Dipolar merocyanines are very attractive supramolecular building blocks, as they combine interesting functional properties with strong, directional intermolecular interactions. The pyridine dioxocyano-pyridine (PYOP) chromophore (Chapter 2.2), used in this thesis, stands out because of its exceptionally high ground state dipole moment (g ~ 17 D), in combination with the option to retain good solubility also in unpolar solvents, by decoration with solubilizing groups. The reliable binding motif of anti-parallel -stacking due to dipole-dipole interactions has allowed the design of molecular building blocks that form assemblies of predictable geometry. The intense unstructured charge transfer UV/Vis absorption band (eg ~ 10.7 D) is a result of the dominant contribution of the zwitterionic resonance structure which brings the PYOP chromophore just beyond the cyanine limit in solvents of low polarity (c2 = 0.60, 1,4 dioxane). The high sensitivity of the S0 – S1 UV/Vis absorption band to the environment manifests itself in a pronounced negative solvatochromism and strong H-type exciton coupling within -stacked PYOP assemblies. In accordance with the classical molecular exciton theory, an increasing hypsochromic shift of the dominant absorption band of these H aggregates can be observed as the stack size increases up to about six chromophores, where it levels out at about max ~ 440 nm (CHCl3). This allows a uniquely simple estimation of the number of interacting chromophores within the self-assembled structure from a single UV/Vis absorption spectrum of an aggregate. The defined and well investigated PYOP dimer formation was employed in this thesis to probe the applicability and limitations of concentration-, temperature-, and solvent-dependent self-assembly studies (Chapter 3). Straightforward theoretical models to evaluate datasets of concentration-, temperature-, and solvent-dependent UV/Vis absorption by nonlinear regression analysis were derived for the case of dimer formation (Chapter 2.1). Although the dimer model is well known and widely applied in literature, this detailed derivation is helpful to understand assumptions and potential problems of the different approaches for the determination of thermodynamic parameters. This helps to decide on the most appropriate method to analyse a system of interest. In this regard it should be noted that covering a large portion of the self-assembly process with the experimental data is a prerequisite for the accuracy of the analysis. Additionally, many of the insights can also be transferred to other self-assembly systems like supramolecular polymerization or host-guest interactions. The concentration-dependent analysis is the most straightforward method to investigate self-assembly equilibria. No additional assumptions, besides mass balance and mass action law, are required. Since it includes the least number of parameters (only K, if M/D are known), it is the most, or even only, reliable method, to elucidate the self-assembly mechanism of an unknown system by model comparison. To cover a large concentration range, however, the compound must be soluble enough and generally sample amounts at least in the low mg scale must be available. The temperature-dependent analysis has the advantage that all thermodynamic parameters G0, H0 and S0 can be obtained from a single sample in one automated measurement. However, the accessible temperature-range is experimentally often quite limited and dependent on the solvent. For systems which do not show the transition from monomer to aggregate in a narrow temperature range, as given for, e.g., cooperative aggregation or processes with a high entropy contribution, often not the entire self-assembly process can be monitored. Furthermore, the assumptions of temperature-independent extinction coefficients of the individual species as well as temperature-independent H0 and S0 must be met. Monte Carlo simulations of data sets demonstrated that even minor changes in experimental data can significantly impact the optimized values for H0 and S0. This is due to the redundancy of these two parameters within the model framework and even small thermochromic effects can significantly influence the results. The G0 value, calculated from H0 and S0, is, however, still rather reliable. Solvent-dependent studies can often cover the entire self-assembly process from monomeric (agg = 0) to the fully aggregated state (agg = 1). However, for dyes with strong solvatochromic effects, such as the dipolar merocyanines investigated in this thesis, the results are affected. Also, the assumption of a linear relation of the binding energy G0 and the fraction of denaturating solvent f, which is based on linear free energy relationships between G0 and the solvent polarity, can lead to errors. Especially when specific solvent effects are involved. For the evaluation of experimental data by nonlinear regression, general data analysis software can be used, where user-defined fit models and known parameters can be implemented as desired. Alternatively, multiple specialized programs for analysing self-assembly data are available online. While the latter programs are usually more user-friendly, they have the disadvantage of being a “black box” where only pre-implemented models can be used without the option for the user to adapt models or parameters for a specific system. In Chapter 3 comprehensive UV/Vis absorption datasets are presented for the dimerization of merocyanine derivative 1 in 1,4-dioxane, which allowed for the first time a direct comparison of the results derived from concentration-, temperature-, and solvent-dependent self-assembly studies. The results for the binding constant K and corresponding G0 from the concentration- and temperature-dependent analysis were in very good agreement, also in comparison to the results from ITC. For the temperature-dependent analysis, though, multiple datasets of samples with different concentration had to be evaluated simultaneously to cover a meaningful part of the self-assembly process. Furthermore, a significant dependence of the optimized parameters H0 and S0 on the wavelength chosen for the analysis was observed. This can be rationalized by the small thermochromic shifts of both the monomer and the dimer UV/Vis absorption band. The results from the solvent-dependent evaluation showed the largest deviation, as expected for the highly