The preparation of the shape-persistent carbosilane-functionalized porphyrins H2TPP(4-SiRR’Me)4, Zn(II)- TPP(4-SiRR’Me)4 (R = R’ = Me, CH2CHvCH2, CH2 CH2CH2OH; R = Me, R’ = CH2 CHvCH2, CH2CH2CH2OH; TPP = tetraphenyl porphyrin), H2TPP(4-Si(C6H4-1,4-SiRR’Me)3)4, and Zn(II)-TPP(4-Si- (C6H4-1,4-SiRR’Me)3)4 (R = R’ = Me, CH2CHvCH2; R = Me, R’ = CH2CHvCH2) using the Lindsey condensation methodology is described. For a series of five samples their structures in the solid state were determined by single crystal X-ray structure analysis. The appropriate 0th and 1st generation porphyrin-based 1,4-phenylene carbosilanes form 2D and 3D supramolecular network structures, primarily controlled by either π–π interactions (between pyrrole units and neighboring phenylene rings) or directional molecular hydrogen recognition and zinc–oxygen bond formation in the appropriate hydroxyl-functionalized molecules. UV-Vis spectroscopic studies were carried out in order to analyze the effect of the dendritic branches on the optical properties of the porphyrin ring. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Résumé : Le travail de recherche présenté dans ce mémoire fut inspiré par le processus de la photosynthèse qui se produit chez les plantes. Au cours de ce processus l’énergie solaire est convertie en énergie chimique via différentes étapes de transferts d’électrons et d’énergie. En maîtrisant bien ces concepts, de nombreuses applications, telles que les cellules photovoltaïques ou les DEL (Diodes électro-luminescentes) peuvent être améliorées. Pour se faire, il est important d’optimiser les propriétés des matériaux existants (oligomères, polymères, etc…) en préparant des systèmes conjugués plus efficaces, mais aussi de pleinement comprendre les processus qui s’y produisent (processus de transferts d’électrons et d’énergie photo-induist). La série d’oligomères et de polymères présentée dans ce mémoire le sont pour leurs applications dans des systèmes photoniques. Dans cette optique, ce mémoire a été divisé en cinq grands chapitres. Le premier présente les principes théoriques de la photophysique. Le second présente le suivi du transfert d’énergie T[indice inférieur 1] dans les états triplets, T[indice inférieur 1], une dyade constituée de la tétraphénylporphyrine de zinc(II), [ZnTPP], et de la bis(phénylpyridinato)(bipyridine) d’iridium(III), [Ir], chromophores liés avec un pont trans-diéthynylbis(phosphine)-platine(II). Malgré que cette dyade soit entièrement conjuguée et qu’elle soit constituée d’un donneur ([ZnTPP]) et d’un accepteur ([Ir]), aucun transfert d’énergie T[indice inférieur 1] [Ir] → S[indice inférieur 1]/T[indice inférieur 1] [ZnTTP] n’a été observé. Ce résultat fut attribué à l’absence de recouvrement des orbitales moléculaires entre la HSOMO(donneur*) et la HSOMO(accepteur), LSOMO(accepteur) and LSOMO (donneur*) (mécanisme de Dexter). Ainsi, l’échange d’électrons est impossible. Ce chapitre suggère que l’équation de Dexter, k[indice inférieur Dexter] = KJexp(-2r[indice inférieur DA]/L) ne reste qu’une approximation. Ce travail a été publié dans ChemComm (2013, 49, 5544-5546). Le troisième chapitre présente le transfert d’énergie singulet beaucoup lent qu’attendu se produisant dans une dyade constituée d’une porphyrine de zinc(II) avec une porphyrine base libre liées par un pont palladium(II) (trans-PdI[indice inférieur 2]). Sachant que cette dyade est entièrement conjuguée et que la distance entre les deux centres de masse des porphyrines est relativement courte, ce système aurait dû présenter un transfert d’énergie très rapide, d’après la théorie de Förster. Dans ce cas, ce comportement a été expliqué par le faible recouvrement des orbitales frontières (OM) du donneur et de l’accepteur. Ce travail a été accepté le 2014-05-26 