TY - JOUR A1 - Wehner, Marius A1 - Röhr, Merle Insa Silja A1 - Stepanenko, Vladimir A1 - Würthner, Frank T1 - Control of self-assembly pathways toward conglomerate and racemic supramolecular polymers JF - Nature Communications N2 - Homo- and heterochiral aggregation during crystallization of organic molecules has significance both for fundamental questions related to the origin of life as well as for the separation of homochiral compounds from their racemates in industrial processes. Herein, we analyse these phenomena at the lowest level of hierarchy - that is the self-assembly of a racemic mixture of (R,R)- and (S,S)-PBI into 1D supramolecular polymers. By a combination of UV/vis and NMR spectroscopy as well as atomic force microscopy, we demonstrate that homochiral aggregation of the racemic mixture leads to the formation of two types of supramolecular conglomerates under kinetic control, while under thermodynamic control heterochiral aggregation is preferred, affording a racemic supramolecular polymer. FT-IR spectroscopy and quantum-chemical calculations reveal unique packing arrangements and hydrogen-bonding patterns within these supramolecular polymers. Time-, concentration- and temperature-dependent UV/vis experiments provide further insights into the kinetic and thermodynamic control of the conglomerate and racemic supramolecular polymer formation. Homo- and heterochiral aggregation is a process of interest to prebiotic and chiral separation chemistry. Here, the authors analyze the self-assembly of a racemic mixture into 1D supramolecular polymers and find homochiral aggregation into conglomerates under kinetic control, while under thermodynamic control a racemic polymer is formed. KW - perylene bismide dye KW - nucleation-elongation KW - PI stacking KW - polymerization KW - complexity KW - mechanism KW - crystals KW - kinetics KW - growth Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230580 VL - 11 ER - TY - JOUR A1 - Wen, Xinbo A1 - Nowak-Król, Agnieszka A1 - Nagler, Oliver A1 - Kraus, Felix A1 - Zhu, Na A1 - Zheng, Nan A1 - Müller, Matthias A1 - Schmidt, David A1 - Xie, Zengqi A1 - Würthner, Frank T1 - Tetrahydroxy-perylene bisimide embedded in zinc oxide thin film as electron transporting layer for high performance non-fullerene organic solar cells JF - Angewandte Chemie International Edition N2 - By introduction of four hydroxy (HO) groups into the two perylene bisimide (PBI) bay areas, new HO‐PBI ligands were obtained which upon deprotonation can complex ZnII ions and photosensitize semiconductive zinc oxide thin films. Such coordination is beneficial for dispersing PBI photosensitizer molecules evenly into metal oxide films to fabricate organic–inorganic hybrid interlayers for organic solar cells. Supported by the photoconductive effect of the ZnO:HO‐PBI hybrid interlayers, improved electron collection and transportation is achieved in fullerene and non‐fullerene polymer solar cell devices, leading to remarkable power conversion efficiencies of up to 15.95 % for a non‐fullerene based organic solar cell. KW - hydroxylation KW - metal complexenes KW - perylene bisimide KW - photoconductive interlayer KW - solar cells Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-204723 VL - 58 IS - 37 ER - TY - JOUR A1 - Syamala, Pradeep P. N. A1 - Würthner, Frank T1 - Modulation of the Self‐Assembly of π‐Amphiphiles in Water from Enthalpy‐ to Entropy‐Driven by Enwrapping Substituents JF - Chemistry – A European Journal N2 - Depending on the connectivity of solubilizing oligoethylene glycol (OEG) side chains to the π‐cores of amphiphilic naphthalene and perylene bisimide dyes, self‐assembly in water occurs either upon heating or cooling. Herein, we show that this effect originates from differences in the enwrapping capability of the π‐cores by the OEG chains. Rylene bisimides bearing phenyl substituents with three OEG chains attached directly to the hydrophobic π‐cores are strongly sequestered by the OEG chains. These molecules self‐assemble at elevated temperatures in an entropy‐driven process according to temperature‐ and concentration‐dependent UV/Vis spectroscopy and calorimetric dilution studies. In contrast, for rylene bisimides in which phenyl substituents with three OEG chains are attached via a methylene spacer, leading to much weaker sequestration, self‐assembly originates upon cooling in an enthalpy‐driven process. Our explanation for this controversial behavior is that the aggregation in the latter case is dictated by the release of “high energy water” from the hydrophobic π‐surfaces as well as dispersion interactions between the π‐scaffolds which drive the self‐assembly in an enthalpically driven process. In contrast, for the former case we suggest that in addition to the conventional explanation of a dehydration of hydrogen‐bonded water molecules from OEG units it is in particular the increase in conformational entropy of back‐folded OEG side chains upon aggregation that provides the pronounced gain in entropy that drives the aggregation process. Thus, our studies revealed that a subtle change in the attachment of solubilizing substituents can switch the thermodynamic signature for the self‐assembly of amphiphilic dyes in water from enthalpy‐ to entropy‐driven. KW - amphiphilic dyes KW - self-assembly KW - thermodynamics KW - OEG chains KW - π-conjugated systems Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-218107 VL - 26 IS - 38 SP - 8426 EP - 8434 ER - TY - JOUR A1 - Griesbeck, Stefanie A1 - Michail, Evripidis A1 - Rauch, Florian A1 - Ogasawara, Hiroaki A1 - Wang, Chenguang A1 - Sato, Yoshikatsu A1 - Edkins, Robert M. A1 - Zhang, Zuolun A1 - Taki, Masayasu A1 - Lambert, Christoph A1 - Yamaguchi, Shigehiro A1 - Marder, Todd B. T1 - The Effect of Branching on the One‐ and Two‐Photon Absorption, Cell Viability, and Localization of Cationic Triarylborane Chromophores with Dipolar versus Octupolar Charge Distributions for Cellular Imaging JF - Chemistry – A European Journal N2 - Two different chromophores, namely a dipolar and an octupolar system, were prepared and their linear and nonlinear optical properties as well as their bioimaging capabilities were compared. Both contain triphenylamine as the donor and a triarylborane as the acceptor, the latter modified with cationic trimethylammonio groups to provide solubility in aqueous media. The octupolar system exhibits a much higher two‐photon brightness, and also better cell viability and enhanced selectivity for lysosomes compared with the dipolar chromophore. Furthermore, both dyes were applied in two‐photon excited fluorescence (TPEF) live‐cell imaging. KW - boranes KW - cell imaging KW - fluorescence KW - lysosome KW - two-photon excited fluorescence Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-212887 VL - 25 IS - 57 SP - 13164 EP - 13175 ER - TY - JOUR A1 - Noll, Niklas A1 - Groß, Tobias A1 - Shoyama, Kazutaka A1 - Beuerle, Florian A1 - Würthner, Frank T1 - Folding‐Induced Promotion of Proton‐Coupled Electron Transfers via Proximal Base for Light‐Driven Water Oxidation JF - Angewandte Chemie International Edition N2 - Proton‐coupled electron‐transfer (PCET) processes play a key role in biocatalytic energy conversion and storage, for example, photosynthesis or nitrogen fixation. Here, we report a series of bipyridine‐containing di‐ to tetranuclear Ru(bda) macrocycles 2 C–4 C (bda: 2,2′‐bipyridine‐6,6′‐dicarboxylate) to promote O−O bond formation. In photocatalytic water oxidation under neutral conditions, all complexes 2 C–4 C prevail in a folded conformation that support the water nucleophilic attack (WNA) pathway with remarkable turnover frequencies of up to 15.5 s\(^{−1}\) per Ru unit respectively. Single‐crystal X‐ray analysis revealed an increased tendency for intramolecular π‐π stacking and preorganization of the proximal bases close to the active centers for the larger macrocycles. H/D kinetic isotope effect studies and electrochemical data demonstrate the key role of the proximal bipyridines as proton acceptors in lowering the activation barrier for the crucial nucleophilic attack of H\(_{2}\)O in the WNA mechanism. KW - artificial photosynthesis KW - folded macrocyles KW - homogeneous catalysis KW - photocatalysis KW - Ruthenium complexes Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-312020 VL - 62 IS - 7 ER - TY - JOUR A1 - Schlauersbach, Jonas A1 - Hanio, Simon A1 - Lenz, Bettina A1 - Vemulapalli, Sahithya P. B. A1 - Griesinger, Christian A1 - Pöppler, Ann-Christin A1 - Harlacher, Cornelius A1 - Galli, Bruno A1 - Meinel, Lorenz T1 - Leveraging bile solubilization of poorly water-soluble drugs by rational polymer selection JF - Journal of Controlled Release N2 - Poorly water-soluble drugs frequently solubilize into bile colloids and this