Dissertations / Theses on the topic 'Bispidine'

Die Entwicklung von Komplexbildnern für Kupferradionuklide im Hinblick auf eine nuklearmedizinische Anwendung ist ein intensiv bearbeitetes und in rascher Entwicklung begriffenes Forschungsgebiet. Dabei spielen verschiedene Faktoren – wie die günstigen kernphysikalischen Eigenschaften der verfügbaren Kupferradionuklide (Halbwertszeit, Umwandlungsart und -energien), die synthetische Zugänglichkeit und Modifizierbarkeit der Liganden sowie Markierungsausbeute und In-vivo-Stabilität der radioaktiven Kupferkomplexe – eine entscheidende Rolle. Liganden auf der Basis des 3,7-Diazabicyclo[3.3.1]nonans (Bispidine) besitzen für derartige radiopharmazeutische Anwendungen ein hohes Potential. Sie bilden mit Cu2+ sehr stabile Koordinationsverbindungen, wobei die Komplexstabilität im Bereich makrocyclischer Chelatoren liegt (logK ~ 20). Ferner weisen Bispidin-Derivate eine schnelle Komplexbildungskinetik mit Cu2+ auf. Damit sind radioaktiv markierte Bispidin-Liganden prinzipiell für einen Einsatz in der Nuklearmedizin (64Cu: Diagnostik, 67Cu: Therapie) geeignet und zwar insbesondere dann, wenn das Ligand-Grundgerüst mit zielsuchenden Biomolekülen, wie spezifischen Peptiden, Antikörpern oder Nukleinsäurebausteinen, funktionalisiert werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neuartige sechszähnige Bispidin-Derivate mit Pyridyl-, Imidazolyl- und/oder Benzimidazolyl-Donoreinheiten mit Hilfe einer doppelten Mannich-Kondensation synthetisiert sowie koordinationschemisch und spektroskopisch charakterisiert. • Die Darstellung dieser Liganden erfolgte durch eine systematische Variation der Donoreinheiten an den C2/C4-Kohlenstoffatomen sowie den tertiären Aminostickstoffatomen N3/N7. Hierbei wurde insbesondere untersucht, wie sich der Einbau der unterschiedlichen Donorgruppen an den verschiedenen Positionen des Grundgerüsts auf das Löslichkeits- und Komplexbildungsverhalten auswirkt. Auf der Basis NMR-spektroskopischer Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Einführung von Imidazolyl-Substituenten in N3- und N7 Position ausschließlich zu Isomeren führt, die eine trans-Stellung der Donoreinheiten an den C2/C4-Positionen aufweisen. Demgegenüber ist es möglich, durch den Einbau von Methylimidazolyl-Einheiten an C2 und C4, das im Hinblick auf die Komplexbildung mit Cu2+ gewünschte cis-Isomer zu isolieren. Diese Ergebnisse konnten anhand von Röntgenkristallstrukturanalysen der entsprechenden CuII-Komplexverbindungen bestätigt werden. • Mit Hilfe der Cyclovoltammetrie wurden CuII/CuI-Redoxpotentiale für ausgewählte CuII Bispidinkomplexe bestimmt. Da eine starke Korrelation dieser Redoxpotentiale mit den jeweiligen Stabilitätskonstanten besteht, können auf diese Weise Vorhersagen zur Komplexstabilität getroffen werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass Bispidin-Liganden mit Pyridyl-Gruppen an N3/N7 sowie Methylimidazolyl- bzw. Pyridyl-Einheiten an C2/C4 sehr stabile Komplexe mit Cu2+ bilden. Hinsichtlich der synthetischen Zugänglichkeit ergeben sich jedoch für den Pyridyl-substituierten Liganden A Vorteile. Deshalb wurden Untersuchungen zur Biofunktionalisierung an diesem Derivat erprobt. Durch eine selektive Reduktion der Carbonylgruppe in 9-Stellung wurde der entsprechende Monoalkohol (B) als anti-Epimer dargestellt. Dieser Reaktionsschritt implizierte sowohl eine erhöhte chemische Stabilität des Liganden als auch eine gesteigerte Komplexstabilität des korrespondierenden CuII Komplexes. Die Hydrolyse der Methylestergruppen in Anwesenheit von Cäsiumhydroxid führte in hoher Ausbeute zur Verbindung C, welche an C1 und C5 über kupplungsfähige Carboxylgruppen verfügt. • Die Röntgenkristallstrukturen der CuII-Komplexe der Derivate B und C zeigen eine verzerrt oktaedrische Geometrie, wobei eine sechsfache Koordination mit dem Zentralatom vorzufinden