solvatochromic merocyanine dye. However, even here by evaluation at 491 and 549 nm the deviation for G0 was only 2.5 kJ mol1 (9%) with respect to the results from the concentration-dependent analysis (G0 = 29.1 kJ mol1). Thus, despite the strong solvatochromism of the dipolar chromophore, it can still be considered a reliable method for estimating the binding strength. Furthermore, multiple repetitions of the concentration-, temperature-, and solvent-dependent studies provided insight into the reproducibility of the results and possible sources of experimental errors. In all cases, the deviations of the results were small (G0 < 0.4 kJ mol1) and within the same range as the fit error from the nonlinear regression analysis. The insights from these studies were an important basis for the in-depth investigation of a more complex supramolecular system in Chapter 4, as a single method is often not enough to capture the full picture of a more complicated self-assembly process. To elucidate the anti-cooperative self-assembly of the chiral merocyanine 2, a combination of multiple techniques had to be applied. Solvent-dependent UV/Vis absorption studies in CH2Cl2/MCH mixtures showed the step-wise assembly of the merocyanine monomer (max(M) = 549 nm, CH2Cl2) to first a dimer (max(D) = 498 nm, CH2Cl2/MCH 15:85) by dipole-dipole interactions, and then a -stacked higher aggregate (max(H) = 477 nm, MCH), with pronounced H-type coupling. The thermodynamic evaluation of this data, however, suffered from the severe solvatochromism, especially of the monomeric species (max(M, CH2Cl2) = 549 nm, max(M, MCH) = 596 nm). Therefore, concentration-dependent studies were performed at three different temperatures (298, 323, 353 K) to elucidate the self-assembly mechanism and determine reliable thermodynamic parameters. The studies at elevated temperatures were hereby necessary, to obtain experimental data over a larger agg--range. Due to the pronounced difference in the thermodynamic driving force for dimerization and higher aggregate formation (KD/K5 = 6500) a concentration range exists in MCH where almost exclusively the dimer species of 2 is present, before further self-assembly by dispersion interactions occurs. Therefore, the data could be evaluated independently for the two self-assembly steps. The self-assembly of dimers into the higher aggregate could not be described by the isodesmic model but was fitted satisfactorily to a pentamer model. This rather small size of about ten -stacked PYOP chromophores was, furthermore, consistently indicated by AFM, VPO and DOSY NMR measurements. Based on 1D and 2D NMR data as well as the strong bisignate CD signal of the higher aggregate in combination with TD-DFT calculations, a P-helical stack is proposed as its structure. The small size can be rationalized by the anti-cooperative self-assembly mechanism and the sterical demand of the solubilizing trialkoxyphenyl and the chiral tetralin substituents. Additionally, the aliphatic shell formed by the solubilizing chains around the polar chromophore stack, can account for the exceptionally high solubility of 2 in MCH (> 15 mg mL1). These combined studies of the self-assembly process enabled the identification of suitable conditions for the investigation of fluorescence properties of the individual aggregate species. Aggregation-induced emission enhancement was observed for the almost non-emissive monomer (Fl(M) = 0.23%), which can be rationalized by the increasing rigidification within the dimer (Fl(D) = 2.3%) and the higher aggregate (Fl(H) = 4.5%). The helical chirality of the PYOP decamer stack, furthermore, gave rise to a strong CPL signal with a large glum value of 0.011. The important conclusion of this thesis is that the temperature- and solvent-dependent analyses are valid alternatives to the classical concentration-dependent analysis to determine thermodynamic parameters of self-assembly equilibria. Although, for a specific supramolecular system, one approach might be favourable over the others for a variety of reasons. The experimental limitations often demand a combination of techniques to fully elucidate a self-assembly process and to gain insights in the aggregate structure. The anti-cooperative merocyanine self-assembly, which was described here for the first time for the PYOP merocyanine 2, is no exception. Besides the interest in the merocyanine assemblies from a structural and functional point of view, the insights gained from the presented studies can also be transferred to other self-assembly systems and be a guide to find the most appropriate analysis technique. / Dipolare Merocyanine sind sehr attraktive supramolekulare Bausteine, da sie interessante funktionale Eigenschaften mit starken, gerichteten zwischenmolekularen Wechselwirkungen vereinen. Der Pyridin-dioxocyano-pyridin (PYOP)-Chromophor (Kapitel 2.2), welcher in dieser Arbeit verwendet wurde, zeichnet sich durch sein besonders starkes Grundzustands-dipolmoment (g ~ 17 D) aus, in Kombination mit der Möglichkeit durch Funktionalisierung mit löslichkeitsvermittelnden Gruppen dennoch gute Löslichkeit zu bewahren. Das zuverlässige Bindungsmotiv der durch Dipol-Dipol Wechselwirkungen anti-parallel  gestapelten Merocyanine ermöglicht es, gezielt molekulare Bausteine zu entwerfen, welche sich zu Strukturen von vorhersagbarer Geometrie zusammenlagern. Der dominante Beitrag der zwitterionischen Resonanzstruktur führt zu einer intensiven, unstrukturierten Charge-Transfer UV/Vis-Absorptionsbande (eg ~ 10.7 D) und bringt den PYOP Chromophor leicht jenseits des Cyanin-Limits in unpolaren Lösungsmitteln (c2 = 0.60, 1,4-Dioxan). Die Sensitivität der S0 S1 UV/Vis-Absorptionsbande gegenüber der Umgebung zeigt sich in der ausgeprägten negativen Solvatochromie und einer starken H artigen excitonischen Kopplung in -gestapelten Aggregaten. In Übereinstimmung mit klassischer Excitonen-Theorie kann eine zunehmende hypsochrome Verschiebung der dominanten Absorptionsbande mit zunehmender Größe der H-Aggregate beobachtet werden, bis bei etwa sechs Chromophoren und max ~ 440 nm ein Plateau erreicht wird. Dies ermöglicht eine einmalig einfache Abschätzung, der Anzahl an wechselwirkenden Chromophoren innerhalb einer Aggregatstruktur, basierend auf einem einzigen UV/Vis-Absorptionsspektrum. Das definierte und gut untersuchte Beispiel des PYOP-Dimers wurde in dieser Arbeit verwendet, um die Anwendbarkeit und