In dieser Arbeit wurden zwei Klassen von analog-sensitiven (AS) Kinaseinhibitoren, welche wichtige pharmakologische Instrumente für die Untersuchung von Signalwegen darstellen, durch den Einbau von lichtempfindlichen Komponenten in ihre Struktur photoschaltbar gemacht. Die Einführung eines Cyclohexa-1,3-diens anstelle des zentralen Benzolrings im Staralog-Grundgerüst ermöglicht eine reversible 6π Elektrozyklisierung analog zu Diarylethenen (DAEs). Nach der Entwicklung eines Synthesewegs führte die iterative Verbesserung des strukturellen Designs schließlich zu einer Reihe von Photoschaltern, die in reinem Wasser bestrahlt werden können. Eine detaillierte Untersuchung des photochemischen Verhaltens ergab effizientes Schalten für beide Bestrahlungsprozesse, was auf hohe Quantenausbeuten und eine ausreichende Bandenseparation zwischen beiden Isomeren zurückzuführen ist. Die vorgestellte Studie demonstriert das Potenzial von DAE-basierten Kinaseinhibitoren und stellt eine vielversprechende Möglichkeit dar, um die momentanen Einschränkungen anderer Photoschalterklassen zu überwinden. Um die katalytische Aktivität von TgCDPK1 zu kontrollieren, wurden auf Grundlage des 5-Aminopyrazol-4-carboxamid Gerüsts photoschaltbare Kinaseinhibitoren entwickelt, die auf einer lichtinduzierten E/Z Isomerisierung eines Arylazopyrazols basieren. Aus einer Bibliothek von synthetisierten Inhibitoren wurden die effektivsten Derivate identifiziert, die ein optimales Verhältnis zwischen guten photochemischen Eigenschaften und Affinität gegenüber der Kinase aufweisen. Tatsächlich konnte so eine reversible Kontrolle der katalytischen Aktivität von TgCDPK1 durch die Anwendung von Licht verschiedener Wellenlängen erreicht werden. Es wurde gezeigt, dass die Wirksamkeit dieser Inhibitoren stark mit der Größe des Gatekeeper-Rests korreliert, was die Möglichkeit einer universellen Anwendung dieses Konzepts für die selektive lichtinduzierte Kontrolle von AS Kinasen in der Zukunft eröffnet. / In this work two general classes of analog-sensitive (AS) kinase inhibitors, which constitute pharmacological key elements for studying kinase-mediated signaling pathways, were rendered photoresponsive by implementing two photoswitchable moieties into the scaffold of their corresponding parent inhibitors. Photoswitchability was introduced to the staralog inhibitor scaffold by implementing a cyclohexa-1,3-diene capable of undergoing 6πelectrocyclization analog to diarylethenes (DAEs). A robust synthetic route was established, and iterative improvement of the structural design eventually led to a set of photoswitches which can be readily operated in pure water. In depth investigation of the photochemical behavior revealed high quantum yields for both processes resulting in efficient photoswitching and sufficient band separation between both isomers. This investigation illustrates the potential of DAE-based kinase inhibitors and presents an attractive strategy to address current limitations of other photoswitch classes and currently employed DAE motifs. Furthermore, photoswitchable kinase inhibitors based on the 5-aminopyrazolo-4-carboxamide (PCA) scaffold were used to control the catalytic activity of TgCDPK1 utilizing light-induced structural changes of an arylazopyrazole. Within a library of synthesized small molecule inhibitors, the best candidates exhibiting an optimal balance between good photochemical properties and target affinity were identified. A substantial difference in IC50 values was achieved between both photostationary states and consequently, the catalytic activity of TgCDPK1 was controlled effectively in a reversible fashion by applying light of different wavelengths. The potency of these inhibitors strongly correlates with the size of the gatekeeper residue, highlighting the potential of these photoswitchable inhibitors for the selective light-induced control over AS kinases in the future.

Methoden der optischen Spektroskopie gestatten es, über die Licht-Materie-Wechselwirkung Aussagen über verschiedene Materialsysteme zu treffen. Im Zuge dieser Arbeit wurde das Potential von stationären und transienten optischen Methoden– u.a. der Nahfeldmikroskopie– zur qualitativen und quantitativen Analyse prototypischer Materialsysteme genutzt. Die Kombination von aufeinander abgestimmten organischen und anorganischen Materialien führt auf so genannte Hybridsysteme. Die Vielzahl verschiedener Halbleiter- und Molekülsysteme lässt eine Vielzahl möglicher Hybride zu. Diarylethene (DTE) bilden eine Klasse photochromer molekularer Systeme. In der Arbeit wird der Frage nach den fundamentalen optischen Eigenschaften und dem Schaltverhalten des hier vorliegenden prototypischen DTE nachgegangen. Die zweite untersuchte Klasse von Systemen sind Hybride, welche aus dem anorganischen Halbleiter Zinkoxid (ZnO) und einer molekularen Bedeckung bestehen. Bei den Untersuchungen dieser Hybride wurde der Frage nach den optisch induzierten physikalischen Prozessen an bzw. in der Grenzschicht zwischen der molekularen Bedeckung und dem anorganischen Halbleiter nachgegangen. Im Speziellen wurde ein exzitonischer Oberflächenzustand (SX) beobachtet. Die Anwendung zeitaufgelöster Tieftemperaturnahfeldmikroskopie deckt die Transporteigenschaften der SX entlang der Oberfläche auf. Weiterhin wurden prototypische Laserdioden auf der Basis des Halbleiters Galliumnitrid (GaN) untersucht. Der Unterschied zwischen den hier untersuchten GaN-Bauelementen liegt in der Materialzusammensetzung der in die Bauelemente integrierten Wellenleiter. Eine Optimierung der Wellenleiter kann zu einer Steigerung der Effizienz der Bauelemente führen. Die Analyse der Bauelemente erfolgte mit Methoden der Nahfeldmikroskopie. Die Experimente decken Unterschiede in der Struktur der Bauelemente auf und erlauben Messungen der in den Wellenleitern geführten Lasermoden. / Methods of optical spectroscopy allow for