In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese von [2]Ferrocenophanen auf verschiedenen Wegen gezeigt. Neben der vollständigen Charakterisierung der Verbindungen wird auch deren Reaktivität untersucht. So wird gezeigt, dass mit den Elementen der Gruppe 16, sowie mit späten Übergangsmetallkomplexen eine Insertion in die Element-Element Bindung der Brücke statt finden kann. Darüber hinaus wird ausgehend von einem [2]Diboraferrocenophan eine katalytische Syntheseroute zur Diborierung von Alkinen entwickelt, sowohl unter homogenen als auch unter heterogen Bedingungen. Ausgehend von einem [2]Ferrocenophan wird eine neue Syntheseroute zur Darstellung von Ferrocenylboronsäureestern gezeigt. / Within this thesis, the synthesis of [2]ferrocenophanes is presented in different ways. Besides, the compounds are not only fully characterized, but also their reactivity is examined. It is shown, that on the addition of group 16 elements or late transition metal complexes, an insertion into the element-element bond can take place. Furthermore, starting from a [2]diboraferrocenophane, a synthetic protocol for the homogeneous and the heterogeneous catalyzed diboration of alkynes was developed. Starting from a [2]ferrocenophane, a new pathway for the synthesis of ferrocenyl boronic acids is presented.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene neuartige Boryl- Borylen- und Borido-Komplexe dargestellt und charakterisiert. Hierbei konnten bisher unbekannte Koordinationsmodi am zentralen Bor-Atom zugänglich gemacht werden. Die synthetisierten Verbindungen wurden auf ihre chemischen Eigenschaften hin untersucht. Mittels spektroskopischer und struktureller Befunde wurden weitere Erkenntnisse über die Natur der MetallBor-Bindung erhalten. Die drei Boryl-Komplexe [{Re(CO)5}(BX2)] (X = Cl, Br) und [{(Cy3P)Mn(CO)5}(BCl2)] können aus BX3 und entsprechenden Metallcarbonylaten durch Salzeliminierungsreaktionen dargestellt werden. Boryl-Verbindungen eignen sich als Ausgangsverbindungen sowohl für die Synthese von heterodinuklear-verbrückten Borylen-Spezies als auch für terminale Borido-Komplexe. So führt die Umsetzung der Boryl-Komplexe [{Cp*Fe(CO)2}(BX2)] (X = Cl, Br), [{Mn(CO)5}(BCl2)] (X = Cl, Br), [{Re(CO)5}(BCl2)] (X = Cl, Br) mit Na[Co(CO)4] zur Bildung der entsprechenden hererodinuklear-verbrückten Borylen-Verbindungen [{M(CO)5}(BCl){Co(CO)4}] (M = [Cp*Fe(CO)2] (X = Cl, Br); M = [Mn(CO)5]; (X = Cl, Br); M = [Re(CO)5]; (X = Cl, Br) welche jedoch aufgrund geringer Stabilität in Lösung nicht analysenrein isoliert werden konnten. Die Reaktion verschiedener Dihalogenboryl-Komplexe mit K[Cp(H)Mn(CO)2] stellt eine neue Strategie zur Darstellung von terminalen Borido-Komplexen dar. Verbindungen des Typs [[M](B)(CpMn(CO)2}] (M = [Cp*Fe(CO)2], [Mn(CO)5}] und [(Cy3P)Mn(CO)4] können nach Salzeliminierung und anschließender HX-Abspaltung erhalten werden. Lediglich die heterodinuklear-verbrückten Komplexe [{Re(CO)5}(BX)(H){CpMn(CO)2}] (X = Cl, Br) benötigen zur Bildung der terminalen Borido-Verbindung [{Re(CO)5}(B){CpMn(CO)2}] die Zugabe eines weiteren Äquivalents K[Cp(H)Mn(CO)2]. Die nicht stöchiometrischen Reaktionsbedingungen führen jedoch auch zur Bildung eines Bor-haltigen Nebenproduktes. Die analoge Reaktion von K[Cp(H)Mn(CO)2] mit MesBCl2 führt hingegen nicht zur Bildung eines entsprechenden terminalen Alkylborylen-Komplexes, sondern resultiert in der Bildung eines σ-Boran-Komplexes [{CpMn(CO)2}(HBMes). Die Reihe der homodinuklear-verbrückten Borylen-Komplexe konnte um den Vertreter [{Re(CO)5}2(BCl)] ergänzt werden, welcher direkt aus BCl3 und einem zweifachen Überschuss Na[Re(CO)5] erhalten werden kann. Es hat sich gezeigt, dass die Zugabe von Na[BArf4] zu den homodinuklear-verbrückten Borylen-Komplexen [{Cp‘Fe(CO)2}2(BCl)] und [{Re(CO)5}2(BBr)] zur Halogenidabstraktion führt, wodurch die linearen, kationischen Borido-Komplexe [Cp’Fe(CO)2}2(B)][BArf4] und [{Re(CO)5}(B)][BArf4] erhalten werden konnten. Die Umsetzung von [{Mn(CO)5}2(BBr)] und [{Re(CO)5}2(BCl)] mit dem niedervalenten Platin-Komplex [Pt(PCy3)2] führt zu einer spontanen Bildung borhaltigen Spezies der Zusammensetzung [{Mn(CO)5}2(B){Pt(PCy3)2}(Br)] bzw. [{Re(CO)5}2(B){Pt(PCy3)2}(Cl)], welche sich über die oxidative Addition der BX-Bindung an das Pt(0)-Zentrum gebildet haben. Die Umsetzung der Halogenborylen-Verbindungen sowie des Ferrocenylborans mit Na[Co(CO)4] führt über eine Salzeliminierung zur Bildung der jeweiligen Trimetalloborane [{CpFe(CO)2}2(B){Co(CO3)}], [{Mn(CO)5}2(B){Co(CO3)}] und der strukturanalogen Verbindung [{CpFe(CO)2} (BFc){Co(CO3)}], welche ein zentrales Bor-Zentrum trigonal-planar von drei Metall-Fragmenten umgeben zeigen. Die Umsetzung von [{Cp*Fe(CO)2}(B){Cr(CO)5}] mit Diphenylacetylen bzw. Trimethylsilylacetylen führt zur Bildung der Ferroboriren [{Cp*Fe(CO)2B}{C2(Ph)2}] und [{Cp*Fe(CO)2B}{C2(SiMe3)H}] . Es gelingt ebenfalls, die Metalloborylen-Einheit auf weitere Metall-Fragmente zu übertragen. Dieser