TY  - JOUR
A1  - Zaho, Huaying
A1  - Ghirlando, Rodolfo
A1  - Alfonso, Carlos
A1  - Arisaka, Fumio
A1  - Attali, Ilan
A1  - Bain, David L.
A1  - Bakhtina, Marina M.
A1  - Becker, Donald F.
A1  - Bedwell, Gregory J.
A1  - Bekdemir, Ahmet
A1  - Besong, Tabot M. D.
A1  - Birck, Catherine
A1  - Brautigam, Chad A.
A1  - Brennerman, William
A1  - Byron, Olwyn
A1  - Bzowska, Agnieszka
A1  - Chaires, Jonathan B.
A1  - Chaton, Catherine T.
A1  - Coelfen, Helmbut
A1  - Connaghan, Keith D.
A1  - Crowley, Kimberly A.
A1  - Curth, Ute
A1  - Daviter, Tina
A1  - Dean, William L.
A1  - Diez, Ana I.
A1  - Ebel, Christine
A1  - Eckert, Debra M.
A1  - Eisele, Leslie E.
A1  - Eisenstein, Edward
A1  - England, Patrick
A1  - Escalante, Carlos
A1  - Fagan, Jeffrey A.
A1  - Fairman, Robert
A1  - Finn, Ron M.
A1  - Fischle, Wolfgang
A1  - Garcia de la Torre, Jose
A1  - Gor, Jayesh
A1  - Gustafsson, Henning
A1  - Hall, Damien
A1  - Harding, Stephen E.
A1  - Hernandez Cifre, Jose G.
A1  - Herr, Andrew B.
A1  - Howell, Elizabeth E.
A1  - Isaac, Richard S.
A1  - Jao, Shu-Chuan
A1  - Jose, Davis
A1  - Kim, Soon-Jong
A1  - Kokona, Bashkim
A1  - Kornblatt, Jack A.
A1  - Kosek, Dalibor
A1  - Krayukhina, Elena
A1  - Krzizike, Daniel
A1  - Kusznir, Eric A.
A1  - Kwon, Hyewon
A1  - Larson, Adam
A1  - Laue, Thomas M.
A1  - Le Roy, Aline
A1  - Leech, Andrew P.
A1  - Lilie, Hauke
A1  - Luger, Karolin
A1  - Luque-Ortega, Juan R.
A1  - Ma, Jia
A1  - May, Carrie A.
A1  - Maynard, Ernest L.
A1  - Modrak-Wojcik, Anna
A1  - Mok, Yee-Foong
A1  - Mücke, Norbert
A1  - Nagel-Steger, Luitgard
A1  - Narlikar, Geeta J.
A1  - Noda, Masanori
A1  - Nourse, Amanda
A1  - Obsil, Thomas
A1  - Park, Chad K
A1  - Park, Jin-Ku
A1  - Pawelek, Peter D.
A1  - Perdue, Erby E.
A1  - Perkins, Stephen J.
A1  - Perugini, Matthew A.
A1  - Peterson, Craig L.
A1  - Peverelli, Martin G.
A1  - Piszczek, Grzegorz
A1  - Prag, Gali
A1  - Prevelige, Peter E.
A1  - Raynal, Bertrand D. E.
A1  - Rezabkova, Lenka
A1  - Richter, Klaus
A1  - Ringel, Alison E.
A1  - Rosenberg, Rose
A1  - Rowe, Arthur J.
A1  - Rufer, Arne C.
A1  - Scott, David J.
A1  - Seravalli, Javier G.
A1  - Solovyova, Alexandra S.
A1  - Song, Renjie
A1  - Staunton, David
A1  - Stoddard, Caitlin
A1  - Stott, Katherine
A1  - Strauss, Holder M.
A1  - Streicher, Werner W.
A1  - Sumida, John P.
A1  - Swygert, Sarah G.
A1  - Szczepanowski, Roman H.
A1  - Tessmer, Ingrid
A1  - Toth, Ronald T.
A1  - Tripathy, Ashutosh
A1  - Uchiyama, Susumu
A1  - Uebel, Stephan F. W.
A1  - Unzai, Satoru
A1  - Gruber, Anna Vitlin
A1  - von Hippel, Peter H.
