(Metallo-)Dendrimers in Catalysis, Nanoparticle Stabilization and Biological Application Technische Universität Chemnitz, Fakultät für Naturwissenschaften Dissertation 2011, 165 Seiten Die vorliegende Dissertationsschrift befasst sich mit der Darstellung, Charakterisierung und Anwendung neuartiger (Metallo-)Dendrimere. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet dabei die terminale Funktionalisierung (Poly)amidoamin-basierender Dendrimere kleiner Generationen. Durch Standardpeptid-Knüpfungsreaktionen von 1,1´-(Diphenylphosphino)ferrocen-carbonsäure an dendritische (Poly)amidoamine ist eine Serie entsprechend funktionalisierter Metallodendrimere zugänglich. Die metallorganischen, Dendrimer-immobilisierten Engruppen können durch Zugabe von [Pd(3-C3H5)Cl]2 in heterobimetallische Übergangsmetallkomplexe umgewandelt werden und finden Einsatz als katalytisch aktive Systeme in C,C-Kreuzkupplungsreaktionen nach Heck. Ein weiterer Gegenstand der Arbeit ist die terminale Modifikation von (dendritischen) Ami-nen mit (Sp)-2-(Diphenylphosphino)ferrocen-1-carbonsäure. Nach erfolgter Umsetzung mit [Pd(3-C3H5)Cl]2 werden die erhaltenen planar-chiralen Verbindungen als Katalysatoren in asymmetrischen allylischen Substitutionsreaktionen eingesetzt. Ferner ist die Darstellung (Oligo)ethylenglykolether-terminierter (Poly)amidoamin-Dendrimere beschrieben. Diese werden als Stabilisatoren zur in-situ Generierung von Gold- sowie Magnetit-Nanopartikeln eingesetzt. Der Einfluss der dendritischen Template auf die Kolloidgrößen und Morphologien sowie die Eigenschaften der gebildeten Hybridmaterialien werden aufgezeigt. Darüber hinaus befasst sich die Arbeit mit der Verwendung biokompatibler (Oligo)ethylenglykolether-Dendrimere als Wirkstoffträger für Zytostatika bei der Krebsthera-pie. Die im Rahmen von in vitro Untersuchungen erhaltenen Ergebnisse werden präsentiert.:Table of Contents Bibliografische Beschreibung und Referat ii Selbstständigkeitserklärung iii Table of Contents vii List of Abbreviations xi Präambel xvi A Introduction 1 1. Dendrimers 1 2. Nanomaterials 4 3. References 7 B State of Knowledge 12 1. Dendrimers 12 1.1. Synthesis and Characterization 12 1.2. Functional Dendrimers 15 2. Characterization Techniques for Dendrimer-Nanomaterial Assemblies 24 3. Motivation 26 4. References 27 C Amidoamine-based Dendrimers with End-grafted Pd-Fe Units: Synthesis, Characterization and Their Use in the Heck Reaction 34 1. Introduction 34 2. Results and Discussion 35 2.1. Synthesis of Amidoamine Dendrimers 35 2.2. Synthesis of Metallo- and Selenium-Phosphine Amidoamine Dendrimers 36 2.3. Catalysis with Heterobimetallic Iron-Palladium Amidoamine Dendrimers 39 3. Conclusions 41 4. Experimental 42 4.1. Materials and Methods 42 4.2. Preparation of 2 43 4.3. Preparation of 9-Fe 43 4.4. Preparation of 5-Fe-Pd 44 4.5. Preparation of 6-Fe-Pd 44 4.6. Preparation of 7-Fe-Pd 45 4.7. Preparation of 8-Fe-Pd 46 4.8. Preparation of 9-Fe-Pd 46 4.9. Preparation of 5-Fe-Se 47 4.10. Preparation of 9-Fe-Se 48 4.11. General Procedure for the Heck-Reaction 48 5. Acknowledgement 49 6. References 49 D A Preparation of Planar-Chiral Multidonor Phosphanyl-Ferrocene Carboxamides and Their Application as Ligands for Palladium-Catalyzed Asymmetric Allylic Alkylation 52 1. Introduction 52 2. Results and Discussion 53 2.1. Syntheses and Characterization 53 2.2. Solid-State Structure of (Sp)–2 55 2.3. Catalytic Tests 57 3. Conclusions 58 4. Experimental 59 4.1. Materials and Methods 59 4.2. Preparation of Simple Amides. A General Procedure 59 4.3. Preparation of 6 61 4.4. Preparation of (Sp,Sp)–4 61 4.5. Preparation of 7 62 4.6. Preparation of (Sp,Sp,Sp)–5 62 4.7. Asymmetric Allylic Alkylation. A General Procedure 63 4.8. X-ray Crystallography 63 5. Acknowledgements 64 6. References 64 E Au Nanoparticles Stabilized by PEGylated Low-Generation PAMAM Dendrimers: Design, Characterization and Properties 68 1. Introduction 68 2. Materials and Methods 69 2.1. Synthesis of Stabilizers 69 2.2. Preparation Procedure for Gold Nanoparticles 70 3. Results and Discussion 70 3.1. Dendritic Stabilizers 70 3.2. Dendritic Stabilized Gold Nanoparticles 72 3.3. Physical and Chemical Characterization 73 4. Conclusion 79 5. Acknowledgement 80 6. Supplementary Material 80 7. References 80 F Design, Characterization and Magnetic Properties of Fe3O4-Nanoparticle Arrays Coated with PEGylated-Dendrimers 86 1. Introduction 86 2. Materials and Methods 88 2.1. Materials and Instruments 88 2.2. Synthesis Procedure for Fe3O4 Nanoparticles 89 3. Results and Discussion 91 3.1. Preparation and Characterization of Dendrimer-Surfaced Fe3O4 Nanoparticles 91 3.2. Magnetic Characterization of Dendrimer-Coated Fe3O4 Nanoparticles 96 4. Conclusion 99 5. Acknowledgement 100 6. References 100 G Dendrimer - Doxorubicin Conjugate for Enhanced Therapeutic Effects for Cancer 103 1. Introduction 103 2. Experimental Section 105 2.1. Materials and Methods 105 2.2. Synthesis of OEGylated Poly(amidoamine) Dendrimer 2 106 2.3. Cell Viability Studies 107 2.4. Doxorubicin Loading and Release 107 2.5. In Vitro Cellular Uptake of Dendrimer-DOX Conjugate 109 3. Results and Discussion 109 3.1. Drug Loading and Release 109 3.2. Surface Potential of the Dendrimer-Drug Assembly 110 3.3. Structural Analysis of Dendrimer-DOX Conjugate 111 3.4. In Vitro DOX Release Profile from Dendrimer-Drug Conjugate 114 3.5. Cell Viability Studies of the Dendrimer-DOX Conjugate 117 3.6. Cellular Uptake by the Dendrimer-DOX Conjugate 118 3.7. Protein Adsorption Studies 119 4. Conclusions 119 5. Acknowledgements 120 6. Supplementary Material 120 7. References 121 H Summary 123 1. Summary 123 2. Zusammenfassung 129 Danksagung 136 I Appendix 137 1. Appendix Chapter C 137 2. Appendix Chapter D 139 3. Appendix Chapter E 140 4. Appendix Chapter F 142 5. Appendix Chapter G 144 Lebenslauf 145 Liste der Publikationen, Vorträge und Posterpräsentationen 147 Publikationen 147 Poster 148 Vorträge 149