intermetallische Borylentransfer eröffnet einen neuen, breiteren Zugang zu verschiedenartigen Metall-Bor-Komplexen. Die thermische Umsetzung von [{Cp*Fe(CO)2}(B){Cr(CO)5}] mit [CpCo(CO)2], [Cp*Ir(CO)2], [Cp*Rh(CO)2] und [Cp*(H)Mo(CO)3] führt zur Bildung von [{Cp*Fe(CO)2)}(B){CpCo(CO)}2], [{Cp*Fe(CO)2}(B(Cp*Ir(CO)}], [{Cp*Fe(CO)2)}(B){Cp*Fe(CO)2Rh} {Cp*Rh(CO)}] sowie [Cp*Fe(CO)2}(B)(H)(CpMo(CO)2}]. Die Reaktion der Borido-Komplexe [{Cp*Fe(CO)2}(B)Cr(CO)5}]und [{Cp*Fe(CO)2}(B)(Cp*Ir(CO)}] mit den Metall-basischen Platin-Komplexen [Pt(PCy3)2] bzw. [Pt(PiPr3)3] ermöglicht die Isolierung der ungewöhnlichen T-förmigen Spezies. Mit einem weiteren {PtR2}-Fragment gelingt es, die vierte Koordinationsstelle am zentralen Bor-Atom zu besetzen und so können die tetranuklearen Komplexe [{Cp*Fe(CO)}(CO)3{Pt(PCy3)}2{Cr(CO)2}(B)] und [{Cp*Fe(CO)}(CO)3}{Pt(PEt3)2}2{Cr(CO)2(PEt3)}(B)] isoliert werden. Sie zeigen ein zentrales Bor-Atom, welches annähernd quadratisch-planar von vier Übergangsmetall-Fragmenten umgeben ist. Vor Jahrzehnten wurde ein ebensolcher Koordinationsmodus in der Kohlenstoffchemie für CM4 (M = elektropositive Metall-Atome) postuliert und später realisiert. Derartige Spezies sind heutzutage als Anti-van’t Hoff-Le Bel-Verbindungen bekannt. / This work highlights the synthesis and characterization of a variety of novel boryl, borylene and borido complexes. Thus, it has been possible to establish new coordination modes at the boron centre. In order to gain further insight into the nature of the metal-boron bond, the chemical properties of these species have been investigated by means of spectroscopic methods and X-ray diffraction. According to a well-established synthetic protocol, the boryl compounds [{(Cy3P)Mn(CO)4}(BCl2)] and [{Re(CO)5}(BX2)] (X = Cl, Br) could be prepared by salt-elimination reaction of BX3 and the corresponding metal carbonylate. In general, boryl compounds turned out to be suitable starting materials for both, the preperation of heterodinuclear bridged borylene compounds [{M(CO)5}(BCl){Co(CO)4}] (M = [Cp*Fe(CO)2]; X = Cl, Br; M = [Mn(CO)5]; X = Cl, Br; M = [Re(CO)5]; X = Cl, Br; and terminal borido complexes of the type [[M](B)(CpMn(CO)2}] (M = [Cp*Fe(CO)2]; M = [Mn(CO)5]; M = [(Cy3P)Mn(CO)4]. The latest have been prepared by saltelimination and spontanous HX release of K[Cp(H)(CO)2Mn] and the corresponding boryl complex K[Cp(H)Mn(CO)2] is not a suitable reagent for the transformation of Cl2BMes into the corresponding terminal aryl borylene complex but led to the formation of a σ-borane compound [{CpMn(CO)2} (HBMes)]. [{Re(CO)5}2(BCl)] was prepared by reaction of BCl3 with a twofold excess of Na[Re(CO)5] and can be isolated in good yields of 67%. It could be demonstrated that halide abstraction occurred upon treatment of [{Cp’Fe(CO)2}(BCl)] and [{Re(CO)5}2(BCl)] with Na[BArf4], affording the linear, cationic borido complexes [{Cp’Fe(CO)2}2(B)][BArf4] and [{Re(CO)5}2(B)][BArf4], respectively. Treatment of [{Mn(CO)5}2(BBr)] and [{Re(CO)5}2(BCl)] with the low valent platinum species [Pt(PCy3)] resulted the formation of the boron containing species [{Mn(CO)5}2(B){Pt(PCy3)2(Br)}] and [{Re(CO)5}2(B){Pt(PCy3)2(Cl)}] respectively, which were formed by oxidative addition of the BX bond to the Pt(0) center. Salt elimination reactions of the borylenes [{Cp’Fe(CO)2}(BCl)], [{Mn(CO)5}2(BCl)] and [{Cp’Fe(CO)2}(BFc)] with Na[Co(CO)4] led to the formation of the trimetallo boranes [{Cp’Fe(CO)2}(B)(Co(CO)3)], [{Mn(CO)5}2(BCl)] and [{Cp’Fe(CO)2}(BFc)] with a trigonal planar boron center. The borido complex [{Cp*Fe(CO)2}(B){Cr(CO5)}] can be employed as a source for the borylene fragment {Cp*Fe(CO)2}(B)} both under thermal and photochemical conditions. New ferroborirenes [{Cp*Fe(CO)2B}{C2(Ph)2}] [{Cp*Fe(CO)2B} {C2(SiMe3)H}] can be obtained. Furthermore, the metalloborylene moiety can also be transferred sucessfully to transition metal fragments as [CpCo(CO)2], [Cp*Ir(CO)2], [Cp*Rh(CO)2] and [Cp*(H)Mo(CO)3] thus creating a versatile route to various new boron compounds by intermetallic borylene transfer, like [{Cp*Fe(CO)2}(B){CpCo(CO)}2], [{Cp*Fe(CO)2}(B){Cp*Ir(CO)}], [{Cp*Fe(CO)2}(B){Cp*Fe(CO)2Rh}{Cp*Rh(CO)}] and [{Cp*Fe(CO)2}(B)(H){CpMo(CO)2}]. Treatment of the borido species [{Cp*Fe(CO)2}(B){Cr(CO)5}] and [{Cp*Fe(CO)2}(B){Cp*Ir(CO)}] with the basic platinum complexes [Pt(PCy3)2] and [Pt(PiPr3)3], respectively, led to the formation of the unusual T-shaped structures. Thus, the tetranuclear species [{Cp*Fe(CO)}(CO)3{Pt(PCy3)}2{Cr(CO)2}(B)] and [{Cp*Fe(CO)}(CO)3}{Pt(PEt3)2}2{Cr(CO)2(PEt3)}(B)] were obtained. The solid state structure revealed the presence of an almost square-planar boron center, which is surrounded by four transition metal fragments. A couple of decades ago, a similar coordination mode has been postulated for CM4 species (M = electropositive metal atoms), which could be realized later on. Nowadays, these types of complexes are called anti van’t Hoff-le Bell compounds.