die Grenzen von konzentrations-, temperatur- und lösungsmittelabhängigen Aggregationsstudien auszutesten (Kapitel 3). Theoretische Modelle zur thermodynamischen Auswertung von konzentrations-, temperatur- und lösungsmittelabhängigen Studien mittels nichtlinearer Regression wurden für das Beispiel der Dimerisierung hergeleitet (Kapitel 2). Obwohl das Dimer-Modell literaturbekannt ist, ist diese detaillierte Herleitung hilfreich, um die Annahmen zu verstehen, die dem Modell zugrunde liegen. So können potenzielle Problemquellen der verschiedenen Methoden erkannt und die geeignetste Methode zur Bestimmung der thermodynamischen Parameter für ein bestimmtes System ausgewählt werden. Hierbei sollte man beachten, dass es sich für die Aussagekraft der Analyse klar als zuträglich erwiesen hat, wenn ein möglichst großer Bereich des Aggregationssprozesses von den experimentellen Daten abgedeckt werden kann. Viele der hier gewonnen Erkenntnisse lassen sich auch auf andere Systeme wie supramolekulare Polymere oder Wirt-Gast-Komplexe übertragen. Die konzentrationsabhängige Analyse ist die direkteste Methode, um ein supramolekulares Gleichgewicht zu untersuchen. Sie erfordert keine zusätzlichen Annahmen, außer dem Massenerhalt und dem Massenwirkungsgesetz. Da das konzentrationsabhängige mathematische Modell die wenigsten Parameter enthält (nur K, wenn M/D bekannt), ist es die zuverlässigste, wenn nicht sogar die einzig zuverlässige, Methode, um den Aggregationsmechanismus durch einen Vergleich der experimentellen Daten mit verschiedenen Modellen aufzuklären. Allerdings muss die zu untersuchende Verbindung hierbei löslich genug sein, damit ein großer Teil des Aggregationsprozesses in den Studien abgebildet werden kann und es werden üblicherweise Substanzmengen im niedrigen mg Bereich benötig. Die temperaturabhängige Analyse hat den Vorteil, dass alle thermodynamischen Parameter G0, H0 und S0 in einer einzigen automatisierten Messung einer einzelnen Probe erhalten werden können. Allerdings ist der experimentell zugängliche Temperaturbereich oft sehr eingeschränkt und abhängig von dem verwendeten Lösungsmittel. Für Systeme, bei denen der Übergang vom Monomer zum Aggregat nicht in einem engen Temperaturbereich erfolgt, z.B. aufgrund von Kooperativität oder einem großen Entropie-Beitrag, ist es oft nicht möglich den gesamten Aggreationsprozess abzubilden. Zusätzlich sollten die Annahmen, dass sowohl die Extinktionskoeffizienten der einzelnen Spezies sowie H0 und S0 temperaturunabhängig sind, zutreffen. Mittels Monte Carlo Simulationen konnte gezeigt werden, dass selbst kleine Änderungen in den experimentellen Daten die erhaltenen Werte von H0 und S0 deutlich beeinflussen können. Dies liegt daran, dass die beiden Parameter im mathematischen Modell nicht völlig unabhängig voneinander sind. Selbst geringfügige thermochrome Veränderungen können daher die Ergebnisse für H0 und S0 beeinflussen. Die G0-Werte, die sich aus H0 und S0 berechnen lassen, sind allerding dennoch recht zuverlässig. Mittels lösungsmittelabhängiger Studien ist es oft am einfachsten, den vollständigen Prozess vom Monomer (agg = 0) bis zum Aggregat (agg = 1) abzubilden. Für stark solvatochrome Farbstoffe wie die hier untersuchten dipolaren Merocyanine werden die Ergebnisse allerdings deutlich verfälscht. Auch die Annahme einer linearen Abhängigkeit der Bindungsenergie G0 und der Lösungsmittelzusammensetzung f, die auf linearen Freie-Energie Beziehungen zwischen G0 und der Lösungsmittelpolarität beruhen, kann zu Abweichungen führen, vor allem, wenn spezifische Lösungsmitteleffekte involviert sind. Die Auswertung der experimentellen Daten erfolgt mittels nichtlinearer Regression. Hierfür können diverse Datenauswertungsprogramme genutzt werden, in die sich benutzerdefinierte Modelle inklusive bekannter Parameter implementieren lassen. Alternativ gibt es auch eine Auswahl von spezialisierten Programmen zur Auswertung von Aggregationsdaten im Internet. Diese sind zwar deutlich benutzerfreundlicher, aber auch „Black Boxes“, deren voreingestellte Modelle und Parameter in der Regel nicht vom Nutzer für ein spezielles System angepasst werden können. In Kapitel 3 wurden umfangreiche UV/Vis-Absorptionsstudien für die Dimerisierung von Merocyanin 1 in 1,4-Dioxan vorgestellt, welche zum ersten Mal einen direkten Vergleich zwischen den Ergebnissen von konzentrations-, temperatur- und lösungsmittelabhängigen Aggregationsstudien ermöglichten. Die Ergebnisse für die Bindungskonstante K und dem dazugehörigen G0-Wert aus der konzentrations- und temperaturabhängigen Analyse stimmen mit den Ergebnissen der isothermalen Titrationskalorimetrie (ITC) überein. Bei der temperaturabhängigen Auswertung mussten allerdings mehrere Datensätze von Proben mit unterschiedlichen Konzentrationen zusammen ausgewertet werden, um einen aussagekräftigen Bereich des Aggregationsprozesses abzudecken. Außerdem wurde eine deutliche Abhängigkeit der Ergebnisse für H0 und S0 von der Wellenlänge festgestellt, die für die Auswertung gewählt wurde. Dies liegt an der kleinen thermochromen Verschiebung der Monomer- und Dimer-Absorptionsbande. Die Ergebnisse der lösungsmittelabhängigen Studien zeigten, wie für den stark solvatochromen Chromophor erwartet, die größte Abweichung. Allerdings beträgt die Abweichung für G0 selbst hier nur 2.5 kJ mol1 (9%), bei Auswertung bei 491 und 549 nm, im Vergleich zur konzentrationsabhängigen Auswertung (G0 = 29.1 kJ mol1). Trotz der ausgeprägten Solvatochromie sind die lösungsmittelabhängigen Studien also geeignet, um die Bindungsstärke eines Systems abzuschätzen. Mehrmalige Wiederholung der Experimente erlaubte eine Abschätzung der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und möglicher Fehlerquellen. Die Ergebnisse schwankten hierbei in allen Fällen nur geringfügig (G0 < 0.4 kJ mol1) und in der gleichen Größenordnung wie der Fehler der nichtlinearen Regression. Die Erkenntnisse aus diesen Studien waren eine wichtige Grundlage für die Untersuchung eines komplexeren supramolekularen Systems in Kapitel 4. Eine einzelne Methode ist oft nicht ausreichend, um einen mehrstufigen Aggregationsprozess vollständig aufzuklären, und auch zur Aufklärung der anti-kooperativen Aggregation des chiralen Merocyanins 2, wurde eine Kombination verschiedener Techniken angewandt. Lösungsmittelabhängige UV/Vis-Absorptionsstudien in CH2Cl2/MCH Mischungen zeigten die stufenweise Zusammenlagerung der