I Zusammenfassung Haemophilus influenzae, ein Gram-negatives, Bakterium der Familie Pasteurellaceae, kann beim Menschen eine Vielzahl an Erkrankungen auslösen: Die bekapselte Stämme, v. a. mit Typ b Kapsel können Cellulitis, septische Arthritis, Epiglottitis und Meningitis verursachen. Die nicht-bekapselte Stämme können Otitis media, Sinusitis, Pneumonie und in selteneren Fällen Bakterämie verursachen. Ein besonderes Merkmal des Metabolismus von H. influenzae ist dessen Unfähigkeit Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD+) de novo zu synthetisieren. Daher sind die Enzyme bzw. Transporter, die an NAD+ Aufnahme und Resynthese beteiligt sind, als putative antimikrobielle Ziele von Interesse. In unserer Arbeitsgruppe konnte gezeigt werden, dass NAD+ zu Nikotinamidribosyl degradiert werden muss, bevor es in die Zelle aufgenommen werden kann. Auch Proteine, die an der Degradation des exogenen NAD+ zu Nikotinamidribosyl und dessen anschließender Aufnahme in die Zelle verantwortlich sind, konnten identifiziert und charakterisiert werden. Wie Nikotinamidribosyl im Cytoplasma wiederum zu NAD+ synthetisiert wird, ist auch erst kürzlich geklärt worden: für NadR konnte sowohl eine Ribosyl-Nukleotid-Kinase (RNK) Aktivität als auch eine Nikotinamid-Mononukleotid-Adenylyltransferase (NMNAT) Aktivität in vitro gezeigt werden. Die Kristallstruktur von hiNadR im Komplex mit NAD+ wurde auch aufgeklärt. In dieser Arbeit sollte NadR, insbesondere dessen RNK Domäne, in vivo und in vitro näher charakterisiert werden. Um zu untersuchen, ob beide Domänen in vivo essentiell sind, wurden Deletionsmutanten erzeugt, bei welchen die komplette bzw. der C-terminale Teil der RNK Domäne fehlten. Diese Deletionen konnten im nadV+ Hintergrund erzeugt werden. Die Deletionen konnten in H. influenzae nur zusammen mit dem nadV-Gen transferiert werden oder alternativ nur in die Zellen, die mit pNadRKan Plasmid transformiert wurden. Dies verdeutlicht, dass nicht nur die NMNAT Domäne sondern auch die RNK Domäne bzw. sogar nur wenige C-terminal fehlende Aminosäuren des NadR Proteins essentiell für die Lebensfähigkeit von H. influenzae sind. Gleichzeitig zeigen diese Experimente, dass die RNK-Domäne in Anwesenheit von NadV redundant ist. Ein weiterer Phänotyp der RNK-Deletionsmutante zeigte sich beim Nikotinamidribosyl-Transport. Im Gegensatz zum Wt, welcher ca. 60-80% des 14C-Nikotinamidribosyls aufnahm, konnte für die RNK-Deletionsmutante nur 2-5% Aufnahme gemessen werden. Dies konnte durch das pNadRKan Plasmid komplementiert werden. Weiterhin wurde festgestellt, dass spontan Aminopyridin-resistente H. influenzae Zellen Mutationen im nadR Gen haben, insbesondere im Walker A-Motif (P-Loop) der RNK Domäne. Zusätzlich konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass NadR aus Aminopyridin und ATP Aminopyridin-Adenin-Dinukleotid synthetisieren kann. Somit konnte gezeigt werden, dass die wachstumshemmende Wirkung eigentlich durch das aus Aminopyridin synthetisierte Aminopyridin-Adenin-Dinukleotid entsteht, welches NAD+ in Redox-Reaktionen verdrängt, wodurch es letztendlich zum Stillstand des Metabolimus kommt. Durch Einführen von gezielten AS-Substitutionen im Walker A und B Motif und in der LID-Domäne von NadR, konnten einige Aminosäuren identifiziert werden, welche essentiell für die Aktivität der RNK Domäne sind. Alle Aminosäuren-Substitutionen führten zum Verlust der RNK Aktivität, die NMNAT Aktivität jedoch war nicht beeinträchtigt. Desweiteren wurden diese NadR Punktmutanten in vivo untersucht. Für alle konnte eine signifikante Defizienz in der Nikotinamidribosyl-Aufnahme beobachtet werden, die gemessene Aufnahme lag im Bereich der RNK-Deletionsmutante. Dadurch konnte eine direkte Korrelation zwischen der RNK Aktivität und der Nikotinamidribosyl-Aufnahme gezeigt werden. In weiteren in vitro Experimenten konnte für NadR eine Feedback-Inhibition durch das NAD+ gezeigt werden, wobei NAD+ in erster Linie die RNK Domäne von NadR inhibiert. Eine graduelle Erhöhung der NAD+ Konzentration führte in den in vitro Assays zu einer graduellen Abnahme der RNK. Bei der NMNAT Aktivität jedoch zeigte sich keine signifikante Inhibition in Anwesenheit von NAD+. Begleitende in vivo Experimente, zeigten eine 2/3 Reduktion der Nikotinamidribosyl-Aufnahme bei den Zellen, die mit NAD+ inkubiert wurden, d. h. höhere intrazelluläre NAD+ Konzentration hatten. Für die genauere Analyse der Feedback-Inhibition durch NAD+ wurden weitere Punktmutanen hergestellt. Bei zwei der Punktmutanten wurde eine Beeinträchtigung der NadR-Aktivität beobachtet, daher wurden diese Punktmutanten von weiteren Analysen im Bezug auf NAD+-Feedback Inhibition ausgeschlossen. Eine Mutante (NadRW256F) jedoch, zeigte ähnliche Aktivität wie das Wt-NadR. In Anwesenheit von NAD+ wurde die RNK Aktivität dieser Punktmutante, im Gegensatz zum Wt-Protein, kaum gehemmt. Dadurch konnte W256 als eine der Aminosäuren identifiziert werden, die an der Vermittlung der NAD+-bedingten Inhibition der RNK-Domäne beteiligt ist. / I Summary Haemophilus influenzae, a gram-negative human pathogen belonging to a family of Pasteurellaceae is a causative agent of several distinct diseases. Whereas capsulated strains, particulary those with tybe b capsule can cause severe invasive infections such as cellulitis, septic arthrithis, epiglottitis and meningitis, non-capsulated strains generally tend to cause localized disease including otitis media, sinusitis, pneumonia and in rare cases bacteremia. The inability to synthesize NAD+ de novo is one of the hallmarks of H. influenzae metabolism, therefore proteins involved in NAD+ uptake and utilization respresent interesting putative targets for development of novel antimicrobial treatment. In our lab we were able to show, that prior to uptake, NAD+ has to be degraded to NR. Several proteins involved in NAD+ degradation and NR uptake were identified and characterized: OmpP2 (an outer-membrane porin), e(P4) (a membrane-bound acid phosphoesterase), NadN (a periplasmatic nucleotidase) and PnuC (a nicotinamidribosyl transporter localized in inner membrane). Enzyme responsible for resynthesis of nicotinamidribosyl to NAD+ was recently found to be NadR: A bifunctional protein containing a nicotinamidribosyl kinase (RNK) and a nicotinamid mononucleotide adenylyltransferase (NMNAT) activity, both of which were confirmed in vitro. Also, the crystal structure of NadR complexed with NAD+ was recently resolved. The aim of this work was to characterize the in vivo function of NadR, particular interest was laid on the characterization of the nicotinamidribosyl kinase domain. To test if both domains of NadR are essential for survival, deletion mutants lacking the entire RNK domain and the C-terminal 58 amino acids were constructed. Initially, these mutants were made in a H. influenzae strain which contains a chromosomal copy of H. ducreyi nadV gene. In following transformation experiments, transfer of the RNK deletion mutants to H. influenzae strain was always accompanied with an nadV transfer as well. Only in strain containing pNadRKan plasmid, no nadV transfer along with RNK-deletions took place. Indirectly, this shows that not only the entire RNK domain is essential for H. influenzae, but also the last 58 amino acids as well. It also shows that in presence of NadV the RNK domain is redundant. RNK deletion mutant displayed a significant deficiency in nicotinamidribosyl transport as well: whereas the Wt strain can accumulate up to 80% of 14C labeled nicotinamidribosyl, RNK mutant is able to accumulate only 2-5%. Introduction of pNadRKan plasmid to RNK mutant restored transport efficiency to Wt level. Studies using spontanous 3-aminopyridine (3-AmPR) resistant H. influenzae isolates, revealed that almost all 3-AmPR resistant isolates have mutations in the nadR gene. A clustering of