Nach der ersten erfolgreichen Synthese eines freien Borols im Jahr 1969 folgte bis auf wenige Ausnahmen eine lange Periode in der der Chemie der freien Borole wenig Beachtung geschenkt wurde. Dies ist nur wenig verständlich, wenn man in Betracht zieht, dass Borole aufgrund ihres 4 Elektronensystems zu den kleinesten Hückel Antiaromaten zählen und zudem als eine der Lewis acidesten Verbindungsklassen angesehen werden. Sie weisen außerdem starke Absorptionen im sichtbaren Bereich auf, welche maßgeblich von den Substituenten am Borzentrum beeinflusst werden. Durch sorgfältige elektronische Abstimmung können nahezu alle Farben des sichtbaren Spektrums eingestellt werden (Abbildung 81). Im Jahr 2008 gelang in der Arbeitsgruppe von H. Braunschweig die erste strukturelle Charakterisierung von Pentaphenylborol (15). Außerdem wurde mit der Synthese des 1 Chlor 2,3,4,5 tetraphenylborols (26) der Grundstein für eine Reihe weitere Borol Derivate gelegt. Des Weiteren konnte das Substitutionsmuster mit der Synthese von [1-Ferrocenyl-2,3,4,5-tetraphenylborol] (25) auf Metallkomplexe ausgeweitet werden. Mit den beiden Bis- und Trisborolen 47 und 49 konnte gezeigt werden, dass Borole über einen konjugierten organischen spacer verknüpft werden können.[39,124,140] Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde in der vorliegenden Arbeit die Synthese neuer Borol Derivate angestrengt. Außerdem konnten Beiträge zu Koordinations- und Reduktionschemie der bereits bekannten und neuartigen Borol-Systeme geleistet werden. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf eine mögliche Anwendung von nicht standardmäßigen Analysemethoden wie Cyclovoltammetrie, ESR-Spektroskopie, Raman-Spektroskopie und UV Vis Spektroskopie gelegt. Eine Einstufung der Lewis-Säure Stärke der verschiedenen Borol Derivate erfolgte durch Basenübertragungsreaktionen. / After the first successful synthesis of free boroles in the late 1960s, borole chemistry did not attract much attention over a period of nearly 40 years apart from a few exceptions, even though boroles offer unique properties such as extreme Lewis acidity and strong absorption in the visible region of the spectrum (figure 90). These properties are significantly affected by the substituent at the boron center. Absorptions within the whole range of the visible spectrum can be obtained by careful adjustment of the electronic characteristics of the substituent. In 2008 the first example for a solid state structure of a free borole was contributed by the group of H. Braunschweig. Furthermore, with the synthesis of 1 chloro 2,3,4,5 tetraphenylborole (26) the basis for a range of novel borole derivatives was established. The substitution pattern at the boron center was extended to metal-complexes by the synthesis of 1 ferrocenyl 2,3,4,5 tetraphenylborole (25). In case 47 and 49 it was possible to connect borole moieties over a conjugated spacer. [39,124,140] Based on these results this work contains the syntheses of novel borole derivatives as well as contributions to the coordination and reduction chemistry of known and novel boroles. Additionally, the possibility to use non-standard analytic methods such as cyclic voltammetry, EPR spectroscopy, Raman spectroscopy and UV-vis spectroscopy was of special interest. Rating of Lewis acidities was achieved by base transfer reactions.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Spektrum des Borylentransfers ausgeweitet, indem Übergangsmetall Alkinylkomplexe und Metall-Kohlenstoff-Doppelbindungen als Borylen-Akzeptoren eingeschlossen wurden. Neben der Salzeliminierung, Halogenidabstraktion und Dehydrierung, wurde eine neuartige Syntheseroute zu terminalen Borylenkomplexen durch Salz- und Silylhalogenideliminierung etabliert. Mithilfe dieser Strategie gelang die Darstellung von [(OC)3(Me3P)Fe=BDur], ein seltenes Beispiel für einen neutralen Arylborylenkomplex. Im Speziellen hat diese Verbindung ein großes Anwendungspotenzial für Metathesereaktionen und die Funktionalisierung von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, wie z. B. Naphthalin, gezeigt. Außerdem konnte ein Eisen-Bis(borylen)-Komplex [(OC)3Fe(BDur){BN(SiMe3)2}] durch einen Phosphan-Borylen-Austausch dargestellt werden. Ausgehend von diesem Komplex gelang die Darstellung von 1,4-Diboracyclohexadien bzw. des ersten 1,4-Dibora-1,3-Butadien-Komplexes, wodurch eine neue Art von Borylentransfer etabliert werden konnte. Höchst interessant ist es, dass der Transfer von weiteren Borylen-Einheiten in die Koordinationssphäre des Eisenatoms zu einer kontrollierten Borylen-Verkettung geführt hat. / Within the scope of this thesis, the area of borylene transfer has been broadened by including transition-metal alkynyl complexes and metal-carbon double bonds as borylene acceptors. In addition to double salt elimination, halide abstraction and dehydrogenation processes, a novel high-yield synthetic procedure for terminal borylene complexes was established, i.e. salt elimination and subsequent silylhalogenide liberation. Accordingly, it was possible to prepare [(OC)3(Me3P)Fe=BDur] as a rare example of a neutral arylborylene species. Moreover, this compound has been demonstrated to possess great potential for metathesis reactions and the functionalization of polycyclic aromatic hydrocarbons such as naphthalene. Moreover, it could undergo a phosphine-borylene exchange reaction, yielding the iron bis(borylene) complex [(OC)3Fe(BDur){BN(SiMe3)2}], which has turned out to be applicable for preparation of 1,4-diboracyclohexadiene and unprecedented 1,4-dibora-1,3-butadiene complexes, thus establishing a new type of borylene transfer. Most interestingly, upon transfer of further borylene moieties into the coordination sphere of iron, borylene-catenation was accomplished in a highly controlled manner.

Im Rahmen der Dissertation wurde die Reaktivitat des terminalen Mangan-Borylenkomplexes gegenüber verschiedenen polaren Doppelbindungssystemen, koordinativ ungesattigten Übergangsmetallfragmenten sowie Lewis-Basen untersucht. Mithilfe der spektroskopischen und strukturellen Daten der dabei synthetisierten Verbindungen konnten neue Erkenntnisse uber die Natur der Metall-Bor-Bindung erlangt werden. / This work aims to investigate the reactivity of a terminal manganese borylene complex towards a range of polar unsaturated substrates as well as transition metal complexes and Lewis bases. Thereby, discussion of the spectroscopical and structural data of the prepared compounds helps to determine the nature of the metal-boron bond.

