In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese und Charakterisierung von chiralen prolylfunktionalisierten Farbstoffen vorgestellt. Als chromophore Schlüsselverbindungen wurden Nitroaniline aber auch größere push-pull pi-Systeme wie Schiffsche Basen, Azofarbstoffe und Merocyanine gewählt. Im Fokus dieser Arbeit stehen dabei deren solvatochrome Eigenschaften, pH-Sensitivität sowie mögliche Wechselwirkung mit Biomolekülen und verschiedenen An- und Kationen. Zusätzlich erfolgten Umsetzungen ausgewählter prolylfunktionalisierter chromophorer Bausteine zu Estern und Amiden. Der Einfluss des Prolylbausteins auf das im Festkörper ausgebildete Wasserstoffbrückenbindungsmusters wurde über Einkristallröntgenstrukturanalysen untersucht und nach der Graph Set Methode von Etter klassifiziert. Neben der Einkristallröntgenstrukturanalyse erfolgte die weitere Untersuchung der Festkörpereigenschaften mit Hilfe von UV/Vis- sowie NMR-spektroskopischen Methoden. Das solvatochrome Verhalten der prolylfunktionalisierten Verbindungen wurde mittels multipler linearer Regressionsanalyse gemäß der LSER- (linear solvation energy relationship) Beziehung nach den Ansätzen von Kamlet-Taft und Catalán beschrieben und vergleichend interpretiert.

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese und Charakterisierung von chiralen prolylfunktionalisierten Farbstoffen vorgestellt. Als chromophore Schlüsselverbindungen wurden Nitroaniline aber auch größere push-pull pi-Systeme wie Schiffsche Basen, Azofarbstoffe und Merocyanine gewählt. Im Fokus dieser Arbeit stehen dabei deren solvatochrome Eigenschaften, pH-Sensitivität sowie mögliche Wechselwirkung mit Biomolekülen und verschiedenen An- und Kationen. Zusätzlich erfolgten Umsetzungen ausgewählter prolylfunktionalisierter chromophorer Bausteine zu Estern und Amiden. Der Einfluss des Prolylbausteins auf das im Festkörper ausgebildete Wasserstoffbrückenbindungsmusters wurde über Einkristallröntgenstrukturanalysen untersucht und nach der Graph Set Methode von Etter klassifiziert. Neben der Einkristallröntgenstrukturanalyse erfolgte die weitere Untersuchung der Festkörpereigenschaften mit Hilfe von UV/Vis- sowie NMR-spektroskopischen Methoden. Das solvatochrome Verhalten der prolylfunktionalisierten Verbindungen wurde mittels multipler linearer Regressionsanalyse gemäß der LSER- (linear solvation energy relationship) Beziehung nach den Ansätzen von Kamlet-Taft und Catalán beschrieben und vergleichend interpretiert.

In der vorliegenden Arbeit wird die Oberflächenfunktionalisierung von zwei Mischgläsern und verschiedenen SiO2-Produkten untersucht. Die Oberfläche der Partikel wird mit verschiedenen Funktionalisierungskomponenten umgesetzt, wobei eine Unterteilung in chemisch reaktiv und chemisch nicht reaktiv erfolgt. Als chemisch reaktive Oberflächengruppen werden Epoxide verwendet. Zu den chemisch nicht reaktiven Funktionalisierungskomponenten zählen Polydimethylsiloxan, Hexamethyldisilazan und ein tertiäres Aminosilan. Aus den funktionalisierten Sr-Glasproben kann durch Zugabe einer kationisch polymerisierenden, organischen Matrix ein Kompositmaterial hergestellt werden. Dabei ist die Bildung einer kovalenten Anbindung zwischen den chemisch reaktiven Oberflächengruppen und der organischen Matrix möglich. Die Funktionalisierung der Oberfläche wirkt sich auf die Werkstoffkennwerte Biegefestigkeit und Biegemodul der Kompositmaterialien aus. Durch multiple Oberflächenfunktionalisierung, d. h. einer Kombination aus chemisch reaktiven und chemisch nicht reaktiven Funktionalisierungskomponenten, können die Eigenschaften der Gläser gezielt eingestellt werden. Die Charakterisierung der Oberfläche erfolgt mittels Festkörper-NMR-Untersuchungen, XPS-Messungen und Solvatochromieuntersuchungen. Weiterhin wird die Verwendung des Preussmann-Tests zum Nachweis von kovalent an der Oberfläche gebundenen Epoxiden beschrieben.

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.

