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- International Max Planck Research School Molecular Biology, University of Göttingen, Germany (2)
- Agricultural Center, BASF SE, 67117 Limburgerhof, Germany (1)
- Center for Computational and Theoretical Biology (CCTB), Universität Würzburg (1)
- Center for Nanoscale Microscopy and Molecular Physiology of the Brain (CNMPB), Göttingen, Germany (1)
- Center for Nanosystems Chemistry (1)
- Center for Nanosystems Chemistry (CNC), University of Würzburg (1)
- Center for Nanosystems Chemistry (CNC), Universität Würzburg, Am Hubland, 97074 Würzburg, Germany (1)
- Charles University, Faculty of Mathematics and Physics, Ke Karlovu 5, 121 16 Prague, Czech Republic (1)
- Chemical Biology Laboratory, National Cancer Institue, Frederick (USA) (1)
- Cluster of Excellence "Multiscale Bioimaging: from Molecular Machines to Networks of Excitable Cells, Göttingen (1)
We report the synthesis and spectroscopic analysis of RNA containing the barbituric acid merocyanine rBAM2 as a nucleobase surrogate. Incorporation into RNA strands by solid-phase synthesis leads to fluorescence enhancement compared to the free chromophore. In addition, linear absorption studies show the formation of an excitonically coupled H-type dimer in the hybridized duplex. Ultrafast third- and fifth-order transient absorption spectroscopy of this non-fluorescent dimer suggests immediate (sub-200 fs) exciton transfer and annihilation due to the proximity of the rBAM2 units.
The present thesis adress the synthesis and characterization of novel COFs that contain dye molecules as integral components of the organic backbone. These chromophore-containing frameworks open new research lines in the field and call for the exploration of applications such as catalysis, sensing, or in optoelectronic devices. Initially, the fabrication of organic-inorganic composites by the growth of DPP TAPP COF around functionalized iron oxide nanoparticles is reported. By varying the ratio between inorganic nanoparticles and organic COFs, optoelectronic properties of the materials are adjusted. The document also reports the synthesis of a novel boron dipyrromethene-containing (BODIPY) COF. Synthesis, full characterization and the scope of potential applications with a focus on environmental remediation are discussed in detail. Last, a novel diketopyrrolopyrrole-containing (DPP) DPP-Py-COF based on the combination of DDP and pyrene building blocks is presented. The very low bandgap of these materials and initial investigations on the photosensitizing properties are discussed.
In this thesis, intermolecular acceptor-acceptor interactions in organic solar cells based on new non-fullerene acceptors are addressed. For this purpose, first the reproducibility of organic electronic devices was tested on a new facility for their fabrication. This was followed by the screening for new acceptor materials. Based on this, three molecular systems were investigated with regard to their acceptor-acceptor interactions and their influence on solar cell efficiency.
Site-specific introduction of biorthogonal handles into RNAs is in high demand for decorating RNAs with fluorophores, affinity labels or other modifications. Aldehydes represent attractive functional groups for post-synthetic bioconjugation reactions. Here, we report a ribozyme-based method for the synthesis of aldehyde-functionalized RNA by directly converting a purine nucleobase. Using the methyltransferase ribozyme MTR1 as an alkyltransferase, the reaction is initiated by site-specific N1 benzylation of purine, followed by nucleophilic ring opening and spontaneous hydrolysis under mild conditions to yield a 5-amino-4-formylimidazole residue in good yields. The modified nucleotide is accessible to aldehyde-reactive probes, as demonstrated by the conjugation of biotin or fluorescent dyes to short synthetic RNAs and tRNA transcripts. Upon fluorogenic condensation with a 2,3,3-trimethylindole, a novel hemicyanine chromophore was generated directly on the RNA. This work expands the MTR1 ribozyme’s area of application from a methyltransferase to a tool for site-specific late-stage functionalization of RNA.
Die Zelle stellt die kleinste Einheit des Lebens dar und zeichnet sich durch die hoch koordinierte Anordnung von mehreren Millionen (Bio-)Molekülen zu einem mikrometergroßen Objekt aus. Als struktureller Bestandteil der Lipiddoppelschicht eukaryotischer Zellen spielt neben Sterolen und Glycerolipiden die Verbindungsklasse der Sphingolipide eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung der Membranintegrität.[472] Darüber hinaus sind bioaktive Sphingolipide bei vielen grundlegenden zellulären Prozessen wie Apoptose, Wachstum, Differenzierung, Migration und Adhäsion entscheidend beteiligt.[87,120] Ein gestörtes Gleichgewicht des Sphingolipidmetabolismus und Defekte der entsprechenden Stoffwechselwege stehen im Zusammenhang mit vielen Krankheiten wie Krebs, Diabetes, Adipositas, Arteriosklerose, chronischen Entzündungen und Autoimmunerkrankungen sowie viraler und bakterieller Pathogenese.[22,143,473,474]
Die Entwicklung und Anwendung von Sphingolipidanaloga als potenzielle Wirkstoffe rückten in den letzten Jahren immer weiter in den Fokus der interdisziplinären Forschung von Biologen, Chemikern und Medizinern. Als bekanntestes Beispiel ist Fingolimod (FTY720) zu nennen, das als Sphingosin-1-phosphat-Mimetikum heute unter dem Markennamen Gilenya® erfolgreich als Arzneistoff zur Behandlung von Multipler Sklerose eingesetzt wird.[475] Es besteht jedoch die Gefahr, dass Fingolimod zur Schädigung anderer Zellfunktionen und zu gravierenden Nebeneffekten wie Bradykardie führen kann.[476] Da Sphingolipide ebenfalls in der Kontrolle von bakteriellen und viralen Infektionen essentiell beteiligt sind, spielen Sphingolipide und deren synthetisch dargestellte Derivate vermehrt eine Rolle in der Wirkstoffentwicklung im Kampf gegen pathogene Krankheitserreger.[175,477-479] Die Wirkweise von antimikrobiellen Sphingolipiden ist bisher nicht vollständig aufgeklärt. Für eine Weiterentwicklung von bekannten Medikamenten gegen verschiedene Krankheiten oder für die Entwicklung neuartiger Wirkstoffe gegen Erreger ist eine umfassende Untersuchung der zugrundeliegenden zellulären Mechanismen auf molekularer Ebene entscheidend.
