Synthesis of new bioactive β-lactam compounds

New biologically active β-lactams were designed and synthesized, developing novel antibiotics and enzymatic inhibitors directed toward specific targets. Within a work directed to the synthesis of mimetics for RGD (Arg-Gly-Asp) sequence able to interact with αvβ3 and α5β1-type integrins, new activators were developed and their Structure-Activity Relationships (SAR) analysis deepened, enhancing their activity range towards the α4β1 isoform. Moreover, to synthesize novel compounds active both against bacterial infections and pulmonary conditions of cystic fibrosis patients, new β-lactam candidates were studied. Among the abundant library of β-lactams prepared, mainly with antioxidant and antibacterial double activities, it was identified a single lead to be pharmacologically tested in vivo. Its synthesis was optimized up to the gram-scale, and pretreatment method and HPLC-MS/MS analytical protocol for sub-nanomolar quantifications were developed. Furthermore, replacement of acetoxy group in 4-acetoxy-azetidinone derivatives was studied with different nucleophiles and in aqueous media. A phosphate group was introduced and the reactivity exploited using different hydroxyapatites, obtaining biomaterials with multiple biological activities. Following the same kind of reactivity, a small series of molecules with a β-lactam and retinoic hybrid structure was synthesized as epigenetic regulators. Interacting with HDACs, two compounds were respectively identified as an inhibitor of cell proliferation and a differentiating agent on steam cells. Additionally, in collaboration with Professor L. De Cola at ISIS, University of Strasbourg, some new photochemically active β-lactam Pt (II) complexes were designed and synthesized to be used as bioprobes or theranostics. Finally, it was set up and optimized the preparation of new chiral proline-derived α-aminonitriles through an enantioselective Strecker reaction, and it was developed a chemo-enzymatic oxidative method for converting alcohols to aldehydes or acid in a selective manner, and amines to relative aldehydes, amides or imines. Moreover, enzymes and other green chemistry methodologies were used to prepare Active Pharmaceutical Ingredients (APIs).

Synthese und Evaluierung von 68Ga-Schiff'schen Basen zur Diagnostik der koronaren Herzerkrankung

ZusammenfassungrnDie häufigsten Todesfälle weltweit sind auf Herzerkrankungen zurückzuführen. Bei der koronaren Herzkrankheit (KHK) sammeln sich über Jahre arteriosklerotische Ablagerungen in den Herzkranzgefäßen an und führen so zu einer verminderten Durchblutung und Versorgung des Herzmuskelgewebes mit Sauerstoff und Nährstoffen. Zur nuklearmedizinischen Bildgebung finden am häufigsten das SPECT-Nuklid 201Tl sowie die beiden 99mTc-Radiopharmaka Sestamibi und Tetrofosmin Anwendung. Die PET-Technik ist der SPECT-Technik in Bezug auf absolute Quantifizierung sowie Auflösung überlegen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein mögliches PET-Radiopharmakon zur Diagnostik der KHK zu entwickeln. Um eine dem 99mTc-Nuklid vergleichbare Verfügbarkeit im klinischen Alltag zu erreichen, sollte als Basis des neuen Radiopharmakons das mittels Radionuklid-Generator verfügbare 68Ga dienen. Schiff’sche Basen-Verbindungen zeigten nach Komplexierung mit 67/68Ga eine deutliche Aufnahme in die Herzmuskelzellen. Auf dieser Grundlage wurden verschiedene Schiff’sche Basen-Strukturen synthetisiert. Diese unterscheiden sich einerseits durch das Substitutionsmuster der verwendeten Aldehyde und andererseits durch das verwendete Rückgrat. Alle synthetisierten Chelatoren wurden erfolgreich mit 68Ga radioaktiv markiert und konnten anschließend aufgereinigt werden. Die Evaluierung dieser Substanzen in vitro zeigte, dass sie in unterschiedlichen Medien stabil ist. Die Lipophilie der 68Ga-Verbindungen (log D) lag zwischen 0,87±0,24 und 2,72±0,14. Die Ladung der Verbindungen wurde mittels Papierelektrophorese bei pH= 7 als kationisch bestimmt. Zusätzlich fanden in vitro-Untersuchungen zur Bestimmung der Aufnahme der Komplexe in HL-1 Herzzellen statt. Um den Einfluss des Zellmembranpotentials bzw. des Mitochondrienmembranpotentials zu untersuchen, wurde ein Teil der Zellen dafür mit Valinomycin (Ionophor, zerstört das Potential) behandelt. Mittels ex vivo-Biodistributionen wurde die Organverteilung von zwei Schiff’schen Basen (68Ga-BADED-2 und 68Ga-BAPDMEN-2) mit dem routinemäßig in der Klinik eingesetzten Derivat 99mTc-Sestamibi sowie dem 18F-Flurpiridaz in Ratten verglichen. Alle Verbindungen zeigten dabei eine deutliche Herzaufnahme von mehr als 2 % der injizierten Dosis pro Gramm Gewebe. Durch in vivo-PET-Aufnahmen wurden die Zeit-Aktivitätskurven der 68Ga-Verbindungen sowie zum Vergleich des 18F-Flurpiridaz bestimmt. Die Aufnahmen lagen im Bereich von 0,63±0,15 für 68Ga-BAPEN-3 bis 2,72±0,86 für 68Ga-BADED-8.In dem zweiten Teil der Arbeit wurden die Vorteile des hochaffinen Herztracers Flurpiridaz mit dem lipophilen, positiv-geladenen Ga-Schiff’sche Base-Chelator kombiniert. Hierzu wurde zunächst das Insektizid Flurpiridaz synthetisiert und mit dem BAPEN-Rückgrat gekoppelt. Die entstandene Verbindung wurde erstmals mit 68Ga radioaktiv markiert und muss in weiterführenden Arbeiten evaluiert werden.

