In dieser Arbeit werden Pflanzen, Pflanzengewebe, Pflanzenzellen und Mikro-organismen spektroskopisch untersucht und ihre Inhaltsstoffe unter minimaler Probenpräparation im biologischen Gewebe direkt lokalisiert und identifiziert. Unter den verfügbaren Schwingungs-spektroskopischen Methoden ist die Mikro-Raman-Spektroskopie für diese Fragestellungen besonders gut geeignet, da Wasser Raman-Spektren nur wenig beeinflusst. Daher kann mit Raman-spektroskopischen Methoden auch in stark wasserhaltigem Gewebe gemessen werden. Weiterhin erhält man mit der Mikro-Raman-Spektroskopie eine gute räumliche Auflösung im sub-µm-Bereich, wodurch es möglich ist, heterogene Proben zu untersuchen. Darüber hinaus kann die Mikro-Raman-Spektroskopie mit anderen Methoden, wie z. B. der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS), kombiniert werden. In pflanzlichen Zellen liegt eine Vielzahl von Substanzen in geringen Konzentrationen vor. Aufgrund der niedrigen Quantenausbeute des Raman-Effekts treten vor allem Substanzen, die eine Resonanz-Verstärkung erfahren, in den Spektren hervor. Diese Substanzen, wie z. B. b-Carotin, können deshalb in geringen Konzentrationen detektiert werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Untersuchung von Sekundär-Metaboliten wie Alkaloiden, Lipiden oder Terpenen, die in der Pflanze agglomerieren. Neben der Identifikation von Inhaltsstoffen, können die Raman-Spektren von Pflanzen für die chemotaxonomische Klassifizierung mit Hilfe der hierarchischen Clusteranalyse verwendet werden. Die Identifizierung von Mikroorganismen auch in sehr geringen Mengen (Monolage, einzelne Zellen) ist mit der Mikro-Raman-Spektroskopie nur unter bestimmten Voraussetzungen durchführbar. Für weitergehende Untersuchungen wird hier die SERS-Sonde oder ein TERS-Aufbau verwendet werden. / This thesis concentrates on the spectroscopic investigation of plants, plant tissue, plant cells as well as microorganisms. The characteristic components of the biological cells have been localized and identified directly in the biological tissue with minimal sample preparation only. Among the different vibrational spectroscopic methods micro Raman spectroscopy appears to be the most suitable technique for such scientific investigations. For example, water which shows sharp absorptions in the infrared is only a weak Raman scatterer. Thus biological tissues containing a high amount of water can be easily studied with Raman spectroscopy. Due to the use of laser light for the excitation of Raman scattering sub-µm spatial resolution can be realized by micro Raman spectroscopy. This allows the investigation of very heterogeneous samples. Furthermore, micro Raman spectroscopy can be combined with other methods such as surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). Plant cells consist of a great variety of substances at low concentrations. As the Raman effect has a poor quantum yield mostly resonance enhanced substances can be identified in the resulting spectra. These substances like e. g. b-carotene can be detected down to very low concentrations. The main focus lies on the investigation of secondary metabolites such as alkaloids, lipids or terpenes, which agglomerate in the plant. Besides the identification of plant components, Raman spectra allow the chemotaxonomic classification of plants when combined with a hierarchical cluster analysis. The identification of microorganisms in low amounts (monolayers, single cells) could only be achieved with Raman spectroscopy when certain conditions are met. Further investigations should focus on the SERS probe or the TERS setup.

