In the present work, a series of spherically defined [60]fullerene multiple adducts with up to four independently addressable addend zones was synthesized and characterized. For that purpose, a novel concept for the regioselective synthesis of [60]fullerene trisadducts exhibiting an e,e,e addition pattern was developed. Following a tether-directed remote approach, excellent regioselectivity was observed for the threefold BINGEL cyclopropanation of tripodal malonate systems based on 1,3,5-trisubstituted benzene derivatives. Due to the template assisted synthesis, the three unsymmetrically substituted malonate addends are spherically arranged as one single in/out isomer creating two topologically well defined regions, namely one polar and one equatorial addend zone. Extending this synthetic concept to [3:3] hexakisadducts resulted in the formation of novel fullerene derivatives bearing up to four spherically defined addend zones arranged like degrees of latitudes on the fullerene core. Selective functionalization of the equatorial addend zone of these novel fullerene derivatives could be easily achieved by simple modifications of the outer terminus of the malonate units. Due to their trigonal distribution around the equatorial belt of the fullerene core, these functional units were shown to impact effectively the intermolecular interactions of the fullerene derivatives. Therefore, a fine-tuning of the equatorial functionalization greatly affected properties such as solubility or aggregation phenomena. For a selective functionalization of the polar addend zone, removal of the structure-determined focal benzene moiety was achieved by means of appropriate deprotection protocols. Since the functional groups in this addend zone were highly preorganized and in close contact to each other, intramolecular interactions predominated. Due to the rigid preorganization and close proximity of their reactive groups, polarly functionalized e,e,e trisadducts could be promising hosts or ligand systems for the supramolecular complexation of complementary hydrogen bonding guests or appropriate metal ions. By combining both selective equatorial and polar functionalization, a series of or orthogonally functionalized e,e,e trisadducts could be designed and synthesized. In case of different functionalities in the two distinct addend zones, these fullerene derivatives are first examples of a novel class of e,e,e trisadducts exhibiting unsymmetrically substituted malonate addends in a spherically well defined manner. In the second part of this work, superoxide inhibition was investigated by standard assays and direct kinetic measurements in DMSO for some water-soluble fullerene derivatives in cooperation with the IVANOVIC-BURMAZOVIC group. For the first time, the catalytic dismutation of superoxide radical anions by fullerene derivatives could be directly verified. In coorporation with C-SIXTY Inc. and PHYLONIX Pharmaceuticals Inc. first in vivo investigations were carried out concerning the toxicity and cytoprotective activity of the water-soluble fullerene derivatives in zebrafish embryos as model systems for mammals. In the third part, the developed concept of spherically well-defined addend zones was extended to [3:3] hexakisadducts. By adding another tripodal malonate tether to the unmodified hemisphere of e,e,e trisadducts, novel highly functionalized fullerene derivatives with up to four defined addend regions could be synthesized in good yields. As first examples for these kinds of novel fullerene based supramolecular building blocks, a series of amphiphilic monomers with a spherically defined arrangement of both hydrophilic and lipophilic moieties could be designed and synthesized.