the investigation of diverse material systems via the interaction between light and matter. Stationary and transient methods of optical spectroscopy were exploited– particularly near-field scanning optical microscopy– for qualitative and quantitative analyses of prototypical material systems. The combination of organic and inorganic materials which are adapted to each other yields a so-called hybrid system. The wide range of different semiconductor materials and molecular systems available results in a multitude of hybrid systems. Diarylethenes (DTE) form one class of photoswitchable molecular systems. This work focuses on the fundamental optical properties and the photochromic switching behavior of a prototypical DTE species. The second class of investigated prototypical sample systems consists of the inorganic semiconductor zinc oxide (ZnO) covered with molecular monolayers. The studies performed on this sample system focus on optically-induced physical processes localized at the interface between the inorganic semiconductor and the organic adlayer. In particular, a surface-excitonic state (SX) was investigated. The application of time-resolved low-temperature near-field scanning optical microscopy enables the monitoring of lateral SX transport along the organic-inorganic interface. The third prototypical sample class considered consists of two gallium nitride (GaN) diode lasers. The difference between the two investigated prototypical diode lasers is the different material composition of the waveguides integrated within the lasers. An optimization of the waveguide material composition may be used to increase the laser efficiency. Near-field scanning optical microscopy was used to analyze the two different diode lasers. The experiments show the structural differences between the distinct laser architectures and revealed the mode profiles of the waveguides within the diode lasers.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Frage wie thermische und photochemische Gleichgewichte verbunden werden können und sich gegenseitig beeinflussen. Dazu wurden zwei Projekte bearbeitet, zum einen das Konzept der „säure-katalysierten Zykloreversion“ und zum anderen das Konzept der „licht-induzierten pKs Veränderung“. Im ersten Konzepte wurde eine extern steuerbare, thermische Rückreaktion genutzt, um die Zusammensetzung im photostationären Zustand zu kontrollieren. Durch Zugabe von katalytischen Mengen einer starken Säure wurde die Ringöffnung eines Diarylethens, welches mit einem Flurenol substituiert ist, eingeleitet. Der zugrundeliegende Prozess wurde kinetisch und thermodynamisch, sowohl durch Experimente als auch durch computergestützte Rechnungen beschrieben. Eine säure-induzierte Dehydratation öffnet einen neuen Reaktionspfad, wodurch die normalerweise sehr hohe Reaktionsbarriere der Ringöffnung umgangen werden kann. Die quantitative Umsetzung mit Säure führt zu einer kompletten Löschung der photochemischen Reaktivität. Dieses Konzept kann in der Speicherung von Lichtenergie in photochromen metastabilen Systemen genutzt werden. Durch die Nutzung von 3-H-Thiazol-2-on als Rest im Diarylethen konnte eine signifikante pKs Änderung von 2.8 Einheiten in wässriger Umgebung erreicht werden. Dabei wurden zwei Säure-Base Gleichgewichtssysteme miteinander gekoppelt, welche an der thermischen Umwandlung gehindert sind, jedoch photochemisch ineinander überführt werden können. Des Weiteren wurde eine hohe Abhängigkeit der Quantenausbeute von dem Protonierung festgestellt. Diese wurde genutzt um die Performance der Photoreaktion zu beeinflussen. Die Beeinflussung der Photoreaktion erfolgt nicht durch Veränderung der Energetik des Grundzustandes, sondern durch Veränderung der Potentialhyperfläche des angeregten Zustandes. Durch neue molekulare Designs konnte eine signifikante Verbesserung im Vergleich zu bekannter Molekülen und Konzepten in beiden Projekten erreicht werden. / Two projects are implemented in this work, which share the goal to interconnect acid-base equilibria with the photoreactions of diarylethene (DAE) photoswitches. This task can be divided into two logic questions: How can photochemical equilibria be controlled or rather influenced via an acidic or basic stimulus and how can a photoreaction induce control over an acid-base equilibrium? In the first project, “Acid-Catalyzed Cycloreversion”, an externally tunable thermal back reaction was designed to influence a photochemical equilibrium. Upon addition of catalytic amounts of acid, a closed DAE carrying a fluorenol moiety undergoes facile thermal ring opening. The underlying thermodynamics and kinetics of the entire system have been analyzed experimentally as well as computationally. Appling an excess of acid leads to a complete inhibition of the photoreaction through the introduction of a charge-transfer. My work suggests that acid catalysis provides a useful tool to bypass thermal barriers, potentially usable to efficiently trigger the release of light energy stored in photoswitches. In the second project, entitled “Light-induced pKa Modulation”, a significant pKa change of 2.8 units in an aqueous medium was achieved by connecting two different acid-base equilibria. These thermodynamic equilibria are separated by a high activation barrier, overcome by a photoreaction. The developed system which is based on the incorporation of a 3 H thiazol 2 one moiety into a DAE, shows a strong dependency of the quantum yield and hence, of the photoconversion on the protonation state. Adjusting the pH within the range of the pKa change, a substantial enhancement of the photoconversion is achievable as well as a distinct alteration of the performance of the photoreaction. This effect does not originate from different reaction paths on the ground state potential energy surface (PES), but results presumably from a protonated state dependent difference in the excited PES.