mutations in Walker A motif of the RNK domain could be observed. Further studies represented in this work, show that 3-AmPR can act as a subtrate for NadR, therefore in ATP consuming reactions aminopyridine-adenindinucleotide can be synthesized. Intracellular aminopyridine-adenindinucleotide replaces NAD+ in redox reactions, which ultimately leads to inhibition of cell metabolism, thereby explaining the mechanism of 3-AmPR based growth inhibition. Using site-directed mutagenesis to introduce amino acid substitutions in distinct parts of the NadR-RNK domain, active sites of the RNK domain were revealed and amino acids essential for the RNK activity were identified. These defined amino acid exchanges resulted in loss of the RNK activity in vitro, but had no effect on the NMNAT activity, which remained intact in these mutant variants of NadR. Following in vivo studies revealed that all mutant NadR proteins caused a severe nicotinamidribosyl uptake deficiency, similar to the one observed in the RNK deletion mutant. Therefore, a direct correlation between the RNK activity and nicotinamidribosyl uptake was shown. Further in vitro studies revealed a feedback inhibition of NadR by NAD+, especially for the RNK domain. In case of RNK domain a gradual increase of NAD+ concentration led to gradual decrease in RNK activity. In contrast, for NMNAT domain no significant inhibition in the presence of NAD+ was observed. Also, in in vivo experiments a 3 fold reduction of nicotinamidribosyl uptake rate was observed when intracellular NAD+ concentrations were higher. To adress the mechanism of NAD+ feedback inhibition, once again, distinct amino acid exchanges were introduced. In vitro, two of the mutant proteins were impaired in their activity, especially if lower protein contrations were used. Therefore, further test concerning inhibtion were not preformed with these mutants. However, a W256F protein displayed activity similar to that of the native protein and furthermore was not inhibited in presence of NAD+. This indicates an involvement of the amino acid W256 in mediating the NAD+ dependent feedback inhibition on NadR activity.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von künstlichen Rezeptoren für biologisch relevante Oligopeptide und besteht aus drei Teilen. Im ersten Teil wurde auf der Basis von computergestützten de novo Berechnungen ein künstlicher Rezeptor für den D-Alanin-D-Alanin-C-Terminus entwickelt. Diese Peptidsequenz befindet sich in bakteriellen Zellwänden und nimmt eine Schlüsselfunktion in der Wirkungsweise des Antibiotikums Vancomycin ein. Zur Entwicklung dieses Rezeptors wurde ein Guanidiniocarbonylpyrrol als Bindungsmotiv für Carboxylate mit einer Cyclotribenzylen-Einheit verknüpft. Letztere ist entsprechend der theoretischen Berechnungen in der Lage, die Methylreste des Alanins größenselektiv durch hydrophobe Wechselwirkungen zu koordinieren. Dieser Rezeptor wurde in umfangreichen Bindungsstudien bezüglich seiner Affinität in Wasser und seiner Substratselektivität untersucht. Zur Erhöhung der Löslichkeit und zur Bestimmung der Komplexstruktur mit NMR-Techniken in Wasser wurde ein weiteres Derivat des Rezeptors synthetisiert, welches in peripherer Position mit Triethylenglykolseitenketten substituiert ist. Auf diese Weise gelang es, einen hoch affinen (log K = 4,7) und hoch selektiven künstlichen Rezeptor für den D-Ala-D-Ala-Terminus darzustellen und umfassend zu charakterisieren. So konnte gezeigt werden, dass ein de novo Design derartiger Rezeptoren prinzipiell möglich ist. In einem weiteren Teilprojekt wurde ein künstlicher Rezeptor für die interne RGD-Peptidsequenz entwickelt. Diese nimmt eine zentrale Funktion in Zell-Zell- und Zell-Matrix-Erkennungsprozessen ein. Dieses Teilprojekt wurde in Zusammenarbeit mit dem Arbeitskreis Schrader (Universität Marburg) durchgeführt. Dazu wurde ein Bindungsmotiv für Alkylguanidine (in der Seitenkette von Arg, R) über einen geeigneten Spacer mit einem Bindungsmotiv für Carboxylate (in der Seitenkette von Asp, D) verknüpft. Nach der Synthese und Charakterisierung einer Reihe von vier Rezeptoren konnte die grundsätzliche Anwendbarkeit dieses Ansatzes bestätigt werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass der verwendete Spacer für die Effektivität der Koordinierung von besonderer Bedeutung ist. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurde in einem dritten Teilprojekt ein kombinatorisches Festphasenprotokoll zur Optimierung derartiger Spacer entwickelt. Dabei wurde das Carboxylat-Bindungsmotiv (ein Guanidiniocarbonylpyrrol) auf einem polymeren Träger immobilisiert. Zu diesem Zweck wurden umfangreiche Studien zur Synthese von Pyrrol-Tricarboxylaten und zur Verwendung verschiedener Schutzgruppen unternommen. Die Eigenschaften von drei Schutzgruppen unterschiedlicher Sensitivität (basisch, stark sauer und photolytisch spaltbar) auf dem Acylguanidin wurden in Lösung und an der festen Phase untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein umfangreiches HPLC-Protokoll zur Charakterisierung der Reaktion entwickelt. So gelang die Entwicklung und Etablierung eines universell einsetzbaren Protokolls zur Optimierung derartiger Rezeptoren, womit zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in der kombinatorischen Chemie aber auch in weiteren Teilbereichen wie der Katalyse oder der Chromatographie ermöglicht werden. / The present thesis deals with the development of artificial receptors for biologically relevant peptides and consists of three parts. In the first part an artificial receptor for the D-Ala-D-Ala-D-Terminus was developed. This target plays an important role in the mode of action of the antibiotic Vancomycin. A carboxylate binding site (CBS) was synthetically combined with a cyclotribenzylene moiety. The cyclotribenzylene is capable of size selective hydrophobic coordination of the alanine methyl side chain at least according to theoretical calculations. After the synthesis the receptor was investigated regarding affinity and selectivity of target coordination in buffered aqueous media. Furthermore, a water soluble analogue with triethylene glycole substitution in peripheric position was synthesized and characterized. By this method a highly effective (log K = 4.7) and highly selective artificial receptor for D-Ala-D-Ala was developed and the usefulness of a de novo receptor design was demonstrated. In the second part an artificial receptor for the internal RGD peptide was developed, which plays an important role in cell-cell- and cell-matrix-recognition. This part was carried out in cooperation with the workgroup of Prof. Schrader (University of Marburg). Therefore, a supramolecular binding motif for alkyl guanidines (as in the side chain of Arg, R) was combined synthetically with a binding motif for carboxylates (as in the side chain of Asp, D) via a suitable spacer. After synthesis and characterization of a series of four receptors with different flexibility this concept was confirmed while lining out the particular importance of the choice of spacer. Based on these insights a solid phase protocol for optimization of such artificial receptors, especially with internal spacers, was developed in a third part. Hence, the guanidiniocarbonyl pyrrole moiety was immobilized on polymeric support. In this context extensive research aimed at the synthesis of pyrrole tricarboxylates and the use of various protective groups was performed. The chemical behavior of the protective groups of ´different sensitivity (basic, strong acidic and photolytic cleavable) for acyl guanidines was characterized in solution and on solid support. Furthermore, an N to C solid phase protocol was established. These results obtained now open the door of a wide range of applications of the CBS for receptor optimization, catalysis or chromatography.