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Synthese, der Charakterisierung und der Anwendung neuartiger Phosphane in homogenkatalytischen Reaktionen. Dabei wurden die Ferrocenyl- und Ferrocenylethinylphosphan-Palladium und Ferrocenylethinylphosphan-Ruthenium Komplexe in der Palladium-vermittelten Mizoroki-Heck- und Suzuki-Miyaura-Reaktion sowie der Ruthenium-katalysierten Synthese von β-Oxopropylestern verwendet. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Untersuchung des Einflusses der elektronischen und räumlichen Eigenschaften der Phosphanliganden auf die Aktivität und Produktivität der entsprechenden Katalysatoren in den homogenkatalytischen Reaktionen. Weiterhin beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Synthese und Charakterisierung von funktionalisierten (Phosphino)Imidazol und (Phosphino)Imidazolium Salzen und deren Anwendung in der Suzuki-Miyaura-Reaktion. Dabei wurde neben der Untersuchung des Einflusses der Position der Phosphanylgruppe und der unterschiedlichen Substituenten ebenfalls die Auswirkung von elektronenziehenden und -schiebenden Gruppen am Phosphanrest untersucht. Die neutralen Mono- und Diphosphane wurden außerdem in der Kreuzkupplung von Arylhalogeniden und in der Synthese räumlich anspruchsvoller Biaryle verwendet. Des Weiteren wurden die (Phosphino)Imidazolium-Salze als Liganden in der Suzuki-Miyaura-Reaktion in ionischen Flüssigkeiten als Reaktionsmedium angewendet, um die Möglichkeit des Recyclings der Katalysatorphase zu untersuchen.:Table of Contents Bibliographische Beschreibung und Referat ii Präambel iii Table of Contents 1 List of Abbreviations 5 A Introduction 9 1 Homogeneous Catalysis 9 2 References 11 B State of Knowledge 13 1 Transition Metal-Catalyzed C,C Cross-Coupling Reactions 13 2 Mizoroki-Heck Reaction 16 3 Suzuki-Miyaura Reaction 23 4 β-Oxopropyl Ester Synthesis 29 5 Ferrocenyl Phosphines in C,C Cross-Coupling Reactions 33 6 Phosphino Imidazoles and their Application in C,C Cross-Coupling Reactions 35 7 Motivation 36 8 References 37 C Metallocenyl Phosphine Palladium Dichlorides: Synthesis, Electrochemistry and their Application in C,C Coupling Reactions 44 1 Introduction 44 2 Results and Discussion 45 2.1 Ligand Synthesis and Properties 45 2.2 Electrochemistry 47 2.3 Single Crystal X-ray Structure Determination 51 2.4 Catalytic Investigations 55 2.4.1 Mizoroki-Heck Catalysis 55 2.4.2 Suzuki-Miyaura Catalysis 56 3 Conclusions 58 4 Experimental Section 60 4.1 General Data 60 4.2 Instruments 60 4.3 Electrochemistry 60 4.4 Spectro-electrochemistry 61 4.5 Materials 61 4.6 General Procedure for the Synthesis of Phosphines 3 and 6 61 4.7 General Procedure for the Synthesis of the Seleno Phosphines 4 and 7 65 4.8 General Procedure for the Synthesis of the Palladium Complexes 9a – e and 10a – d 69 4.9 General Procedure for the Mizoroki-Heck Reaction 72 4.10 General Procedure for the Suzuki-Miyaura Reaction 73 4.11 Crystal Data for 4b 73 5 Supporting Information 73 6 Acknowledgement 77 7 References 77 D Fundamental Study of (Ferrocenylethynyl)phosphines: Correlation of Steric and Electronic Effects in C,C Cross-Coupling Reactions 81 1 Introduction 81 2 Results and Discussion 82 2.1 Synthesis, Reaction Chemistry and Characterization 82 2.2 C,C Cross-Coupling Reactions 95 2.2.1 Suzuki-Miyaura Reaction 95 2.2.2 Mizoroki-Heck Reaction 96 3 Conclusions 97 4 Experimental Section 99 4.1 General Data and Materials 99 4.2 Instruments 99 4.3 Electrochemistry 100 4.4 Spectro-electrochemistry 100 4.5 General Procedure for the Synthesis of Phosphines 3b – f 101 4.6 General Procedure for the Synthesis of Seleno Phosphines 4b – f 104 4.7 General Procedure for the Synthesis of Palladium Complexes 6e, 6f and 7a – f 106 4.8 Synthesis of [PdCl2(P(C≡CFc)(Cy)2)2][B(C6F5)4]2 ([7f][(B(C6F5)4)]2) 110 4.9 General Procedure for the Suzuki-Miyaura Reaction 110 4.10 General Procedure for the Mizoroki-Heck Reaction 110 4.11 Crystal Structure Determination 111 5 Supporting Information 112 6 Acknowledgement 114 7 References 114 E (Ethynylferrocenyl)phosphine Ruthenium Complexes in Catalytic β-Oxopropyl Benzoate Formation 119 1 Introduction 119 2 Experimental Section 120 2.1 General Procedure and Materials 120 2.2 General Procedure for the Synthesis of Ruthenium Complexes 3a – 3e and 10 121 2.3 Synthesis of (Et2N)P(C≡C-PPh2)2 (6) 124 2.4 Synthesis of P(C≡CFc)(C≡CPPh2)2 (9) 124 2.5 Synthesis of (RuCl2(η6-p-cymene))(FcC≡C)P(C≡CPPh2(RuCl2(η6-p-cymene)))2 (10) 125 2.6 General Procedure for the Catalytic Reactions 125 2.7 Crystal Structure Determination 126 3 Results and Discussion 127 4 Conclusions 135 5 Supporting Information 135 6 Acknowledgement 135 7 References 136 F Phosphino Imidazoles and Imidazolium Salts for Suzuki-Miyaura C,C Coupling Reactions 138 1 Introduction 138 2 Results and Discussion 139 2.1 Synthesis 139 2.2 Characterization 143 2.3 Catalysis 148 3 Conclusions 152 4 Experimental Section 154 4.1 General Procedures 154 4.2 Synthesis of 1-(4-iodophenyl)-4,5-dimethyl-1H-imidazole (3b) 155 4.3 Synthesis of 1-(4-ferrocenylphenyl)-1H-imidazole (5) 156 4.4 Synthesis of 1-(4-(ethynylferrocenyl)phenyl)-1H-imidazole (7) 156 4.5 Synthesis of 1-(4-(1,1’-biphenyl))-4,5-dimethyl-1H-imidazole (9) 157 4.6 General Synthesis Procedure for Phosphines 11a – f 157 4.7 General Procedure for the Synthesis of Seleno Phosphines 11a-Se – f-Se 165 4.8 General Procedure for the Synthesis of Imidazolium Salts 16a – 16d 169 4.9 Synthesis of 1-phenyl-2-(diphenylphosphino)-3-n-octyl-4,5-dimethyl-1H-imidazolium hexafluorophosphate (17a) 171 4.10 Synthesis of 1-phenyl-2-(dicyclohexylphosphino)-3-n-octyl-4,5-dimethyl-1H-imidazolium hexafluorophosphate (17b) 172 4.11 Synthesis of [(1-(4-Br-C6H4)-cC3H2N2-3-n-Bu)2PdI2] (19) 173 4.12 Synthesis of 1-(4-(diphenylphosphino)phenyl)-3-n-octyl-4,5-dimethyl-1H-imidazolium hexafluorophosphate (20) 173 4.13 General Procedure for the Suzuki-Miyaura Reaction 174 4.14 General Procedure for the Suzuki-Miyaura Reaction in Ionic Liquids 175 4.16 General Procedure for the Synthesis of Sterically Hindered Biaryls 175 4.17 Crystal Structure Determination 176 5 Supporting Information 177 6 Acknowledgement 180 7 References 180 G Imidazole Phosphines: Synthesis, Reaction Chemistry and Their Use in Suzuki-Miyaura C,C Cross-Coupling Reactions 184 1 Introduction 184 2 Results and Discussion 185 2.1 Synthesis and Characterization of Phosphino Imidazoles and Metallamacrocycles 185 2.2 Suzuki-Miyaura C,C Cross-Coupling Reactions 193 3 Conclusions 196 4 Experimental Section 197 4.1 General Procedures 197 4.2 Synthesis of 1-(4-(diphenylphosphino)phenyl)-4,5-dimethyl-1H-imidazole (4a) 198 4.3 Synthesis of 1-(4-(dicyclohexylphosphino)phenyl)-4,5-dimethyl-1H-imidazole (4b) 199 4.4 General Synthesis Procedure for Phosphines 6a – f 199 4.5 Synthesis of [Pd(1-(4-PPh2-C6H4)-2-PFur2-4,5-Me2-1H-C3N2)Cl2]2 (8) 204 4.6 Synthesis of [Pt(dppf)(C≡C-C6H4-4-PPh2)2] (11) 204 4.7 Synthesis of [Pt(dppf)(C≡C-C6H4-4-PPh2)2PtCl2)]2 (13) 205 4.8 General Procedure for the Suzuki-Miyaura Reaction 205 4.9 General Procedure for the Suzuki-Miyaura Coupling of Aryl Chlorides 206 4.10 General Procedure for the Synthesis of Sterically Hindered Biaryls 206 4.11 Crystal Structure Determination 206 5 Acknowledgement 207 6 Supporting Information 208 7 References 208 H Summary 211 Acknowledgement/Dank 219 Publications, Oral Presentations, Poster 220 Publications 220 Oral Presentations 221 Posters 221 Curriculum Vitae 223 Selbstständigkeitserklärung 224 Appendix 225

This Ph.D. thesis concentrates on the synthesis and characterization of tailor-made metal-based precursors and their application in the metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), combustion chemical vapor deposition (CCVD) and in the spin-coating process. Therefore, different complexes containing copper, ruthenium, palladium and gold were synthesized and investigated concerning their thermal properties, especially their decomposition behavior and volatility. Copper(II) and palladium(II) β-ketoiminates were synthesized and used in MOCVD or spin-coating deposition experiments for the formation of metal and metal oxide materials. Ruthenium complexes of type Ru(CO)2(PEt3)2(O2CR)2 (R = Me, Et, iPr, tBu, CH2OMe, CF3) were investigated concerning their physical characteristics depending on the different carboxylates. While primarily focusing on the thermal decomposition behavior, VT IR (variable temperature infrared) spectroscopy, TG-MS (thermogravimetry-mass-spectrometry) studies and DFT (density-functional theory) calculations were carried out to gain a deeper inside into the degradation of the respective complexes, whereby it was possible to propose decomposition mechanisms. Furthermore, from these results it was possible to propose decomposition mechanisms. Gold carboxylates of type [AuO2CCH2OMe(PR’3)] (R’ = Et, nBu) were synthesized and characterized for the use as precursors within CCVD processes to generate Au and SiOx:Au materials. The deposits were used as heterogeneous catalyst in the reduction of 4-nitrophenol. The deposition behavior of zinc diolate towards zinc oxide layer formation was studied by MOCVD experiments, whereby an influence on the crystallinity of the received films was observed depending on the deposition conditions. The second part of this dissertation focuses on the synthesis of polyaromatic hydrocarbons (napthalene, phenanthrene and pyrene) functionalized with Fc (Fc = Fe(η5-C5H4)(η5-C5H5)) units as redox-active group. Thereby, the main emphasis was on the investigation of the charge transfer properties between the ferrocenyl entities through the π-conjugated bridges. The charge