@phdthesis{Weissenstein2019,
  author    = {Weißenstein, Annike},
  title     = {Optische Chemosensoren aus Naphthalin- und Perylenbisimid-Farbstoffen},
  doi       = {10.25972/OPUS-16199},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-161990},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Die Liste der interessanten nachzuweisenden Analyte ist lang. Deswegen besteht ein großer Bedarf zur Entwicklung neuer fluoreszierender und kolorimetrischer Chemosensoren. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die Synthese und Charakterisierung neuer optischer bzw. fluoreszierender und kolorimetrischer Chemosensoren mit dem Fokus auf die beiden Substanzklassen der Naphthalinbisimide und Perylenbisimide. Der erste Arbeitsschwerpunkt befasste sich mit wasserl{\"o}slichen Naphthalinbisimiden und ist in drei Unterkapitel aufgeteilt (Kapitel III - 1.1.-1.3., Abbildung 79). Im ersten Unterkapitel (Kapitel III - 1.1.) wurden die Synthesen und optischen Eigenschaften der am Kern Amino-substituierten NBIs 60a-h, mit Dicarbons{\"a}ureresten in Imid-Position und 61a-h, mit 2-Dimethylaminoethyl-Gruppen, in polaren L{\"o}sungsmitteln beschrieben. Die systematische Anbringung verschiedener Amino-Substituenten mit steigendem elektronenziehendem Charakter der Aminoreste diente der mechanistischen Aufkl{\"a}rung der optischen Eigenschaften. Eine vollst{\"a}ndige Untersuchung der optischen Eigenschaften erfolgte in w{\"a}ssriger Pufferl{\"o}sung bei pH 2.1 sowie in Methanol und Acetonitril. Der Einfluss der Imid-Substituenten auf die optischen Eigenschaften war wie zu erwarten gering. Die verschiedenen Kern-Substituenten verursachten hingegen eine hypsochrome Verschiebung der Absorptions- und Fluoreszenzmaxima mit steigendem elektronenziehendem Charakter der an der Aminogruppe angebrachten Reste. Ein unerwarteter Trend konnte im Fall der Fluoreszenzquantenausbeute beobachtet werden. In den protischen L{\"o}sungsmitteln Wasser und Methanol wurde eine lineare Abh{\"a}ngigkeit gegen{\"u}ber der Hammett-σmeta-Konstante ermittelt. Mit steigendem elektronenziehendem Charakter der Kern-Amino-Substituenten erfuhr die Quantenausbeute einen Anstieg auf bis zu 39\% in Wasser f{\"u}r NBI 60h, 61h und 45\% in Methanol f{\"u}r 60h. Die Tatsache, dass in Acetonitril keine solche Abh{\"a}ngigkeit gegen{\"u}ber der Hammett-Konstante beobachtet werden konnte legte eine intermolekulare Wasserstoffbr{\"u}cken-Bindung im angeregten Zustand als konkurrierenden Prozess zur Fluoreszenz nahe. Dieser Prozess tritt zwischen den L{\"o}sungsmittel-Molek{\"u}len und der Akzeptorgruppe (Carbonyl-Sauerstoff) der NBIs, welcher einen strahlungslosen Relaxationsprozess bzw. Fluoreszenzl{\"o}schung zur Folge hat, auf. Der Einfluss dieses Prozesses l{\"a}sst sich durch die St{\"a}rke des elektronenziehenden Amino-Substituentens steuern. Die NBIs 60a-h zeigten zudem in potentiometrischen Titrationen in Wasser eine pH-Unabh{\"a}ngigkeit der optischen Eigenschaften bez{\"u}glich des Imid-Substituentens. Dies macht die NBIs mit Dicarbons{\"a}ureresten f{\"u}r die Anwendung in biologischen Systemen im neutralen pH-Milieu oder als chemische Sensoren besonders geeignet. Aufgrund dieser interessanten Befunde wurde im zweiten Unterkapitel (Kapitel III - 1.2.) das dihalogenierte NBI 58 hinsichtlich der Sensoreigenschaften gegen{\"u}ber prim{\"a}ren, sekund{\"a}ren und terti{\"a}ren Amin- bzw. Diamindampf sowie zur Frischekontrolle von Fleisch untersucht. Die Absorptions- und