TY  - THES
A1  - Wagner, Wolfgang
T1  - Supramolecular Block Copolymers by Seeded Living Supramolecular Polymerization of Perylene Bisimides
T1  - Supramolekulare Blockcopolymere von Perylenbisimiden mittels saat-induzierter lebender supramolekularer Polymerisation
N2  - The research on supramolecular polymerization has undergone a rapid development in the last two decades, particularly since supramolecular polymers exhibit a broad variety of functionalities and applications in organic electronics, biological science or as functional materials (Chapter 2.1). Although former studies have focused on investigation of the thermodynamics of supramolecular polymerization (Chapter 2.2), the academic interest in the recent years shifted towards gaining insight into kinetically controlled self-assembly and pathway complexity to generate novel out-of-equilibrium architectures with interesting nanostructures and features (Chapter 2.3). Along this path, the concepts of seeded and living supramolecular polymerization were recently developed to enable the formation of supramolecular polymers with controlled length and low polydispersity under precise kinetic control (Chapter 2.4). Besides that, novel strategies were developed to achieve supramolecular copolymerization resulting in complex multicomponent nanostructures with different structural motives. The classification of these supramolecular copolymers on the basis of literature examples and an overview of previously reported principles to create such supramolecular architectures are provided in Chapter 2.5.
The aim of the thesis was the non-covalent synthesis of highly desirable supramolecular block copolymers by the approach of living seeded supramolecular polymerization and to study the impact of the molecular shape of the monomeric building blocks on the supramolecular copolymerization. Based on the structure of the previously investigated PBI organogelator H-PBI a series of novel PBIs, bearing identical hydrogen-bonding amide side-groups in imide-position and various kind or number of substituents in bay-position, was synthesized and analyzed within this thesis. The new PBIs were successfully obtained in three steps starting from the respective bromo-substituted perylene-3,4:9,10-tetracarboxylic acid tetrabutylesters or from the N,N’-dicyclohexyl-1,7-dibromoperylene-3,4:9,10-tetracarboxylic acid bisimide. All target compounds were obtained in the final step by imidization reactions of the respective perylene tetracarboxylic acid bisanhydride precursors with N-(2-aminoethyl)-3,4,5-tris(dodecyloxy)-benzamide and were fully characterized by 1H and 13C NMR spectroscopy as well as high resolution mass spectrometry.
The variation of bay-substituents strongly changes the optical properties of the monomeric PBIs which were investigated by UV/vis and fluorescence spectroscopy. The increase of the number of the methoxy-substituents provokes, for example, a red-shift of the absorption maxima concomitant with a decrease of extinction coefficients and leads to a drastic increase of the fluorescence quantum yields. Furthermore, the molecular geometry of the PBIs is also affected by variations of the bay-substituents. Thus, increasing the steric demand of the bay-substituents leads to an enlargement of the twist angles of the PBI cores as revealed by DFT calculations.
Especially the 1,7-dimethoxy bay-substituted MeO-PBI proved to be very well-suited for the studies envisioned within this thesis. The self-assembly of this PBI derivative was analyzed in detail by UV/vis, fluorescence and FT-IR spectroscopy as well as atomic force microscopy (Chapter 3). These studies revealed that MeO-PBI forms in a solvent mixture of methylcyclohexane and toluene (2:1, v/v) kinetically trapped off-pathway H-aggregated nanoparticles upon fast cooling of a monomeric solution from 90 to 20 °C. However, upon slow cooling of the monomer solution fluorescent J-type nanofibers are formed by π π interactions and intermolecular hydrogen-bonding.
The kinetically metastable off-pathway H-aggregates can be transformed into the thermodynamically more favored J-type aggregates by addition of seeds, which are produced by ultrasonication of the polymeric nanofibers. Interestingly, the living character of this seed-induced supramolecular polymerization process was proven by a newly designed multicycle polymerization experimental protocol. This living polymerization experiment clearly proves, that the polymerization can only occur at the “active” ends of the polymeric seed and that almost no recombination or chain termination processes are present. Hence, the approach of living supramolecular polymerization enables the formation of supramolecular polymers with controlled length and narrow polydispersity.
In Chapter 4 the copolymerization of MeO-PBI with the structurally similar 1,7-dichloro (Cl-PBI) and 1,7-dimethylthio (MeS-PBI) bay-substituted PBIs is studied in detail. Both PBIs form analogous to MeO-PBI kinetically trapped off-pathway aggregates, which can be converted into the thermodynamically stable supramolecular polymers by seed-induced living supramolecular polymerization under precise kinetic control. However, the stability of the kinetically trapped aggregates of Cl-PBI and MeS-PBI is distinctly reduced compared to that of MeO-PBI, because the π-π-interactions of the kinetically metastable aggregates are hampered through the increased twisting of the PBI-cores of the former PBIs. UV/vis studies revealed that the two-component seeded copolymerization of the kinetically trapped state of MeO-PBI with seeds of Cl-PBI leads to the formation of unprecedented supramolecular block copolymers with A-B-A pattern by a living supramolecular polymerization process at the termini of the seeds. Remarkably, the resulting A-B-A block pattern of the obtained copolymers was clearly confirmed by atomic force microscopy studies as the respective blocks formed by the individual monomeric units could be distinguished by the pitches of the helical nanofibers.
Moreover, detailed UV/vis and AFM studies have shown that by inverted two-component seed-induced polymerization, e.g., upon addition of seeds of MeO-PBI to the kinetically trapped aggregates of Cl-PBI, triblock supramolecular copolymers with B-A-B pattern can be generated. The switching of the block pattern could only be achieved because of the perfectly matching conditions for the copolymerization process and the tailored molecular geometry of the individual building blocks of both PBIs. These studies have demonstrated for the first time, that the block pattern of a supramolecular copolymer can be modulated by the experimental protocol through the approach of living supramolecular polymerization. Furthermore, by UV/vis analysis of the living copolymerization of MeO-PBI and MeS-PBI similar results were obtained showing also the formation of both A-B-A and B-A-B type supramolecular block copolymers. Although for these two PBIs the individual blocks could not be identified by AFM because the helical nanofibers of both PBIs exhibit identical helical pitches, these studies revealed for the first time that the approach of seeded living polymerization is not limited to a special pair of monomeric building blocks.
In the last part of the thesis (Chapter 5) a systematic study on the two-component living copolymerization of PBIs with various sterical demanding bay-substituents is provided. Thus, a series of PBIs containing identical hydrogen-bonding amide groups in imide position but variable number (1-MeO-PBI, MeO-PBI, 1,6,7-MeO-PBI, 1,6,7,12-MeO-PBI) or size (EtO-PBI, iPrO-PBI) of alkoxy bay-substituents was investigated. The molecular geometry of the monomeric building blocks has a strong impact on the thermodynamically and even more pronounced on the kinetically controlled aggregation in solvent mixtures of MCH and Tol. While the mono- and dialkoxy-substituted PBIs form kinetically metastable species, the self-assembly of the tri- and tetramethoxy-substituted PBIs (1,6,7-MeO-PBI and 1,6,7,12-MeO-PBI) is completely thermodynamically controlled. The two 1,7-alkoxy substituted PBIs (EtO-PBI, iPrO-PBI) form very similar to MeO-PBI kinetically off-pathway H-aggregates and thermodynamically more favored J-type aggregates. However, the stability of the kinetically metastable state is drastically lower and the conversion into the thermodynamically favored state much faster than for MeO-PBI. In contrast, the monomethoxy-substituted PBI derivative (1-MeO-PBI) forms a kinetically trapped species by intramolecular hydrogen-bonding of the monomers, which can be transformed into the thermodynamically favored nanofibers by seeded polymerization.
Importantly, the two-component seeded copolymerization of the kinetically trapped MeO PBI with seeds of other PBIs of the present series was studied by UV/vis and AFM revealing that the formation of supramolecular block copolymers is only possible for appropriate combinations of PBI building blocks. Thus, the seeded polymerization of the trapped state of the moderately core-twisted MeO-PBI with the, according to DFT-calculations, structurally similar PBIs (EtO-PBI and iPrO-PBI) leads to the formation of A-B-A block copolymers, like in the seeded copolymerization of MeO-PBItrapped with seeds of Cl-PBI and MeS-PBI already described in Chapter 4. However, by addition of seeds of the almost planar PBIs (H-PBI and 1-MeO-PBI) or seeds of the strongly core-twisted PBIs (1,6,7-MeO-PBI and 1,6,7,12-MeO-PBI) to the kinetically trapped state of MeO-PBI no block copolymers can be obtained. The mismatching geometry of these molecular building blocks strongly hampers both the intermolecular hydrogen-bonding and the π-π-interactions between the two different PBIs and consequently prevents the copolymerization process.