Die Naturstoffchemie ist ein bedeutendes Teilgebiet der Chemie, da die Naturstoffe, mit ihrer breiten strukturellen Diversität, als neue Leitstrukturen für die Entwicklung spezifisch wirksamer Agrochemikalien und Arzneimittel dienen. Pflanzen und Bodenorganismen sind daher aussichtsreiche Quellen für neue Wirkstoffe im Bereich Pflanzenschutz- und Pharmaforschung. Aus der in der Kongo-Region beheimateten Liane Ancistrocladus ealaensis J. LEONARD (Ancistrocladaceae) wurde sieben Metabolite isoliert: Amyrin, 3,3-Di-O-methylellagsäure, zwei bisher unbekannte Naphthylisochinoline, Ancistroealain A und B, sowie drei Naphthoesäuren, die hier erstmals beschriebenen Ancistronaphthoesäuren A und B, sowie die bisher nur als Syntheseprodukt bekannte Eleutherolsäure. Ausgehend von Ancistroealain A gelang die stereoselektive Partialsynthese des bekannten Ancistrobertsonin C. Ancistroealain A zeigte in-vitro eine zehnfach höhere Aktivität gegen Leishmania donovani, dem Erreger der visceralen Leishmaniose, als das derzeit bei der Behandlung eingesetzte Pentostam. Um für In-vivo-Untersuchungen genug Material zur Verfügung stellen zu können, wurde ein totalsynthetischer Zugang etabliert. Die Suzuki-Kupplung eines geeigneten Isochinolin-Bausteines (zehn Stufen ausgehend von 3,5-Dimethoxybenzoesäure) mit einer Naphthalin-Boronsäure (acht Stufen ausgehend von 3-Methoxybenzaldehyd) führte in einer Gesamtausbeute von 9.2 % bzw. 6.2 % zu dem Naturstoff. Ancistroealain A und sein Atropdiastereomer Ancitrotanzanine B, die an einer chiralen HPLC-Phase getrennt werden konnten, entstanden aufgrund der asymmetrischen Induktion durch das stereogene Zentrum C-3 in einem Verhältnis von 45:55. Der Ansatz einer atropselektiven Suzuki-Kupplung mit chiralem Katalysator führte zu Diastereomerenüberschüssen bis zu 75:25. Aus Pavetta crassipes K. SCHUMANN (Rubiaceae) konnte das Phythosterol Ursolsäure isoliert werden, während aus Rothmannia urcelliformis (HIERN) BULLOCK (Rubiaceae) 1-epi-Geniposid und Gardenamid A isoliert wurde. Im Rahmen einer Kooperation mit H. Rischer gelang die Isolierung von Plumbagin, Plumbasid A und Rossolisid aus der in Neu Guinea beheimateten tropischen Kannenpflanze Nepenthis insignis DANSER. Bei Verfütterungsexperimenten wurde (L)-[13C3,15N]-Alanin in die Kannen von sterilen Pflanzen eingebracht und ein Einbau in Plumbagin beobachtet. Die Pflanze verstoffwechselt die Aminosäuren auf den üblichen Abbauwegen und erlaubt so die Verfütterung von Alanin als ‚maskiertes’ Acetat. Das beobachtete Einbaumuster bewies die polyketidische Biosynthese von Plumbagin. In einer Kooperation mit Prof. Fiedler (Tübingen) wurden Streptomyceten aus extremen Habitaten auf die Produktion interessanter Sekundärmetabolite untersucht und z.B. bekannte Verbindungen wie Sulfomycin I, Benzoesäure, p-(Dimethylamino)-benzoesäure, Juliochrome Q3-3 und Dehydrorabelomycin nachgewiesen. Der alkalophile Stamm AK 409 produzierte Pyrrol-2-carbonsäure und Pyrocoll, das im Rahmen dieser Arbeit erstmals als Naturstoff auftrat. Besonderes Interesse erregten die Antitumor-Eigenschaften von Pyrocoll. Die durchgeführte ‚biomimetische’ Synthese von Pyrocoll ausgehend von Pyrrol-2-carbonsäure ermöglichte es uns, die für die In-vivo-Biotests nötigen Substanzmengen darzustellen. Aus dem Streptomyceten AK 671 wurden eine bekannte Anthrachinoncarbonsäure und ein als Naturstoff neuartiges Diketonaphthalinglucuronid isoliert. Eine enzymatische Hydrolyse führte zu dem Harris-Franck-Keton, das in dem Kulturfiltrat erstmals als Naturstoff nachgewiesen werden konnte. Das bei Verfütterungsexperimenten mit [13C2]-Acetat von uns beobachtete Einbaumuster in das Glucuronid erlaubte die Aufklärung der Schlüsselschritte der Biogenese. Bei der Synthese von Naphthylisochinolinen besteht die zentrale Aufgabe in dem Aufbau der Biarylachse. Bei der Synthese von Ancistrobertsonin A nach dem ‚Lacton-Konzept’ wird ein Naphtalin-Baustein mit einer zusätzlichen C1-Einheit für die Esterbrücke benötigt, die nach der Kupplung entfernt werden muß. Hierzu bewährte sich bei Versuchen an einem Modelsystem die Reaktionssequenz Baeyer-Villiger-Oxidation, Triflierung und reduktive Eliminierung. Der für die Synthese von Ancistrobertsonin A benötigte Naphthalin-Bausteines wurde in neun Stufen (Gesamtausbeute: 37 % bzw. 13%) dargestellt. Die Synthese des Isochinolin-Bausteines gelang in zwölf Stufen (9.4 %). Der Abschluß dieser Synthese ist in zukünftigen Arbeiten geplant. / The natural product chemistry is a important part of chemistry because natural products, with there broad variety of structural features, are new leads for the development of specific pharmaceuticals and pesticides. Plants and microorganisms are excellent sources for new active compounds in pest control and pharmacy. Ancistrocladus ealaensis J. Léonard (Ancistrocladaceae), a tropical liana indigenous to Central Africa, belongs to the small monogeneric family of the Ancistrocladaceae. Seven