natural mechanism is key for efficient bioavailability. We tested the impact of pharmaceutical polymers on this solubilization interplay using proton nuclear magnetic resonance spectroscopy, dynamic light scattering, and by assessing the flux across model membranes. Eudragit E, Soluplus, and a therapeutically used model polymer, Colesevelam, impacted the bile-colloidal geometry and molecular interaction. These polymer-induced changes reduced the flux of poorly water-soluble and bile interacting drugs (Perphenazine, Imatinib) but did not impact the flux of bile non-interacting Metoprolol. Non-bile interacting polymers (Kollidon VA 64, HPMC-AS) neither impacted the flux of colloid-interacting nor colloid-non-interacting drugs. These insights into the drug substance/polymer/bile colloid interplay potentially point towards a practical optimization parameter steering formulations to efficient bile-solubilization by rational polymer selection. KW - polymer drug interaction KW - flux KW - bile salt KW - simulated intestinal fluid KW - colloid Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-296957 VL - 330 ET - Accepted Version ER - TY - JOUR A1 - Schnitzlein, Matthias A1 - Mützel, Carina A1 - Shoyama, Kazutaka A1 - Farrell, Jeffrey M. A1 - Würthner, Frank T1 - PAHs Containing both Heptagon and Pentagon: Corannulene Extension by [5+2] Annulation JF - European Journal of Organic Chemistry N2 - Utilizing Pd‐catalyzed [5+2] annulation a series of heptagon‐extended corannulenes could be synthesized from a borinic acid precursor furnished by C−H borylation strategy. Single‐crystal X‐ray analysis revealed the presence of two conformational enantiomers crystallizing in a racemic mixture. Through their embedded five‐ and seven‐membered rings these polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) exhibit both negative and positive curvature and UV/Vis/NIR absorption spectroscopy as well as cyclic voltammetry experiments provided insights into the influence of larger flanking aromatic systems and electron‐donating substituents encompassing the heptagonal ring. Through [5+2] annulation of acenaphthylene an azulene‐containing PAH with intriguing optoelectronical properties including a very small bandgap and absorption over the whole visible spectrum could be obtained. Theoretical calculations were employed to elucidate the long‐wavelength absorption and aromaticity. KW - annulation KW - aromaticity KW - azulene KW - Corannulene KW - polycyclic aromatic hydrocarbons Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-262627 VL - 2022 IS - 5 ER - TY - JOUR A1 - Abdelhameed, Reda F. A. A1 - Habib, Eman S. A1 - Eltahawy, Nermeen A. A1 - Hassanean, Hashim A. A1 - Ibrahim, Amany K. A1 - Mohammed, Anber F. A1 - Fayez, Shaimaa A1 - Hayallah, Alaa M. A1 - Yamada, Koji A1 - Behery, Fathy A. A1 - Al-Sanea, Mohammad M. A1 - Alzarea, Sami I. A1 - Bringmann, Gerhard A1 - Ahmed, Safwat A. A1 - Abdelmohsen, Usama Ramadan T1 - New cytotoxic natural products from the Red Sea sponge Stylissa carteri JF - Marine Drugs N2 - Bioactivity-guided isolation supported by LC-HRESIMS metabolic profiling led to the isolation of two new compounds, a ceramide, stylissamide A (1), and a cerebroside, stylissoside A (2), from the methanol extract of the Red Sea sponge Stylissa carteri. Structure elucidation was achieved using spectroscopic techniques, including 1D and 2D NMR and HRMS. The bioactive extract’s metabolomic profiling showed the existence of various secondary metabolites, mainly oleanane-type saponins, phenolic diterpenes, and lupane triterpenes. The in vitro cytotoxic activity of the isolated compounds was tested against two human cancer cell lines, MCF-7 and HepG2. Both compounds, 1 and 2, displayed strong cytotoxicity against the MCF-7 cell line, with IC\(_{50}\) values at 21.1 ± 0.17 µM and 27.5 ± 0.18 µM, respectively. They likewise showed a promising activity against HepG2 with IC\(_{50}\) at 36.8 ± 0.16 µM for 1 and IC\(_{50}\) 30.5 ± 0.23 µM for 2 compared to the standard drug cisplatin. Molecular docking experiments showed that 1 and 2 displayed high affinity to the SET protein and to inhibitor 2 of protein phosphatase 2A (I2PP2A), which could be a possible mechanism for their cytotoxic activity. This paper spreads light on the role of these metabolites in holding fouling organisms away from the outer surface of the sponge, and the potential use of these defensive molecules in the production of novel anticancer agents. KW - LC-HRESIMS KW - Stylissa carteri KW - ceramide KW - cerebroside KW - docking KW - cytotoxic activity Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-205795 SN - 1660-3397 VL - 18 IS - 5 ER - TY - JOUR A1 - Neitz, Hermann A1 - Bessi, Irene A1 - Kachler, Valentin A1 - Michel, Manuela A1 - Höbartner, Claudia T1 - Tailored tolane‐perfluorotolane assembly as supramolecular base pair replacement in DNA JF - Angewandte Chemie International Edition N2 - Arene‐fluoroarene interactions offer outstanding possibilities for engineering of supramolecular systems, including nucleic acids. Here, we implement the tolane‐perfluorotolane interaction as base pair replacement in DNA. Tolane (THH) and perfluorotolane (TFF) moieties were connected to acyclic backbone units, comprising glycol nucleic acid (GNA) or butyl nucleic acid (BuNA) building blocks, that were incorporated via phosphoramidite chemistry at opposite positions in a DNA duplex. Thermodynamic analyses by UV thermal melting revealed a compelling stabilization by THH/TFF heteropairs only when connected to the BuNA backbone, but not with the shorter GNA linker. Detailed NMR studies confirmed the preference of the BuNA backbone for enhanced polar π‐stacking. This work defines how orthogonal supramolecular interactions can be tailored by small constitutional changes in the DNA backbone, and it inspires future studies of arene‐fluoroarene‐programmed assembly of DNA. KW - arene-fluoroarene KW - artificial base pair KW - DNA KW - sSupramolecular interaction KW - XNA Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-312575 VL - 62 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Schlossarek, Tim A1 - Stepanenko, Vladimir A1 - Beuerle, Florian A1 - Würthner, Frank T1 - Self‐assembled Ru(bda) Coordination Oligomers as Efficient Catalysts for Visible Light‐Driven Water Oxidation in Pure Water JF - Angewandte Chemie International Edition N2 - Water‐soluble multinuclear complexes based on ruthenium 2,2′‐bipyridine‐6,6′‐dicarboxylate (bda) and ditopic bipyridine linker units are investigated in three‐component visible light‐driven water oxidation catalysis. Systematic studies revealed a strong enhancement of the catalytic efficiency in the absence of organic co‐solvents and with increasing oligomer length. In‐depth kinetic and morphological investigations suggest that the enhanced performance is induced by the self‐assembly of linear Ru(bda) oligomers into aggregated superstructures. The obtained turnover frequencies (up to 14.9 s\(^{−1}\)) and turnover numbers (more than 1000) per ruthenium center are the highest reported so far for Ru(bda)‐based photocatalytic water oxidation systems. KW - artificial photosynthesis KW - coordination oligomer KW - photocatalysis KW - Ruthenium complexes KW - water oxidation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-312184 VL - 61 IS - 52 ER - TY - THES A1 - Steinmetzger, Christian T1 - Fluorogenic Aptamers and Fluorescent Nucleoside Analogs as Probes for RNA Structure and Function T1 - Fluorogene Aptamere und Fluoreszierende Nukleosid-Analoga als Sonden für RNA-Struktur und -Funktion N2 - RNA plays a key role in numerous cellular processes beyond the central dogma of molecular biology. Observing and understanding this wealth of functions, discovering new ones and engineering them into purpose-built tools requires a sensitive means of observation. Over the past decade, fluorogenic aptamers have emerged to fill this niche. These short oligonucleotides are generated by in vitro selection to specifically interact with small organic fluorophores and can be utilized as genetically encoded tags for RNAs of interest. The most versatile class of fluorogenic aptamers is based on derivatives of hydroxybenzylidene imidazolone (HBI), a conditional fluorophore mimicking the chromophore structure found in green and red fluorescent proteins. The respective aptamers are well-known by the “vegetable” nomenclature, including Spinach, Broccoli and Corn, and have found numerous applications for studying RNA function in vitro and in cells. Their success, however, is somewhat overshadowed by individual shortcomings such as a propensity for misfolding, dependence on unphysiologically high concentrations of magnesium ions or, in the case of Corn, dimerization that might affect