Fluoreszenz-spektroskopische Untersuchung des D{\"u}nnschichtfilms von NBI 58 zeigte die erfolgreiche, selektive Detektion von prim{\"a}ren Aminen und Diaminen bzw. biogenen Aminen. Zum einen konnte mit bloßen Auge ein Farbumschlag von gelb nach rot und zum anderen {\"A}nderungen in den Absorptionsspektren wie die Entstehung einer neuen bathochrom verschobenen Bande im D{\"u}nnschichtfilm beobachtet werden. Die Erh{\"o}hung der Fluoreszenz wie auch die NMR-spektroskopische Untersuchung konnte hingegen ausschließlich in L{\"o}sung detektiert werden. Hiermit konnte die kovalente Wechselwirkung der Amin-Molek{\"u}le mit dem NBI 58 nachgewiesen werden. Trotz der erfolgreichen Detektion biogener Amind{\"a}mpfe erwies sich NBI 58 aufgrund der zu geringen Reaktivit{\"a}t als ungeeigneter chemischer Sensor zur Frischekontrolle von Fleisch. Das dritte und letzte Unterkapitel (Kapitel III - 1.3.) dieses Abschnittes bestand in der Synthese monochlor-monoamino-substituierter NBIs am Kern (65a,b und 66) und der Wechselwirkungen dieser Farbstoffe mit DNS/RNS. Die NBIs 65a,b und 66 wiesen in der Imidstellung 3-Trimethylammoniumpropyl auf, um die Wasserl{\"o}slichkeit zu gew{\"a}hrleisten und die elektrostatische Wechselwirkung mit dem negativ geladenen Phosphatr{\"u}ckgrad der DNS/RNS zu bewirken. Am Kern wurden die Aminos{\"a}uren (S)-2,3-Diaminopropions{\"a}ure (L-Dap) (65a) und (S)-2,6-Diaminohexans{\"a}ure (L-Lys) (65b) sowie 2-Trimethylammoniumethylamin (66) eingef{\"u}gt. Die Untersuchungen mit Hilfe von thermischen Denaturierungsstudien zeigten mit allen NBIs eine deutliche Schmelzpunkterh{\"o}hung der DNS/RNS (ΔTm-Werte zwischen 17 und 35 °C), was die Bildung von NBI/Polynukleotid-Komplexen nahelegte. Diese Komplex-Bildung konnte erneut aufgrund enormer Fluoreszenzl{\"o}schung in fluorimetrischen Titrationsstudien best{\"a}tigt werden. Hier wurden Bindungskonstanten zwischen logK = 5.9 und 7.2 M-1 ermittelt, wobei NBI 65a und poly(dG-dC)2 der st{\"a}rksten Bindungsaffinit{\"a}t und NBI 65a und poly(dA-dT)2 der schw{\"a}chste zugeordnet werden konnte. F{\"u}r NBI 66 wurde die zweith{\"o}chste Bindungsaffinit{\"a}t zu Polynukleotid ct-DNS (logK = 7.08 M-1) beobachtet, w{\"a}hrend dieser Farbstoff sowie 65a,b nur geringe Bindungskonstanten mit dem Polynukleotid polyA-polyU zeigten. Mit Hilfe der CD-spektroskopischen Messungen wurde der Bindungsmodus und die Unterschiede in den Bindungseigenschaften der Farbstoffe mit DNS/RNS ermittelt. Der Großteil aller NBI-Verbindungen interkalierte in einer parallelen Anordnung zwischen die Basenpaare der Polynukleotide. F{\"u}r NBI 65a und poly(dG-dC)2 ließ sich jedoch eine perpendikulare Anordnung zu den Basenpaaren beobachten. ITC-Titrationsstudien komplettierten letztendlich die Untersuchungen zwischen NBIs und Polynukleotiden. Neben Interkalation als Bindungsmodus konnte zus{\"a}tzlich aufgrund der relativ hohen Entropiewerte eine Wechselwirkung zwischen den Substituenten am Kern und den Phosphatgruppen in der kleinen Furche festgestellt werden. Zusammengefasst sind die sterischen Hinderungen der Amino-Substituenten und die Furcheneigenschaften von ds-DNS/RNS entscheidend. Der zweite Arbeitsschwerpunkt ist ebenfalls in drei Unterkapitel (Kapitel III - 2.1.