Stickstoffmonoxid (NO) ist ein gasförmiges, relativ stabiles Radikal, das in Pflanzen u. a. durch Reduktion aus Nitrit unter Katalyse des Enzyms Nitratreduktase gebildet wird. In tierischen Organismen wird NO dagegen über einen oxidativen Syntheseweg aus der Ami-nosäure L-Arginin katalysiert durch verschiedene Isoformen der NO-Synthasen (NOS) hergestellt. Es besitzt im tierischen System vielfältige Funktionen u. a. als Neurotransmitter sowie Blutfluss und -druck regulierendes Agens. Im Pflanzenreich werden NO u. a. Aufgaben bei der Regulierung von Spaltöffnungen, der Abwehr von Pathogenen sowie der Differenzierung der Xylemelemente zugeschrieben. Die vorliegende Arbeit verfolgte zwei Ziele: - Erforschung alternativer oxidativer Synthesewege von NO in Pflanzen und - Untersuchung der NO-Spezifität der DAF-Fluoreszenzfarbstoffe ausgehend Diskrepanzen zwischen Daten aus Floureszenzanalysen und der Gasphasen-Chemilumineszenz in früheren Arbeiten unserer Arbeitsgruppe und zahlreichen weiteren Publikationen. a) NO-Produktion aus Hydroxylaminen Hydroxylamin ist ein Zwischenprodukt bei der bakteriellen Denitrifizierung und wurde auch als Intermediat bei der Nitratreduktion in Pflanzen diskutiert. Hier wird gezeigt, dass Tabaksuspensionzellen in der Lage waren, exogenes Hydroxylamin schon in sehr niedrigen Konzentrationen (4 µM) zu NO zu oxidieren. Auch ein anderes HA-Derivat, nämlich der Hemmstoff der Alternativen Oxidase (AOX) in Mitochondrien, Salicylhydroxamsäure (SHAM), wurde zu NO oxidiert. Die Vermutung, reaktive Sauerstoffspezies (ROS) könn-ten bei diesem Oxidationsprozess eine Rolle spielen, wurde überprüft: Nach Einwirkung des ROS-abbauenden Enzyms Superoxid-Dismutase (SOD) konnte aber überraschender-weise keine Verminderung, sondern eher eine Steigerung der NO-Emission beobachtet werden. Die Rolle der SOD in diesem Reaktionsprozess ist daher noch nicht verstanden. b) NO-Detektion mittels Fluoreszenzindikatoren Zur Visualisierung und Lokalisierung von NO in tierischen und pflanzlichen Zellen und Geweben (in situ) mittels mikroskopischer (LSM) oder fluorimetrischer Methoden werden Fluoreszenzfarbstoffe, z. B. DAF-2 oder DAF-FM verwendet. Diese Farbstoffe reagieren mit NO zu stark fluoreszierenden Triazol-Derivaten. Eine Situation, in der Pflanzen u. a. mit NO-Freisetzung reagieren, ist der Pathogenbefall. Wir untersuchten die Reaktion von Tabaksuspensionszellen auf den pilzlichen Elicitor Cryptogein, ein Protein des Oomyceten Phytophthora cryptogea. Im Filtrat der Zellen, die mit Cryptogein behandelt wurden, zeigte sich nach Zugabe von DAF-Farbstoffen ein starker Fluoreszenzanstieg. Um die fluoreszenzerhöhenden Stoffe zu charakterisieren, wurde das Filtrat vor der DAF-Zugabe verschiedentlich behandelt. Bei Zugabe von KCN bzw. Katalase zum Überstand, verringerte sich der Fluoreszenzanstieg. Gleichzeitige Behandlung der Zellen mit Cryptogein sowie dem NADPH-Oxidase-Inhibitor DPI unterband den Fluoreszenzanstieg im Überstand nahezu komplett. Enzym-Assays mit Amplex Rot zeigten die Anhäufung von H2O2 im Filtrat der elicitierten Zellen. Neben ROS werden von Pflanzenzellen auch Peroxidasen in den Apoplasten sekretiert, die mit Hilfe von H2O2 für eine verstärkte Quervernetzung der Zellwand sorgen. Sowohl in unbehandelten Kontrollzellen als auch in elicitierten Zellen wurde Peroxidase-Aktivität nachgewiesen. Nach Zugabe von H2O2 und DAF-2 zum Filtrat von Kontrollzellen ergab sich ein Fluoreszenzanstieg ähnlich dem im Filtrat von behandelten Zellen. Mit Hilfe eines einfachen In-vitro-Systems aus Meerettich-Peroxidase (MR-PO), Wasser-stoffperoxid (H2O2) und DAF-2 konnten noch höhere Fluoreszenzwerte erzielt werden, was die Vermutung der Fluoreszenzerhöhung ohne Anwesenheit von NO erhärtete. Um diese nicht aus einer Reaktion mit NO resultierenden DAF-Produkte näher zu charak-terisieren, wurden Trennungen mittels Umkehrphasen-Hochdruck-Flüssigkeitschro-matographie mit Fluoreszenzdetektion (RP-HPLC-FL) und Massenspektrometrie (UPLC-MS) durchgeführt. Dabei wurden tatsächlich zwei neue Reaktionsprodukte festgestellt, die sich eindeutig von DAF-2T unterschieden. Letzteres konnte nur bei Hinzufügen des NO-Donors DEA-NO detektiert werden. Zur Erfassung von intrazellulären Reaktionsprodukten von DAF wurden die chromatogra-phischen Trennmethoden auch auf Extrakte von mit DAF-2 DA aufgeladenen und danach elicitierten Zellen angewandt. Bei dieser Auftrennung tauchten noch mehr DAF-Reaktionsprodukte auf. Die Hauptfluoreszenz, die auch bei nicht inkubierten Zellen auf-trat, konnte auf eine Reihe sehr früh eluierender Substanzen zurückgeführt werden. Die zwei DAF-Derivate aus dem Überstand inkubierter Zellen bzw. der In-vitro-Reaktion (MR-PO+H2O2+DAF-2) tauchten jedoch überhaupt nicht auf. Vorläufige massenspektrometrische Analysen legen nahe, dass es sich bei den in Abwe-senheit von NO gebildeten zwei Verbindungen um isomere Dimere von DAF-2 handelt. / Nitric oxide is a diatomic, gaseous, relatively stable radical that is mainly synthesized via a reduction of nitrate/nitrite or via an oxidation of amino groups. The latter pathway has been attributed a major role in NO production from the amino acid L-arginine catalysed by three different isoforms of NO-synthases (NOS). In animals, NO fulfils a variety of well-known functions e. g. as neurotransmitter, blood-flow and -pressure regulating agent. In the plant kingdom, it plays a role in the regulation of stomatal movement, in the defense against pathogens and in xylogenesis. Major aims of this work were: - to search for alternative oxidative pathways for nitric oxide from reduced nitrogen compounds and - to unravel previous inconsistencies described in our group on NO production in plants as detected by gas phase chemiluminescence or by fluorescing NO specific dyes. a) NO production by oxidation of hydroxylamine (HA) Hydroxylamine was discussed as an intermediate in nitrate reduction in plants and appears conjugated to carbonyl compounds as oximes. Here it is shown that tobacco suspension cells are able to oxidize exogenous hydroxylamine to nitric oxide when applied in concen-trations as low as 4 µM. This was also observed after addition of another hydroxylamine, salicylhydroxamic acid (SHAM), which is a frequently applied inhibitor of mitochondrial Alternative Oxidase (AOX). Preliminary observations suggest that reactive oxygen species (ROS) play a role as oxidants. Addition of superoxide dismutase (SOD), an enzyme de-grading ROS, led to an even higher output of NO from hydroxylamine, which may indicate an involvement of H2O2. b) DAF-fluorescence without NO Fluorescent dyes (DAF-2, DAF-FM, DAR-4M) have been used widely to visualize NO production in tissues and single cells, mostly in connection with the LSM technique. By reaction with NO, these dyes form stable and highly fluorescing triazol-derivatives (e. g. DAF-2T). Much of the present knowledge on NO in plants is based on the use of these dyes. One important example out of many is the induction of NO production by treating plants with compounds (elicitors) provoking a hypersensitive response in specific target plants. Here, the system tobacco and the elicitor cryptogein, a peptide secreted from the oomycete Phytophthora cryptogea was used. This elicitor is specific for tobacco, and in-duces programmed cell death in tobacco suspension cells. When DAF-2 was added to a filtrate of cells preincubated with cryptogein, a strong fluo-rescence increase was observed. Addition of potassium cyanide (KCN) or catalase lowered this increase. Simultaneous treatment of cells with cryptogein and DPI, an NADPH-oxidase inhibitor, abolished fluorescence almost completely. Assays using the H2O2-sensitive dye amplex red indicated an accumulation of H2O2 in the filtrate of elicited cells. Besides ROS, plants secrete peroxidase enzymes into the apoplast which catalyze the crosslinking of cell wall polymers using H2O2. Peroxidase activity was observed both in the filtrate of control cells and cryptogein-treated cells. Addition of H2O2 and DAF-2 to the filtrate of untreated cells gave a fluorescence increase similar to that observed after addi-tion of DAF-2 to the filtrate of cryptogein-elicited cells, which was a first hint that fluores-cence could be induced without NO. An in-vitro-system consisting of horseradish-peroxidase (MR-PO), H2O2 and DAF-2 re-sulted in strong fluorescence increase, confirming that fluorescence took place even in the complete absence of NO. To further characterize suspected novel DAF-derivatives not related to NO, they were analysed by reverse-phase high-pressure liquid chromatography with fluorescence detection (RP-HPLC-FL) and mass spectrometry (UPLC-MS). Indeed, two new DAF-reaction products were discovered which could be clearly separated from DAF-2T. The reaction product of DAF-2 and NO was detected only when the NO-donor DEA-NO was added to the reaction mixture of the in-vitro-system (HR-PO + H2O2 + DAF-2), revealing three peaks, the two novel DAF-derivatives and DAF-2T. In order to elucidate intracellular reaction products formed inside DAF-2 DA preloaded cells during elicitation, extracts of suspension cells were also submitted to RP-HPLC-FL. In this case, a larger number of DAF-derivatives were found. Even in non-incubated cells, bulk fluorescence originated from a group of early eluting novel compounds. However, none of them could be matched with the two derivatives found in the cell filtrate or in vitro. Preliminary mass spectrometrical analyses suggest the two novel, highly fluorescing compounds formed in the absence of NO in vitro or the filtrate of elicited cells to represent isomeric dimers of DAF-2 which are linked via the amino-groups after reduction.