the function of the tagged RNA. Moreover, most fluorogenic aptamers exhibit limited ligand promiscuity by design, thereby restricting their potential for spectral tuning to a narrow window of wavelengths. This thesis details the characterization of a new fluorogenic aptamer system nicknamed Chili. Chili is derived from an aptamer that was originally selected to bind 4-hydroxy-3,5-dimethoxy¬hydroxy-benzylidene imidazolone (DMHBI), resulting in a green fluorescent complex. Unlike other aptamers of its kind, Chili engages in a proton transfer cycle with the bound ligand, resulting in a remarkably large Stokes shift of more than 130 nm. By means of an empirical ligand optimization approach, several new DMHBI derivatives were found that bind to Chili with high affinity, furnishing complexes up to 7.5 times brighter compared to the parent ligand. In addition, Chili binds to π-extended DMHBI derivatives that confer fluorescence in the yellow–red region of the visible spectrum. The highest affinity and degree of fluorescence turn-on for both green and red fluorogenic ligands were achieved by the incorporation of a unique, positively charged substituent into the HBI scaffold. Supplemented by NMR spectroscopy, kinetic and thermodynamic studies showed that the binding site of Chili is loosely preorganized in the absence of ligand and likely forms a G-quadruplex upon ligand binding. To showcase future applications, Chili was incorporated into a FRET sensor for monitoring the cleavage of an RNA substrate by a 10-23 DNAzyme. Besides aptamers as macromolecular fluorescent complexes, fluorescent nucleobase analogs are powerful small isomorphic components of RNA suitable for studying structure and folding. Here, the highly emissive nucleobase analog 4-cyanoindole (4CI) was developed into a ribonucleoside (r4CI) for this purpose. A new phosphoramidite building block was synthesized to enable site-specific incorporation of 4CI into RNA. Thermal denaturation experiments confirmed that 4CI behaves as a universal nucleobase, i.e. without bias towards any particular hybridization partner. Photophysical characterization established r4CI as a generally useful fluorescent ribonucleoside analog. In this work, it was employed to gain further insight into the structure of the Chili aptamer. Using several 4CI-modified Chili–HBI complexes, a novel base–ligand FRET assay was established to obtain a set of combined distance and orientation restraints for the tertiary structure of the aptamer. In addition to their utility for interrogating structure and binding, supramolecular FRET pairs comprising a fluorescent nucleobase analog donor and an innately fluorogenic acceptor hold great promise for the construction of color-switchable RNA aptamer sensor devices. N2 - Weit über das zentrale Dogma der Molekularbiologie hinaus ist RNA an einer Vielzahl zellulärer Prozesse beteiligt. Um diese Prozesse aufzuklären, sie umfassend zu verstehen und sich zunutze zu machen bedarf es geeigneter Detektionsmethoden für RNA. Innerhalb des letzten Jahrzehnts wurden fluorogene Aptamere als ideales Werkzeug für diesen Zweck erkannt. Dabei handelt es sich um vergleichsweise kurze Oligonukleotide, die mittels in vitro-Selektion zur spezifischen Bindung bestimmter organischer Fluorophore erzeugt werden. Analog zu fluoreszierenden Proteinen können sie zur Fluoreszenzmarkierung von RNA eingesetzt werden. Die wichtigste Klasse fluorogener Aptamere bindet und aktiviert Derivate des latenten Fluorophors 4-Hydroxybenzylidenimidazolon (HBI), welcher ursprünglich im Kern fluoreszierender Proteine autokatalytisch aus einem Tripeptid-Fragment entsteht und deren spektrale Eigenschaften bestimmt. Vertreter dieser Klasse, namentlich Spinach, Broccoli und Corn, haben sich als alltägliches Werkzeug zur Fluoreszenzmarkierung von RNA etabliert. Diesem Erfolg gegenüber stehen Unzulänglichkeiten, die das Potential einzelner Aptamere begrenzen. Beispielsweise kann es zur Ausbildung inaktiver Faltungszustände der RNA kommen oder die Fluoreszenzaktivierung erfordert eine hohe Magnesiumkonzentration, welche in Zellen nicht frei verfügbar ist. Im Fall des Corn-Aptamers bildet sich ein Homodimer, was unter Umständen die zu untersuchende RNA beeinträchtigen kann. Darüber hinaus ist, aufgrund der spezifischen Fluorophorbindung, jeweils nur geringes Potenzial zur gezielten Beeinflussung spektraler Eigenschaften vorhanden. Kern dieser Arbeit ist die umfassende Charakterisierung des neuen Chili-Systems. Chili ist die optimierte Version eines Aptamers, welches einen grün fluoreszierenden Komplex mit 4-Hydroxy-3,5-dimethoxybenzylidenimidazolon (DMHBI) ausbildet. Im Gegensatz zu anderen HBI-bindenden Aptameren vollzieht Chili einen Protonenaustausch mit seinem Liganden, woraus Fluoreszenz-emission mit einer ungewöhnlich hohen Stokes-Verschiebung von über 130 nm resultiert. Die Struktur des ursprünglichen Liganden wurde im Hinblick auf höhere Affinität und stärkere Fluoreszenzemission optimiert, wobei ein bis zu 7.5-facher Gewinn an Helligkeit erzielt wurde. Als besonders vorteilhaft hat sich dafür die Einführung eines positiv geladenen Substituenten herausgestellt, der in dieser Form ein Alleinstellungsmerkmal von Chili ist. Auch stark modifizierte DMHBI-Derivate, die ein größeres konjugiertes System besitzen, werden von Chili gebunden und fluoreszieren daraufhin im gelben bis roten Bereich des sichtbaren Spektrums. Studien zur Ligandenbindungskinetik und thermischen Denaturierung des Aptamers legen nahe, dass die zunächst strukturarme Bindungstasche durch die Aufnahme des Liganden einen G-Quadruplex ausbildet, was ebenfalls durch NMR-spektroskopische Daten bestätigt wird. Als Beispiel für mögliche Anwendungen wurde das Chili-Aptamer eingesetzt, um die Spaltung eines RNA-Substrats durch ein 10-23 DNA-Enzym zu beobachten, wobei FRET zwischen dem Aptamer und einem Fluoreszenzmarker am Substrat als Reporter ausgenutzt wurde. Neben makromolekularen Aptamer-Komplexen können fluoreszierende Nukleobasenanaloga als isomorphe Einheiten in RNA integriert werden, um deren Faltungszustand zu untersuchen. In dieser Arbeit wurde das fluoreszierende Nukleobasenanalogon 4-Cyanodinol (4CI) in das entsprechende Ribonukleosid (r4CI) umgewandelt und daraus ein neuer Phosphoramiditbaustein zum Einbau des fluoreszierenden von 4CI in RNA synthetisiert. Anhand thermischer Denaturierungs¬experimente wurde gezeigt, dass es sich bei 4CI um eine universelle Base handelt, die ungeachtet des Hybridisierungskontexts toleriert wird. Die photophysikalische Charakterisierung von r4CI zeigte, dass das fluoreszierendes Ribonukleosid-Analogon seine nützlichen Eigenschaften nach dem Einbau in Oligonukleotide beibehält, sodass es zur Strukturanalyse des Chili-Aptamers verwendet werden konnte. Mithilfe 4CI-modifizierter Chili–HBI-Komplexe wurden erstmals intramolekulare FRET-Paare dieser Art erzeugt und zur Bestimmung kombinierter Abstands- und Orientierungsparameter genutzt. Über ihre Verwendung für Struktur- und Bindungsstudien hinaus stellen supramolekulare FRET-Paare aus fluoreszierenden Nukleobasen-Analoga als Donoren und intrinsisch fluorogenen Akzeptoren eine Möglichkeit dar, neue schaltbare Aptamer-basierte Sensoren zu entwickeln, welche auf die Erkennung ihrer Zielspezies mit einem Wechsel der Fluoreszenzemissionswellenlänge reagieren. KW - Aptamer KW - Nucleosidanaloga KW - RNS KW - Fluoreszenz KW - Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer KW - RNA KW - FRET KW - Nucleoside KW - Nucleinsäuren Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-207604 ER - TY - JOUR A1 - Kim, Jin Hong A1 - Schembri, Tim A1 - Bialas, David A1 - Stolte, Matthias A1 - Würthner, Frank T1 - Slip‐Stacked J‐Aggregate Materials for Organic Solar Cells and Photodetectors BT - This paper is dedicated to Prof. Daoben Zhu on the occasion of his 80th birthday JF - Advanced Materials N2 - Dye–dye interactions affect the optical and electronic properties in organic semiconductor films of light harvesting and detecting optoelectronic applications. This review elaborates how to tailor these properties of organic semiconductors for organic solar cells (OSCs) and organic photodiodes (OPDs). While these devices rely on similar materials, the demands for their optical properties are rather different, the former requiring a broad absorption spectrum spanning from the UV over visible up to the near‐infrared region and the latter an ultra‐narrow absorption spectrum at a specific, targeted wavelength. In order to design organic semiconductors satisfying these demands, fundamental insights on the relationship of optical properties are provided depending on molecular packing arrangement and the resultant electronic coupling thereof. Based on recent advancements in the theoretical