A1  - Wandrey, Christine
A1  - Wang, Szu-Huan
A1  - Weitzel, Steven E
A1  - Wielgus-Kutrowska, Beata
A1  - Wolberger, Cynthia
A1  - Wolff, Martin
A1  - Wright, Edward
A1  - Wu, Yu-Sung
A1  - Wubben, Jacinta M.
A1  - Schuck, Peter
T1  - A Multilaboratory Comparison of Calibration Accuracy and the Performance of External References in Analytical Ultracentrifugation
JF  - PLoS ONE
N2  - Analytical ultracentrifugation (AUC) is a first principles based method to determine absolute sedimentation coefficients and buoyant molar masses of macromolecules and their complexes, reporting on their size and shape in free solution. The purpose of this multi-laboratory study was to establish the precision and accuracy of basic data dimensions in AUC and validate previously proposed calibration techniques. Three kits of AUC cell assemblies containing radial and temperature calibration tools and a bovine serum albumin (BSA) reference sample were shared among 67 laboratories, generating 129 comprehensive data sets. These allowed for an assessment of many parameters of instrument performance, including accuracy of the reported scan time after the start of centrifugation, the accuracy of the temperature calibration, and the accuracy of the radial magnification. The range of sedimentation coefficients obtained for BSA monomer in different instruments and using different optical systems was from 3.655 S to 4.949 S, with a mean and standard deviation of (4.304\(\pm\)0.188) S (4.4%). After the combined application of correction factors derived from the external calibration references for elapsed time, scan velocity, temperature, and radial magnification, the range of s-values was reduced 7-fold with a mean of 4.325 S and a 6-fold reduced standard deviation of \(\pm\)0.030 S (0.7%). In addition, the large data set provided an opportunity to determine the instrument-to-instrument variation of the absolute radial positions reported in the scan files, the precision of photometric or refractometric signal magnitudes, and the precision of the calculated apparent molar mass of BSA monomer and the fraction of BSA dimers. These results highlight the necessity and effectiveness of independent calibration of basic AUC data dimensions for reliable quantitative studies.
KW  - fluorescence-detected sedimentation
KW  - size exclusion chromatography
KW  - field flow fractionation
KW  - spinco ultracentrifuge
KW  - aggregation
KW  - bead models
KW  - velocity
KW  - hydrodynamics
KW  - biopharmaceuticals
KW  - proteins
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-151903
VL  - 10
IS  - 5
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Shityakov, Sergey
A1  - Salvador, Ellaine
A1  - Pastorin, Giorgia
A1  - Förster, Carola
T1  - Blood-brain barrier transport studies, aggregation, and molecular dynamics simulation of multiwalled carbon nanotube functionalized with fluorescein isothiocyanate
JF  - International Journal of Nanomedicine
N2  - In this study, the ability of a multiwalled carbon nanotube functionalized with fluorescein isothiocyanate (MWCNT-FITC) was assessed as a prospective central nervous system-targeting drug delivery system to permeate the blood-brain barrier. The results indicated that the MWCNT-FITC conjugate is able to penetrate microvascular cerebral endothelial monolayers; its concentrations in the Transwell® system were fully equilibrated after 48 hours. Cell viability test, together with phase-contrast and fluorescence microscopies, did not detect any signs of MWCNT-FITC toxicity on the cerebral endothelial cells. These microscopic techniques also revealed presumably the intracellular localization of fluorescent MWCNT-FITCs apart from their massive nonfluorescent accumulation on the cellular surface due to nanotube lipophilic properties. In addition, the 1,000 ps molecular dynamics simulation in vacuo discovered the phenomenon of carbon nanotube aggregation driven by van der Waals forces via MWCN-TFITC rapid dissociation as an intermediate phase.
KW  - endothelial cells
KW  - cytotoxicity
KW  - blood-brain barrier
KW  - fluorescein isothiocyanate
KW  - aggregation
KW  - molecular dynamics
KW  - fluorescence microscopy
KW  - Transwell® system
KW  - multiwalled carbon nanotube
KW  - mice
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-149233
VL  - 10
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Schulz, Alexander
A1  - Würthner, Frank
T1  - Folding-induced fluorescence enhancement in a series of merocyanine hetero-folda-trimers
JF  - Angewandte Chemie International Edition
N2  - Many dyes suffer from fast non-radiative decay pathways, thereby showing only short-lived excited states and weak photoluminescence. Here we show a pronounced fluorescence enhancement for a weakly fluorescent merocyanine (MC) dye by being co-facially stacked to other dyes in hetero-folda-trimer architectures. By means of fluorescence spectroscopy (lifetime, quantum yield) the fluorescence enhancement was explained by the rigidification of the emitting chromophore in the defined foldamer architecture and the presence of a non-forbidden lowest exciton state in H-coupled hetero-aggregates. This folding-induced fluorescence enhancement (FIFE) for specific sequences of π-stacked dyes points at a viable strategy toward improved fluorophores that relates to the approach used by nature in the green fluorescent protein (GFP).
