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Verbindungen mit einer Vielzahl von Oberflächeneinheiten (Multimere) sind im Hinblick auf eine nuklearmedizinische Anwendung von besonderem Interesse, da durch definierte Strukturmodifizierung das Bindungsverhalten an bestimmte Zielstrukturen, die Löslichkeit und damit die Bioverteilung und Pharmakokinetik beeinflusst werden können. Baut man eine Verbindung so auf, dass sich im Inneren ein metallbindendes Zentrum befindet, ergibt sich einerseits die Möglichkeit, das Radiometall chemisch stabil zu binden, andererseits durch genannte Oberflächenfunktionalisierung eine spezifische Bindung im Zielgewebe zu erreichen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige mehrfunktionale Verbindungen mit einer Cyclam-Kerneinheit synthetisiert. Cyclam bildet mit Cu(II)-Ionen äußerst stabile Komplexe, was im Hinblick auf eine radiopharmazeutische Anwendung der Radiometallkomplexe von 64Cu oder 67Cu für diagnostische und therapeutische Zwecke äußerst interessant ist. Für eine symmetrische Mehrfachfunktionalisierung wurde auf ein Tetraamin mit Cyclamkern zurückgegriffen. Die Kupplung von vier Dansylchlorid-Einheiten war erfolgreich. Über geschützte Glucosyl-Isothiocyanate wurden Derivate mit vier Zuckereinheiten gewonnen. Nach der Entfernung der Schutzgruppen wurde die Bindung an das kohlenhydratbindende Lektin Concanavalin A mittels isothermer Kalorimetrie bestimmt. Es war ein deutlicher Anstieg der Stabilitätskonstante K im Vergleich zu den monomeren Zuckern zu beobachten. Die Kinetik der Cu(II)-Komplexierung wurde UV/Vis-spektroskopisch bestimmt. Wegen der langsamen Cu-Komplexierungskinetik der Thioharnstoff-verbrückten Glycodendrimere wurde der Schwerpunkt bei den nachfolgenden Untersuchungen zur Kupplung von Peptiden über Amidbindungen gelegt. Nach zahlreichen erfolglosen Kupplungsversuchen von Peptiden mit einer freien Aminogruppe an Cyclamtetrapropionsäure im organischen Medium wurden im wässrigen Milieu Cyclamderivate mit ein bis zu drei Peptideinheiten durch Peptidkupplung erzeugt. Die Synthese kupplungsfähiger Peptidisothiocyanate blieb erfolglos. Schließlich führte eine Michael-Addition von Acrylamid-Arg-Tyr-OH und Acrylamid-Neurotensin(8-13)-OH an Cyclam zu den gewünschten tetrameren Verbindungen. Das Neurotensintetramer mit vier zielsuchenden Einheiten wurde für weiterführende radiochemische und radiopharmakologische Untersuchungen eingesetzt. Es kann unter milden Bedingungen sehr effizient mit 64Cu radiomarkiert werden, wobei eine spezifische Aktivität von 12 GBq pro µmol und Markierungsausbeuten von durchschnittlich 95-98% erzielt werden können. Erwartungsgemäß werden die Neurotensineinheiten unter diesen Bedingungen abgebaut, wobei im Vergleich zu freiem H-Neurotensin(8-13)-OH, welches innerhalb von zwei Minuten abgebaut wird, die In-vivo-Halbwertszeit des Tetramers 34 Minuten beträgt. Es konnte keine Transmetallierung beziehungsweise Transchelatisierung beobachtet werden, was die Stabilität des Komplexes zeigt. PET-Untersuchungen nach Applikation des 64Cu-markierten Neurotensin-Tetramers wiesen eine erhöhte Anreicherung von radioaktiver Substanz in Tumoren von LoVo- und HT29-Mäusen nach. Um zu unsymmetrischen Cyclamderivaten mit dem Ziel der gleichzeitigen Einführung zielsuchender, löslichkeitsvermittelnder und fluoreszierender Einheiten zu gelangen, wurden unterschiedliche Schutzgruppen eingesetzt. Die Blockierung primärer Aminogruppen eines Cyclam-Derivates mit MMTr-, Boc- und Z-Schutzgruppen lieferte Produkte, die sauber isoliert, aber nicht selektiv entschützt werden konnten. Daher wurden die Aminstickstoffatome des Cyclams direkt geschützt. Ausgehend von Cyclam-Boc3 konnten über Kupplungsreaktionen Aminosäure- und Dipeptidmethylester als unsymmetrische Cyclamderivate gewonnen werden. Damit ist ein Syntheseweg entwickelt worden, der die Darstellung unsymmetrischer Cyclamderivate mit einer definierten Anzahl von gewünschten biologisch aktiven Molekülen beziehungsweise löslichkeitsvermittelnder oder fluoreszierender Einheiten gestattet.