Merocyanin-Monomere (max(M) = 549 nm, CH2Cl2) zuerst durch Dipol-Dipol Wechselwirkungen zu Dimeren (max(D) = 498 nm, CH2Cl2/MCH 15:85) und dann zu größeren -Stapeln (max(H) = 477 nm, MCH) mit ausgeprägter H-Kopplung. Die thermodynamische Auswertung dieser Daten leidet allerdings unter der ausgeprägten Solvatochromie, vor allem der Monomer-Spezies (max(M, CH2Cl2) = 549 nm, max(M, MCH) = 596 nm). Daher wurden stattdessen konzentrationsabhängige Studien bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt, um den Aggregationsmechanismus aufzuklären und verlässliche thermodynamische Parameter zu bestimmen. Die Studien bei höheren Temperaturen waren notwendig, um mit den experimentellen Daten einen größeren agg--Bereich abdecken zu können. Aufgrund des ausgeprägten Unterschieds in der thermodynamischen Triebkraft für die Dimerisierung und die Bildung höherer Aggregate (KD/K5 = 6500) gibt es in MCH einen Konzentrationsbereich, in dem fast ausschließlich die dimere Spezies vorhanden ist, bevor eine weitere Zusammenlagerung durch Dispersionswechselwirkungen erfolgt. Dies ermöglichte eine unabhängige Auswertung der Daten für die beiden Aggregationsschritte. Der Zusammenschluss von Dimeren zum höheren Aggregat ließ sich nicht durch das isodesmische Modell beschreiben, sondern durch ein Pentamer-Modell. Diese Größe von etwa zehn -gestapelten PYOP-Chromophoren wurde außerdem durch AFM-, VPO- und DOSY-NMR-Messungen bestätigt. Basierend auf 1D- und 2D-NMR-Daten und dem CD-Signal des höheren Aggregats mit positivem Cotton-Effekt in Kombination mit TD-DFT Rechnungen, wurde ein P-helikaler -Stapel als Struktur angenommen. Die geringe Größe lässt sich durch den anti-kooperativen Aggregationsmechanismus und den sterischen Anspruch der lösungsvermittelnden Trialkoxyphenyl- und der chiralen Tetralin-Substituenten erklären. Die durch diese Substituenten ausgebildete aliphatische Hülle um den polaren Chromophorstapel kann außerdem die ungewöhnlich hohe Löslichkeit der Verbindung 2 in MCH erklären (> 15 mg mL1). Die detaillierte Untersuchung des Selbstorganisationsprozesses ermöglichte die Identifizierung geeigneter Bedingungen für die Untersuchung der Fluoreszenzeigenschaften der einzelnen Aggregatspezies. Für das nahezu nicht emittierende Monomer (Fl(M) = 0.23%) wurde durch zunehmende Rigidisierung im Dimer (Fl(D) = 2.3%) und im höherem Aggregat (Fl(H) = 4.5%) eine durch Aggregation induzierte Emissionssteigerung beobachtet. Die helikale Chiralität des PYOP-Decamer-Stapels führte außerdem zu einem starken CPL Signal mit einem hohen glum-Wert von 0.011. Das wichtige Fazit dieser Arbeit ist, dass sowohl temperatur- als auch lösungsmittelabhängige Studien valide Alternativen zu den klassischen konzentrationsabhängigen Untersuchungen sind, mit denen thermodynamische Parameter von Selbstorganisations-Gleichgewichten bestimmt werden können. Wobei für ein bestimmtes supramolekulares System eine der Methoden aus verschiedenen Gründen vorteilhafter sein kann als die anderen. Üblicherweise gegebene experimentelle Beschränkungen erfordern oft den kombinierten Einsatz von Techniken, um einen Selbstorganisationsprozess und die Aggregatstrukturen vollständig aufzuklären. Die anti-kooperative Merocyanin-Selbstorganisation, die hier zum ersten Mal für das PYOP-Merocyanin 2 beschrieben wurde, ist keine Ausnahme. Neben dem Interesse an den Merocyanin-Aggregaten aus struktureller und funktioneller Sicht können die aus den vorgestellten Studien gewonnenen Erkenntnisse auch auf andere Selbstassemblierungs-systeme übertragen werden und als Leitfaden für die Suche nach der am besten geeigneten Analysemethode dienen.

In wässriger Umgebung spielen hydrophobe Wechselwirkungen eine wichtige Rolle für die DNA. Die Einführung von Modifikationen, die auf hydrophoben aromatischen Einheiten basieren, kann die Erkennung und Reaktivität von funktionellen Gruppen in der DNA steuern. Modifikationen können durch ein künstliches Rückgrat oder in Form einer Erweiterung der Nukleobasen eingebracht werden und so zu zusätzlichen Eigenschaften der DNA führen. Diese Dissertation befasst sich mit der Verwendung von hydrophoben Einheiten zur Funktionalisierung von DNA. Im ersten Teil der Arbeit wurde das Tolanmotiv (Diphenylacetylen) in Kombination mit dem acyclischen Rückgrat von GNA und BuNA verwendet, um Erkennungseinheiten im DNA-Kontext zu erzeugen. Die gezielte Fluorierung der aromatischen Ringe des Tolan-Bausteins bildete die Grundlage für eine supramolekulare Sprache, die auf Aren-Fluoroaren-Wechselwirkungen basiert. Die spezifische Erkennung wurde mittels thermodynamischer, kinetischer und NMR-spektroskopischer Methoden untersucht. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Desoxyuridin-Derivate mit einer hydrophoben aromatischen Modifikation hergestellt und in die DNA-Doppelhelix eingebaut. Die Bestrahlung mit UV-Licht führte zu einer [2+2]-Cycloaddition zwischen zwei modifizierten Nukleosiden in der DNA. Das Reaktionsprodukt wurde strukturell charakterisiert und die Reaktion in verschiedenen biochemischen und nanotechnologischen DNA-Anwendungen eingesetzt. / In aqueous environment, hydrophobic interactions play an important role for DNA. The introduction of modifications based on hydrophobic aromatic moieties offers additional ways for controlling recognition and reactivity of functional groups in DNA. Modifications are introduced through an artificial backbone or in the form of an extension of the nucleobases, resulting in additional properties of the DNA. This dissertation focuses on the use of hydrophobic units for the functionalization of DNA. In the first part of the work, the tolane (i. e. diphenylacetylene) motif was used in combination with the acyclic backbone of GNA and BuNA to generate recognition units in the DNA context. Fluorination of the aromatic rings in the tolane moiety provided the basis for a supramolecular language based on arene-fluoroarene interactions. The specific recognition was investigated by thermodynamic, kinetic and NMR spectroscopic methods. In the second part of the work, deoxyuridine derivatives with a hydrophobic aromatic modification were prepared and incorporated into DNA duplexes. The irradiation with UV light led to a [2+2] cycloaddition reaction between two modified nucleosides in the DNA. This reaction product was structurally characterized and the reaction was used in various biochemical and nanotechnological DNA applications.

