Cyclodextrins (CD) are cyclic oligosaccharides composed of six to more than sixty glucose units. Large-ring cyclodextrins (LR-CD) are novel CD comprised of more than eight glucose units with cavity structures and sizes different from that of commercially available CD₆ – CD₈. LR-CD may offer unique molecular recognition properties and can be produced biocatalytically from starch using cyclodextrin glucanotransferase (CGTase, E.C. 2.4.1.19) in a short reaction time. LR-CD were isolated from glucose, CD₆ – CD₈ and other compounds by complexation of CD₆ – CD₈ as well as precipitation techniques. The yield of LR-CD (degree of polymerization from 9 to 21) was optimized using central composite design. Addition of polar organic solvents to the synthesis resulted in higher yields of LR-CD. LR-CD composed of 9 to 21 glucose units were successfully separated using reversed-phase of ODS-AQ chromatography and normal-phase of polyamine II chromatography. Maintaining optimized reaction conditions aided in a high yield of CD₉; it could be separated with reasonable yield using a single step of polyamine II chromatography. A co-grinding method helped to obtain higher solubilization levels of glibenclamide, vitamin A acetate and vitamin D₃ in CD₁₃, CD₁₀ and CD₁₁, respectively when compared to other CD. Vitamin K₁ was solubilized in distilled water with CD₆ – CD₁₃ using a co-precipitation method. When compared with other CD, CD₉ was seen to be the best solubilizer. The analysis of complexes using ESI MS showed spironolactone and glibenclamide complexed with CD₉ and CD₁₃, respectively.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Synthese und Strukturaufklärung von neuartigen, chromophoren Barbituraten, welche als selektive Chemosensoren verwendet werden können. Als Schlüsselverbindungen dienten 5-(4-Nitrophenyl)-barbiturate, deren Enolisierungsfähigkeit systematisch untersucht wurden. Des Weiteren konnten SCHIFFschen Basen, Pyridinium-Barbiturat-Betain-Farbstoffe sowie ein fluoreszenzaktive Naphthalimid synthetisiert werden, in welchen der Barbitursäure-Substituent ebenfalls elektronenschiebende Eigenschaften aufweist. Die individuelle Interaktion der Barbiturate mit der Solvensumgebung wurde mittels Lineare-Solvatations-Energie (LSE)- Beziehungen unter Verwendung der empirischen Lösungsmittelparameter nach KAMLET-TAFT und CATALÁN untersucht. Besonderes Augenmerk lag auf dem Studium der molekularen Erkennung von ausgewählten Chromophoren mit Nukleinbasen und strukturell verwandten Verbindungen. Hierzu gelang es die supramolekularen Bindungsphänomene über Wasserstoffbrücken und die Beeinflussung des chromophoren Systems sowohl im Festkörper als auch in Lösung zu verfolgen.

In der vorliegenden Arbeit wird eine konvergente Synthesestrategie zum Aufbau von formstabilen dendritischen Carbosilanmolekülen mit 1,4-Phenyleneinheiten, welche als “Silicium-Silicium-Spacer” fungieren, vorgestellt. Zur Darstellung dieser Verbindungen kommen repetitive Lithiierungs-Silylierung-Zyklen zur Anwendung. Die Lithiierung von 1-Br-4-C6H4-Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 (n = 0, 1, 2, 3) mit nBuLi und die Umsetzung von in-situ generiertem 1-Li-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-nC6H4 mit SiCl4 liefert Dendrimere der 0. Generation Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)4 (n = 1, 2, 3). Wird 1-Li-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-nC6H4 mit 1-Br-4-SiCl3-C6H4 zur Reaktion gebracht, sind Dendronen der 0. Generation 1-Br-4-C6H4-Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 (n = 0; 1; 2; 3) zugänglich. Durch repetitive Lithiierungs-Silylierungs-Zyklen können ausgehend von 1-Br-4-C6H4-Si(C6H4-4- Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 Dendrimere höherer Generationen aufgebaut werden. Bringt man die lithiierte Spezies 1-Li-4- C6H4-Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3, welche ausgehend von 1-Br-4-C6H4-Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 durch Metallierung mit tBuLi zugänglich ist, in Anwesenheit von TMEDA mit SiCl4 zur Reaktion, so erhält man die Dendrimere der 1. Generation