ist. Dieser Aspekt führt zu einer nahezu vollständigen Abschirmung des Zentralatoms. Stabilitätsuntersuchungen auf der Basis der UV-Vis-Spektroskopie in Gegenwart des Konkurrenzliganden Glutathion ergaben, dass diese CuII-Komplexe selbst bei einem 100fachen Überschuss an Glutathion über mindestens 24 Stunden stabil sind. • Es wurde eine Reihe von Untersuchungen zur Kupplung von Linkereinheiten und Biomolekülen am Beispiel des Bispidin-Derivates C vollzogen. Im Rahmen der Arbeiten gelang es, Spacereinheiten wie γ-Aminobuttersäure, Ethylendiamin oder auch Maleinimid-Derivate an das Bispidin-Grundgerüst zu kuppeln. Die Funktionalisierung des Rückgrats mit Target-spezifischen Strukturen erfolgte anhand der Peptidsequenzen Neurotensin(8-13) und Bombesin(7-14). Dabei konnte demonstriert werden, dass eine Erhöhung der Ausbeuten an Peptidkonjugat ausgehend von Spacer-funktionalisierten Liganden erzielt werden kann. • Die radioaktive Markierung der Bispidin-Liganden mit den Radionukliden 64/67Cu verläuft unter physiologischen Bedingungen innerhalb weniger Minuten in hohen radiochemischen Ausbeuten (≥ 99%). In-vitro-Stabilitätsuntersuchungen (Rattenplasma, Challenge-Experimente mit Superoxid-Dismutase) an 64Cu-markierten Bispidin-Liganden und entsprechenden Peptidkonjugaten belegen, dass das Radionuklid über einen Zeitraum von 24 Stunden stabil gebunden bleibt. • Im Rahmen von In-vivo-Studien erfolgten Bioverteilungsuntersuchungen sowie Kleintier-PET-Aufnahmen an verschiedenen Bispidin-Derivaten. Das Bioverteilungsmuster der radiomarkierten Ligand- und Peptidkonjugat-Komplexe in männlichen Wistar-Ratten zeigte eine schnelle renale Ausscheidung der Verbindungen. Metabolitenanalysen bestätigten eine hohe In-vivo-Stabilität der 64Cu Bispidin-Komplexe. PET-Studien an PC3-Tumor-Mäusen unter Einsatz des 64Cu markierten Bispidin-Bombesin-Derivates belegen eine gute Tumoranreicherung dieser Verbindung sowie eine klare Visualisierung des Tumors.

Die Entwicklung von Komplexbildnern für Kupferradionuklide im Hinblick auf eine nuklearmedizinische Anwendung ist ein intensiv bearbeitetes und in rascher Entwicklung begriffenes Forschungsgebiet. Dabei spielen verschiedene Faktoren – wie die günstigen kernphysikalischen Eigenschaften der verfügbaren Kupferradionuklide (Halbwertszeit, Umwandlungsart und -energien), die synthetische Zugänglichkeit und Modifizierbarkeit der Liganden sowie Markierungsausbeute und In-vivo-Stabilität der radioaktiven Kupferkomplexe – eine entscheidende Rolle. Liganden auf der Basis des 3,7-Diazabicyclo[3.3.1]nonans (Bispidine) besitzen für derartige radiopharmazeutische Anwendungen ein hohes Potential. Sie bilden mit Cu2+ sehr stabile Koordinationsverbindungen, wobei die Komplexstabilität im Bereich makrocyclischer Chelatoren liegt (logK ~ 20). Ferner weisen Bispidin-Derivate eine schnelle Komplexbildungskinetik mit Cu2+ auf. Damit sind radioaktiv markierte Bispidin-Liganden prinzipiell für einen Einsatz in der Nuklearmedizin (64Cu: Diagnostik, 67Cu: Therapie) geeignet und zwar insbesondere dann, wenn das Ligand-Grundgerüst mit zielsuchenden Biomolekülen, wie spezifischen Peptiden, Antikörpern oder Nukleinsäurebausteinen, funktionalisiert werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neuartige sechszähnige Bispidin-Derivate mit Pyridyl-, Imidazolyl- und/oder Benzimidazolyl-Donoreinheiten mit Hilfe einer doppelten Mannich-Kondensation synthetisiert sowie koordinationschemisch und spektroskopisch charakterisiert. • Die Darstellung dieser Liganden erfolgte durch eine systematische Variation der Donoreinheiten an den C2/C4-Kohlenstoffatomen sowie den tertiären Aminostickstoffatomen N3/N7. Hierbei wurde insbesondere untersucht, wie sich der Einbau der unterschiedlichen Donorgruppen an den verschiedenen Positionen des Grundgerüsts auf das Löslichkeits- und Komplexbildungsverhalten auswirkt. Auf der