The first part of the present work provides an insight into the chemistry of iridium complexes bearing the bis(phosphinite) pincer ligand tBuPOCOP (k3-C6H3-1,3-(OPtBu2)2) towards primary boranes and phosphines as well as phosphine-borane Lewis adducts. It furthermore encloses some more detailed studies on their application as catalyst for the dehydrogenative coupling of the latter compounds. The results presented herein can be divided into three sections: I. synthesis and characterization of aryl dihydroborate ligated iridium(III) complexes II. and aryl phosphine coordinated iridium(I) and dihydrido iridium(III) complexes, III. as well as studies on the reactivity of the parent iridium pincer complexes towards BH3 adducts of primary phosphines, which led to first results in the homogeneous catalytic dehydrocoupling of P-aryl substituted phosphine boranes mediated by such iridium pincer complexes. The second part of the present work provides an insight into the chemistry of cyclic (alkyl)(amino) carbene-stabilized nickel complexes as well as it encloses some more detailed studies on the properties and reactivity of the free carbenes itself. The results presented herein can be divided into four sections: I. synthesis and characterization of cyclic (alkyl)(amino) carbene-stabilized nickel carbonyl complexes, II. which allow the evaluation and quantification of the steric and electronic properties of these cyclic (alkyl)(amino) carbenes, III. first studies on the reactivity of these novel nickel complexes, and IV. investigations on C–F and C–H bond activation at the carbene center of cyclic (alkyl)(amino) carbenes. / Der erste Abschnitt der vorliegenden Arbeit gibt einen vertieften Einblick in die Reaktivität von Iridiumkomplexen, die den bis(Phosphinit)-Pincer tBuPOCOP (k3-C6H3-1,3-(OPtBu2)2) als Liganden aufweisen, gegenüber primären Boranen und Phosphanen sowie gegenüber Phosphan-Boran-Lewis-Paaren. Desweiteren sind detailliertere Untersuchungen zu deren Anwendung als Katalysator zur dehydrogenativen Kupplung von Phosphanboranen enthalten. Die erhaltenen Ergebnisse lassen sich in drei Teilbereiche gliedern: I. Synthese und Charakterisierung von Iridium(III)-Komplexen, die Aryldihydroboratliganden tragen, II. Arylphosphan-koordinierte Iridium(I)- und Iridium(III)-Komplexe, III. sowie Studien zur Reaktivität der zugrundeliegenden Iridiumpincerkomplexe gegenüber BH3-Addukten von primären Phosphanen. Diese führten zu ersten Ergebnissen in der homogen-katalytischen Dehydrokupplung von Phosphanboranen unter Verwendung der Iridiumpincerkomplexe als Katalysator. Der zweite Abschnitt der vorliegenden Arbeit gibt einen Einblick in die Chemie von Nickelkomplexen, die durch zyklische (Alkyl)(Amino) Carbene (cAACs) stabilisiert werden. Desweiteren sind Untersuchungen zu den Eigenschaften und zur Reaktivität der freien Carbene selbst enthalten. Die erhaltenen Ergebnisse lassen sich in vier Teilbereiche gliedern: I. Synthese und Charakterisierung von Nickelkomplexen, die durch zyklische (Alkyl)(Amino) Carbene stabilisiert werden, II. welche die Bestimmung und Quantifizierung von deren sterischen und elektronischen Eigenschaften zulassen, III. erste Studien zur Reaktivität dieser neuartigen Nickelkomplexe, sowie IV. Untersuchungen zur C–F- und C–H-Bindungsaktivierung am Carbenkohlenstoffatom der entsprechenden zyklische (Alkyl)(Amino) Carbene.

Calcium phosphate biocements are inherently brittle materials due to their ceramic nature. Hence, currently applied cement formulations are only indicated for non-load bearing application sites. An approach to reduce cement brittleness is based on the use of cement – polymer composites, which combine the flexibility of a polymeric phase with the hardness and compression strength of a cement matrix. Here, a relatively new strategy is the use of “dual-setting” cements, in which the polymeric phase is simultaneously build up from monomers or prepolymers during cement setting. This approach largely maintains basic properties of the fresh paste such as rheology or setting time. Previous works on such dual setting cements were dealing with a radical polymerization reaction to create the polymeric network. This type of reaction requires the addition of a suitable initiator system (e.g. a tertiary amine in conjunction with ammonium peroxosulfate), which are often cytotoxic and may interfere with the cement setting conditions. The current thesis dealt with alternative strategies, in which the cross-linking and gelation of the second (polymeric or inorganic) cement phase is initiated by the chemical conditions of the setting reaction such that no additional initiator has to be added to the cement paste. In a first approach a six armed star molecule functionalized with isocyanate groups as reactive termini (NCO–sP(EO-stat-PO)) was used to build up a hydrogel matrix, which was then subsequently mineralized with hydroxyapatite nanocrystals following the hydrolysis of incorporated -tricalcium phosphate particles. The stimulus to initiate hydrogel cross-linking are water molecules, which subsequently hydrolyzed isocyanate groups to amines, which then cross-linked with unreacted isocyanate to form urea-bonds. Here, it was possible to show the advantages features of a dual setting system in comparison to the simple combination of hydrogels with unreactive filler particles. By the formation of the cement matrix within the hydrogel a strength improvement by the factor of 30 could be observed. Furthermore, by applying a dual setting system higher mineral concentrations are realizable. The mechanical properties such as elasticity, compression strength and E-modulus of a composite with 30 wt% NCO–sP(EO-stat-PO) were found to be similar to the properties of cancellous bone. With the motivation to develop a dual setting and resorbable cement, a brushite (CaHPO4·2H2O) forming cement was modified with a second inorganic silica based precursor. The latter was obtained by pre-hydrolysing tetraethyl orthosilicate (TEOS) under acidic conditions. This silica precursor was mixed with a cement powder composed of ß-tricalcium phosphate and monocalcium phosphate, whereas cement setting occurred by a dissolution–precipitation process to form a matrix of brushite. Simultaneously, the increase of the pH during setting from initially 1-2 to values > 4 initiated the condensation reaction of the hydrolysed TEOS. This resulted in an interpenetrating phase composite material in which the micropores of the cement were filled with the nanoporous silica gel. This resulted in a higher density and a compressive strength of 24 MPa, which is approximately 5-10 times higher than the CPC reference at the same powder to liquid ratio. The microporous character of the composites also altered the release of vancomycin as a model drug, whereby in contrast to the quantitative release from the CPC reference, approx. 