Parasitäre Protozoen wie Leishmanien, Trypanosomen und Plasmodien weisen eine Vielzahl von Cystein-Proteasen der Papainfalimilie (CAC1) auf, welche als Pathogenitäts- und Virulenzfaktoren identifiziert werden konnten. Die aktuell eingesetzten Medikamente zur Behandlung der von diesen Parasiten hervorgerufenen Infektionskrankheiten (Leishmaniose, Afrikanische Schlafkrankheit, Chagas-Krankheit, Malaria) sind aufgrund von Nebenwirkungen, hohen Kosten und sich entwickelnden Resistenzen suboptimal. Die parasitären Cystein-Proteasen stellen daher potentielle Targets zur Entwicklung neuer Therapieansätze dar. Das angestrebte Ergebnis der Entwicklung ist es, selektive Inhibitoren der parasitären Proteasen zu entwickeln, während die Wirt-Proteasen unbeeinflusst bleiben. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Optimierung der literaturbekannten Aziridin-2,3-dicarboxylat-basierten Inhibitoren RV122C (Boc-(S)-Leu-(R)-Pro-(S,S)-Azi(OBn)2) und RV212C (Boc-(R)-Leu-(S)-Pro-(S,S)-Azi(OBn)2) sowie des Michael-Akzeptor-basierten Inhibitors 16a (Boc-(S)-Phg-(S)-vGln(Trt)-OEt) hinsichtlich ihrer selektiven inhibitorischen Aktivität an parasitären Cystein-Proteasen. Bei allen synthetisierten Verbindungen handelt es sich um potenziell irreversible, kovalente und kompetitive Inhibitoren. Der Aziridinring und das Michael-System stellen elektrophile Bausteine dar, die von dem nucleophilen Thiolatrest des aktiven Zentrums einer Cystein-Protease angegriffen werden und in der irreversiblen Alkylierung des aktiven Zentrums resultieren. Die Testung der synthetisierten Verbindungen erfolgte mittels fluorimetrischer und photometrischer Enzymassays. Zur Evaluierung der biologischen Aktivitäten wurden ggf. weitere biologische Testungen durchgeführt. Die Leitstrukturen RV122C und RV212C der Aziridinylpeptide wurden als Inhibitoren von Proteasen der Cathepsin-L-Subfamilie identifiziert. Eine zweite Serie von Stereo- und Konstitutionsisomeren von RV122C und RV212C brachte ein Derivat hervor, CS09 (Boc-(S)-Leu-(R)-Pro-(R,R)-Azi(OBn)2), welches selektive Inhibition von parasitären Cystein-Proteasen aufwies, ohne humanes Cathepsin L zu hemmen. Neben leishmanizider Aktivität weisen sowohl RV122C und RV212C als auch CS09 keine Toxizität an den eingesetzten Zelllinien auf. Daher erfolgte die Fokussierung auf Untersuchungen in Leishmania major zur detaillierten Aufklärung zellulärer Effekte in vitro und in vivo. Der ausgelöste Zelltot wurde als Apoptose-ähnlich charakterisiert, welcher durch unvollständige Verdaunung in Lysosom-ähnlichen Vakuolen hervorgerufen wurde. In-vivo-Untersuchungen im Mausmodell zeigten, dass es das Ziel sein muss, Inhibitoren mit Selektivität insbesondere für die Cathepsin-B-ähnliche LmajcatB zu entwickeln. Ausgehend von CS09 als neue Leitstuktur wurden verschiedene Variationen zur Strukturoptimierung vorgenommen, um im Anschluss Struktur-Wirkungs-Beziehungen ableiten zu können. Die Synthese erfolgte mittels Fragmentkupplung der zuvor stereoselektiv dargestellten Aziridin-Bausteine und der durch Standard-Peptidkupplungsreagenzien erhaltenen Aminosäure/Peptidbausteine. Die N-Acylierung wurde mittels des Kupplungsreagenzes PPA optimiert. Schließlich wurden die Verbindungen an den Cystein-Proteasen Cathepsin L, Cathepsin B, Cathepsin K, Cathepsin S, LmCPB2.8, LmajcatB, Rhodesain, Cruzain und Falcipain-2 auf ihre inhibitorische Aktivität getestet. Weiterhin wurden die Verbindungen im Rahmen der interdisziplinären Zusammenarbeit innerhalb des Sonderforschungsbereichs 630 auf ihre antiparasitäre Aktivität an Leishmanien, Trypanosomen und Plasmodien sowie auf ihre Cytotoxizität an der Makrophagenzelllinie J774.1 getestet. Vertreter dieser Serie erwiesen sich, ebenso wie CS09, als selektive Inhibitoren parasitärer, Cathepsin-L-ähnlicher Proteasen (LmCPB2.8, Rhodesain, Cruzain) und der Cathepsin-B-ähnlichen Protease (LmajcatB). Sehr gute Hemmung der Cathepsin-L-ähnlichen Protease LmCPB2.8 riefen Stereo- und Konstitutionsisomere von CS09 hervor, als auch Derivate, bei denen der Leucinrest gegen andere lipophile Reste mit ähnlichem oder größerem sterischen Anspruch substituiert ist. Die beste Inhibition des Cathepsin-B-ähnlichen Enzyms erfolgte durch Konstitutionsisomere von CS09 und durch Aziridinylpeptide, deren Prolinrest gegen einen Ornithin- oder einen Argininrest ersetzt wurde. Besonders hervor sticht CS25 (Boc-(S)-Ile-(R)-Pro-(R,R)-Azi(OBn)2), sich auszeichnend durch selektive Inhibition der LmajcatB (neben Cathepsin S) bei sehr guter leishmanizider Aktivität. Auch zeigen einige Vertreter selektive Hemmung von Rhodesain und/oder Cruzain. Mithilfe eines synthetisierten Aziridinylpeptids, welches bromierte Benzylesterreste trägt und sehr gute Hemmeigenschaften an parasitären Cystein-Proteasen aufweist (CS38), sollte die Kristallisation mit Rhodesain erfolgen, um die erste Röntgenstruktur eines Enzym-Aziridin-Inhibitor-Komplexes zu erhalten. Dieses Ziel konnte jedoch nicht realisiert werden. Aufgrund fehlender Röntgenstrukturen von Enzym-Inhibitor-Komplexen ist die Bindung der synthetisierten Inhibitoren noch immer spekulativ. Dockingstudien an Cruzain schlagen verschiedene Bindemodi vor, bei denen zwei von drei lipophilen Resten die hydrophoben S2- und S1´-Bindungstaschen adressieren. Die Mehrzahl der Aziridin-basierten Verbindungen konnte als leishmanizide und/oder trypanozide Verbindungen identifiziert werden. Mithilfe eines Biotin-markierten Derivats von RV122C (CS39) konnte durch active-site labeling nachgewiesen werden, dass Cystein-Proteasen von L.-major-Promastigoten die Targets des Inhibitors sind. Active-site-labeling und Untersuchungen durch Fluoreszenzaktivitätsassays mit L.-major-Promastigotenlysaten machten deutlich, dass bei Einsatz von RV122C und RV212C Cathepsin-B-ähnliche Proteasen beeinflusst werden. CS09 wies einen anderen Wirkmechanismus – ähnlich dem von E-64 – auf, wie Fluoreszenzaktivitätsassays zeigten. Hinsichtlich der Aufklärung dieser zellulären Effekte und zur Identifizierung weiterer möglicher Targets wurde ein Fluoreszenzfarbstoff-markierter Aziridin-Inhibitor (CS40) dargestellt. CS40 wies hervorragende Hemmeigenschaften an den isolierten Enzymen auf, war jedoch für In-vitro-Untersuchungen ungeeignet, da weder leishmanizide noch trypanozide Aktivität vorlagen. Durch antiplasmodiale Wirkung ist CS40 lediglich zu In-vitro-Studien an Plasmodien einsetzbar. Für In-vitro-Studien wurde zur Aufklärung des Wirkmechanismus der Aziridin-2,3-dicarboxylat-basierten Inhibitoren der literaturbekannte, für Cathepsin-L-ähnliche Enzyme selektive, Epoxid-basierte Standardinhibitor CLIK-148 als Vergleichssubstanz dargestellt. Zum Beweis der Inaktivität des Diastereomers von CLIK-148 mit (R,R)-konfiguriertem Epoxidring wurde zudem das Derivat CS41 synthetisiert. Die Synthese hierzu erfolgte zunächst über die stereoselektive Darstellung der trans-konfigurierten Diethyloxiran-2,3-dicarboxylate, die nach Verseifung der Ethylesterfunktionen mittels Peptidkupplungsreagezien mit den entsprechenden Aminen gekuppelt wurden. Zur Ableitung der Struktur-Wirkungs-Beziehung von Michael-Akzeptor-basierten Verbindungen wurde die Leitstruktur 16a durch Variation der Konfigurationen sowie durch Substitution der Trityl-Schutzgruppe der Glutaminseitenkette durch sterisch weniger anspruchsvolle Schutzgruppen verändert. Die Synthese erfolgte ausgehend von der Darstellung des entsprechenden Dipeptids mit Methylesterschutzgruppen. Ausgehend davon wurden die Methylesterreste entweder mit DIBAL zum entsprechenden Aldehyd reduziert oder aus Gründen der Praktikabilität zum entsprechenden Alkohol reduziert, um anschließend in einer Swern-Oxidation den Aldehyd zu liefern. Die Aldehyde wurden im finalen Schritt in einer Masamune-Reaktion mit Triethylphosphonoacetat zu den vinylogen Dipeptidestern umgesetzt. Die Stereoisomere CS42 und CS43 mit Tritylresten an der Glutaminseitenkette sind unspezifische, starke Inhibitoren humaner und parasitärer Enzyme. In vitro zeigten sie starke Hemmung des Parasiten-Wachstums als auch Cytotoxizität an Makrophagen. Die Verbindungen ohne Tritylrest (CS44, CS45) erwiesen sich weder als Proteaseinhibitoren, noch in vitro als wirksam. Ferner wurden mit den synthetisierten Verbindungen in interdisziplinären Kooperationen weitere biologische Testungen durchgeführt. In Selektivitätsstudien an den Aspartat-Proteasen Plasmepsin II und IV erwiesen sich die getesteten trans-konfigurierten Aziridin-basierten Inhibitoren