Ziel der Dissertation „Neue zwitterionische Halbschalen als Bausteine für supramolekulare Kapseln“ war die Verknüpfung zweier Guanidiniocarbonylpyrrolcarboxylat-Bindungsmotive von Schmuck über starre, sowohl aromatische als auch nichtaromatische Linker. Die so erhaltenen zwitterionische Halbschalen sollten in Lösung zu supramolekulare Kapseln aggregieren, welche einen Hohlraum ausweisen, in den Gastmoleküle eingelagert werden können. Dieses Bindungsmotiv ist selbstkomplementär und daher in der Lage Homodimere auszubilden. Durch die Kombination aus Wasserstoffbrücken und Ionenbindungen sind diese selbst in polaren Lösemitteln wie DMSO oder Wasser stabil, im Gegensatz zu Systemen, welche z.B. nur über Wasserstoffbrücken verfügen und in polaren Medien wieder dissoziieren. Zur Synthese wurden zwei Bindungsmotive mittels Tetrahydroxybenzol verbrückt. Die eindeutige Charakterisierung erfolgte über NMR-Spektroskopie, Massen-Spektrometrie und Röntgenstrukturanalyse. Anschließend wurde die Verbindung in die zwitterionische Form überführt und auf Kapselbildung hin untersucht (NMR, DOSY, Masse, Molecular Modelling). Die theoretischen Berechnungen wiesen darauf hin, dass die synthetisierten Halbschalen in der Lage sein sollten, Kapseln zu bilden. Trotz der erfolgreichen Synthese dieses neuartigen zwitterionischen Makrozyklus steht der experimentelle Nachweise auf Grund der schlechten Löslichkeit der Zwitterionen in allen verwendeten Lösemitteln noch aus. Auch wurde Glucoluril als nichtaromatisches Linkermolekül erfolgreich verwendet. Als erstes wurde das 4,4’-Diphenylglucoluril erfolgreich in der Kupplung eingesetzt. Es war möglich, die so erhaltenen cis/trans-Makrozyklen säulenchromatographisch zu isolieren und mittels Röntgenstrukturanalyse zu charakterisieren. Nach Überführung in die Zwitterionen wurden diese wiederum auf die Kapselbildung hin untersucht (NMR, DOSY, Masse, Molecular Modelling). Berechnungen zufolge sollte die Kapselbildung möglich sein, jedoch steht auch hier trotz erfolgreicher Synthese der experimentelle Nachweis auf Grund der Unlöslichkeit noch aus. Zur Verbesserung der Löslichkeit wurden zwei neue Glucolurilderivate entwickelt, welche am Phenylring mit Octyl- bzw. Triethylenglykolketten substituiert waren. Dadurch sollte die Löslichkeit der Zwitterionen in organischen bzw. wässrigen Lösungen erhöht werden. Jedoch zeigte die Einführung dieser Ketten keine wesentliche Verbesserung der Löslichkeit und somit konnte auch bei diesen neuen zwitterionischen Halbschalen keine Kapselbildung nachgewiesen werden. Im Rahmen dieser Dissertation wurden sieben neue zwitterionische makrozyklische Halbschalen synthetisiert und die daraus gewonnenen Erkenntnisse können als Ausgangspunkt verwendet werden, die Löslichkeit weiter zu verbessern. / The main focus of the thesis „Novel zwitterionic subunits as building blocks for supramolecular capsules“ was to combine two Guanidiniocarbonylpyrrolecarboxylate binding motifs developed by Schmuck by the use of rigid aromatic and non aromatic linkers. The resulting zwitterionic subunits should be able to aggregate in solution to form supramolecular capsules with a cavity large enough to encapsulate guest molecules. The binding motif is self complementary and able to form homodimers. Because of the combination of hydrogen and ionic bonds, this binding motif is able to form stable dimers in polar solvents such as DMSO or water unlike a system containing only hydrogen bonds which dissociates again in polar solvents. For the synthesis, two of these binding motifs were linked together by tetrahydroxybenzene. The characterization was done by NMR-spectroscopy, mass-spectrometry and X-ray crystal structure analysis. Subsequently the compound was converted into the zwitterionic form and the capsule forming abilities were analysed (NMR, DOSY, ESI/MALDI, molecular modelling). The calculated results show that capsule formation should be possible. Despite the successful synthesis of this new zwitterionic macrocycle the experimental detection of the supramolecular capsule has not been successful yet due to the bad solubility of the zwitterions. The second system contained 4,4-diphenylglucolurile as a nonaromatic linker molecule. The cis/trans-mixture of the new macrocycles were separated by column chromatography and characterized by NMR-spectroscopy, mass-spectrometry and X-ray crystal structure analysis. The transformation into the zwitterionic form yielded two new macrocyclic zwitterionic half shells which should be able to form stable supramolecular capsules in solution. Due to the bad solubility in all used solvents the experimental detection of the supramolecular capsules has not been successful yet. The introduction of octyl and triethyleneglycole groups to enhance the solubility was successful but led to no significant change in the solubility. Despite the fact that the capsule formation could not yet be detected experimentally, seven novel macro cyclic zwitterionic half shells where synthesised and the hereby obtained knowledge can be used as a basis for the future synthesis of soluble building blocks for supramolecular capsules.

Im Rahmen der hier vorliegenden Doktorarbeit wurde eine 512 Mitglieder umfassende kombinatorische Rezeptorbibliothek auf der Basis eines Guanidiniocarbonylpyrrols mit einer tripeptidischen Seitenkette dargestellt werden. Die kombinatorische Synthese der Bibliothek erfolgte nach der „Split and Mix“ Methode auf Amino-TentaGel als fester Phase in IRORI MikroKans unter Benutzung der IRORI Radiofrequenzcodierung zur Dekodierung der einzelnen Mitglieder der Bibliothek. Die Bibliothek ist für die selektive Erkennung von Tetrapeptiden mit freien C-Termini konzipiert. Als Zielliganden wurden zwei biologisch relevante Modellpeptide ausgewählt, zum einen das Alzheimer Modellpeptid L Val L Val L Ile L-Ala-OH und zum anderen das Tetrapeptid D-Glu-L-Lys-D-Ala-D-Ala-OH, das im Zusammenhang mit dem Aufbau von Zellwänden bei Bakterien eine wichtige Rolle einnimmt. Die Bestimmung von Bindungskonstanten auf der festen Phase erfolgte mit Hilfe eines Fluoreszenzscreenings, wobei die intensive Fluoreszenz eines Dansylrestes ausgenutzt wurde. Es wurden für alle 512 Mitglieder der Bibliothek Bindungskonstanten in Wasser auf der festen Phase für beide Liganden bestimmt. Die Bindungskonstanten für das Alzheimer Modellpeptid variierten von 4200 M-1 für die besten Rezeptoren bis zu 20 M-1, also einem vollständigen Verlust der Bindungsaktivität, für die schlechtesten Rezeptoren. Hierbei zeigte sich, dass die Mehrzahl gut bindender Rezeptoren in Position AA1 eine Lys(Boc) Seitenkette aufwiesen. Anschließend wurden molekulardynamische Rechnungen durchgeführt, um Struktur-Stabilitätsbeziehungen aufstellen zu können. Die auf der festen Phase erhaltenen