Neben der Komplexbildung mit kationischen Spezies hat das Gebiet der Anionenerkennung und -komplexierung in den letzten Jahren eine beeindruckende Entwicklung genommen, die zu vielfältigen neuen Ansätzen hinsichtlich Bindung und Stofftransport geführt hat. Diese beruhen einerseits auf neuen Erkenntnissen zur biologischen Rolle von Anionen und den dabei genutzten Prinzipien, sowie anderseits auf Fortschritten, welche die supramolekulare Chemie in diesem Zusammenhang durch den zielgerichteten Aufbau maßgeschneiderter Rezeptoren eröffnet. Gegenwärtig sind eine Vielzahl unterschiedlicher Liganden zur Komplexierung von Kationen und Anionen bekannt. Dabei ist besonders die Komplexbildung mit anionischen Spezies interessant ist, da zur Differenzierung geometrische Faktoren in Kombination mit multiplen elektrostatischen, hydrophoben und -Wechselwirkungen sowie Wasserstoffbrücken-bindungen genutzt werden. Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung neuer Azacryptanden sowie strukturanaloger Podandsysteme als Rezeptoren und Extraktionsmittel für Kationen und Anionen, mit Anwendungsoptionen in der Trenntechnik und Medizin. Es wurden sowohl die bei der Synthese primär gebildeten Schiffschen Basen, als auch die entsprechenden Aminverbindungen untersucht. Darüber hinaus waren strukturanaloge Azapodandsysteme von großem Interesse, da diese besondere Bindungseigenschaften mit sich bringen. Unter Einsatz der Flüssig-Flüssig-Extraktion konnten Struktur-Wirkungsbeziehungen zur Kationen- und Anionenbindung abgeleitet werden. Röntgenstrukturanalysen an ausgewählten Perrhenat- und Iodidkomplexen zeigen in Abhängigkeit von der Ligandprotonierung signifikante Unterschiede im Bindungsmuster.

Die Effektivität der Reaktivextraktion als Verfahren zur Stoffabtrennung aus wässrigen Lösungen mit organischen Lösungsmitteln lässt sich durch den Zusatz weiterer Stoffe deutlich steigern. Das können Co-Ionen, Lösungsvermittler und Stoffe sein, die die Phasengrenzfläche beeinflussen. Wichtigste Vertreter der letzteren Gruppe sind Tenside, die die Grenzflächenspannung zwischen den Phasen verringern. Sie werden in der industriellen Technik bereits seit Jahrzehnten mit gleich bleibendem Erfolg angewandt. Dabei sind die Vorgänge an der Phasengrenze, die durch die Tenside beeinflusst werden, noch nicht vollständig geklärt. In diesem Umfeld ist auch die vorliegende Arbeit entstanden. Sie soll bereits am Lehrstuhl vorliegende Arbeiten ergänzen. Gegenstand der Untersuchungen ist der Einfluss von Tensiden auf die Extraktion von Schwermetallionen im elektrischen Feld, hier untersucht an dem kationischen Tensid Hexadecyltrimethylammoniumbromid (CTAB). Als Untersuchungsmethode wird die Polarographie verwendet. Der Ladungsdurchtritt durch die Grenzfläche Wasser/Quecksilber und deren Beeinflussung durch das Tensid werden für die Metallionen von Zink, Cadmium, Blei und Chrom bei unterschiedlichen pH-Werten untersucht. Es zeigt sich, dass die Modifizierung der Grenzfläche nur einen Teil der Beeinflussung ausmacht, weitere entstehen durch die chemische Modifizierung der vorhandenen Spezies. Weiterhin kann abgeleitet werden, dass trotz chemischer Verwandtschaft der eingesetzten Systeme eine klare Vorhersage der Beeinflussung nur begrenzt möglich ist. Der grundlegende Trend von Systemen mit chemisch ähnlicher Zusammensetzung ist zwar der gleiche, jedes System reagiert jedoch individuell in Abhängigkeit der genauen stofflichen Zusammensetzung und der Versuchsbedingungen, so dass stets konkrete Voruntersuchungen notwendig erscheinen.

Neben der Komplexbildung mit kationischen Spezies hat das Gebiet der Anionenerkennung und -komplexierung in den letzten Jahren eine beeindruckende Entwicklung genommen, die zu vielfältigen neuen Ansätzen hinsichtlich Bindung und Stofftransport geführt hat. Diese beruhen einerseits auf neuen Erkenntnissen zur biologischen Rolle von Anionen und den dabei genutzten Prinzipien, sowie anderseits auf Fortschritten, welche die supramolekulare Chemie in diesem Zusammenhang durch den zielgerichteten Aufbau maßgeschneiderter Rezeptoren eröffnet. Gegenwärtig sind eine Vielzahl unterschiedlicher Liganden zur Komplexierung von Kationen und Anionen bekannt. Dabei ist besonders die Komplexbildung mit anionischen Spezies interessant ist, da zur Differenzierung geometrische Faktoren in Kombination mit multiplen elektrostatischen, hydrophoben und -Wechselwirkungen sowie Wasserstoffbrücken-bindungen genutzt werden. Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung neuer Azacryptanden sowie strukturanaloger Podandsysteme als Rezeptoren und Extraktionsmittel für Kationen und Anionen, mit Anwendungsoptionen in der Trenntechnik und Medizin. Es wurden sowohl die bei der Synthese primär gebildeten Schiffschen Basen, als auch die entsprechenden Aminverbindungen untersucht. Darüber hinaus waren strukturanaloge Azapodandsysteme von großem Interesse, da diese besondere Bindungseigenschaften mit sich bringen. Unter Einsatz der Flüssig-Flüssig-Extraktion konnten Struktur-Wirkungsbeziehungen zur Kationen- und Anionenbindung abgeleitet werden. Röntgenstrukturanalysen an ausgewählten Perrhenat- und Iodidkomplexen zeigen in Abhängigkeit von der Ligandprotonierung signifikante Unterschiede im Bindungsmuster.