Basis NMR-spektroskopischer Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Einführung von Imidazolyl-Substituenten in N3- und N7 Position ausschließlich zu Isomeren führt, die eine trans-Stellung der Donoreinheiten an den C2/C4-Positionen aufweisen. Demgegenüber ist es möglich, durch den Einbau von Methylimidazolyl-Einheiten an C2 und C4, das im Hinblick auf die Komplexbildung mit Cu2+ gewünschte cis-Isomer zu isolieren. Diese Ergebnisse konnten anhand von Röntgenkristallstrukturanalysen der entsprechenden CuII-Komplexverbindungen bestätigt werden. • Mit Hilfe der Cyclovoltammetrie wurden CuII/CuI-Redoxpotentiale für ausgewählte CuII Bispidinkomplexe bestimmt. Da eine starke Korrelation dieser Redoxpotentiale mit den jeweiligen Stabilitätskonstanten besteht, können auf diese Weise Vorhersagen zur Komplexstabilität getroffen werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass Bispidin-Liganden mit Pyridyl-Gruppen an N3/N7 sowie Methylimidazolyl- bzw. Pyridyl-Einheiten an C2/C4 sehr stabile Komplexe mit Cu2+ bilden. Hinsichtlich der synthetischen Zugänglichkeit ergeben sich jedoch für den Pyridyl-substituierten Liganden A Vorteile. Deshalb wurden Untersuchungen zur Biofunktionalisierung an diesem Derivat erprobt. Durch eine selektive Reduktion der Carbonylgruppe in 9-Stellung wurde der entsprechende Monoalkohol (B) als anti-Epimer dargestellt. Dieser Reaktionsschritt implizierte sowohl eine erhöhte chemische Stabilität des Liganden als auch eine gesteigerte Komplexstabilität des korrespondierenden CuII Komplexes. Die Hydrolyse der Methylestergruppen in Anwesenheit von Cäsiumhydroxid führte in hoher Ausbeute zur Verbindung C, welche an C1 und C5 über kupplungsfähige Carboxylgruppen verfügt. • Die Röntgenkristallstrukturen der CuII-Komplexe der Derivate B und C zeigen eine verzerrt oktaedrische Geometrie, wobei eine sechsfache Koordination mit dem Zentralatom vorzufinden ist. Dieser Aspekt führt zu einer nahezu vollständigen Abschirmung des Zentralatoms. Stabilitätsuntersuchungen auf der Basis der UV-Vis-Spektroskopie in Gegenwart des Konkurrenzliganden Glutathion ergaben, dass diese CuII-Komplexe selbst bei einem 100fachen Überschuss an Glutathion über mindestens 24 Stunden stabil sind. • Es wurde eine Reihe von Untersuchungen zur Kupplung von Linkereinheiten und Biomolekülen am Beispiel des Bispidin-Derivates C vollzogen. Im Rahmen der Arbeiten gelang es, Spacereinheiten wie γ-Aminobuttersäure, Ethylendiamin oder auch Maleinimid-Derivate an das Bispidin-Grundgerüst zu kuppeln. Die Funktionalisierung des Rückgrats mit Target-spezifischen Strukturen erfolgte anhand der Peptidsequenzen Neurotensin(8-13) und Bombesin(7-14). Dabei konnte demonstriert werden, dass eine Erhöhung der Ausbeuten an Peptidkonjugat ausgehend von Spacer-funktionalisierten Liganden erzielt werden kann. • Die radioaktive Markierung der Bispidin-Liganden mit den Radionukliden 64/67Cu verläuft unter physiologischen Bedingungen innerhalb weniger Minuten in hohen radiochemischen Ausbeuten (≥ 99%). In-vitro-Stabilitätsuntersuchungen (Rattenplasma, Challenge-Experimente mit Superoxid-Dismutase) an 64Cu-markierten Bispidin-Liganden und entsprechenden Peptidkonjugaten belegen, dass das Radionuklid über einen Zeitraum von 24 Stunden stabil gebunden bleibt. • Im Rahmen von In-vivo-Studien erfolgten Bioverteilungsuntersuchungen sowie Kleintier-PET-Aufnahmen an verschiedenen Bispidin-Derivaten. Das Bioverteilungsmuster der radiomarkierten Ligand- und Peptidkonjugat-Komplexe in männlichen Wistar-Ratten zeigte eine schnelle renale Ausscheidung der Verbindungen. Metabolitenanalysen bestätigten eine hohe In-vivo-Stabilität der 64Cu Bispidin-Komplexe. PET-Studien an PC3-Tumor-Mäusen unter Einsatz des 64Cu markierten Bispidin-Bombesin-Derivates belegen eine gute Tumoranreicherung dieser Verbindung sowie eine klare Visualisierung des Tumors.