KW  - organic chemistry
KW  - merocyanines
KW  - aggregation
KW  - dyes/pigments
KW  - fluorescence
KW  - folding
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-256582
VL  - 61
IS  - 2
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Renner, Rebecca
A1  - Stolte, Matthias
A1  - Würthner, Frank
T1  - Self-Assembly of bowl-shaped naphthalimide-annulated
corannulene
JF  - ChemistryOpen
N2  - The self-assembly of a bowl-shaped naphthalimide-annulated corannulene of high solubility has been studied in a variety of solvents by NMR and UV/Vis spectroscopy. Evaluation by the anti-cooperative K\(_2\)-K model revealed the formation of supramolecular dimers of outstanding thermodynamic stability. Further structural proof for the almost exclusive formation of dimers over extended aggregates is demonstrated by atomic force microscopy (AFM) and diffusion ordered spectroscopy (DOSY) measurements as well as by theoretical calculations. Thus, herein we present the first report of a supramolecular dimer of an annulated corannulene derivative in solution and discuss its extraordinarily high thermodynamic stability with association constants up to > 10\(^6\)M\(^-\) \(^1\) in methylcyclohexane, which is comparable to the association constants given for planar phthalocyanine and perylene bisimide dyes.
KW  - corannulene
KW  - π-π-interactions
KW  - aelf-assembly
KW  - aggregation
KW  - supramolecular chemistry
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-204396
VL  - 9
IS  - 1
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Menekse, Kaan
A1  - Renner, Rebecca
A1  - Mahlmeister, Bernhard
A1  - Stolte, Matthias
A1  - Würthner, Frank
T1  - Bowl-shaped naphthalimide-annulated corannulene as nonfullerene acceptor in organic solar cells
JF  - Organic Materials
N2  - An electron-poor bowl-shaped naphthalimide-annulated corannulene with branched alkyl residues in the imide position was synthesized by a palladium-catalyzed cross-coupling annulation sequence. This dipolar compound exhibits strong absorption in the visible range along with a low-lying LUMO level at –3.85 eV, enabling n-type charge transport in organic thin-film transistors. Furthermore, we processed inverted bulk-heterojunction solar cells in combination with the two donor polymers PCE–10 and PM6 to achieve open-circuit voltages up to 1.04 V. By using a blend of the self-assembled naphthalimide-annulated corannulene and PCE–10, we were able to obtain a power conversion efficiency of up to 2.1%, which is to the best of our knowledge the highest reported value for a corannulene-based organic solar cell to date.
KW  - Chemie
KW  - corannulene
KW  - nonfullerene acceptors
KW  - curved π-systems
KW  - bulk-heterojunction solar cells
KW  - aggregation
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-299095
UR  - https://www.thieme-connect.com/products/ejournals/html/10.1055/s-0040-1714283
SN  - 2625-1825
VL  - 2
IS  - 3
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kümmel, Reiner
A1  - Lindenberger, Dietmar
T1  - Energy in Growth Accounting and the Aggregation of Capital and Output
JF  - Biophysical Economics and Sustainability
N2  - We review the physical aggregation of value added and capital in terms of work performance and information processing and its relation to the deflated monetary time series of output and capital. In growth accounting it complements the time series of labor and energy, measured in hours worked per year and kilowatt-hours consumed per year, respectively. This aggregation is the conceptual basis on which those energy-dependent production functions have been constructed that reproduce economic growth of major industrial countries in the 20th century with small residuals and output elasticities that are for energy much larger and for labor much smaller than the cost shares of these factors. Accounting for growth in such a way, which deviates from that of mainstream economics, may serve as a first step towards integrating the First and the Second Law of Thermodynamics into economics.