-2.3.) aufgeteilt und befasste sich mit der Synthese und den Sensoreigenschaften kernfunktionalisierter Perylenbisimide (Abbildung 80). Im ersten Abschnitt (Kapitel III - 2.1) wurde die Synthese und die optischen Eigenschaften in L{\"o}sung der am Kern einfach und zweifach Kronenether-funktionalisierten PBIs 77a,b und 71a,b untersucht. In Imidstellung waren alle PBIs mit 2-Trimethylammoniumethyl-Resten funktionalisiert, um eine L{\"o}slichkeit in polaren L{\"o}sungsmitteln zu gew{\"a}hrleisten. Die Buchtpositionen wurden jeweils ein- bzw. zweifach mit den Kronenether-Einheiten 2-Hydroxymethyl-15-Krone-5 und 2-Hydroxymethyl-18-Krone-6 substituiert. Die anschließende Untersuchung der optischen Eigenschaften der PBIs zeigten bei einer Konzentration von 10-5 M in Acetonitril den monomeren Zustand und in Wasser die Ausbildung von H-Aggregaten. Die Fluoreszenzquantenausbeuten erfuhren in Acetonitril mit steigender Kronenether-Ringgr{\"o}ße eine Zunahme von 73\% auf 81\% f{\"u}r die PBIs 71a,b und eine vernachl{\"a}ssigbare geringe Zunahme von 49\% auf 51\% f{\"u}r die PBIs 77a,b. Die Abnahme der Quantenausbeute vom zweifach funktionalisierten zum einfach funktionalisierten PBI um ca. 30\% ließ sich durch die st{\"a}rker ausgepr{\"a}gten strahlungslosen Relaxationsprozesse dieses flexibleren Molek{\"u}ls im angeregten Zustand erkl{\"a}ren. Im zweiten Unterkapitel (Kapitel III - 2.2.) wurden die Selbstassemblierungseigenschaften der synthetisierten PBIs 71a,b und 77a,b in Gegenwart verschiedener Metallionen (Na+, K+, Rb+, Mg2+, Ca2+ und Ba2+) untersucht. Hier konnte eine Abh{\"a}ngigkeit von der Gr{\"o}ße des Kronenether-Rezeptors sowie von der Art der Metallionen gezeigt werden. Die Absorptions- und Fluoreszenz-spektroskopischen Studien der zweifach funktionalisierten PBIs 71a und 71b bei einer PBI-Konzentration von c = 10-5 M zeigten ausschließlich f{\"u}r das 15-Krone-5-Derivat 71a und Ba2+ eine erfolgreiche Ausbildung von PBI-Stapeln mit H-artiger exzitonischer Kopplung. Aufgrund dessen erfuhr das Absorptionsmaximum eine stetige Abnahme einhergehend mit einer hypsochromen Verschiebung und die Fluoreszenz eine vollst{\"a}ndige L{\"o}schung. Zudem konnte eine 1:1-St{\"o}chiometrie der PBI-Stapeln ermittelt werden. Die Anpassung der spektroskopischen {\"A}nderungen an die Hill-Gleichung best{\"a}tigte letztendlich die Bildung eines [2+2]-Sandwich- bzw. Dimer-Komplexes in einem positiv kooperativen Bindungsprozess, in dem mittels ITC eine enorme Stabilisierung der Ba2+-Komplexierung aufgrund der π-π-Wechselwirkung zwischen zwei PBI-Molek{\"u}len, beobachtet wurde. Die Durchf{\"u}hrung der Titrationsexperimente bei einer h{\"o}heren PBI-Konzentration (c = 10-4 M) zusammen mit DOSY-Experimenten versicherten auch in diesem Fall die Formation diskreter Dimerkomplexe. Das einfach funktionalisierte PBI 77a zeigte in der Anwesenheit von Ba2+ {\"a}hnliche optische {\"A}nderungen. Die nachfolgenden Untersuchungen bzw. Interpretationen best{\"a}tigten die Bildung eines [1+2]-Dimerkomplexes mit H-artiger exzitonischer Kopplung, welches aufgrund der flexibleren Komplexstruktur keine Stabilisierung der Ba2+-Komplexierung erfuhr. Neben der Metallionen-Komplexierung war PBI 71b auch in der Lage, in einer 1:2-St{\"o}chiometrie aromatische Aminos{\"a}uren und Dipeptide zu erkennen (Kapitel III - 2.3.), da hier sowohl die Ammoniumgruppen der Aminos{\"a}uren und Dipeptide mit den Kronenethereinheiten als auch die aromatischen Einheiten mit dem PBI-Kern wechselwirken k{\"o}nnen. Fluoreszenz-Titrationsexperimente zeigten, dass die Aminos{\"a}uren L-Tryptophan und L-Tyrosin, welche elektronenreiche aromatische Gruppen aufweisen, und Dipeptide, die diese Aminos{\"a}uren enthalten, die Fluoreszenz des PBIs stark l{\"o}schen. Die