Si(C6H4-4-(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3)4 (G1b, n = 1; G1c n = 2). Erfolgt die Silylierung jedoch in Abwesenheit von TMEDA, werden die Chlorsilane ClSi(C6H4-4-(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3- n)3)3 (D1bCl, n = 1; D1cCl, n = 2) gebildet. Die Silylierung von 1-Li-4-C6H4-Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 mit 1-Br-4-SiCl3-C6H4 liefert die Dendronen der 1. Generation 1-Br-C6H4-4-Si(C6H4-4-(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3)3 (D1b, n = 1; D1c, n = 2; D1d, n = 3). Diese liegen in einem Gleichgewicht monomerer und komplementärer dimerer Spezies vor. Die Dimerisierung kann durch NMR-Untersuchungen sowie durch die Einkristallröntgenstruktur von D1bCl belegt werden. Die Darstellung von Carbosilanen des Typs PhMeSi((CH2)3B(OH)2)2 (2), Si(C6H4-4-SiMe2((CH2)3B(OH)2)4 (5), PhMeSi((CH2)3OH)2 (3) und Si(C6H4-4-SiMe3-n((CH2)3OH)n)4 (6a, n = 1; 6b, n = 2; 6c, n = 3) wird beschrieben. Die Boronsäuren 2 und 5 sind durch Umsetzung von PhMeSi(CH2CH=CH2)2 (1) und Si(C6H4-4-SiMe2(CH2CH=CH2))4 (4a) mit HBBr2·SMe2 und anschließender Hydrolyse zugänglich, während 3 und 6a - 6c durch Hydroborierung von 1 und 4a - c mit BH3·SMe2 und anschließender Oxidation mit H2O2 erhalten werden. Die Einkristallröntgenstruktur von 6a zeigt, dass das Molekül aufgrund von π-π-Wechselwirkungen und der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen Teil eines zweidimensionalen Netzwerks ist. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit widmet sich der Synthese und Charakterisierung von Dendrimeren der 0. und 1. Generation mit symmetrisch substituiertem Porphyrin-Grundgerüst als multifunktionalem Kern. Hierbei werden zunächst die allyl-terminierten Bromide 1-Br-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-nC6H4 (n =1, 2) bzw. die Dendronen -Br-4-C6H4- Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 (n = 0, 1, 2) in die aromatischen Aldehyde 1-HOC-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-nC6H4 (2b, n = 1; 2c, n = 2) bzw. 1-HOC-4-C6H4-Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 (4a, n = 0; 4b, n = 1; 4c, n =2) überführt. Aus diesen werden nach der Methode von Lindsey durch Umsetzung mit Pyrrol, BF3·OEt2 und DDQ die entsprechenden Porphyrine H2T(-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-nC6H4)P (5b, n = 1; 5c, n = 2) bzw. H2T(-4-C6H4-Si(C6H4-4- Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)P (7a, n = 0; 7b, n = 1; 7c, n =2) aufgebaut. Deren Komplexierung mit Zn(OAc)2 liefert die Zn- Porpyrine Zn(II) T(-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-nC6H4)P (6a, n = 1; 6b, n = 2) bzw. Zn(II) T(-4-C6H4-Si(C6H4-4- Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)P (8a, n = 0; 8b, n = 1; 8c, n =2). Ausgehend von 5b und 5c sind Porphyrine mit terminalen Hydroxyl-Carbosilan-Einheiten via Hydroborierung- Oxidation zugänglich. Diese Verbindungen einschließlich der entsprechenden Zn-Komplexe sind aufgrund ihrer Fähigkeit zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken-Netzwerken in hohem Maße zum Aufbau von supramolekularen Strukturen geeignet. Anhand der Einkristallröntgenstruktur-Analyse von Zn[T(4-Si((CH2)3-OH)Me2-C6H4)P] 10a ist ersichtlich, dass dieses Metalloporphyrin aufgrund von dirigierenden Wasserstoffbrücken Teil eines selbst organisierenden Porphyrin-Netzwerks darstellt und darum einzigartige strukturelle Eigenschaften aufweist. Die Einkristallröntgenstrukturen von 5b, 5c, 6b und 7b werden ebenfalls vorgestellt.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der schwingungsspektroskopischen Charakterisierung der molekularen Erkennung von Tetrapeptiden durch künstliche Rezeptoren. Die Peptidrezeptoren zeichnen sich durch hohe Bindungskonstanten in Wasser und ausgeprägte Selektivitäten gegenüber bestimmten Tetrapeptiden aus. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie über schwingungsspektroskopische Techniken in Kombination mit multivariaten und computerchemischen Methoden sowohl Bindungskonstanten als auch strukturelle Informationen über den Peptid-Rezeptor-Komplex gewonnen werden können. Dabei wurden die Infrarot-Spektroskopie zur globalen Abfrage des Gesamtkomplexes und die UV-Resonanz-Raman-Spektroskopie zur selektiven Abfrage der Bindungstasche des Rezeptors eingesetzt. Zur Auswertung der schwingungsspektroskopischen Bindungsstudien wurde eine Matrixfaktorisierung eingesetzt, die es erlaubt, das Reinspektrum des Komplexes (Infrarot-Spektroskopie) bzw. der komplexierten Bindungstasche (Resonanz-Raman-Spektroskopie) zu bestimmen. Darüber hinaus können über die Matrixfaktorisierung Komplexkonzentrationen ermittelt werden, die wiederum die Bestimmung von Bindungskonstanten erlauben. Im zweiten Teil der Arbeit wurden computerchemische Methoden verwendet, um die im ersten Teil der Arbeit beobachteten spektralen Änderungen unter Komplexierung erklären zu können. Zunächst wurden über Kraftfeld-Konformationssuchen energiearme Komplexstrukturen ermittelt, um danach mit Dichtefunktionaltheorie Schwingungsspektren zu berechnen. Zusätzliche Kraftfeld- und Dichtefunktionalrechnungen wurden durchgeführt, um den Einfluss von expliziten Wassermolekülen auf die berechneten Schwingungsspektren zu untersuchen. Im Zuge dieser Arbeit konnte gezeigt werden, wie über schwingungsspektroskopische Bindungsstudien die molekulare Erkennung von Peptiden durch künstliche Rezeptoren markierungsfrei untersucht werden kann. Die in dieser Arbeit vorgestellte Kombination von schwingungsspektroskopischen Methoden mit computerchemischen Rechnungen erlaubt die Übertragung dieses Vorgehens auf andere Systeme, wie z.B. biologische Rezeptoren.

Cyclodextrins (CD) are cyclic oligosaccharides composed of six to more than sixty glucose units. Large-ring cyclodextrins (LR-CD) are novel CD comprised of more than eight glucose units with cavity structures and sizes different from that of commercially available CD₆ – CD₈. LR-CD may offer unique molecular recognition properties and can be produced biocatalytically from starch using cyclodextrin glucanotransferase (CGTase, E.C. 2.4.1.19) in a short reaction time. LR-CD were isolated from glucose, CD₆ – CD₈ and other compounds by complexation of CD₆ – CD₈ as well as precipitation techniques. The yield of LR-CD (degree of polymerization from 9 to 21) was optimized using central composite design. Addition of polar organic solvents to the synthesis resulted in higher yields of LR-CD. LR-CD composed of 9 to 21 glucose units were successfully separated using reversed-phase of ODS-AQ chromatography and normal-phase of polyamine II chromatography. Maintaining optimized reaction conditions aided in a high yield of CD₉; it could be separated with reasonable yield using a single step of polyamine II chromatography. A co-grinding method helped to obtain higher solubilization levels of glibenclamide, vitamin A acetate and vitamin D₃ in CD₁₃, CD₁₀ and CD₁₁, respectively when compared to other CD. Vitamin K₁ was solubilized in distilled water with CD₆ – CD₁₃ using a co-precipitation method. When compared with other CD, CD₉ was seen to be the best solubilizer. The analysis of complexes using ESI MS showed spironolactone and glibenclamide complexed with CD₉ and CD₁₃, respectively.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Synthese und Strukturaufklärung von neuartigen, chromophoren Barbituraten, welche als selektive Chemosensoren verwendet werden können. Als Schlüsselverbindungen dienten 5-(4-Nitrophenyl)-barbiturate, deren Enolisierungsfähigkeit systematisch untersucht wurden. Des Weiteren konnten SCHIFFschen Basen, Pyridinium-Barbiturat-Betain-Farbstoffe sowie ein fluoreszenzaktive Naphthalimid synthetisiert werden, in welchen der Barbitursäure-Substituent ebenfalls elektronenschiebende Eigenschaften aufweist. Die individuelle Interaktion der Barbiturate mit der Solvensumgebung wurde mittels Lineare-Solvatations-Energie (LSE)- Beziehungen unter Verwendung der empirischen Lösungsmittelparameter nach KAMLET-TAFT und CATALÁN untersucht. Besonderes Augenmerk lag auf dem Studium der molekularen Erkennung von ausgewählten Chromophoren mit Nukleinbasen und strukturell verwandten Verbindungen. Hierzu gelang es die supramolekularen Bindungsphänomene über Wasserstoffbrücken und die Beeinflussung des chromophoren Systems sowohl im Festkörper als auch in Lösung zu verfolgen.

Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes, CNT) verfügen über eine Vielzahl von herausragenden und möglicherweise nutzbringenden Eigenschaften. Die kontrollierte Integration von CNT in technische Systeme stellt noch immer eine große Herausforderung dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neue Methoden für den Aufbau von Strukturen und Bauelementen aus CNT entwickelt, die auf Selbstorganisation bzw. bottom-up assembly basieren. Dabei kamen sowohl biochemische als auch physikalische Verfahren zum Einsatz. Einzelsträngige DNA wurde verwendet um CNT in wässrigen Medien zu suspendieren und zu vereinzeln. Beides sind wichtige Voraussetzungen, um die günstigen elektronischen Eigenschaften der CNT zugänglich zu machen. DNA-CNT-Suspensionen wurden sowohl spektroskopisch in ihrer Gesamtheit als auch kraftmikroskopisch auf molekularer Ebene untersucht. So konnten wesentliche Parameter des Herstellungsprozesses optimiert werden, um Suspensionen mit einem hohen Gehalt an langen, sauberen, vereinzelten CNT zu erhalten. Durch die Verwendung von funktionalisierten DNA-Molekülen ist es gelungen, Halbleiterquantenpunkte und Goldkolloide an CNT anzubinden. Im Fall der Quantenpunkte gelang dies mit Hilfe der Biotin-Streptavidin Bindung unter Anwendung des Prinzips der molekularen Erkennung. Die Anbindung dieser Nanopartikel kann als Prototyp für den DNA-vermittelten Strukturaufbau aus CNT angesehen werden. Zur Deposition von CNT in Elektrodenstrukturen wurde ein auf Dielektrophorese beruhendes Verfahren eingesetzt. Dabei ist es gelungen, die wesentlichen Parameter zu identifizieren, die für die Morphologie der abgeschiedenen CNT entscheidend sind. So konnte die Dichte der CNT-Verbindungen zwischen Elektroden von einzelnen Verbindungen über wenige bis hin zu sehr vielen parallel assemblierten CNT eingestellt werden. Durch ein sich selbst steuerndes Hintereinanderlagern von CNT war es möglich auch Elektroden zu verbinden, deren Abstand größer war als die Länge der verwendeten CNT. Durch gezieltes Eliminieren metallischer CNT-Strompfade nach der Deposition ist es gelungen, CNT-Feldeffekttransistoren (CNT-FETs) mit Schaltverhältnissen von bis zu sieben Dekaden herzustellen. Auch dieses Verfahren ist skalierbar und unkompliziert, da es sich selbst steuert. Es ist skalierbar und deshalb auch für technische Anwendungen geeignet. An Hand des Beispiels der Detektion von Ethanoldampf konnte gezeigt werden, dass die über Dielektrophorese aufgebauten CNT-FETs auch als Sensoren eingesetzt werden können. Durch eine Kombination der dielektrophoretischen Deposition von CNT und dem dielektrophoretisch gesteuerten Wachstum metallischer Nanodrähte konnte eine neuartige Hybridstruktur aus CNT und Palladium-Nanodrähten erzeugt werden. Ein solches Verfahren ist eine Voraussetzung für den Aufbau integrierter nanoskaliger Schaltkreise. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen zahlreiche Möglichkeiten auf, verschiedenartige nanoskopische Objekte miteinander integrieren, um neue Anwendungen zu ermöglichen.