KW  - aggregation
KW  - cost-share theorem
KW  - economic growth
KW  - energy
KW  - entropy
KW  - output elasicities
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-241135
VL  - 5
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gershberg, Jana
T1  - Self-assembled Perylene Bisimide Dimers and their Interaction with Double-stranded DNA
T1  - Selbst-assemblierte Perylenbisimid-Dimere und ihre Wechselwirkung mit DNA
N2  - The self-assembly of molecules based on π-π-interactions and hydrogen bonding is of significant importance in nature. These processes enable the formation of complex supramolecular structures with diverse functions. For the transfer of the concepts from nature to artificial supramolecular structures, a basic understanding of those processes is needed. For this purpose, π-conjugated aromatic molecules with an easy synthetic access are suitable as their functionalities can be changed effortless. Perylene bisimide (PBIs) dyes are attractive candidates since they fulfill these requirements owing to their tendency to self-assemble in solution due to their large aromatic π-surfaces. Furthermore, the changes of the optical properties (for instance absorption, emission or circular dichroism) of PBI dyes, caused by their self-assembly, are easy to study experimentally. Structural variations of PBI dyes including additional non-covalent interactions, such as hydro-gen bonding, enable to direct their self-assembly process. Thus, the formation of interesting su-pramolecular structures of PBI dyes could be realized, although, often of undefined size. The aim of this thesis was to develop strategies to restrict the aggregate size of PBI dyes. Therefore, de-fined structural features of PBI molecules were combined and a variation of external influences such as solvent and concentration included. Furthermore, DNA was utilized as a template for the limitation of the aggregate size of PBI dyes.
Chapters 1 and 2 provide general information and describe examples from literature which are necessary to understand the following experimental work. The first chapter is based on the inter-actions of various molecules with DNA. Therefore, DNA is considered as a supramolecular biom-acromolecule containing specific structural and functional features to interact with small mole-cules. Afterwards, the main interaction modes of small molecules with DNA such as electrostatic interaction, intercalation and groove binding with corresponding examples are discussed. Among all techniques applied to study the interaction of ligands with DNA, UV/Vis absorption, fluores-cence and circular dichroism spectroscopy were described in detail. At the end of this chapter, examples of already pre-associated systems showing interactions with DNA are presented. 
The second chapter is focused on the determination and mathematic evaluation of the self-assembly processes. The simplest models such as monomer-dimer and isodesmic model are de-scribed and supplemented by examples. Furthermore, the simplest modification of the isodesmic model, the K2-K model, is presented. Additionally, experimental problems, which may arise dur-ing the investigations of the self-assembly processes, are addressed. For the description of the entire self-assembly process, a sufficiently large concentration range and an appropriate measure-ment method that is sensitive in this concentration range is necessary. Furthermore, the full transi-tion from the monomeric to the aggregated species has to be spectroscopically ascertainable. This enables an accurate mathematic evaluation of the self-assembly process and provides meaningful binding constants. The self-assembly pathway can be controlled by the variation of solvent, con-centration or temperature. However, this pathway can also be directed by a rational design of the molecular structure of the considered system. For example, a specific interplay of π-π-interactions and hydrogen bonding may promote isodesmic as well as cooperative growth into large struc-tures. 
The main focus of this thesis is to develop strategies to control the aggregate size of PBI dyes (Chapter 3). For this purpose, a PBI scaffold was designed which contains hydrogen bonding amide functions at the imide positions derived from the amino acid L-alanine and solubilizing side groups in the periphery (Figure 81). The variations of the residues R/R’ range from didodecylox-yphenyl, didodecylphenyl, dioligo(ethylene glycol)phenyl to branched and linear alkyl chains.
The most extensive study of the aggregation behavior was performed for the PBI dye 5. Concen-tration-dependent 1H NMR and UV/Vis absorption measurements clearly revealed the formation of dimers in chloroform. Further investigations by means of 2D NMR, VPO and ITC confirmed the exclusive presence of dimer aggregates of PBI 5 in the investigated concentration range. Mo-lecular modelling studies, supported by NMR and FT-IR experiments, provided structural reasons for the absence of further growth into larger aggregates. The specific combination of π-π interac-tions and hydrogen bonds between the NH groups of the amide groups and the carbonyl oxygen atoms of the PBI core are decisive for the formation of the discrete dimer stack (see Figure 82). The investigations of the aggregation behavior of PBIs 6-9 were less extensive but consistent with the results obtained for PBI 5. However, the determined binding constants vary over a considera-ble range of 1.1 x 102 M-1 (PBI 8) to 1.4 x 104 M-1 (PBI 5). These differences could be attributed to structural variations of the dyes. The electron-rich phenyl substituent promoted the aggregation tendency of PBIs 5-7 compared with 8 and 9 that carry only alkyl side chains. Thus, the π-π in-teractions of bay-unsubstituted PBI cores in combination with hydrogen bonding of the amide functions control the formation of discrete dimers of these PBI dyes.
