This thesis focuses on understanding and predicting processes in chromophores after electronic state excitation, particularly the impact on luminescence - the spontaneous emission of light. It considers the effect of processes preceding luminescence on emission properties, which are challenging to predict, especially in complex aggregates. For example, excitation energy transfer is a crucial process in understanding luminescence, as it allows the emission to occur from different molecular units than where the absorption occurs. This can lead to significant shifts in emission wavelength and fluorescence quantum yields. The thesis offers solutions to model this process effectively, understanding the impact of excitation energy and exciton coupling disorder on energy transfer rates and linking simulated energy transfer to experimental measurements. The work further explores excimer formation - an undesired luminescence loss channel due to its significant stabilization of the electronic state. Usually, the molecules obey a stacked conformation with parallel orientation to maximize the orbital overlap. This energetic lowering of the excited state can often result in trapping of the dimer in this state due to a deep minimum on the potential energy surface. The excimer formation dynamics, structural rearrangement, and its influence on singlet-correlated triplet pair states formation, critical for the singlet-fission process, have been extensively studied. The thesis also focuses on another luminescence loss channel triggered by conical intersections between the electronic ground and the first excited states. A new model is introduced to overcome limitations in current simulation methods, considering the solvent's electrostatic and frictional effects on the barriers. The model accurately describes merocyanine dyes' solvent-dependent photoluminescence quantum yields and characterizes all relaxation channels in different BODIPY oligomer series. / Im Rahmen dieser Dissertation wurden neue Ansätze und Methoden für die Simulation und Untersuchung von optischen Eigenschaften organischer Chromophore und deren supramolekularer Aggregate entwickelt. Die Motivation lag dabei darin umfassend zu verstehen, welche Prozesse nach der Anregung eines molekularen Systems stattfinden und dessen Emissionseigenschaften beeinflussen. Dabei wurde nicht nur die ultraschnelle Dynamik der elektronischen und geometrischen Relaxation innerhalb von Femto- oder Pikosekunden berücksichtigt sondern auch die radiativen und nicht-radiativen Prozesse auf der Nano- bis Mikrosekunden-Zeitskala. Die gewonnenen Erkenntnisse lassen sich anhand dieser Prozesse und Zeitskalen in die folgenden drei Bereiche gruppieren: (A) Ultraschnelle Energietransfer- und Exzitonlokalisierungdynamik • Bei Chromophoren, die sich in einem schwachen exzitonischen Kopplungsregime befinden, konnte gezeigt werden, dass die interne Konversion von höher angeregten elektronischen Zuständen zum ersten angeregten Singulettzustand durch einen Energietransferprozess begleitet wird. Im Fall der Squarain-Triaden war es möglich, durch Simulationen die Exzitonendynamik über mehrere Untereinheiten aufzudecken. Hierbei gelang es zu zeigen, dass es während der Dynamik zu transienten Lokalisierungen und Delokalisierungen der Anregungen kommt, bis sich das Exziton in allen untersuchten Systemen innerhalb von wenigen hundert Femtosekunden auf einer der Untereinheiten lokalisiert. • Für die zwei verschiedenen BODIPY-Serien, die sich nur durch eine Ethylgruppe unterscheiden, gelang es die deutlichen Unterschiede in der Energietransferdynamik durch die Simulationen eindeutig aufzuklären. Obwohl die Absorptions- und Emissionseigenschaften beider Serien keine wesentlichen Unterschiede aufwiesen, sah man in der —-ethyl verbrückten Serie einen 35 % schnelleren Energietransfer von grünen zu roten BODIPY-Einheiten. Durch Kombination von lichtinduzierten Dynamiksimulationen mit neu entwickelten Analysemethoden gelang es, die Anregungsenergie- und Exzitonkopplungsunordnung direkt vorherzusagen. Am Beispiel der BODIPY-Serien konnte so gezeigt werden, dass die Ethylgruppe zu einer