Synthese von selbstaggregierenden Glycopeptidkonjugaten mit (per)fluorierten Membranankern

Für eine effektive Erkennung tumorassoziierter Kohlenhydratantigene durch das Immun-system in der Krebs¬immuntherapie ist eine multivalente Präsentation der Haptene notwendig. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer Zugang zu einer solch räumlichen Konzentration der Haptene untersucht, indem MUC1-Antigene mit perfluorierten Alkylketten funktionalisiert und in einer geeigneten Lipidmatrix entmischt wurden. Perfluoralkyl-Amphiphile zeichnen sich durch eine hohe Entmischungstendenz in Alkyllipiden aus und bewirken dadurch eine Anreicherung der Erkennungsstrukturen (Haptene) in Analogie zu den natürlichen raft-Domänen auf der Zelloberfläche.rnDazu wurden zunächst verschiedene Membranankersysteme mit unterschiedlichem Fluorierungsgrad entwickelt. Beispielsweise konnte ausgehend von einem zentralen Glycerin-fragment ein Membrananker mit zwei Perfluoralkylketten hergestellt werden. Letztere wurden mittels radikalischer Perfluoralkylierung eingeführt, wobei der Fluorgehalt der Verbindung über die Kettenlänge gesteuert wurde. Daneben konnte ein weiteres Ankersystem, basierend auf der Aminosäure Lysin, synthetisiert werden, dass einen bequemen Einbau der Perfluoralkylketten durch Peptidkupplungen von entsprechenden perfluorierten Aminen bzw. perfluorierten Carbonsäuren erlaubte. In diesem Fall wurde der Fluorgehalt durch die Einführung von Alkyl- bzw. Perfluoralkylketten verändert.rnBeide Systeme konnten für erste Untersuchungen ihres Phasenverhaltens mit polaren Kopf-gruppen ausgestattet werden, wobei neben einem hydrophilen, nicht-immunogenen Triethylenglycolspacer vor allem ein TN-Antigen tragendes Dipeptid zum Einsatz kam. In Gegenwart des Matrixlipids DODAMA konnten in Langmuir-Blodgett-Untersuchungen mit diesen Verbindungen eine Entmischung und die Ausbildung mikroseparierter Bereiche nachgewiesen werden. Auch war es möglich, durch Anbindung eines Fluoreszenzfarbstoffes zu zeigen, dass solche amphiphilen Membrananker auf perfluorierten Oberflächen effektiv und dauerhaft immobilisiert werden können. Damit eröffnet diese Verbindungsklasse interessante Anwendungsmöglichkeiten in der Entwicklung von diagnostischen Microarray-Formaten.rnUm eine Anbindung der fluorierten Membrananker an den N-Terminus eines an fester Phase aufgebauten mucinanalogen Glycopeptids als antigene Einheit zu ermöglichen, wurde ein entsprechendes Ankersystem auf Basis von Glutaminsäure entwickelt. Dabei wurden an diese Verbindung neben dem TN-Antigen noch weitere komplexe tumorassoziierte Kohlenhydrat-antigene des Mucintyps angebunden, wobei der Aufbau der resultierenden amphiphilen Glycolipopeptide vollständig an der festen Phase gelang. Insgesamt konnten so mithilfe des teilfluorierten Lysinankers und des zweifach perfluorierten Glutaminsäureankers erste amphiphile Glycopeptid-Konjugate hergestellt werden, deren antigene Kopfgruppe aus einer 20 Aminosäuren umfassenden Wiederholungseinheit des Mucins MUC1 mit TN-, T- bzw. STN-Antigen-Seitenkette besteht. Derartige Verbindungen stellen reizvolle Bausteine für die Tumordiagnostik und für die Entwicklung von stabilen liposomalen Tumorvakzinen dar, da die verwendeten Perfluoralkylanker die Antigenpräsentation nicht wesentlich beeinflussen und die Bindung des Antikörpers nicht behindern. rn

Untersuchungen von Aerosolpartikeln und Wolkenresidualpartikeln mittels Einzelpartikel-Massenspektrometrie und optischen Methoden