In der vorliegenden Dissertation konnten erfolgreich neben der Entwicklung und Optimierung neuer Methoden in der Kettenverlängerung von Aldosen und Ketosen auch neue Farbstoffe zur Untersuchung von Protonierungs- und Wasserdynamiken designt und synthetisiert werden. Die Erweiterung des Verständnisses im Zusammenspiel von Aminosäuren und Kohlenhydraten hat einen großen Einfluss in der wissenschaftlichen Gesellschaft der Kohlenhydratchemie. Die Kontrolle im Aufbau von Stereotetraden und -pentaden führt zu einer Ausweitung der bekannten Möglichkeiten in der stereoselektiven Synthese von Naturstoffen und Biomimetika. Außerdem konnten durch eine einfache Methode die C-Glykoside seltener Kohlenhydrate dargestellt werden. Einbau von Aminosäuren in Kohlenhydratstrukturen konnten in hohen Stereoselektivitäten und der Möglichkeit der Stereomanipulation durch Wahl des Isocyanides erreicht werden. Die Synthese des zellgängigen Farbstoffes PAc-SNARF, sowie des Biolinkers IA-SNARF ermöglicht eine bildgebenden ratiometrischen pH-Untersuchungen in Zellen und auf Proteinoberflächen. Die Verallgemeinerung der Synthese der Farbstoff-Precursor für die SNARF-Derivate über eine Friedel-Crafts-Acylierung erlaubt eine kostengünstige Darstellung einer großen Bandbreite von Farbstoffen. Mithilfe der neu synthetisierten sterisch anspruchsvollen N-Methyl-6-oxychinoliniumbetain-Derivate verbunden mit der Fluoreszenzaufkonvertierungs-Spektroskopie konnte eine Verlangsamung von Wasser an hydrophoben Oberflächen bewiesen werden. Die gesammelten Ergebnisse und Erkenntnisse in diesen verschiedenen Themengebieten werden in Zukunft einen großen Einfluss in der Wissenschaftswelt haben. / In the presented dissertation new methods in the chain elongation of carbohydrates could be established and optimized. Besides that, new probes for the investigation of protonation and water dynamics could be designed and synthesized. The extension of comprehension in the interaction between amino acids and carbohydrates through hydrogen bonds has a great impact in the scientific community of carbohydrate research. The stereochemical control in the construction of stereotetrads and –pentads leads to a considerable extension of known methods in the synthesis of natural compounds and biomimetics. Additionally the C-glycosides of rare carbohydrates could be synthesized through simple methods. Installation of amino acids into carbohydrate structures could be achieved with very high stereoselectivity and the potential of manipulating the stereochemical course through the choice of different isocyanides. The synthesis of the cell permeable PAc-SNARF and the cysteine-bioapplicable IA-SNARF allow the ratiometric pH-imaging of cells and protein surfaces. The generalization of the synthesis of dye-precursors for SNARF-derivatives through friedel-crafts-acylation allow an inexpensive approach in synthesizing a broad spectrum of dyes. Through deployment of newly developed sterical demanding N-Methyl-6-oxyquinolinium betaine-derivates together with the fluorescence upconversion spectroscopy a deceleration of water reorientation near hydrophobic surfaces could be proven. The here summarized results and insights in the different topics will have a considerable influence in academic sciences.

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 dieser Arbeit wird die Synthese neuartiger 5-monosubstituierter Barbituratfarbstoffe mit elektronenziehenden Substituenten in 5-Position beschrieben. Durch diese Funktionalisierung entstehen schaltbare Farbstoffe mit einer farblosen Ketoform und einer farbigen Enolform. Die Einflüsse verschieden stark elektronenziehender Substituenten sowie unterschiedlich großer konjugierter π-Systeme auf die Keto-Enol-Tautomerie wurden untersucht. Dies erfolgt einerseits mittels Röntgeneinkristallstrukturanalysen der Festkörper und andererseits mit solvatochromen Untersuchungen in Lösung. Durch die Keto-Enol-Tautomerie der Barbituratfarbstoffe wird die Wasserstoffbrücken¬bindungssequenz beim Übergang zwischen Keto- und Enol-Form verändert. Es wurde gezeigt, dass durch Zugabe von Rezeptoren mit komplementärer Wasserstoffbrückenbindungssequenz zur Enol-Form das tautomere Gleichgewicht der Barbitursäuren hin zur Enol-Form verschoben werden kann. Um hierzu verlässliche Aussagen zu erhalten wurden vergleichende Experimente mit N,N´-dialkylierten Barbituratfarbstoffen durchgeführt. Aufgrund der Synthesestrategie der Barbituratfarbstoffe, welche ausgehend von Barbituratanionen über nukleophile aromatische Substitutionsreaktionen hergestellt wurden, war es zweckmäßig die Nukleophilieparameter der Barbituratanionen zu ermitteln. Dazu wurde der Ansatz von Mayr gewählt und die Nukleophilie von vier Barbituratanionen bestimmt. Weiterhin konnte in dieser Arbeit die Charakterisierung von ionischen Flüssigkeiten nach der 4-Parameter-Gleichung von Catalán umgesetzt werden. Dabei gelang es erstmal für eine vielzahl verschiedener ionischer Flüssigkeiten die Polarisierbarkeit und Dipolarität getrennt voneinander mit Hilfe zweier solvatochromer Farbstoffe zu ermitteln.

