustands eindeutig auf die gesättigten Brückeneinheiten zurückgeführt werden. Experimentelle Daten stimmen mit berechneten Größen dahin gehend überein, dass die Ladungsrekombination in der normalen Marcus-Region über einen Superaustausch-Mechanismus erfolgt. Obwohl diese Rekombination bei den bekannten Kaskaden in der invertierten Marcus-Region erfolgt, werden die entsprechenden ladungsgetrennten Zustände schneller entvölkert als bei den Verbindungen, die Gegenstand dieses Kapitels waren.

Although known about and investigated since the late 1970’s, the picture of the basic principles governing inhibitor strengths and the structure-activity relationships of the cysteine protease inhibition mechanism is still very incomplete. Computational approaches can be a very useful tool for investigating such questions, as they allow the inspection of single, specific effects in isolation from all others, in a manner very difficult to achieve experimentally. The ab initio treatments of such large systems like proteins are still not feasible. However, there is a vast number of computational approaches capable of dealing with protein structures with reasonable accuracy. This work presents a summary of theoretical investigations into cysteine protease cathepsin B using a range of methods. We have concentrated on the investigation of cysteine protease inhibition by epoxide- and aziridine-based inhibitors in order to obtain better insight into these important topics. Various model systems are simulated by means of pure quantum mechanical methods and by hybrid (QM/MM) methods. Both approaches provide a static picture. Dynamical effects are then accounted for by additional molecular dynamics (MD) simulations, using both classical and QM/MM MD approaches. The quantum mechanical approach was used to study very small model systems consisting only of the electrophilic warhead of the inhibitor (both substitituted and not) and molecular moieties simulating a very simplified protein active site (methylthiolate instead of Cys29 and methylimidazolium instead of His199 residue) and solvent surroundings (two waters or two ammonium ions, in combination with a continuum solvent model). Although simple, such a system provides a good description of the most important interactions involved in the inhibition reaction. It also allows investigation of the influence of the properties of the electrophilic warhead on the reaction rate. Beside the properties of the electrophilic warhead, the protein and solvent environment is also an important factor in the irreversible deactivation of the enzyme active site by the inhibitor. The non-covalent interactions of the inhibitor with the oxyanion hole and other subsites of the enzyme, as well as its interaction with the solvent molecules, need to be explicitly taken into account in the calculations, because of their possible impact on the reaction profile. As molecular modeling methods allow the treatment of such large systems, but lack the possibility of describing covalent interactions, our method of choice was the combined quantum mechanics/molecular modeling approach. By splitting the system into a smaller part that undergoes the bond cleavage/formation process and must be treated quantum mechanically, and a larger part, comprised of the rest of the protein, which could be treated using force fields, we managed to simulate the system at the desired precision. Our investigations concentrated on the role of His199 in the inhibition mechanism as well as on the structure-reactivity relationships between cysteine protease and various inhibitors, yielding new insight into the kinetics, regio- and stereospecificity of the inhibition. In particular, our calculations provide the following insights: i.) an explanation for the regioselectivity of the reaction, and original insight into which interactions affect the stereoselectivity; ii.) a clear model which explains the known structure-activity relationships and connects these effects with the pH-dependency of the inhibition; iii.) our computations question the generally accepted two-step model by showing that substituent effects accelerate the irreversible step to such an extent that the achievement of an equilibrium in the first step is doubtful; iv.) by way of theoretical characterizations of aziridine models, the reasons for similarities and differences in the mode of action of epoxide- and aziridine-based inhibitors are elucidated; and finally, v.) combining our results with experimental knowledge will allow rational design of new inhibitors. To account for dynamical