Atmosphärische Partikel beeinflussen das Klima durch Prozesse wie Streuung, Reflexion und Absorption. Zusätzlich fungiert ein Teil der Aerosolpartikel als Wolkenkondensationskeime (CCN), die sich auf die optischen Eigenschaften sowie die Rückstreukraft der Wolken und folglich den Strahlungshaushalt auswirken. Ob ein Aerosolpartikel Eigenschaften eines Wolkenkondensationskeims aufweist, ist vor allem von der Partikelgröße sowie der chemischen Zusammensetzung abhängig. Daher wurde die Methode der Einzelpartikel-Laserablations-Massenspektrometrie angewandt, die eine größenaufgelöste chemische Analyse von Einzelpartikeln erlaubt und zum Verständnis der ablaufenden multiphasenchemischen Prozesse innerhalb der Wolke beitragen soll.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde zur Charakterisierung von atmosphärischem Aerosol sowie von Wolkenresidualpartikel das Einzelpartikel-Massenspektrometer ALABAMA (Aircraft-based Laser Ablation Aerosol Mass Spectrometer) verwendet. Zusätzlich wurde zur Analyse der Partikelgröße sowie der Anzahlkonzentration ein optischer Partikelzähler betrieben. rnZur Bestimmung einer geeigneten Auswertemethode, die die Einzelpartikelmassenspektren automatisch in Gruppen ähnlich aussehender Spektren sortieren soll, wurden die beiden Algorithmen k-means und fuzzy c-means auf ihrer Richtigkeit überprüft. Es stellte sich heraus, dass beide Algorithmen keine fehlerfreien Ergebnisse lieferten, was u.a. von den Startbedingungen abhängig ist. Der fuzzy c-means lieferte jedoch zuverlässigere Ergebnisse. Darüber hinaus wurden die Massenspektren anhand auftretender charakteristischer chemischer Merkmale (Nitrat, Sulfat, Metalle) analysiert.rnIm Herbst 2010 fand die Feldkampagne HCCT (Hill Cap Cloud Thuringia) im Thüringer Wald statt, bei der die Veränderung von Aerosolpartikeln beim Passieren einer orographischen Wolke sowie ablaufende Prozesse innerhalb der Wolke untersucht wurden. Ein Vergleich der chemischen Zusammensetzung von Hintergrundaerosol und Wolkenresidualpartikeln zeigte, dass die relativen Anteile von Massenspektren der Partikeltypen Ruß und Amine für Wolkenresidualpartikel erhöht waren. Dies lässt sich durch eine gute CCN-Aktivität der intern gemischten Rußpartikel mit Nitrat und Sulfat bzw. auf einen begünstigten Übergang der Aminverbindungen aus der Gas- in die Partikelphase bei hohen relativen Luftfeuchten und tiefen Temperaturen erklären. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass bereits mehr als 99% der Partikel des Hintergrundaerosols intern mit Nitrat und/oder Sulfat gemischt waren. Eine detaillierte Analyse des Mischungszustands der Aerosolpartikel zeigte, dass sich sowohl der Nitratgehalt als auch der Sulfatgehalt der Partikel beim Passieren der Wolke erhöhte. rn

Novel metallo-porphyrin based colourimetric amine sensors and their processing via plasma enhanced chemical vapour deposition at atmospheric pressure : synthesis, characterisation and mechanistic studies

Volatile amines are prominent indicators of food freshness, as they are produced during many microbiological food degradation processes. Monitoring and indicating the volatile amine concentration within the food package by intelligent packaging solutions might therefore be a simple yet powerful way to control food safety throughout the distribution chain.rnrnIn this context, this work aims to the formation of colourimetric amine sensing surfaces on different substrates, especially transparent PET packaging foil. The colour change of the deposited layers should ideally be discernible by the human eye to facilitate the determination by the end-user. rnrnDifferent tailored zinc(II) and chromium(III) metalloporphyrins have been used as chromophores for the colourimetric detection of volatile amines. A new concept to increase the porphyrins absorbance change upon exposure to amines is introduced. Moreover, the novel porphyrins’ processability during the deposition process is increased by their enhanced solubility in non-polar solvents.rnrnThe porphyrin chromophores have successfully been incorporated into polysiloxane matrices on different substrates via a dielectric barrier discharge enhanced chemical vapour deposition. This process allows the use of nitrogen as a cheap and abundant plasma gas, produces minor amounts of waste and by-products and can be easily introduced into (existing) roll-to-roll production lines. The formed hybrid sensing layers tightly incorporate the porphyrins and moreover form a porous structure to facilitate the amines diffusion to and interaction with the chromophores.rnrnThe work is completed with the thorough analysis of the porphyrins’ amine sensing performance in solution as well as in the hybrid coatings . To reveal the underlying interaction mechanisms, the experimental results are supported by DFT calculations. The deposited layers could be used for the detection of NEt3 concentrations below 10 ppm in the gas phase. Moreover, the coated foils have been tested in preliminary food storage experiments. rnrnThe mechanistic investigations on the interaction of amines with chromium(III) porphyrins revealed a novel pathway to the formation of chromium(IV) oxido porphyrins. This has been used for electrochemical epoxidation reactions with dioxygen as the formal terminal oxidant.rn

Multifunctional polyether architectures : versatile materials for surface attachment and functionalization