Furthermore, the studies of the two-component seeded copolymerization of the kinetically trapped species of 1-MeO-PBI with seeds of the other PBIs also corroborated that a precise shape complementarity is crucial to generate supramolecular block copolymers. Thus, by addition of seeds of H-PBI to the kinetically trapped monomers of 1-MeO-PBI supramolecular block copolymers were generated. Both PBIs exhibit an almost planar PBI core according to DFT-calculations leading to strong non-covalent interactions between these PBIs. This perfectly matching geometry of both PBIs also enables the inverted seeded copolymerization of the kinetically trapped monomers of H-PBI with 1-MeO-PBIseed concomitant with a switching of the block pattern of the supramolecular copolymer from A-B-A to B-A-B type. In contrast, the seeding with the moderately twisted (MeO-PBI, EtO-PBI and iPrO-PBI) and the strongly twisted PBIs (1,6,7-MeO-PBI and 1,6,7,12 MeO-PBI) has no effect on the kinetically trapped state of 1-MeO-PBI, because the copolymerization of these PBIs is prevented by the mismatching geometry of the molecular building blocks.
In conclusion, the supramolecular polymerization and two-component seeded copolymerization of a series of PBI monomers was investigated within this thesis. The studies revealed that the thermodynamically and kinetically controlled self-assembly can be strongly modified by subtle changes of the monomeric building blocks. Moreover, the results have shown that living supramolecular polymerization is an exceedingly powerful method to generate unprecedented supramolecular polymeric nanostructures with controlled block pattern and length distribution. The formation of supramolecular block copolymers can only be achieved under precise kinetic control of the polymerization process and is strongly governed by the shape complementarity already imparted in the individual components. Thus, these insightful studies might enable a more rational design of monomeric building blocks for the non-covalent synthesis of highly complex supramolecular architectures with interesting properties for possible future applications, e.g., as novel functional materials.
N2  - Das Forschungsgebiet der supramolekularen Polymerisation hat sich in den letzten Jahrzehnten sehr rasch entwickelt, zumal da supramolekulare Polymere eine Fülle an Anwendungsmöglichkeiten in der organischen Elektronik, der Biologie oder als Funktionsmaterialen bieten (Kapitel 2.1). Während frühere Studien den Fokus auf die Untersuchung der Thermodynamik der supramolekularen Polymerisation gelegt haben (Kapitel 2.2), hat sich das akademische Interesse in jüngster Zeit dahingehend verschoben, Einblicke in kinetisch kontrollierte Selbstassemblierungsprozesse zu erhalten, um neuartige Strukturen mit faszinierenden Eigenschaften zu generieren (Kapitel 2.3). Im Zuge dieser Entwicklung wurde das Konzept der Saat-induzierten und der lebenden supramolekularen Polymerisation entwickelt, welche die Bildung von supramolekularen Polymeren mit geringer Polydispersität in kinetisch kontrollierten Prozessen ermöglichen (Kapitel 2.4). Des Weiteren wurden neue Strategien zu Erzeugung von Nanostrukturen entwickelt, die aus verschiedenen Komponenten aufgebaut sind und somit neue komplexe Strukturmotive zeigen. Eine Einteilung dieser supramolekularen Copolymere anhand einiger Literaturbeispiele und eine kurze Übersicht über die bisherigen Methoden, solche supramolekularen Strukturen zu erzeugen ist in Kapitel 2.5 dargestellt.
Das Ziel der Doktorarbeit war die nicht-kovalente Synthese von erstrebenswerten supramolekularen Blockcopolymeren mittels lebender Saat-induzierter Polymerisation und zu erforschen, wie die molekulare Form der Monomerbausteine die supramolekulare Copolymerisation beeinflusst. Basierend auf der Molekülstruktur des zuvor untersuchten Perylenbisimidfarbstoffes H-PBI wurden in dieser Arbeit eine Reihe von neuen Perylenbisimiden mit identischen Amid-Seitengruppen in Imidposition und unterschiedlicher Art oder Anzahl von Buchtsubstituenten synthetisiert und charakterisiert. Die neuen Perylenbisimide wurden erfolgreich in drei Stufen durch neu entwickelte Syntheserouten erhalten, wobei von den jeweiligen Brom substituierten Perylen-3,4:9,10-tetracarbonsäuretetrabutylestern oder von N,N‘ Dicyclohexyl-1,7-dibromperylen-3,4:9,10-tetracarbonsäurebisimid ausgegangen wurde. Alle Zielverbindungen wurden im letzten Syntheseschritt mittels einer Imidisierungsreaktion der jeweiligen Perylenbisanhydridvorstufen mit N (2-Aminoethyl)-3,4,5-tris(dodecyloxy)benzamid erhalten und mittels 1H- und 13C NMR-Spektroskopie sowie mit hochauflösender Massenspektrometrie charakterisiert.
Die Variation der Buchtsubstituenten hat einen starken Einfluss auf die optischen Eigenschaften der Perylenbisimidmonomere, was mittels UV/vis- und Fluoreszenzspektroskopie untersucht wurde. Die ansteigende Zahl der Methoxysubstituenten verursacht zum Beispiel eine Rotverschiebung der Absorptionsmaxima, welche mit einer Abnahme der Extinktionskoeffizienten einhergeht, und führt zu einem starken Anstieg der Fluoreszenzquantenausbeute. Außerdem wird auch die Molekülgeometrie der Perylenbisimide durch die Variation der Buchtsubstituenten beeinflusst. Mittels DFT-Rechnungen konnte gezeigt werden, dass eine Zunahme des sterischen Anspruchs der Buchtsubstituenten eine Vergrößerung des Torsionswinkels der Perylenbisimidkerne zur Folge hat.
Als besonders geeignet für die im Rahmen dieser Arbeit anvisierten Studien erwies sich das mit zwei Methylgruppen in 1,7-Buchtposition substituierte MeO-PBI. Die Selbstassemblierung dieses 1,7-Dimethoxy-substituierten Perylenbisimid-Derivates wurde mit Hilfe von UV/vis-, Fluoreszenz- und FT-IR-Spektroskopie sowie mittels Rasterkraftmikroskopie detailliert analysiert (Kapitel 3). Diese Studien haben gezeigt, dass MeO-PBI in einem Lösungsmittelgemisch aus Methylcyclohexan und Toluol (2:1, v/v) in einem kinetisch kontrollierten Prozess durch schnelles Abkühlen der Monomerlösung von 90 auf 20 °C „off-pathway“ Nanopartikel ausbildet. Durch langsames Abkühlen der Monomerlösung entstehen hingegen fluoreszierende, J-aggregierte Nanofasern aufgrund von π-π-Wechselwirkungen und intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen. Die kinetisch metastabilen „off-pathway“ H-Aggregate können durch Zugabe einer polymeren J-Aggregat-Saat, welche durch eine Behandlung der polymeren Nanofasern mit Ultraschall gewonnen werden kann, in die thermodynamisch begünstigten J-Aggregate transformiert werden. Außerdem wurde der lebende Charakter dieser supramolekularen Saat-induzierten Polymerisation durch ein neu entworfenes multizyklisches Versuchsprotokoll nachgewiesen. Diese Experimente zur lebenden supramolekularen Polymerisation zeigen deutlich, dass der Polymerisationsprozess nur an den „aktiven“ Enden der polymeren Saat stattfinden kann und dass außerdem kaum Rekombinations- oder Kettenterminationsprozesse auftreten. Folglich ermöglicht die Methode der lebenden supramolekularen Polymerisation die Synthese von supramolekularen Polymeren mit kontrollierbarer Polymerlänge und geringer Polydispersität.
In Kapitel 4 wird die Copolymerisation von MeO-PBI mit den strukturell ähnlichen 1,7 Dichlor- (Cl-PBI) und 1,7-Dimethylthiosubstituierten (MeS-PBI) Perylenbisimiden ausgeführt. Beide neuen Perylenbisimide bilden analog zu MeO-PBI „off-pathway“ Aggregate, die durch Saatzugabe in einem kinetisch kontrollierten Prozess in die thermodynamisch stabileren supramolekularen Polymere umgewandelt werden können. Die Stabilität der kinetisch gefangenen Aggregate von Cl-PBI und MeS-PBI ist jedoch verglichen mit den metastabilen Aggregaten von MeO-PBI deutlich geringer, da die π π Wechselwirkungen zwischen den molekularen Bausteinen aufgrund des vergrößerten Torsionswinkels der Peryleneinheiten stark reduziert sind. UV/vis-spektroskopische Studien zeigen, dass die Saat-induzierte Copolymerisation des kinetisch gefangenen Zustandes von MeO-PBI mit der Saat von Cl-PBI durch einen lebenden Kettenwachstumsprozess an den Polymerenden der Saat zur Ausbildung von neuartigen supramolekularen Blockcopolymeren mit A B A Blockstruktur führt.