Die Effektivität der Reaktivextraktion als Verfahren zur Stoffabtrennung aus wässrigen Lösungen mit organischen Lösungsmitteln lässt sich durch den Zusatz weiterer Stoffe deutlich steigern. Das können Co-Ionen, Lösungsvermittler und Stoffe sein, die die Phasengrenzfläche beeinflussen. Wichtigste Vertreter der letzteren Gruppe sind Tenside, die die Grenzflächenspannung zwischen den Phasen verringern. Sie werden in der industriellen Technik bereits seit Jahrzehnten mit gleich bleibendem Erfolg angewandt. Dabei sind die Vorgänge an der Phasengrenze, die durch die Tenside beeinflusst werden, noch nicht vollständig geklärt. In diesem Umfeld ist auch die vorliegende Arbeit entstanden. Sie soll bereits am Lehrstuhl vorliegende Arbeiten ergänzen. Gegenstand der Untersuchungen ist der Einfluss von Tensiden auf die Extraktion von Schwermetallionen im elektrischen Feld, hier untersucht an dem kationischen Tensid Hexadecyltrimethylammoniumbromid (CTAB). Als Untersuchungsmethode wird die Polarographie verwendet. Der Ladungsdurchtritt durch die Grenzfläche Wasser/Quecksilber und deren Beeinflussung durch das Tensid werden für die Metallionen von Zink, Cadmium, Blei und Chrom bei unterschiedlichen pH-Werten untersucht. Es zeigt sich, dass die Modifizierung der Grenzfläche nur einen Teil der Beeinflussung ausmacht, weitere entstehen durch die chemische Modifizierung der vorhandenen Spezies. Weiterhin kann abgeleitet werden, dass trotz chemischer Verwandtschaft der eingesetzten Systeme eine klare Vorhersage der Beeinflussung nur begrenzt möglich ist. Der grundlegende Trend von Systemen mit chemisch ähnlicher Zusammensetzung ist zwar der gleiche, jedes System reagiert jedoch individuell in Abhängigkeit der genauen stofflichen Zusammensetzung und der Versuchsbedingungen, so dass stets konkrete Voruntersuchungen notwendig erscheinen.

Die Entwicklung neuer Verfahren für die Rückführung von Palladium aus Altmaterialien, wie gebrauchten Autoabgaskatalysatoren, in den Stoffstromkreislauf ist sowohl aus ökologischer als auch ökonomischer Sicht erstrebenswert. In dieser Arbeit wurden neue Flüssig-Flüssig- und Fest-Flüssig-Extraktionsmittel entwickelt, mit denen Palladium(II) aus einer oxidierenden, salzsauren Laugungslösung, die neben Palladium auch Platin und Rhodium sowie zahlreiche unedle Metalle enthält, zurückgewonnen werden kann. Die neuen Extraktionsmittel ungesättigte monomere 1,2-Dithioether und oligomere Ligandenmischungen mit vicinalen Dithioether-Einheiten – sind im Gegensatz zu vielen in der Literatur aufgeführten Extraktionsmitteln hochselektiv. Aufgrund ihrer geometrischen und elektronischen Präorganisation bilden sie mit Palladium(II) stabile quadratisch-planare Chelatkomplexe. Für die Entwicklung des Flüssig-Flüssig-Extraktionsmittels wurde eine Reihe von ungesättigten 1,2-Dithioetherliganden dargestellt, welche auf einer starren 1,2-Dithioethen-Einheit, die in ein variierendes elektronenziehendes Grundgerüst eingebettet ist, basieren und polare Seitenketten besitzen. Neben der Bestimmung der Kristallstrukturen der Liganden und ihrer Palladiumdichlorid-Komplexe wurden die elektro- und photochemischen Eigenschaften, die Komplexstabilität und das Verhalten in Lösung untersucht. In Flüssig-Flüssig-Extraktionsuntersuchungen konnte gezeigt werden, dass einige der neuen Liganden industriell genutzten Extraktionsmitteln durch eine schnellere Einstellung des Extraktionsgleichgewichts überlegen sind. Anhand von Kriterien, die für eine industrielle Nutzbarkeit entscheidend sind, wie: guter Oxidationsbeständigkeit, einer hohen Extraktionsausbeute (auch bei hohen Salzsäurekonzentrationen der Speiselösung), schneller Extraktionskinetik und einer hohen Selektivität für Palladium(II) wurde aus der Reihe der sechs Liganden ein geeignetes Flüssig-Flüssig-Extraktionsmittel ausgewählt: 1,2-Bis(2-methoxyethylthio)benzen. Mit diesem wurde ein praxisnahes Flüssig-Flüssig-Extraktionssystem entwickelt. Nach der schrittweisen Adaption der wässrigen Phase von einer Modelllösung hin zu der oxidierenden, salzsauren Laugungslösung erfolgte die Auswahl eines geeigneten großtechnisch, einsetzbaren Lösemittels (1,2-Dichlorbenzen) und eines effizienten Reextraktionsmittels (0,5 M Thioharnstoff in 0,1 M HCl). Die hohe Palladium(II)-Selektivität dieses Flüssig-Flüssig-Extraktionssystems konnte verifiziert und seine Wiederverwendbarkeit und Praxistauglichkeit unter Beweis gestellt werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich beim Kontakt mit oxidierenden Medien aus dem Dithioether 1,2-Bis(2-methoxyethylthio)benzen geringe Mengen des Thioethersulfoxids 1-(2-Methoxyethylsulfinyl)-2-(2-methoxyethylthio)benzen bilden. Dieses wird im sauren Milieu protoniert und beschleunigt die Extraktion wie ein Phasentransferkatalysator, ohne jedoch die Palladium(II)-Selektivität herabzusetzen. Die Kristallstruktur des Palladiumdichlorid-Komplexes des Tioethersulfoxids zeigt, dass der unprotonierte Ligand Palladium(II), analog zum Dithioether, über die chelatisierenden Schwefelatome koordiniert. Verschiedene Mischungen von Oligo(dithioether)-Liganden und der monomere Ligand 1,2-Bis(2-methoxyethylthio)benzen dienten als Extraktionsmittel für Fest-Flüssig-Extraktionsversuche mit SIRs (solvent impregnated resins) und wurden zu diesem Zweck auf hydrophilem Kieselgel und organophilem Amberlite® XAD 2 