understanding of intermolecular interactions between slip‐stacked dyes, distinguishing classical J‐aggregates with predominant long‐range Coulomb coupling from charge transfer (CT)‐mediated or ‐coupled J‐aggregates, whose red‐shifts are primarily governed by short‐range orbital interactions, is suggested. Within this framework, the relationship between aggregate structure and functional properties of representative classes of dye aggregates is analyzed for the most advanced OSCs and wavelength‐selective OPDs, providing important insights into the rational design of thin‐film optoelectronic materials. KW - crystal engineering KW - exciton coupling KW - J‐aggregates KW - organic photodiodes KW - organic solar cells Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-276537 VL - 34 IS - 22 ER - TY - JOUR A1 - Kokic, Goran A1 - Hillen, Hauke S. A1 - Tegunov, Dimitry A1 - Dienermann, Christian A1 - Seitz, Florian A1 - Schmitzova, Jana A1 - Farnung, Lucas A1 - Siewert, Aaron A1 - Höbartner, Claudia A1 - Cramer, Patrick T1 - Mechanism of SARS-CoV-2 polymerase stalling by remdesivir JF - Nature Communications N2 - Remdesivir is the only FDA-approved drug for the treatment of COVID-19 patients. The active form of remdesivir acts as a nucleoside analog and inhibits the RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) of coronaviruses including SARS-CoV-2. Remdesivir is incorporated by the RdRp into the growing RNA product and allows for addition of three more nucleotides before RNA synthesis stalls. Here we use synthetic RNA chemistry, biochemistry and cryoelectron microscopy to establish the molecular mechanism of remdesivir-induced RdRp stalling. We show that addition of the fourth nucleotide following remdesivir incorporation into the RNA product is impaired by a barrier to further RNA translocation. This translocation barrier causes retention of the RNA 3ʹ-nucleotide in the substrate-binding site of the RdRp and interferes with entry of the next nucleoside triphosphate, thereby stalling RdRp. In the structure of the remdesivir-stalled state, the 3ʹ-nucleotide of the RNA product is matched and located with the template base in the active center, and this may impair proofreading by the viral 3ʹ-exonuclease. These mechanistic insights should facilitate the quest for improved antivirals that target coronavirus replication. KW - SARS-CoV-2 polymerase KW - Remdesivir KW - RNA-dependent RNA polymerase KW - Molecular mechanism KW - Biochemistry KW - Cryoelectron microscopy KW - RNA Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-220979 VL - 12 ER - TY - JOUR A1 - Schindler, Dorothee A1 - Meza-Chincha, Anna-Lucia A1 - Roth, Maximilian A1 - Würthner, Frank T1 - Structure-Activity Relationship for Di- up to Tetranuclear Macrocyclic Ruthenium Catalysts in Homogeneous Water Oxidation JF - Chemistry—A European Journal N2 - Two di- and tetranuclear Ru(bda) (bda: 2,2′-bipyridine-6,6′-dicarboxylate) macrocyclic complexes were synthesized and their catalytic activities in chemical and photochemical water oxidation investigated in a comparative manner to our previously reported trinuclear congener. Our studies have shown that the catalytic activities of this homologous series of multinuclear Ru(bda) macrocycles in homogeneous water oxidation are dependent on their size, exhibiting highest efficiencies for the largest tetranuclear catalyst. The turnover frequencies (TOFs) have increased from di- to tetranuclear macrocycles not only per catalyst molecule but more importantly also per Ru unit with TOF of 6 \(^{-1}\) to 8.7 \(^{-1}\) and 10.5 s\(^{-1}\) in chemical and 0.6 s\(^{-1}\) to 3.3 \(^{-1}\) and 5.8 \(^{-1}\) in photochemical water oxidation per Ru unit, respectively. Thus, for the first time, a clear structure–activity relationship could be established for this novel class of macrocyclic water oxidation catalysts. KW - homogeneous catalysis KW - water oxidation KW - ruthenium catalysts KW - renewable fuels KW - metallomacrocycles Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-256792 VL - 27 IS - 68 ER - TY - JOUR A1 - Merz, Julia A1 - Dietrich, Lena A1 - Nitsch, Jörn A1 - Krummenacher, Ivo A1 - Braunschweig, Holger A1 - Moos, Michael A1 - Mims, David A1 - Lambert, Christoph A1 - Marder, Todd B. T1 - Synthesis, Photophysical and Electronic Properties of Mono‐, Di‐, and Tri‐Amino‐Substituted Ortho‐Perylenes, and Comparison to the Tetra‐Substituted Derivative JF - Chemistry – A European Journal N2 - We synthesized a series of new mono‐, di‐, tri‐ and tetra‐substituted perylene derivatives with strong bis(para‐methoxyphenyl)amine (DPA) donors at the uncommon 2,5,8,11‐positions. The properties of our new donor‐substituted perylenes were studied in detail to establish a structure‐property relationship. Interesting trends and unusual properties are observed for this series of new perylene derivatives, such as a decreasing charge transfer (CT) character with increasing number of DPA moieties and individual reversible oxidations for each DPA moiety. Thus, (DPA)‐Per possesses one reversible oxidation while (DPA)\(_{4}\)‐Per has four. The mono‐ and di‐substituted derivatives display unusually large Stokes shifts not previously reported for perylenes. Furthermore, transient absorption measurements of the new derivatives reveal an excited state with lifetimes of several hundred microseconds, which sensitizes singlet oxygen with quantum yields of up to 0.83. KW - borylation KW - intersystem crossing KW - luminescence KW - polycyclic aromatic hydrocarbon KW - triarylamine Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-217835 VL - 26 IS - 52 SP - 12050 EP - 12059 ER - TY - JOUR A1 - Zahran, Eman Maher A1 - Albohy, Amgad A1 - Khalil, Amira A1 - Ibrahim, Alyaa Hatem A1 - Ahmed, Heba Ali A1 - El-Hossary, Ebaa M. A1 - Bringmann, Gerhard A1 - Abdelmohsen, Usama Ramadan T1 - Bioactivity Potential of Marine Natural Products from Scleractinia-Associated Microbes and In Silico Anti-SARS-COV-2 Evaluation JF - Marine Drugs N2 - Marine organisms and their associated microbes are rich in diverse chemical leads. With the development of marine biotechnology, a considerable number of research activities are focused on marine bacteria and fungi-derived bioactive compounds. Marine bacteria and fungi are ranked on the top of the hierarchy of all organisms, as they are responsible for producing a wide range of bioactive secondary metabolites with possible pharmaceutical applications. Thus, they have the potential to provide future drugs against challenging diseases, such as cancer, a range of viral diseases, malaria, and inflammation. This review aims at describing the literature on secondary metabolites that have been obtained from Scleractinian-associated organisms including bacteria, fungi, and zooxanthellae, with full coverage of the period from 1982 to 2020, as well as illustrating their biological activities and structure activity relationship (SAR). Moreover, all these compounds were filtered based on ADME analysis to determine their physicochemical properties, and 15 compounds were selected. The selected compounds were virtually investigated for potential inhibition for SARS-CoV-2 targets using molecular docking studies. Promising potential results against SARS-CoV-2 RNA dependent RNA polymerase (RdRp) and methyltransferase (nsp16) are presented. KW - Scleractinia KW - marine bacteria KW - marine fungi KW - zooxanthellae KW - marine natural products KW - ADME analysis KW - SARS-CoV-2 KW - molecular docking KW - RNA-dependent RNA polymerase KW - methyltransferase Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-220041 SN - 1660-3397 VL - 18 IS - 12 ER - TY - THES A1 - Herbst [geb. Höhne], Stefanie T1 - Liquid Crystalline Perylene Bisimide Assemblies T1 - Flüssigkristalline Perylenbisimid Strukturen N2 - Thus, the main focus of this thesis was to generate and investigate new one-dimensional LC PBI J-aggregates of an entirely new PBI organization with the transition dipole moments of the chromophores arranged parallel to the columnar axis and in slipped pi-pi stacking fashion to form highly fluorescent J-aggregates. Towards this goal, the tetra-bay substituted PBI 4c bearing free NH functional groups at the imide positions and four dendrons with branched ethylhexyl alkoxy chains at the meta-position of the phenoxy spacer (Figure 8.1a) was synthesized and compared to a literature known reference PBI 1. The mesogenic dendrons ensure LC character of the dye, which was confirmed by POM, DSC and extensive X-ray analysis. Furthermore, the sterically demanding bay-substituents prevent the cofacial assembly of the chromophores and force the dyes into a slipped pi-stacked order with the main transition dipole moments of the dyes oriented parallel to the columnar axis. X-ray