Die erzeugte A-B-A-Blockstruktur der erhaltenen Copolymere konnte eindeutig mittels Rasterkraftmikroskopie bestätigt werden, da die jeweiligen Polymerblöcke bestehend aus den einzelnen monomeren Einheiten anhand der Ganghöhe der helikalen Nanofasern unterschieden werden können. Ausführliche UV/vis- und Rasterkraftmikroskopiestudien haben außerdem demonstriert, dass, zum Beispiel durch Zugabe der Saat von MeO-PBI zu den kinetisch gefangenen Aggregaten von Cl PBI, Triblockcopolymere mit B-A-B-Blockstruktur in einer invertierten Saat-induzierten Zweikomponenten-Copolymerisation, erzeugt werden können. Dieser Wechsel der Blockstruktur kann nur durch perfekt abgestimmte Bedingungen für die Copolymerisation und bei übereinstimmender Molekülgeometrie der Monomereinheiten erreicht werden. Diese Studien zeigen erstmals, dass die Blockstruktur der supramolekularen Polymere durch das Versuchsprotokoll der lebenden supramolekularen Polymerisation variiert werden kann. Des Weiteren lieferten UV/vis-spektroskopische Untersuchungen der lebenden Copolymerisation von MeO-PBI und MeS-PBI ähnliche Ergebnisse, was darauf hindeutet, dass ebenfalls supramolekulare Blockcopolymere mit A-B-A- und B-A-B-Struktur gebildet werden können. Obwohl die einzelnen Polymerblöcke in diesem Fall wegen der identischen Helixganghöhe der Nanofasern nicht zugeordnet werden konnten, so zeigten diese Experimente doch, dass die Methode der Saat-induzierten lebenden Polymerisation nicht auf ein spezielles Paar von Monomerbausteinen limitiert ist.
Im letzten Abschnitt der Doktorarbeit (Kapitel 5) wird eine systematische Studie der lebenden Zweikomponenten-Copolymerisation von Perylenbisimiden mit unterschiedlich sterisch anspruchsvollen Buchtsubstituenten dargestellt. Dementsprechend wurde eine Reihe von Perylenbisimiden mit identischen Amidseitenketten, aber unterschiedlicher Anzahl (1-MeO-PBI, MeO-PBI, 1,6,7-MeO-PBI, 1,6,7,12-MeO-PBI) oder Größe (EtO PBI, iPrO-PBI) der Alkoxybuchtsubstituenten untersucht. Die Molekülgeometrie der Monomereinheiten hat einen starken Einfluss auf das thermodynamisch und mehr noch auf das kinetisch kontrollierte Aggregationsverhalten in Lösungsmittelgemischen aus Methylcyclohexan und Toluol. Während die mono- und dialkoxysubstituierten Perylenbisimide kinetisch metastabile Zustände ausbilden, findet die Selbstassemblierung der tri- und tetramethoxysubstituierten Perylenbisimide (1,6,7-MeO-PBI, 1,6,7,12 MeO PBI) vollständig unter thermodynamischer Kontrolle statt. Die zwei 1,7 alkoxysubstituierten Perylenbisimide (EtO-PBI, iPrO-PBI) bilden analog zu MeO PBI sowohl kinetische „off-pathway“ H-Aggregate als auch thermodynamisch begünstigte J Aggregate. Verglichen mit MeO-PBI ist jedoch die Stabilität der kinetisch metastabilen Zustände von EtO-PBI und iPrO-PBI viel geringer und die Umwandlung in die thermodynamisch stabileren Aggregate geschieht daher viel schneller. Das monomethoxysubstituierte Perylenbisimid-Derivat (1 MeO PBI) bildet im Gegensatz dazu kinetisch gefangene Monomere durch intramolekulare Wasserstoffbrücken-bindungen, welche sich durch Saat-induzierte Polymerisation in die thermodynamisch begünstigteren Nanofasern transformieren lassen.
Die Saat-induzierte Zweikomponenten-Copolymerisation des kinetisch gefangenen Zustands von MeO-PBI durch Saatzugabe der anderen Perylenbisimide der Reihe wurde mittels UV/vis-Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie analysiert. Diese Studien eröffneten, dass die Bildung von supramolekularen Blockcopolymeren nur für geometrisch passende Kombinationen der Perylenbisimide möglich ist. Dementsprechend führt die Saat-induzierte Polymerisation des kinetisch gefangenen Zustands von MeO-PBI mit den, laut DFT Rechnungen, strukturell ähnlichen Perylenbisimiden (EtO-PBI, iPrO-PBI) zur Bildung von A B A Blockcopolymeren, analog zu dem im Kapitel 4 beschriebenem Fall der Saat induzierten Copolymerisation mit Cl-PBI und MeS-PBI.
Die Zugabe einer Saat der planaren Perylenbisimide (H-PBI, 1-MeO-PBI) oder der Perylenbisimide mit stark verdrehten Perylenkernen (1,6,7-MeO-PBI, 1,6,7,12 MeO PBI) zum kinetisch metastabilen Zustand von MeO-PBI führt dagegen nicht zur Bildung von Blockcopolymeren. Der Unterschied in der Molekülgeometrie dieser Monomerbausteine vermindert erheblich die Stärke der π π Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Perylenbisimiden und verhindert daher deren Copolymerisation.
Die Studien zur Saat induzierten Zweikomponenten-Copolymerisation des kinetisch gefangenen Zustands von 1-MeO-PBI mit den anderen Perylenbisimiden der Serie bestätigte weiterhin, dass eine genaue Übereinstimmung der molekularen Geometrie entscheidend für die Erzeugung von supramolekularen Blockcopolymeren ist. Durch Zugabe der Saat von H-PBI zum kinetisch metastabilen Zustand von 1-MeO-PBI konnten folglich supramolekulare Blockcopolymere generiert werden. Mittels DFT-Rechnungen wurde gezeigt, dass beide Perylenbisimide einen relativ planaren Perylenkern aufweisen, was zu sehr starken, nicht-kovalenten Wechselwirkungen zwischen diesen beiden Monomerbausteinen führt. Die übereinstimmende Geometrie beider Perylenbisimide ermöglicht auch die invertierte Saat-induzierte Copolymerisation des kinetisch gefangenen Zustands von H-PBI mit 1-MeO-PBISaat, was mit einem Wechsel der Blockstruktur des supramolekularen Blockcopolymers von A B A zu B A B einhergeht. Die Zugabe der Saat der mäßig (EtO-PBI, iPrO PBI) und stark verdrehten Perylenbisimide (1,6,7-MeO-PBI, 1,6,7,12-MeO-PBI) hat im Gegensatz dazu keinen Effekt auf den kinetisch gefangenen Zustand von 1-MeO-PBI, da die Copolymerisation dieser Perylenbisimide durch die Nichtübereinstimmung der Molekülgeometrie der Monomerbausteine verhindert wird.
Abschließend lässt sich zusammenfassen, dass in dieser Arbeit die supramolekulare Polymerisation und Saat-induzierte Zweikomponenten-Copolymerisation einer Reihe von Perylenbisimidmonomeren untersucht worden ist. Die Studien haben demonstriert, dass die thermodynamisch und kinetisch kontrollierten Selbstassemblierungsprozesse durch subtile Änderungen der Monomerbausteine stark variiert werden können. Außerdem zeigen die Ergebnisse, dass die lebende supramolekulare Polymerisation eine sehr leistungsfähige Methode zur Erzeugung von neuartigen supramolekularen, polymeren Nanostrukturen mit kontrollierter Blockstruktur und Längenverteilung darstellt. Die Bildung dieser supramolekularen Blockcopolymere kann nur unter präziser kinetischer Kontrolle erreicht werden und ist durch die Komplementarität der einzelnen molekularen Komponenten stark beeinflusst. Diese aufschlussreichen Studien bilden möglicherweise die Grundlage für ein rationaleres Design neuer Monomerbausteine zur nicht-kovalenten Synthese von hochkomplexen, supramolekularen Strukturen mit potentiell einzigartigen Eigenschaften für mögliche Anwendungen, beispielsweise als neuartige Funktionsmaterialien.
KW  - Supramolekulare Chemie
KW  - Perylenbisdicarboximide <Perylen-3,4:9,10-bis(dicarboximide)>
KW  - Lebende Polymerisation
KW  - Aggregation
KW  - Supramolecular Block Copolymers
KW  - Perylenbisimides
KW  - Kinetic Self-assembly
KW  - Living Polymerisation
KW  - Organische Chemie
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-193004
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kunz, Valentin
T1  - Supramolecular Approaches for Water Oxidation Catalysis with Ruthenium Complexes
T1  - Supramolekulare Ansätze für die Wasseroxidationskatalyse mit Rutheniumkomplexen
N2  - The catalytic splitting of water into its elements is an important reaction to establish hydrogen as a solar fuel. The bottle-neck of this process is considered to be the oxidative half reaction generating oxygen, and good catalysts are required to handle the complicated redox chemistry involved. As can be learned from nature, the incorporation of the catalytically active species into an appropriate matrix can help to improve the overall performance. Thus, the aim of the present thesis was to establish novel supramolecular approaches to improve water oxidation catalysis using the catalytically active {Ru(bda)} fragment as key motive (bda = 2,2'-bipyridine-6,6'-dicarboxylate). 