signifikanten Reduzierung dieser Unordnungen führt. Dies führt zu kleineren internen Konversionraten und verlangsamt auf diese Weise den Energietransfer. • Die zeitaufgelöste Polarisationsanisotropie-Spektroskopie (auch Fluoreszenzanisotropie-Spektroskopie genannt) ermöglicht es, die Änderung des Übergangsdipolmoments von populierten angeregten Zuständen zeitlich zu verfolgen. Hier konnte aufbauend auf lichtinduzierten Dynamiksimulationen eine Methode entwickelt werden, die die Simulation von zeitaufgelösten Polarisationsanisotropie-Spektren ermöglicht. Am Beispiel der BODIPY-Pyren-Dyade und -Triade konnten diese Spektren erfolgreich simuliert werden und dies ermöglichte es, die verschiedenen Phasen des Energietransfers präzise abzubilden. Damit bildet diese Methode für die Zukunft eine wichtige Brücke zwischen experimentellen Polarisationsanisotropie-Messungen und der theoretischen Nachverfolgung der Energietransferdynamik. B) Exzimerbildung und deren Wechselwirkung mit triplett-korrelierten Singulettzuständen (1 TT) • Da die Exzimerbildung eine wichtige Rolle als Verlustkanal bei der Emission spielt, wurde am Beispiel des Tetracen-Dimers die Dynamik dieses Prozesses simuliert. Hierbei konnte zunächst gezeigt werden, dass semi-empirische Quantenchemiemethoden eine gute Übereinstimmung mit DFT-MRCI bei der Berechnung von Potentialenergieflächen der elektronischen Zustände zeigen. Dies ermöglichte es, erstmals nicht-adiabatische Dynamik für 20 Pikosekunden in diesem System zu simulieren. Die Exzimerbildung fand hierbei in etwa 5-6 ps statt und die Hälfte der untersuchten Dimere bildete ein Exzimer. Zusätzlich war es möglich durch Diabatisierung der populierten einfach- und doppelangeregten Zustände den Charakter nach lokal-angeregten (LE), Ladungstransfer-(CT) und triplett-korrelierten Singulettzuständen (1 TT) zu klassifizieren. Auf diese Weise konnten diabatische zeitabhängige Zustandspopulationen berechnet und die Beteiligung des ( 1 TT)-Zustands an der Exzimerbildung aufgeklärt werden. Während der Exzimerbildungsdynamik konnte so eine transiente Besetzung des ( 1 TT)-Zustands für etwa 2-3 ps beobachtet werden. Allerdings wurde nach etwa 5 ps der Zustand wieder vollständig depopuliert. Gleichzeitig konnte beobachtet werden, dass starke Schwingungsanregungen der Moleküle eine wesentliche Rolle in der Exzimerbildung spielen. (C) Simulation von Photolumineszenz-Quantene Aufbauend auf Englmans & Jortners Energy-Gap-Law und der Kramers’schen Ratentheorie wurde ein neues Modell entwickelt, um interne Konversionsraten vorherzusagen. Mit diesem Modell können sowohl Polaritäts- und Viskositätseffekte des Lösungsmittels als auch die Relaxation über konische Durchschneidungen berücksichtigt werden. Hiermit war es möglich, die Relaxationsprozesse eines Merocyanin-Farbstoffs in unterschiedlichen Lösungsmitteln vollständig aufzuklären und die Raten quantitativ zu simulieren. In Kombination mit transienter Absorptionsspektroskopie konnte zudem die Photoisomerisierung verstanden werden und temperaturabhängige PLQE-Messungen konnten zeigen, dass das entwickelte Modell auch die Temperaturabhängigkeit der Relaxationsraten richtig vorhersagt. Auf Basis des zuvor entwickelten Modells wurden in einer großen Serie von BODIPY-Oligomeren, mit insgesamt mehr als 25 verschiedenen molekularen Systemen, die Relaxationsprozesse untersucht. Dafür wurden hierbei auch die Intersystem-Crossing-Übergänge und der reduktive Photoelektronentransfer berücksichtigt und es gelang für alle acht verschiedenen Grundeinheiten den dominanten Relaxationskanal aufzuklären. Jedoch wurden nicht nur die dominanten Kanäle identifiziert, sondern auch die Skalierungsrelation der Raten in Abhän nigkeit der Zahl der Monomereinheiten. Dabei wächst die radiative und die intersystem Crossing Rate mit der Zahl der Monomere an. Die Rate für die Relaxation über eine konische Durchschneidung hingegen ist nahezu konstant. Der Teil der internen Konversionrate, der sich in harmonischer Näherung beschreiben lässt, zeigt wiederum einen starken Abfall mit zunehmender Anzahl an Monomeren. Dies ist insbesondere bei J-Aggregaten nicht offensichtlich, da eine Erhöhung der Rate durch die Absenkung der Anregungsenergie erwartbar wäre. Jedoch führt die Oligomerisierung zu einer Abnahme der Huang-Rhys Faktoren, die hierbei stark überwiegt. Diese Ergebnisse haben experimentelle Untersuchungen angestoßen, in denen durch gezielte Oligomerisierung die PLQE von 7 % auf über 80 % erhöht werden konnte. Insgesamt wurden in dieser Dissertation neue Ansätze und Methoden für die Simulation von optischen Eigenschaften in organischen Systemen eingeführt und angewandt. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass es mit diesen Methoden zum einen möglich ist die ultraschnelle Relaxationsdynamik nach der Anregung zu beschreiben. Hierbei konnte sowohl die Exzitonendynamik und der Energietransfer zwischen Chromophoreinheiten als auch die Exzimerbildung explizit simuliert werden. Zum anderen gelang es die radiativen und nicht-radiativen Prozesse in verschiedenen Fluorophoren zu identifizieren und deren Raten quantitativ zu beschreiben. Damit stellen diese Ergebnisse eine wichtige Grundlage für die Entwicklung neuer Materialien für die organische Elektronik, wie zum Beispiel organische Leuchtdioden, Photovoltaik oder tragbare Technologien, dar.

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Die Photodissoziation des Bis-(julolidine)-Disulfids (BJUDS) und die Absorption der erzeugten Julolidylthiyl(JULT)-Radikale wurden in verschiedenen Lösungsmitteln mit der Kurzzeit-Breitband-Spektroskopie untersucht. Dazu wurde eine Femtosekunden-Kurzpulsanlage aufgebaut, mit der BJUDS dissoziiert und die transiente Absorption der JULTRadikale zeitabhängig verfolgt wurde. Die Beobachtungen wurden abschließend mit früheren Ergebnissen eines ähnlichen Moleküls, des Bis-(p-aminophenyl)-Disufids, verglichen. Die photolytische erzeugten Julolidylthiylradikale entstehen auf zwei Zeitskalen; innerhalb von 100 bis 150 fs und in 1 bis 5 ps. In polarer Umgebung wird dabei die Ausbildung zweier Konformere durch die spektrale Aufspaltung der transienten Absorptionsbande deutlich. Ein Konformer wird fast instantan gebildet und ist weniger polar als das zweite, das vorwiegend mit der langsameren Anstiegszeit entsteht. In unpolaren Lösungsmitteln liegen die Absorptionsbanden der beiden Konformere fast übereinander, so da diese spektral nicht getrennt werden können. In den viskosen Lösungsmitteln, polar als auch unpolar, ist ein sehr schneller Rückgang der Radikalkonzentration innerhalb von 1 - 2 ps zu beobachten, der der primären geminalen Rekombination zugeschrieben wird. In den schwach viskosen Lösungsmitteln wird jedoch dieser sehr schnelle Rückgang nicht gesehen. In den Alkanen wird ferner ein Rückgang der Radikalkonzentration auf einer Zeitskala von 50 ps beobachtet, der der sekundären geminalen Rekombination zugeschrieben wird. Dieser ist von der Bildung zweier neuer Banden begleitet. Es entsteht ein äußerst stabiles Radikaldimer, das bis in den s-Bereich lebt. In den polaren Lösungsmitteln wird das Radikaldimer nicht beobachtet. Hier werden die polaren JULT-Radikale durch die polare Umgebung solvatisiert. Innerhalb der ersten Pikosekunden ist eine deutliche Rotverschiebung der Bandenschwerpunkte in allen Lösungsmitteln festzustellen. Sie verläuft auf zwei Stufen. Eine schnelle, die vorwiegend in polaren Umgebungen auftritt und eine langsamere, die in unpolarer wie polarer Umgebung vorkommt. Die anfänglich schnelle und intensivere Rotverschiebung in den polaren Lösungsmitteln ist vermutlich auf dipolare Relaxation zurückzuführen. Bei der folgenden langsameren und weniger starken Rotverschiebung handelt es sich nicht um eine Relaxation, sondern um die Bildung des zweiten, polareren Konformers durch die langsamere Dissoziation aus einem relaxierten angeregten Zustand des BJUDS. Dieser langsamere Anstieg der Absorptionsbande des zweiten Konformes bewirkt eine scheinbare Rotverschiebung der Absoptionsbande. Prinzipiell verhalten sich die JULT-Radikale ähnlich den PAPT-Radikalen. Sie entstehen in 10-13s, rekombinieren primär in 10-12s und sekundär in 10-10s. Beide bilden Radikaldimere, die der PAPT-Radikale verschwinden jedoch wieder in 10-9s, während die der JULT-Radikale bis 10-4s existieren. Jedoch gibt es auch markante Unterschiede. Das Absorptionsspektrum der PAPT-Radikale ist glatt und läßt sich in polaren Lösungsmitteln durch nur eine asymmetrische Gaußfunktion beschreiben. Das Absorptionsspektrum der JULT-Radikale hingegen setzt sich aus zwei Banden zusammen, deren spektrale Trennung erst mit zunehmender Polarität der Lösungsmittel deutlich wird. In den unpolaren Lösungsmitteln ist das Absorptionsspektrum der PAPT-Radikale nach der Photolyse zunächst verbreitert und wird in 10-10s schmäler, das der JULT-Radikale entsteht sofort schmal.