analysis revealed that PBI 4c assembles into columnar triple-stranded helices consisting of side-to-side stacked molecules, which organize into a Colh phase (Figure 8.1b). FT-IR experiments of a thin film and aggregates in MCH solution confirmed the formation of H-bonds between the imide moieties. Temperature-dependent investigations furthermore proved a reversible formation of H-bonds and polarized FT-IR experiments finally gave evidence for the direction of the H-bonds along the shearing respective the columnar axis (Figure 8.1c). This was additionally verified by polarized UV-Vis absorption studies of aligned thin films. The changes in the UV-Vis absorption spectra of concentration- and temperature-dependent experiments in MCH are in agreement with the formation of J-aggregates and could be fitted to a nucleation-elongation growth mechanism. Remarkably, fluorescence spectroscopy studies revealed highly emissive aggregates in solution. These various spectroscopic techniques proved the utilization of directional noncovalent forces like hydrogen-bonding and pi-pi interactions in a cooperative manner forcing the PBI molecules in an unprecedented organization of a slipped pi-stacked arrangement with the orientation of the molecular axis and the respective transition dipole moments parallel to the columns of the LC phase. By the group of Dietrich the formation of exciton-polaritons in imprinted LC pillar microcavities as consequent use of the LC 4c was reported for the first time.In the second part of this thesis the hierarchical organization of LC PBIs into defined single-, double-, triple- and quadruple-stranded J-aggregates within crystalline and columnar LC phases, partially arranged in helical supramolecular structures in dependence of the molecular design was demonstrated. This was achieved via the preparation of a library of twelve molecules PBI 3-6(a-c) (Figure 8.2a) that was synthesized by varying the substitution position of the dendrons at the phenoxy-spacer from ortho to meta or para and by introducing an additional methyl group in ortho-position. Also the length and shape of the alkoxy chains was changed. Consequently, the impact of the sterical demand of the bay substituents concerning their phase properties, molecular arrangement and exciton coupling was investigated. POM, DSC and X-ray studies revealed the formation of only crystalline phase for the ortho-substituted PBIs 3a-c, whereas the other derivatives generated SC or LC phases. The main focus was the series with the n-C12-alkoxy chains. For the corresponding PBIs 4-6b columnar LC phases were confirmed. Retrostructural analysis by modelling and simulations gave indications for a single stranded organization for PBI 3b, a double-stranded helix for PBI 6b, a triple-stranded helical arrangement for PBI 5b and a quadruple-stranded helix for PBI 4b (Figure 8.2b-d). For all four derivatives the same molecular orientation within the columns as for PBI 4c was proven by polarized FT-IR and UV-Vis absorption studies in aligned thin films. The organization in helices of different number of strands in the Cr and LC phases of PBI 3b, 4b, 5b and 6b offered a unique possibility to elucidate the influence of particular packing arrangements on dye aggregate interactions with light. In particular, it can be investigated how exciton coupling of the dyes’ transition dipole moments and fluorescence properties are affected. In this context, the spectroscopic properties were investigated in thin film, which revealed a strong bathochromic shift of the absorption maxima compared to the monomers in solution in dependence on the number of strands for PBIs 4-6b in contrast to PBI 3b (Figure 8.2e). The same tendency was observed for the respective aggregates in MCH solution. The spectral changes obtained during concentration- and temperature-dependent UV-Vis absorption studies verified the formation of J-aggregates in MCH solution and solid state. The respective aggregates are highly likely formed via a nucleation-elongation growth mechanism. Appliance of Kasha’s exciton theory on the supramolecular aggregates revealed different contributions of H- and J-type coupling for the oligo-stranded helices. Under these considerations, it delivered an explanation for the absorption and fluorescence properties of the assemblies and declares the “best” J-aggregate for the double stranded arrangement of PBI 6b with purely negative couplings among neighbour molecules and a quantum yield above 74 % of the aggregates in MCH solution. With this H-bonded PBI-based library approach of twelve derivatives it could be shown how molecular engineering of perylene bisimide dyes can be used to design defined, complex supramolecular assemblies with unprecedented packing patterns and concomitant intriguing spectroscopic properties. So far, the formation of defined liquid crystalline supramolecular structures of tetra-bay substituted PBIs by double H-bonding between free imide moieties and pi-pi interactions between the chromophores was demonstrated. The impact of the H-bonds on the molecular arrangement was investigated in the next part of this thesis. In this regard, PBIs 7 and 8 bearing a methyl or cyclohexyl group at the imide position (Figure 8.3a) were synthesized and compared to PBI 4c. The soft character of the solid state for PBIs 7 and 8 was confirmed by POM, DSC and X-ray analysis. The X-ray studies further revealed for both PBIs a change of the molecular assembly towards helical columnar structures of conventional pi-stacked chromophores (Figure 8.3b) when the directed H-bonds cannot contribute as noncovalent interactions to the assembly formation. Temperature-dependent UV-Vis absorption studies demonstrated the importance of H-bonding in MCH solution in the way that the formation of J-aggregates as for PBI 4c could not be observed for the imide substituted molecules. In the next step, the spectroscopic properties in thin film were investigated. For PBI 7 a J-type band and fluorescence spectra with an enlarged Stokes shift and increased fluorescence lifetime of 11.4 ns, compared to PBI 4c, was obtained, suggesting the generation of excimer type emission by considering the assumed conventional stacking of rotational displaced molecules from X-ray analysis. With polarized UV-Vis absorption experiments the orientation of the molecules perpendicular to the shearing direction and subsequently to the columnar axis was confirmed. These diverse investigations clearly demonstrated the imperative of H-bonds for stable, defined, LC J-aggregates with the transition dipole moments parallel to the columnar axis. With PBIs 7 and 8 it is impressively shown how small changes in the molecular structure influence the molecular arrangement dependent on the cooperation of non-covalent interactions like H-bonding and pi-pi stacking. In the last part of this thesis the generation of two-dimensional LC arrangements is presented. Since tetra-bay substituted PBIs lead always to twisted cores preventing lamellar arrangement, here 1,7-disubstitution and the simultaneous retention of the free imide positions was chosen to generate LC lamellar phases of PBIs 9a, 9b and 10 (Figure 8.4a). This molecular design was expected to form planar perylene cores that can strongly interact by pi-pi stacking and H-bonding. POM, DSC and X-ray investigations of the compounds suggest lamellar LC phases for PBIs 9a and 9b and a soft phase for PBI 10. In this regard, the goal of the formation of LC lamellar phase of PBIs could be attained. The change from dendrons with n-C12-alkoxy chains to large fork-like mesogens like in 9b clearly changed the phase properties. PBI 9b exhibits the lowest clearing point, high phase stability, least viscosity, easy shearability at room temperature and phase transitions between lamellar and Colh phases dependent on temperature. The formation of H-bonds parallel to the layers was demonstrated by polarized FT-IR experiments for all three PBIs. Concentration-dependent UV-Vis absorption studies revealed the formation of a J-type aggregate, which seems to exhibit an overall two-dimensional structure. With STM investigations the formation of lamellar structures from drop-casted 9a and 10 solutions in 1-phenyloctane on HOPG surface could be observed. Figure 8.4b illustrates a schematic possible arrangement of the molecules in the layers (here exemplarily demonstrated for PBI 9a), which has to be further confirmed by modelling and simulations. Unfortunately, fluorescence investigations of the thin films revealed non- or only slightly emissive LC states, which make them negligible for photonic applications. Nevertheless, the synthesized and analyzed compounds might be an inspiration for further investigations on the path to two-dimensional exciton transport for photonic devices. N2 - Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit war daher darauf gerichtet, eindimensionale flüssigkristalline J-Aggregate zu erzeugen und zu untersuchen, die eine vollkommen neue Anordnung von Perylenbisimiden aufweisen und deren Übergangsdipolmomente parallel zur Säulenachse ausgerichtet sind. Um stark fluoreszierende J-Aggregate zu bilden, sollen die Moleküle zudem in einer zueinander verschobenen pi-pi-Stapelung angeordnet sein. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde zunächst das vierfach bucht-substituierte PBI 4c synthetisiert und mit dem literaturbekannten Referenzmolekül (PBI 1) verglichen. Das PBI 4c weist dabei freie NH-Gruppen in den Imidpositionen und vier verästelte Substituenten in der meta-Position der Phenoxygruppe auf (Abbildung 1a). Die Substituenten bestehen dabei aus jeweils drei verzweigten Ethylhexyl-Alkoxyketten. Diese mesogenen Substituenten stellen den flüssigkristallinen Charakter des Farbstoffmoleküls sicher, was durch POM, DSC und umfassende Röntgenstrukturuntersuchungen bestätigt werden konnte. Weiterhin verhindern die sterisch anspruchsvollen Buchtsubstituenten eine cofaciale Anordnung der Chromophore und zwingen die Farbstoffmoleküle in zueinander verschobene, pi-gestapelte Packungsstrukturen, in denen die Übergangsdipolmomente der Perylenbisimide parallel zur Säulenachse angeordnet sind. Die Analyse der Röntgenstrukturuntersuchungen zeigt die Bildung säulenartiger, drei-strängiger Helices, die sich aus vertikal gestapelten Molekülen zusammensetzen und sich letztendlich in einer hexagonalen flüssigkristallinen Phase anordnen (Abbildung 1b). FT-IR-Experimente dünner Schichten und der Aggregate in MCH-Lösungen bestätigen, dass zwischen den Imidgruppen in der flüssigkristalline Phase und der Aggregate in Lösung die gleiche Art von Wasserstoffbrückenbindungen existiert. Durch polarisierte FT-IR-Experimente und temperaturabhängige Untersuchungen konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Wasserstoffbrückenbindungen in diesen Systemen zum Einen entlang der Scherrichtung und der Säulenachse ausgerichtet sind und deren Bildung zum Anderen reversibel ist. Die Ausrichtung wurde zusätzlich durch polarisierte UV-Vis-Absorptionsuntersuchungen an gerichteten Dünnschichten bestätigt. Die spektralen Änderungen in konzentrations- und temperaturabhängigen UV-Vis-Absorptionsstudien in MCH stimmen mit der Bildung von J-Aggregaten überein. Die Daten konnten durch Ausgleichskurven einem kooperativen (Kernbildungs-Verlängerungs-) Mechanismus zugeordnet werden. Bemerkenswerterweise zeigten Fluoreszenzuntersuchungen, dass die Aggregate in Lösung sehr stark emittieren. Die verwendeten spektroskopischen Untersuchungsmethoden beweisen die strukturellen Einflussmöglichkeiten über gerichtete, nicht-kovalente Kräfte wie Wasserstoff-brückenbindungen und pi-pi-Wechselwirkungen in einem kooperativen Zusammenspiel zur gezielten Bildung einer bisher unbekannten Molekülanordnung in Flüssigkristallen. In dieser neuen Struktur sind die Moleküle zueinander verschoben pi-gestapelt und mit der Molekülachse und dem entsprechenden Übergangsdipolmomentes parallel zur Säulenachse ausgerichtet. Unter Verwendung von PBI 4c konnten unsere Kooperationspartner in der Technischen Physik der Universität Würzburg in der Folge erstmalig über die Bildung von Exziton-Polaritonen in aufgedruckten, flüssigkristallinen Säulenmikrokavitäten berichten.[175] Im zweiten Teil dieser Arbeit wird gezeigt, wie sich durch molekulares Design definierte ein-, zwei-, drei- und viersträngige J-Aggregate innerhalb kristalliner oder kolumnarer flüssigkristalliner Phasen bilden. Diese Aggregate bilden hierarchisch aufgebaute, supramolekulare Strukturen, die sich zu einem großen Teil in Helices organisieren. Hierfür wurden Verbindungen für eine Bibliothek, bestehend aus zwölf Molekülen PBI 3-6(a-c) (Abbildung 2a), synthetisiert, indem die Position der verästelten Substituenten an den Phenoxygruppen zwischen ortho, meta und para variiert wurde. Zusätzlich wurde noch eine Methylgruppe in ortho-Position eingeführt sowie sowohl die Länge als auch die Art der Alkoxyketten geändert. Anschließend wurde der Einfluss des sterischen Anspruchs der Buchtsubstituenten in Bezug auf die Eigenschaften der Phasen, der Molekülanordnung und der Exzitonenkopplung untersucht. POM, DSC and Röntgenstrukturanalysen bestätigten, dass die ortho-substituierten PBIs 3a-c nur kristalline Phasen ausbildeten, wohingegen die anderen Derivate sowohl weichkristalline als auch flüssigkristalline Phasen generierten. Der Fokus lag dabei auf der Untersuchung der Serie mit n-C12-Alkoxyketten und ergab die Bildung säulenartiger, flüssigkristalliner Phasen für alle drei PBIs 4-6b. Das Erstellen von Aggregatmodellen unter Verwendung der röntgenkristallografischen Daten und die Simulation von Röntgenbeugungsbildern mit Hilfe dieser Modelle ergaben eindeutig die Bildung einer einsträngigen Molekülanordnung für PBI 3b, eine Doppelstranghelix für PBI 6b, eine dreisträngige, helikale Anordnung für PBI 5b und einer viersträngigen Helix von PBI 4b (Abbildung 2b-d). Polarisierte FT-IR und UV-Vis Absorptionsexperimente bewiesen für alle vier Derivate die gleiche molekulare Orientierung in gerichteten dünnen Schichten wie bereits für PBI 4c. Die aus den Röntgenmessungen hergeleiteten Anordnungen in Helices bestehend aus einer unterschiedlichen Anzahl von Strängen in kristallinen und flüssigkristallinen Phasen von PBI 3-6b eröffneten eine einzigartige Möglichkeit, den Einfluss der molekularen Packung auf die Wechselwirkungen der Farbstoffaggregate mit Licht aufzuklären. Im Besonderen sollte dabei der Einfluss in Bezug auf die Exzitonenkopplung der Übergangsdipolmomente der Farbstoffmoleküle in UV-Vis-Absorptionsspektren und Fluoreszenzeigenschaften untersucht werden. In diesem Zusammenhang wurden die spektroskopischen Eigenschaften der Derivate in Dünnschichten untersucht. Mit Ausnahme von PBI 3b wurde eine stark bathochrome Verschiebung der Absorptionsmaxima in Abhängigkeit der Anzahl der Stränge im Vergleich zu den Absorptionsmaxima der entsprechenden Monomere in Lösung beobachtet (Abbildung 2e). Die gleiche Tendenz konnte auch für die entsprechenden Aggregate in Lösung beobachtet werden. Die festgestellten spektralen Änderungen in konzentrations- und temperatur-abhängigen Absorptionsstudien in MCH-Lösungen bestätigten die Bildung von J-Aggregaten sowohl in Lösung als auch in der Festphase. Die Anwendung von Kashas Exzitonentheorie auf die supramolekularen Aggregate zeigte, dass H- und J-Kopplungen in unterschiedlichen Teilen bei den mehrsträngigen Helices auftreten. Diese Ergebnisse lieferten auch eine Erklärung für die Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften der Aggregate und ergaben, dass die doppelsträngige Helix von PBI 6b mit einer Fluoreszenzquantenausbeute von über 74 % das „beste“ J-Aggregat aller getesteten Derivate bildet, da in diesem nur Anteile reiner J-Kopplungen („negativer“ Kopplungen) zwischen benachbarten Molekülen auftreten. Durch den Ansatz einer Bibliothek von zwölf über Wasserstoffbrücken verbundener PBIs konnte gezeigt werden, inwieweit der zielgerichtete strukturelle Aufbau von PBI-Farbstoffmolekülen genutzt werden kann, um definierte, hochkomplexe Strukturen mit einer bisher unbekannten molekularen Anordnung und gleichzeitig sehr interessanten spektroskopischen Eigenschaften zu erzeugen. Bis hier wurde gezeigt, wie definierte, flüssigkristalline, supramolekulare Strukturen von vierfach buchtsubstituierten PBIs durch das Zusammenwirken von Wasserstoffbrücken-bindungen zwischen den Imidpositionen und pi-pi-Wechselwirkungen zwischen den Chromophoren gebildet werden können. Der Einfluss der Wasserstoffbrückenbindungen sollte dabei im nächsten Teil näher untersucht werden. Diesbezüglich wurden PBI 7 und 8 synthetisiert, die entsprechend jeweils Methyl- oder Cyclohexylgruppen in den Imidpositionen tragen (Abbildung 3a). Anschließend wurden diese mit PBI 4c verglichen. POM, DSC und Röntgenstrukturuntersuchungen bestätigten die Bildung einer weichen Phase für PBI 7 und 8. Weiterhin ergaben die Röntgenbeugungsexperimente für beide PBIs eine Änderung der molekularen Anordnung zu helikalen, säulenartigen Aggregaten, in denen die Chromophore pi-gestapelt organisiert sind (Abbildung 3b), wenn die Wasserstoffbrückenbindungen nicht mehr als Wechselwirkungen zur Aggregatbildung beitragen können. Temperaturabhängige UV-Vis-Absorptionsstudien verdeutlichten die Relevanz der Wasserstoffbrückenbindungen in MCH-Lösungen für die Bildung von stabilen J-Aggregaten. Anders als für PBI 4c konnte die Ausbildung von J-Aggregaten in Lösung für die beiden anderen Derivate nicht beobachtet werden. Im nächsten Schritt wurden die spektroskopischen