First, the synthesis of ruthenium catalysts gathering three {Ru(bda)} water oxidation subunits in a macrocyclic fashion is described. By using bridging bipyridine ligands of different lengths, metallosupramolecular macrocycles with distinct sizes have been obtained. Interestingly, an intermediate ring size has been proven to be optimal for the catalytic water oxidation. Detailed kinetic, spectroscopic, and theoretical studies helped to identify the reaction mechanism and to rationalize the different catalytic activities. Furthermore, solubilizing side chains have been introduced for the most active derivative to achieve full water solubility. 

Secondly, the {Ru(bda)} fragment was embedded into supramolecular aggregates to generate more stable catalytic systems compared to a homogeneous reference complex. Therefore, the catalyst fragment was equipped with axial perylene bisimide (PBI) ligands, which facilitate self-assembly. Moreover, the influence of the different accessible aggregate morphologies on the catalytic performance has been investigated.
N2  - Die katalytische Spaltung von Wasser in seine Elemente ist eine wichtige Reaktion für die Erzeugung von Wasserstoff als alternativem Brennstoff. Die Sauerstoff-erzeugende Halbreaktion gilt gemeinhin als Flaschenhals dieses Prozesses, weshalb effiziente Katalysatoren benötigt werden um die komplizierte Redoxchemie zu bewältigen. Die Natur als Vorbild lehrt uns, dass die Einbettung katalytisch aktiver Zentren in eine unterstützende Matrix dazu beitragen kann deren Leistung erheblich zu steigern. Ziel der vorliegenden Dissertation war daher die Etablierung neuartiger supramolekularer Ansätze zur Verbesserung der Wasseroxidationskatalyse. Als Katalysator-Leitmotiv diente das {Ru(bda)}-Fragment (bda = 2,2'-Bipyridin-6,6'-dicarboxylat).

Zunächst wird die Synthese von Rutheniumkatalysatoren beschrieben, in denen drei {Ru(bda)}-Zentren in makrozyklischer Weise verknüpft sind. Durch die Verwendung von verbrückenden Bipyridin-Liganden unterschiedlicher Länge wurden metallosupramolekulare Makrozyklen mit verschiedenen Ringgrößen erhalten. Interessanterweise erwies sich eine mittlere Größe als optimal für die katalytische Wasseroxidation. Detaillierte kinetische, spektroskopische und theoretische Untersuchungen haben dazu beigetragen, den Reaktionsmechanismus zu identifizieren und die verschiedenen katalytischen Aktivitäten zu erklären. Darüber hinaus wurden löslichkeitsfördernde Seitenketten für den aktivsten Makrozyklus eingeführt, um eine vollständige Wasserlöslichkeit zu erreichen.

Darüber hinaus wurde das {Ru(bda)}-Fragment in supramolekulare Aggregate eingebettet, um im Vergleich zu einem homogenen Referenzkomplex stabilere katalytische Systeme zu erzeugen. Dafür wurde das Katalysatorfragment mit axialen Perylenbisimid-Liganden ausgestattet, welche zur Selbstassemblierung neigen. In diesem Zusammenhang wurde der Einfluss der verschiedenen zugänglichen Aggregatmorphologien auf die katalytische Aktivität untersucht.
KW  - Ruthenium Komplexe
KW  - Metallosupramolekulare Chemie
KW  - Katalyse
KW  - Wasseroxidation
KW  - ruthenium complexes
KW  - metallosupramolecular chemistry
KW  - catalysis
KW  - water oxidation
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-154820
ER  - 
TY  - THES
A1  - Seifert, Sabine
T1  - New Electron-Deficient Polycyclic Aromatic Dicarboximides by Palladium-Catalyzed C–C Coupling and Core Halogenation–Cyanation
T1  - Neue elektronenarme polyzyklische aromatische Dicarboximide durch Palladium-katalysierte C–C-Kupplung und Kernhalogenierung–Cyanierung
N2  - The thesis describes the development of new synthetic strategies towards planar nanometer-sized and electron-deficient polycyclic aromatic dicarboximides, which are rather unexplored compared with the large variety of electron-rich polycyclic aromatic hydrocarbons and nanographenes. Thus, new polycyclic aromatic systems containing a different number of dicarboximide groups were designed since this class of compounds has revealed its significance in the past due to a range of desirable molecular properties and its high thermal and photochemical stability. The synthetic concept towards these systems includes different C–C coupling techniques that were combined within coupling cascade reactions. Therefore, this thesis provides new insights into the reactivity of aromatic substrates and elucidates mechanistic aspects of C–C coupling cascade reactions to facilitate the precise design of new and desirable materials based on polycyclic aromatic dicarboximides. Furthermore, structure-property relationships as well as the optical and electrochemical properties were investigated by UV/Vis absorption and fluorescence spectroscopy and cyclic or square wave voltammetry. Insights into the molecular structures in the solid state were obtained by single-crystal X-ray analysis. In subsequent studies, highly electron-deficient perylene bisimides and their reduced species have been investigated in detail. Thus, core-functionalized perylene bisimides were synthesized and UV/Vis absorption spectroscopy, spectroelectrochemistry and cyclic or square wave voltammetry were used to determine their optical properties and the stability of the individual reduced species.
N2  - Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung neuer Synthesestrategien für planare und elektronenarme polyzyklische aromatische Dicarboximide in der Größenskala weniger Nanometer, welche im Vergleich zu der Vielzahl an elektronenreichen polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen und Nanographenen weitaus weniger erforscht sind. Daher wurden neue polyzyklische aromatische Systeme entworfen, welche eine unterschiedliche Anzahl von Dicarboximid-Einheiten enthalten, da diese Klasse von Verbindungen ihre Bedeutsamkeit in der Vergangenheit aufgrund einer Reihe vorteilhafter molekularer Eigenschaften und ihrer hohen thermischen und photochemischen Stabilität gezeigt hat. Das synthetische Konzept für diese Systeme umfasst dabei verschiedene C–C-Knüpfungstechniken, die zu Kaskadenreaktionen kombiniert wurden. Daher werden in dieser Arbeit neue Einblicke in die Reaktivität von aromatischen Substraten aufgezeigt und mechanistische Aspekte von C–C-Kupplungskaskadenreaktionen erläutert, um eine präzise Gestaltung neuer und erstrebenswerter Materialien auf der Basis von polyzyklischen aromatischen Dicarboximiden zu erleichtern. Darüber hinaus wurden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen sowie die optischen und elektrochemischen Eigenschaften durch UV/Vis-Absorptions- und Fluoreszenzspektroskopie sowie Cyclo- oder Square Wave Voltammetrie untersucht. Einblicke in die molekularen Strukturen im Festkörper wurden durch Einkristallstrukturanalyse erhalten. In nachfolgenden Studien wurden stark elektronenarme Perylenbisimide und ihre reduzierten Spezies detailliert untersucht. Dazu wurden kernfunktionalisierte Perylenbisimide synthetisiert. Um deren optische Eigenschaften und die Stabilität der reduzierten Spezies zu bestimmen wurden UV/Vis-Absorptionsspektroskopie, Spektroelektrochemie und Cyclo- oder Square Wave Voltammetrie verwendet.
KW  - Kupplungsreaktion
KW  - Dicarboximide
KW  - Polycyclische Aromaten
KW  - C-C coupling
KW  - Dicarboximides
KW  - Polycyclic aromatic hydrocarbons
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-156200
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kirchner, Eva
T1  - Discrete Supramolecular Stacks by Self-Assembly and Folding of Bis(merocyanine) Dyes
T1  - Definierte supramolekulare Stapel durch Selbstassemblierung und Faltung von Bis(merocyanin)-Farbstoffen
N2  - The present thesis describes the development of a strategy to create discrete finite-sized supramolecular stacks of merocyanine dyes. Thus, bichromophoric stacks of two identical or different chromophores could be realized by folding of bis(merocyanine) dyes and their optical properties were discussed in terms of exciton theory. Quantum chemical calculations revealed strong exciton coupling between the chromophores within the homo- and hetero-π-stacks and the increase of the J-band of the hetero-dimers with increasing energy difference between the excited states of the chromophores could be attributed not only to the different magnitudes of transition dipole moments of the chromophores but also to the increased localization of the excitation in the respective exciton state. Furthermore, careful selection of the length of the spacer unit that defines the interplanar distance between the tethered chromophores directed the self-assembly of the respective bis(merocyanines) into dimers, trimers and tetramers comprising large, structurally precise π-stacks of four, six or eight merocyanine chromophores. It could be demonstrated that the structure of such large supramolecular architectures can be adequately elucidated by commonly accessible analysis tools, in particular NMR techniques in combination with UV/vis measurements and mass spectrometry. Supported by TDDFT calculations, the absorption spectra of the herein investigated aggregates could be explained and a relationship between the absorption properties and the number of stacking chromophores could be established based on exciton theory.