Chapter 1 of this thesis comprises a review of polyether polyamines, i.e., combinations of polyether scaffolds with polymers bearing multiple amino moieties. Focus is laid on controlled or living polymerization methods. Furthermore, fields in which the combination of cationic, complexing, and pH-sensitive properties of the polyamines and biocompatibility and water-solubility of polyethers promise enormous potential are presented. Applications include stimuli-responsive polymers with a lower critical solution temperature (LCST) and/or the ability to gel, preparation of shell cross-linked (SCL) micelles, gene transfection, and surface functionalization.rnIn Chapter 2, multiaminofunctional polyethers relying on the class of glycidyl amine comonomers for anionic ring-opening polymerization (AROP) are presented. In Chapter 2.1, N,N-diethyl glycidyl amine (DEGA) is introduced for copolymerization with ethylene oxide (EO). Copolymer microstructure is assessed using online 1H NMR kinetics, 13C NMR triad sequence analysis, and differential scanning calorimetry (DSC). The concurrent copolymerization of EO and DEGA is found to result in macromolecules with a gradient structure. The LCSTs of the resulting copolymers can be tailored by adjusting DEGA fraction or pH value of the environment. Quaternization of the amino moieties by methylation results in polyelectrolytes. Block copolymers are used for PEGylated gold nanoparticle formation. Chapter 2.2 deals with a glycidyl amine monomer with a removable protecting group at the amino moiety, for liberation of primary amines at the polyether backbone, which is N,N-diallyl glycidyl amine (DAGA). Its allyl groups are able to withstand the harsh basic conditions of AROP, but can be cleaved homogeneously after polymerization. Gradient as well as block copolymers poly(ethylene glycol)-PDAGA (PEG-PDAGA) are obtained. They are analyzed regarding their microstructure, LCST behavior, and cleavage of the protecting groups. rnChapter 3 describes applications of multi(amino)functional polyethers for functionalization of inorganic surfaces. In Chapter 3.1, they are combined with an acetal-protected catechol initiator, leading to well-defined PEG and heteromultifunctional PEG analogues. After deprotection, multifunctional PEG ligands capable of attaching to a variety of metal oxide surfaces are obtained. In a cooperative project with the Department of Inorganic and Analytical Chemistry, JGU Mainz, their potential is demonstrated on MnO nanoparticles, which are promising candidates as T1 contrast agents in magnetic resonance imaging. The MnO nanoparticles are solubilized in aqueous solution upon ligand exchange. In Chapter 3.2, a concept for passivation and functionalization of glass surfaces towards gold nanorods is developed. Quaternized mPEG-b-PqDEGA diblock copolymers are attached to negatively charged glass surfaces via the cationic PqDEGA blocks. The PEG blocks are able to suppress gold nanorod adsorption on the glass in the flow cell, analyzed by dark field microscopy.rnChapter 4 highlights a straightforward approach to poly(ethylene glycol) macrocycles. Starting from commercially available bishydroxy-PEG, cyclic polymers are available by perallylation and ring-closing metathesis in presence of Grubbs’ catalyst. Purification of cyclic PEG is carried out using α-cyclodextrin. This cyclic sugar derivative forms inclusion complexes with remaining unreacted linear PEG in aqueous solution. Simple filtration leads to pure macrocycles, as evidenced by SEC and MALDI-ToF mass spectrometry. Cyclic polymers from biocompatible precursors are interesting materials regarding their increased blood circulation time compared to their linear counterparts.rnIn the Appendix, A.1, a study of the temperature-dependent water-solubility of polyether copolymers is presented. Macroscopic cloud points, determined by turbidimetry, are compared with microscopic aggregation phenomena, monitored by continuous wave electron paramagnetic resonance (CW EPR) spectroscopy in presence of the amphiphilic spin probe and model drug (2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)oxyl (TEMPO). These thermoresponsive polymers are promising candidates for molecular transport applications. The same techniques are applied in Chapter A.2 to explore the pH-dependence of the cloud points of PEG-PDEGA copolymers in further detail. It is shown that the introduction of amino moieties at the PEG backbone allows for precise manipulation of complex phase transition modes. In Chapter A.3, multi-hydroxyfunctional polysilanes are presented. They are obtained via copolymerization of the acetal-protected dichloro(isopropylidene glyceryl propyl ether)methylsilane monomer. The hydroxyl groups are liberated through acidic work-up, yielding versatile access to new multifunctional polysilanes.

Einsatz eines Aerosolmassenspektrometers während der CYPHEX-Kampagne und zur Methodenentwicklung einer Echtzeitquantifizierung gasförmiger Amine