Diese Arbeit ist Teil eines Weges, der die Polarisationsdynamik von Polynukleinsäure-Helices (DNA) zum Ziel hat. Die Dynamik kann im Prinzip von innen beobachtet werden, über Femtosekunden-zeitaufgelöste optische Spektroskopie eines Farbstoff-Moleküls anstelle einer Nukleinbase. Der optische Chromophor soll als solvatochrome Sonde der DNA Umgebung funktionieren. Dafür wurde 2-Amino-7-Nitro-Fluoren (ANF) gewählt, welches ideale solvatochrome Eigenschaften hat. Bevor der Einbau des Sondenmoleküls erfolgt, müssen dessen photophysikalischen Eigenschaften in reinen Lösungsmitteln und in Lösungsmittel-Mischungen weitgehend verstanden sein. Dieses Thema bestimmt den größeren Teil der Arbeit. ANF, aliphatische Derivate, und das entsprechende Nukleosid wurden synthesitsiert. Ihre thermodynamischen Eigenschaften, optischen Spektren, und ps Fluoreszenzlebensdauern werden für eine Reihe von Lösungsmitteln beschrieben. Präferentielle Solvatation in wässrigen Mischungen wird mit optischer Absorptions- und 1H NMR-Spektroskopie untersucht. Inclusionskomplexe mit Cyclodextrinen werden ebenfalls charakterisiert. Auf diese "klassischen" Studien folgt die fs-transiente optische Absorptionsspektroskopie von ANF und Derivaten. Die transienten Spektren werden zeilegt und die Banden für stimulierte Emission als Funktion der Zeit in den meisten Fällen erhalten. Damit erhält man eine Solvatations-Relaxationsfunktionen C(t) für die meisten Lösungsmittel (50 fs Zeitauflösung). Unterschiede zu bekannten Relaxationsfunktionen für die vieluntersuchte Sonde Coumarin 153 werden diskutiert. Wichtig ist, daß derart C(t) für ein ANF Nukleosid in Wasser existiert. Dies kann mit einer simulierten Kurve für ANF in DNA-Helices verglichen werden. Es folgt, dass gestapelte Chromophore im Innern dynamisch von jenen unterschieden werden können, die in die wässrige Umgebung herausgedreht sind. Der Cyaninfarbstoff Thiazol Orange (TO) wird von anderen Gruppen verwendet, um die Hybridisierung von DNA-Strängen zu verfolgen. Die Fluoreszenz von TO wird durch schnelle Isomerisation im S1 Zustand stark gelöscht. In dieser Arbeit wird die entsprechende innermolekulare Verdrillung mit fs-transienter Absorptionsspektroskopie und mit fs-zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie (Summenfrequenz-Erzeugung) zum ersten Mal zusammenhängend untersucht. Transiente Spektren in Lösung werden mit stationären Spektren in verschiedenen PNA/DNA Duplex-Konstrukten verglichen. Eine hochfrequente Schwingungsmode ist bei der strukturellen Reorganisation von TO nach S0 to S1 Anregung beteiligt. Zunehmende Aktivität begleitet die Verdrillung. Deshalb sollte die Form der stationären Fluoreszenzbande dazu geeignet sein, das verfügbare freie Volumen in DNA-Konstrukten abzuschätzen. / This work is part of an effort to observe the polarization dynamics of duplex polynucleic acids from the inside, through femtosecond time-resolved optical spectroscopy of a dye molecule which has been stacked into the structure at a well-defined site. The dye chromophore should act as a solvatochromic probe of its DNA environment. For a probe, 2-amino-7-nitro fluorene (ANF) had been selected since it has ideal solvatochromic properties. Before being linked into DNA, its photophysical properties in liquids and liquid mixtures should be understood. The larger part of this thesis deals with this topic. ANF, aliphatic derivatives, and the nucleoside were synthesized. Their thermodynamic properties, optical spectra, and ps fluorescence decay are examined in a wide range of solvents. For preferential solvation in aqueous mixtures, absorption results are compared with 1H NMR spectra. Inclusion properties were also explored. Femtosecond transient absorption spectroscopy of ANF and derivatives follows after these "classical" studies. The transient spectra are analyzed and, in most cases, the stimulated-emission band can be obtained as function of time. Ultrafast solvation relaxation functions (50 fs resolution) for many solvents are constructed from these data and discussed by comparison with a well-studied probe, Coumarin 153. Most importantly, the solvation relaxation of the ANF nucleoside in water is obtained and compared with a simulated relaxation of the chromophore in a DNA duplex. It follows that chromophores stacked inside DNA can be distinguished from chromophores which extend into the aqueous boundary layer. The cyanine dye Thiazole Orange (TO) is used by other groups to monitor the hybridisation of DNA strands. Its fluorescence is strongly quenched by intramolecular twisting in the excited state S1. In this thesis the twisting process is characterized by femtosecond transient absorption and fluorescence upconversion spectroscopy, combined, for the first time. The transient spectra are compared to stationary spectra in a PNA/DNA duplex where the degree of twisting is restricted. A high-frequency mode is shown to play an important role in the structural reorganisation of TO following S0 to S1 excitation. Its vibrational activity is correlated with twisting. Therefore the shape of the emission band may be used to estimate the available volume in DNA constructs.