N2  - Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Strategie zur Herstellung definierter supramolekularer Stapel aus Merocyaninfarbstoffen. So konnten Dimere bestehend aus zwei identischen oder unterschiedlichen Chromophoren durch Faltung von Bis(merocyanin)-Farbstoffen realisiert und ihre optischen Eigenschaften anhand von Exzitonentheorie diskutiert werden. Quantenchemische Rechnungen ergaben eine starke Exzitonenkopplung sowohl zwischen gleichartigen, als auch zwischen energetisch unterschiedlichen Merocyaninfarbstoffen und der Anstieg der J-Bande der Heterodimere mit zunehmender Energiedifferenz zwischen den angeregten Zuständen der Chromophore konnte nicht nur der unterschiedlichen Größe der Übergangsdipolmomente der Chromophore, sondern auch der zunehmenden Lokalisation der Anregung im jeweiligen Exzitonenzustand zugeschrieben werden. Darüber hinaus führte die sorgfältige Auswahl der Länge der Linkereinheit, welche den interplanaren Abstand zwischen den beiden Chromophoren im Bis(merocyanin) definiert, zur Selbstassemblierung zu Dimeren, Trimeren und Tetrameren, welche definierte π-Stapel bestehend aus vier, sechs oder acht Merocyaninchromophoren umfassen. Es konnte gezeigt werden, dass die Struktur solch großer supramolekularer Architekturen mittels allgemein zugänglicher Analyseverfahren, insbesondere der NMR-Technik in Kombination mit UV/vis-Messungen und Massenspektrometrie, aufgeklärt werden kann. Anhand der so etablierten Modellsysteme konnten schließlich die Absorptionseigenschaften definierter π-Stapel diskutiert und ein Zusammenhang mit der Anzahl der gestapelten Chromophore hergestellt werden.
KW  - Merocyanine
KW  - Exziton
KW  - Supramolekulare Struktur
KW  - Selbstorganisation
KW  - Merocyanine dyes
KW  - Exciton coupling
KW  - Supramolecular aggregates
KW  - Self-assembly
KW  - Exzitonenkopplung
KW  - Supramolekulare Aggregate
KW  - Selbstassemblierung
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-159419
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bialas, David
T1  - Exciton Coupling in Homo- and Heterostacks of Merocyanine and Perylene Bisimide Dyes
T1  - Exzitonenkopplung in Homo- und Hererostapel von Merocyanin- und Perylenbisimidfarbstoffen
N2  - 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.
N2  - In der vorliegenden Doktorarbeit konnte gezeigt werden, dass eine starke Exzitonenkopplung nicht nur zwischen gleichen Chromophoren, sondern auch zwischen Chromophoren mit unterschiedlichen Energien der angeregten Zustände möglich ist. Diese beeinflusst maßgeblich die Absorptionsspektren der Heterostapel bestehend aus Merocyanin- bzw. Perylenbisimidfarbstoffen und deutet außerdem auf einen kohärenten Energientransfer zwischen den Chromophoren hin. Weiterhin wurden Bis(merocyanin)-C60-Konjugate synthetisiert, die in unpolaren Lösungsmitteln selbst assemblieren und auf diese Weise wohldefinierte supramolekulare p/n-Heterogrenzflächen gebildet werden. An diesen wurde mithilfe von femtosekundenaufgelöster transienter Absorptionsspektroskopie der photoinduzierte Elektronentransfer untersucht, was ein wichtiger Schritt bei der Erzeugung von Ladungsträgern in organischen Solarzellen darstellt.
KW  - Exziton
KW  - Supramolekulare Chemie
KW  - Perylenderivate
KW  - Exciton Coupling
KW  - Heteroaggregates
KW  - Supramolecular Chemistry
KW  - Merocyanine
KW  - Aggregat <Chemie>
KW  - Exzitonenkopplung
KW  - Heteroaggregate
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-152418
ER  - 
TY  - THES
A1  - Liess, Andreas
T1  - Structure-Property Relationships of Merocyanine Dyes in the Solid State: Charge Transport and Exciton Coupling
T1  - Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Merocyaninfarbstoffen im Festkörper: Ladungstransport und Exzitonenkopplung
N2  - The present thesis demonstrates the importance of the solid state packing of dipolar merocyanine dyes with regard to charge transport and exciton coupling. 

Due to the charge transport theory for disordered materials, it is expected that high ground state dipole moments in amorphous thin films lead to low mobility values due to a broadening of the density of states. However, due to their inherent dipolarity, merocyanine dyes usually align in antiparallel dimers in an ordered fashion. The examination of twenty different molecules with ground state dipole moments up to 15.0 D shows that by a high dipolarity and well-defined sterics, the molecules pack in a highly regular two-dimensional brickwork-type structure, which is beneficial for hole transport. Utilization of these molecules for organic thin-film transistors (OTFTs) leads to hole mobility values up to 0.21 cm²/Vs. By fabrication of single crystal field-effect transistors (SCFETs) for the derivative showing the highest mobility values in OTFTs, even hole mobilities up to 2.34 cm²/Vs are achieved. Hence, merocyanine based transistors show hole mobility values comparable to those of conventional p-type organic semiconductors and therefore high ground state dipole moments are not necessarily disadvantageous regarding high mobility applications. 

By examination of a different series of ten merocyanine dyes with the same chromophore backbone but different donor substituents, it is demonstrated that the size of the donor has a significant influence on the optical properties of thin films. For small and rigid donor substituents, a hypsochromic shift of the absorption compared to the monomer absorption in solution is observed due to the card stack like packing of the molecules in the solid state. By utilization of sterical demanding or flexible donor substituents, a zig-zag type packing is observed, leading to a bathochromical shift of the absorption. These packing motifs and spectral shifts with an offset of 0.93 eV of the H- and J-bands comply with the archetype examples of H- and J-aggregates from Kasha’s exciton theory.
N2  - Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit wird die Wichtigkeit der Packung von dipolaren Merocyaninfarbstoffen im Festkörper im Hinblick auf Ladungstransport sowie Exzitonenkopplung demonstriert. 

Aufgrund der Ladungstransporttheorie für ungeordnete Materialien wird erwartet, dass hohe Grundzustandsdipolmomente die Mobilität aufgrund einer Verbreiterung der Zustandsdichte verringern. Allerdings neigen Merocyanine durch ihre Dipolarität normalerweise zur Ausbildung von geordneten antiparallelen Dimeren. Durch Untersuchung von zwanzig verschiedenen Molekülen mit Grundzustandsdipolmomenten bis zu 15.0 D wird gezeigt, dass durch eine hohe Dipolarität sowie eine gut definierte Sterik der Moleküle eine hoch geordnete zweidimensionale Backstein-artige Packung erzielt wird, welche günstig für den Lochtransport ist. Hierdurch werden in organischen Dünnschichttransistoren (OTFTs) Lochmobilitäten bis zu 0.21 cm²/Vs erzielt. Durch Fertigung von Einkristallfeldeffekttransistoren (SCFETs) für das Derivat mit den höchsten Lochmobilitäten in OTFTs werden außerdem Lochmobilitäten bis zu 2.34 cm²/Vs demonstriert. Damit zeigen Merocyanin-basierte Transistoren ähnliche Lochmobilitätswerte wie konventionelle organische p-Halbleiter. Folglich sind hohe Grundzustandsdipolmomente für Anwendungen, welche hohe Mobilitäten erfordern, nicht zwangsläufig von Nachteil.

Durch Untersuchung einer weiteren Serie von zehn Merocyaninfarbstoffen mit gleichem Chromophorgrundgerüst und verschiedenen Donorsubstituenten wird außerdem gezeigt, dass die Größe des Donors einen signifikanten Einfluss auf die optischen Eigenschaften von Dünnschichten hat. Für kleine und rigide Donorsubstituenten wird eine hypsochrome Verschiebung der Absorption im Vergleich zum Monomer in Lösung beobachtet, welche durch eine Kartenstapel-artige Packung der Farbstoffe im Festkörper bedingt wird. Bei der Verwendung von sterisch anspruchsvollen oder flexiblen Donorsubstituenten wird eine Zick-Zack-artige Packung beobachtet, welche eine bathochrome Verschiebung der Absorption bewirkt. Diese Packungsmotive und spektralen Verschiebungen mit einem Versatz von 0.93 eV der H- und J-Banden stehen im Einklang zu den typischen Beispielen von H- und J-Aggregaten aus Kashas Exzitonentheorie.