25 % of the immobilised drug remained in the composite matrix. It was also observed, that a variation of the TEOS content in the composite enabled a control over cement phase composition to form either brushite, anhydrous monetite or a biphasic mixture of both. Cytocompatibility tests revealed that composites with the highest silicate content showed an increased cell proliferation compared to the silica-free brushite reference. Proliferation was found to be similar to a hydroxyapatite reference with a significant higher activity per cell. Mechanistically, the improved biological response could not be attributed to the released silicate ions, but to a decreased release of phosphate and adsorption of magnesium ions from the cell culture medium. Finally, an investigated dual setting cement system was based on the combination of a brushite forming cement powder with an aqueous silk fibroin solution. Here, changes of both ion concentration and pH during cement setting were shown to build up an interpenetrating fibroin – brushite composite with combined properties of the elastic polymer and the rigid cement. Mechanistically, the low pH of the cement paste (2) as well as the free Ca2+ ions during setting resulted in a conformation change of the dissolved fibroin from random coil to ß-sheet structure. This leads to a rapid gelation and contraction of the fibroin phase with a self-densifying effect on the cement paste. The set composites showed typical ductile fracture behavior under dry testing conditions and a high elasticity under wet conditions with a mechanical strength nearly an order of magnitude higher than the fibroin free cement reference. Cell number and activity against MG63 cells were strongly increased on silk fibroin cement composite surfaces at later time points, which could be again attributed to a decreased ion release and adsorption compared to the fibroin free cements. This in turn slowed down the in vitro degradation of the CPC phase in such composites. / Calciumphosphat-Knochenzemente sind auf Grund ihrer keramischen Struktur inhärent spröde Werkstoffe, weswegen sie gegenwärtig nur für nicht-kraftbelastete Anwendungsbereiche verwendet werden. Ein Ansatz zur Verringerung des spröden Verhaltens basiert auf der Verwendung von Zement – Polymer Kompositen, welche die Flexibilität der Polymerphase mit der hohen Härte und Druckfestigkeit des Zements vereinen. Eine relativ neue Strategie sind dabei sogenannte dual-härtende Zemente, in denen die Polymerphase aus Monomeren bzw. Präpolymeren simultan zur Abbindereaktion des Zements aufgebaut wird. Dieser Ansatz ist insofern vorteilhaft, als dass die grundlegenden Eigenschaften der Zementpaste, wie etwa deren Rheologie oder Abbindedauer, hierbei weitgehend erhalten bleiben. In frühere Arbeiten zu dual-härtenden Knochenzementen wurden die Monomere radikalisch vernetzt. Die dabei notwendigen Initiatorsysteme (z.B. tertiäres Amin und Ammoniumperoxosulfat) sind jedoch zytotoxisch und können zudem mit der Zementreaktion nachteilig interferieren. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich deshalb mit alternativen Lösungstrategien, bei denen die Vernetzung der sekundären (organischen oder anorganischen) Zementphase durch die Reaktionsbedingungen der Zementpaste initiiert wird, sodass kein zusätzlicher Initiator der Paste zugesetzt werden muss. In einem ersten Ansatz wurden Isocanat-modifizierte, sternförmige Präpolymere (NCO–sP(EO-stat-PO)) zum Aufbau der Hydrogelmatrix durch Hydrolyse von zugesetzten α-Tricalciumphosphat Partikeln schrittweise mit Hydroxylapatit Nanokristalliten mineralisiert. Die Vernetzung des Hydrogels in der Paste wurde durch Wasser stimuliert, wobei in einem zunächst Isocyanatgruppen zu Aminen hydrolysiert wurden, die anschließend mit weiterem Isocyanat zu Urethanbindungen reagierten. Hier konnte der Vorteil von dualhärtenden Systemen im Vergleich zu Hydrogelen, denen nichtreaktive Partikel untergemischt werden, gezeigt werden. Durch den Aufbau der Zementmatrix im Hydrogel ergab sich eine um den Faktor 30 erhöhte Festigkeit. Zusätzlich ermöglicht diese Vorgehensweise den Einsatz von erhöhten Mineralgehalten. Die mechanischen Eigenschaften der Komposite mit 30 Gew.% NCO–sP(EO-stat-PO) wie Elastizität, Druckfestigkeit und E-Modul waren dabei vergleichbar mit den Eigenschaften von spongiösem Knochen. Mit dem Ziel einen dualhärtenden, resorbierbaren Zement zu entwickeln, wurde ein Bruschit (CaHPO4·2H2O) bildender Zement mit einer zweiten anorganischen Matrix aus einem silikatischen Precursor modifiziert. Letzterer wurde durch Hydrolyse von Tetraethylorthosilikat (TEOS) unter sauren Bedingungen hergestellt. Das so erhaltene Silicasol wurde anschließend mit dem Zementpulver aus β-Tricalciumphosphat und primärem Calcium-bis-dihydrogenphosphat gemischt, wodurch die Zementreaktion zu Bruschit durch einen Lösungs – Fällungsmechanismus gestartet wurde. Der zeitgleich einsetzende Anstieg des pH-Werts von initial 1-2 auf Werte im Bereich von >4 führt dabei zur Kondensation des Silicasols. Resultat waren interpenetrierende Netzwerke, wobei die Mikroporen der Bruschitzementmatrix mit dem nanoporösem Silicagel gefüllt sind. Dadurch ergibt sich eine höhere Dichte der Zementmatrix und eine mit 24 MPa um den Faktor 5-10 höhere Druckfestigkeit der Komposite gegenüber der Referenz bei gleich bleibendem Pulver-Flüssigkeits-Verhältnis. Der nanoporöse Charakter des Komposites beeinflusst die Freisetzung von Vancomycin als Modellwirkstoff, wobei im Gegensatz zur silicafreien Referenz ca. 25% des Wirkstoffs in der Matrix verblieben. Die Variation des TEOS Gehalts ermöglichte zeitgleich die gezielte Beeinflussung der Zusammensetzung der mineralischen Zementphase mit Bildung von Bruschit, dessen Anhydrid Monetit oder Mischungen aus beiden Verbindungen. Zytokompatibilitätstests an den Kompositen zeigten, dass die höchsten Silicagehalte zu einer verbesserten Proliferation von Zellen auf den Oberflächen gegenüber der silicafreien Referenz führten. Das Zellwachstum war vergleichbar mit einer Referenz aus Hydroxylapatit, wobei deutlich höhere Aktivitäten pro Zelle gemessen wurden. Mechanistisch konnte die verbesserte Zytokompatibilität nicht der Freisetzung von Silikationen zugeordnet werden, vielmehr war eine verminderte Freisetzung von Phosphat und eine geringere Tendenz zur Adsorption von Magnesiumionen aus dem Zellkulturmedium der Grund. Ein abschließender Ansatz bestand aus der Kombination aus einem Bruschit-bildenden Zement und einer wässrigen Seidenfibroin-Lösung. Hier erfolgte der Aufbau der interpenetrierenden Bruschit – Fibroin Netzwerke über den sauren pH-Wert sowie den Anstieg der Ionenkonzentration im System durch die ablaufende Zementreaktion. Somit werden die Eigenschaften des elastischen Polymers und der festen Zementphase erfolgreich kombiniert. Mechanistisch führt dabei der initial saure pH Wert (2) und die während der Reaktion vorhandenen freien Ca2+ Ionen zu einer Konformationsänderung des gelösten Fibroins von eine Zufallsstruktur hin zur β-Faltblattstruktur. Dies führt zur schnellen Gelierung und Kontraktion der Fibroinphase, einhergehend mit einer Selbstverdichtung der gesamten Paste. Die abgebundenen Komposite zeigten typischerweise duktile Brucheigenschaften im trockenen Zustand und eine hohe Elastizität unter wässrigen Testbedingungen, wobei sich um eine Größenordnung höhere Festigkeiten gegenüber der fibroinfreien Referenz ergaben. Zellzahl und Aktivität von MG63 Zellen waren auf den Seidenfibroin-Zementkompositen bei späteren Messzeitpunkten deutlich erhöht, was ebenfalls auf eine geringere Ionenfreisetzung bzw. -adsorption aus dem Medium rückgeführt werden kann. Zeitgleich konnte hierdurch die in vitro Degradation der Zementphase in solchen Kompositen verringert werden.