Ce travail de thèse avait pour objectif de développer de nouveaux chélatants du cuivre(II) de type bispidine pour des applications en Tomographie à Emission de Positrons. Le 64Cu est un radioisotope métallique dont les propriétés sont intéressantes pour la TEP. Les bispidines sont des chélatants dont la structure est préorganisée et rigide. Cette propriété confère au bispidine de bonnes propriétés de coordination vis-à-vis des métaux de transition, en particulier le cuivre(II). Ce travail présente le développement d’un ligand de type bispidine possédant un groupement phosphonate ainsi que le développement de bispidines permettant la synthèse de nouvelles familles de chélatants pour le cuivre(II). La bispidine phosphonatée a ensuite fait l’objet d’une étude physico-chimique par différentes techniques, révélant ainsi qu’elle possède les caractéristiques requises pour des applications en TEP. Le radiomarquage en présence de 64Cu a été étudié pour une sélection de plusieurs chélatants et montre le fort potentiel des ligands de type bispidine pour la complexation du 64Cu. Enfin, diverses stratégies de fonctionnalisation ont été étudiées pour l’obtention d’un chélatant bifonctionnel basé sur la bispidine phosphonatée. Ces stratégies démontrent la possibilité d’obtenir deux ligands bifonctionnels. De surcroît, deux plateformes bifonctionnelles peuvent faire l’objet de point de départ pour le développement de nouvelles familles de bispidines bifonctionnelles
This PhD work aimed at developing new bispidine-based copper(II) chelating agents for applications in Positron Emission Tomography (PET). On one hand, 64Cu is a metallic radioisotope which possesses interesting properties for PET imaging and on the other hand, bispidines have a pre-organized and rigid structure. This property makes them good chelating agents for numerous transition metals, particularly copper(II). This work presents the development of a new bispidine-based ligand having a phosphonate pendant arm as well as the development of bispidines allowing the synthesis of new chelating agents for copper(II). The physico-chemical properties of the phosphonated bispidine were thoroughly studied by different techniques, showing that it would be adequat for PET applications. Radiolabeling experiments were also done in the presence of 64Cu for various bispidines and show the high potential of bispidine ligands for the complexation of 64Cu. Finally, several functionalization strategies were studied in order to get bifunctional chelates based on the phosphonated bispidines. This study proved the possibility to develop two bifunctional bispidines based on the phosphonated one and also it allowed us to develop two bifunctional bispidines as synthon for the synthesis of new families of bifunctional bispidines

This work concerns the development and characterization of molecular probes that respond to a chemical analyte in a liquid sample by turning from a diamagnetic to a paramagnetic state (off-on mode).With the aim of designing these tools, we focused on iron(II) chelates of bicyclic bispidines as they promised, among others, sufficient probe stability, even in competitive media like water. This manuscript describes new robust synthetic protocols for their large-scale preparation. Synthesized bispidine-iron(II) complexes were thoroughly characterized in solution (1D/2D NMR, MS, UV-Vis, CV) and in the solid state (X-ray and SQUID). In particular, I report here the first diamagnetic, low spin examples thereof, as well as pairs of structurally related diamagnetic-paramagnetic chelates. It now enables the design of responsive probes for various (bio)-chemical targets (including enzyme biomarkers), accessible by one-step functionalization of a key synthetic intermediate with suitable trigger moieties. The first two such probes are described herein, which respond to the presence of a particular kind of anion or a change in the pH.In addition in the course of my work, the unprecedented radioactive iron(II) (Fe-59 isotope) complex of a model water-insoluble ligand was prepared and used in an initial biodistribution study in mice. This original protocol can now be directly adapted to virtually all iron(II)-based probe candidates. Furthermore, the relaxivity data obtained for model MRI-silent and MRI-active chelates, in conjunction with the in vivo behavior of the active form in mice, bode well for a creation of an MRI probe functioning in a true off-on mode.Methodologies and molecular designs described herein enable the development of solution-operating magnetogenic molecular probes, which until now have not been synthesized. The availability of such tools would open up numerous perspectives for technological, environmental and biomedical applications.

Les bispidines sont des diamines polycycliques chirales régulièrement utilisées comme ligand pour réaliser de l'induction asymétrique. La bispidine HZ2 est connue pour être agoniste et sélective des récepteurs κ-opioïdes, récepteurs impliqués dans le mécanisme douloureux. Ce travail décrit la mise au point d'une méthode générale de synthèse asymétrique et flexible du squelette bispidine, permettant des modifications structurales, afin d'évaluer le potentiel pharmacologique des analogues synthétisés. Tout d'abord, nous avons synthétisé des pipéridines 2,3,6-trisubstituées grâce à une réaction de Mannich intramoléculaire stéréospécifique entre un β,β'-diaminocétal et divers aldéhydes. Les pipéridones possédant une fonction amino-éthyle en position 3, ainsi obtenues ont été engagées dans une deuxième réaction de Mannich, pour l'obtention de bispidines bicycliques. Ensuite, nous avons souhaité accéder à des bispidines de géométrie plus contrainte. Pour cela, la condensation de divers anhydrides sur les pipéridones possédant une fonction amino-éthyle en position 3, a permis la formation des imides correspondants, précurseurs d'ions N-acyliminium. Les bispidines tricycliques et tétracycliques, sont obtenues par cyclisation en milieu acide en présence des éthers d'énols. Une étude de détermination structurale par RMN a permis de mettre en évidence les différentes conformations adoptées par les bispidines synthétisées (chaise-chaise, chaise-bateau, chaise-twist). Enfin, les composés synthétisés ont fait l'objet de tests in vivo afin d'évaluer leur potentiel antalgique. Ils ont montré une activité modérée. Cependant, l'introduction de groupements aromatiques en α de l'atome d'azote devrait accroître l'efficacité de nos composés, selon les modèles décrits dans la littérature.