als inaktiv, während die Leitstruktur der Michael-Akzeptor-basierten Inhibitoren 16a sowie deren Distereomer CS42 (= 16b) als Inhibitoren von Plasmepsin IV identifiziert werden konnten. Weder in Testungen an Plasmodium berghei infizierten humanen Hepatomzellen in Leberstadien, noch im Blut-Hirn-Schrankenmodell einer Trypanosoma-brucei-gambiense-Infektion sowie im In-vitro-Screening an Trichomonas vaginalis zeigten die jeweils getesteten Verbindungen Aktivität. Allein die Aziridin-2,3-dicarboxylat-basierten Cystein-Protease-Inhibitoren wiesen Wirksamkeit bezüglich des Wachstums von Schistosoma mansoni auf. In einem visuellen Phänotyp-Screening inhibierte eine Vielzahl der getesteten Verbidungen das Wachstum der jungen Form (Schistosomula), im zweiten Schritts des In-vitro-Screenings zeigte sich jedoch keine Verbindung aktiv an der adulten Form (Schistosomen) des Parasiten. / Protozoan parasites contain an abundance of cysteine proteases of the papain family (CAC1), which are essential for parasite growth, differentiation, pathogenicity and virulence. Therefore they are attractive targets for the development of new, affordable, alternative drugs, because current therapy for infectious diseases like leishmaniasis, African trypanosiasis, Chagas disease or malaria is suboptimal due to toxicity of available therapeutic agents and the emergence of drug resistence. Protease inhibitors have to be selective inactivators of parasitic proteases, while not affecting mammalian proteases in order to become an antiparasitic drug. The main goal of this work was the optimization of the aziridine based inhibitors RV122C (Boc-(S)-Leu-(R)-Pro-(S,S)-Azi(OBn)2) and RV212C (Boc-(R)-Leu-(S)-Pro-(S,S)-Azi(OBn)2) and of the Michael acceptor based inhibitor 16a (Boc-(S)-Phg-(S)-vGln(Trt)-OEt), regarding their ability of selective inhibition of parasitic proteases. All synthesized substances are designed as irreversible, covalent, and competitive inhibitors, in which the aziridine ring and the Michael system represent electrophilic building blocks. The reaction of the electrophilic moieties with the nucleophilic thiolate of the active site results in the irreversible alkylation of the protease. The synthesized compounds were subsequently tested in fluorimetric or photometric enzyme assays, in some cases followed by further biological evaluation. The aziridines RV122C and RV212C could be identified as inhibitors of the cathepsin L subfamily. Starting from RV122C and RV212C as lead structures, a new series containing structural isomers, stereoisomers and derivatives with ethyl esters was synthesized. The most promising candidate of this series was CS09 (BOC-(S)-Leu-(R)-Pro-(R,R)-Azi(OBn)2), showing selective inhibition of the parasitic cysteine proteases, while not affecting mammalian cathepsin L. Besides antileishmanial activity, RV122C and RV212C as well as CS09 do not exhibit cytotoxicity against host cells. Therefore, in further investigations the mode of action of these inhibitors was characterized in Leishmania major. An apoptosis-like cell death was induced, which was caused by incomplete digestion in autophagy-related lysosome-like vacuoles. In vivo a mouse model of Leishmania infection showed, that the cathepsin-B-like enzyme LmajcatB should be targeted by the inhibitors in further investigations. Based on CS09 as a new lead structure, further derivatives were synthesized with structural modifications for structure-activity relationship (SAR) studies. The syntheses were achieved via fragment coupling of the prior stereoselectively synthesized aziridine-2,3-dicarboxylates with the appropriate aminoacids/peptids. PPA was used as coupling reagent of the N-acylation. Subsequently the compounds were tested for inhibition of cathepsin L, cathepsin B, cathepsin K, cathepsin S, LmCPB2.8, LmajcatB, rhodesain, cruzain and falcipain-2. Within the Collaborative Research Center 630 of the University of Würzburg the compounds were tested in regard of their antiparasitic activity and cytotoxicity. Compounds out of this series showed selective inhibition of parasitic cathepsin-L-like proteases (LmCPB2.8, rhodesain, cruzain) and cathepsin-B-like proteases (LmajcatB). Best inhibitors of LmCPB2.8 are the structural isomers and stereoisomers of CS09 and derivatives with other, sterically hindered, lipophilic moieties instead of the leucine moiety. LmajcatB was best inhibited by structural isomers of CS09 and by derivatives with ornithine or arginine moieties attached to the proline moiety. CS25 (Boc-(S)-Ile-(R)-Pro-(R,R)-Azi(OBn)2) should be highlighted, because of selective inhibition of LmajcatB (besides Cathepsin S) and outstanding antileishmanial activity. Some compounds showed selective inhibition of rhodesain and/or cruzain. In order to obtain the first X-ray structure of an enzym-aziridine-inhibitor-complex, an aziridine-2,3-dicarboxylate-based inhibitor with brominated benzyl esters was synthesized (CS38). CS38 displayed excellent inhibition of cysteine proteases, but the cristallisation with rhodesain failed. Because of missing X-ray structure investigations, the binding mode of the aziridine-based inhibitors is still unclear. Docking studies suggested several binding modes, where three out of two lipophilic residues adress the hydrophobic S2 and the S1´ binding pockets. The majority of the aziridine based inhibitors could be identified as antileishmanial and/or antitrypanosomal agents. As shown by fluorescence proteinase activity assays and active-site labeling in lysates of promastigotes with the biotin-tagged derivate of RV122C, CS36, RV122C and RV212C both targeted leishmanial cathepsin-B-like LmajcatB. By contrast, CS09 caused a different outcome in fluorescence proteinase activity assays, similar to the outcome observed with E-64. With respect to elucidate further cellular effects and to determine potential further targets via fluorescence microscopy, an aziridine was labeled with a fluorescent dye (CS40). CS40 showed very good inhibition of the cysteine proteases, but was not usefull for in-vitro-investigations, because of missing antileishmanial and also antitrypanosomal activity. Because of antiplasmodial activity, CS40 can be used in vitro with Plasmodia. The literature known cathepsin-L-selective, oxirane-based inhibitor CLIK-148 was synthesized in order to use it in comparison to the aziridine-based inhibitors in vitro. The derivative of CLIK-148 with (R,R)-konfigured oxirane ring (CS41) was also synthesized. As expected from literature data, CS41 did not show inhibition of any enzyme tested. The trans-konfigured diethyl oxirane-2,3-dicarboxylates were stereoselectively synthesized and in the following steps after alkaline hydrolysis brought to reaction with the corresponding amines. To investigate SAR of Michael acceptor based inhibitors, the lead structure 16a was modified structurally. Synthesis started with preparing the methyl ester dipeptides via peptide coupling methods. Subsequently the aldehyds were synthesized either via DIBAL reduction directly to the aldehyde or via DIBAL reduction to the alcohol, followed by Swern oxidation to the corresponding aldehyde. The last step led to the products via a Masamune reaction with triethylphosphono acetate. Michael acceptors containing a trityl group in the side chain of the glutamine residue are strong and unspecific inhibitors of human and parasitic proteases (CS42, CS43). Furthermore they are active against parasites in vitro, but they are also cytotoxic. Michael acceptors containing a benzhydryl group or an isopropyl group instead of the trityl group didn´t show inhibitory potency against the enzymes tested and parasite growth (CS44, CS45). Further biological tests were performed with the synthesized compounds. In contrast to the Michael acceptor based compounds CS42 and CS43 non of the aziridine based inhibitors showed inhibition of the aspartic proteases plasmepsin II and IV. No activity could be detected in tests concerning liver-stage development of Plasmodium berghei, a model of a blood-brain barrier of infection with Trypanosoma brucei gambiense, nor in an in vitro screening with Trichomonas vaginalis. In a phenotypic screening with Schistosoma mansoni, aziridine-2,3-dicarboxylate-based inhibitors showed inhibition of the juvenile parasites (schistosomula). In the second step, they were screened in vitro against adult parasites, but no inhibitor was active in that assay.