dans Chemistry – A European Journal (chem.201403146). Le quatrième chapitre rapporte une étude du transfert d’énergie ultra-rapide (650 fs) entre des états singulets dans une dyade composé d’une porphyrine de zinc(II) (le donneur) et une porphyrine base libre (l’accepteur) liées à l’aide d’un pont de palladium ([beta],[beta]--trans-Pd(NH)[indice inférieur 2](CO)[indice inférieur 2]). Ces résultats ont été attribués à la présence d’un couplage fort entre les OM du donneur et de l’accepteur et de la très faible contribution (atomique) du Pd(II) vers ces OM. Cette dyade montre la plus rapide constante de transfert d’énergie k[indice inférieur ET] que nous connaissons pour des dyades similaires contentant un fragment métallique. Les résultats du troisième et quatrième chapitre montrent que la théorie de Förster tel quel ne suffit pas pour prédire les vitesses de transferts d’énergie dans certains systèmes : d’autres facteurs doivent être pris en compte. Ce travail a été soumis dans JACS ( ja-2014-061774, 19-6-2014). Dans le cinquième chapitre de ce mémoire, la synthèse du bis(-[alpha]-(amino(4-éthynylbenzene (triméthylsilane)(R))))bis(4-éthynylbenzene-(triméthylsilane))quinone diimine (R= H, Boc) comme modèle pour des polymères conjugués et non-conjugués contenant le colorant porphyrine a été proposée. Le corps du composé désiré (tétrakis(4-éthynlyphenyl)quinone-1,4-diimine-2,5-diamine) a montré un transfert de charge partant des groupes terminaux riches en électrons une la benzoquinone centrale plus pauvre. La nature de l’émission fut observée uniquement à 77K pour le cas où R = H et fut attribuée à de la fluorescence. À température ambiante, l’intensité était trop faible pour être observée. Dans le cas où R = Boc, aucune emission n’a été détectée. Malheureusement, le composé espéré ne fut pas obtenu, le procédé de synthèse employé engendra uniquement la forme réduite. Cette forme fut malgré tous analysé, et ne présenta pas de transfert de charge ni de communication entre les différents chromophores. Ceci a été expliqué simplement par le fait que la conjugaison est brisée quand ce composé est sous sa forme réduite. Ce travail sera soumis au Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials. // Abstract : The research work presented in this master thesis is inspired by the photosynthetic process occurring in plants where solar energy is converted into chemical energy via several energy and electron transfer processes. In the light of these concepts, several applications such as solar cells and light emitting diodes can be improved. To do so, we need to optimize the properties of polyads, oligomers and polymers to device more efficient conjugated materials as well as developing a full understanding of the photo-induced energy and electron transfer processes that occur. Several organometallic oligomers and polymers are presented in this thesis due to their potential photonic applications. In this respect, this master thesis has five chapters. The first one introduces some theoritical principles of photophysics. The second one presents the monitoring of triplet state (T[subscript 1]) energy transfer in a dyad that consists of zinc(II)tetraphenylporphyrin, [ZnTPP], and bis(phenylpyridinato)-(bipyridine)iridium(III), [Ir], chromophores linked by a platinum(II) containing bridge. Despite the conjugation in this dyad and the presence of the [ZnTPP] energy donor and the [Ir] energy acceptor species, no T[subscript 1] [Ir] → S[subscript 1]/T[subscript 1] [ZnTTP] energy transfer occurs. This result was explained by the absence of MO overlap between HSOMO(donor*) and HSOMO(acceptor), LSOMO(donor*) and LSOMO(acceptor) , and hence no efficient double electron transfer exchange (i.e. Dexter mechanism) is likely to occur. This chapter suggested