Eigenschaften in Dünnschichten untersucht. Für PBI 7 konnte eine J-artige Bande und ein Fluoreszenzspektrum mit einer besonders großen Stokesverschiebung und einer sehr langen Fluoreszenzlebensdauer im Vergleich zu den Daten von PBI 4c detektiert werden. Unter Beachtung der molekularen Anordnung von konventionell gestapelten, zueinander verdrehten Molekülen, die aus Röntgenstrukturanalysen hergeleitet wurde, deuten diese Ergebnisse auf die Erzeugung einer excimerartigen Emission hin. Die Anordnung der Moleküle senkrecht zur Scherrichtung und demzufolge auch senkrecht zur Säulenachse wurde mittels polarisierter UV-Vis-Absorptionsmessungen untermauert. Diese unterschiedlichen Untersuchungsmethoden deuten gemeinsam darauf hin, wie zwingend erforderlich Wasserstoffbrückenbindungen für die Bildung definierter, flüssigkristalliner J-Aggregate sind, in denen die Übergangsdipolmomente der Chromophore parallel zur Säulenachse ausgerichtet sind. Mit der Synthese von PBI 7 und 8 konnte eindrucksvoll gezeigt werden, wie bereits kleine Änderungen in der Molekülstruktur einen großen Einfluss auf die Aggregatstruktur haben können, wenn diese vom Zusammenwirken verschiedener nichtkovalenter Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen und pi-pi Wechselwirkungen abhängig ist. Der letzte Teil dieser Arbeit handelt von der Bildung zweidimensionaler flüssigkristalliner Anordnungen. Da vierfach buchtsubstituierte PBIs immer eine Verdrehung des Kernes hervorrufen und damit die Bildung lamellarer Strukturen verhindern, wurde hier der Ansatz der Reduzierung auf eine 1,7-Zweifachsubstitution unter gleichzeitiger Beibehaltung der freien Imidgruppen gewählt. Von diesem molekularen Design wurde erwartet, dass die planaren Perylenkerne über pi-pi-Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen stark miteinander wechselwirken und somit zweidimensionale Aggregate bilden können. POM, DSC und Röntgenstrukturanalysen bestätigen die Bildung lamellarer flüssigkristalliner Phasen von PBI 9a und 9b (Abbildung 4a) und einer weichen Phase von PBI 10. Der Austausch der Substituenten, die n-C12-Alkoxyketten tragen, durch gabelartige Mesogene, wie bei PBI 9b, bewirkt deutliche Änderungen der Phaseneigenschaften. PBI 9b weist den niedrigsten Klärpunkt, die höchste Phasenstabilität, die geringste Viskosität, leichte Scherbarkeit bei Raumtemperatur und interessante Phasenübergänge zwischen lamellaren und säulenartig hexagonalen Phasen in Abhängigkeit der Temperatur auf. Die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen parallel zu den Schichten konnte mit polarisierten FT-IR-Experimenten für alle drei Derivate gezeigt werden. Konzentrationsabhängige UV-Vis-Absorptionsuntersuchungen bestätigten die Ausbildung eines J-artigen Aggregates in MCH-Lösung, welches eine zweidimensionale Struktur aufzuweisen scheint. Mittels STM-Untersuchungen konnten lamellare Strukturen von PBI 9a und 10 Schichten in 1-Phenyloktan auf hochgeordnetem pyrolytischem Graphit beobachtet werden. Abbildung 4b veranschaulicht die Anordnung der Moleküle in den Schichten, in diesem Fall exemplarisch für PBI 9a gezeigt. Leider haben Fluoreszenzuntersuchungen gezeigt, dass die Dünnschichten keine oder eine nur sehr geringe Emission aufweisen und somit nicht für photonische Anwendungen geeignet sind. Nichtsdestotrotz könnten diese Verbindungen Inspirationen für weitere Untersuchungen sein und Ansatzpunkte liefern, das Ziel eines zweidimensionalen Exzitonentransportes für photonische Anwendungen zu erreichen. KW - Flüssigkristall KW - Perylenderivate KW - Liquid Crystal KW - Perylene Bisimide KW - J-Aggregate KW - Flüssigkristall KW - Liquid Crystals KW - Perylene Bisimides KW - Perylenbisimide Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-164857 ER - TY - THES A1 - Walter, Tim T1 - Bioorthogonal funktionalisierte Sphingolipide zur Evaluierung von Lipiddynamiken \(in\) \(vivo\) T1 - Bioorthogonal functionalized sphingolipids for evaluation of lipid dynamics \(in\) \(vivo\) N2 - In der Kontrolle von viralen oder bakteriellen Infektionen spielen Sphingolipide eine essentielle Rolle[335-336], weshalb sich inzwischen die Forschung vermehrt an Sphingolipiden und -analoga als Wirkstoffen gegen die verschiedensten Erreger beschäftigt.[9] Dabei finden in der Synthese und Identifikation potentieller Wirkstoffe auch clickchemiebasierte Ansätze Anwendung.[224] Allerdings ist die Wirkweise von sphingolipidbasierten Pharmaka auch in viraler und mikrobieller Pathogenese bisher ungeklärt. Mit der Entdeckung der CuAAC[112-113] sowie deren modernen Varianten und Alternativen, die gemeinsam unter dem Begriff Clickchemie zusammengefasst werden, ist es möglich, die strukturellen Änderungen von Biomolekülen klein zu halten und durch spätere Konjugation mit Farbstoffen Fluoreszenspektroskopie zu ermöglichen.[339-340] Während in den letzten Jahren die Clickchemie breite Anwendung zur Modifikation von Proteinen[130], Kohlenhydraten[341] und DNA[340] gefunden hat blieben Lipide lange unbeachtet[342], was vor allem auch für Sphingolipide gilt. In dieser Arbeit werden bioorthogonal funktionalisierte Sphingolipide und -analoga vorgestellt, um die Vielseitigkeit der Clickchemie auf das Feld der Sphingolipide zu übertragen. Die clickfähigen Lipidanaloga ermöglichen detaillierte Einblicke in die dynamische Organisation von Sphingolipiden bei Infektionsprozessen und ihr Einsatz als therapeutische Wirkstoffe oder zur Generierung von antibakteriellen Oberflächenbeschichtungen wurden untersucht. Die dargestellten azidmodifizierten Sphingolipide und –analoga konnten in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern, bezüglich ihrer Verwendung in Visualisierungsexperimenten und antibakteriellen Eigenschaften untersucht werden. Die Ceramidderivate konnten genutzt werden, um den Einfluss von Kettenlänge und Position des Azides der acylierten Säure auf die in vivo-Konjugation mit dem Fluoreszenzfarbstoff DBCO-Sulfo-Cy5 in Jurkatzellen genauer zu untersuchen.[211] Auch konnten azidfunktionalisierte Ceramide auf ihre Eignung zur Visualisierung von Ceramiddynamiken während T-Stimulation untersucht werden.[205] In diesem Zusammenhang sind visualisierbare Ceramide von besonderer Bedeutung, da die T-Zellstimulation die ASM-Aktivierung zur Folge hat, die wiederum Ceramide freisetzt. Mit dem azidmodifizierten Phytosphingosinderivat gelang es erstmals ein azidmodifiziertes Sphingolipid nach Inkubation von Arabidopsis thaliana Setzlingen mittels CuAAC mit einem Fluoreszenzfarbstoff zu konjugieren.[258] Des Weiteren konnten die azidfunktionalisierten N-Oleoylserinole in verschiedenen Zelltypten erfolgreich eingebaut und selektiv mit Fluoreszenzfarbstoff visualisiert werden. Kofärbungen mit GFP-PKCζ und Antikörpermarkierungen von Ceramid sowie PKCζ zeigten, dass es sich bei den Enantiomeren um ceramidimitierende Lipidanaloga handelt. Somit eignen sich diese N-Oleoylserinolanaloga, um die Interaktion von Ceramiden mit der Proteinkinase Cζ zu untersuchen. Da viele natürliche Sphingolipide antibakterielle Eigenschaften aufweisen, konnte in Kooperation mit Jérôme Becam der Einsatz azidmodifizierter Ceramide als Wirkstoff gegen Neisseria meningitidis, Neisseria gonorrhoeae sowie Escherichia coli und Staphylococcus aureus untersucht werden. ωN3-C6-Cer zeigt gute bakterizide Eigenschaften gegen Neisseria meningitidis und Neisseria gonorrhoeae, ohne dabei toxisch gegenüber den Wirtszellen zu sein. Die Ceramidanaloga αN3-C6-Cer, αN3-C16-Cer und ωN3-C16-Cer weisen keine antibakteriellen Eigenschaften auf, aber sie wurden effizient in die Membran der Neisseriae eingebaut und konnten ebenfalls erfolgreich bioorthogonal markiert werden. Des Weiteren zeigten hochauflösende dSTORM-Aufnahmen der Bakterien, im Gegensatz zu Humanzellen, eine homologe Verteilung der konjugierten Ceramide. Da Ceramide eine wichtige Rolle in der Infektionsbekämpfung spielen, sind die in dieser Arbeit synthetisierten azidmodifizierten Ceramide wertvolle Werkzeuge, um die Interaktion von Bakterien mit Humanzellen zu untersuchen. Außerdem konnte im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich eine innovative Methode entwickelt werden, um alkinpräsentierende Linker auf die Oberfläche von Nunc Covalink 96 Microtiterplatten kovalent zu binden und die Alkine konnten anschließend mittels CuAAC mit den in dieser Arbeit synthetisierten azidfunktionalisierten Lipiden zu konjugiert werden. Ziel der Methode war es potentielle Moleküle für bakterizide Oberflächenmodifikationen zu identifizieren. Mittels solcher Oberflächenmodifikationen soll die Biofilmbildung in Endotrachealtuben verhindert, und damit die Entstehung von beatmungsassozierten Pneumonien unterbunden werden. Die lipidmodifizierten Microtiterplatten sollen zukünftig auch genutzt werden, um sphingolpidaffine Proteine aus Zelllysaten zu identifizieren. N2 - Sphingolipids play an essential role in the control of viral and bacterial infections[335-336], therefore sphingolipids and analogues shift into the focus of pharmaceutical research as active ingredients against various pathogens.