Der Verlust der chiralen Integrität am aktivierten Carboxylrest im Verlauf der Peptidsegmentkondensation mit Uroniumsalzen wird durch die Bildung von Oxazolon in Gegenwart des zur Aktivierung der Carboxylgruppe notwendigen tertiären Amins verursacht. Während der Aktivierung geschützter Peptidsegmente in Gegenwart von 2 Äq. des tertiären Amins ändert sich die Lage des Aktivester/Oxazolon - Gleichgewichtes in Abhängigkeit von der Natur der Abgangsgruppe im Uroniumsalz mit steigendem Oxazolongehalt in der Reihenfolge HONB<<HOBt<HOAt. Bei Segmentkupplungen mittels Uroniumsalzen wurde ein Ausmaß der Stereomutation direkt entgegengesetzt zur Menge an Oxazolon gefunden. Für diese unerwartete Reihenfolge sind der sinkende Anteil an freier N-Hydroxyverbindung zur Neutralisation der benötigten Base und unterschiedliche Geschwindigkeiten der Bildung und Aminolyse des intermediären Aktivesters verantwortlich. Hinsichtlich der Verringerung der Stereomutation werden alternative Aktivierungsmethoden diskutiert, wie die Herstellung von Aktivestern über Mischanhydride durch Verwendung von Chlorameisensäurealkyles tern und Zusatz von HONB oder die Verwendung des neuen Reagenzes Chlorocarbonyloxybenzotriazol. Eine neue effiziente Kupplungsmethode besteht in der Verwendung von Peptidsäurefluoriden, hergestellt durch Zusatz von Pyridin- poly(hydrogenfluorid) zum zuvor gebildeten Peptidoxazolon oder in dem Zusatz dieses HF-Additivs bei der Uroniumsalzkup plung zur Unterdrückung der basenkatalysierten Stereomutati on. Außerdem wurde hier erstmalig die bisher als erster Schr itt der Aktivierung mit Uroniumsalzen angenommene O-Acyluroniumverbindung am Modell der Aktivierung der sterisch gehinderten Mesitylencarbonsäure mit dem 7-Aza-benzotriazolyl-Reagenz HAPyU mittels 13C-NMR-Tieftem peratur-Untersuchungen direkt nachgewiesen. / Loss of chiral integrity at the activated carboxyl residue during peptide segment condensation by means of uronium salts is caused by the formation of oxazolone in the presence of the tertiary amine which is necessary for activation of carboxylic group. During activation of a protected peptide in the presence of 2 equivalents of tertiary amine the position of the active ester/oxazolone equilibrium is dependent on the nature of the leaving group of the uronium salt with an increasing oxazolone content in the order HONB<<HOBt<HOAt. Segment coupling by means of uronium salts result in an extent of stereomutation which is directly opposite to the extent of oxazolone formation. This unexpected order is caused by the presence of decreasing amounts of the free N-hydroxy component neutralizing the base, and differing rates of formation and aminolysis of intermediate active esters. Alternative activation procedur es are discussed with regard to reduction of stereomutation: the preparation of active esters through mixed anhydrides by use of alkyl chloroformates followed by addition of HONB or by use of the new reagent chlorocarbonyloxybenzotriazole. A new efficient coupling method resulted from the use of peptide acid fluorides prepared by addition of pyridin-poly (hydrogenfluoride) to pre-formed peptide oxazolone, or the addition of this HF-pyridine complex to couplings via uronium salts, suppressing the base-catalyzed stereomutation. For the first time, direct evidence of the O-acyluronium salt assumed to be the first step during activation via uronium salts was found by means of low temperature 13CNMR measurements of the activation of the sterical hindered mesitoic acid with the 7-aza-oxybenzotriazolyl derivative HAPyU.