adsorbiert. Die Oligo(dithioether)-Liganden basieren auf 1,2-Dithiobenzen oder 1,2-Dithiomaleonitril-Einheiten, welche über Tris(oxyethylen)ethylen- oder Trimethylen-Brücken miteinander verknüpft sind. Mit Hilfe von Batch-Versuchen konnte gezeigt werden, dass sich strukturelle Unterschiede - wie die Art der chelatisierenden Einheit, die Art der verbrückenden Ketten und das Trägermaterial - auf die Extraktionsausbeuten, die Extraktionskinetik und die Beladungskapazität auswirken. Die kieselgelhaltigen SIRs stellen das Extraktionsgleichgewicht viel schneller ein als die Amberlite® XAD 2-haltigen. Jedoch bleiben die Extraktionsmittel auf Amberlite® XAD 2, im Gegensatz zu Kieselgel, dauerhaft haften. Im salzsauren Milieu sind die 1,2-Dithiobenzen-derivate besser als Extraktionsmittel geeignet als die 1,2-Dithiomaleonitrilderivate. In Säulenversuchen mit der oxidierenden, salzsauren Laugungslösung und wiederverwendbaren, mit 1,2-Dithiobenzenderivaten imprägnierten, Amberlite® XAD 2-haltigen SIRs zeigte sich, dass für die Realisierung hoher Beladungskapazitäten sehr geringe Pumpraten benötigt werden. Trotzdem konnte die gute Palladium(II)-Selektivität dieser Festphasenmaterialien demonstriert werden. Allerdings wurden in den Eluaten im Gegensatz zu den Eluaten, die aus Flüssig-Flüssig-Extraktion resultierten neben dem Palladium auch geringe Mengen an Platin, Aluminium, Eisen und Blei gefunden. / The development of new processes for the recovery of palladium from recycling materials like spent automotive catalysts is of economic and ecologic interest. In this thesis new solvent and solid phase extractants have been designed, which are suitable for the recovery of palladium(II) from an oxidising hydrochloric leach liquor that does not only additionally contain platinum and rhodium but also a number of base metals. In contrast to many extractants described in the literature these new extractants – unsaturated monomeric dithioethers as well as oligomeric mixtures of ligands with vicinal dithioether units – are highly selective for palladium(II). Due to their geometric and electronic preorganisation they form stable square-planar chelate complexes with palladium(II). For the development of the solvent extractant a series of unsaturated dithioethers, which are based on a rigid 1,2-dithioethene unit that is imbedded in an electron-withdrawing backbone, with polar end-groups has been synthesised. In addition to the determination of the crystal structures of the ligands and their dichloridopalladium complexes, the electro- and photochemical properties, the complex stabilities and the behaviour in solution have been investigated. Solvent extraction experiments showed the superiority of some of our ligands over conventionally used extractants in terms of their very fast reaction rates. Considering criteria that are essential for industrial utilisation like: robustness towards oxidation, achieving of high extraction yields (even at a high hydrochloric acid content of the leach liquor), fast extraction kinetics and a high selectivity for palladium(II), 1,2-bis(2-methoxyethylthio)benzene was selected as the extractant of choice. Building on this a solvent extraction system close to industrial practice was devised. After stepwise adaption of the aqueous phase from a model solution to the oxidising hydrochloric leach liquor, the selection of a diluent suitable for commercial operations (1,2-dichlorobenzene) and of an efficient stripping agent (0.5 M thiourea in 0.1 M HCl) has been accomplished. The high selectivity of that solvent extraction system for palladium(II) could be verified and its reusability and suitability for practical application have been proven. Further it was shown that small amounts of the thioether sulfoxide 1-[(2-methoxyethyl)sulfanyl]-2-[(2-methoxyethyl)sulfinyl]benzene form when the dithioether ligand 1,2-bis(2-methoxyethylthio)benzene gets in contact with oxidising media. Under acidic conditions this thioether sulfoxide gets protonated and accelerates the extraction like a phase transfer catalyst; without decreasing the selectivity for palladium(II). The molecular structure of the corresponding dichloridopalladium complex reveals that the nonprotonated ligand coordinates palladium(II) in a similar manner to the dithioether via the chelating sulfur atoms. Mixtures of oligo(dithioether) ligands and the monomeric 1,2-bis(2-methoxyethylthio)benzene have been adsorbed on silica gel and amberlite® XAD 2. These SIRs (solvent impregnated resins) have been used for solid phase extraction experiments. The oligo(dithioether) ligands are based on 1,2- dithiobenzene or 1,2-dithiomaleonitrile units, which are connected via tris(oxyethylene)ethylene or trimethylene chains. With the help of batch experiments it could be shown how structural differences, like the chelating unit, the kind of linking chain and the type of supporting material, impact the extraction yield, kinetics and loading capacity. The SIRs containing silica gel establish the extraction equilibrium much faster than those containing amberlite® XAD 2. On the other hand, the extractants permanently remain on amberlite® XAD 2, in contrast to silica gel. In a hydrochloric medium 1,2-dithiobenzene derivatives are better extractants than 1,2-dithiomaleonitrile derivatives. In column experiments with the oxidising hydrochloric leach liquor and reusable SIRs based on 1,2-dithiobenzene derivatives impregnated into amberlite® XAD 2, it appeared that for the implementation of high loading capacities very low flow rates are required. The selectivity for palladium(II) of these solid phase extractants could be demonstrated, although the eluates, in contrast to the eluates gained from the solvent extraction experiments, contained not only palladium but also small amounts of platinum, aluminium, iron and lead.