transfer behavior was affected by the substituents or substitution pattern at the aryls resulting in more or less intense intervalence charge transfer (IVCT) excitations of the respective compounds. In order to explore the interaction between the Fc-functionalized arenes and SWCNTs (single-walled carbon nanotubes), these molecules were studied by single-crystal X-ray diffraction analysis and DFT calculations. Moreover, disentangling experiments of SWCNTs with a Fc-functionalized pyrene led to the formation of a novel nanoconjugation, whereby the electrochemical response of the ferrocenyl entities is still present. / Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von maßgeschneiderten Übergangsmetall-basierten Precursoren und deren Anwendung in der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD), in der Flammenbeschichtung (CCVD), oder in der Rotationsbeschichtung. Dafür wurden Kupfer-, Ruthenium-, Palladium- und Gold-haltige Komplexe hergestellt und bezüglich ihrer thermischen Eigenschaften, insbesondere das Zersetzungsverhalten und die Flüchtigkeit, charakterisiert. Cu(II)- und Pd(II)-β-Ketoiminate wurden synthetisiert und in der MOCVD oder in der Rotationsbeschichtung genutzt, um metallische und metalloxidische Materialien abzuscheiden. Ruthenium Komplexe des Typs Ru(CO)2(PEt3)2(O2CR)2 (R = Me, Et, iPr, tBu, CH2OMe, CF3) wurden hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften in Abhängigkeit der verschiedenen Substituenten der Carboxylate untersucht. Dabei lag der Fokus im Besonderen auf der thermischen Zersetzungen, welche mittels VT IR (variable Temperatur-Infrarot) Spektroskopie, TG-MS (Thermogravimetrie-Massenspektrometrie) Untersuchungen und DFT (Dichtefunktionaltheorie) Berechnungen genauer beleuchtet wurden. Dabei war es anhand der erhaltenen Ergebnisse möglich Zersetzungsmechanismen zu formulieren. Weiterhin wurden Goldcarboxylate der Art [AuO2CCH2OMe(PR’3)] (R’ = Et, nBu) synthetisiert und in der CCVD untersucht, um Au und SiOx:Au Materialien herzustellen, welche im Weiteren als heterogene Katalysatoren für die Reduktion von 4-Nitrophenol genutzt wurden. Das Abscheideverhalten von Zinkdiolaten in der MOCVD zur Erzeugung von dünnen Zinkoxidfilmen wurde beispielsweise in Hinblick des Einflusses auf die Kristallinität der Filme untersucht. Im zweiten Teil der Dissertation wird die Synthese von Fc-funktionalisierten (Fc = Fe(η5-C5H4)(η5-C5H5)) polyaromatischen Kohlenwasserstoffen (Naphthalen, Phenanthren, Pyren) diskutiert. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Untersuchung des Elektrontransferverhaltens zwischen den Redox-aktiven Gruppen in Abhängigkeit der Substituenten und des Substitutionsmusters der π-konjugierten Brücke. Diese Verbindungen wurden mittels Röntgeneinkristallstrukturanalyse und DFT-Berechnungen untersucht um festzustellen, ob eine Wechselwirkung zwischen den Fcfunktionalisierten Arenen und SWCNTs (einwandige Kohlenstoffnanoröhren) möglich ist. Entbündelungsversuche von SWCNTs in Anwesenheit eines Fc-funktionalisierten Pyrens lieferten ein neuartiges Hybridsystem, welches Fc-basierte Redoxprozesse zeigte.

The present PhD thesis describes the synthesis and characterization of novel planarchiral 1,2-P,O-ferrocenes and their application in the Pd-catalyzed Suzuki-Miyaura reaction. It was especially focused on the development of a new synthetic pathway to this type of substitution pattern by applying the anionic phospho-Fries rearrangement in ferrocene chemistry. Starting from hydroxy ferrocene, a high diversity of Fc–O–P- type (Fc = (n5-C5H5)(n5-C5H4)) compounds were synthesized, whereby the electronic properties of the phosphorus fragments were varied. The anionic phospho-Fries rearrangement successfully occurred subsequent to an ortho-lithiation with a non-nucleophilic base giving the 1,2-P,O-ferrocenes in up to quantitative yields. The usage of chiral pool-based alcohols for the synthesis of chiral ferrocenyl phosphates allowed a diastereoselective proceeding, giving single isomers in up to 95% de. Temperature-dependent investigations of mixed ferrocenyl-, phenyl- and Nheterocyclicphosphates revealed a limitation of ferrocenyl-based rearrangements per reaction step, contrary to phenyls. 1,2-P,O-ferrocenyl phosphonates could successfully be converted into phosphines by applying Stelzer P,C cross-coupling reactions on ferrocenes for the first time. Their usage as ligands for C,C cross-coupling reactions was confirmed by the synthesis of sterically hindered biaryls in high yields at 70°C with a low catalyst loading of 1 mol-% Pd. Functionalization of the 1,2-P,O -structural motif could be achieved by applying nucleophilic aromatic substitution reactions (SNAr) as an alternative pathway for the synthesis of ferrocenyl aryl ethers. Subsequent to a Fries rearrangement sterically-demanding 1,3-di-orthosubstituted aryloxy ferrocenes could be obtained. Multi SNAr reactions of hydroxyferrocenes at polyfluorinated arenes gave up to pentaferrocenyl-functionalized aryl ethers, whose electrochemical properties were investigated. The reaction of CH2-enlarged ferrocenylmethanols gave α-ferrocenylcarbenium ions instead of phosphates, while treating them with chlorophosphates. Enantiopure 2-P(S)Ph2-substituted derivatives of these ions underwent a subsequent intermolecular “S2−“ migration, resulting in thioethers, for example (Sp,Sp)-(2-(P(S)Ph2)FcCH2)2S, in a unique mechanism. Instead, the presence of electronrich arenes gave electrophilic aromatic substituted benzenes bearing chiral ferrocenylmethyl backbones. These type of ligands gave biaryls with up to 26 % ee. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung von neuartigen planar-chiralen 1,2-P,O-ferrocenen sowie deren Anwendung in der Pd-katalysierten Suzuki-Miyaura Reaktion. Dabei lag der Focus in der Anwendung anionischer phospho-Fries Verschiebungen auf Ferrocene um dieses spezielle Substitutionsmuster erhalten zu können. Ausgehend von Hydroxyferrocenen wurde so eine Vielzahl neuer Verbindungen des Typs Fc–O–P (Fc = (n5-C5H5)(n5-C5H4)) synthetisiert, wobei die elektronischen Eigenschaften des Phosphor-tragenden Fragmentes variiert wurden. Die anionische phospho-Fries Verschiebung erfolgte im Anschluss einer ortho-Lithiierung mit einer nicht-nucleophilen Base, was 1,2-P,O-Ferrocene nahezu quantitative ergab. Durch die Verwendung von chiral-pool basierten Alkoholen für die Synthese chiraler Ferrocenylphosphate konnte eine diastereoselective 1,3-O->C Umlagerung mit Isomerenreinheiten von bis zu 95 % erreicht werden. Untersuchungen von gemischten Ferrocenyl-, Phenyl- und N-heterocyclischen Phosphaten bei verschiedenen Temperaturen zeigte eine Limitierung Ferrocenyl-basierter Umlagerungen pro Reaktionsschritt im Gegensatz zu denen von Phenylen. Die erhaltenen 1,2-P,O-Ferrocenylphosphate wurden erstmals mittels Stelzer P,C Kreuz-Kupplungsreaktionen erfolgreich in Phosphane umgesetzt. Deren Verwendung als Ligand in C,C Kreuz-Kupplungsreaktionen wurde am Beispiel der Synthese räumlich anspruchsvoller Biaryle in hohen Ausbeuten bei nur 70°C und niedrigen Katalysatorbeladungen von 1 mol-% Pd demonstriert. Die Funktionalisierung des 1,2-P,O-Strukturmotifes konnte durch die Anwendung von nucleophilen aromatischen Substitutionsreaktionen erreicht werden, die einen alternativen Zugang zu Ferrocenylarylethern bietet. Im Anschluss an eine Fries Umlagerung konnten so sterisch anspruchsvolle 1,3-di-ortho-substituierte Ferrocenylarylether erhalten werden. Durch mehrfache SNAr Reaktionen von Hydroxyferrocenen an polyfluorierten Aromaten wurden bis zu fünf-fach substituierte Ether erhalten, deren elektrochemischen Eigenschaften untersucht wurden. Die um eine CH2-Einheit verlängerten Ferrocenylmethanole gaben bei Reaktion mit Chlorophosphaten alpha Ferrocenylcarbeniumionen anstelle der gewünschten Phosphate. Enantiomerenreine 2-P(S)Ph2-substituierte Derivate dieser Ionen durchliefen anschließend einen intermolekularen ”S2–“ Transfer in einem einzigartigen Mechanismus, was bspw. in Thioethern des Typs (Sp,Sp)-(2-(P(S)Ph2)FcCH2)2S resultierte. In Anwesenheit elektronenreicher Aromaten wurden elektrophile aromatischen Substitutuionen und die Bildung chiraler ferrocenylmethyl-substitutuierter Benzene beobachtet. Deren Einsatz als Ligand ergab Biaryle mit bis zu 26 % ee.

Die vorliegende Dissertation beschreibt die Synthese und Charakterisierung von neuartigen perferrocenylierten, cyclischen Komplexen unter Anwendung der Cobalt-vermittelten Cyclomerisierung in Kombination mit einer C-H-Bindungsaktivierung als auch die Bildung von ferrocenylierten Phosphinoalkinid-Komplexen mit Eisen- und Cobaltcarbonylen. Die elektrochemischen Eigenschaften und die Elektronentransfer-prozesse zwischen den terminalen Ferrocenyleinheiten in den unterschiedlichen cyclischen Verbindungen wurden unter Einbeziehung der Struktur/chemischen Zusammensetzung der Brückenbausteine ermittelt. Elf perferrocenylierte, cyclische Komplexe wurden mittels [2+2] bzw. [2+2+2] Cyclomerisierung von 1,4-Diferrocenylbutadiin FcC≡C–C≡CFc (Fc = Fe(η5-C5H4)(η5-C5H5)) unter Verwendung von Dicarbonylcyclopentadienylcobalt Co(η5-C5H5)(CO)2 erhalten. Diese können in drei Gruppen unterteilt werden: (i) Produkte der Cyclodimerisierung mit zusätzlicher Kettenverlängerung, welche Cyclobutadienyl-einheiten als zentrale Brückenbausteine besitzen (3a,b und 4a,b), (ii) Produkte der Cyclodimerisierung mit gleichzeitiger CO-Insertion (6a,b,c und 7), und (iii) Produkte der Cyclotrimerisierung gefolgt von einem Ringschluss durch eine C-H-Bindungsaktivierung (5a,b,c). Die Optimierung der Reaktionsbedingungen wurde zur Ausbeutemaximierung der jeweiligen Verbindungsfamilien durchgeführt. Ein weiterer Teil dieser Forschungsarbeit bezieht sich auf die verschiedenen Reaktionsmuster von (Ferrocenylethinyl)diphenylphosphan- mit zweikernigen Eisen- bzw. Cobaltcarbonylverbindungen in Form von Dieisennonacarbonyl und Dicobaltoctacarbonyl als Reagenzien. Dabei konnten sechs gemischte Carbonyl- und Ferrocenyl-funktionalisierte Phosphinoacetylid-Komplexe mit Eisen(0) und Cobalt(0) erhalten und charakterisiert werden.:Table of contents Bibliografische Beschreibung und Referat iii Abstract iv Ort und Zeitraum der Durchführung v Widmung vi Präambel vii List of Abbreviations xii CHAPTER A Introduction 15 References 16 CHAPTER B State of Knowledge 19 1 (Spectro)electrochemical studies of mixed-valent transition metal