In dieser Arbeit wird die Synthese neuartiger 5-monosubstituierter Barbituratfarbstoffe mit elektronenziehenden Substituenten in 5-Position beschrieben. Durch diese Funktionalisierung entstehen schaltbare Farbstoffe mit einer farblosen Ketoform und einer farbigen Enolform. Die Einflüsse verschieden stark elektronenziehender Substituenten sowie unterschiedlich großer konjugierter π-Systeme auf die Keto-Enol-Tautomerie wurden untersucht. Dies erfolgt einerseits mittels Röntgeneinkristallstrukturanalysen der Festkörper und andererseits mit solvatochromen Untersuchungen in Lösung. Durch die Keto-Enol-Tautomerie der Barbituratfarbstoffe wird die Wasserstoffbrücken¬bindungssequenz beim Übergang zwischen Keto- und Enol-Form verändert. Es wurde gezeigt, dass durch Zugabe von Rezeptoren mit komplementärer Wasserstoffbrückenbindungssequenz zur Enol-Form das tautomere Gleichgewicht der Barbitursäuren hin zur Enol-Form verschoben werden kann. Um hierzu verlässliche Aussagen zu erhalten wurden vergleichende Experimente mit N,N´-dialkylierten Barbituratfarbstoffen durchgeführt. Aufgrund der Synthesestrategie der Barbituratfarbstoffe, welche ausgehend von Barbituratanionen über nukleophile aromatische Substitutionsreaktionen hergestellt wurden, war es zweckmäßig die Nukleophilieparameter der Barbituratanionen zu ermitteln. Dazu wurde der Ansatz von Mayr gewählt und die Nukleophilie von vier Barbituratanionen bestimmt. Weiterhin konnte in dieser Arbeit die Charakterisierung von ionischen Flüssigkeiten nach der 4-Parameter-Gleichung von Catalán umgesetzt werden. Dabei gelang es erstmal für eine vielzahl verschiedener ionischer Flüssigkeiten die Polarisierbarkeit und Dipolarität getrennt voneinander mit Hilfe zweier solvatochromer Farbstoffe zu ermitteln.

Die vorliegende Arbeit hat die Synthese und Charakterisierung von chromophoren Arylboronsäureestern mit besonderem Augenmerk auf einer breiten strukturellen Variation zum Inhalt. An dieser Verbindungsklasse wird die Wechselwirkung mit Lewis-Basen tiefgehend untersucht. Die Koordination von Lewis-Basen am Bor-Atom führt zu einer Beeinflussung der elektronischen Eigenschaften des borbasierten Substituenten, wobei der Charakter eines direkt am Bor-Atom gebundenen pi-Elektronensystems von pull zu push-pull geschaltet werden kann. In der vorliegenden Arbeit wird beschrieben, wie geometrische und elektronische Strukturmerkmale von boronsäureesterfunktionalisierten Chromophoren durch die Lewis-Säure-Base-Wechselwirkung am Bor-Atom beeinflusst werden. Die Veränderung von molekularen Eigenschaften wird mit Hilfe der UV/vis-Absorptions- und Fluoreszenzspektroskopie, 1H- und 11B-NMR-Spektroskopie sowie mit röntgendiffraktometrischen Methoden untersucht. Die experimentellen Daten werden durch quantenchemische Berechnungen auf DFT-Niveau unterstützt.