Im Rahmen der Arbeit wurde eine Methode für die Quantifizierung von freiem 17β-Estradiol, Estron sowie der hydroxylierten und methylierten Metabolite im Brustgewebe entwickelt. Aufgrund der geringen Probengehalte erforderte dies eine gezielte Isolierung der Analyte aus der Probenmatrix sowie eine effektive Aufreinigung und Aufkonzentrierung, so dass eine Extraktion mit anschließender Festphasenextraktion durchgeführt wurde. Zudem wurde eine empfindliche Mess-Methode etabliert, welche auf Grundlage einer multi-reaction-monitoring-Methode, mittels Gaschromatographie und gekoppelten Triple-Quadrupol-Massenspektrometer, entwickelt wurde. Die Anwendbarkeit der Aufarbeitungs- und Mess-Methode wurde überprüft, indem diese auf 30 Realproben übertragen wurde. Dabei sind die ermittelten Gehalte mit den publizierten Daten der Gewebekonzentrationen von 17β-Estradiol, Estron und deren Metaboliten verglichen und Korrelationen mit ausgewählten Brustkrebs-begünstigenden Risikofaktoren betrachtet worden. Um ein quantitatives Metabolitenprofil von 17β-Estradiol, Estron und deren Metaboliten im Gewebe zu erstellen, wurden mit Hilfe einer multi-reaction-monitoring-Methode für alle Metabolite ein spezifischer Quanti- und Qualifier-Übergang etabliert. Durch die Optimierung der Ionisierungs- und Kollisionsenergien sowie der Initial-, Transferline- und Ionenquell-Temperatur beziehungsweise der dwell-time wurden Methoden- und Geräte-bedingte Empfindlichkeitsverluste so weit wie möglich reduziert, so dass maximale Signalintensitäten aller Quantifier-Übergänge gewährleistet waren. Zur gezielten Isolation sowie Aufreinigung und Anreicherung der Analyten,... ...so dass trotz der geringen Anzahl analysierter Gewebe-spenden der Einfluss des Body-Mass-Index und die Einnahme oraler Kontrazeptiva auf die Gehalte von 17β-Estradiol in der prämenopausalen Frau deutlich wurden. Die entwickelte Mess-Methode ermöglicht den routinemäßigen Einsatz für die Quantifizierung von freiem 17β-Estradiol, Estron und deren Methyl-Catecholen in humanem Brustgewebe. Beim Vergleich der berechneten Nachweisgrenzen von Catechol-Estrogenen mit Literaturangaben wurde herausgestellt, dass empfindlichere flüssigchromatographische Methoden als Methode der Wahl bei deren Analytik heranzuziehen sind. Die Übertragung der in Standardlösungen durchgeführten Versuche zur enzymatischen Hydrolyse von Glucuronid-und Sulfat-Konjugaten auf Gewebematrix stellt für weiterführende Arbeiten den entscheidenden Ansatzpunkt dar, um ein quantitatives Metabolitenprofil von freiem und gebundenem 17β-Estradiol, Estron und den Metaboliten in Brustgewebe erstellen zu können. / The aim of the present work was to develop a method for the quantification of free estradiol, estrone, catechol estrogens and methylation products in breast tissue. Due to trace amounts in the samples it was necessary to isolate the analytes from the sample matrix, purify and concentrate them prior to tissue extraction and solid phase extraction. Additionally, a sensitive method of measurement based on multi reaction monitoring using gas chromatography and triple quadrupole mass spectrometry was developed. The applicability of the sample preparation and measurement method was tested in 30 tissue samples by comparing the measured levels with published data concerning concentrations of estradiol, estrone and their metabolites in breast tissue. Also it was necessary to find possible correlations between the analytes concentrations and selected risk factors for breast cancer. In order to develop a quantitative profile of estradiol, estrone and metabolites in tissue, qualifier and quantifier transitions were established using the multi reaction monitoring mode. By optimising the ionisation and collision energy, the initial, transferline and ion source temperatures and the dwell-time, it was possible to reduce the loss of sensitivity caused by both method and equipment and maximize the signal intensity of all quantifier transitions. For the isolation, purification and concentration of the analytes... ...have some influence on the levels of estradiol in premenopausal women. The developed measurement method enabled a routine usage for the quantification of free estradiol, estrone and methylcatechols in human breast tissue. The comparison between the calculated detection levels of catechol estrogens and the published data led to the conclusion that liquid chromatographic methods are more sensitive. The transference of these methods and experiments conducted, such as for the enzymatic hydrolysis of glucuronide- and sulfate-conjugates on tissue matrix in standard solution, seem to offer a starting point for future research projects. Especially, for the purpose of establishing a quantitative metabolite profile of free and conjugated estradiol, estrone and their metabolites.

