@phdthesis{Sturm2006,
  author    = {Sturm, Christian},
  title     = {Theoretical Investigation of the Geometrical Arrangements of alpha-alanyl-peptide Nucleic Acid Hexamer Dimers and the Underlying Interstrand Binding Motifs},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-20363},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2006},
  abstract  = {Die Funktionalit{\"a}ten der DNA oder RNA werden haupts{\"a}chlich durch die verschiedenen Wechselwirkungen der paarenden Nucleinbasen bestimmt. Um die komplexen Zusammenh{\"a}nge dieser verschiedenen Wechselwirkungen zu verstehen, werden Modellsysteme ben{\"o}tigt, die weniger Restriktionen durch das R{\"u}ckgrat besitzen. Ein Beispiel f{\"u}r solche Systeme sind Peptidnucleins{\"a}uren (PNA), in denen das Zuckerphosphatr{\"u}ckgrat der DNA oder RNA durch ein Peptidr{\"u}ckgrat ersetzt wird. Diederichsen et al. gelang es, eine große Anzahl solcher Systeme mit einen alpha-Alanyl-R{\"u}ckgrat zu synthetisieren, an das kanonische und nicht-kanonische Nucleins{\"a}uren gebunden sind. Diese Systeme aggregieren in verschiedenen Bindungsmotiven, die nicht in der DNA oder RNA auftauchen. Diese ungew{\"o}hnlichen Paarungsmotive k{\"o}nnten einen tiefen Einblick in das Zusammenspiel der Wechselwirkungen der Nucleinbasen geben, aber die geringen L{\"o}slichkeit der alpha-Alanyl-PNA Oligomere verhinderte eine experimentelle Charakterisierung der geometrischen Anordnung durch R{\"o}ntgenstruktur- oder NMR-Experimente. Lediglich die absolute Stabilit{\"a}t der verschiedenen Aggregate konnte durch Messungen der Schmelztemperatur mit Hilfe der UV-Spektroskopie bestimmt werden. Da die Kenntnis der geometrischen Strukturen sowie der ausgebildeten Bindungsmotive wichtig ist, um einen Einblick in das Zusammenspiel der einzelnen Wechselwirkungen zu erlangen, besteht das Ziel der vorliegenden Arbeit darin, solche Informationen mit der Hilfe von theoretischen Methoden zu erlangen. Zus{\"a}tzlich sind Effekte von Interesse, aus denen sich Trends bez{\"u}glich der Stabilit{\"a}t bestimmen lassen. Solche Untersuchungen sind einfacher zu realisieren als die Berechnung der absoluten Stabilit{\"a}ten, da viele Beitr{\"a}ge zur absoluten Energie f{\"u}r {\"a}hnliche Systeme (entropische und dynamische Effekte) in etwa gleich groß sind. Somit sind diese entropischen und dynamischen Effekte f{\"u}r das Ziel dieser Arbeit weniger wichtig. Zur Untersuchung der Bindungseigenschaften und der Stabilit{\"a}ten von alpha-Alanyl-PNA Oligomeren war es notwendig, bis dato nicht parametrisierte Nucleinbasen in den Parametersatz des Amber4.1 Kraftfelds zu integrieren. Die fehlenden Ladungen wurden durch Berechungen mit dem R.E.D-Programm-Paket ermittelt. Das Programm bestimmt aus dem elektrostatischen Potential einer optimierten Struktur die atomzentrierten Ladungen. Die fehlenden Bindungsparameter wurden der Literatur entnommen. Die Untersuchungen der einzelnen Dimere begannen jeweils mit der Konstruktion der alpha-Alanyl-PNAs f{\"u}r alle m{\"o}glichen Paarungsmodi. Es konnte gezeigt werden, dass bestimmte Paarungsmodi aufgrund der geometrischen Gegebenheiten der Dimere und des R{\"u}ckgrats nicht realisierbar waren. F{\"u}r andere Dimere war ein Aufbau der alpha-Alanyl-PNA-Dimere zwar m{\"o}glich, jedoch zerfielen die Dimere wieder w{\"a}hrend einer ersten Geometrieoptimierung aufgrund der hohen Spannung im R{\"u}ckgrat. Die stabilen Systeme wurden zun{\"a}chst in verschiedenen Molekulardynamik-(MD)-L{\"a}ufen simuliert. Informationen {\"u}ber die Geometrie bei T=0 K wurden durch Geometrieoptimierungen erhalten, die an verschieden Punkten der MD L{\"a}ufe gestartet wurden. Die resultierenden Geometrien aus den verschiedenen Anfangspunkten waren identisch. F{\"u}r die geometrieoptimierten Strukturen wurden f{\"u}r das T=0 K Modell die Wechselwirkungsenergien zwischen den Nucleinbasen und der Einfluss der R{\"u}ckgrats auf die Stabilit{\"a}t der Dimer in zwei separaten Schritten bestimmt. Im ersten Schritt wurde das R{\"u}ckgrat entfernt und die Schnittstellen mit Methylgruppen abges{\"a}ttigt. Die Wechselwirkungsenergie zwischen den Nucleinbasen wurde durch die Differenz der Energien des gesamten Systems und der Summe der Energien der einzelnen Nucleinbasen in der Geometrie des Dimers bestimmt. Aufgrund der durchgef{\"u}hrten Untersuchungen und die sich daraus ergebenen Korrelation der berechneten Stabilisierungsenergien mit der Schmelztemperatur konnte gezeigt werden, dass mit der vorgeschlagenen Methode eine verl{\"a}ssliche Beschreibung der PNA Systeme m{\"o}glich ist. F{\"u}r eine weitere Verbesserung des vorgestellten Modells bedarf es zus{\"a}tzliche R{\"o}ntgenstruktur- oder NMR-Experimente, die zur Strukturaufkl{\"a}rung der alpha-Alanyl-PNA Dimere entscheidend beitragen. Weitere detaillierte Daten {\"u}ber die Enthalpiebeitr{\"a}ge zur absoluten Energie der verschiedenen Komplexe w{\"a}ren sehr hilfreich, um die vorgestellte Methode zu best{\"a}tigen und zu verbessern. Diese Informationen k{\"o}nnten zum einen durch die Auswertung der Form der Schmelzkurve sowie durch Mikrokalorimetrie erhalten werden. F{\"u}r den Fall, dass die Vorhersagen durch die experimentellen Befunde best{\"a}tigt w{\"u}rden, k{\"o}nnte der Ansatz auf verwandte Systeme wie zum Beispiel beta-Alanyl-PNA, DNA oder RNA angewandt werden. Durch diese weiteren Informationen k{\"o}nnte unser Ansatz zus{\"a}tzlich durch die Ber{\"u}cksichtigung von dynamischen und/oder entropischen Effekte erweitert werden.},