Ce travail de thèse visait à développer une nouvelle famille de ligands de type bispidines pour la complexation du cuivre(II) en vue d’applications en tomographie par émission de positrons(TEP). En effet, le cuivre 64 est un radioélément dont l’étude dans le cadre de l’imagerie TEP est en plein essor. Les bispidines, quant à elles, présentent l’intérêt de posséder une structure rigide et pré-organisée permettant la complexation de nombreux métaux de transitions.Nous présentons ici la synthèse et l’optimisation de nouveaux ligands dont les propriétés structurales et physico-chimiques ont été étudiées. Un ligand a montré de très bons résultats puisqu’il possède tous les paramètres cinétiques et thermodynamiques nécessaires à un chélatant utilisé en imagerie TEP. Différentes voies de fonctionnalisation ont ensuite été étudiées afin d’obtenir divers chélatants bifonctionnels. Un ligand comportant une lysine a pu être couplé à une fonction maléimide (régiosélective des cystéines), à une biotine (possédant une forte interaction pour la streptavidine) ou encore à un motif Bodipy pour l’obtention d’une sonde bimodale (UV-visible et TEP). Enfin, nous présentons l’extension de cette famille de bispidines par l’augmentation du nombre de fonctions de coordination présentes ou encore par l’obtention de ligands tricycliques en vue de moduler la sélectivité de ces molécules
This work aimed to develop a new family of bispidine-type ligands for copper(II) complexation with applications in Positron Emission Tomography (PET). Indeed, copper 64 is a radioelement whose study in PET imaging is booming. Bispidines have the benefit of having a rigid and preorganized structure for complexation of a large number of transition metals. In this work we present the synthesis and optimization of new ligands whose structural and physico-chemical properties have been studied. One ligand showed very good results because it possesses all of kinetic and thermodynamic parameters which are necessary for its application to PET imaging. Different strategies of functionalization have been studied to obtain bifunctional chelates. A lysine derivative has been coupled to a maleimide function (regioselective of cysteins), to abiotine (which displays a strong affinity for streptavidin) or to a Bodipy pattern for obtaining a bimodal probe (UV-visible and PET). Finally, we present an extension of this bispidine family by increasing the number of coordination functions or by synthesizing tricyclic compounds to modulate the selectivity of these molecules

This thesis encompasses two distinct areas of chemistry. The first part involves the synthesis and characterisation of phenylselenium(II) halides and pseudohalides and their further reactions with tertiary phosphines. The molecular structures of phenylselenium(II) chloride and thiocyanide are reported along with a large series of reactions involving phenylselenium(lI) chloride with tertiary phosphines. In addition to an extensive study of the products in solution using multinuclear NMR, suitable crystals were characterised using X-ray crystallography, yielding three novel crystal structures, two of which feature the rare [PhSeCI2] anion. The effect of doubling the starting quantity of phenylselenium(ll) chloride was noted to have the effect of encouraging more compounds containing the [R3PSePh] cation. The second part of the work incorporates the synthesis and characterisation of a series of hydrophobic bispidone - transition metal complexes. This study was the first example of bispidone ligands substituted with long alkyl chains and three novel crystal structures are reported. Their molecular configuration shows that each adopts the expected back-to-back double chair backbone as observed in similar studies by other chemists. Furthermore, the molecular structures of four piperidone precursor molecules were obtained, the first examples of piperidones substituted with hydrophobic alkyl chains. Their structures reveal that these molecules tautomerise in the solid state due to the formation of an intramolecular six-membered ring stabilised by hydrogen bonding.

This thesis concerns the construction, use and modulation of various host–guest systems, from small bispidines for binding of inorganic ions to bisporphyrin clips for supramolecular systems. Small flexible molecules undergo fast conformational movements when in solution. These conformational movements generate time-averaged population-weighted chemical shifts, coupling constants and NOEs when analysed by NMR spectroscopy. A bisporphyrin clip was designed to be used as a host for restriction of conformational movements of small flexible molecules by ditopic metal-ligand binding. Based on conformational analysis in combination with NMR analysis of molecular flexibility in solution (NAMFIS), the relative stereochemistry of flexible alditol-derived diamines containing three or four consecutive stereocentres could be determined. To further explore the idea of conformational deconvolution via host–guest binding, two flexible molecular tweezers with photoswitchable moieties were developed. Upon photoswitching cis/trans isomerisation facilitates the opening and closing of these bisporphyrin hosts. A guest molecule could then be exposed to a “catch and stretch” or “catch and release” effect. Preliminary studies have shown that photoisomerisation of the constructed systems is possible without photodecomposition and preliminary binding studies have been conducted. Controlled modulation of molecular conformations is of interest especially if the conformational steering activates a unit working as a nucleator in a larger structure or facilitates a reaction. The protonation-triggered modulation of bispidine conformations has been investigated. In addition to previously reported conformations we have observed that upon diprotonation a bispidine derivative can be driven into the unusual boat-boat conformation. Finally, the unexpected formation of persistent organic radicals with a cyclophane motif from the reaction of N,N´-diphenyl-1-5-diazacyclooctane and AgBF4 is described. Interestingly, these diradicals exhibit features such as intramolecular π-stacking without lateral displacement and also intramolecular spin pairing.