Die vorliegende Dissertation stellt einen Beitrag zur Chemie des höherkoordinierten Siliciums dar. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden neue neutrale penta- und hexakoordinierte Silicium(IV)-Komplexe, sowie deren benötigte Vorstufen dargestellt. Weiterhin wurde ein kationischer und ein zwitterionischer Silicium(IV)-Kompex synthetisiert. Die Charakterisierung dieser Verbindungen erfolgte durch Elementaranalysen, Festkörper-NMR-Spektroskopie (13C-, 15N-, 29Si- und 77Se-VACP/MAS-NMR) und Kristallstrukturanalysen. Ergänzend wurden einige Verbindungen durch NMR-Spektroskopie in Lösung (1H, 13C, 19F, 29Si, und 77Se) charakterisiert. / This dissertation deals with the chemistry of higher-coordinate silicon. In the course of these studies, novel neutral penta- and hexacoordinate silicon(IV) complexes and the needed precursors were prepared. Furthermore, one kationic and one zwitterionic silicon(IV) complex was synthesized. These compounds were characterized by elemental analyses, solid-state NMR spectroscopy (13C, 15N, 29Si, and 77Se VACP/MAS NMR), and single-crystal X-ray diffraction. In addition, some of these compounds were characterized by NMR spectroscopy in solution (1H, 13C, 19F, 29Si, and 77Se).

Tetrapyrrole sind nicht nur in natürlichen Systemen von herausragender Bedeutung, sondern haben sich im letzten Jahrhundert zu einem zentralen Forschungsgegenstand verschiedener Naturwissenschaften entwickelt. Chirale Vertreter sind, trotz ihrer Bedeutung in der Natur, hierbei nur am Rande untersucht worden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde, ausgehend von p-Xylylen-verbrückten Porphyrinen, sogenannten Henkelporphyrinen, eine Vielzahl an chiralen Strukturen synthetisiert und stereochemisch untersucht. Die monomeren Vertreter waren abhängig vom Substitutionsmuster der Henkeleinheit achiral oder planar-chiral. Über eine kurze und effiziente Syntheseroute wurden die Grundkörper im Multigramm-Maßstab aufgebaut und anschließend sowohl strukturell modifiziert als auch funktionalisiert. Die chiralen Vertreter wurden mittels HPLC an chiraler Phase in die Enantiomere getrennt und mittels online-ECD-Spektroskopie wurden die ECD-Spektren im stopped-flow-Modus gemessen. Der Vergleich mit quantenchemisch berechneten ECD-Kurven erlaubte die sichere Zuordnung der Absolutkonfigurationen. Des Weiteren wurden die Monomere röntgenkristallographisch, UV-Vis-spektroskopisch und elektrochemisch eingehend untersucht. Ausgehend von den monomeren Vertretern wurden mittels direkter oxidativer Kupplung oder über Übergangsmetall-katalysierte Verfahren di- und trimere Systeme aufgebaut. Diese lagen als axial-, helikal- oder planar-chirale Strukturen vor. HPLC-ECD-Kopplung in Verbindung mit quantenchemischen Rechnungen erlaubte auch hier die Aufklärung der absoluten Stereostrukturen. Neben klassischen Porphyrin-Vertretern wurden im Rahmen dieser Arbeit erstmals Henkelchlorine durch OsO4-vermittelte Dihydroxylierung der Henkelporphyrine synthetisiert und vollständig charakterisiert. Außerdem gelang in Kooperation mit Prof. Brückner (UConn) die Aufklärung der Absolutkonfigurationen helikal-chiraler Indachlorine. Die Arbeit liefert insgesamt eine breite Plattform an chiralen Porphyrinoiden, die für weitere Untersuchungen zu Reaktivität und Struktur von größtem Interesse sind, sowie erste detaillierte Einblicke in die faszinierenden Eigenschaften dieser Substanzklasse. / Tetrapyrroles are of outstanding importance not only in naturally occurring systems, but also they have become a central research topic during the last century. Yet, chiral representatives were, despite their importance in nature, only investigated marginally. This work deals with the syntheses and stereochemical investigations of a plethora of chiral Systems based on p-xylylene-bridged porphyrins, so called basket-handle porphyrins. The monomeric representatives were achiral or chiral only by difference of the substitution pattern of the handle unit. Via a short and efficient synthesis, the core motif was accessible in multi-gram quantities. Subsequent modifications as well as functionalizations were achieved. The chiral derivatives were resolved into their enantiomers by HPLC on a chiral phase and their ECD spectra were recorded online in the stopped-flow mode. By comparison with quantum-chemically obtained ECD curves the absolute configurations were established. Additionally, the monomers were characterized by X-ray crystallography, UV-Vis spectroscopy, and electrochemical methods. Starting from the monomers, a variety of di- and trimeric arrays was synthesized by direct oxidative coupling or by transition-metal catalyzed reactions. These systems were either helically, axially, or planar-chiral. HPLC-ECD coupling in combination with quantum-chemical calculations permitted the assignment of the absolute stereostructures. Besides the classical porphyrins, basket-handle chlorins were synthesized by OsO4-mediated dihydroxylation of the basket-handle porphyrins and their absolute configurations were established. Furthermore, in cooperation with Prof. Brückner (UConn) the absolute stereostructures of novel helically chiral Indachlorins was assigned. In summary, this work provides a broad variety of chiral porphyrinoids, which are ideal candidates for further investigations regarding their chemical reactivity and their structural features, and included first detailed insight into the fascinating properties of this class of compounds.