Atmosphärische Aerosole haben einen starken Einfluss auf das Klima, der bisher nur grundlegend verstanden ist und weiterer Forschung bedarf. Das atmosphärische Verhalten der Aerosolpartikel hängt maßgeblich von ihrer Größe und chemischen Zusammensetzung ab. Durch Reflexion, Absorption und Streuung des Sonnenlichtes verändern sie den Strahlungshaushalt der Erde direkt und durch ihre Einflussnahme auf die Wolkenbildung indirekt. Besonders gealterte, stark oxidierte organische Aerosole mit großem Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis wirken als effektive Wolkenkondensationskeime. Neben primären Aerosolpartikeln, die direkt partikelförmig in die Atmosphäre gelangen, spielen sekundäre Aerosolpartikel eine große Rolle, die aus Vorläufergasen in der Atmosphäre entstehen. Aktuelle Forschungsergebnisse legen nahe, dass kurzkettige aliphatische Amine bei Nukleationsprozessen beteiligt sind und somit die Partikelneubildung vielerorts mitsteuern. Um die Rolle von Aminen in der Atmosphäre besser erforschen und industrielle Emissionen kontrollieren zu können, bedarf es einer zuverlässigen Methode zur Echtzeitquantifizierung gasförmiger Amine mit hoher Zeitauflösung und niedriger Nachweisgrenze.rnDas hochauflösende Flugzeit-Aerosolmassenspektrometer (HR-ToF-AMS) bietet die Möglichkeit, atmosphärische Partikel in Echtzeit zu analysieren. Dabei werden Größe, Menge und grundlegende chemische Zusammensetzung erfasst. Anorganische Aerosolbestandteile können eindeutig zugeordnet werden. Es ist jedoch kaum möglich, einzelne organische Verbindungen in den komplizierten Massenspektren atmosphärischer Aerosole zu identifizieren und quantifizieren.rnIn dieser Arbeit wird atmosphärisches Aerosol untersucht, das im Westen Zyperns während der CYPHEX-Kampagne mit einem HR-ToF-AMS gemessen wurde. An diesem Standort ist vor allem stark gealtertes Aerosol vorzufinden, das aus Zentral- und Westeuropa stammt. Lokale Einflüsse spielen fast keine Rolle. Es wurde eine durchschnittliche Massenkonzentration von 10,98 μg/m3 gefunden, zusammengesetzt aus 57 % Sulfat, 30 % organischen Bestandteilen, 12 % Ammonium, < 1 % Nitrat und < 1 % Chlorid, bezogen auf das Gewicht. Der Median des vakuum-aerodynamischen Durchmessers betrug 446,25 nm. Es wurde sehr acides Aerosol gefunden, dessen anorganische Bestandteile weitgehend der Zusammensetzung von Ammoniumhydrogensulfat entsprachen. Tag-Nacht-Schwankungen in der Zusammensetzung wurden beobachtet. Die Sulfatkonzentration und die Acidität zeigten tagsüber Maxima und nachts Minima. Konzentrationsschwankungen an Nitrat und Chlorid zeigten einen weniger ausgeprägten Rhythmus, Maxima fallen aber immer mit Minima der Sulfatkonzentration, Aerosolacidität und Umgebungstemperatur zusammen. Organische Aerosolbestandteile entsprachen stark gealtertem, schwerflüchtigem oxidiertem organischem Aerosol. Es wurde eine interne Mischung der Partikel beobachtet, die ebenfalls meist bei alten Aerosolen auftritt.rnUm mit dem HR-ToF-AMS auch einzelne organische Verbindungen identifizieren und quantifizieren zu können, wurde eine Methode entwickelt, mit der man Amine der Gasphase selektiv in künstlich erzeugte Phosphorsäurepartikel aufnimmt und so für die HR-ToF-AMS-Messung zugänglich macht. Dadurch kombiniert man die Vorteile der Online-Messung des HR-ToF-AMS mit den Vorteilen klassischer Offline-Probenahmen. So können in Echtzeit sehr einfache Massenspektren gemessen werden, in denen störende Komponenten abgetrennt sind, während die Analyten eindeutig identifiziert werden können. Systeme dieser Art wurden GTRAP-AMS (Gaseous compound TRapping in Artificially-generated Particles – Aerosol Mass Spectrometry) genannt. Kalibrierungen für (Mono)Methylamin, Dimethylamin, Trimethylamin, Diethylamin und Triethylamin ergaben Nachweisgrenzen im ppt-Bereich bei einer Zeitauflösung von 3 min. Kammerexperimente zur Aminemission von Pflanzen zeigten eine gute Übereinstimmung des neu entwickelten Systems mit einer Gasdiffusionsabscheider-Offline-Probenahme und anschließender ionenchromatographischer Analyse. Beide Methoden zeigten Reaktionen der Pflanzen auf eine Veränderung der Lichtverhältnisse, während erhöhte Ozonkonzentrationen die Aminemission nicht veränderten. Die GTRAP-AMS-Methode eignet sich bereits für die Messung von Umgebungsluftkonzentrationen an einigen Orten, für die meisten Orte reicht die Nachweisgrenze allerdings noch nicht aus. Die Technik könnte bereits zur Echtzeitkontrolle industrieller Abgasemissionen eingesetzt werden.

Synthese C-glycosidischer und N-methylierter Glycosylaminosäuren für den Aufbau von Mimetika tumorassoziierter MUC1-Glycopeptidantigene unter Verwendung mikrostrukturierter Reaktoren

Zur Synthese hydrolysestabiler MUC1-Antitumorvakzine wurde im Rahmen dieser Arbeit zunächst ein Verfahren zur effizienten N Methylierung von Fmoc-Aminosäuren entwickelt. Die Synthese erfolgte in einer zweistufigen Umsetzung über Oxazolidinone unter Verwendung eines Tube-in-Tube-Durchflussreaktors mit einer semipermeablen Membran aus Teflon® AF 2400. In diesem Tube-in-Tube-Reaktor wurde in der ersten Stufe das Modellsubstrat Fmoc-Alanin bereits nach 2 h annähernd quantitativ in das entsprechende Oxazolidinon umgesetzt. In der zweiten Stufe wurde mit TFA erstmals eine Flüssigkeit durch eine solche Membran des Tube-in-Tube-Reaktors eingeleitet und lieferte innerhalb einer Stunde zahlreiche aliphatische, aromatische und funktionalisierte N-Methylaminosäuren in hohen Ausbeuten.rnDes Weiteren wurden erstmals sensible Glycosylaminosäuren, darunter auch TN Antigen-Strukturen, N-methyliert. Sie dienen als Bausteine für die Synthese von MUC1-Antitumorvakzinen. Neben Fmoc-N-Methyl-TN-Threonin konnten die Fmoc-geschützten N-Methyl-TN-Serin, N-Methyl-Sialyl-TN-Threonin sowie zwei N-Methyl-C Glycosylaminosäuren und in guten Ausbeuten erhalten werden. Anschließend wurde das N methylierte TN-Threonin gezielt in die tandem repeat-Sequenz des MUC1 in einer Festphasenpeptidsynthese eingebaut. Um einen direkten Vergleich bezüglich der N Methylierung im MUC1-Glycopeptide und dem darauf folgenden Einfluss auf die Tumorselektivität der resultierenden Vakzine erhalten zu können, wurde zudem ein Referenzpeptid aufgebaut. Zur Vollendung der Vakzinsynthese erfolgte die Konjugation beider Glycopeptidantigene an die jeweiligen BSA- und TTox-Proteine. rnEin alternativer Zugang zu hydrolysestabilen Glycopeptidbausteinen wurde im letzten Teil der Arbeit über die Synthese von α C Glycosylaminosäuren erarbeitet. Der entwickelte Syntheseweg basiert auf einer Ugi-Vier-Komponenten-Reaktion aus Aldehyd, Amin, Nitril und Carbonsäure. Als benötigte Aldehydkomponenten wurden ein einfaches Galactose- sowie ein Galactosamin-Derivat verwendet. Zum Aufbau des C-glycosidischen Grundgerüsts wurde eine Mikrowellen-unterstützte C-Allylierungsvariante im Durchfluss realisiert. Die Galactose- und Galactosaminaldehyde wurden danach mit chirale Glycosylaminen umgesetzt.