Bindungskonstanten der Wirt-Gast-Komplexierung in Acetonitril konnten aufgrund eines statischen L{\"o}schungsprozesses aus den Fluoreszenztitrationsdaten bestimmt werden. Hier wurde beobachtet, dass die Bindungsst{\"a}rke von der Gr{\"o}ße und der elektronischen Natur der aromatischen Einheiten sowie von dem Abstand zwischen der Ammoniumgruppe und der aromatischen Einheit in Aminos{\"a}uren und Dipeptiden abh{\"a}ngt. Die st{\"a}rkste Bindung konnte zwischen Ala-Trp und PBI 71b mit einem Wert von 3.1 x 105 M-1 beobachtet werden. NMR-Studien best{\"a}tigten ebenfalls die Wirt-Gast-Komplexierung, ließen jedoch offen, ob es zu der Bildung von zwei Diastereomeren aufgrund der eingeschr{\"a}nkten Umwandlung der Atrop-Enantiomere (P und M) des PBI 71b kommt oder zu der Bildung von vier Diastereomeren infolge des Chiralit{\"a}tszentrums im Kronenether. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit Naphthalinbisimde und Perylenbisimide hinsichtlich ihrer Eignung als optische Chemosensoren untersucht. Die NBI-Derivate agierten aufgrund ihrer interessanten optischen Eigenschaften als chemische Sensoren selektiv f{\"u}r prim{\"a}ren Amindampf und f{\"u}r die DNS/RNS-Wechselwirkung. Im Fall der PBI-Verbindungen wurden hervorragende fluorometrische Chemosensoren ermittelt, die Ba2+-Ionen und elektronenreiche aromatische Aminos{\"a}uren und Dipeptide in einer deutlichen Fluoreszenzl{\"o}schung detektieren k{\"o}nnen.},
  subject      = {Chemischer Sensor},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Schmidt2008,
  author    = {Schmidt, Johann},
  title     = {Wasserstoffbr{\"u}ckengesteuerte Ausrichtung von Merocyaninfarbstoffen f{\"u}r photorefraktive Materialien},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-27156},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2008},
  abstract  = {Merocyaninchromophore spielen eine herausragende Rolle bei der Entwicklung von photorefraktiven Materialien f{\"u}r Anwendungen in der Holographie. Der photorefraktive Effekt beruht auf einer Orientierung der dipolaren Merocyanine in einem elektrischen Feld. Diese k{\"o}nnen umso effektiver ausgerichtet werden, je gr{\"o}ßer ihr Dipolmoment ist. Folglich sollten Merocyanine mit sehr großen Dipolmomenten den gew{\"u}nschten Effekt hervorbringen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass solche Merocyanine Dimere mit antiparalleler zentrosymmetrischer Struktur bilden. In dieser Anordnung addieren sich die Dipolmomente destruktiv, so dass die dipolare Eigenschaft des Materials verloren geht. In dieser Arbeit ist es gelungen, Merocyanine {\"u}ber sechsfache Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen zu supramolekularen Strukturen mit großen resultierenden Dipolmomenten zu assoziieren. Diese Komplexe werden in schwach polaren L{\"o}sungsmitteln sogar bei sehr niedrigen Farbstoffkonzentrationen gebildet.},
  subject      = {Merocyanine},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Rupprecht2006,
  author    = {Rupprecht, Daniel},