complexes. Theoretical background 19 1.1 Mixed-valent compounds – classification 20 1.2 Spectroelectrochemistry 21 1.3 Electrochemistry 25 2 (Di)ferrocenylalkynes – synthesis and reactions 28 2.1 1,4-Diferrocenylbutadiyne 29 2.2 Other (poly)ferrocenyl substituted alkyne derivatives 35 3 Dicarbonylcyclopentadienylcobalt – [2+2] and [2+2+2] cyclo-addition reactions 37 3.1 [2+2] and [2+2+2] cycloaddition – cyclobutadiene, cyclopentadienone, benzene and pyridine based systems 38 3.2 Mechanism of [2+2] and [2+2+2] cycloaddition/cyclization and [2+2] cycloaddition/cyclization with CO insertion mediated by CoCp(CO)2 40 4 Chelation-assisted C–H bond activation mediated by cobalt species 42 5 Phosphinoalkynes and their reaction with iron and cobalt carbonyls 44 5.1 Mechanism of the P–C(sp) bond cleavage in phosphinoalkynes 48 6 Complexes setup by (ferrocenylethynyl)diphenylphosphane 50 References 56 CHAPTER C Multiferrocenyl Cobalt-Based Sandwich Compounds 64 1 Introduction 64 2 Results and Discussion 65 2.1 Synthesis and Characterization 65 2.2 Solid-State Structures 71 2.3 Electrochemistry 73 2.4 Spectroelectrochemistry 76 3 Experimental Section 79 3.1 Instrumentation 79 3.2 General Conditions 81 3.3 Reagents 81 3.4 General Procedure - Reaction of 1 with 2 81 3.4.1 Compound 3a 82 3.4.2 Compound 3b 82 3.4.3 Compound 4b 83 3.4.4 Compound 5c 83 3.4.5 Compound 6a 84 3.4.6 Compound 6b 84 3.4.7 Compound 6c 85 3.4.8 Compound 7 85 4 Supporting information 86 5 References 86 CHAPTER D Combining Cobalt-Assisted Alkyne Cyclotrimerization and Ring Formation through C–H Bond Activation: A “One-Pot” Approach to Complex Multimetallic Structures 91 1 Introduction 91 2 Results and Discussion 92 3 Experimental Section (Supporting information) 98 3.1 General Information 98 3.2 Starting Materials 98 3.3 Synthesis of 3a and 3b from 2 99 3.3.1 Complex 3a: 99 3.3.2 Complex 3b: 100 3.4 Synthesis of 9a and 9b from 1-Ferrocenylethynyl-2-Ferrocenyl Benzene (8) 101 3.4.1 Synthesis of 1-Bromo-2-Ferrocenylethynyl Benzene (7) 101 3.4.2 Synthesis of 1-Ferrocenylethynyl-2-Ferrocenyl Benzene (8) 102 3.4.3 Synthesis of 9a and 9b from 8 103 3.5 Synthesis of 3a and 3b from 1,3,5-Triethynylferrocenyl-2,4,6-Triferrocenyl Benzene (4) 105 3.5.1 Synthesis of 1,3,5-Trichloro-2,4,6-Triethynylferrocenyl Benzene (12) 105 3.5.2 Synthesis of 1,3,5-Triethynylferrocenyl-2,4,6-Triferrocenyl Benzene (4) 105 3.5.3 Synthesis of 3a and 3b from 4 106 4 Supporting information 107 4.1 Spectroelectrochemistry of 3a,b 107 4.2 Conversion of Isomer 9a to 9b – Electrochemical and Chemical oxidation 109 4.3 Chemical oxidation experiment 110 5 References 111 CHAPTER E Coordination Behavior of (Ferrocenylethynyl)diphenyl-phosphane Towards Binuclear Iron and Cobalt Carbonyls 114 1 Introduction 114 2 Results and Discussion 115 3 Experimental Section 126 3.1 Instrumentation 126 3.2 General 128 3.3 Reagents 128 3.4 Synthesis of 4 128 3.5 Synthesis of 4, 5 and 6 129 3.6 Synthesis of 6 by reacting 4 with 2 131 3.7 Synthesis of 7 and 8 131 3.8 Synthesis of 8 from 1 with 3 132 3.9 Synthesis of 9 in the reaction of 7 with 2 133 3.10 Synthesis of 9 in the reaction of 4 with 3 133 4 Electronic Supplementary Material (Supporting information) 134 5 References 134 CHAPTER F Summary 139 1 Conclusions of Chapter C (Appendix A) 139 2 Conclusions of Chapter D (Appendix B) 141 3 Conclusions of Chapter E (Appendix C) 142 Appendix 145 1 Appendix D (Chapter C) 145 2 Appendix E (Chapter D) 146 3 Appendix F (Chapter E) 147 Curriculum Vitae 150 Publications 152 Acknowledgements 154 Selbstständigkeitserklärung 155 / The present PhD study focuses on the synthesis and characterization of novel perferrocenylated cyclic complexes utilizing cobalt - mediated cyclomerization in combination with C–H bond activation as well as formation of ferrocenylated phosphino-alkyne compounds with iron and cobalt carbonyls. Electrochemical properties and electron-transfer processes between terminal ferrocenyl units in the diverse cyclic compounds are explored in relation to the chemical composition of the building blocks connecting them. Eleven perferrocenylated cyclic compounds were obtained via [2 + 2] and [2 + 2 + 2] cyclomerization of 1,4-diferrocenylbutadiyne FcC≡C–C≡CFc (Fc = Fe(η5-C5H4)(η5-C5H5)) by the reaction with dicarbonylcyclopentadienylcobalt Co(η5-C5H5)(CO)2. They are subdivided into three groups: (i) products of cyclodimerization with additional chain extension, possessing cyclobutadienyl moieties as a central linkage unit (3a,b and 4a,b), (ii) products of cyclodimerization with consecutive CO insertion (6a,b,c and 7), and (iii) products of cyclotrimerization followed by cycle formation via C–H bond activation (5a,b,c). Optimization of the reaction conditions was made in order to maximize the amount of each group of compounds. Furthermore, another part of this research work focuses on diverse reaction patterns of (ferrocenylethynyl)diphenylphosphane with diironnonacarbonyl and dicobaltocta-carbonyl. Six mixed carbonyl and ferrocenyl-functionalized phospinoalkynyl compounds of iron(0) and cobalt(0) were obtained and characterized.:Table of contents Bibliografische Beschreibung und Referat iii Abstract iv Ort und Zeitraum