Elektrochemische Desoxygenierung von Carbonsäureamiden und verwandten Verbindungen an der dekorierten Bleikathode

Zusammenfassung der Dissertation, Carolin Edinger, April 2015. Im Rahmen der Dissertation ist eine effiziente und zuverlässige Methode zur elektrochemischen Desoxygenierung von aromatischen Carbonsäureamiden entwickelt worden (Schema 1).[1] Unter galvanostatischen Bedingungen eignet sich das optimierte Elektrolytsystem bestehend aus 2%iger methanolischer H2SO4 und geringen Mengen an Additiv 1 in Kombination mit einer Bleikathode hervorragend in dem gewählten geteilten Zellaufbau. Schema 1: Elektrochemische Desoxygenierung aromatischer Carbonsäureamide. Untersuchungen an verschiedensten Amidsubstraten haben gezeigt, dass ein breites Spektrum an Aminen mit dieser Methode zugänglich ist und durch umfangreiche Studien konnten optimale Elektrolyseparameter gefunden werden. Außerdem wurde die Hochskalierung der Ansatzgröße an einem Testsubstrat mit hohen Aminausbeuten von bis zu 73% gewährleistet. Ein besonderes Merkmal der entwickelten Synthese ist neben milden Bedingungen und hoher Selektivität die Verwendung von Ammoniumsalzadditiven. Der positive Effekt dieser Additive auf die Desoxygenierungsreaktion ist vielfältig: Die Wasserstoffentwicklung als unerwünschte Nebenreaktion wird zu negativeren Potentialen verschoben und die Bleikathode wird durch Zurückdrängung der PbSO4-Bildung effektiv vor Korrosion geschützt. Dies konnte durch experimentelle Werte wie die Erhöhung der Produkt- und Stromausbeute durch Additivzusatz während der Elektrolyse hinreichend bestätigt werden. Aber auch zyklovoltammetrische Untersuchungen und Lichtmikroskopaufnahmen der Elektrodenoberfläche bekräftigen eindeutig diese Aussagen.[2,3] Die entwickelte elektrochemische Methode konnte zusätzlich erfolgreich auf Verbindungen übertragen werden, die mit Carbonsäureamiden verwandt sind. So gelang es, aromatische und aliphatische Sulfoxide in sehr guten Ausbeuten selektiv zu den entsprechenden Sulfiden umzusetzen. Zusätzlich konnten bereits bei weiteren, durch klassische Methoden schwer reduzierbare Stoffklassen erste Erfolge erzielt werden. So gelang es, den Grundstein zur Reduktion von Estern und Triphenylphosphinoxid zu legen und erste, vielversprechende Ergebnisse zu erlangen. Da Elektronen als Reduktionsmittel eingesetzt werden und lediglich Wasser als Nebenprodukt gebildet wird, zeichnet sich die entwickelte Desoxygenierungsmethode vor allem durch milde Bedingungen und hohe Selektivität aus. Da weder Reagenzien noch Katalysatoren verwendet werden müssen, werden Abfälle vermieden. Dadurch ist die gefundene Reduktionsmethode nicht nur kostengünstig, sondern erweist sich auch in der Reaktionsführung als vorteilhaft. Literatur: [1] C. Edinger, S. R. Waldvogel, Eur. J. Org. Chem. 2014, 2014, 5144–5148. [2] C. Edinger, V. Grimaudo, P. Broekmann, S. R. Waldvogel, ChemElectroChem 2014, 1, 1018–1022. [3] C. Edinger, S. R. Waldvogel, PCT Int. Appl. 2013, WO 2013030316A2.

Venom composition and strategies in spiders: is everything possible?

This review on all spider venom components known by the end of 2010 bases on 1618 records for venom compounds from 174 spider species (= 0.41% of all known species) belonging to 32 families (= 29% of all existing spider families). Spiders investigated for venom research are either big (many mygalomorph species, Nephilidae, Ctenidae and Sparassidae) or medically important for humans (e.g. Loxosceles or Latrodectus species). Venom research widely ignored so far the two most species-rich families (Salticidae and Linyphiidae) and strongly neglected several other very abundant families (Araneidae, Lycosidae, Theridiidae, Thomisidae and Gnaphosidae). We grouped the known 1618 records for venom compounds into six categories: low molecular mass compounds (16 % of all compounds), acylpolyamines (11 %), linear peptides (6 %), cysteine-knotted mini-proteins (60 %), neurotoxic proteins (1 %) and enzymes (6 %). Low molecular mass compounds are known from many spider families and contain organic acids, nucleosides, nucleotides, amino acids, amines, polyamines, and some further substances, many of them acting as neurotransmitters. Acylpolyamines contain amino acids (Araneidae and Nephilidae) or not (several other families) and show a very high diversity within one species. Linear peptides, also called cytolytic, membranolytic or antimicrobial, exert a highly specific structure and are so far only known from Ctenidae, Lycosidae, Oxyopidae and Zodariidae. Cysteine-knotted mini-proteins represent the majority of venom compounds because research so far focused on them. They probably occur in most but not all spider families. Neurotoxic proteins so far are only known from theridiid spiders. Enzymes had been neglected for some time but meanwhile it becomes obvious that they play an important role in spider venoms. Sixteen enzymes either cleave polymers in the extracellular matrix or target phospholipids and related compounds in membranes. The overall structure of these compounds is given and the function, as far as it is known, is described. Since several of these component groups are presented in one average spider venom, we discuss the known interactions and synergisms and give reasons for such a functional redundancy. We also discuss main evolutionary pathways for spider venom compounds such as high variability among components of one group, synergistic interactions between cysteine-knotted mini-proteins and other components (low molecular mass compounds and linear peptides), change of function from ion-channel acting mini-proteins to cytolytic effects and replacement of mini-proteins by linear peptides, acylpolyamines, large proteins or enzymes. We also add first phylogenetic considerations.