Ergebnisse konnten durch die Bestimmung von Bindungskonstanten in Lösung durch UV-Titrationen bestätigt werden. Weiterhin wurden Untersuchungen mit einem Rezeptor in der Gasphase mit Hilfe von FT-ICR IRMPD ESI-MS durchgeführt. Darüber hinaus wurden in vitro Untersuchungen zur Inhibierung der Fibrillenbildung der Amyloid Proteine A&#61538; (1-42) und A&#61538; (1-40) mit ausgewählten Rezeptoren durchgeführt. Für die kinetische und quantitative Inhibierung der Fibrillenbildung konnten zwei Rezeptoren gefunden werden, die den Nukleationsprozess bei beiden Peptiden signifikant verzögerten und auch zu einer geringeren Menge an gebildeten Amyloid-Plaques gegenüber der Kontrolle führten. Die Bestimmung von Bindungseigenschaften der Rezeptorbibliothek gegen das Tetrapeptid D-Glu-L-Lys-D-Ala-D-Ala-OH, das im Zusammenhang mit der Entwicklung von neuen Antibiotika steht, wurde ebenfalls über fluoreszenzspektroskopische Methoden auf der festen Phase durchgeführt. In diesem Fall wurde nicht nur D-Glu-L-Lys-D-Ala-D-Ala-OH, sondern auch die inverse Sequenz auf Bindungsaktivität untersucht. Hierbei zeigte sich, dass das Bakterien Modellpeptid mit deutlich höheren Bindungskonstanten auf der festen Phase erkannt wurde als das inverse Peptid. Die Bindungskonstanten für D-Glu-L-Lys-D-Ala-D-Ala-OH liegen für die besten Rezeptoren bei 17000 M-1, für die inverse Sequenz nur bei 5500 M-1, obwohl beide Liganden für Rezeptoren mit einem oder zwei Lysinen an Position AA1, AA2 oder AA3 die höchsten Bindungskonstanten aufwiesen. Der Faktor der Bindungskonstanten zwischen sehr gut bindenden Rezeptoren und schlecht bindenden Rezeptoren betrug für beide Peptide über 200! Die besseren Bindungseigenschaften von D-Glu-L-Lys-D-Ala-D-Ala-OH im Vergleich zu der inversen Sequenz konnten durch molekulardynamische Rechnungen darauf zurückgeführt werden, dass das inverse Peptid beide Carboxylate intramolekular über eine Salzbrücke mit der Lysin-Seitenkette stabilisieren kann, während D-Glu-L-Lys-D-Ala-D-Ala-OH nur eine Salzbrücke zu einem der beiden Carboxylate ausbilden kann und das andere Carboxylat somit für eine effektive Komplexierung mit dem Guanidiniocarbonylpyrrol zur Verfügung steht. Die auf der festen Phase erhaltenen Bindungskonstanten für das Bakterien-Modellpeptid konnten ebenfalls durch die Bestimmung von Bindungskonstanten in Lösung durch UV- und Fluoreszenztitrationen bestätigt werden. Kationische Guanidiniocarbonylpyrrol-Rezeptoren sind in der Lage anionische Tetrapeptide mit hohen Assoziationskonstanten, selbst in so polaren Lösemitteln wie Wasser, zu binden. Abschließend kann gesagt werden, dass die Komplexstabilitäten von einer fein abgestimmten Kombination von elektrostatischen und hydrophoben Wechselwirkung abhängen. / A medium sized combinatorial library of 512 members was synthesized on a solid support. Its structure was based on a cationic guanidiniocarbonyl pyrrole receptor as a carboxylate binding motif and a tripeptidic side chain to provide selectivity. The library was synthesized on Amino-TentaGel according to a standard Fmoc protocol following the „split and mix“ approach in combination with the IRORI-radio frequency tagging technology. The library was designed for the molecular recognition of peptides with an unprotected C terminus. Two different biological important peptide models were chosen as targets for the determination of binding constants on solid support as well as in solution: The C-terminal sequence of the Amyloid &#61538;-protein (1-42) L Val L Val L Ile L-Ala-OH, which is known to be critical for the seeding of amyloid formation and hence has strong implications for the pathogenesis of Alzheimer’s disease and the tetrapeptide D-Glu-L-Lys-D-Ala-D-Ala-OH, which is linked to the antibacterial efficacy of some antibiotics like vancomycin. The determination of the binding constants on solid support was accomplished by a fluorescence binding assay, using the intense fluorescence activity of a dansyl group attached to the tetrapeptide. The use of the IRORI MikroKan technique allowed the determination of binding constants for all members of the library even in water. In this assay the binding constants varied from 20 M 1 for the worst receptor sequences to 4200 M-1 for the best receptors, a discrimination of a factor of 200 among this moderately sized library. The majority of good binders had a Lys(Boc) side chain at position AA1. The binding constants determined on bead could be confirmed by the determination of binding constants of some receptors in solution by UV titrations. In conclusion, cationic Guanidiniocarbonylpyrrole receptors are able to form stable complexes with the Alzheimer model peptide even in highly polar solvents. Furthermore, the activation energy for the dissociation of the noncovalent complex of a trivaline receptor with the Alzheimer model peptide in the gas phase was determined via FT-ICR IRMPD ESI-MS methods. In addition to this the ability of cationic guanidiniocarbonylpyrrole receptors identified in the library screening to inhibit fibril formation of A&#61538; (1-42) and A&#61538; (1-40) in vitro were performed. Two receptor sequences were capable of kinetic and quantitative reduction of the formation of fibrils of both proteins.. The determination of binding properties of the tetrapeptide D-Glu-L-Lys-D-Ala-D-Ala-OH with the receptor library was also performed by a fluorescence assay. This ligand is related to bacterial growth and therefore to the development of new antibiotics. For the test of sequence selective peptide binding we used a fluorescent derivative of D-Glu-L-Lys-D-Ala-D-Ala-OH and the inverse sequence. The ligand D-Glu-L-Lys-D-Ala-D-Ala-OH showed distinct higher binding constants on solid phase than the inverse peptide. The association constants of D-Glu-L-Lys-D-Ala-D-Ala-OH for the best receptors are about 17000 M-1. For the inverse sequence the best binders are in the region of 5500 M-1. The tendencies of good binders were, however similar for both sequences. Receptors having two lysine residues at position AA1, AA2 or AA3, belonged to the best binders in both assays. The binding constants vary from the best to the worst receptors by a factor of 200 for both sequences! The binding constants determined on solid support for the peptidoglycan-model peptide could be again confirmed by the determination of binding constants in solution via UV- and fluorescence titrations. Cationic guanidiniocarbonylyprrole receptors are able to recognize tetrapeptides with free carboxylate with high association constants, even in highly polar solvents like methanol or water. As a concluding remark, it can be mentioned that complex stabilities of these peptidic ligands depend on a fine tuned combination of electrostatic and hydrophobic interactions.