der Durchführung v Widmung vi Präambel vii List of Abbreviations xii CHAPTER A Introduction 15 References 16 CHAPTER B State of Knowledge 19 1 (Spectro)electrochemical studies of mixed-valent transition metal complexes. Theoretical background 19 1.1 Mixed-valent compounds – classification 20 1.2 Spectroelectrochemistry 21 1.3 Electrochemistry 25 2 (Di)ferrocenylalkynes – synthesis and reactions 28 2.1 1,4-Diferrocenylbutadiyne 29 2.2 Other (poly)ferrocenyl substituted alkyne derivatives 35 3 Dicarbonylcyclopentadienylcobalt – [2+2] and [2+2+2] cyclo-addition reactions 37 3.1 [2+2] and [2+2+2] cycloaddition – cyclobutadiene, cyclopentadienone, benzene and pyridine based systems 38 3.2 Mechanism of [2+2] and [2+2+2] cycloaddition/cyclization and [2+2] cycloaddition/cyclization with CO insertion mediated by CoCp(CO)2 40 4 Chelation-assisted C–H bond activation mediated by cobalt species 42 5 Phosphinoalkynes and their reaction with iron and cobalt carbonyls 44 5.1 Mechanism of the P–C(sp) bond cleavage in phosphinoalkynes 48 6 Complexes setup by (ferrocenylethynyl)diphenylphosphane 50 References 56 CHAPTER C Multiferrocenyl Cobalt-Based Sandwich Compounds 64 1 Introduction 64 2 Results and Discussion 65 2.1 Synthesis and Characterization 65 2.2 Solid-State Structures 71 2.3 Electrochemistry 73 2.4 Spectroelectrochemistry 76 3 Experimental Section 79 3.1 Instrumentation 79 3.2 General Conditions 81 3.3 Reagents 81 3.4 General Procedure - Reaction of 1 with 2 81 3.4.1 Compound 3a 82 3.4.2 Compound 3b 82 3.4.3 Compound 4b 83 3.4.4 Compound 5c 83 3.4.5 Compound 6a 84 3.4.6 Compound 6b 84 3.4.7 Compound 6c 85 3.4.8 Compound 7 85 4 Supporting information 86 5 References 86 CHAPTER D Combining Cobalt-Assisted Alkyne Cyclotrimerization and Ring Formation through C–H Bond Activation: A “One-Pot” Approach to Complex Multimetallic Structures 91 1 Introduction 91 2 Results and Discussion 92 3 Experimental Section (Supporting information) 98 3.1 General Information 98 3.2 Starting Materials 98 3.3 Synthesis of 3a and 3b from 2 99 3.3.1 Complex 3a: 99 3.3.2 Complex 3b: 100 3.4 Synthesis of 9a and 9b from 1-Ferrocenylethynyl-2-Ferrocenyl Benzene (8) 101 3.4.1 Synthesis of 1-Bromo-2-Ferrocenylethynyl Benzene (7) 101 3.4.2 Synthesis of 1-Ferrocenylethynyl-2-Ferrocenyl Benzene (8) 102 3.4.3 Synthesis of 9a and 9b from 8 103 3.5 Synthesis of 3a and 3b from 1,3,5-Triethynylferrocenyl-2,4,6-Triferrocenyl Benzene (4) 105 3.5.1 Synthesis of 1,3,5-Trichloro-2,4,6-Triethynylferrocenyl Benzene (12) 105 3.5.2 Synthesis of 1,3,5-Triethynylferrocenyl-2,4,6-Triferrocenyl Benzene (4) 105 3.5.3 Synthesis of 3a and 3b from 4 106 4 Supporting information 107 4.1 Spectroelectrochemistry of 3a,b 107 4.2 Conversion of Isomer 9a to 9b – Electrochemical and Chemical oxidation 109 4.3 Chemical oxidation experiment 110 5 References 111 CHAPTER E Coordination Behavior of (Ferrocenylethynyl)diphenyl-phosphane Towards Binuclear Iron and Cobalt Carbonyls 114 1 Introduction 114 2 Results and Discussion 115 3 Experimental Section 126 3.1 Instrumentation 126 3.2 General 128 3.3 Reagents 128 3.4 Synthesis of 4 128 3.5 Synthesis of 4, 5 and 6 129 3.6 Synthesis of 6 by reacting 4 with 2 131 3.7 Synthesis of 7 and 8 131 3.8 Synthesis of 8 from 1 with 3 132 3.9 Synthesis of 9 in the reaction of 7 with 2 133 3.10 Synthesis of 9 in the reaction of 4 with 3 133 4 Electronic Supplementary Material (Supporting information) 134 5 References 134 CHAPTER F Summary 139 1 Conclusions of Chapter C (Appendix A) 139 2 Conclusions of Chapter D (Appendix B) 141 3 Conclusions of Chapter E (Appendix C) 142 Appendix 145 1 Appendix D (Chapter C) 145 2 Appendix E (Chapter D) 146 3 Appendix F (Chapter E) 147 Curriculum Vitae 150 Publications 152 Acknowledgements 154 Selbstständigkeitserklärung 155

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit dem elektrochemischen Verhalten verschiedener Ferrocenyl-substituierter Thiophene. Dabei wird sich zunächst mit dem elektrochemischen Verhalten der Serie der Ferrocenylthiophene beschäftigt, die Anzahl der Ferrocenyleinheiten variiert von n = 1 – 4. Die Abhängigkeit der elektronischen Eigenschaften von numerischen und konstitutionellen Veränderungen der redox-aktiven Gruppen wird evaluiert. Daraus resultierend wird sich einer eingehenderen Untersuchung und Modifikation des 2,5-Diferrocenylthiophen-Motivs zugewandt. Diese Modifikationen werden im Kontext möglicher Ladungstransferprozesse zwischen den Ferrocenyleinheiten in den verschiedenen Redoxzuständen und unter Beeinflussung durch den Thiophen-Brückenliganden diskutiert. Es folgen des Weiteren Ausführungen zu Substitutionen an den Ferrocenylen (Einführung elektronen-ziehender Funktionalitäten) sowie der Vergleich zwischen einer Thiophen- und der Ethylendioxythiophen-Brückeneinheit. Anschließend wird sich mit der elektronischen Variation des Brückenliganden durch die Einführung von N-haltigen Substituenten befasst. In den abschließenden Kapiteln wird der Einfluss zusätzlicher σ- (Fischercarben-Komplexe) oder π-gebundener ([Ru(η5-C5H5)]+/[Ru(η5-C5Me5)]+) Übergangsmetallkomplexfragmente auf Ladungstransferwechselwirkungen im 2,5-Diferrocenylthiophen in verschiedenen Redoxzuständen beleuchtet.