The variation of conditions, such as solvent, change the aggregation behavior of PBI dyes. In the solvents toluene and/or methylcyclohexane, anti-cooperative growth into larger aggregates of PBI 5 was observed (Chapter 4). The important feature of this self-assembly process is the absence of isosbestic points over the whole concentration range in the UV/Vis absorption measurements. The preference for the dimeric species of PBI 5 remained in both solvents as well as in mixtures of them, but upon increasing the concentration these dimers self-assemble into larger aggregates. 
An important feature of the self-assembly process is the preferred formation of even-numbered aggregates compared to the odd-numbered ones (see Figure 83). Although, the conventional K2-K model provides plausible binding constants, it is not capable to describe the aggregation behavior adequately, since it considers a continuous size distribution. The gradual aggregation process over dimers, tetramers, hexamers, etc. was therefore analyzed with a newly developed K2-K model for anti-cooperative supramolecular polymerization. By the global analysis of the UV/Vis absorption spectra a very good agreement between the experimental and simulated spectra, which were based on the new K2-K model, was obtained. Furthermore, the calculated UV/Vis absorption spectra of a dimer and an aggregate highlighted the most important structural differences. The absorption spectrum of the dimer still has a pronounced vibronic structure which gets lost in the spectrum of the aggregate.
In another part of this work, a series of water soluble PBI dyes were described which contain similar PBI scaffolds as PBIs 5-8 (Chapter 5). These PBI dyes self-assemble into similar dimer aggregates in water due to their positively charged side chains causing electrostatic repulsion be-tween the molecules (see Figure 84). Here, however, the self-assembly behavior has not been studied thoroughly in water due to the similarities of already reported PBI dyes. 
Instead, the focus here is on the characterization of the interactions of these dyes with DNA/RNA. The comprehensive studies using thermal denaturation experiments showed the high stability of these PBI/polynucleotide complexes. The spermine-functionalized PBI dyes having six positive charges showed strong interactions with DNA/RNA which was expressed in a signif-icant increase of the melting temperatures of DNA/RNA (ΔTm values between 7 and > 35 ° C). The dioxa analogues containing only two positive charges had lower enhancement of the melting temperature of DNA/RNA (ΔTm values between 3 and 30 ° C). A similar trend has been observed in the fluorimetric titrations. The spermine-functionalized PBI dyes showed high binding con-stants (log Ks = 9.2 - 9.8), independently of the used polynucleotides. In contrast, the dioxa ana-logues displayed smaller binding constants (log Ks = 6.5 - 7.9) without any correlation between binding affinity and binding strength of the PBI dyes and the applied polynucleotides. The CD-spectroscopic measurements revealed significant differences in the binding properties of the dyes with DNA/RNA. They were dependent on the steric hindrance of the amino acid residues at the imide position and their configuration on one side and the grooves properties of ds-DNA/RNA on the other side. The spectroscopic results confirmed the formation of excitonically coupled PBI dimers in the minor groove of ds-DNA and the major groove of ds-RNA. Depending on the se-quence, the grooves of the polynucleotides provide different amount of space for embedding molecules. The guanine amino groups protrude into the minor groove of the polynucleotide poly(dG-dC)2 increasing the steric hindrance, which is not the case for poly(dA-dT)2. Molecular modeling studies showed that the PBI dimers penetrate deeper into the groove of poly(dA-dT)2 due to the absence of the steric hindrance, in comparison to the groove of poly(dG-dC)2 (see Figure 85).