Im Rahmen dieser Arbeit konnte ein multivalenter Rezeptor auf Basis von Guanidiniocarbonylpyrrolen zur Komplexierung von biologisch relevanten (poly)- anionischen Substraten wie Citrat, Malat und Tatrat dargestellt werden. Der Rezeptor bindet Citrat selbst in Gegenwart eines 1000fachen Überschusses an NaCl und einem 10fachen Überschuss an Bis-tris Puffer mit einer hohen Bindungskonstante von KAss = 86000 M-1 in Wasser. Wenn man Rezeptoren auf Metall- und Boronsäurebasis nicht berücksichtigt, handelt es sich nach meinem Wissen um den besten Citrat-Rezeptor, der in der Literatur bisher publiziert ist. Außerdem zeigt der Rezeptor mit einem Faktor von mindestens 8 eine hohe Selektivität für Citrat gegenüber anderen biologisch relevanten Dicarboxylaten wie Malat und Tatrat. Mithilfe von Bindungsstudien und Molecular Modeling Rechnungen konnte hergeleitet werden, welchen Einfluss die verschiedenen nicht-kovalenten Wechselwirkungen auf die Bindungskonstante haben. Dabei konnte gezeigt werden, dass Flexibilität, Hydroxy-Funktionen, pi-Stacking und Symmetrie bei den Substraten Einfluss auf die Bindungskonstanten zeigen, wobei vor allem die unpolaren Wechselwirkungen und die zusätzliche Hydroxy-Funktionen einen hohen Anteil an der Bindung zu haben scheinen. Neben der selektiven Erkennung von Citrat durch den Rezeptor konnte zusätzlich ein Sensorsystem mit Carboxyfluorescein auf Basis eines indicator displacement assays entwickelt werden, mit dem die Anwesenheit von Citrat im Gegensatz zu anderen Carboxylaten mit dem bloßen Auge (naked eye) erkannt werden kann. Neben den Polycarboxylaten zeigt der Rezeptor außerdem noch hohe Bindungskonstanten für polyanionische Zucker. So konnten z.B. für Glucophosphate mit UV-Spektroskopie Bindungskonstanten von KAss = ca. 20000 M-1 in dem sehr polaren Lösemittelgemisch 10 % DMSO/Wasser (pH = 4, Acetat-Puffer) gefunden werden. / In the course of this work a multivalent receptor based on guanidiniocarbonyl-pyrrolcations for the complexation of biologically relevant (poly)-anionic substrates like citrate, malate or tatrate was synthesised. The receptor binds citrate in the presence of a 1000fold excess of NaCl and a 10fold excess of bis-tris buffer with a high binding constant of KAss = 86000 M-1 in water. To the best of my knowledge is hence the most efficient receptor for the binding of citrate in water reported so far, if receptors on metall- and boronic acid-basis are neglected. Furthermore receptor shows a high selectivity with a factor of at least 8 for citrate against other biologically relevant dicarboxylates like malate or tartrate. With the aid of binding studies and molecular modeling calculations could be determined, which influence the different non covalent interactions have on the binding constant. It was demonstrated in this way, that flexibility, hydroxyfunctions,pi-stacking and symmetry of the substrates have a major influence on the binding constant. Especially unpolar interactions and interactions with the hydroxy group seem to play a major role in the binding mode. In addition to the selective recognition of citrate with the receptor a sensor system with carboxyfluoresceine based on an indicator displacement assay (ida) could be developed. With this ida it was possible to detect citrate in contrast to other biologically relevant substrates with the naked eye. Furthermore the receptor showed high binding constants for anionic sugars. In a solvent mixture of 10 % DMSO/Water (pH = 4, acetate buffer) bindings constants of KAss = ca. 20000 M-1 were measured for the glucophosphates.

Würzburg, Univ., Diss., 2009. / Zsfassung in dt. Sprache.

The present thesis demonstrates the potential of dipolar aggregation of merocyanine dyes as novel directional and specific supramolecular binding motif for the creation of more elaborate supramolecular architectures beyond simple dimers. Furthermore, the self-assembly studies into bis(merocyanine) nanorods gave new insights into the kinetics of morphogenesis in supramolecular aggregates. / In der vorliegenden Arbeit konnte das Potential der dipolaren Aggregation von Merocyaninfarbstoffen als neuartiges, gerichtetes und spezifisches Bindungsmotif zum Aufbau wesentlich komplexerer supramolekularer Architekturen als einfachen Dimeren aufgezeigt werden. Desweiteren lieferten Studien zur Selbstorganisation von Bis(merocyanin)-Nanostäbchen neue Erkenntnisse zur Morphogenese supramolekularer Aggregate.

Chlorophylls are the most important pigments owing to their involvement in photosynthesis. They perform multiple functions that arise due to their optical and redox as well as packing properties. Semisynthetic zinc chlorins investigated in this thesis are the counterparts for the natural protein-free bacteriochlorophyll (BChl) c assemblies in light-harvesting (LH) systems in bacterial chlorosomes. The major advantage of the zinc chlorin model compounds over the native BChls lies in their facile semisynthetic accessibility from chlorophyll a (Chl a), their higher chemical stability and the possibility to influence their packing by suitable chemical modifications of peripheral side chains. Whilst the favorable excitonic properties and the suitability of ZnChl and natural BChl c dye aggregates for long distance exciton transport are well documented, charge transport properties of aggregates of semisynthetic ZnChls are hitherto unexplored. The present study involves structural elucidations of aggregates of a variety of semisynthetic zinc chlorin derivatives in solution, in solid state and on surfaces by combination of spectroscopic, crystallographic and microscopic techniques, followed by investigation of charge transport properties and conductivities of these aggregates. Chart 1 shows the different ZnChls synthesized in this work that are functionalized with hydroxy or methoxy substituents at 31 position and contain different substituents at the 172-position benzyl ester functional group. The self-assembly of these dyes is strongly dependent upon their chemical structures. While ZnChls 1a, 2a, 3, which are functionalized with 31-hydroxy group bearing dodecyl and oligoethylene glycol side chains form well-soluble rod aggregates, the corresponding 31-methoxy functionalized counterparts 1b, 2b form stacks in solution and on surfaces. These supramolecular polymers have been studied in detail in Chapter 3 by UV/Vis and circular dichroism (CD) spectroscopy and dynamic light scattering (DLS). These studies provided useful insights into the aggregation process of these two types of aggregates. Whereas 31-hydroxy functionalized ZnChl 1a self-assemble into rod aggregates via an isodesmic mechanism, corresponding stack aggregates of ZnChl 1b are formed by a cooperative nucleation-elongation pathway. Detailed electron microscopic studies such as transmission electron microscopy (TEM) and scanning transmission electron microscopy (STEM) provided unequivocal evidence for hollow tubular nanostructures of water-soluble 31-hydroxy zinc chlorin 3 aggregates for the