Beim Stoffübergang einer grenzflächenaktiven Substanz in einem flüssigen Zweiphasensystem kann solutale Marangoni-Instabilität einsetzen. Die weitere nichtlineare Entwicklung der Marangoni-Instabilität geht mit einer enormen Vielfalt von Strömungsmustern einher. In der Literatur wird dieser Aspekt häufig unter dem unscharfen Ausdruck „Grenzflächenturbulenz“ zusammengefasst. Diese Arbeit stellt heraus, dass drei grundlegende Strukturformen existieren: Rollzellen, Relaxationsoszillationen und Relaxationsoszillationswellen. Ein großer Teil der Komplexität der Strömungsmuster ist dadurch begründet, dass die Grundstrukturen unterschiedliche Hierarchieebenen aufweisen. Es werden die zugrunde liegenden Bedingungen für das Auftreten der jeweiligen Strukturtypen, ihre transiente Natur und die Bildung der hierarchischen Strömungsmuster untersucht. Des Weiteren betrachtet diese Arbeit die Wechselwirkungen mit Dichteeffekten, die sowohl die Charakteristik der Strukturen als auch ihre zeitliche Entwicklung beeinflussen.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein synthetischer Membrantransporter für acetylierte Aminosäurecarboxylate entworfen und hergestellt. Als Bindungsstelle für die Carboxylate wurde das Guanidiniocarbonylpyrrol-Motiv von Schmuck verwendet. In den Seitenarm des Pyrrols wurde ein L-Valinamid-Rest eingebracht, um die Möglichkeit zu zusätzlichen Wasserstoffbrückenbindungen zu bieten und gegebenenfalls Substrat- und Enantioselektivität zu erreichen. Zur Herstellung der Löslichkeit in unpolaren Medien wie dem Inneren der Zellmembran musste eine lipophile Gruppe eingebracht werden. Als löslichkeitsvermittelnder Rest wurde Tris-(Dodecyloxy)phenylmethylen ausgewählt, das drei lange unpolare Alkylreste trägt. Zusammengenommen ergab sich so ein Rezeptor für Oxo-Anionen und speziell für Aminosäurecarboxylate mit erhöhter Löslichkeit in organischen Medien. Somit war die Fähigkeit zu Membrantransport gegeben. In Kraftfeldrechnungen erhielt man die vermutliche Struktur des Rezeptor-Substrat-Komplexes, der eine Kombination aus einer Salzbrücke, Wasserstoffbrückenbindungen und einer Stapelwechselwirkung von Guanidinum-Kation, Benzylgruppe und ggf. aromatischem Rest des Aminosäuresubstrates aufweist. Nach erfolgreicher Synthese wurde in Extraktionsexperimenten die Fähigkeit des Rezeptors erprobt, Aminosäurecarboxylate aus einer wässrigen in eine organische Phase aus zu überführen. Man erhielt das beste Extraktionsvermögen für Ac-Trp-OH, gefolgt von Ac Phe OH und Ac Tyr OH. Es wurde eine neue Formel aufgestellt, mit der aus den pKS-Werten der Substrate und den Extraktionsdaten mit und ohne Rezeptor die Bindungskonstanten der Rezeptor-Substrat-Komplexe berechnet werden konnten. Die Größe der Bindungkonstanten entsprach der Reihenfolge Trp > Tyr > Phe ~ Val mit den höchsten Bindungskonstanten für das Tryptophanderivat mit 1.5*10E4 1/M. Zur Bestätigung der Bindungskonstanten wurden ITC-Messungen durchgeführt. Es wurden Messungen des Rezeptors in Chloroform mit den tert-Butylammoniumsalzen der acetylierten Aminosäuren Phenylalanin, Tyrosin und Valin durchgeführt. Für die Werte von Enthalpie und Entropie konnten bei dieser Auswertung konsistente Werte ermittelt werden. Die höchsten Werte der Enthalpie erhielt man für das Tyrosinderivat mit 3.7*10E3 cal/mol, gefolgt vom Phenylalaninderivat mit 2.8*10E3 cal/mol und Valinderivat mit 1.3*10E3 cal/mol. Diese Abstufung entspricht dem Einfluss des aromatischen Restes, der durch die Stapelwechselwirkung mit dem Guanidinium-Kation die Bindungswärme erhöht und durch den damit verbundenen engeren Komplex den Wert für die Entropie senkt. Für die Evaluierung des Transportvermögens wurden U-Rohr-Versuche verschiedener Art durchgeführt. Es wurde ein Gradient von pH 6 in der Ausgangsphase auf pH 8 in der Zielphase eingesetzt, wodurch der Rezeptor an der Grenzfläche zur Zielphase deprotoniert wurde, was zu gerichtetetem Transport führte. Es ergaben sich recht starke Unterschiede für die Fluxwerte der einzelnen Substraten, die der Reihenfolge Val > Phe > Ala > Trp > Tyr folgten. Dabei wurde das Valinderivat um den Faktor 17 schneller als das Tyrosinderivat befördert, mit dem recht hohen Flux von 1.11*10E-6 mol/m2*s, was nahe an den höchsten literaturbekannten Wert für acetylierte Aminosäuren heranreicht. Durch Verwendung gleicher Substratkonzentrationen in Start- und Zielphase konnte aktiver Transport nachgewiesen werden, d.h. Transport gegen das Konzentrationsgefälle. Die Triebkraft des Transportes war der Gradient von pH 6 auf pH 8 zwischen Ausgangs- und Zielphase, der durch den Symport von Substrat und einem Proton ausgeglichen wurde. Bei einem kompetitiven Versuch mit einer Mischung der verschiedenen Substrate in der Ausgangsphase wurden veränderte Fluxwerte und Selektivitäten festgestellt. Die