effects as well, molecular dynamics (MD) computations were also performed. In these calculations the potential energy was computed at the force field level. The results not only supported and clarified the QM/MM results, but comparison with previous X-ray structures helped correct existing errors in the available geometrical models and resolved inconsistencies in the weighting of various factors governing the inhibition. In the work the first QM/MM MD calculations on the active site of the cysteine proteases are presented. In contrast to the MD simulations, these calculations used potential energies computed at the QM/MM-level. With the help of these computations we sought to address strongly disputed questions about the reasons for the existence of the active site ion pair and its role in the high activity of the enzyme. / Obwohl bereits seit den späten 70ern bekannt und untersucht, ist das Bild über die grundsätzlichen Prinzipien, welche die Wirksamkeit der Inhibition und die Struktur-Aktivitäts-Beziehungen (SAB) der Cysteinprotease-Hemmmechanismen beeinflussen, immer noch sehr unvollständig. In dieser Arbeit wurden quantenmechanische (QM), molekulardynamische (MD) und gemischte quantenmechanische/molekularmechanische (QM/MM) Berechnungen durchgeführt, um die irreversible Inaktivierung des Enzyms durch den Inhibitor, zu untersuchen. Die Stärke von computergestützten Verfahren liegt in der Möglichkeit, den Einfluss einzelner spezifischer Effekte durch das Ausblenden von Umgebungseffekten zu untersuchen. Diese Herangehensweise ist nur sehr schwer im Experiment zu erreichen. Die quantenmechanische Methode wurde benutzt, um sehr kleine Modellsysteme zu untersuchen, welche lediglich aus dem elektrophilen Kerngerüst des Inhibitors und einigen, das aktive Zentrum im Protein vereinfachend darstellenden, Molekülen bestanden. Die Solvensumgebung wurde durch zwei explizite Wassermoleküle und zwei Ammoniumionen in Kombination mit einem Kontinuum-Solvensmodell berücksichtigt. Ein solches vereinfachtes System liefert bereits eine gute Beschreibung der meisten wichtigen Wechselwirkungen während der Inhibierungsreaktion. Es erlaubt die Untersuchung des Einflusses der Eigenschaften des elektrophilen „Warheads“ auf den Reaktionsverlauf. Neben den Eigenschaften des elektrophilen „Warheads“ ist sowohl die Protein- als auch die Solvensumgebung von großer Bedeutung für die irreversible Deaktivierung des aktiven Zentrums des Enzyms durch den Inhibitor. Aufgrund eines möglichen Einflusses auf das Reaktionsprofil müssen Solvensmoleküle sowie die nicht-kovalenten Wechselwirkungen des Inhibitors mit dem Oxyanionloch und anderen Nebenbindungstellen des Enzyms explizit behandelt werden. Berücksichtigt man, dass nur molekularmechanische Methoden eine Behandlung von solch großen Systeme erlauben, im Gegenzug aber nicht in der Lage sind, kovalente Wechselwirkungen zu beschreiben, so wurde als Methode der Wahl ein kombinierter QM/MM Ansatz gewählt. Durch das Aufteilen des Gesamtsystems in einen kleinen Bereich, der die Bindungsspaltung- und Bindungsbildungsreaktionen beinhaltet (mit QM behandelt), und in einen großen Teil, welcher den Rest des Proteins umfasst (mit MM behandelt), waren wir in der Lage, das System mit gewünschter Genauigkeit zu simulieren. In den Kapiteln 3.2.2 bis 3.2.4 werden die Struktur-Reaktivitäts-Beziehungen (SRB) zwischen der Cysteinprotease und verschiedenen Inhibitoren vorgestellt. Es wird gezeigt, dass die SRB eine entscheidende Rolle in Kinetik, Regio- und Stereoselektivität der Inhibierung spielen. Um auch die dynamischen Effekte im Anspruch zu nehmen, wurden klassische molekulardynamische (MD) Simulationen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Berechnungen haben nicht nur unterstützt und die QM/MM Ergebnisse näher erklärt, sondern auch durch der Vergleich mit bereits bestehenden Röntgenstrukturen verschiedener Cysteineprotease-Inhibitor-Komplexen geholfen, Fehler in vorhandenen Proteinkristallstrukturen zu korrigieren. Somit wurden Widersprüche in der Bewertung verschiedener Funktionen, die die Inhibierungsreaktion bestimmen, aufgelöst (Kapitel 3.2.5). In der Arbeit werden auch die ersten QM/MM MD Berechnungen vom aktiven Zentrum der Cysteineprotease vorgestellt. Im Kontrast zu den klassischen MD Simulationen, wird in diesen Untersuchungen die potentielle Energie auf dem QM/MM Theorieniveau berechnet. Hier haben wir versucht die stark umstrittene Frage über die Gründe für das Vorhandensein des aktiven Zentrums als His199+/Cys29- Ion-paar und seine Rolle für die hohe Aktivität des Enzyms zu beantworten.