Hierfür finden aufgrund der relativ einfachen Detektion mittels Fluoreszenzmikroskopie häufig fluoreszenzmarkierte Sphingolipidderivate breite Anwendung.[480] Die kovalent gebundene Farbstoffeinheit bringt jedoch wesentliche Nachteile mit sich, da sich die Biomoleküle durch die veränderte Struktur und Polarität in ihren biologischen Eigenschaften von den natürlichen Substraten unterscheiden können. Die Verwendung von bioorthogonal funktionalisierten Biomolekülen umgeht dieses Problem, da die strukturellen Änderungen minimal gehalten werden.
Nach dem zellulären Einbau dieser Derivate ist eine schnelle und spezifische Konjugation mit einem komplementären Fluorophor zu einem gewünschten Zeitpunkt durch sogenannte Click-Reaktionen wie CuAAC oder SPAAC möglich.[12,46] Das Prinzip der Click-Chemie wurde bereits auf eine Vielzahl an Biomolekülen wie Sphingolipide, Fettsäuren, Aminosäuren, Proteine, Kohlenhydrate, Nukleoside oder Nukleinsäuren (DNA und RNA) übertragen.[47,280] Jedoch bedarf es weiterer spezifisch modifizierter Verbindungen, die vielfältige bioorthogonale Reaktionen für die Untersuchung von Zellprozessen zulassen ‒ sowohl in vitro als auch in vivo.
Um neue Therapieansätze gegen verschiedene Krankheiten zu entwickeln und schwerwiegende Nebenwirkungen zu vermeiden, ist die detaillierte Erforschung hochkomplexer Zellvorgänge auf molekularer Ebene von entscheidender Bedeutung. Das Ziel dieser Arbeit war daher die Synthese und Charakterisierung von molekularen Werkzeugen, die in Kombination mit verschiedenen aktuellen Mikroskopie- und Massenspektrometriemethoden die Visualisierung und Untersuchung des Sphingolipidmetabolismus und weiterer biologischer Prozesse ermöglichen.
Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit eine Vielzahl an Sphingolipiden und deren bioorthogonal funktionalisierte Analoga ausgehend von der Aminosäure L-Serin erfolgreich synthetisiert. Die vorgestellten Verbindungen eignen sich in Kombination mit Massenspektrometrie und Fluoreszenz- oder Elektronenmikroskopie als molekulare Werkzeuge zur Untersuchung des komplexen Sphingolipidmetabolismus sowie des Einbaus und der Dynamik von Sphingolipiden in Modell- und Zellmembranen. Sowohl in humanen und tierischen Zellen als auch in Bakterien wurden die azidmodifizierten Sphingolipide durch Click-Reaktionen visualisiert, um ein verbessertes Verständnis von bakteriellen und viralen Infektionsprozessen zu erhalten. Der modulare Ansatz der Click-Chemie ermöglicht die Verwendung verschiedener komplementär funktionalisierter Farbstoffe, die unterschiedliche Eigenschaften bezüglich der Membrandurchgängigkeit oder Absorptions- und Emissionswellenlängen besitzen und somit je nach biologischer Fragestellung gezielt eingesetzt werden können.
Alles in allem tragen die in dieser Arbeit synthetisierten Verbindungen dazu bei, die Rolle von Sphingolipiden bei Infektionsprozessen und Krankheitsverläufen auf subzellulärer Ebene aufzuklären. Dadurch wird ein entscheidender Beitrag für die Entwicklung neuartiger Wirkstoffe gegen bakterielle oder virale Erreger sowie innovativer Therapien gegen verschiedene humane Krankheiten geliefert.