The aim of the present work was to determine the breast adipose tissue composition regarding fatty acids, cholesterol and (aut)oxidation products of cholesterol in women without breast cancer and to identify associated variables. Thus the necessary methods were optimized and validated where required and the breast adipose tissues of women without breast cancer were collected and analyzed. The gas chromatography with flame ionization detection was optimized for detection and separation of 37 relevant fatty acids. Fifty breast adipose tissues were analyzed using the optimized method. 26 fatty acids were detected in breast adipose tissues. The median proportion of saturated (sum of 11 fatty acids), monounsaturated (sum of 5 fatty acids), polyunsaturated (sum of 9 fatty acids) and one trans fatty acid were 34.6%, 53.2%, 12.1% and 0.3% respectively. Moreover, absolute levels of pentadecanoic acid (median: 0.37 mg/g, range: 0.08 - 1.31 mg/g), elaidic acid (median: 0.50 mg/g, range: 0.09 - 1.92 mg/g), linolenic acid (median: 0.88 mg/g, range: 0.10 - 3.06 mg/g) and docosahexaenoic acid (median: 0.31 mg/g, range: 0.04 - 1.80 mg/g) were determined in breast adipose tissues for the first time. These four fatty acids are indicative for consumption of dairy products, processed fats, vegetable oils such as flax seed oil and fish respectively. Furthermore, for the investigation of cholesterol in breast adipose tissues a gas chromatography was optimized and validated. The accuracies of the method in three independent spiked samples with low, medium and high levels of cholesterol were 99.1 ± 10.1%, 87.0 ± 11.2%, and 103.4 ± 4.6% with precisions of 2.1, 2.1, and 0.8% respectively. Using external calibration with internal standard cholesterol was quantified in samples (median: 1.1 mg/g, range: 0.7 - 1.5 mg/g). In order to detect (aut)oxidation products of cholesterol, gas chromatography coupled triple quadrupole mass spectrometry was optimized and validated. The accuracy was between 81.6% and 115.7% and precisions for low, medium and high oxy-cholesterols levels were below 10.0%. The quantitative determination of (aut)oxidation products of cholesterol was established using external calibration with an internal standard. The most abundant oxy-cholesterol was 5,6β-Epoxy- (median: 147.2 ng/g, range: 25.7 – 624.2 ng/g), followed by 5,6α-Epoxy- (median: 34.6 ng/g, range: 9.9 – 124.7 ng/g), 7-Keto- (median: 19.1 ng/g, range: 7.9 – 220.6 ng/g), 7α-Hydroxy- (median: 10.2 ng/g, range: 3.8 – 111.3 ng/g) and 7β-Hydroxy-Cholesterol (median: 3.5 ng/g, range: 1.0 – 45.6 ng/g) respectively. Median oxy-cholesterol/cholesterol ratios ranged from 0.0001 (5,6β-Epoxy-Cholesterol) to 0.000003 (7β-Hydroxy-Cholesterol). Finally the associations between fatty acids, cholesterol and oxy-cholesterol were investigated using Spearman’s rank correlation. Absolute levels of elaidic acid were positively correlated with levels of linolenic and docosahexaenoic acid (R = 0.79, 0.68, p < 0.01). Absolute levels of linolenic acid were positively associated with levels of docosahexaenoic acid (R = 0.81, p < 0.01). Moreover, relative proportions of saturated fatty acids capric, myristic, palmitic and stearic acid were negatively correlated with oleic acid (R = -0.36, -0.71, -0.65, -0.39, p < 0.05). Tissue levels of cholesterol were not correlated with levels of 5,6α/β-Epoxy-Cholesterols but were negatively associated with that of 7α-Hydroxy-, 7β-Hydroxy- and 7-Keto-Cholesterol (R = -0.29, -0.32, -0.29 p = 0.04, 0.02, 0.04). Levels of 7-Keto- and 7-Hydoxy-Cholesterol were strongly correlated with each other (R = 0.81, 0.91, p < 0.01) and, weaker, with 5,6α/β-Epoxy-Cholesterols (R = 0.60-0.70, p < 0.01). 5,6α/β-Epoxy-Cholesterols were associated positively with each other (R = 0.90, P < 0.01). Total oxy-cholesterol, 7β-Hydroxy-Cholesterol, and 5,6β-Epoxy-Cholesterol levels were correlated with relative proportions of elaidic acid (R = 0.30, 0.30, and 0.31 respectively, p = 0.04, 0.03, 0.03, respectively), whereas no correlation was observed between levels of oxy-cholesterols and relative proportion of pentadecanoic acid, linolenic acid and docosahexaenoic acid. Furthermore, Spearman’s rank correlation was performed to investigate the relationship of fatty acids, cholesterol and oxy-cholesterol with age and body mass index. The relative proportions of total saturated fatty acids were negatively correlated with age (R = -0.47, p < 0.01) and body mass index (R = -0.29, p = 0.05). A positive significant correlation was observed between proportions of oleic acid and body mass index (R = 0.32, p = 0.02). There was no correlation between levels of cholesterol and body mass index or age. Likewise, no correlations of oxy-cholesterol levels with age or body mass index were observed. In sum, in this work the quantification methods of cholesterol and oxy-cholesterol were validated. The validation data met the criteria according to the FDA guideline. Using the validated methods the absolute levels of cholesterol and oxy-cholesterols were determined in breast adipose tissue of human females for the first time. / Brust-Fettgewebe ist in der Entwicklung und Funktion der weiblichen Brust durch komplexe Interaktionen mit Stroma beteiligt. Allerdings gibt es nur wenige Informationen über die quantitative Lipid-Zusammensetzung in Brust-Fettgewebe in Hinblick auf Substanzen wie Fettsäuren, Cholesterin und (Aut)Oxidationsprodukt von Cholesterin. Fettsäuren spielen eine wichtige Rolle in der menschlichen Gesundheit. Einige Studien deuten darauf hin, dass spezifische Arten von ungesättigten Fettsäuren (wie Omega-6-Fettsäuren) an der Tumorentstehung beteiligt sein können und im Gegensatz dazu können Omega-3-Fettsäuren präventive Wirkungen haben. Weiterhin können (Aut)Oxidationsprodukte von Cholesterin wie 7α-Hydroxy-Cholesterin, 7β-Hydroxy-Cholesterin, 7-Keto-Cholesterin, 5,6α-Epoxy-Cholesterin und 5,6β-Epoxy-Cholesterin Entzündungsprozesse beeinflussen. Darüber hinaus gibt es in Brust-Fettgewebe von Frauen ohne Brustkrebs wenig Informationen über das Profil von Fettsäuren, und der absolute Gehalt an Fettsäuren, das charakteristisch beeinflusst werden durch den Verzehr von bestimmten Lebensmitteln, wie Milchprodukten (Pentadecansäure), künstlich modifizierten Fetten (Elaidinsäure), Pflanzenölen wie Leinsamenöl (Linolensäure) und Fisch (Docosahexaensäure), noch nicht bestimmt wurden. Außerdem wurden quantitative Profile von Oxy-Cholesterinen und Cholesterin in Brust-Fettgewebe noch nicht bestimmt. Weiterhin ist nicht bekannt, ob Fettsäuren, Oxy-Cholesterinen und Cholesterin zum einen miteinander und zum anderen mit physiologischen Parametern wie dem Alter oder dem Body-Mass-Index assoziiert sind. Daher war das Ziel der vorliegenden Arbeit, das Brust-Fettgewebe von Frauen ohne Brustkrebs, die sich aus rein Kosmetischen Gründen einer Brustverkleinerung (Reduktions-Mammaplastik) unterzogen haben, zu sammeln um die Zusammensetzung in Bezug auf Fettsäuren, Cholesterin und (Aut)Oxidationsprodukte von Cholesterin zu untersuchen und hierzu entsprechende Methoden zu optimieren und validieren. Anschließend sollte mit geeigneten statistischen Methoden geprüft werden, ob ein Zusammenhang zwischen Fettsäuren, Cholesterin und Oxy-Cholesterinen untereinander und mit physiologischen Faktoren wie dem Alter und dem Body-Mass-Index besteht. Für den Nachweis und die Trennung von 37 relevanten Fettsäuren wurde eine Methode mit gaschromatographischer Trennung und Flammenionisationsdetektion optimiert. Mit dieser optimierten Methode wurden 50 Brust-Fettgewebe analysiert. Der mittlere Fettsäureanteil (Median) von gesättigten (insgesamt 11 Fettsäuren), einfach ungesättigten (insgesamt 5 Fettsäuren), mehrfach ungesättigten Fettsäuren (insgesamt 9 Fettsäuren) und einer trans-Fettsäure lag bei 34,6%, 53,2%, 12,1% und 0,3%. Darüber hinaus wurde zum ersten Mal der absolute Gehalt von Pentadecansäure (Median: 0,37 mg/g, Bereich: 0,08 - 1,31 mg/g), Elaidinsäure (Median: 0,50 mg/g, Bereich: 0,09 - 1,92 mg/g), Linolensäure (Median: 0,88 mg/g, Bereich: 0,10 - 3,06 mg/g) und Docosahexaensäure (Median: 0,31 mg/g, Bereich: 0,04 - 1,81 mg/g) in Brust-Fettgeweben bestimmt. Pentadecansäure, Elaidinsäure, Linolensäure and Docosahexaensäure sind bezeichnend für den Verzehr von Milchprodukten, Künstlich modifizierte Fette, Pflanzenöle wie Leinsamenöl und Fische. Weiterhin wurde nach gaschromatographischer Trennung mit anschließender Flammenionisationsdetektion der absolute Gehalt an Cholesterin in Brust-Fettgewebe von Frauen bestimmt. Die gaschromatographische Trennung wurde optimiert und die Methode validiert. Die Richtigkeit der Bestimmung wurde in drei unabhängigen Proben für einen niedrigen, mittleren und hohen Cholesteringehalt bestimmt und lag bei 99,1 ± 10,1%, 87,0 ± 11,2% und 103,4 ± 4,6% mit der Präzision von 2,1, 2,1 bzw. 0,8%. Der absolute Gehalt an Cholesterin, der mit externer Kalibrierung mittels eines internen Standards bestimmt wurde, lag zwischen 0,7 und 1,5 mg/g (Median: 1,1 mg/g). Zur Erfassung von Oxy-Cholesterinen in den Brustfettgeweben wurde eine gaschromatographische Trennung mit anschließender Detektion mittels eines Triple-Quadrupol-Massenspektrometers im Multiple Reaction Monitoring Modus optimiert und validiert. Die Richtigkeiten der Bestimmung lagen zwischen 81,6% und 115,7% und die Präzision lagen unter 10,0%. Die quantitative Bestimmung von (Aut)Oxidationsprodukten von Cholesterin wurde mittels externer Kalibrierung mit internem Standard durchgeführt. Das am häufigsten vorkommende Oxy-Cholesterin war 5,6β-Epoxy (Median: 147,2 ng/g, Bereich: 25,7 – 624,2 ng/g), gefolgt von 5,6α-Epoxy (Median: 34,6 ng/g, Bereich: 9,9 – 124,7 ng/g), 7-Keto (Median: 19,1 ng/g, Bereich: 7,9 – 220,6 ng/g), 7α-Hydroxy (Median: 10,2 ng/g, Bereich: 3,8 – 111,3 ng/g) und 7β-Hydroxy (Median: 3,5 ng/g, Bereich: 1,0 – 45,6 ng/g). Der Median des Oxy-Cholesterin/Cholesterin-Verhältnisses reichte von 0,0001 (5,6β-Epoxy-Cholesterin) bis 0,000003 (7β-Hydroxy-Cholesterin). Schließlich wurden die Korrelation zwischen Fettsäuren, Cholesterin und Oxy-Cholesterinen mithilfe der Spearman-Korrelation untersucht. Die absolute Gehalte an Elaidinsäure korrelierte positiv mit den Gehalten an Linolensäure und Docosahexaensäure (R = 0,79, 0,68, p < 0,01). Die Gehalte an Linolensäure waren positiv mit denen von Docosahexaensäure assoziiert (R = 0,81, p < 0,01). Darüber hinaus korrelierten die relative Anteile an gesättigten Fettsäuren Caprin-, Myristin-, Palmitin- und Stearinsäure negativ mit denen von Ölsäure (R = -0,36, -0,71, -0,65, -0,39, p < 0,05). Die Gehalte an Cholesterin korrelierten nicht mit denen von 5,6α/β-Epoxy-Cholesterin und waren negativ assoziiert mit denen von 7α-Hydroxy-, 7β-Hydroxy- und 7-Keto-Cholesterin (R = -0,29, -0,32, -0,29, p = 0,04, 0,02, 0,04). Die Gehalte von 7-Keto- und 7-Hydoxy-Cholesterin korrelierten stark miteinander (R = 0,81, 0,91, p < 0,01) und eine schwächere Korrelation mit denen von 5,6α/β-Epoxy-Cholesterin (R = 0,60-0,70, p < 0,01) wurde beobachtet. 5,6α/β-Epoxy-Cholesterin waren positiv miteinander assoziiert (R = 0,90, P < 0,01). Der Gesamt-Oxy-Cholesteringehalt, 7β-Hydroxy-Cholesterin und 5,6β-Epoxy-Cholesterin korrelierten mit dem relativen Fettsäureanteil von Elaidinsäure (R = 0,30, 0,30 bzw. 0,31 p = 0,04, 0,03, 0,03). Dagegen wurde keine Korrelation zwischen den Gehalten von Oxy-cholesterinen und dem Anteil an Pentadecansäure, Linolensäure und Docosahexaensäure beobachtet. Darüber hinaus wurde die Spearman-Korrelation durchgeführt, um einen möglichen Zusammenhang von Fettsäuren, Cholesterin und Oxy-Cholesterinen mit dem Alter und dem Body-Mass-Index zu untersuchen. Die Fettsäureanteile der gesättigten Fettsäuren korrelierten negativ mit dem Alter (R = -0,47, p < 0,01) und dem Body-Mass-Index (R = -0,29, p = 0,05). Es wurde eine signifikant positive Korrelation zwischen dem Anteil an Ölsäure und dem Body-Mass-Index (R = 0,32, p = 0,02) beobachtet. Es gab keine Korrelation zwischen den Gehalten von Cholesterin und dem Body-Mass-Index oder dem Alter. Ebenso wurden keine Korrelationen von Oxy-Cholesterinen mit dem Alter oder Body-Mass-Index beobachtet. Zusammengefasst wurden die Quantifizierungsmethoden für Cholesterin und Oxy-Cholesterine validiert. Die Validierungsdaten entsprechen den Kriterien nach der FDA-Richtlinie. Mit den validierten Methoden wurden die absoluten Werte von Cholesterin und Oxy-Cholesterinen erstmals in Brust-Fettgewebe von Frauen bestimmt.