that Dexter formulation, k[subscript Dexter] = KJexp(-2r[subscript DA]/L), appears as an approximation. This work has been published in ChemComm (2013, 49, 5544-5546). The third chapter shows an unexpected slow singlet energy transfer in a dyad built upon a zinc(II)porphyrin and the corresponding free base chromophores linked by a palladium(II)- containing bridge (trans-PdI[subscript 2]), despite the presence of conjugation and the relative short center-to-center distance. This behavior was explained by two factors, the first is the lack of large molecular orbitals (MOs) overlaps between the frontier MOs of the donor and acceptor, and thus preventing a double electron exchange to occur through the trans-PdI[subscript 2] bridge. The second factor affected the energy transfer is the electronic shielding induced by the presence of this same linker, namely the electron rich iodides, preventing the two VI chromophores to fully interact via their transition dipoles. This work has been accepted on 2014-05-26 in Chemistry-A European Journal (chem.201403146). The fourth chapter reports an ultrafast singlet energy transfer (650 fs) in a dyad composed of a zinc(II)porphyrin (donor) and a free base porphyrin (acceptor) [beta],[beta]-linked via trans- Pd(NH)[subscript2](C=O)[subscript 2]. These results were explained by the presence of strong MO couplings of the donor and acceptor and the very weak atomic contribution of the Pd(II) atom to this MO. This dyad shows the fastest energy transfer rate k[subscript ET] among other similar dyad systems incorporating a bridge either in the form of a metal fragment or carbon-based. The results of these third and fourth chapters showed that the Förster mechanism is not enough to account for the energy transfer in some systems and other factors affect that transfer. This work has been submitted in JACS ( ja-2014-061774, 19-6-2014). In chapter 5, the synthesis of bis-[alpha]-(amino(4-ethynylbenzene (trimethylsilane)(R))bis(4- ethynylbenzene-(trimethylsilane))quinone diimine (R = H, Boc) as a model for conjugated and unconjugated porphyrin dye polymers was proposed. The central core of the desired compound, tetrakis(4-ethynlypenyl)quinone-1,4-diimine-2,5-diamine, provided evidence for a charge transfer interaction from the electron richer terminal groups to be more electron poorer benzoquinone ring. The nature of the emission of the core compound was found to be fluorescence at 77K for the case R = H but was too weak to be observed at 298K. No emission was detected for the case R = Boc. Unfortunately, the synthetic route of the desired compound gave the reduced form. The analyses of the reduced compound showed the complete absence of the charge transfer or any communication between the different chromophores due to the broken conjugation between the porphyrin units in the reduced product. This work will be submitted to Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials.

Seit Anfang des 20. Jahrhunderts ist die Krankheit Krebs die zweithäufigste Todesursache. Die immer besser werdende Diagnostik zur Früherkennung von Krebserkrankungen bringt zudem mit sich, dass eine steigende Anzahl an Krankheitsfällen bekannt wird; gleichzeitig hat eine sichere Erkennung im Frühstadium einen hohen Stellenwert, da nur so frühzeitig therapeutische Maßnahmen ergriffen werden können. Obwohl zur kurativen oder zur palliativen Behandlung schon lange viele ausgereifte Therapiemethoden und -konzepte erfolgreich angewendet werden, sind bis heute viele Krebserkrankungen noch immer unheilbar und es gibt bislang in vielen Fällen noch keine potenten Arzneistoffe für eine wirkungsvolle Therapie. Die Suche nach neuen Wirkstoffen ist daher ein Schwerpunkt aktueller Forschung. Auch unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit dieser Thematik und hat in Zusammenarbeit mit dem Universitätsklinikum Würzburg ein neuartiges Pro-Prodrug- Konzept für antitumorale Wirkstoffe entwickelt. Daher war es ein Ziel der vorliegenden Arbeit, aufbauend auf medizinischen und biochemischen Vorarbeiten, eine Leitstruktur für antitumorale Wirkstoffe zu erarbeiten, die auf dem hier vorgestellten Pro-Prodrug-Konzept basiert, und eine entsprechende Syntheseroute zur Gewinnung erster Fluoreszenz-markierter Pro-Prodrug-Modellverbindungen zu etablieren. Eine andere interessante Substanzklasse, die nicht nur aufgrund ihrer Wirkeigenschaften als Photosensibilisatoren in der photodynamischen Therapie bereits Gegenstand intensiver Forschung ist, sondern auch in weiteren Bereichen der angewandten Chemie, wie beispielsweise in der metallorganischen Katalyse oder in den Materialwissenschaften Anwendung findet, sind die Porphyrine. Neben den achiralen Vertretern finden die chiralen Porphyrinoide Anwendung in der chiralen Erkennung oder in der asymmetrischen Synthese. Auf dem Gebiet der Porphyrine war das Ziel der vorliegenden Arbeit die gezielte Synthese N,C- und C,C-verknüpfter dimerer und trimerer Porphyrine, einhergehend mit intensiven Untersuchungen der Reaktivität der verwendeten Bausteine, des Reaktionsmechanismus und der hohen Regioselektivität. Da einige der synthetisierten Substanzen Axial- oder Helikalchiralität aufweisen, wurden diese durch HPLC-CD eingehend auf ihre chiroptischen Eigenschaften untersucht. / Since the beginning of the 20th century cancer has been the second most common cause of death. Due to the continuously improving diagnosis for the early detection of cancer the number of cases that becomes apparent, rises, but coincidently a clear identificaton in the early stage is very important to start with the adequate therapy timely. Although various well established therapy methods and concepts for the curative or the palliative treatment have been existed for a long time, many cancer deseases, are still incurable and there are no potential drugs for a therapy, so far. Hence, the identification of novel drugs and active agents is a major current research task. Our research group is also involved with this topic and in cooperation with the University Hospitel of Würzburg a novel pro-prodrug concept for antitumoral drugs was developed. Thus, one aim of the present work was, based on previous medical and biochemical work, to develop a lead structure for antitumoral drugs using the pro-prodrug concept described herein and to establish a synthetic route to first fluorescence-labelled pro-prodrug model compounds. Another interesting class of compounds that is not only a current subject of intensive research because of its properties as photosensitizers in the photodynamic therapy, but also plays a crucial role in modern applied chemistry, e.g., in metalorganic catalysis or in the field of material science, are the porphyrins. Besides the achiral representatives, the chiral porphyrinoids are used for chiral recognition or in asymmetric synthesis. In the field of porphyrins the aim of the present work was the directed synthesis of N,C- and C,C-linked dimeric und trimeric porphyrins, together with intensive investigations on the reactivity of the used building blocks, on the reaction mechanism and on the high regioselectivity. Some of the synthesized compounds are axially or helically chiral, therefore, HPLC-CD measurements were carried out to investigate their chiroptical features.

Heidelberg, Universiẗat, Diss., 2007.

Univ., Diss.--Regensburg, 2001.

Stuttgart, Univ., Diplomarbeit, 2006.

Techn. Universiẗat, Diss., 2000--Chemnitz.

Regensburg, Univ., Diss., 2003. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2003.

Universiẗat, Diss., 2000--Bremen.