Verbindungen mit einer Vielzahl von Oberflächeneinheiten (Multimere) sind im Hinblick auf eine nuklearmedizinische Anwendung von besonderem Interesse, da durch definierte Strukturmodifizierung das Bindungsverhalten an bestimmte Zielstrukturen, die Löslichkeit und damit die Bioverteilung und Pharmakokinetik beeinflusst werden können. Baut man eine Verbindung so auf, dass sich im Inneren ein metallbindendes Zentrum befindet, ergibt sich einerseits die Möglichkeit, das Radiometall chemisch stabil zu binden, andererseits durch genannte Oberflächenfunktionalisierung eine spezifische Bindung im Zielgewebe zu erreichen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige mehrfunktionale Verbindungen mit einer Cyclam-Kerneinheit synthetisiert. Cyclam bildet mit Cu(II)-Ionen äußerst stabile Komplexe, was im Hinblick auf eine radiopharmazeutische Anwendung der Radiometallkomplexe von 64Cu oder 67Cu für diagnostische und therapeutische Zwecke äußerst interessant ist. Für eine symmetrische Mehrfachfunktionalisierung wurde auf ein Tetraamin mit Cyclamkern zurückgegriffen. Die Kupplung von vier Dansylchlorid-Einheiten war erfolgreich. Über geschützte Glucosyl-Isothiocyanate wurden Derivate mit vier Zuckereinheiten gewonnen. Nach der Entfernung der Schutzgruppen wurde die Bindung an das kohlenhydratbindende Lektin Concanavalin A mittels isothermer Kalorimetrie bestimmt. Es war ein deutlicher Anstieg der Stabilitätskonstante K im Vergleich zu den monomeren Zuckern zu beobachten. Die Kinetik der Cu(II)-Komplexierung wurde UV/Vis-spektroskopisch bestimmt. Wegen der langsamen Cu-Komplexierungskinetik der Thioharnstoff-verbrückten Glycodendrimere wurde der Schwerpunkt bei den nachfolgenden Untersuchungen zur Kupplung von Peptiden über Amidbindungen gelegt. Nach zahlreichen erfolglosen Kupplungsversuchen von Peptiden mit einer freien Aminogruppe an Cyclamtetrapropionsäure im organischen Medium wurden im wässrigen Milieu Cyclamderivate mit ein bis zu drei Peptideinheiten durch Peptidkupplung erzeugt. Die Synthese kupplungsfähiger Peptidisothiocyanate blieb erfolglos. Schließlich führte eine Michael-Addition von Acrylamid-Arg-Tyr-OH und Acrylamid-Neurotensin(8-13)-OH an Cyclam zu den gewünschten tetrameren Verbindungen. Das Neurotensintetramer mit vier zielsuchenden Einheiten wurde für weiterführende radiochemische und radiopharmakologische Untersuchungen eingesetzt. Es kann unter milden Bedingungen sehr effizient mit 64Cu radiomarkiert werden, wobei eine spezifische Aktivität von 12 GBq pro µmol und Markierungsausbeuten von durchschnittlich 95-98% erzielt werden können. Erwartungsgemäß werden die Neurotensineinheiten unter diesen Bedingungen abgebaut, wobei im Vergleich zu freiem H-Neurotensin(8-13)-OH, welches innerhalb von zwei Minuten abgebaut wird, die In-vivo-Halbwertszeit des Tetramers 34 Minuten beträgt. Es konnte keine Transmetallierung beziehungsweise Transchelatisierung beobachtet werden, was die Stabilität des Komplexes zeigt. PET-Untersuchungen nach Applikation des 64Cu-markierten Neurotensin-Tetramers wiesen eine erhöhte Anreicherung von radioaktiver Substanz in Tumoren von LoVo- und HT29-Mäusen nach. Um zu unsymmetrischen Cyclamderivaten mit dem Ziel der gleichzeitigen Einführung zielsuchender, löslichkeitsvermittelnder und fluoreszierender Einheiten zu gelangen, wurden unterschiedliche Schutzgruppen eingesetzt. Die Blockierung primärer Aminogruppen eines Cyclam-Derivates mit MMTr-, Boc- und Z-Schutzgruppen lieferte Produkte, die sauber isoliert, aber nicht selektiv entschützt werden konnten. Daher wurden die Aminstickstoffatome des Cyclams direkt geschützt. Ausgehend von Cyclam-Boc3 konnten über Kupplungsreaktionen Aminosäure- und Dipeptidmethylester als unsymmetrische Cyclamderivate gewonnen werden. Damit ist ein Syntheseweg entwickelt worden, der die Darstellung unsymmetrischer Cyclamderivate mit einer definierten Anzahl von gewünschten biologisch aktiven Molekülen beziehungsweise löslichkeitsvermittelnder oder fluoreszierender Einheiten gestattet.