G protein-coupled receptor research looks out for new technologies to elucidate the complex processes of receptor activation, function and downstream signaling with spatiotemporal resolution, preferably in living cells and organisms. A thriving approach consists in making use of the unsurpassed properties of light, including its high precision in space and time, noninvasiveness and high degree of orthogonality regarding biological processes. This is realized by the incorporation of molecular photoswitches, which are able to effectively respond to light, such as azobenzene, into the structure of a ligand of a given receptor. The muscarinic acetylcholine receptors belong to class A GPCRs and have received special attention in this regard due to their role as a prototypic pharmacological system and their therapeutic potential. They mediate the excitatory and inhibitory effects of the neurotransmitter acetylcholine and thus regulate diverse important biological processes, especially many neurological functions in our brain. In this work, the application of photopharmacological tool compounds to muscarinic receptors is presented, consisting of pharmacophores extended with azobenzene as light-responsive motif. Making use of the dualsteric concept, such photochromic ligands can be designed to bind concomitantly to the orthosteric and allosteric binding site of the receptor, which is demonstrated for BQCAAI (M1) and PAI (M2) and may lead to subtype- and functionalselective photoswitchable ligands, suitable for further ex vivo and in vivo studies. Moreover, photoswitchable ligands based on the synthetic agonist iperoxo were investigated extensively with regard to their photochemical behavior and pharmacological profile, outlining the advantages and challenges of using red-shifted molecular photoswitches, such as tetraortho- fluoro azobenzene. For the first time on a GPCR it was examined, which impact the different substitution pattern has on both the binding and the activity on the M1 receptor. Results show that substituted azobenzenes in photopharmacological compounds (F4-photoiperoxo and F4-iper-azo-iper) not just represent analogs with other photophysical properties but can exhibit a considerably different biological profile that has to be investigated carefully. The achievements gained in this study can give important new insights into the binding mode and time course of activation processes, enabling precise spatial and temporal resolution of the complex signaling pathway of muscarinic receptors. Due to their role as exemplary model system, these findings may be useful for the investigation into other therapeutically relevant GPCRs. / Die Forschung an G-Protein-gekoppelten Rezeptoren verlangt nach neuen Technologien zur Aufklärung der komplexen Prozesse der Rezeptoraktivierung, -funktion und ihrer nachgeschalteten Signalwege mit räumlicher und zeitlicher Auflösung, vorzugsweise in lebenden Zellen und Organismen. Ein erfolgreicher Ansatz besteht darin, die unübertroffenen Eigenschaften des Lichts zu nutzen, welche die hohe Präzision in Raum und Zeit, die Nicht- Invasivität und die hohe Orthogonalität in Bezug auf biologische Prozesse einschließt. Dies wird durch den Einbau von molekularen Photoschaltern, wie z. B. Azobenzolen, in die Struktur eines Liganden eines bestimmten Rezeptors realisiert, welche effektiv auf Licht reagieren. Die muskarinischen Acetylcholin Rezeptoren gehören zur Klasse A der GPCRs und haben aufgrund ihrer Rolle als prototypisches pharmakologisches System und ihres therapeutischen Potenzials diesbezüglich besondere Beachtung gefunden. Sie vermitteln die stimulierenden und hemmenden Wirkungen des Neurotransmitters Acetylcholin und regulieren somit verschiedene wichtige biologische Prozesse, insbesondere viele neurologische Funktionen in unserem Gehirn. In dieser Arbeit wird die Anwendung photopharmakologischer „Tool“-Verbindungen auf die muskarinischen Rezeptoren vorgestellt, die aus Pharmakophoren bestehen, welche mit Azobenzol als lichtempfindlichem Motiv modifiziert wurden. Mit Hilfe des Konzepts der Dualsterie können solche photochromen Liganden so gestaltet werden, dass sie gleichzeitig an die orthosterische und allosterische Bindungsstelle des Rezeptors binden, was für BQCAAI (M1) und PAI (M2) gezeigt wurde und zu subtypen- und funktionsselektiven photoschaltbaren Liganden führen kann, die für weitere Ex- und In-Vivo-Studien geeignet sind. Darüber hinaus wurden photoschaltbare Liganden auf Basis des synthetischen Agonisten Iperoxo hinsichtlich ihres photochemischen Verhaltens und ihres pharmakologischen Profils ausführlich untersucht, um die Vorteile und Herausforderungen der Verwendung rotverschobener molekularer Photoschalter wie tetra-ortho-Fluor-azobenzol zu erläutern. Es wurde erstmals an einem GPCR untersucht, welche Auswirkungen das unterschiedliche Substitutionsmuster sowohl auf die Bindung, als auch auf die Aktivität am M1-Rezeptor hat. Diese Ergebnisse zeigen, dass substituierte Azobenzole in photopharmakologischen Verbindungen (F4-Photoiperoxo und F4-Iper-azo-iper) nicht nur Analoga mit anderen photophysikalischen Eigenschaften darstellen, sondern auch ein deutlich unterschiedliches biologisches Profil aufweisen können, das sorgfältig untersucht werden muss. Die in dieser Studie erzielten Ergebnisse geben neue und wichtige Einblicke in den Bindungsmodus und den zeitlichen Verlauf von Aktivierungsprozessen und ermöglichen eine präzise räumliche und zeitliche Auflösung der komplexen Signalwege von muskarinischen Rezeptoren. Aufgrund ihrer Rolle als exemplarisches Modellsystem können diese Befunde für die Untersuchung anderer therapeutisch relevanter GPCRs sehr nützlich sein.

In this work, a toolbox was provided to create three-component polymer conjugates with a defined architecture, designed to bear different biocomponents that can interact with larger biological systems in biomacromolecular recognition experiments. The target architecture is the attachment of two biomolecule ‘arms’ to the alpha telechelic end point of a polymer and fixating the conjugate to the gold surface of SAW and SPR sensor chips with the polymer’s other omega chain end. This specific design of a conjugate will be implemented by using a strategy to yield novel double alpha as well as omega telechelic functionalized POx and the success of all cascade reaction steps leading to the final conjugation product will be proven through affinity measurements between covalently bound mannose and ConA. All reactions were performed on a low molecular model level first and then transferred to telechelic and also side chain functionalized polymer systems. / In der vorliegenden Arbeit wurden hydrophile Polymere und Biomakromoleküle chemoselektiv und vicinal miteinander an einer Bindungsstelle verknüpft. Die Kombination der Native Chemical Ligation (NCL) mit der Thiol–En-Reaktion stellte hierfür eine geeignete Methode dar. Ein Machbarkeitsbeweis wurde anhand einer niedermolekularen Modellreaktion erbracht und nachfolgend unter der Verwendung von Polyoxazolinen auf makromolekulare Polymersysteme übertragen. Die erfolgreiche Darstellung der Konjugate wurde durch biomakromolekulare Bindungsaffinitäts-Messungen zu dem Lektin ConA bestätigt.