N2  - Die Selbstassemblierung von Molekülen, die auf π-π-Wechselwirkungen und Wasenstoffbrücken-bindungen basiert, ist von entscheidender Bedeutung in der Natur. Selbstassemblierungsprozesse ermöglichen den Aufbau von komplexen supramolekularen Strukturen mit vielfältigen Funktio-nen. Um Konzepte aus der Natur für künstliche supramolekulare Systeme nutzen zu können, müs-sen die wesentlichen Abläufe der Selbstassemblierungsprozesse verstanden werden. Dazu eignen sich π-konjugierte aromatische Moleküle, die einen relativ einfachen synthetischen Zugang bieten und vielfältig funktionalisiert werden können. Perylenbisimid-Farbstoffe (PBI) stellen für diesen Zweck eine attraktive Substanzklasse dar, da sie aufgrund von großen aromatischen π-Flächen zur Selbstassemblierung tendieren. Zusätzlich können durch die Selbstassemblierung einhergehenden Änderungen der optischen Eigenschaften (beispielsweise Absorption, Emission oder Circulardich-roismus) von PBI-Farbstoffen einfach experimentell studiert werden. Die vielen strukturellen Va-riationsmöglichkeiten von PBI-Farbstoffen erlauben das Einbeziehen von weiteren nichtkovalen-ten Wechselwirkungen zwischen den Molekülen, beispielsweise Wasserstoffbrückenbindungen, sodass der Selbstassemblierungsprozess dirigiert werden kann. Mit diesem Ansatz gelang es bis-her interessante supramolekulare Strukturen von PBI-Farbstoffen aufzubauen, allerdings waren diese oft von undefinierter Größe. Daher war das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung von Kon-zepten um die Aggregatgröße von PBI-Farbstoffen zu begrenzen. Hierzu wurden definierte Strukturmerkmale von PBI Molekülen kombiniert, der äußere Einfluss wie Lösungsmittel und Konzentration variiert und DNA als Templat für die größenlimitierte Aggregatstruktur der PBI-Farbstoffe eingesetzt.
Die Kapitel 1 und 2 geben allgemeine Informationen und diskutieren Beispiele aus der Literatur, die nötig sind, um die nachfolgend diskutierten experimentellen Arbeiten zu verstehen. Das erste Kapitel diskutiert die Wechselwirkungen verschiedener Molekülen mit DNA. Hierbei wird DNA als ein supramolekulares Biomakromolekül betrachtet und seine spezifischen strukturellen und funktionalen Eigenschaften beschrieben, die für die Interaktionen mit kleinen Molekülen aus-schlaggebend sind. Die wichtigsten Interaktionsformen wie elektrostatische Wechselwirkungen mit dem Phosphatrückgrat, Interkalation durch π-π-Wechselwirkungen mit den Basenpaaren und Furchenbindung durch Wasserstoffbrückenbindungen und van der Waals-Wechselwirkungen werden anhand ausgewählter Beispiele diskutiert. Von der Vielzahl möglicher Techniken, die angewendet werden, um Wechselwirkungen zwischen Liganden und DNA zu untersuchen, wer-den UV/Vis-, Fluoreszenz- und Circulardichroismus-Spektroskopie in Detail erläutert. Am Ende des Kapitels werden Beispiele von Wechselwirkungen von bereits prä-assoziierten supramolekula-ren Systemen mit DNA vorgestellt. 
Das zweite Kapitel beschäftigt sich mit der Bestimmung und mathematischen Beschreibung von Selbstassemblierungsprozessen. Die einfachsten Modelle, wie das Monomer-Dimer und das iso-desmische Modell, werden beschrieben und mit Beispielen ergänzt. Des Weiteren wird die ein-fachste Modifikation des isodesmischen Modells, das K2-K Modell vorgestellt. Anschließend wird auf experimentelle Probleme eingegangen, die bei der Untersuchung von Selbstassemblie-rungsprozessen auftreten können. Um den Assemblierungsprozess vollständig beschreiben zu können, wird ein ausreichend großer Konzentrationsbereich und eine entsprechende Messtechnik, die für diesen Konzentrationsbereich empfindlich genug ist, benötigt. Des Weiteren sollte der vollständige Übergang vom Monomer zum assemblierten System spektroskopisch erfassbar sein. Dies ermöglicht eine akkurate mathematische Auswertung des Selbstassemblierungsprozesses und liefert sinnvolle Bindungskonstanten. Der Selbstassemblierungspfad kann oft durch Variation des Lösungsmittels, Konzentration und Temperatur kontrolliert werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, den Selbstassemblierungspfad mit Hilfe eines spezifischen Designs der molekularen Struktur von dem untersuchten System zu dirigieren. Es konnte gezeigt werden, dass ein beson-deres Zusammenspiel von π-π-Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen sowohl zum isodesmischen als auch kooperativen Wachstum von großen Strukturen führen kann.