Infektionskrankheiten sind nach wie vor weltweit die Todesursache Nummer eins. Aufgrund der zunehmenden Resistenzbildung der Erreger gegen gängige Medikamente verlieren diese immer mehr an Wirksamkeit und bereits besiegt geglaubte Krankheiten, wie Tuberkulose und Malaria, erleben derzeit ein comeback. Aus diesem Grund ist die Suche nach neuartigen Wirkstoffen nach wie vor ein wichtiges Ziel. Eine aussichtsreiche Quelle neuer Leitstrukturen gegen Infektionskrankheiten sind Pflanzen, die ein breites Spektrum an strukturell facettenreichen Sekundärmetaboliten bieten. Eine solche viel versprechende neue Wirkstoffklasse phytochemischen Ursprungs sind die Naphthylisochinolin-Alkaloide, die ausgeprägte In-vitro-Aktivitäten gegen protozoische Erreger wie Plasmodien, Leishmanien und Trypanosomen aufweisen. Kürzlich wurde eine neuartige Unterklasse dieser Alkaloide entdeckt. Es handelte sich dabei um die ersten N,C-verknüpften Naphthylisochinoline, wie z.B. Ancisheynin sowie Ancistrocladinium A und B . Diese Alkaloide weisen als strukturelle Besonderheit eine bis dato beispiellose Hetero-'Biarylachse' auf, genauer die erste rotationsgehinderte Iminium-Stickstoff-Arylachse. Des Weiteren zeichnen sie sich durch eine hohe antileishmaniale Aktivitäten aus, bei vergleichsweise geringen Cytotoxizitäten gegen menschliche Zellen. Das Ziel der vorliegenden Dissertation war daher die erstmalige totalsynthetische Erschließung dieser neuartigen Strukturunterklasse der Naphthylisochinoline. Ebenfalls sollte die ausgezeichnete antiinfektive Aktivität der N,C-verknüpften Alkaloide in Studien zur Struktur-Aktivitäts-Beziehung (SAR) sowie in Untersuchungen zum Wirkmechanismus in enger Zusammenarbeit mit unseren Partnern innerhalb des Sonderforschungsbereiches 630 sowie mit externen Kooperationspartnern evaluiert werden. / Infectious diseases are the most common cause of death worldwide. Due to the increasing resistance of the pathogens against commonly used drugs medical treatments are losing their efficacy and diseases like tuberculosis and malaria, which seemed to be defeated, are coming back. Thus, the search for novel agents is still a rewarding goal. A promising source for new lead structures against infectious diseases are plants with their broad and structurally manifold secondary metabolites. One promising class of new active plant-derived agents are the naphthylisoquinoline alkaloids, which show a pronounced in vitro activity against protozoan pathogens like plasmodia, leishmania, and trypanosoma. Recently, a novel type of such alkaloids has been discovered, viz. the first N,C-coupled NIQs, like ancisheynine, ancistrocladinium A and B. They possess as an unusual structural feature a as yet unprecedented N,C-hetero 'biaryl axis', in particular the first iminium-nitrogen-aryl axis. Furthermore, they exhibit very good antileishmanial activities with a comparably low cytotoxicity against mammalian cells. This thesis deals with the development of new strategies towards the first total syntheses of the structurally novel representatives of this subclass of naphthylisoquinolines, in particular with the synthesis of Ancisheynin, Ancistrocladinium A, B, and D. The excellent antiinfective activity of the N,C-coupled alkaloids was further evaluated in a close cooperation with our partners within the Collaborative Research Center 630 (SFB 630) and with external partners, by structure-activity-relationship studies (SAR-studies) and by investigations on the mode of action of these compounds.