Aus der großen physiologischen Bedeutung, die NO im menschlichen Organismus zukommt, ergibt sich die Notwendigkeit, die Bildung dieses Radikals im gesunden Organismus und im pathophysiologischen Zusammenhang zu quantifizieren. Erst wenn die NO-Bildung in der konkreten physiologischen Situation nachvollziehbar ist, ist es möglich, medikamentös in das Geschehen einzugreifen. Ziel der Arbeit war der Ver gleich von Quantifizierungsmethoden für in vivo gebildetes NO bzw. dessen Meta bolisierungsprodukte und die Anwendung ausgewählter Methoden an einer klinisch relevanten Patientengruppe. Dabei wurde deutlich, daß der Nachweis der NO-Bildung im Organismus in klinischen Patientenstudien nur auf indirektem Weg möglich ist. Von den untersuchten indirekten NO-Quantifizierungsmethoden haben sich für Tierexperimentelle Studien folgende Methoden als nutzbar erwiesen: der ESR-spektroskopische HbNO-Nachweis und der Nitrat-Nachweis. Für Untersuchungen des Expressions- und Aktivierungsmechanismus sind die Western-Blot-Analyse und die NOS-Aktivitätsmessung einsetzbar. In Patientenstudien ist die Nitratquantifizierung die zu bevorzugende Methode, wenn ein nitrit- und nitratreduzierter Diätplan eingehalten werden kann und keine Untersuchung von Patienten mit hohen Dosierungen NO-freisetzender Arzneimittel erfolgt. Als ergänzendes Verfahren kann die Quantifizierung der N[omega]-Hydroxy-L-arginin-Konzentration als Maß für die NO-Syntheserate erfolgen, wenn die L-Arginin-Konzentration im Plasma nicht erniedrigt ist. Von den Methoden zur Quantifizierung von Nitrat ist in größeren klinischen Studien die Analyse mittels GC-MS am effektivsten anzuwenden. Ist die HPLC- Quantifizierungsmethode wegen des hohen Zeitaufwandes nur bei geringen Probenzahlen einsetzbar, so führt die Quantifizierung von Nitrit und Nitrat mittels Griess- Reaktion wegen der mangelhaften Wiederfindungsrate im Blutplasma nicht zu richtigen Ergebnissen. Außerdem ist durch die Anwendung der GC-MS-Methode zur Nitratquantifizierung die Analyse sehr geringer Probenvolumina um 5[mycro]l möglich. Dadurch können Erkenntnisse über die lokalen Verhältnisse der NO-Synthese gewonnen werden, was z. B. die Untersuchung ophthalmologischer Fragestellungen an Nagern ermöglicht.