Electronic band structure in the solid and its relation to the energy gap of the monomer is all about studying how intermolecular interactions change electronic structure. In experimental studies this results in broader absorption bands and by extension a lowering of the LUMO and raising of HOMO energy to the conduction and valence band edges respectively. This electronic change involves splitting of the molecular energy levels into bands of non-degenerate energies and can be calculated either quantum mechanically (QM) or by classical force field models through the change in ionization potential (IP) and electron affinity (EA), called the apparent polarization energy, and its relation to HOMO and LUMO through Koopman’s and Janak’s theorem. The study of the formation of a ‘band’ like structure is important in regimes and systems where conventional quantum mechanical (QM) methods become infeasible. Specifically, when systems are non-periodic and plane wave approximations fail, such as in amorphous structures, or in regimes between where the plane wave bulk approximation and the gas phase single molecule QM methods where the scaling of conventional gas phase atomic orbital methods becomes exorbitantly costly and the plane wave approximation fails for open systems. Therefore, the objective of this work is to highlight the changing optoelectronic properties of molecular solids within this regime using both density functional theory and molecular mechanics. The scalability of DFT limits it to multimer systems, leaving the larger nanoscale materials to be studied using molecular mechanics. Here we have utilized a variety of dispersion sensitive functionals in order to characterize the intermolecular interactions and splitting energies in small multimers of some of the smallest oligoacene species, benzene and anthracene. Benzene and anthracene nanoclusters from 0.8 to 5.0 nm in radius have had their changes in electronic band energy calculated due to polarization using the AMOEBA force field and bulk values have also been extrapolated. AMOEBA’s explicit polarization terms allow for direct handling of the polarization energy, control of nanocluster size and shape in a regime that QM methods cannot probe efficiently, and the ability to specify the position of charge carriers in order to examine specific electronic surface behavior. Using differing DFT methods the change in the HOMO and LUMO energy from the single molecule state to multimers of the size of 10 and 12 units for anthracene and benzene respectively. The HOMO band of benzene was raised by ~0.3 eV and LUMO lowered by 0.35 eV. In anthracene the HOMO was lowered by ~0.1 eV and the LUMO by ~0.15 eV. These values remain within 0.1 eV across all dispersion functionals. Using Ren’s parameterization procedure and MP2 for the AMOEBA force field he apparent polarization was calculated. The extrapolated values for the change in the HOMO and LUMO of benzene from single molecule to bulk were 1.42 eV and 0.49 eV respectively. For anthracene the crystalline bulk changes the HOMO and LUMO by 1.34 eV and 1.16 eV respectively. The regression for bulk extrapolation also predicts that benzene clusters of 12 units will be 0.77 eV for HOMO and -0.41 eV for LUMO. Similarly for an anthracene cluster made up of 10 molecular units the apparent polarization is predicted through linear regression to be 0.58 eV for HOMO and 0.53 eV for LUMO.

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