This PhD thesis introduced several concepts for the construction of new supramolecular assem-blies in polar solvents. Although the building blocks differ in their binding mode and association strength they follow the same principle: one main driving force for the self-assembly in polar solutions in combination with one texturing force. The main self-assembly process is based on the mutual interaction of hydrogen-bond enforced ion pairs which deliver the association energy needed for stable, supramolecular structures even in polar solvents. The texturing force itself is represented by the linkers between the zwitterionic building blocks or parts of them. The different length and functionalization of the linkers have a tremendous influence on the mode of self-assembly leading to cyclic dimers, vesicles, layers or solid spheres. Hence, this principle is suitable for the construction of programmable monomers. Since the derivatisation of the main binding motive is rather simple it offers a great number of new and undoubtedly fascinating structures with potential applications in material and biomimetic science. / Diese Doktorarbeit stellte mehrere Konzept für den Aufbau von neuen supramolekularen Verbindungen in polaren Solventien vor. Obwohl sich die Bausteine bezüglich ihres Bindungsmodus und ihrer Assoziationsstärke unterscheiden, folgen sie alle dem gleichen Prinzip: eine Haupttriebkraft für den Selbstassoziationsprozess in polaren Lösemitteln in Kombination mit einer strukturgebenden Kraft. Die Haupttriebkraft stellen wasserstoffbrückenbindungsvermittelte Ionenpaare dar, die die nötige Assoziationsenergie für stabile, supramolekulare Strukturen auch in polaren Lösungen liefern. Die strukturierende Kraft selbst wird durch die Linkermoleküle zwi-schen den Zwitterionen oder Teilen von diesen vermittelt. Die unterschiedliche Länge und Funktionalisierung der Linker haben einen enormen Einfluss auf den Modus der Selbstassoziation, so dass die Bildung von zyklischen Dimeren, Vesikeln, Schichten oder Vollkugeln möglich war. Daher kann dieses Konzept für den Aufbau von programmierbaren Monomeren verwendet werden. Die Derivatisierung des zwitterionischen Bindungsmotivs gestaltet sich relativ einfach, so dass eine große Anzahl von neuen und zweifelsohne faszinierenden Nanostrukturen für zukünftige Anwendungen in der Materialwissenschaft und Biomimetik zur Verfügung steht.

In dieser Arbeit werden Pigmente in verschiedenen archäologischen Materialien mittels Mikro-Raman-Spektroskopie archäometrisch untersucht. Zusätzlich werden Analysen mittels Elektronenstrahl-Mikrosonde und Röntgenpulverdiffraktometrie durchgeführt, um einerseits die Ergebnisse der spektroskopischen Untersuchungen zu stützen und andererseits die Vor- und Nachteile der Mikro-Raman-Spektrokopie gegenüber diesen Methoden aufzuzeigen. Im ersten Teil werden Pigmentanalysen römischer Fresken in den Provinzen Noricum, Raetien und Obergermanien vorgestellt, um daraus Informationen über Umfang und Variationsbreite der Farbpalette antiker Maler abzuleiten sowie Rückschlüsse auf die Herkunft der Rohstoffe und eventuelle Handelsrouten zu ziehen. Die Möglichkeit der zeitlichen Einordnung von Fresken anhand der verwendeten Pigmente wird ebenfalls diskutiert. Im zweiten Teil wird die chemische Zusammensetzung antiker Gläser am Beispiel einer Sammlung von Mosaikgläsern aus dem Martin-von-Wagner-Museum Würzburg und verschiedener bunter Glasperlen aus Sri Lanka und Oman untersucht, um Informationen über die verwendeten Rohmaterialien und die Technologie der antiken Glasproduktion zu gewinnen. Insbesondere wird auf die Pigmente eingegangen, die die Farbigkeit der Gläser verursachen. Anhand der Differenzen in den Glasrezepturen und Pigmenten der Gläser wird eine zeitliche Einordnung erörtert. / In this dissertation pigments of different kinds of archeological materials are examined archaeometrically by Raman microspectroscopy. Additionally electron microprobe analysis and X-ray powder diffraction are performed, on the one hand to back up the results of Raman microspectroscopy, on the other hand to show the advantages and disadvantages of Raman microspectroscopy in comparison with these methods. In the first part pigment analyses of Roman frescos in the provinces Noricum, Raetia and Germania Superior are presented to deduce information about the amount and variation range of the ancient painters palette as well as to draw conclusions concerning the provenance of the raw materials and the possible routes of trading. The prospects of a periodical classification of paintings on the basis of the pigments used are discussed as well. In the second part of this dissertation the chemical composition of ancient glass is investigated using a collection of mosaic glass from the Martin-von-Wagner Museum in Würzburg and different coloured glass beads from Sri Lanka and Oman to gain information about the raw materials and the technology applied in ancient glass production. Special regard is paid to the pigments causing the glass colour. According to the differences in the glass recipe and the pigments used, a periodical classification is discussed.