The solvatochromic behavior of two donor-π bridge-acceptor (D-π-A) compounds based on the 2-(3-boryl-2-thienyl)thiazole π-linker and indandione acceptor moiety are investigated. DFT/TD-DFT calculations were performed in combination with steady-state absorption and emission measurements, along with electrochemical studies, to elucidate the effect of two different strongly electron-donating hydrazonyl units on the solvatochromic and fluorescence behavior of these compounds. The Lippert–Mataga equation was used to estimate the change in dipole moments (Δµ) between ground and excited states based on the measured spectroscopic properties in solvents of varying polarity with the data being supported by theoretical studies. The two asymmetrical D-π-A molecules feature strong solvatochromic shifts in fluorescence of up to ~4300 cm\(^{−1}\) and a concomitant change of the emission color from yellow to red. These changes were accompanied by an increase in Stokes shift to reach values as large as ~5700–5800 cm\(^{−1}\). Quantum yields of ca. 0.75 could be observed for the N,N-dimethylhydrazonyl derivative in nonpolar solvents, which gradually decreased along with increasing solvent polarity, as opposed to the consistently reduced values obtained for the N,N-diphenylhydrazonyl derivative of up to ca. 0.20 in nonpolar solvents. These two push–pull molecules are contrasted with a structurally similar acceptor-π bridge-acceptor (A-π-A) compound.
A fine balance of regulatory (T\(_{reg}\)) and conventional CD4\(^+\) T cells (T\(_{conv}\)) is required to prevent harmful immune responses, while at the same time ensuring the development of protective immunity against pathogens. As for many cellular processes, sphingolipid metabolism also crucially modulates the T\(_{reg}\)/T\(_{conv}\) balance. However, our understanding of how sphingolipid metabolism is involved in T cell biology is still evolving and a better characterization of the tools at hand is required to advance the field. Therefore, we established a reductionist liposomal membrane model system to imitate the plasma membrane of mouse T\(_{reg}\) and T\(_{conv}\) with regards to their ceramide content. We found that the capacity of membranes to incorporate externally added azide-functionalized ceramide positively correlated with the ceramide content of the liposomes. Moreover, we studied the impact of the different liposomal preparations on primary mouse splenocytes in vitro. The addition of liposomes to resting, but not activated, splenocytes maintained viability with liposomes containing high amounts of C\(_{16}\)-ceramide being most efficient. Our data thus suggest that differences in ceramide post-incorporation into T\(_{reg}\) and T\(_{conv}\) reflect differences in the ceramide content of cellular membranes.
Multichromophoric macrocycles and cyclophanes are important supramolecular architectures for the elucidation of interchromophoric interactions originating from precise spatial organization. Herein, by combining an axially chiral binaphthol bisimide (BBI) and a bay-substituted conformationally labile twisted perylene bisimide (PBI) within a cyclophane of well-defined geometry, we report a chiral PBI hetero-cyclophane (BBI-PBI) that shows intramolecular energy and solvent-regulated chirality transfer from the BBI to the PBI subunit. Excellent spectral overlap and spatial arrangement of BBI and PBI lead to efficient excitation energy transfer and subsequent PBI emission with high quantum yield (80–98 %) in various solvents. In contrast, chirality transfer is strongly dependent on the respective solvent as revealed by circular dichroism (CD) spectroscopy. The combination of energy and chirality transfer affords a bright red circularly polarized luminescence (CPL) from the PBI chromophore by excitation of BBI.
Although solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) is a versatile analytical tool to study polymorphs and phase transitions of pharmaceutical molecules and products, this work summarizes examples of spontaneous and unexpected (and unwanted) structural rearrangements and phase transitions (amorphous-to-crystalline and crystalline-to-crystalline) under magic angle spinning (MAS) conditions, some of them clearly being due to the pressure experienced by the samples. It is widely known that such changes can often be detected by X-ray powder diffraction (XRPD); here, the capability of solid-state NMR experiments with a special focus on \(^{1}\)H-\(^{13}\)C frequency-switched Lee–Goldburg heteronuclear correlation (FSLG HETCOR)/MAS NMR experiments to detect even subtle changes on a molecular level not observable by conventional 1D NMR experiments or XRPD is presented. Furthermore, it is shown that a polymorphic impurity combined with MAS can induce a crystalline-to-crystalline phase transition. This showcases that solid-state NMR is not always noninvasive and such changes upon MAS should be considered in particular when compounds are studied over longer time spans.
The pseudopeptide backbone provided by N-(2-aminoethyl)-glycine oligomers with attached nucleobases has been widely utilized in peptide nucleic acids (PNAs) as DNA mimics. Here we demonstrate the suitability of this backbone for the formation of structurally defined dye stacks. Toward this goal a series of peptide merocyanine (PMC) dye oligomers connected to a N-(2-aminoethyl)-glycine backbone were prepared through peptide synthesis. Our concentration-, temperature- and solvent-dependent UV/Vis absorption studies show that under the control of dipole–dipole interactions, smaller-sized oligomers consisting of one, two or three dyes self-assemble into defined duplex structures containing two up to six chromophores. In contrast, upon further extension of the oligomer, the chosen peptide backbone cannot direct the formation of a defined duplex architecture anymore due to intramolecular aggregation between the dyes. For all aggregate species a moderate aggregation-induced emission enhancement is observed.