Das Interesse an Übergangsmetall-substituierten Siloxanen ist in den vergangenen Jahren stark angewachsen. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass diesen Systemen eine wichtige Modellfunktion für auf Silica-Oberflächen verankerte, katalytisch aktive Übergangsmetallkomplexe zukommt, die eine Vielzahl organischer Reaktionen katalysieren und dabei sowohl die Vorteile der Homogenkatalyse als auch der Heterogenkatalyse in einem einzigen System vereinen. Weiterhin kommt ihnen auch eine wichtige Bedeutung als Vorstufen zur Darstellung von Silicon-Polymeren und Keramiken zu, die definierte Metallzentren in ihrem Polymer-Grundgerüst enthalten und somit als neue Werkstoffe mit hoher mechanischer und thermischer Stabilität sowie ausgezeichneten leitenden Eigenschaften dienen können. Metallosiloxane mit einer direkten Metall-Silicium-Bindung können über die entsprechenden Metallo-silanole generiert werden, die seit Beginn der 90er Jahre eine intensivere Bearbeitung erfahren. In dieser Arbeit wurden die ersten Vertreter von Metallo-silanolen dargestellt und bezüglich ihrer Reaktivität untersucht, in denen das Metall- und Siliciumatom durch einen Alkylidenspacer getrennt ist. Es wurde zunächst eine Reihe von C5R5(OC)2FeCH2-substituierten Silanolen über die Et3N-assistierte Hydrolyse von Ferriomethyl-chlorsilanen bzw. Oxygenierung von Si-H-funktionellen Ferriomethyl-silanen mit Dimethyldioxiran dargestellt. Die Stabilisierung durch das Metallfragment in β-Stellung zur Silanoleinheit erweist sich ebenfalls hinreichend für die Darstellung von Ferriomethyl-silandiolen und –silantriolen, wie anhand der Darstellung von Cp(OC)2Fe-CH2-Si(R)(OH)2 (R = Me, OH) nachgewiesen werden konnte. Allerdings zeigen diese Vertreter im Vergleich zu ihren Analoga mit direkter Fe-Si-Bindung eine z.T. deutlich erhöhte Eigenkondensationsneigung. Die Röntgenstrukturanalysen der Ferriomethyl-diorganosilanole C5R5(OC)2Fe-CH2-Si(Me)(R’)OH belegen deren Aggregation zu Tetrameren bzw. unendlichen Ketten im Festkörper über starke intermolekulare OH...O-Wasserstoffbrückenbindungen. Durch Et3N-assistierte Kondensation mit Organochlorsilanen, wie z.B. Me2Si(H)Cl lassen sich kontrolliert Ferriomethyl-substiuierte Di-, Tri- und Tetrasiloxane generieren. Auch der Aufbau von mehrkernigen Heterosiloxangerüsten ist möglich, wie exemplarisch anhand der Synthese von Cp(OC)2Fe-CH2-SiMe2O-M(Cl)Cp2 (M = Ti, Zr) überprüft wurde. Weiterhin können auch Modifikationen am Metallfragment vorgenommen werden, wie der photochemisch induzierte CO/PR3-Austausch an Cp(OC)2-CH2-SiMe2OH beweist. Die synthetisierten Ferriomethyl-siloxane mit δ-ständiger Si-H-Funktion eignen sich für weitere Umsetzungen, wie z.B. der oxidativen Addition der Si-H-Funktion an ungesättigte Metallfragmente. So lassen sich das Tri- bzw. Tetrasiloxan Cp(OC)2Fe-CH2-Si(R)(OSiMe2H)2 (R = Me, OSiMe2H) durch UV-Bestrahlung unter CO-Eliminierung glatt in die Cyclo(ferra)siloxane Cp(OC)(H)Fe-SiMe2-OSi(Me)(R)-OSiMe2 überführen. Abschließend wurde überprüft, ob sich die Chemie der Ferriomethyl-silanole auch auf andere Übergangsmetallfragmente übertragen lässt. Hierbei konnten Wolframiomethyl-silanole mit dem Cp(OC)2(Me3P)WCH2-Fragment dargestellt werden, wobei sich, im Gegensatz zu den Eisenvertretern, die Darstellungsmethode der Oxygenierung von Si-H-funktionellen Vorläufern als vorteilhafter erweist. / The interest in transition metal substituted siloxanes has rapidly grown in recent years. This is mainly due to their ability to serve as model systems for catalytically active transition metal complexes immobilized on a silica surface combining the advantages of homogeneous as well as those of heterogeneous catalysis in one system. In addition, these systems are also considered as precursors in the production of silicon polymers and ceramics with well-defined metal centres in the polymer backbone and can so be applied as new materials with good mechanical and thermal stability and excellent conducting properties. Metallo-siloxanes with a direct metal-silicon bond can be generated via the corresponding metallo-silanols which raised a greater attention in the last ten years. In this work the first examples of metallo-silanols have been synthesized and studied in which the metal and silicon atom are separated by an alkylidene spacer group. A number of C5R5(OC)2FeCH2-substituted silanols has been generated via Et3N-assisted hydrolysis of ferriomethyl-chlorosilanes and oxygenation of Si-H-functional ferriomethyl-silanes with dimethyldioxirane, respectively. The stabilizing effect of the metal fragment in β-position to the silanol unit is sufficient for the isolation of ferriomethyl-silanediols und –silanetriols as could be demonstrated in the synthesis of Cp(OC)2Fe-CH2-Si(R)(OH)2 (R = Me, OH). However, these compounds show an enhanced tendency to self-condensation compared to their analogues with a direct metal-silicon bond. The X-ray structure analyses of the ferriomethyl-diorganosilanols C5R5(OC)2Fe-CH2-Si(Me)(R’)OH show their aggregation to tetramers or infinite chains in the solid state, respectively, via strong intermolecular OH...O hydrogen bonds. Ferriomethyl-substiuted di-, tri- and tetrasiloxanes can be generated by controlled Et3N-assisted condensation with organochlorosilanes, e.g. Me2Si(H)Cl. Even binuclear heterosiloxanes can be synthesized as was proved by the synthesis of Cp(OC)2Fe-CH2-SiMe2O-M(Cl)Cp2 (M = Ti, Zr). In addition, there are also modifications at the metal fragment possible like the photochemically induced CO/PR3 substitution at Cp(OC)2-CH2-SiMe2OH. Ferriomethyl-siloxanes with a Si-H function in δ-position are suitable for further modifications, e.g. oxidative addition of the Si-H function to electronically unsaturated metal fragments. UV irradiation of the tri- and tetrasiloxanes Cp(OC)2Fe-CH2-Si(R)(OSiMe2H)2 (R = Me, OSiMe2H) leads to CO elimination producing the cyclo(ferra)siloxanes Cp(OC)(H)Fe-[SiMe2-OSi(Me)(R)-OSiMe2]. Finally it was examined if the chemistry of ferriomethyl-silanols can be transferred to compounds with other transition metal fragments. Tungsteniomethyl-silanols with a Cp(OC)2(Me3P)WCH2 fragment can be generated, whereas in contrast to the synthesis of ferriomethyl-silanols, the oxygenation method via Si-H functional precursors is more favourable.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Darstellung Übergangsmetall-substitutierter Silane und Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Übergangsmetallsubstituenten auf die chemischen und spektroskopischen Eigenschaften dieser Klasse von Siliciumverbindungen. Dabei steht insbesondere die Synthese mehrfach metallierter Silanole und Siloxane im Vordergrund. A – Halogenierte Bis(metallo)silane: Durch schrittweise Umsetzung von HSiCl3 oder HSiCl2Me mit den Übergangsmetallaten Na[Fe(CO)2Cp] oder Li[W(CO)2PMe3Cp] wurden verschiedene bismetalliete Silane [LnM]2SiRCl (R = H, Me) aufgebaut. Durch weitere Derivatisierung konnten u.a. die Bis(ferrio)silane [Cp(OC)2Fe]2SiX2 (X = F, Cl, Br, I) dargestellt und z. T. durch Röntgenstrukturen charakterisiert werden. Aus diesen Verbindungen lassen sich durch photochemische CO-Eliminierung die µ2-silylenverbrückten Komplexe [Cp(OC)Fe]2(µ2-CO)(µ2-SiRHal) (R = Me, Halogen) gewinnen. B – Bis(metallo)silanole und –siloxane: Die unter A hergestellten Verbindungen dienten als Vorstufen zur Synthese der neuen Bis(ferrio)silanole [Cp(OC)2Fe]2SiX(OH) (X = H, Cl, OH) und des hetero-bismetallierten Silanols [Cp(OC)2Fe][Cp(OC)2PMe3]SiMe(OH). Dabei konnte lediglich [Cp(OC)2Fe]2SiH(OH) durch Hydrolyse des entsprechenden halogenierten Bis(ferrio)silans hergestellt werden. Alle anderen Bis(metallo)silanole wurden durch Oxygenierung der jeweiligen SiH-funktionellen Vorstufen mit Hilfe von Dimethyldioxiran synthetisiert. Alle Bis(metallo)silanole sind stabil bezüglich