neue Reihenfolge der Transportgeschwindigkeit war nun Trp > Phe > Val > Tyr > Ala, wobei die Fluxwerte fast durchgehend niedriger waren als im Einzelversuch. Die Veränderung der Werte erschließt sich bei Vergleich mit den thermodynamischen Daten aus den Extraktionsexperimenten. Bei direkter Konkurrenz um den Rezeptor wurden diejenigen Substrate mit den höchsten Bindungskonstanten bevorzugt, unabhängig von ihrer Transportgeschwindigkeit. Die schwächer bindenden Substrate wurden aus dem Komplex verdrängt und wiesen deswegen niedrigere Transportwerte auf. Der kompetitive Versuch ist somit eine stärkere Abbildung der Bindungsstärke und entspricht eher der Situation in einer realen Zelle. / Within the scope of this work a new membrane carrier for acetylated amino acids was designed and synthesized. For the binding site of the carboxylate the guanidinio-carbonylpyrrole motif by Schmuck was selected. In the pyrrole’s side chain an L-valinamide residue was introduced, to allow for additional hydrogen bonding and potentially achieve substrate- and enantioselectivity. For solubility in nonpolar media such as the inner part of the cell membrane a lipophilic group had to be introduced. Tris-(dodecyloxy)-phenylmethylene, which bears three long, nonpolar alkyl chains, was selected to procure the desired solubility. All in all this yielded a receptor for oxo-anions and especially for amino acid carboxylates with increased solubility in organic media. This design resulted in the ability for membrane transport. In force field calculations the probable structure of the receptor-substrate-complex was obtained. It showed a combination of a salt bridge, hydrogen bonds and pi-stacking between the guanidinium cation, the benzyl group and, if applicable, the amino acid’s aromatic residue. After the successful synthesis, extraction experiments were carried out to test the receptor’s ability to transfer amino acid carboxylates from an aqueous into an organic phase. The best extractability was attained for Ac-Trp-OH, followed by Ac-Phe-OH and Ac-Tyr-OH. A new equation was established to calculate the binding constants of the receptor-substrate-complexes with the known pKS-values of the substrates and the extraction data with and without receptor. The values of the binding constants followed the order Trp > Tyr > Phe ~ Val with the highest values for the tryptophane derivative with 1.5*10E4 1/M. To confirm the binding constants, ITC experiments were conducted. Measurements of the receptor in chloroform with the tert-butylammonium salts of the acetylated amino acids phenylalanine, tyrosine and valine were conducted.For the enthalpy and entropy consistent values could be determined. These were 3.7*10E3 cal/mol for the tyrosine derivative, 2.8*10E3 cal/mol for the phenylalanine derivative and 1.3*10E3 cal/mol for the valine derivative. This incrementation complies with the influence of the aromatic residue, which increases the binding heat by the pi-stacking and decreases the value of the entropy because of the resulting tighter complex. For the evaluation of the transport capabilities various U-tube experiments were conducted. A gradient from pH 6 in the source phase to pH 8 in the target phase was employed, which led to deprotonation of the receptor near the interface to the target phase, resulting in directed transport. There were quite strong differences for the substrates’ flux values, which followed the order of Val > Phe > Ala > Trp > Tyr. The valine derivative was transported 17 times faster than the tyrosine derivative, with a quite high flux of 1.11*10E-6 mol/m2*s. This is close to the highest literature-known value for acetylated amino acids. By employing analogous substrate concentrations in the source and target phase, active transport, that is transport against the concentration gradient, could be achieved. The driving force of the transport was the gradient from pH 6 to pH 8 between the source and target phase, which was diminished by the symport of substrate and a proton. In a competitive experiment with a mixture of the various substrates in the source phase different values for flux and selectivity were found. The new order of the transport velocities was now Trp > Phe > Val > Tyr > Ala. Nearly all of the flux values were lower than before. The change of the values can be explained by the comparison with the thermodynamic data from the extraction experiments. With direct competition for the receptor, the substrates with higher binding constants were preferred, independent of their transport velocity. The substrates with weaker binding were expulsed from the complex and now showed lower transport values. The competitive transport experiment is therefor a better depiction of the binding strength and comes closer to the situation in a real cell.