In this PhD thesis, we exploited the potentialities of four different multicomponent reactions (MCRs), namely Ugi four-component reaction (U-4CR), N-split Ugi reaction (N-split U-4CR), van Leusen three-component reaction (vl-3CR) and Biginelli reaction (Bg-3CR), developing five different approaches to the synthesis of small bioactive molecules. In particular, we successfully applied the build/couple/pair strategy obtaining a small library of ketopiperazine-based minimalist peptidomimetics, by means of diastereoselective U-4CR/post-cyclization sequences, employing optically pure amino acid-derived α-amino aldehydes and α-isocyanoacetates as starting materials. Computer-assisted NMR NOE analysis allowed us to determine the configuration of the newly formed stereocenters, while molecular dynamics simulation and biological evaluation clearly underlined the potentiality of selected compounds to interfere with protein-protein interactions (PPIs). We also focused our attention on another class of peptide-like compounds, namely diamine-based peptidomimetics, by carefully optimizing the N-split U-4CR conditions for the introduction of N-protected amino acids and α-isocyanoacetates components, in a stereoconservative way. This methodology largely simplifies the synthesis of such compounds, opening the way to the use of more complex secondary diamines, able to induce well-defined secondary structures in the related peptidomimetic and hopefully targeting novel PPIs. Furthermore, by combining the same N-split U-4CR with common transformations, a library of dopamine receptor agonists was rapidly obtained, with biological activities in the nanomolar range. Although the desired D2/D3 selectivity was not achieved, structure-activity relationship (SAR) and docking studies allowed us to understand the key pharmacophoric elements in these novel structures, leading the way to the design of improved molecular scaffolds. By employing the vL-3CR in an iterative way, we designed a novel C2-C5’ linked polyimidazole-based minimalist framework, able to mimic the i, i+1, i+2 and i+3 amino acid residues of a β-strand motif. Its conformational behaviour was investigated through solution-phase NMR and molecular dynamics studies, allowing to demonstrate its ability to mimic a poly-alanine β-strand. Finally, we explored the possibility to combine MCRs with organocatalysis, developing the first BINOL-derived phosphoric acid catalysed Biginelli-like reaction on a ketone. In particular, employing N-substituted isatins as carbonyl substrates, we achieved the synthesis of a small library of biologically relevant enantioenriched spiro[indoline-pyrimidine]-diones derivatives. The assignment of the configuration at the new oxindole C-3 stereocenter was assessed through quantum-mechanical methods and NMR spectroscopy, while computational studies on the reaction transition state allowed us to explain the enantioselectivity and the stereochemical outcome.

The aim of the thesis was to develop novel mono-labeled and dual-labeled imaging agents for targeting cancer tumors by Positron Emission Tomography (PET) and Optical Imaging (OI). Bispidines were used as Copper-64 and NOTA as Copper-64 as well as Gallium-68 chelators for PET. Fluorophore, IR 800 dye was used for OI. Amine-terminated ultrasmall Silicon nanoparticles (Si NPs) of size 3-5 nm were used as a multifunctional multimodal imaging core.:Chapter 1 Introduction 1 1.1 General introduction 1 1.2 Aims and objectives of the thesis 6 Chapter 2 Literature review and theoretical part 7 2.1 Molecular imaging of cancer 7 2.1.1 Positron Emission Tomography 8 2.1.2 Optical imaging 19 2.2 Multimodal molecular imaging 21 2.2.1 Silicon nanoparticles as multimodal imaging agents 23 2.2.2 Factors affecting the biodistribution and pharmacokinetics of NPs 27 2.2.3 Tumor targeting strategies for molecular imaging agents 30 2.2.4 Targeted functionalization of NPs and BFCAs for imaging purposes 32 Chapter 3 Results and Discussion 35 3.1 Synthesis, characterization and radiolabeling studies of hexadentate bispidine-based bifunctional chelating agents 37 3.1.1 Synthesis of hexadentate bispidine-based ligands 39 3.1.2 Radiochemistry of modified bispidine derivatives 59 3.1.3 Conclusions 61 3.2 Design and synthesis of Bispidine-based TATE and sd antibody bioconjugates 63 3.2.1 Bispidine-based bioconjugates of somatostatin agonist TATE 63 3.2.2 Bispidine-based EGFR targeting sdAb conjugates B5-sdAb 71 3.2.3 Conclusions 80 3.3 Synthesis and characterization of amine-terminated ultrasmall Si NPs 81 3.3.1 Synthesis of amine-terminated Si NPs 81 3.3.2 Characterization of Si NPs 82 3.3.3 Surface characterization of Si NPs 84 3.3.4 Conclusions 85 3.4 Synthesis, characterization, and biodistribution studies of Si NP-based mono-labeled PET and optical imaging agents 86 3.4.1 Si NP-NOTA derived PET imaging agent 88 3.4.2 Synthesis and characterization of Si