  subject      = {Peptid-Nucleins{\"a}uren},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Chen2006,
  author    = {Chen, Zhijian},
  title     = {pi-Stacks Based on Self-Assembled Perylene Bisimides : Structural, Optical, and Electronic Properties},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-19940},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2006},
  abstract  = {As a traditional industrial pigment, perylene bisimide (PBI) dyes have found wide-spread applications. In addition, PBI dyes have been considered as versatile and promising functional materials for organic-based electronic and optic devices, such as transistors and solar cells. For these novel demands, the control of self-organization of this type of dye and the investigation of the relationship between the supramolecular structure and the relevant optical and electronic properties is of great importance. The objective of this thesis focuses on gaining a better understanding of structural and functional properties of pi-stacks based on self-assembling PBIs. Studies include the synthesis and characterization of new functional PBI dyes, their aggregation in solution, in liquid crystalline state and on surfaces, and their fluorescence and charge transport properties. An overview of the formation, thermodynamics and structures of pi-stacks of functional pi- conjugated molecules in solution and in liquid crystalline phases is given in Chapter 2. Chapters 3 and 4 deal with the pi-pi aggregates of new, highly fluorescent PBIs without core-substituents. In Chapter 3, the self-assembly of a PBI with tridodecylphenyl substituents at imide N atoms both in solution and condensed phase has been studied in great detail. In condensed state, the dye exhibits a hexagonal columnar liquid crystalline (LC) phase as confirmed by DSC, OPM and X-ray diffraction analysis. The columnar stacking of this dye has been further confirmed by atomic force microscopy (AFM) where single columns could be well resolved The charge transport properties this dye have been investigated by pulse radiolysis-time resolved microwave conductivity (PR-TRMC) measurements. To shed more light on the nature of the pi-pi interaction of the unsubstituted PBIs, solvent depend aggregation properties have been investigated in Chapter 4. The studies are further extended from core-unsubstituted PBIs to core-substituted ones (Chapter 5 and 6). In Chapter 5, a series of highly soluble and fluorescent core-twisted PBIs that bear the same trialkylphenyl groups at the imide positions but different bay-substituents and were synthesized. These compounds are characterized by distortions of the perylene planes with dihedral angles in the range of 15-37° according to crystallographic data and molecular modeling studies. In contrast to the extended oligomeric aggregates formed for planar unsubstituted PBIs, this family of dyes formed discrete pi-pi-stacked dimers in apolar methylcyclohexane as concentration-dependent UV/Vis measurements and VPO analysis revealed. The Gibbs free energy of dimerization can be correlated with the twist angles of the dyes linearly. In condensed state, several of these PBIs form luminescent rectangular or hexagonal columnar liquid crystalline phases with low isotropization temperatures. The core-twisting effect on semiconducting properties has been examined in Chapter 6. In this chapter, a comparative study of the electrochemical and the charge transport properties of a series of non-substituted and chlorine-functionalized PBIs was performed. While Chapters 3-6 focus on one-component dye systems, Chapter 7 explored the possibility of a supramolecular engineering of co-aggregates formed by hydrogen-bonded 2:1 and 1:1 complex of oligo(p-phenylene vinylene)s (OPVs) and PBIs. Covalently linked donor-acceptor dye arrays have been prepared for comparison. Concentration and temperature-dependent UV/Vis spectroscopy revealed all hydrogen-bonded and covalent systems form well-ordered J-type aggregates in methylcyclohexane. With these hydrogen-bonded OPV-PBI complexes, fibers containing p-type and n-type molecules can be prepared on the nano-scale (1-20 nm). For the 2:1 OPV-PBI hydrogenbonded arrays hierarchically assembled chiral superstructures consisting of left-handed helical pi-pi co-aggregates (CD spectroscopy) of the two dyes that further assemble into right-handed nanometer-scale supercoils in the solid state (AFM study) have been observed. All of these well-defined OPV-PBI assemblies presented here exhibit photoinduced electron transfer on sub-ps timescale, while the electron recombination differs for different systems.Thus, it was suggested that such assemblies of p- and n-type semiconductors might serve as valuable nanoscopic functional units for organic electronics.},
  subject      = {Perylenderivate},
  language  = {en}
}