Zu den eleganten Methoden des Aufbaus supramolekularer Architekturen gehören Selbstorganisationsprozesse, die auf Übergangsmetall-Ligand-Wechselwirkungen beruhen und ganz wesentlich von dem verwendeten Metallion und der Ligandstruktur sowie den gewählten experimentellen Bedingungen (Lösungsmittel, Gegenion und pH-Wert) bestimmt werden. Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Synthese neuer mehrzähniger oligofunktioneller Pyridinliganden und die Charakterisierung ihrer Komplexbildungseigenschaften. Ein Schwerpunkt betraf dabei Strukturuntersuchungen an kristallinen Silber(I)-, Palladium(II)- und Kupfer(II)-Komplexen. Aussagen zum Phasentransfer und zur Selektivität wurden durch Flüssig-Flüssig-Extraktion und Membrantransportuntersuchungen erhalten. Neue Ligandmoleküle wurden durch die Anknüpfung der chelatisierenden Donorfunktionseinheiten 2,2’-Dipyridylamin bzw. Di(2-picolyl)amin an unterschiedliche strukturgebende Plattformen, Benzol, 2,6-Lutidin, 1,3,5-Triazin, Cyclohexan oder an eine tripodale Polyamineinheit realisiert. Es wurden Komplexe der 2,2’-Dipyridylamin-Liganden mit Ag(I) in Anwesenheit von Nitrat, Perchlorat, Tetrafluoroborat und Hexafluorophosphat hergestellt und strukturell charakterisiert. Dabei konnten einfache 1:1-Komplexe bzw. makrocyclische und polymere Architekturen beobachtet werden. In der Mehrzahl der Ag(I)-Komplexe wird das Metallzentrum von zwei Pyridin-N-Atomen unterschiedlicher 2,2’-Dipyridylamin-Einheiten verbrückend koordiniert, wobei Lösungsmittelmoleküle (CH3CN, CH3OH) bzw. Anionen (Nitrat, Perchlorat) die Koordinationssphäre des Ag(I) ergänzen. Die Koordinationszahlen für Ag(I) variieren dabei zwischen zwei bis vier. Intermolekulare Ag(I)–π-Wechselwirkungen (3.0-3.9Å) erweitern außerdem die Koordinationssphäre von Ag(I). Die vielseitigen Koordinationsmöglichkeiten der zweizähnigen 2,2’-Dipyridylamin-Liganden zeigen sich darüber hinaus in den Komplexen mit Pd(II) und Cu(II). Im wässrig-organischen Zweiphasensystem erwiesen sich die synthetisierten Liganden insbesondere gegenüber Silber(I) als sehr effektive Extraktionsmittel. Die Kupfer(II)-Komplexe mit Di(2-picolyl)amin demonstrieren die dirigierende Wirkung des Anions auf die Struktur. Strukturell ähnlich sind die Cu(II)-Komplexe der mono- bzw. disubstituierten Di(2-picolyl)amin-Derivate. Flüssig-Flüssig-Extraktionsergebnisse mit den Di(2-picolyl)amin-Derivaten zeigen im Zweiphasensystem insbesondere gegenüber Silber(I) hohe Extraktionsausbeuten und liegen deutlich über denen der strukturanalogen 2,2’-Dipyridylamin-Liganden.

Zellen sind in der Lage, gleichzeitig ganz unterschiedliche biochemische Prozesse zu bewältigen. Dies gelingt ihnen durch eine Einteilung ihres Inneren in Kompartiemente, sogennante Organellen, die die jeweils geeignete biochemische Umgebung für die unterschiedlichen Aufgaben schaffen. Bei membranumschlossenen Kompartimenten ist leicht vorstellbar, dass sie eine andere biochemische Zusammensetzung als ihre Umgebung haben können. Jedoch existieren auch Organelle ohne Membran die durch eine flüssig-flüssig Phasenseparation entstehen. Manche dieser Kompartiemente haben die Fähigkeit, RNA zu binden und Proteinkomplexe auszubilden, während andere auf die Veränderungen innerhalb der Zelle, wie z.B. die Veränderung des pH-Werts und der damit Verbunden Änderung ihres Protonierungszustands, reagieren können. Um diese Prozesse theoretisch analysieren zu können, entwickeln wir zunächst ein allgemeingültiges, thermodynamisches Gerüst, um Systeme zu untersuchen, die im chemischen Gleichgewicht flüssig-flüssig hasensepariert vorliegen können. Dies erlaubt, basierend auf den Erhaltungsgrößen, im chemischen Gleichgewicht thermodynamisch konjungierten Variablen zu identifizieren, welche aus den erhaltenen Komponenten und den zugehörigen chemischen Potentialen bestehen. Mithilfe des obig erwähnten Gerüsts können wir den Einfluss des pH-Wertes auf die flüssig-flüssig Phasenseparation in einem minimalen Modell untersuchen. Dies beschreibt die makromolekulare Phasenseparation, kontrolliert durch Protonierungs- und Deprotonierungreaktionen, welche wiederum vom pH-Wert abhängig sind. Unsere Untersuchung der pH-Abhängigkeit der Phasenseparation kommt zu folgenden Ergebnissen: Erstens liegt die größte Region von Phasenseparation im Phasendiagramm typischerweise im Bereich des isoelektrischen Punkts. Zweitens zeigt das Modell eine Fähigkeit der erneuten Mischung auf. Drittens ist die Topologie des Phasendiagrams von der dominantesten Interaktion bestimmt. Unser Modell stimmt mit experimentellen Beobachtungen zur Phasenseparation von intrinsisch ungeordneten, Proteinen, deren Struktur sich pH abhängig verändern, überein. Das Modell ist außerdem konsistent mit Beobachtungen von Phasenseparation von Proteinen im Zytosol von Hefezellen, die entsteht, wenn der intrazellulare pH-Wert in die Nähe des isoelektrischen Punkt dieser Proteine gebracht wird. Des Weiteren geht diese Arbeit auf den physikalischen Mechanismus ein, mit dem flüssigkeitsähnliche Organellen, sog. P granules, im Organismus Caenorhabditis