Enzymatic Activity of Soybean Lipoxygenase-1 on Linoleoyl-Derivatized Agarose

Soybean lipoxygenase-1 (SBLO-1) catalyzes the oxygenation of linoleic acid to form 13(S) and 9(R) hydroperoxides. The manner in which substrates bind to the lipoxygenase family of enzymes is not known. It is believed fatty acid substrates may bind either with the aliphatic end first or with the carboxylate group facing the interior of the protein. This thesis tested a potential methyl-end first substrate binding mechanism by studying the activity of SBLO-1 to oxygenate immobilized linoleoyl residues attached to an insoluble polymer. Linoleic acid was attached to aminohexyl agarose in the presence of N-(3- dimethylaminopropyl)-N’-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC) and Nhydroxysuccinimide (NHS). The concentration of the covalently attached residues was facilitated by enriching linoleic acid with a small amount of the radioactive 14C-isotope. Functionalization yields of 3% available primary amines on the resin were obtained. Enzymatic oxygenation of the linoleoyl-residues was verified using the ferrous oxidation in xylenol orange (FOX) assay. Approximately 30% of the attached linoleoyl moieties were converted to hydroperoxides in the presence of SBLO-1. A disulfide-containing cleavable linker, cystamine, was used as part of an improved method to isolate the product in a facile manner. Cystamine was attached to NHS-activated agarose with approximately 5% overall functionalization yield of available functional groups. 14C-linoleic acid was successfully covalently linked to the cystamine moieties in the presence of EDC and NHS. The FOX assay verified the enzymatic oxygenation of the linoleoyl residues attached to cystamine-derivatized agarose. The isolation of the peroxide product was attempted in a series of extractions in organic solvents. The product was analyzed using GC/MS which did not show a new peak indicative of product. Further work is needed to successfully analyze the stereoand regiochemistry of the oxygenated product. The presence of the peroxides in this study indicated the linoleoyl residues behave as substrates of SBLO-1. It is unknown how bulky substrates bind to the active site; however, it is difficult to rationalize a carboxylate group-first binding mode. Discovery of the 13(S)-hydroperoxide product on the linoleoyl-agarose would support the claim of a potential methyl-end first binding mechanism.

Hydration of the Sulfuric Acid−Methylamine Complex and Implications for Aerosol Formation

The binary H2SO4−H2O nucleation is one of the most important pathways by which aerosols form in the atmosphere, and the presence of ternary species like amines increases aerosol formation rates. In this study, we focus on the hydration of a ternary system of sulfuric acid (H2SO4), methylamine (NH2CH3), and up to six waters to evaluate its implications for aerosol formation. By combining molecular dynamics (MD) sampling with high-level ab initio calculations, we determine the thermodynamics of forming H2SO4(NH2CH3)(H2O)n, where n = 0−6. Because it is a strong acid−base system, H2SO4−NH2CH3 quickly forms a tightly bound HSO4−−NH3CH3+ complex that condenses water more readily than H2SO4 alone. The electronic binding energy of H2SO4−NH2CH3 is −21.8 kcal mol−1 compared with −16.8 kcal mol−1 for H2SO4−NH3 and −12.8 kcal mol−1 for H2SO4−H2O. Adding one to two water molecules to the H2SO4−NH2CH3 complex is more favorable than adding to H2SO4 alone, yet there is no systematic difference for n ≥ 3. However, the average number of water molecules around H2SO4−NH2CH3 is consistently higher than that of H2SO4, and it is fairly independent of temperature and relative humidity.

Hydration of the Sulfuric Acid-Methylamine Complex and Implications for Aerosol Formation

The binary H2SO4-H2O nucleation is one of the most important pathways by which aerosols form in the atmosphere, and the presence of ternary species like amines increases aerosol formation rates. In this study, we focus on the hydration of a ternary system of sulfuric acid (H2SO4), methylamine (NH2CH3), and up to six waters to evaluate its implications for aerosol formation. By combining molecular dynamics (MD) sampling with high-level ab initio calculations, we determine the thermodynamics of forming H2SO4(NH2CH3)(H2O)n, where n = 0-6. Because it is a strong acid-base system, H2SO4-NH2CH3 quickly forms a tightly bound HSO4(-)-NH3CH3(+) complex that condenses water more readily than H2SO4 alone. The electronic binding energy of H2SO4-NH2CH3 is -21.8 kcal mol(-1) compared with -16.8 kcal mol(-1) for H2SO4-NH3 and -12.8 kcal mol(-1) for H2SO4-H2O. Adding one to two water molecules to the H2SO4-NH2CH3 complex is more favorable than adding to H2SO4 alone, yet there is no systematic difference for n ≥ 3. However, the average number of water molecules around H2SO4-NH2CH3 is consistently higher than that of H2SO4, and it is fairly independent of temperature and relative humidity.