KW  - Exziton
KW  - Organischer Feldeffekttransistor
KW  - Organische Halbleiter
KW  - Merocyanine
KW  - Merocyanine dyes
KW  - Organic field-effect transistor
KW  - Organic semiconductors
KW  - Exciton coupling
KW  - Exzitonenkopplung
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-152900
ER  - 
TY  - THES
A1  - Berberich, Martin
T1  - Rylene Bisimide-Diarylethene Photochromic Systems for Non-Destructive Memory Read-out
T1  - Photochrome Rylenbisimid-Diarylethen-Systeme für Nichtdestruktives Datenspeicherauslesen
N2  - Diese Doktorarbeit zeigt deutlich verbesserte aus Rylenbisimiden und Diarylethenen aufgebaute, photochrome Systeme für das nicht-destruktive Auslesen von Fluoreszenz. Dabei wird die Fluoreszenz der Emittereinheit durch photoinduzierten Elektronentransfer nur zu einer isomeren Form des Photochromes gelöscht. Die Triebkraft für den Fluoreszenz-löschenden Elektronentransfer wurde mittels Rehm-Weller-Gleichung berechnet. Die erhaltenen Systeme erfüllen die notwendigen Anforderungen für ein nicht-destruktives Auslesen in einem auf Schreiben, Auslesen und Löschen basierenden fluoreszierenden Datenspeicher.
N2  - The thesis enhances the strategy of non-destructive fluorescence read-out in rylene bisimide-diarylethene containing photochromic systems. The fluorescence of the emitter unit is quenched by a photoinduced electron transfer only to one of the isomeric forms of the photochrome. The driving force of the fuorescence-quenching electron transfer was calculated by the help of the Rehm-Weller equation. The novel photochromic systems satisfy the necessary requirements for non-destructive read-out in write/read/erase fluorescent memory devices.
KW  - Photochromie
KW  - Elektronentransfer
KW  - Fluoreszenz
KW  - Perylenderivate
KW  - Terrylenderivate
KW  - Diarylethylene
KW  - Speicher <Informatik>
KW  - Perylenbisimid
KW  - Terrylenbisimid
KW  - Diarylethen
KW  - Perylene bisimide
KW  - Terrylene bisimide
KW  - Diarylethene
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-73517
ER  - 
TY  - THES
A1  - Beer, Meike Vanessa
T1  - Correlation of ligand density with cell behavior on bioactive hydrogel layers
T1  - Korrelation der Ligandendichte mit Zellverhalten auf bioaktivierten Hydrogelschichten
N2  - Diese Arbeit beschäftigte sich mit der Quantifizierung von Zelladhäsion vermittelnden Liganden in und auf dünnen Hydrogelschichten, die zur Oberflächenmodifizierung auf Biomaterialien aufgebracht wurden. Das bereits etablierte und gut charakterisierte inerte NCO-sP(EO-stat-PO) Hydrogelsystem, das eine einfache und reproduzierbare Bioaktivierung mit Peptiden erlaubt, wurde als Basis für diese Arbeit verwendet. Diese Hydrogele können auf zwei Weisen funktionalisiert werden. Liganden können entweder mit der Prepolymerlösung vor der Beschichtung gemischt (Einmischmethode) oder frische Hydrogelschichten mit einer Ligandenlösung inkubiert werden (Inkubationsmethode). Der erste Teil dieser in drei Hauptteile unterteilten Arbeit, beschäftigte sich mit der Konzentrationsbestimmung der Liganden in der gesamten Tiefe der Hydrogelschicht, während sich der zweite Teil auf die oberflächensensitive Quantifizierung von Zelladhäsion vermittelnden Molekülen an der biologischen Grenzfläche konzentrierte. Die Ergebnisse wurden mit Zelladhäsionskinetiken verglichen. Der dritte Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit der biochemischen als auch strukturellen Nachahmung der komplexen Extrazellulärmatrix (ECM). Das ECM Protein Fibronektin (FN) wurde über Zucker-Lektin Anbindung präsentiert und Zellverhalten auf diesen biomimetischen Oberflächen untersucht. Ebenfalls wurde Zellverhalten in einer dreidimensionalen Faserumgebung mit identischer Oberflächenchemie wie in den beiden ersten Teilen dieser Arbeit untersucht und mit der Peptidkonzentration korreliert. Insgesamt, war die Hauptfragestellung in dieser Arbeit ‘Wie viel?’, d.h. einerseits die Ermittlung der maximalen, als auch der für Zelladhäsion optimalen Ligandendichte. Im ersten praktischen Teil der vorliegenden Arbeit (Klassische Quantifizierung) wurden Liganden in der gesamten Hydrogelschicht, als auch speziell in oberen Bereichen der Schichten quantifiziert. Die Untersuchung der Hydrogelschichten in Wellplatten und auf Glas funktionalisiert mit GRGDS und 125I-YRGDS erfolgte in Kapitel 3 mittels Radioaktivmessung. Wurden Hydrogelschichten mittels Inkubationsmethode funktionalisiert, konnte eine Sättigung mit Liganden bei etwa 600 µg/mL ermittelt werden. Mittels Einmischmethode funktionalisierte Hydrogele erreichten keine maximale Ligandenkonzentration in den Schichten, mit dem Verhältnis 2/1 als maximales verwendetes Verhältnis. Höhere Liganden zu Prepolymer Verhältnisse als 2/1 wurden jedoch nicht verwendet, um eine ausreichende Vernetzung der Hydrogele nicht zu gefährden. Zur Detektion mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Flugzeit-Sekundärionen-Massen-spektrometrie (TOF-SIMS) (Kapitel 4) wurden eine fluorierte Aminosäure und ein iodiertes Peptid mit den Prepolymeren in molaren Verhältnissen von 1/2, 1/1 und 2/1 gemischt. Beide Methoden ermittelten eine maximale Ligandenkonzentration bei Verhältnissen von 1/1. Zusätzliche Liganden (2/1) führten zu keiner vermehrten Anbindung. Wesentlich im Zusammenhang mit der Ligandenquantifizierung auf Biomaterialien ist, diese an der Oberfläche, die für Zellen zugänglich ist, durchzuführen. Im zweiten Teil dieser Arbeit (Oberflächensensitive Quantifizierung) kamen daher Methoden zum Einsatz, die Liganden ausschließlich auf der Oberfläche quantifizierten. Zur Detektion mit Oberflächenplasmon-resonanz (SPR) und akustischer Oberflächenwellentechnologie (SAW) in Kapitel 5 musste die Standardbeschichtung der Hydrogele von Glas und Silikon auf Cystamin funktionalisierte Goldoberflächen übertragen werden. Mittels Ellipsometrie und Rasterkraftmikroskopie (AFM) konnte nur eine dünne und inhomogene Hydrogelbeschichtung nachgewiesen werden. Dennoch zeigten SPR und SAW die Unterbindung von Serum und Streptavidin (SA) Adsorption auf nicht funktionalisierten Schichten, jedoch eine spezifische und konzentrationsabhängige SA Bindung auf Hydrogelschichten, die mit Biocytin und GRGDSK-biotin funktionalisiert wurden. Die Ligandenquantifizierung mittels Enzymgekoppeltem Immunadsorptionstest (ELISA) und Enzymgekoppelten Lektinadsorptionstest (ELLA) (Kapitel 6) wurde auf Hydrogelschichten in Wellplatten und auf Glas angewendet, die mit verschiedenen Liganden mittels Inkubation und Einmischung funktionalisiert wurden. Das Modellmolekül Biocytin, das biotinylierte Peptid GRGDSK-biotin, das ECM Protein Fibronektin (FN), als auch die Modellzucker N-Acetyl-glukosamin (GlcNAc) und N-Acetyllaktosamin (LacNAc) konnten spezifisch in verschiedenen Konzentrationen nachgewiesen werden. Beispielhaft seien hier Schichten auf Glas genannt, die mittels Einmischmethode mit GRGDSK-biotin funktionalisiert wurden, da diese zum Vergleich in Kapitel 8 herangezogen wurden. Auf diesen Oberflächen wurde eine maximale Peptidkonzentration auf der Oberfläche bei einem Peptid zu Prepolymer Verhältnis von 1/5 ermittelt. Neben diesen verschiedenen Quantifzierungsmethoden ist die in vitro Analyse mit Zellen nicht zu vernachlässigen (Kapitel 7). Hierzu wurden Hydrogele auf Glas aufgebracht und mit GRGDS mittels Einmischmethode funktionalisiert. Durch Zählen adhärenter primärer humaner dermaler Fibroblasten (HDF) auf Mikroskopbildern wurde eine maximale Zelladhäsion bei dem Peptid zu Prepolymer Verhältnis von 1/5 festgestellt. Hingegen wurde ein Verhältnis von 1/2 für optimale Zelladhäsion ermittelt, wenn Zellen zur Quantifizierung von den Hydrogelen abgelöst und im CASY® Zellzähler quantifiziert wurden. Zusätzlich wurde die Zellvitalität durch Messung intrazellulärer Enzymaktivitäten gemessen, jedoch konnte kein Zusammenhang zwischen Zellvitalität und GRGDS Konzentration hergestellt werden. Adhärente HDFs waren in allen Fällen vital, unabhängig von der Ligandenkonzentration auf der Oberfläche. Auch die Mausfibroblasten Zelllinie NIH L929 wurde auf Hydrogelen mit verschiedenen GRGDS zu Prepolymer Verhältnissen durch Zählen adhärenter Zellen auf Mikroskopbildern untersucht. Diese im Verhältnis zu HDFs wesentlich kleineren Mauszellen benötigten höhere GRGDS Konzentrationen (2/1) für maximale Zelladhäsion. Nach der Ligandenquantifizierung in Kapitel 3 bis 7, wurden diese Ergebnisse in Kapitel 8 miteinander verglichen. Hierzu wurden Messungen auf Hydrogelschichten verwendet, die mittels Einmischmethode funktionalisiert wurden. Während die Quantifizierung mittels Radioaktivmessung in der gesamten Tiefe der Hydrogelschichten keine maximale Ligandenkonzentration ermitteln konnte, war in den oberen Bereichen der Schicht ein Maximum an Liganden bei 1/1 festzustellen (XPS, TOF-SIMS). SPR und SAW wurden zum Vergleich nicht herangezogen, da die Beschichtung auf Gold erst optimiert werden muss. Oberflächensensitive Quantifizierung mittels ELISA und Zelladhäsion, die lediglich die sterisch zugänglichen Liganden auf einer Oberfläche nachweisen, ergaben übereinstimmend eine optimale Ligandenkonzentration für SA Bindung und Zelladhäsion bei einem Peptid zu Prepolymer Verhältnis von 1/5. Dies unterstreicht, wie wichtig der Vergleich der Methoden, als auch die Verwendung von oberflächensensitiven Methoden ist. Der dritten Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit der biochemischen und strukturellen Nachahmung der komplexen extrazellulären Umgebung (Advanced ECM engineering), ein wichtiger Aspekt in der Biomaterialforschung, da zum größten Teil zwei-dimensionale Biomaterialien zum Einsatz kommen, die direkt mit Liganden kovalent funktionalisiert werden. Die ECM ist jedoch um ein Vielfaches komplexer und die bestmögliche Nachahmung ist Voraussetzung für eine bessere Akzeptanz durch Zellen und Gewebe. In Kapitel 9 wurde eine Möglichkeit aufgezeigt, das ECM Protein FN nicht-kovalent über Zucker-Lektinbindungen zu immobilisieren. Ein Schichtaufbau von Hydrogel, dem darauf durch Mikrokontakt-druckverfahren (MCP) kovalent gebundenen Zucker Poly-N-Acetyllaktosamin (polyLacNAc) und den darauf nicht-kovalent gebundenen Galektin His6CGL2 und FN, konnte mit Fluoreszenzfärbung elegant nachgewiesen werden. Optimale Konzentrationen für den Schichtaufbau wurden mittels ELLA/ELISA auf Hydrogelschichten ermittelt, die durch Inkubation mit dem Zucker funktionalisiert wurden. Nur der komplette Schichtaufbau konnte zufriedenstellende HDF Adhäsion vermitteln und im Vergleich zu Zellkulturpolystyrol (TCPS) Oberflächen konnten HDFs auf dem biomimetischen Schichtaufbau schneller adhärieren und spreiten. Zudem wurde die Umorganisierung von auf Glas adsorbiertem FN, auf NCO-sP(EO-stat-PO) kovalent gebundenem FN und biomimetisch über polyLAcNAc-His6CGL2 gebundenem FN durch HDFs verglichen. Nur auf den biomimetischen Oberflächen schien eine Umorganisation durch die Zellen möglich, wie sie auch in der ECM zu finden ist. Diese biomimetische und flexible Präsentation eines Proteins erwies sich als vielversprechende Möglichkeit eine biomimetischere Oberfläche für Zellen zu schaffen, die eine optimale Biokompatibilität ermöglichen könnte. Auch die strukturelle Nachahmung der ECM ist eine vielversprechende Strategie zum Nachbau der ECM. In Kapitel 10 wurde ein Einschrittverfahren zur Herstellung synthetischer, bioaktiver und degradierbarer Faserkonstrukte durch Elektrospinnen zur Nachahmung der ECM präsentiert. In diesem System wurden durch Zugabe von NCO-sP(EO-stat-PO) als reaktives Additiv zu Poly(D,L-laktid-co-Glycolid) (PLGA) Fasern hergestellt, die mit einer ultradünnen, inerten Hydrogelschicht versehen waren. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Verwendung von NCO-sP(EO-stat-PO) als Additiv die Adsorption von Rinderserumalbumin (BSA) im Vergleich zu PLGA um 99,2% reduziert, die Adhäsion von HDFs verhindert und die Adhäsion von humanen mesenchymalen Stammzellen (MSC) minimiert werden konnten. Spezifische Bioaktivierung wurde durch Zugabe von Peptidsequenzen zur Spinlösung erreicht, welche kovalent in die Hydrogelschicht eingebunden werden konnten und kontrollierte Zell-Faser Interaktionen ermöglichten, Um die spezifische Zelladhäsion an solchen inerten Fasern zu erzielen, wurde GRGDS kovalent auf der Faseroberfläche gebunden. Dies erfolgte durch Zugabe des Peptids zur Polymerlösung vor dem Elektrospinnen. Als Negativkontrolle wurde die Peptidsequenz GRGES an die Faseroberfläche gebunden, welche durch Zellen nicht erkannt wird. Während die Verhinderung unspezifischer Proteinadsorption für die Peptidmodifizierten Fasern erhalten blieb, konnten HDFs lediglich auf den mit GRGDS Peptid modifizierten Fasern adhärieren, proliferieren und nach zwei Wochen eine konfluente Zellschicht aus vitalen Zellen bilden. Zusätzlich konnten MSCs auf GRGDS funktionalisierten Fasern adhärieren. Liganden konnten auf Fasern quantifiziert werden, indem die ELISA Technik aus Kapitel 6 auf Faseroberflächen transferiert wurde. Um das Potential der biochemischen und strukturellen Nachbildung der ECM aufzuzeigen, wurden beide Ansätze miteinander kombiniert. Die Immobilisierung von polyLacNAc auf die Hydrogelfasern durch Inkubation und der Schichtaufbau mit His6CGL2 und FN resultierte in HDF Adhäsion.