Für die Authentizitätsbewertung achiraler Aromastoffe ist die gaschromatographische Isotopenverhältnismessung mittels massenspektrometrischer Analyse ein etabliertes Verfahren. Diese Technik ermöglicht es, über geeignete Datenbanken authentischer Referenzproben gesicherte Aussagen hinsichtlich deren Herkunft aus natürlicher oder synthetischer Quelle zu treffen. Zunehmend ins Interesse rückt allerdings auch die Frage, ob es mittels Techniken der Stabilisotopenanalytik ebenso möglich ist, das breite Feld der legislativ als „natürlich“ deklarierten Aromastoffe analytisch weiter in deren Herkunft aus biotechnologischer oder natürlicher („ex plant“) Quelle aufzutrennen. Zwar kann dieser Fragestellung prinzipiell über die Erweiterung bestehender Stabilisotopen-Datenbanken mit authentischen Proben nachgegangen werden, sie scheitert jedoch häufig an der limitierten Verfügbarkeit authentischer biotechnologischer Referenzen oder der eingeschränkten Kenntnis über die der Produktion „natürlicher“ Aromastoffe zugrundeliegenden Verfahrenstechniken. Eine mögliche Vorgehensweise zur Umgehung dieses Sachverhalts stellt daher die in Anlehnung an beschriebene biotechnologische Verfahren im Labormaßstab durchgeführte Produktion ausgewählter und somit auch authentischer Referenz-Aromastoffe dar. Diese Methode hat zudem den Vorteil, dass gegebenenfalls zusätzliche Informationen über mögliche Isotopenfraktionierungen in solchen Systemen ermittelt werden können, welche sich nicht nur zur Authentizitätsprüfung als nützlich erweisen können, sondern auch zur stetig wachsenden Grunderkenntnis über Isotopenfraktionierungen in biologischen Systemen beitragen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, der geschilderten Fragestellung bezüglich ausgewählter Aromastoffe aus den Gruppen der C6-Aldehyde und -Alkohole („Grünnoten“) sowie der Gärungsalkohole nachzugehen. Zu diesem Zweck erfolgten zum einen im Labormaßstab die biogenetische Bildung von C6-Aldehyden und -Alkoholen ausgehend von den ungesättigten Fettsäuren Linol- und Linolensäure, ferner wurden parallel Edukte, Intermediate und Produkte isoliert und hinsichtlich ihrer Stabilisotopengehalte durch Bestimmung der Delta-2H(V-SMOW)- und Delta-13C(V-PDB)-Werte untersucht. Zum anderen sind auf fermentativem Wege ausgehend von unterschiedlichen Kohlenhydratquellen die Gärungsalkohole 2-Phenylethanol und 2-Methyl-1-propanol dargestellt worden. Des weiteren galt es, die bei den Gärungsalkoholen resultierende Datenlage dahingehend zu prüfen, ob sich diese über eine Korrelation der Delta-2H(V-SMOW)- und Delta-13C(V-PDB)-Werte dazu eignet, eine Authentizitätsbewertung dieser Aromastoffe hinsichtlich natürlicher oder synthetischer Herkunft zu ermöglichen. / For the authenticity assessment of achiral flavor substances gas chromatography-isotope ratio mass spectrometry (HRGC-IRMS) is an established method. Using authentic reference data, this technique allows the differentiation between a “natural” or synthetic origin. The problem, however, to distinguish biotechnologically produced “natural” flavors from other “natural” ones, e.g. “ex plant” origin, is still unsolved. A suitable approach would be to expand the already existing stable isotope databases using authentic samples. However, this often fails due to the limited availability of authentic biotechnological references or restricted knowledge about the production processes for “natural” flavors. An appropriate alternative is the controlled production of authentic reference flavors according to published biotechnological processes on a laboratory scale. With this strategy additional information about eventual isotopic fractionations can be obtained, which is not only useful for authenticity assessment, but also to extend our basic knowledge about isotopic discriminations in biological systems. The aim of the present study was therefore to elucidate this question regarding selected flavor substances from the groups of the C6-aldehydes and -alcohols (“green notes”), as well as some fermentation alcohols. For this purpose, the biogenetic production of C6-aldehydes and -alcohols from the unsaturated fatty acids linoleic and linolenic acid was realized, and, in parallel, educts, intermediates and products were isolated and analysed as to their delta-2H(V-SMOW)- and delta-13C(V-PDB)-values. In addition, the fermentative production of 2-phenylethanol and 2-methyl-1-propanol was performed by using different sources of carbohydrates. Regarding these fermentation alcohols, the resulting data should also be tested, whether the correlation of the delta-2H(V-SMOW)- and delta-13C(V-PDB)-values enables the authenticity assessment of the flavor substances towards their synthetic or “natural” origin.