NP-Bispidine (Si NP-B4) 93 3.4.3 Synthesis, characterization, in vitro and in vivo evaluation of Si NP-IR800 as an optical imaging probe 95 3.4.5 Conclusions 104 3.5 Development of dual-labeled Si NPs an its in vitro and in vivo evaluation 106 3.5.1 Synthesis and characterization of Si NP-IR800-NOTA conjugate 107 3.5.2 Photophysical characterization of Si NP-IR800-NOTA and comparison with mono-labeled imaging agents 109 3.5.3 Radiolabeling studies of dual-labeled Si NP-IR800-NOTA 110 3.5.4 Quantitative estimation of the amount of fluorophore and the radiolabel on the Si NP conjugate 111 3.5.5 Cell Cytotoxicity Studies of the Si NP-IR800-NOTA 114 3.5.6 In vivo PET analysis and biodistribution studies, urine analysis and ex vivo examination of [64Cu]Cu-Si NP-IR800-NOTA 115 3.5.7 Comparative analysis of [68Ga]Ga-Si NP-IR800-NOTA and [64Cu]Cu-Si NP-IR800-NOTA in A431 tumor bearing mice 121 3.5.8 Conclusions 127 3.6 Investigation of mono-labeled and dual-labeled Si NPs as targeted imaging agents 128 3.6.1 Synthesis of Si NP-PEG-5B9 peptide conjugates 128 3.6.2 Characterization of the targeted Si NP conjugates 129 3.6.3 Conclusions 134 Chapter 4 Conclusions and Outlook 135 4.1 Conclusions 135 4.2 Outlook 140 Chapter 5 Experimental Section 141 5.1 Chemicals and Materials 141 5.2 Analysis, characterization and purification techniques and methods 143 5.3 Radionuclide production (68Ga and 64Cu) 146 5.4 Syntheses 148 5.4.1 Synthesis of bispidines derivatives (B1-B11), intermediates (B1’, B3’, B8’, B9’, B11’) and bifunctional linkers (L1, L2) 148 5.4.2 Synthesis of bispidines-based bioconjugates B4-PEG-TATE and B5-sdAb-7C12 160 5.4.3 Synthesis and modification of Si NPs by hydrothermal method 161 5.5 Radiolabeling experiments 166 5.6 In vitro cell experiments 167 5.7 Cell binding studies 169 5.8 Animal experiments 170 Chapter 6 References 172 Chapter 7 Annex 192 7.1 Acronyms 192 7.2 Supplementary Data 195 Chapter 8 Publications, Conferences and Awards 203 Chapter 9 Acknowledgements 206 Chapter 10 Statement of declaration / Erklärungen 208

Diverse synthetische Zugänge zu einer neuen Verbindungsklasse, nämlich den chiralen 9- Oxabispidinen wurden realisiert. Als gemeinsame Ausgangsverbindung diente das Aminodiol. Die Route über ein Bispidinlactam stellte sich aufgrund der geringen Ausbeute (~5%) über 8 Stufen als wenig effektiv heraus. Ein Nitril eignete sich wesentlich besser als Zwischenstufe und lieferte die Zielverbindungen in 9-27% Gesamtausbeute über 8-12 Stufen. Auch ein Syntheseweg zur Darstellung von Bispidinen konnte ausgehend vom Naturstoff (–)-Cytisin, der aus den Samen des Gemeinen Goldregens isoliert wurde, etabliert werden. Hierzu wurde in Analogie zu O’Briens Arbeiten zunächst die freie Aminofunktion als Carbamat geschützt und der aromatische Ring zum Lactam reduziert, um dann in 5-Position derivatisieren zu können. Verschiedene Substituenten (Me, iPr, F, cPr) konnten sowohl in axialer als auch in äquatorialer Position eingeführt werden. Ein weiterer Reduktionschritt am Ende der Sequenz lieferte die trizyklischen Diamine in 15-38% Ausbeute über nur 4-6 Stufen ausgehend von (–)-Cytisin. Eine Cyclopropylgruppe wurde durch Einführung einer Methoxymethylgruppe, Eliminierung und eine Cyclopropanierung mit Diiodmethan/ Diethylzink generiert. Alle synthetisierten Verbindungen wurden als chirale Liganden in verschiedenen enantioselektiven Reaktionen evaluiert. Im Fokus standen hierbei zunächst die 9-Oxabispidine, die sich–im Gegensatz zu den bekannten Bispidinen–leider nicht als chirale Liganden in enantioselektiven Deprotonierungen einsetzen lassen, da sie selbst deprotoniert werden. In enantioselektiven Henry-Reaktionen stellte sich das trizyklische 9-Oxabispidin als hervorragender Ligand heraus, der als Kupferkomplex mit einer Vielzahl an Aldehyden (aliphatisch, aromatisch) und Nitromethan umgesetzt wurde. Sowohl die Ausbeuten (44-95%) als auch die Enantiomerenüberschüsse (91-98%) waren exzellent und können mit den Ergebnissen der besten Literatur-bekannten Katalysatoren mithalten. Auch in einer diastereoselektiven Umsetzung mit Nitroethan konnte ein dr von 80:20 mit sehr guten 94% ee für das Hauptdiastereomer erzielt werden. Die bizyklischen 9-Oxabispidine eignen sich weniger für Henry-Reaktionen, da die Verbindungen mit sterisch weniger anspruchsvollen Reste nur mittelmäßige Resultate (33-46% ee) ergeben. Mit zunehmender Sterik ist auch eine steigende Tendenz zu einem höheren Enantiomerenüberschuss [z.B. R = Ph, 56/57% ee] zu erkennen. Interessant ist die Stereoselektivität der bizyklischen Oxabispidine: Während das trizyklische Bispidin zu einer S-Konfiguration im Produkt führt–wie es von einem (+)-Spartein-Ersatzstoff zu erwarten ist–liefern R = Et, iPr. cHex und Ph das R-Produkt - genau wie (–)-Spartein. Der Grund hierfür ist wahrscheinlich die exponierte Stellung der äußeren Methylgruppe im annelierten Piperidinring. Ein ähnlicher