Eigenkondensation, lassen sich aber mit ClSiMe2H in die entsprechenden Siloxane [LnM]2SiR(OSiMe2H) umwandeln. C – Co2(CO)2 assistierte Hydrolyse von Silanen: Die Umsetzung verschiedener Si-H-funktioneller Silane R3Si-H mit Dicobaltoctacarbonyl führt unter H2-Entwicklung zu Cobaltio-Silanen R3Si-Co(CO)4. Diese besitzen eine extrem labile Si-CoBindung, welche sich durch zahlreiche protische Reagenzien spalten läßt. Es wurden u. a die Cobaltio-Silane Me3SiOSiMe2-Co(CO4), Me(OMe)2Si-Co(CO)4 und Ph2SiCo2(CO)7 generiert und durch Hydrolyse in verschiedene Silanole oder Siloxane überführt. Eine direkte hydrolytische SiH/SiOH-Umwandlung ist auch in Gegenwart katalytischer Mengen Co2(CO)8 möglich und wurde u.a. zur Darstellung des Bis(ferrio)siloxanols [Cp(OC)2Fe]2Si(OH)(OSiMe2H) genutzt. D – DFT-Berechnungen an Übergangsmetallverbindungen von Silicium und Phosphor: Die Strukturen der dimeren Siloxygallane (RH2SiOGaMe2)2 (R = H, tBu) wurden theoretisch berechnet. Man findet eine starke Abhängigkeit der Geometrie des zentralen viergliedrigen Ga-O-Ga-O-Ringes von Größe und relativen Position der exocyclischen Substituenten R. Struktur- und NBO-Analyse des cyclischen Metallasiloxans Cp(OC)(H)Fe[SiMe2O]2SiMe2 belegen den Einfluß des Cp(OC)(H)Fe-Fragmentes auf Struktur und Bindungsverhältnisse des Heterosiloxan Ringes. Relative thermodynamische Stabilitäten wurden für die diastereomeren Formen des kationischen Phosphankomplexe lk/ul-Cp*(OC)2Fe-P(Ph)(H)[CH(CO2Me)CH2CO2Me]+ und des µ2-silylenbrückten Eisenkomplexes cis/trans-[Cp(OC)Fe]2(µ2-CO)(µ2-SiH2) theoretisch berechnet. / The present Ph.D. thesis is dealing with the preparation of transition metal substituted silanes and with studies concerning the influence of various transition metal substituents on the chemical and spectroscopic properties on this class of silicon compounds. Special emphasis is laid upon the synthesis of silanols and siloxanes with multiple metal substituents A – Halogenated bis(metallo)silanes: Several bismetalated silanes [LnM]2SiRCl (R = H, Me) have been prepared by stepwise metalation of HSiCl3 or HSiCl2Me with the metalates Na[Fe(CO)2Cp] and Li[W(CO)2PMe3Cp]. Of these metallosilanes further derivatives have been prepared, e. g. the halogenated bis(ferrio)silanes [Cp(OC)2Fe]2SiX2 (X = F, Cl, Br, I), some of which could by characterized by X-ray structures. Photochemical CO elimination from these compounds yields µ2-silylene bridged complexes of the type [Cp(OC)Fe](µ2-CO)(µ2SiRHal) (R = Me, halogen). B – Bis(metallo)silanols and –siloxanes: The compounds prepared in chapter A have served as precursors in the synthesis of the novel bis(ferrio)silanols [Cp(OC)2Fe]2SiX(OH) (X = H, Cl, OH) and the hetero-bismetalated silanol [Cp(OC)2Fe][Cp(OC)2PMe3]SiMe(OH). Only [Cp(OC)2Fe]2SiH(OH) could be prepared via hydrolysis of the respective halogenated bis(ferrio)silane. The other bis(metallo)silanols were prepared by oxygenation of the SiH functional precursors using dimethyldioxirane. All bis(metallo)silanols are stable with respect to self condensation but can be readily converted with ClSiMe2H into the siloxanes [LnM]2SiR(OSiMe2H). C – Co2(CO)8 assisted hydrolysis of silanes: Reaction of various SiH functional silanes R3SiH with dicobaltoctacarbonyl leads to the formation of H2 and the cobaltio-silanes R3Si-Co(CO)4. The Si-Co bond in these metallosilanes is extremely weak and can be easily cleaved by protic solvents. Several cobaltio-silanes including Me3SiOSiMe2-Co(CO4), Me(OMe)2Si-Co(CO)4 and Ph2SiCo2(CO)7 have been generated and then converted by hydrolysis into silanols or siloxanes. A direct hydrolytic SiH/SiOH transformation can also be achieved in the presence of catalytic amounts of Co2(CO)8. This procedure has been used e.g. for the preparation of the bis(ferrio)siloxanol [Cp(OC)2Fe]2Si(OH)(OSiMe2H). D – DFT calculations of transition metal substituted compounds of silicon and phosphorous: The molecular structure of the dimeric siloxygallanes (RH2SiOGaMe2)2 (R = H, tBu) has been calculated. A significant dependence of the geometry of the central four membered Ga-O-Ga-O ring on size and relative position of the exocyclic substituents R was found. The calculated structure and NBO analysis of the cyclic metallasiloxane Cp(OC)(H)Fe[SiMe2O]2SiMe2 are demonstrating the impact of the Cp(OC)(H)Fe-fragment on structure and bonding within the hetero-siloxane ring. The relative thermodynamic stabilities of the diastereomeric forms of the cationic phosphane complex lk/ul-Cp*(OC)2Fe-P(Ph)(H)[CH(CO2Me)CH2CO2Me]+ and the µ2-silylene bridged iron complex cis/trans-[Cp(OC)Fe]2(µ2-CO)(µ2-SiH2) have been calculated.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde unter Verwendung des 'Lacton-Konzeptes' ein stereoselektiver Zugang zu einem konfigurativ stabilen AB-Biarylfragment von Vancomycin geebnet, wobei verschiedene Schutzgruppenstrategien verfolgt wurden. Weiterhin gelang eine erste, zudem atropselektive Totalsynthese von Knipholon und verwandten Phenylanthrachinonen, die den ersten stereoselektive Zugang zu Biarylanthrachinonen im allgemeinen darstellt. Schließlich wurden neuartige natürlich vorkommende Phenylanthrachinone entdeckt und deren Strukturen aufgeklärt. / During this thesis using the 'lacton concept' a stereoselective approach to the AB biaryl fragment of vancomycin was established requiring the study of different protective group strategies. In addition, a first, moreover atroposelective total synthesis of knipholone and related phenylanthraquinones was achieved, which presents the first stereoselective approach to biarylanthraquinones in general. Finally new types of natural phenylanthraquinones were discovered and their structures elucidated.

Les énamides constituent des groupes fonctionnels importants présents dans plusieurs produits naturels possédant des activités biologiques diverses. Quelques méthodes concernant la préparation de ces énamides sont rapportées dans la littérature. Toutefois, à notre connaissance il n'existe que très peu de méthodes rapides et efficaces pour préparer des énamides β-fonctionnalisés. Pourquoi s'intéresser à ces énamides β-fonctionnalisés? Parce qu'on peut leur ajouter un groupement oxyallylique en position β. Cet ajout conduit à la formation de β-allyloxyénamides susceptibles de subir un réarrangement de Claisen et ainsi conduire à la synthèse stéréosélective de composés carbonylés Y, δ-insaturés qui conduisent ultimement à la formation d'acides aminés non naturels. La synthèse des énamides β-fonctionnalisés revêt donc un intérêt synthétique important. Nous avons mis au point une nouvelle méthode pour la synthèse stéréosélective de β-iodoénamides. Le couplage entre le diiodoéthène et les amides fournit des β-iodoénamides avec des rendements allant de bons à excellents de façon stéréospécifique. L'atome d'iode en position β permet l'insertion d'autres fragments moléculaires simplifiant la construction des structures plus complexes. Cet attribut nous a permis de confirmer la faisabilité d'un deuxième couplage avec les alcools allyliques. Les réactions de couplage catalysées par l'iodure de cuivre entre les amides et le diiodoethène suivi par l'insertion d'un fragment oxyallylique constituent le premier exemple d'un double couplage hétéreoatomique effectué sur une double liaison carbone-carbone. Nos résultats préliminaires concernant le réarrangement de Claisen de β-allyloxyénamides démontrent que ceux-ci sont susceptibles de subir ce réarrangement. Ce travail a permis de confirmer la viabilité globale de la stratégie de synthèse conçue pour préparer de façon stéréosélective des intermédiaires synthétiques forts utiles comme les composés carbonylés Y, δ-insaturés. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Acide aminé, Catalyse, Couplage, Cuivre, Énamide, Radicaux, Réarrangement de Claisen.