Gas chromatography – isotope ratio mass spectrometry (HRGC-IRMS) is an established technology for the authenticity assessment of achiral aroma compounds. For this technique, authentic reference data for both ‘natural’ and ‘synthetic’ origins of the aroma compounds is needed to define the limits and possibilities of authenticity assessments. For different fruit aroma compounds databases have been accumulated and have been used successfully. But this simplicity in the procedure of accumulating samples and filling the database fails, when the generation of aroma compounds are dependant on, not only the fruit itself, but also on a technological process as in the case of roasting coffee beans. In such a case, it is not enough simply to analyse samples from different origins for the database, but an examination of the influence of the technological process of roasting on the aroma is also needed. Furthermore, the generation process of the aroma compounds from their precursors during roasting should be analysed and determined. The aim of this study was, therefore, to build up a database for alkylpyrazines (and pyridine) from roasted coffee, and to elucidate the questions determining the alkylpyrazine and pyridine generation in coffee beans in all aspects. For this purpose arabica and robusta green coffees from different regions of the world were roasted, and the stable isotope ratios, 15N/14N and 2H/1H, of the produced alkylpyrazines and pyridine were compared to those of references, commercially available roast coffees, unspecified roast coffees, coffee products and coffee aromas. Additionally, the δ2HV-SMOW isotopic stability of alkylpyrazines in different solvents was determined to exclude isotopic effects in coffee products and coffee aromas. To elucidate the question as to how the stable isotope values, 15N/14N, 2H/1H and 13C/12C, of alkylpyrazine references were obtained and if these could be influenced somehow, different alkylpyrazines were synthesised. The generation process of alkylpyrazines during the roasting of coffee was analysed, by both roasting experiments and the fractionation of green coffee beans, into compound classes with subsequent roastings. / Die Gaschromatographie-Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (HRGC-IRMS) gehört zu den etablierten Verfahren zur Authentizitätsbewertung von achiralen Aromastoffen. Für diese Technik sind Datenbanken mit authentischen natürlichen und synthetischen Referenzproben notwendig, um die Grenzen und Möglichkeiten der Authentizitätsbewertung festzulegen. Bisher wurden für verschiedene Fruchtaromen solche Datenbanken erstellt und diese auch erfolgreich bei Fragen zur Authentizität genutzt. Diese Art des Vorgehens scheitert jedoch, wenn die Herkunft der Aromastoffe nicht nur von der Frucht abhängig ist, sondern auch von einem technologischen Prozess, wie z.B. im Falle der Kaffeebohnenröstung. In einem solchen Fall genügt es nicht, nur Proben verschiedener Art/Herkunft zu analysieren; auch der Einfluss des technologischen Prozesses auf das Aroma, d.h. die Entstehungsprozesse der Aromastoffe aus ihren Vorstufen müssen erforscht werden. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, eine Datensammlung für Alkylpyrazine (und Pyridin) von Röstkaffee zu erstellen und der Fragestellung bezüglich der Alkylpyrazin- (und Pyridin-)bildung nachzugehen. Zu diesem Zweck wurden die Stabilisotopenverhältnisse 15N/14N und 2H/1H der Alkylpyrazine von gerösteten Arabica- und Robusta-Kaffeebohnen mit denen von Referenzverbindungen, kommerziell erhältlichen Röstkaffees, Röstkaffees unbekannter Herkunft, Kaffee-produkten und Kaffeearomen verglichen. Zusätzlich wurde die δ2HV-SMOW-Stabilität der Alkylpyrazine in verschiedenen Lösemitteln bestimmt, um mögliche Austauscheffekte in Kaffeeprodukten und Kaffeearomen auszuschließen. Des weiteren wurde anhand von Synthesen verschiedener Alkylpyrazine überprüft, inwieweit deren Stabilisotopenwerte bei der Herstellung beeinflusst werden. Die Alkylpyrazinbildung während des Kaffeeröstens wurde auf verschiedene Weise untersucht, zum einen durch Röstexperimente unterschiedlicher Dauer und zum anderen durch Fraktionierung von grünem Kaffee in seine Komponenten mit anschließender Röstung dieser Fraktionen.