Effekt trat mit dem 9-Oxabispidin R = tBuPh, das ebenfalls einen weit ausladenden aromatischen Ring besitzt, ein. Auch hier wurden unter Induktionsumkehr im Vergleich zu R = Et, iPr, cHex, Ph das S-konfigurierte Produkt in 38-39 % ee erhalten. Im Gegensatz zu den 9-Oxabispidinen können die Bispidine in enantioselektiven Deprotonierungsreaktionen eingesetzt werden. Die bei der Umsetzung erzielten Ergebnisse mit den Monomethyl-Verbindungen (92% ee, äquatoriale Me-Gruppe und 79% ee, axiale Me-Gruppe) zeigen, dass eine axiale Methylgruppe den Chiralitätstransfer eher negativ beeinflusst, wohingegen eine äquatoriale Methylgruppe keinen Einfluss ausübt auf den ee (gleicher ee mit 92% wie das trizyklische Bispidin). Bei größeren äquatorialen Substituenten wie iPr (51%) sinkt ebenfalls der Enantiomerenüberschuss. Zwei gleichartige Substituenten (≠ H) in 5-Position stören die Reaktion so sehr, dass der ee-Wert stark abfällt (34% ee bei zwei 5-Methylgruppen). Bei Einführung von kleinen Substituenten in äquatorialer und axialer Position, wie F (65% ee) oder -CH2-CH2- (40% ee) liegen die erzielten ee-Werte auch viel niedriger
Several synthetic pathways to a new substance class, the chiral 9-oxabispidines have been realized using an amino alcohol as the starting material. Because of the low yield of ~5% over all 8 steps, the synthesis via a bispidine lactam seems to be not very efficient. As a better intermediate for all prepared derivatives a nitrile was chosen, which could be synthesized and converted into the 9-oxabispidines with 9-27% yield over 10-12 steps. A synthetic route to the bispidines was realized starting from the natural product (–)-cytisine, which was isolated from the seeds of Laburnum anagyroides cytisus. In analogy to O’Brien`s work, the free amino function was protected as a carbamate followed by reduction of the aromatic ring. Afterwards, the resulting lactam was derivatised in 5-positions. Bispidines with different substituents (Me, iPr, F, cPr) in both axial and equatorial position were synthesized. A reduction step at the end of the sequence led to the (+)-sparteine surrogate in 15-38% yield over 4-6 steps starting from (–)-cytisine. The cyclo propyl group was built up by addition of a methoxy methyl group, basic elimination to create the double bond and cyclopropation with diethyl zinc/diiodomethane. All prepared compounds should be tested in different enantioselective reactions. The first interesting substance class in focus for enantioselective Henry reactions were the 9- oxabispidines, which are unsuitable for deprotonation reactions. The tricyclic 9-oxabispidine seems to be an excellent ligand, the copper complexes of which were used in a large number of reactions with aldehydes (aliphatic, aromatic) and nitromethane. Both, the yields (44-95%) and the enantiomeric excesses (86-98% S), are very satisfying and comparable with the results of the best catalysts known. In a diastereoselective reaction, a good dr of 80:20 with an excellent ee of 94% for the major diastereomer was found. Because of moderate yields (R = Et, iPr, cHex: 33-39%/38-46% ee R) due to the less sterical demanding groups, the bicyclic 9-oxabispidines are less suitable for Henry reactions. It could be shown that with growing sterical demand of the substituent, the enantiomeric excess increases (R = Ph, aromatic ring, 56/57% ee R). The stereoselectivity of the bicyclic oxabispidines is very interesting. As expected for a (+)-sparteine-surrogate, the tricyclic compound leads to a S-configuration, whereas R = Et, iPr, cHex and Ph give the R-product like (–)-sparteine. The reason for this is probably the influence of the outermost C-5 methylene group. To further increase the optical yields and to collect more information about the effects of maximum sterical hindrance, the 9-oxabispidine with R = tBuPh was tested. In accordance with the expectations inversion of induction (38/39% ee S!) occured. In contrast to the 9-oxabispidines the bispidines can be used in enantioselective deprotonation reactions. The obtained results confirmed the expectations. From the results with the monomethyl compounds (92% ee, equatorial Me-group and 79% ee, axial Me-group), it can be concluded that an axial methyl group has a negative influence on the stereoselectivity, whereas an equatorial methyl group has no influence on the enantiomeric excess identical 92% ee like the compound with two hydrogen atoms). By using bispidines with larger equatorial substituents like iPr (51%), the enantiomeric excess decreases. Two equal substituents (≠ H) in 5-position have a bad influence on the chirality transfer by decreasing the ee (34% ee for two 5-methyl groups). The introduction of substituents in equatorial and axial position, which are larger than a proton, but smaller than a methyl group (F: 65% ee, -CH2-: 40% ee), ee values that are much lower than with the tricyclic bispidine were obtained