Les membranes cellulaires naturelles sont des structures complexes et posent de nombreux problèmes lorsqu'elles sont étudiées dans leur forme native. Par conséquent, des systèmes modèles lipidiques plus simples sont souhaitables pour étudier les composants des membranes cellulaires et leur interaction avec les molécules biologiques. Immobiliser ces modèles lipidiques sur des surfaces solides métalliques, pour former des bicouches biomimétiques supportées (SLB pour Supported Lipid Bilayer en anglais), est encore plus avantageux grâce leur adaptabilité à de nombreuses techniques de caractérisation de surface, telles que la microscopie de force atomique (AFM), la spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR), l’électrochimie et les spectroscopies vibrationnelles (IR, Raman). Former ces bicouches lipidiques supportées par fusion des vésicules a toujours été la technique la plus adaptée vue sa simplicité et son efficacité. Cependant, cette technique exige des conditions expérimentales critiques comme la nécessité de surfaces planes lisses et hydrophiles (mica, verre…), des vésicules à base de phospholipides zwitterioniques en phase fluide, une concentration élevée en lipides, et une longue durée d’incubation (>1h). Dans cette thèse, nous visons à développer une nouvelle méthode simple, rapide et polyvalente permettant de former une large gamme de bicouches biomimétiques supportées, de type zwitterionique et anionique, en phase gel et fluide sur un substrat d’or. Cette nouvelle approche consiste en l’utilisation des réactions d’appariement ionique générées par un système rédox confiné en surface pour induire l’assemblage de phospholipides et former la bicouche lipidique. Le premier objectif de cette thèse est d’étudier le comportement électrochimique d’une monocouche auto-assemblée de ferrocényldodécanethiolates (FcC12SAu) en présence de molécules amphiphiles avec des groupes anioniques de types carboxyle (sel d’acide gras) et phosphate (groupes qu’on trouve dans les phospholipides) et une simple chaîne hydrocarbonée. Dans le même contexte, nous viserons également l’utilisation des réactions d’appariement ionique pour induire l’assemblage des surfactants n-alkyl carboxylate et n-alkyl phosphate à l’interface SAM/électrolyte. Le second objectif de ce travail de thèse consiste en l’utilisation du système rédox confiné en surface pour déclencher par appariement ionique l’assemblage des phospholipides (molécules amphiphiles à double chaînes hydrocarbonées) pour former des bicouches biomimétiques supportées sur une surface d’or, à partir de vésicules unilamellaires, à température ambiante et en quelques minutes. La couverture de surface en ferrocènes et l’hydrophobicité/hydrophilicité de la surface seront altérées par la suite pour investiguer l’effet sur la formation des bicouches lipidiques supportées. / Natural cell membranes are complex structures and may present many problems when studied in their native form. It is therefore desirable to have simpler lipid bilayer systems to study the components of cell membranes and their interaction with biological molecules. Immobilizing these lipid membranes on metallic solid surfaces, to form Supported Lipid Bilayers (SLB), is more advantageous due to the integrity with a wide range of surface-sensitive characterization techniques, such as atomic force microscopy (AFM), surface plasmon resonance spectroscopy (SPR), electrochemistry and vibrational spectroscopies (IR, Raman). The preparation of SLBs by vesicle fusion has always been the most suitable technique due to its simplicity and efficiency, but it requires critical experimental conditions such as the need for smooth and hydrophilic flat surfaces (mica, glass...), vesicles based on zwitterionic phospholipids in fluid phase, high lipid concentration, and lengthy SLB preparation times (>1h). In this thesis, we aim to develop a new simple, fast, and versatile method to form a wide range of supported biomimetic bilayers using zwitterionic and anionic phospholipid vesicles in gel and fluid phase on a gold substrate. This new approach consists in the use of ionic pairing reactions generated by a surface-confined redox system to induce the assembly of phospholipids and form the lipid bilayer. The first part of this thesis focuses on studying the electrochemical behavior of a self-assembled monolayer of ferrocenyldodecanethiolates (FcC12SAu) in the presence of amphiphilic molecules containing a carboxyl (fatty acid salt) and phosphate anionic group and a single hydrocarbon chain. This part will also focus on the use of ion-pairing reactions to induce the assembly of n-alkyl carboxylate and n-alkyl phosphate surfactants at the SAM/electrolyte interface. The second and main objective of this thesis work was subsequently devoted to the use of the surface-confined redox system to trigger by ion-pairing the assembly of phospholipids (amphiphilic molecules with double hydrocarbon chains) to form biomimetic bilayers supported on a gold surface from unilamellar vesicles at room temperature and within minutes. The surface coverage of ferrocenes and the hydrophobicity/hydrophilicity of the surface will be altered later to investigate the effect on the formation of supported lipid bilayers.