[Urinary hormone analysis]

Urinary hormone analysis is applied to detect an altered steroid hormone metabolism, an elevated production of biogenic amines and to non-invasively determine the protein hormone human beta-choriogonadotropin indicating a pregnancy. Occasionally, these determinations need to be complemented by plasma- or serum hormone analysis. Clinical data including current drug therapy and urinary creatinine as reference are required to interpret any urine analysis. Diseases to be investigated by steroid hormone analysis are excess production of a typical or atypical mineralocorticoid active steroid hormones, the hormonal activity of adrenal or ovarian tumors, acne of unknown origin, hirsutism, a PCO-, an adrenogenital or a suspected Cushing syndrome. Biogenic amines should be determined in suspected secondary or refractory arterial hypertension, in case of pheochromocytoma- or paraganglioma-associated symptoms or if a serotonin-producing tumor is suspected. In children genetically determined diseases are the primary background to perform an analysis.

Enzyme engineering of aminotransferases for improved activity and thermostability

The production by biosynthesis of optically active amino acids and amines satisfies the pharmaceutical industry in its demand for chiral building blocks for the synthesis of various pharmaceuticals. Among several enzymatic methods that allow the synthesis of optically active aminoacids and amines, the use of minotransferase is a promising one due to its broad substrate specificity and no requirement for external cofactor regeneration. The synthesis of chiral compounds by aminotransferases can be done either by asymmetric synthesis starting from keto acids or ketones, and by kinetic resolution starting from racemic aminoacids or amines. The asymmetric synthesis of substituted (S)-aminotetralin, an active pharmaceutical ingredient (API), has shown to have two major factors that contribute to increasing the cost of production. These factors are the raw material cost of biocatalyst used to produce it and product loss during biocatalyst separation. To minimize the cost contribution of biocatalyst and to minimize the loss of product, two routes have been chosen in this research: 1. To engineer the aminotransferase biocatalyst to have greater specific activity, and 2. Improve the engineering of the process by immobilization of biocatalyst in calcium alginate and addition of cosolvents. An (S)-aminotransferase (Mutant CNB03-03) was immobilized, not as purified enzyme but as enzyme within spray dried cells, in calcium alginate beads and used to produce substituted (S)-aminotetralin at 50 °C and pH 7 in experiments where the immobilized biocatalyst was recycled. Initial rate of reaction for cycle 1 (6 hr duration) was determined to be 0.258 mM/min, for cycle 2 (20 hr duration) it decreased by ~50% compared to cycle 1, and for cycle 3 (20 hr duration) it decreased by ~90% compared to cycle 1 (immobilized preparation consisted of 50 mg of spray dried cells per gram of calcium alginate). Conversion to product for each cycle decreased as well, from 100% in cycle 1 (About 50 mM), 80% in cycle 2, and 30% after cycle 3. This mutant was determined to be deactivated at elevated temperatures during the reaction cycle and was not stable enough to allow multiple cycles in its immobilized form. A new mutant aminotransferase was isolated by applying error-prone polymerase chain reaction (PCR) on the gene coding for this enzyme and screening/selection: CNB04-01. This mutant showed a significant improvement in thermostability in comparison to CNB03-03. The new mutant was immobilized and tested under similar reaction conditions. Initial rate remained fairly constant (0.2 mM/min) over four cycles (each cycle with a duration of about 20 hours) with the mutant retaining almost 80% of initial rate in the fourth cycle. The final product concentrations after each cycle did not decrease during recycle experiments. Thermostability of CNB04-01 was much improved compared to CNB03-03. Under the same reaction conditions as stated above, the addition of co-solvents was studied in order to increase substituted tetralone solubility. Toluene and sodium dodecylsulfate (SDS) were used. SDS at 0.01% (w/v) allowed four recycles of the immobilized spray dried cells of CNB04-01, always reaching higher product concentration (80-85 mM) than the system with toluene at 3% (v/v) -70 mM-. The long term activity of immobilized CNB04-01 in a system with SDS 0.01% (w/v) at 50 °C, pH 7 was retained for three cycles (20 to 24 hours each one), reaching always final product concentration between 80-85 mM, but dropping precipitously in the fourth cycle to a final product concentration of 50 mM. Although significant improvement of immobilization on productivity and stability were observed using CNB04-01, another observation demonstrated the limitations of an immobilization strategy on reducing process costs. After analyzing the results of this experiment it was seen that a sudden drop occurred on final product concentration after the third recycle. This was due to product accumulation inside the immobilized preparation. In order to improve the economics of the process, research was focused on developing a free enzyme with an even higher activity, thus reducing raw material cost as well as improving biomass separation. A new enzyme was obtained (CNB05-01) using error-prone PCR and screening using as a template the gene derived from the previous improved enzyme. This mutant was determined to have 1.6 times the initial rate of CNB04-01 and had a higher temperature optimum (55°). This new enzyme would allow reducing enzyme loading in the reaction by five-fold compared to CNB03-03, when using it at concentration of one gram of spray dried cells per liter (completing the reaction after 20-24 hours). Also this mutant would allow reducing process time to 7-8 hours when used at a concentration of 5 grams of spray dried cells per liter compared to 24 hours for CNB03-03, assuming that the observations shown before are scalable. It could be possible to improve the economics of the process by either reducing enzyme concentration or reducing process time, since the production cost of the desired product is primarily a function of both enzyme concentration and process time.