Der Hauptfokus dieser Arbeit liegt in der Entwicklung von Strategien für die Kontrolle der Aggregatgröße von PBI Farbstoffen. (Kapitel 3). Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein PBI Gerüst entworfen, das Amidfunktionen in den Imidpositionen für die Ausbildung von Wasser-stoffbrückenbindungen enthält, die von der Aminosäure L-Alanin abgeleitet wurden. Zusätzlich wurden in der Peripherie des Farbstoffgerüsts jeweils löslichkeitsfördernde Seitengruppen R/R‘ wie Didodecyloxyphenyl, Didodecylphenyl, Dioligo(ethyleneglykol)phenyl sowie verzweigte oder lineare Alkylketten eingeführt (siehe Abbildung 81). Der PBI-Farbstoff 5 wurde ausführlich im Hinblick auf sein Aggregationsverhalten untersucht. Konzentrationsabhängige 1H NMR- und UV/Vis Absorptionsmessungen haben klar gezeigt, dass im Lösungsmittel Chloroform dimere Strukturen ausgebildet werden.
Begleitende Untersuchungen (2D NMR, VPO und ITC) bestätigten die ausschließliche Präsenz von Dimeren von 5 im experimentell zugänglichen Konzentrationsbereich. Molekulare Modellie-rungs-Studien, die durch NMR und FT-IR Untersuchungen unterstützt werden, illustrieren sehr gut die Ursachen für das Ausbleiben einer weiteren Aggregation zu größeren Strukturen. Die be-sondere Kombination aus den π-π-Wechselwirkungen und den Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den NH-Gruppen der Amidfunktionen und den Carbonylsauerstoffen des PBI-Kerns sind demzufolge entscheidend für die Bildung des diskreten Dimer-Stapels (siehe Abbildung 82). 
Die Untersuchungen zum Aggregationsverhalten der PBI-Farbstoffe 6-9 waren weniger ausführ-lich, stehen aber im Einklang mit den für PBI 5 gefundenen Ergebnissen. Die ermittelten Bin-dungskonstanten variieren jedoch über einen beachtlichen Bereich von 1.1 x 102 M-1 (PBI 8) bis 1.4 x 104 M-1 (PBI 5). Diese Unterschiede konnten auf strukturelle Variationen der Farbstoffe zurückgeführt werden. Der elektronenreiche Phenylsubstituent förderte die Assemblierungsten-denz von PBIs 5-7 im Vergleich zu 8 und 9, die nur Alkylseitenkennten tragen. Die π-π-Wechselwirkungen der in den Buchpositionen unsubstituierten PBI-Kerne in Kombination mit wasserstoffbrückenbildenden Amidfunktionen steuern somit die Ausbildung diskreter Dimere dieser PBI-Farbstoffe. 
Durch die Variation der Bedingungen, beispielsweise des Lösungsmittels, ändert sich das Aggre-gationsverhalten der PBI-Farbstoffe. In den Lösungsmitteln Toluol und/oder Methylcyclohexan wurde für das PBI 5 anti-kooperatives Wachstum zu größeren Aggregaten beobachtet (Kapitel 4). Das entscheidende Merkmal dieses Selbstassemblierungsprozesses ist das Fehlen von isosbesti-schen Punkten über den kompletten Konzentrationsbereich in den UV/Vis Absorptionsmessun-gen. Die Bevorzugung der dimeren Struktur von PBI 5 blieb in beiden Lösungsmitteln bzw. de-ren Mischungen erhalten, allerdings assemblierten diese Dimere durch den Anstieg der Konzent-ration in größere Aggregate. Ein wichtiger Schritt im Selbstassemblierungsprozesses ist die bevor-zugte Bildung von geradzahligen Aggregaten gegenüber den ungeradzahligen Aggregaten (siehe Abbildung 83). 