elegans positioniert werden. Um dieses Phänomen zu analysieren, stellen wir zunächst experimentelle Beobachtungen vor, die zeigen, dass PGL-3, eine Hauptkomponente der P granules, flüssigkeitsähnliche Tropfen bildet, deren Zusammensetzung von RNA moduliert werden kann. Darüber hinaus zeigen wir Daten, die großen Unterschiede zwischen der RNA-Bindungsaffinität von Proteinen wie Mex-5, die für die Positionierung der P granules relevant sind, und solchen, die P granules bilden, wie PGL-3, zeigen. Dies deutet darauf hin, dass eine Konkurrenz zwischen den Bestandteilen der P Granula und MEX-5 um die zur Bindung zur Verfügung stehende RNA besteht, die die Kondensation und Auflösung von P Granula räumlich kontrollieren könnte. Auf diesen experimentellen Befunden aufbauend führen wir ein minimalles Modell ein, in dem wir die Phasenseparation von PGL-3 an Bindungsreaktionen der MEX-5 Proteine und RNA koppeln. Um die experimentellen Beobachtungen beschreiben zu können, muss die Neigung des PGL-3 Proteins zur Phasenseparation zunehmen, wenn es Komplexe mit RNA bildet. Dies unterstützt die Idee, dass MEX-5 diese Phasenseparation unterdrückt, indem es die Anzahl an möglichen RNA-Bindungspartner für PGL-3 herabsetzt und damit die weitere Entstehung derartiger Protein-RNA-Komplexe erschwert. Dieser einfache Mechanismus scheint die Hauptursache dafür zu sein, dass P granules auf der posterioren Seite des Caenorhabditis elegans Embryos zu finden sind. / One of the main features of cells is their incredible ability to control biochemical processes in space and time. They do so by organizing their interior in sub-compartments called organelles, each of them with a different biochemical environment that allows them to perform specific tasks in the cell. It is sometimes believed that these compartments need a membrane in order to have a stable biochemical environment and regulat their compositions. However, there are some organelles which lack a membrane and seem to form and organize via liquid-liquid phase separation. Some of the components that form these membraneless organelles have the ability to bind to RNA and form complexes, while some others react to changes in the intracellular environment such as pH variations, which in turn affects their protonation state. In order to study these processes from a theoretical perspective, we develop a generic thermodynamic framework to study systems exhibiting liquid-liquid phase separation at chemical equilibrium. This framework, based on the use of conservation laws in chemical reactions, allow us to identify thermodynamic conjugate variables at chemical equilibrium, which are given by a set of conserved quantities and the corresponding conjugate chemical potentials. Within the aforementioned framework, we introduce a minimal model to study the effect of pH on liquid-liquid phase separation. Our model explains macromolecular phase separation controlled by protonation and deprotonation reactions, which are tuned by the pH of the system. We study the phase behavior of the system as a function of pH. Our main findings are: Firstly, the broadest region of phase separation is typically found at the isoelectric point. Secondly, the system exhibits reentrant behavior. Thirdly, that the dominating interaction in the system determines the topology of the phase diagrams. Our model is in agreement with experimental observations of in vitro protein phase separation of pH-responsive intrinsically disordered proteins, as well as with observations of protein phase separation exhibited by many cytosolic proteins when the intracellular pH in yeast cells is brought close to the isoelectric point of such proteins. Moreover, this work analyses the physical mechanism behind the positioning of liquid-like organelles in the {\it{Caenorhabditis elegans}} organism known as P granules. In order to study this phenomenon, we first present firm experimental evidence showing that PGL-3 protein, a key component of P granules, forms liquid-like drops whose assembly can be modulated by RNA. We then present data showing that the RNA-binding affinity differs significantly between proteins relevant for the positioning of P granules, such as MEX-5 and the proteins forming the P granules, like the aforementioned PGL-3. This points to a possible mechanism of RNA-binding competition between P granule constituents and MEX-5 in order to spatially control the condensation and dissolution of P granules. Based on the experimental evidence, we propose a minimal model in which we couple phase separation of PGL-3 to a set of binding reactions involving the MEX-5 protein and RNA. We find that in order to explain the experimental data, the tendency for phase separation of the PGL-3 protein increases with the formation of complexes of PGL-3 bound to RNA. This therefore supports the idea that MEX-5 inhibits this protein phase separation by depleting the RNA available for PGL-3 to form such complexes. This simple mechanism is at the core of how P granules localize to the posterior side of the Caenorhabditis elegans embryo.