Les composés polymacrocycliques présentent un grand intérêt grâce à leurs caractéristiques remarquables de coordination. Pour la première fois, l’approche synthétique fonctionnelle aux diverses composés bi- et polycycliques contenant plusieurs fragments d’éthers aza-couronnes, aux cryptands et aux supercryptands à base d’éthers aza-couronnes a été élaborée par Krakowiak et ses collaborateurs au début des années 1990, par l’usage de simples réactions de substitution nucléophile. Actuellement, les composés hétéropolymorphes polymacrocycliques, capables de former des complexes polynucléaires avec différents métaux présentent le plus grand intérêt. Dans la grande majorité des travaux la synthèse de presque toutes les composés polymacrocycliques a été réalisée à l’aide des méthodes non orthodoxes, à l’exception des molécules, composées de plusieurs macrocycles porphyriques (de la diade et de la triade), pour l’obtention desquelles ont été appliquées les réaction de Suzuki, le couplage de Sonogashira et la réaction de Heck. Le laboratoire de synthèse organominérale de la Faculté de chimie de l’Université d’Etat de Moscou a accumulé une riche expérience dans l’utilisation de l’amination pallado-catalysée pour la synthèse de diverses composés macrocycliques et polymacrocycliques, et, actuellement, on étudie activement l’arylation cupro-catalysée des di- et polyamines. À cet égard, l’étude de l’amination cupro-catalysée pour la synthèse de composés polymacrocycliques qui contiennent comme connecteurs des diamines et des polyamines a permis développer des méthodes de catalyse métallique et d’obtenir de nouveaux types de conjugués polytopiques et polymacrocycliques, qui comprennent dans leur composition structurelle des fragments éthers aza-couronnes, porphyrines et calixarènes, étudiés pour leur capacité à détecter des cations des métalliques.Le but de ces recherches est de développer des méthodes catalytiques de synthèse de conjugués polymacrocycliques qui contiennent dans leur composition structurale des fragments éthers aza-couronnes, des porphyrines et des calix[4]arènes et d’étudier leurs capacités à détecter des cations métalliques. Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire de résoudre les problèmes suivants: 1) établir la généralité de l’amination catalysée par le Cu(I) des dérivés éthers aza-couronnes et des porphyrines contenant des halogènes et de synthétiser les dérivés aminés; 2) développer des méthodes de la macrocyclisation catalytique pour obtenir des composés macrobicycliques et macrotricycliques qui contiennent dans leur structure des fragments éthers diaza-couronnes, des tétraazamacrocycles ( cyclènes et cyclames) et des calix[4]arènes; 3) modifier les composés macrocycliques et macrobicycliques par des substituants fluorophores, y compris des porphyrines; 4) à l’aide de la spectroscopie UV et de la fluorescence, étudier la liaison cations métalliques-polymacrocycles et identifier les détecteurs potentiels moléculaires fluorescents et colorimétriques. / Polymacrocyclic compounds are of great interest due to their unique coordination properties. The first convenient synthetic approach to various polycyclic compounds containing several azacrown-ether moieties, to cryptands and supercryptands, based on azacrown-ethers, has been developed by Krakowiak and coworkers in the beginning of 1990s using simple nucleophilic substitution reactions. At present time heteropolytopic polymacrocyclic compounds, capable of forming polynuclear complexes with various metals, attract the utmost interest. In the majority of publications dealing with the synthesis of polymacrocyclic compounds non-catalytic approaches were applied, except for several porphyrin dyads and triads, which were obtained using Suzuki, Sonogashira and Heck reactions. The laboratory of organoelement compounds of Chemistry Department of Lomonosov Moscow State University has a great experience of the application of Pd-catalyzed amination reactions for the synthesis of polymacrocyclic compounds, nowadays Cu-catalyzed arylation of di- and polyamines is under investigation. Bearing it in mind we have found the research for Cu-catalyzed amination to be important in synthesis of polymacrocyclic compounds containing di- and polyamine linkers; as well as the synthesis of new types of polytopic polymacrocyclic conjugates, bearing azacrown-ether, porphyrin and calixarene moieties, by means of Pd- and Cu-catalyzed reactions; and studying their properties as metal cations detectors.The aim of the research is to develop catalytic synthetic approaches to polymacrocyclic conjugates, bearing azacrown-ether, porphyrin and calix[4]arene moieties, and to study their abilities as detectors for metal cations. For this purpose it is necessary to carry out the following investigations: 1) to study the regularities of Cu(I)-catalyzed amination of halogen derivatives of azacrown-ethers and porphyrins and to synthesize corresponding amino derivatives; 2) to develop the methods for the catalytic macrocyclization aimed at the synthesis of macrobicyclic and macrotricyclic compounds, containing diazacrown-ether, cyclen, cyclam and calix[4]arene moieties; 3) to introduce fluorophoric fragments (including porphyrins) into macrocyclic and macrobicyclic compounds; 4) to investigate metal cations binding by thus synthesized polymacrocycles using UV and fluorescent spectroscopy, and to find possible fluorescent and colorimetric detectors among them.