Die Assoziation kleiner Moleküle (Liganden) in hydrophobe Bindungstaschen spielt eine fundamentale Rolle in der Biomolekularerkennung und den Selbstassemblierungsprozessen der physikalischen Chemie wässriger Lösungen. Während der Einfluss des Wassers auf die freie Energie der Bindung (die Bindungsaffinität) im thermischen Gleichgewicht in den letzten Jahren auf immer stärkere Aufmerksamkeit stößt, ist die Rolle des Wassers in der Kinetik und der Bestimmung der Bindungsraten noch weitestgehend unverstanden. Welche nanoskaligen Effekte des Wassers beeinflussen die Dynamik des Liganden in der Nähe der Bindungstasche, und wie lassen sie sich durch die chemischen Eigenschaften der Tasche steuern? Neuste Forschungen haben mithilfe von molekularen Computersimulationen eines einfachen Modells gezeigt, dass Hydrationsfluktuationen in der hydrophoben Bindungstasche an die Dynamik des Liganden koppeln und damit seine Bindungsrate beeinflussen. Da die Wasserfluktuationen wiederum durch die Geometrie und Hydrophobizität der Bindungstasche beeinflusst werden, entsteht die Möglichkeit, kontrollierte Fluktuation zu kreieren, um die Bindungsraten des Liganden zu steuern. In dieser Arbeit wird diese Perspektive mithilfe eines theoretischen Multiskalenansatzes für prototypische Schlüssel-Schloss-Systeme aufgegriffen. Wir untersuchen den Einfluss der physikochemischen Eigenschaften der Bindungstasche auf die Diffusivität und die Bindungsraten des Liganden, und wie die Orientierung eines anisotropen Liganden an die Hydrationsfluktuationen der Tasche koppelt. Damit stellen wir fest, dass kleine Änderungen der Taschentiefe eine extreme Beschleunigung der Bindungsraten bewirken kann und, dass gleichzeitig die Bindung in konkave Taschen vorteilhaft für die Reorientierungsdynamik des Liganden ist. Die Resultate dieses Projekts sollen somit helfen, maßgeschneiderte Lösungen für funktionale „Host-Guest“-Systeme sowie pharmazeutische Moleküle in biomedizinischen Anwendungen zu entwickeln. / The association of small molecules (ligands) to hydrophobic binding pockets plays an integral role in biochemical molecular recognition and function, as well as in various self-assembly processes in the physical chemistry of aqueous solutions. While the investigation of water contributions to the binding free energy (affinity) in equilibrium has attracted a great deal of attention in the last decade, little is known about the role of water in determining the rates of binding and kinetic mechanisms. For instance, what are the nanoscale water effects on ligand diffusion close to the hydrophobic docking site, and how can they be steered by the chemical composition of the pocket? Recent studies used molecular simulations of a simple prototypical pocket-ligand model to show that hydration fluctuations within the binding pocket can couple to the ligand dynamics and influence its binding rates. Since the hydration fluctuations, in turn, can be modified by the pocket’s geometry and hydrophobicity, the possibility exists to create well-controlled solvent fluctuations to steer the ligand’s binding rates. In this work, we pick up this appealing notion employing a theoretical multi-scale approach of a generic key-lock system in aqueous solution. We explore the influence of the physicochemical properties of the pocket on local ligand diffusivities and binding rates and demonstrate how the orientation of a (non-spherical) ligand couples to a pocket’s hydration fluctuations. We find that minor modulation in pocket depth can drastically speed up the binding rate and that, concurrently, binding to molded binding sites is advantageous for the rotational dynamics of the ligand. The results and discussion of this work shall, therefore, imply generic design principles for tailored solutions of functional host-guest systems as well as optimized drugs in biomedical applications.