  title     = {Synthese und Optimierung sequenzselektiver k{\"u}nstlicher Rezeptoren f{\"u}r biologisch relevante Oligopeptide},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-20277},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2006},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Entwicklung von k{\"u}nstlichen Rezeptoren f{\"u}r biologisch relevante Oligopeptide und besteht aus drei Teilen. Im ersten Teil wurde auf der Basis von computergest{\"u}tzten de novo Berechnungen ein k{\"u}nstlicher Rezeptor f{\"u}r den D-Alanin-D-Alanin-C-Terminus entwickelt. Diese Peptidsequenz befindet sich in bakteriellen Zellw{\"a}nden und nimmt eine Schl{\"u}sselfunktion in der Wirkungsweise des Antibiotikums Vancomycin ein. Zur Entwicklung dieses Rezeptors wurde ein Guanidiniocarbonylpyrrol als Bindungsmotiv f{\"u}r Carboxylate mit einer Cyclotribenzylen-Einheit verkn{\"u}pft. Letztere ist entsprechend der theoretischen Berechnungen in der Lage, die Methylreste des Alanins gr{\"o}ßenselektiv durch hydrophobe Wechselwirkungen zu koordinieren. Dieser Rezeptor wurde in umfangreichen Bindungsstudien bez{\"u}glich seiner Affinit{\"a}t in Wasser und seiner Substratselektivit{\"a}t untersucht. Zur Erh{\"o}hung der L{\"o}slichkeit 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 k{\"u}nstlichen Rezeptor f{\"u}r den D-Ala-D-Ala-Terminus darzustellen und umfassend zu charakterisieren. So konnte gezeigt werden, dass ein de novo Design derartiger Rezeptoren prinzipiell m{\"o}glich ist. In einem weiteren Teilprojekt wurde ein k{\"u}nstlicher Rezeptor f{\"u}r 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 (Universit{\"a}t Marburg) durchgef{\"u}hrt. Dazu wurde ein Bindungsmotiv f{\"u}r Alkylguanidine (in der Seitenkette von Arg, R) {\"u}ber einen geeigneten Spacer mit einem Bindungsmotiv f{\"u}r Carboxylate (in der Seitenkette von Asp, D) verkn{\"u}pft. Nach der Synthese und Charakterisierung einer Reihe von vier Rezeptoren konnte die grunds{\"a}tzliche Anwendbarkeit dieses Ansatzes best{\"a}tigt werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass der verwendete Spacer f{\"u}r die Effektivit{\"a}t 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 Tr{\"a}ger immobilisiert. Zu diesem Zweck wurden umfangreiche Studien zur Synthese von Pyrrol-Tricarboxylaten und zur Verwendung verschiedener Schutzgruppen unternommen. Die Eigenschaften von drei Schutzgruppen unterschiedlicher Sensitivit{\"a}t (basisch, stark sauer und photolytisch spaltbar) auf dem Acylguanidin wurden in L{\"o}sung 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 Anwendungsm{\"o}glichkeiten in der kombinatorischen Chemie aber auch in weiteren Teilbereichen wie der Katalyse oder der Chromatographie erm{\"o}glicht werden.},
  subject      = {Oligopeptide},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Bialas2017,
  author    = {Bialas, David},
  title     = {Exciton Coupling in Homo- and Heterostacks of Merocyanine and Perylene Bisimide Dyes},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-152418},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2017},
  abstract  = {In the present thesis it could be demonstrated that strong exciton coupling does not only occur between same type of chromophores but also between chromophores with different excited state energies. The coupling significantly influences the optical absorption properties of the heterostacks comprising merocyanine and perylene bisimide dyes, respectively, and is an indication for coherent energy transfer between the chromophores. In addition, bis(merocyanine)-C60 conjugates have been synthesized, which self-assemble in non-polar solvents resulting in well-defined supramolecular p/n-heterojunctions in solution. These model systems enabled femtosecond transient absorption studies on the photoinduced electron transfer process, which is a key step for the formation of charge carriers in organic solar cells.},
  subject      = {Exziton},
  language  = {de}
}