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Reihe von sphärisch wohldefinierten [60]Fullerenmehrfachaddukten mit bis zu vier unabhängig voneinander adressierbaren Addendenzonen synthetisiert und charakterisiert. Dazu wurde ein neuartiges Konzept für die regioselektive Synthese von [60]Fullerentrisaddukten mit e,e,e-Additionsmuster entwickelt. Basierend auf einem über Abstandsgruppen vermittelten Fernfunktionalisierungsansatz konnten exzellente Regioselektivitäten für die dreifache BINGEL-Cyclopropanierung von tripodalen Malonatsystemen aus 1,3,5-trisubstituierten Benzolderivaten erzielt werden. Aufgrund des templatgeschützten Synthesewegs waren dabei die drei unsymmetrisch substituierten Malonataddenden als ein definiertes in/out-Isomer angeordnet, was zur Bildung von zwei topologisch wohldefinierten Addendenzonen, einer polaren und einer äquatorialen, führte. Eine Erweiterung dieses Synthesekonzepts auf [3:3]-Hexakisaddukte ermöglichte die Darstellung von neuartigen Fullerenderivaten mit bis zu vier sphärisch definierten Addendenzonen, die sich wie Breitengrade auf der Fullerenoberfläche anordnen. Eine selektive Funktionalisierung der äquatorialen Addendenzone dieser neuartigen Fullerenverbindungen konnte leicht durch einfache Modifikationen der äußeren Reste der Malonateinheiten erreicht werden. Aufgrund ihrer trigonalen Verteilung innerhalb eines äquatorialen Gürtels auf der Fullerenoberfläche zeigte es sich, dass durch diese funktionalen Einheiten eine sehr effiziente Beeinflussung der intermolekularen Wechselwirkungen der entsprechenden Fullerenderivate möglich war. Eine Feinabstimmung der äquatorialen Addendenzone hatte deshalb große Auswirkungen auf Eigenschaften wie Löslichkeit oder Aggregationsphänomene. Eine selektive Funktionalisierung der polaren Addendenzone konnte nach der Entfernung der strukturgebenden fokalen Benzoleinheit mit Hilfe von geeigneten Entschützungsstrategien erreicht werden. Da die funktionellen Gruppen in dieser Addendzone sehr stark vororganisiert sind und in engem Kontakt zueinander stehen, herrschen hier hauptsächlich intramolekulare Wechselwirkungen vor. Aufgrund ihrer starren Vororganisation und der räumlichen Nähe ihrer reaktiven Gruppen zueinander könnten polar funktionalisierte e,e,e-Trisaddukte interessante Wirt- oder Ligandsysteme für die supramolekulare Komplexierung von komplementären Wasserstoffbrückenbindungs-Systemen oder geeigneten Metallionen darstellen. Durch die Kombination von sowohl äquatorialer als auch polarer Funktionalisierung konnte eine Reihe von orthogonal funktionalisierten e,e,e-Trisaddukten entwickelt und synthetisiert werden. Im Falle von unterschiedlichen Gruppierungen in den beiden verschiedenen Addendenzonen stellten diese Fullerenderivate erste Beispiele einer neuartigen Klasse von e,e,e-Trisaddukten mit unsymmetrisch substituierten Malonaten dar, bei denen die Addenden in einer sphärisch wohldefinierten Art und Weise angeordnet sind. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe IVANOVIC-BURMAZOVIC der Superoxid-Abbau für einige wasserlösliche Derivate mit Hilfe von Standard-Assays und direkten kinetischen Messungen in DMSO untersucht. Dabei konnte die katalytische Dismutation von Superoxid-Radikalanionen durch Fullerenderivative zum ersten Mal direkt nachgewiesen werden. In Kooperation mit den Firmen C-SIXTY Inc. und PHYLONIX Pharmaceuticals Inc. wurden erste in vivo-Untersuchungen bezüglich der Toxizität und cytoprotektiven Eigenschaften der wasserlöslichen Fullerenverbindungen an Zebrabärbling-Embryos als Modellsyteme für Säugetiere durchgeführt. Im dritten Teil wurde das entwickelte Konzept der sphärisch wohldefinierten Addendenzonen auf [3:3]-Hexakisaddukte erweitert. Durch die Addition eines weiteren tripodalen Malonatsystems an die unmodifizierte Halbkugel von e,e,e-Trisaddukten konnten hochfunktionalisierte Fullerenderivate mit bis zu vier definierten Addendenregionen in guten Ausbeuten synthetisiert werden. Als erste Beispiele für solche neuartigen fullerenbasierten supramolekularen Bausteine wurde eine Serie von amphiphilen Monomeren mit einer definerten Anordnung sowohl der lipophilen als auch der hydrophilen Einheiten entwickelt und synthetisiert.