[9] Also click chemistry is used for synthesis and screening of potential drugs.[224] The mode of action of sphingolipid based pharmaceuticals in viral and microbial pathogenesis is not yet fully understood. By using CuAAC[112-113] and their modern variants and alternatives – summarized in the term click chemistry – it is possible to minimise the structural alterations of biomolecules and still use them in fluorescence spectroscopy after labeling. [339-340] While modification of proteins[130], carbohydrates[341] and DNA[340] via click chemistry has been widely used in recent years, lipids have remained unaffected for a long time, especially sphingolipids.[342] In this Work biorthogonal functionalised sphingolipids and analogues are presented, that transfer the versatility of the click chemistry to the field of sphingolipids. Furthermore, the clickable lipid analogues allow a detailed view into the dynamic organisation of sphingolipids in infection processes and in addition their use as therapeutic agents or for the generation of antibacterial surface coatings were investigated. The synthesized azide modified sphingolipids and analogues were evaluated for the use in visualisation experiments and their antibacterial properties were evaluated within several cooperation projects. The ceramide derivatives were used to evaluate the influence of acylated chain length and azide position in regard to in vivo labeling with the fluorescence dye DBCO-Sulfo-Cy5 in jurkat cells.[211] Furthermore, ceramide dynamics during T-cell stimulation were investigated by labeling azide functionalised ceramides.[205] In this context visualisable ceramides are of particular interest due T-cell stimulation results in ASM-activation, which again releases ceramides. With the azide modified phytosphingosine derivative, an azide modified sphingolipid was labelled via CuAAC after incubation of arabidoopsis thailana seedlings for the first time[258] Furthermore, azide functionalised N-Oleoyl serinols were successfully incorporated within different cell types and selectively visualised by labelling. Colocalization studies with GFP-PKCζ and anti body labeling of ceramide as well as PKCζ proved to be ceramide mimicking lipid analogues Many natural sphingolipids show antibacterial behaviour, therefore the use of azide modified ceramides as active ingredients against Neisseria meningitidis, Neisseria gonorrhoeae sowie Escherichia coli und Staphylococcus aureus were investigated in cooperation with Jérôme Becam ωN3-C6-Cer shows good bactericidal properties against Neisseria meningitidis and Neisseria gonorrhoeae without being toxic against host cells. The ceramide analogues αN3-C6-Cer, αN3-C16-Cer and ωN3-C16-Cer show no antibacterial properties, but they were also efficiently incorporated into the membrane of Neisseriae and can be used biorthogonal labelling. Furthermore, in contrast to human cells high resolution dSTORM-images show an evenly distribution of labelled ceramides in bacteria cells. Since ceramides play an important role in the fight against infections the ceramides synthesised in this work are valuable tools to investigate the interaction of bacteria with human cells. Also an innovative method was established within this thesis to modify the surface of Nunc Covalink 96 Wellplates with alkyne presenting linkers followed by the conjugation of the azide modified lipids presented in this work via CuAAC. This method is intended to be used for screening of potential molecules for antibacterial surface modifications. In the future this kind of surface modifications are expected to prevent the biofilm formation in endotracheal tubes and prohibit the formation of ventilator-associated pneumonia. In Addition the lipid modified microtiter plates are also intended to be used to identify sphingolipid affine proteins from cell lysate. KW - Click-Chemie KW - Sphingolipide KW - Lipidmembran KW - Sphingolipid KW - bioorthogonal Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-168091 ER - TY - THES A1 - Klotzbach [verh. Fimmel], Stefanie T1 - Synthese und Charakterisierung kovalent organischer Käfigverbindungen basierend auf Tribenzotriquinacen-Einheiten T1 - Synthesis and Characterization of Covalent Organic Cage Compounds based on Tribenzotriquinacenes N2 - Porous functional materials are promising candidates for applications in the areas of heterogeneous catalysis, sensing, gas storage and separation, or membranes. As one class of suchlike materials, organic cage compounds have attracted attention because of their unique properties compared to extended frameworks. The tribenzotriquinacene (TBTQ) scaffold possessing three orthogonal indane moieties provides a suitable building block for the efficient synthesis of organic cage compounds. In this thesis the synthesis of molecular cubes, tetrahedra and bipyramids by crosslinking the catechol units of TBTQ with various diboronic acids is reported. Structure and shape of the molecular objects are thereby determined by the geometry of the diboronic acids. Notably, both narcissistic and social self-sorting phenomena could be observed for ternary mixtures of building blocks. In addition host-guest complexation was observed for the trigonal bipyramid cage. Fullerenes C60 as well as C70 were almost quantitively encapsulated. Further investigations of this behaviour showed a preference for C60 in a competitive situation. N2 - Poröse funktionelle Materialien sind vielversprechende Kandidaten für Anwendungen wie zum Beispiel in der heterogenen Katalyse, in Sensormaterialien, für die Gasspeicherung sowie –separation oder in Membranen. Eine besondere Klasse solcher Materialien stellen die organischen Käfigverbindungen dar, da sie im Vergleich zu netzwerkartigen Strukturen einzigartige Eigenschaften aufweisen. Das Gerüst des Tribenzotriquinacens (TBTQ) besitzt drei zueinander orthogonal stehende Indaneinheiten, sodass es sich optimal als Baustein für die effiziente Synthese organischer Käfigmoleküle eignet. In dieser Arbeit wird die Synthese molekularer Würfel, Tetraeder und Bipyramiden mittels Quervernetzung der Catecholeinheiten der TBTQ-Bausteine mit verschiedenen Diboronsäuren beschrieben. Die Struktur und die Form der molekularen Objekte sind dabei durch die Geometrie der entsprechenden Diboronsäuren vorgegeben. Bemerkenswert ist, dass in ternären Mischungen der Bausteine das Phänomen der Selbssortierung zu beobachten ist. Sowohl narzisstische als auch soziale Selbstsortierung konnte hierbei festgestellt werden. Darüber hinaus wurde für den bipyramidalen Käfig Wirt-Gast Komplexierung beobachtet. Die Fullerene C60 und C70 wurden nahezu quantitativ in das Molekül eingeschlossen. Weitere Untersuchungen zu diesem Verhalten zeigten in einer kompetitiven Mischung aus C60 und C70 eine Präferenz des Käfigmoleküls zu C60. KW - Käfigverbindungen KW - Selbstorganisation KW - Tribenzotriquinacen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-166034 ER - TY - JOUR A1 - Solger, Franziska A1 - Kunz, Tobias C. A1 - Fink, Julian A1 - Paprotka, Kerstin A1 - Pfister, Pauline A1 - Hagen, Franziska A1 - Schumacher, Fabian A1 - Kleuser, Burkhard A1 - Seibel, Jürgen A1 - Rudel, Thomas T1 - A Role of Sphingosine in the Intracellular Survival of Neisseria gonorrhoeae JF - Frontiers in Cellular and Infection Microbiology N2 - Obligate human pathogenic Neisseria gonorrhoeae are the second most frequent bacterial cause of sexually transmitted diseases. These bacteria invade different mucosal tissues and occasionally disseminate into the bloodstream. Invasion into epithelial cells requires the activation of host cell receptors by the formation of ceramide-rich platforms. Here, we investigated the role of sphingosine in the invasion and intracellular survival of gonococci. Sphingosine exhibited an anti-gonococcal activity in vitro. We used specific sphingosine analogs and click chemistry to visualize sphingosine in infected cells. Sphingosine localized to the membrane of intracellular gonococci. Inhibitor studies and the application of a sphingosine derivative indicated that increased sphingosine levels reduced the intracellular survival of gonococci. We demonstrate here, that sphingosine can target intracellular bacteria and may therefore exert a direct bactericidal effect inside cells. KW - sphingosine KW - sphingolipids KW - sphingosine kinases KW - invasion KW - survival KW - click chemistry Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-204111 SN - 2235-2988 VL - 10 ER -