metabolites were isolated: the well-known phytosterol -amyrin , 3,3- di-O-methylellagic acid, two new 5,8’-coupled naphthylisoquinoline alkaloids, ancistroealaines A and B , and three naphthoic acids, the synthetically known eleutherolic acid and the two new naphthoic acids ancistronaphthoic acids A and B. Ancistrobertsonine C was synthesized by stereoselective partial-synthetic preparation starting from ancistroealaine A. Against Leishmania donovani, the pathogen of visceral Leishmaniasis, we found excellent activities of ancistroealaine A, ten times more active than the standard pentostam. The synthesis of ancistroealaine A was established to allow further investigations on the in vivo activities. Starting from 3-methoxybenzaldehyde, the naphthalene moiety was prepared in eight steps. The isoquinoline part was synthesized starting from 3,5-dimethoxybenzoic acid in ten steps. The concluding Suzuki coupling resulted in the natural product with an overall yield of 9.2 % or 6.2 % and a diastereomeric ratio of 45:55 induced by the chiral center C-3. The atropoisomeres were separated by chromatography on a chiral phase. The application of a catalytic atroposelective Suzuki coupling gave diastereomeric ratios up to 75:25 Ursolic acid was found in Pavetta crassipes K. SCHUMANN (Rubiaceae), a shrub indigenous to tropical Africa, whereas 1-epi-geniposide and gardenamide A were isolated from Rothmannia urcelliformis (HIERN) BULLOCK, a small tree, which is widespread in the forests of East Africa. In this work, the absolute configuration of gardenamide A was established. From Nepenthes insignis Danser, a species occurring in the lowlands of New Guinea, three metabolites were isolated: Plumbagin, plumbaside A and rossoliside. Feeding experiments with (L)-[13C3,15N]-alanine revealed the acetogenic origin of plumbagin. This work showed that alanine is transformed into acetyl-CoA and can be used as a ‘masked’ precursor. None of the two glycosides were labelled after any of the feeding experiments. They probably constitute storage forms of the respective naphthoquinones. In cooperation with Prof. Fiedler et al. Streptomyces strains, living under extreme conditions, were screened for secondary metabolites. A number of known compounds such as sulfomycine I, benzoic acid, p-(dimethylamino)-benzoic acid, juliochrome Q3-3 and dehydrorabelomycine were found. The alcalophilic strain AK 409 became attractive due to the isolation of two metabolites, pyrrol-2-carboxylic acid and pyrocoll, the latter found as a natural product for the first time. Pyrocoll exhibited in vitro high anticancer activities. ‘Biomimetic’ synthesis of pyrocoll, starting from pyrrol-2-carboxylic acid led to the desired material and showed a better yield (91 %) than all synthetic pathways previously known. From the strain AK671 two natural products were isolated: a known anthraquinone carboxylic acid and a new diketonaphthalene glucuronide. Enzymatic hydrolysis gave the Harris-Franck ketone, a known synthetic compound, which was found as natural product in the culture for the first time. Even though the enzymes that are responsible for the biosynthetic construction of anthraquinones are well known, intermediates as such are isolated only very rarely. Feeding experiments with [13C2]-acetate resolved the biosynthesis of the Harris-Franck ketone and proofed it to be an intermediate in the synthesis of anthraquinones. For the synthesis of ancistrobertsonine A the ‘lactone concept’ was used. Therefore a naphthalene building block with an additional C1-unit next to the axis was needed. The necessary removal of this group (Baeyer-Villiger oxidation, conversion to the triflate and reductive elimination) after the coupling was tested on a model system. The synthesis of ancistrobertsonine A was developed up to the esterification of the naphthalene building block (synthesised in nine steps) and the isoquinoline moiety (synthesised, starting from 3,5-dimethoxybenzoic acid in twelve steps). The synthesis will be finished in future work.

Beschrieben ist die Isolierung und Strukturaufklärung von Naturstoffen (Naphthochinone, dimere Naphthaline und Naphthylisochinolin-Alkaloide) aus Zell- und Wurzelkulturen von Triphyophyllum peltatum. Darüber hinaus wurden Experimente zur Biosynthese der Naphthylisochinolin-Alkaloide mit 13C2-markierten Vorstufen durchgeführt. Ebenso Bestandteil der Arbeit war die Etablierung von Kalluskulturen von Aloe saponaria, aus der ebenfalls Sekundärmetabolite isoliert wurden. / The isolation and structure elucidation of natural products (naphthoquinones, dimeric naphthalenes and naphthyl isoquinoline alkaloids) from cell and root cultures of Triphyophyllum peltatum is described. Furthermore, experiments on the biosyntheses of the naphthyl isoquinoline alkaloids using 13C2 labeled precursors are reported. Additionally, callus cultures of Aloe saponaria were established and secondary metabolites were isolated.