In Supramolekülen ist Information in Form von strukturellen Besonderheiten gespeichert. Der Schlüssel zur technologischen Anwendung solcher Supramoleküle liegt in ihrer reversiblen Schaltbarkeit. Cycloheptatrieneinheiten an Calixarenen oder Rotaxanen sind solche potentiellen Schalter. Durch die Oxidation der Cycloheptatrieneinheiten an Calixarenen und Rotaxanen in die korrespondierenden Tropyliumderivate wechseln Donatoreigenschaften des Supramoleküls zu ausgeprägten Akzeptoreigenschaften. Supramolekulare Strukturen konnten mit diesen Tropyliumderivaten und einem makrozyklischen Polyether aufgebaut werden. Darüberhinaus ließen sich Supramoleküle auch unter Verwendung von Cycloheptatrienderivaten und verschiedenen Ammonium-, Iminium- und Tropyliumsalzen generieren. Die supramolekularen Wechselwirkungen der entsprechenden Wirt-Gast-Komplexe wurden mittels NMR-Titration untersucht. FAB-MS-Messungen bestätigen 1:1-Komplexe. In Gegenwart von Wasserstoffbrückenakzeptoren zeigen die Tropyliumderivate der Calixarene außerdem einen starken bathochromen Shift und eine drastische Verschiebung des pKa-Wertes durch die Ausbildung eines chinoiden Systems. / Supramolecules incorporating cycloheptatrien building blocks represent potential switchable components of host-guest-complexes and rotaxanes, respectively. Both a macrocycle based on calixarene and a molecular thread containing arylcycloheptatrien units were synthesized. A change of properties of these macrocycles may take place by oxidation of the cycloheptatrienyl building blocks forming their corresponding tropylium salts. The cycloheptatrienyl unit has donor properties while tropylium salts are strong electron acceptors. A pseudorotaxane was formed as a supramolecular assembly with different tropylium units in a molecular wire using polyethers. Another kind of supramolecular assembly with cycloheptratrienyl derivatives of calixarenes as host with different ammonia-, iminium-, and tropylium salts as guests was studied. With the help of NMR-titration experiments the interaction of these host-guest-complexes were examined. Investigations with FAB-MS supported an 1:1- stoichiometry of the formed complexes. In the presence of hydrogen bond acceptors the tropylium derivatives of calixarenes exhibited strong bathochromic shifts by building up a quinoid structure in the system. The pka-values of the tropylium derivatives were decreased drastically compared with the unsubstituted calixarenes.

In dieser Arbeit wurde die Kupfer(I)-katalysierte Cycloaddition von Alkinen und Aziden ("Click-Chemie") als effiziente, vielseitige und milde Reaktion für die Funktionalisierung von Nanodiamantpartikeln etabliert. Es wurden verschiedene Alkin- oder Azid-funktionalisierte Nanodiamantsysteme hergestellt und deren Reaktivität in Click-Reaktionen anhand vielfältiger Beispiele demonstriert. Hierzu wurden neben einfachen Testverbindungen auch komplexere Substanzen (z. B. ein Mannose-Derivat, Polytriazole, Fluoreszenzfarbstoffe, ein Thiazolium-Organokatalysator) durch Triazolsynthese immobilisiert. Zusätzlich wurde eine Methode entwickelt, die die Herstellung funktionalisierter und vollständig dispergierter Nanodiamant-Primärteilchen ermöglicht, wobei gezeigt wurde, dass dieser Weg auch für die Funktionalisierung durch Click-Chemie geeignet ist. Die Analyse der Nanodiamantpartikel erfolgte u. a. durch FT-IR, TGA, Elementaranalyse, Partikelgrößen- und Zetapotentialbestimmung, NMR, HR-TEM, UV / Vis sowie Fluoreszenzspektroskopie und -mikroskopie. / In this work, the copper(I)-catalyzed cycloaddition of alkynes and azides ("click chemistry") was established as an efficient, versatile and mild reaction for the functionalization of nanodiamond particles. Different alkyne- or azide-functionalized nanodiamond systems were prepared and their reactivity in click reactions was demonstrated by various examples. For this purpose, simple compounds as well as more complex substances (e. g. a mannose derivative, polytriazoles, fluorescent dyes, a thiazolium organocatalyst) were immobilized via triazole synthesis. In addition, a method was developed that allows for the preparation of functionalized and completely dispersed nanodiamond primary particles. It was shown that this strategy is also suitable for the functionalization via click chemistry. The nanodiamond particles were analyzed by FT-IR, TGA, elemental analysis, particle size and zeta potential measurements, NMR, HR-TEM, UV / Vis, fluorescence spectroscopy and microscopy.

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