N2  - This thesis concerned the quantification of cell adhesion molecules (CAM) in and on thin hydrogel films as surface modification of biomaterials. The established and well characterized, per se inert NCO-sP(EO-stat-PO) hydrogel system which allows the easy and reproducible bioactivation with peptides was used as basis for this thesis. Two methods can be used to functionalize the coatings. Ligands can either be mixed into the prepolymer solution in prior to layer formation (mix-in method), or freshly prepared coatings can be incubated with ligand solution (incubation method). Divided into three major parts, the first part of the thesis dealt with the concentration of ligands in the bulk hydrogel, whereas the second part of the thesis focused on the surface sensitive quantification of CAMs at the biointerface. The results were correlated with cell adhesion kinetics. The third part of this thesis investigated the biochemical and the structural mimicry of the extracellular matrix (ECM). ECM proteins were presented via sugar-lectin mediated binding and cell behavior on these surfaces was analyzed. Cell behavior on three-dimensional fibers with identical surface chemistry as the coatings in the previous sections of the thesis was analyzed and correlated with the amount of peptide used for bioactivation. Overall, the main question of this work was ‘How much?’ regarding maximal as well as optimal ligand concentrations for controlled cell-hydrogel interactions. The focus in the first practical part of this thesis was to analyze the amount of ligands in NCO-sP(EO-stat-PO) hydrogels using classical quantification methods. Coatings in 96-well plates as well as on glass were functionalized with GRGDS and 125I-YRGDS for radioisotopic detection (Chapter 3). Using the incubation method for functionalization, a maximal ligand binding using peptide concentrations of 600 µg/mL could be determined. When functionalization was introduced via the mix-in method, a clear tendency for higher ligand concentrations with increasing ligand to prepolymer ratio was observed, but no maximal ligand binding could be detected with a ligand to prepolymer ratio of 2/1 being the highest ratio investigated. This ratio of 2/1 was not exceeded to ensure that complete crosslinking of the hydrogel was not affected. In Chapter 4, a fluorinated amino acid and an iodinated peptide were immobilized to the hydrogels using the mix-in method and were detected by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS). In these measurements, maximal ligand binding was detected for a ligand to prepolymer ratio of 1/1. Higher ligand to prepolymer ratios did not result in any significant increase in ligand concentrations in the surface near regions of the crosslinked hydrogels. To address the question of how many ligands were actually accessible for cell interaction at the interface, surface sensitive quantification methods were applied in the second part of this thesis. For the quantification with surface plasmon resonance (SPR) and surface acoustic wave technology (SAW) (Chapter 5), the hydrogel coating procedure needed to be transferred onto cystamine functionalized gold surfaces. Characterization with ellipsometry and atomic force microscopy (AFM) revealed inhomogeneous cystamine binding to the activated surfaces, which resulted in inhomogeneous coatings. Nevertheless, it could be shown that SPR as well as SAW were suitable methods for the surface sensitive quantification of the ligand concentration on NCO-sP(EO-stat-PO) hydrogels. Non-functionalized coatings resisted non-specific serum as well as streptavidin (SA) adsorption. Coatings functionalized with biocytin and GRGDSK-biotin introduced specific SA binding that was dependent on the biotin concentration at the surface. Additionally, enzyme linked immunosorbent assay (ELISA) and enzyme linked lectin assay (ELLA) (Chapter 6) were applied to coatings in 96-well plates and on glass. Coatings were functionalized with the model molecule biocytin, the biotinylated peptide GRGDSK-biotin, the ECM protein fibronectin (FN), as well as the carbohydrates N-acetylglucosamine (GlcNAc) and N-acetyllactosamine (LacNAc). All ligands could be successfully detected with antibodies or SA via ELISA or ELLA. Maximal GRGDSK-biotin binding to the hydrogel coatings on glass was achieved at a peptide to prepolymer ratio of 1/5, which was used as reference value in Chapter 8. Last but not least, cell adhesion (Chapter 7) was quantified depending on the GRGDS concentration on hydrogel coatings on glass. Maximal adhesion of primary human dermal fibroblast (HDF) was observed at GRGDS to prepolymer ratios of 1/5, when adherent cells were counted on life cell images. Quantification of adherent cells using the CASY® cell counter revealed maximal HDF adhesion at molar ligand to prepolymer ratios of 1/2. However, cell vitality detected by intracellular enzyme activities was not dependent on the GRGDS concentration. Cells which managed to adhere were vital regardless of the amount of ligands present. Additionally, adhesion of fibroblasts from the murine cell line NIH L929 was analyzed by counting on life cell images. These cells, being much smaller than the HDF cells, needed higher GRGDS to prepolymer ratios (2/1) for proper cell adhesion. All quantification methods applied to analyze hydrogels which were functionalized by the mix-in method in Chapter 3, 4, 6 and 7, were compared in Chapter 8. Radiodetection gave information about the ligand concentrations throughout the whole hydrogel and no maximal amount of ligands could be detected when increasing the peptide to prepolymer ratio. In contrast, XPS and TOF-SIMS which only penetrated the surface near regions of the coating, a maximal ligand binding to the hydrogel was detected for 1/1 ratios. SPR and SAW were not included in this comparison, as the coatings on gold need to be optimized first. The two surface sensitive quantification methods (ELISA and HDF adhesion) could give information about the quantity of peptide which was sterically available for SA or cell binding. With these methods, maximal SA and cell binding was detected at ratios of 1/5. These results underline the importance of carefully compare the different methods. Beside ligand quantification on hydrogels, the third part of this thesis was concerned with the biochemical and structural mimicry of the ECM by advanced ECM engineering to design biomimetic biomaterials that are better accepted by cells and tissue. The subject of Chapter 9 was the biomimetic and flexible presentation of the ECM protein FN. FN was attached via sugar-lectin mediated binding to NCO-sP(EO-stat-PO) hydrogels. The build-up of the covalently immobilized sugar poly-N-acetyllactosamine (polyLacNAc), the subsequent non-covalent binding of the fungal galectin His6CGL2, and FN could be elegantly proven by fluorescent staining on coatings which were functionalized with the sugar by micro contact printing (MCP). Further experiments were carried out on build-ups, where polyLacNAc was immobilized on the hydrogel by incubation. Optimal parameters for the layer build-up were determined by ELLA/ELISA. Only the complete build-up induced proper adhesion of HDFs. Compared to tissue culture polystyrene (TCPS), cells adhered and spread faster on the biomimetic surfaces. The flexible presentation of FN allowed HDFs to rearrange homogenously immobilized FN into fibrillar structures, which seemed not to be possible when FN was adsorbed on glass or covalently bound directly to the hydrogel coatings. This new approach of a flexible and biomimetic presentation of an ECM protein allows new ways to design biomaterials with best possible cell-material interactions. The work described in Chapter 10 focused on the structural mimicry of the fibrous ECM structures by electrospinning of synthetic, bioactive, and degradable fibers. Poly(D,L-lactide-co-glycolide) (PLGA) and NCO-sP(EO-stat-PO) were electrospun out of one solution in an easy one-step preparation resulting in fibers with an ultrathin inert hydrogel layer at the surface. By adding GRGDS to the solution prior to electrospinning, specifically interacting fibers could be obtained. In comparison to PLGA, the adsorption of bovine serum albumin (BSA) could be reduced by 99.2%. As a control, the non-active peptide GRGES was immobilized to the fiber. These fibers did not allow cell adhesion, showing that the integrity of the hydrogel coated fibers was not affected by the immobilization of peptides. HDF adhesion was obtained by functionalization with GRGDS, leading to the adhesion, spreading, and proliferation of HDFs. Also mesenchymal stem cells (MSC) could adhere to GRGDS functionalized fibers. Additionally, for ligand quantification, the ELISA technique was successfully transferred to fiber substrates. To highlight the potential of the approaches for the biochemical and structural mimicry of the ECM, the sugar polyLacNAc was immobilized on the PLGA/sP(EO-stat-PO) fibers followed by the subsequent layer build-up with His6CGL2 and FN. These fibers triggered HDF adhesion.
KW  - Hydrogel
KW  - Biomaterial
KW  - Zelladhäsion
KW  - Adsorption
KW  - Ligand
KW  - Quantifizierung
KW  - Proteinadsorption
KW  - Funktionalisierung <Chemie>
KW  - protein adsorption
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-74454
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schlosser, Felix
T1  - Synthese und Charakterisierung kovalent gebundener Perylenbisimid-Makrozyklen
T1  - Synthesis and characterization of covalently linked perylene bisimide macrocycles
N2  - Eine Reihe von Acetylen-verknüpften Perylenbisimid(PBI)-Makrozyklen mit unterschiedlicher Ringgröße wurde durch Palladium-katalysierte Homokupplung synthetisiert und mit Hilfe von Recycling-GPC getrennt. Diese Makrozyklen wurden durch NMR-Spektroskopie und Massenspektrometrie charakterisiert und weiterhin die photophysikalischen Eigenschaften durch UV/Vis-Absorptions- und Fluoreszenzemissions-Messungen untersucht. Die Selbstorganisation dieser PBI-Makrozyklen zu hochgeordneten Nanostrukturen auf HOPG-Oberflächen wurde mittels Rasterkraftmikroskopie untersucht.
N2  - A series of acetylene-linked perylene bisimide (PBI) macrocycles with various ring sizes have been synthesised by a palladium-catalysed homocoupling reaction and separated by recycling GPC. These macrocycles were characterised by NMR spectroscopy and mass spectrometry. Furthermore, the photophysical properties have been examined by steady-state absorption and fluorescence measurements. The self-assembly of these PBI macrocycles into highly ordered nanopatterns on HOPG surfaces was investigated by atomic force microscopy.
KW  - Makrocyclische Verbindungen
KW  - Perylenderivate
KW  - Selbstorganisation
KW  - Perylen
KW  - Farbstoff
KW  - Makrozyklus
KW  - supramolekular
KW  - Perylendianhydrid
KW  - Oberflächenstruktur
KW  - perylene
KW  - dye
KW  - macrocycle
KW  - supramolecular
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-71811
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmidt, Ralf
T1  - Hamilton-Receptor-Mediated Self-Assembly of Merocyanine Dyes into Supramolecular Polymers
T1  - Hamilton-Rezeptor-vermittelte Selbstorganisation von Merocyaninfarbstoffen zu supramolekularen Polymeren
N2  - Die Selbstorganisation von Merocyaninfarbstoffen zu supramolekularen Polymeren wurde untersucht. Dabei konnte die Anordnung der hoch dipolaren Farbstoffe durch die Verwendung von verschiedenen Kombinationen von Wasserstoffbrückenbindungsmotiven und dipolarer Aggregation der Chromophore gesteuert.
N2  - The self-assembly of merocyanine dyes into supramolecular polymers has been studied. Thereby, the spacial arrangement of the highly dipolar dyes has been controled by employing different combinations of hydrogen bonding motifs and dipolar aggregation of the chromophores.
KW  - Selbstorganisation
KW  - Merocyanine
KW  - Polymere
KW  - Supramolekulare Struktur
KW  - Organische Chemie
KW  - cooperativity
KW  - dipolar aggregation
KW  - dyes/pigments
KW  - hydrogen bond
KW  - self-assembly
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-56265
ER  -