Das konventionelle K2-K Modell liefert zwar plausible Bindungskonstanten, kann dieses Aggre-gationsverhalten aber nur ungenügend beschreiben, da hier von kontinuierlicher Größenverteilung ausgegangen wird. Der schrittweise Aggregationsprozess über Dimere, Tetramere, Hexamere usw. wurde daher im Folgenden mit einem neu entwickelten K2-K-Modell für anti-kooperatives supra-molekulares Wachstum analysiert. Durch die globale Analyse von UV/Vis Absorptionsspektren konnte eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen und den auf das neue K2-K Modell basierenden, simulierten Spektren erhalten werden. Des Weiteren zeigten berechnete UV/Vis Absorptionsspektren eines Dimer- und Aggregatspektrums die wichtigsten strukturellen Unterschiede. Das Absorptionsspektrum des Dimers weist immer noch eine ausgeprägte vibroni-sche Struktur auf, welche im Spektrum des Aggregats verloren geht.
In einem weiteren Teil dieser Arbeit wird eine Serie von wasserlöslichen PBI-Farbstoffen be-schrieben, die ein ähnliches durch Aminosäuren funktionalisiertes PBI-Gerüst wie PBIs 5-8 auf-weisen (Kapitel 5). Aufgrund der positiv geladenen Seitenketten, die für die elektrostatische Ab-stoßung zwischen den Molekülen sorgen, aggregieren diese Farbstoffe in Wasser zu ähnlichen Dimerstrukturen (siehe Abbildung 84). Hier wurde allerdings das Selbstassemblierungsverhalten in Wasser aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit zu bereits publizierten PBI-Farbstoffen nicht eingehend untersucht.
Stattdessen lag der Fokus hier auf der Charakterisierung der Wechselwirkungen dieser Farbstoffe mit DNA/RNA. Die umfassenden Studien mit Hilfe von thermischen Denaturierungsstudien zeigten eine hohe Stabilität der PBI/Polynukleotid-Komplexe. Die Spermin-funktionalisierten PBI-Farbstoffe, welche sechs positive Ladungen aufweisen, zeigten starke Wechselwirkungen mit DNA/RNA, was sich durch deutliche Schmelzpunkterhöhung der DNA/RNA (ΔTm-Werte zwischen 7 und > 35 °C) äußerte. Die analogen Dioxa-Verbindungen mit nur zwei positiven La-dungen wiesen geringere Schmelztemperaturerhöhungen der jeweiligen DNA/RNA (ΔTm-Werte zwischen 3 und 30 °C) auf. Dieser Trend wurde auch in den fluorimetrischen Titrationsstudien beobachtet. Die Spermin-funktionalisierten PBI-Farbstoffe zeigten hohe Bindungskostanten (log Ks = 9.2 – 9.8), unabhängig von den verwendeten Polynukleotiden. Im Gegensatz dazu wie-sen die Dioxa-Analoge kleinere Bindungskonstanten (log Ks = 6.5 – 7.9) auf, wobei kein Zusam-menhang zwischen Bindungsaffinität und Bindungsstärke zwischen den PBI-Molekülen und den verwendeten Polynukleotiden hergestellt werden konnte. Die CD-spektroskopischen Messungen verdeutlichten die signifikanten Unterschiede in den Bindungseigenschaften der Farbstoffe mit DNA/RNA. Entscheidend waren die sterische Hinderung der Aminosäurereste in den Imidposi-tion und deren Konfiguration auf der einen Seite und die Furcheneigenschaften von ds-DNA/RNA auf der anderen Seite. Die spektroskopischen Ergebnisse belegten die Bildung von exzitonisch gekoppelten PBI-Dimeren in der kleinen Furche von ds-DNA und der großen Furche von ds-RNA. Die Furchen der Polynukleotide bieten unterschiedlich viel Raum für das Einbetten von Molekülen, was von der jeweiligen Sequenz abhängt. Die Guanin-Aminogruppen ragen in die kleine Furche des Polynukleotids poly(dG-dC)2, wodurch die sterische Hinderung im Vergleich mit dem Polynukleotid poly(dA-dT)2 zunimmt. Molekulare Modellierungsstudien belegten, dass die PBI-Dimere tiefer in die Furche von poly(dA-dT)2, als in die Furche von poly(dG-dC)2 einge-schlossen werden, was auf die eben genannte sterische Hinderung zurückgeführt werden kann (siehe Abbildung 85).
KW  - Perylentetracarbonsäurederivate
KW  - Perylene bisimide
KW  - Aggregat <Chemie>
KW  - Dimer-Konfiguration
KW  - DNS
KW  - aggregation
KW  - dimer
KW  - DNA
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-136725
ER  -