first time. The measured tube diameter of ~ 5-6 nm of these aggregates is in excellent agreement with electron microscopy data of BChl c rod aggregates in chlorosomes (Chloroflexus aurantiacus, diameter ~ 5-6 nm) and thus complied with the tubular model postulated by Holzwarth and Schaffner... In concord with their highly organized structures, micrometer-scale one dimensionality, robust nature and efficient charge transport capabilities, these self-assembled ZnChl nanotubular, stack and liquid crystalline assemblies are highly promising for supramolecular electronic applications. Research efforts in utilizing these assemblies for (opto)electronic device fabrication, for instance, in organic field effect transistors, should thus be rewarding in the future... / Die Chlorophylle stellen in der Natur die wichtigsten Pigmente dar, weil sie verantwortlich für die Photosynthese sind und hierbei vielfältige Funktionen wahrnehmen, die sich aus ihrer Selbstassemblierung sowie den vorteilhaften optischen und Redox-Eigenschaften ergeben. Die in dieser Arbeit untersuchten semisynthetischen Zinkchlorine stellen Modellverbindungen des natürlichen Bacteriochlorophylls c (BChl c) der Lichtsammelsysteme (light-harvesting: LH) in Chlorosomen von Bakterien, jedoch ohne Proteingerüst, dar. Die entscheidenden Vorteile dieser Zinkchlorine (ZnChl) gegenüber den natürlichen BChls bestehen im einfachen semisynthetischen Zugang ausgehend von Chlorophyll a (Chl a), ihrer gesteigerten chemischen Stabilität sowie der Möglichkeit ihre Selbstassemblierung durch gezielte chemische Modifizierung der Seitenketten in der Peripherie zu steuern. Während bereits mehrfach über die vielversprechenden Redox- und excitonischen Eigenschaften von Aggregaten von ZnChl und natürlichem BChl c und den damit verbundene Voraussetzungen für Excitontransport über große Distanzen berichtet wurde, sind die Ladungstransporteigenschaften von Aggregaten der biomimetischen ZnChl bis heute unerforscht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Aufklärung der Struktur von Aggregaten einer Vielzahl von semisynthetischen Zinkchlorophyllderivaten im Feststoff, in Lösung und auf Oberflächen durch die Kombination verschiedenster spektroskopischer, kristallographischer und mikroskopischer Techniken an die sich Untersuchungen zum Ladungstransport in den Aggregaten anschließen. Schema 1 zeigt die verschiedenen, in dieser Arbeit synthetisierten ZnChls, die entweder mit einer Hydroxy- oder Methoxygruppe in der 31-Position funktionalisiert sind sowie Substituenten unterschiedlicher Art, Länge und Verzweigung an der Benzylestergruppe in 172-Position tragen.Die Packung dieser Farbstoffe hängt entscheidend von ihrer chemischen Struktur ab. Während die ZnChls 1a, 2a, 3 mit 31-Hydroxygruppe und Alkylseitenketten (Dodecyl bzw. Oligoethylenglykol) gut lösliche stabförmige Aggregate bilden, lagern sich die analogen Verbindungen mit 31-Methoxygruppe (1b, 2b) zu Stapeln in Lösung und auf Oberflächen zusammen. Diese supramolekularen Polymere wurden im Detail in Kapitel 3 mit Hilfe von UV/Vis- und CD-Spektroskopie (circular dichroism: CD) sowie dynamische Lichtstreuung (dynamic light scattering: DLS) untersucht. Darüber hinaus lieferten temperaturabhängige UV/Vis- in Kombination mit DLS-Messungen wertvolle Informationen über die Aggregationsprozess dieser beiden Sorten von Aggregaten. Während sich die ZnChl 1a mit 31 Hydroxygruppe entsprechend dem isodesmischen Modell zu röhrenförmigen Aggregaten zusammenlagern, bilden sich die stapelförmigen Aggregate von 1b nach einem kooperativen Keimbildungs-Wachstums-Mechanismus (nucleation-elongation mechanism). Detaillierte elektronenmikroskopische Studien lieferten erstmals überzeugende Beweise für röhrenförmige Nanostrukturen der Aggregate des wasserlöslichen 31-Hydroxy Zinkchlorin 3. Die gemessenen Durchmesser der Röhren von ~ 5-6 nm dieser Aggregate liegen in hervorragender Übereinstimmung mit den Elektronenmikroskopie-Daten von BChl c Stabaggregaten in Chlorosomen (Chloroflexus aurantiacus, Durchmesser ~ 5-6 nm) und entsprechen damit dem von Holzwarth und Schaffner postulierten röhrenförmigen Modell... Im Einklang mit ihren hoch geordneten, robusten Strukturen, die sich eindimensional in einer Größenordnung von Mikrometeren erstrecken, sowie ihrer Fähigkeit zum effizienten Ladungs-trägertransport stellen diese selbstassemblierten Nanoröhren von ZnChls vielversprechende Ausgangsmaterialien für die Fertigung supramolekularer elektronischer Bauteile dar. Wissenschaftliche Bemühungen einige dieser Moleküle und ihre entsprechenden supramolekularen Polymere für die Fertigung von (opto-)elektronischen Bauteilen wie organischen Feldeffekttransistoren zu benutzten, stellen lohnende Aufgaben für die Zukunft dar...

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die in dieser Abreit vorgestellten Squaraine herausragend gute NIR-Absorptions- und NIR-Emissionseigenschaften aufweisen, die sie für zahlreiche Anwendungen interessant machen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass ihre besondere cis-Konfiguration und ihr daraus resultierendes Dipolmoment zu vorteilhaften Anordnungen in dünnen Filmen und in Blends mit PCBM führen. Diese Strukturen zeigen für dipolare Moleküle beeindruckende Exzitonen- und Ladungstransporteigenschaften, die vielversprechende Anwendungen in der organischen Elektronik wie in hier untersuchten lösungsprozessierten BHJ-Solarzellen oder auch in OFETs erwarten lassen. / Concluding the results of the present work, the here descript acceptor-substituted squaraines exhibit extremely favourable NIR absorption and emission properties which make them to ideal candidates for a broad variety of functional applications. Furthermore, the additional acceptor functions provoke a cis-configuration, resulting in a permanent ground state dipole moment which becomes a dominating ordering force in supramolecular arrangements of those squaraine dyes in solution as well as in thin organic films and in blends with PCBM. These structures feature unprecedented exciton and charge carrier mobilities for dipolar molecules with promising properties for the application in organic photovoltaics, as demonstrated in this work and for possible future applications such as OFETs.

In this thesis, the synthesis and photophysics of a great variety of squaraine dyes are presented. This variety is based on four parent squaraines containing either indolenine or quinoline heterocycles. By a suitable choice of the donor and acceptor unit, the optical properties can already be adapted to the properties desired on the stage of the monomer. To promote a further derivatisation of these dyes, diverse functional groups are attached to the monomers using transition metal-catalysed C-C coupling reactions. However, this has to be preceded by the synthesis of bromine-functionalised derivatives as a direct halogenation of squaraine dyes is not feasible. Therefore, the halogen function is already introduced in precursor molecules giving rise to a molecular building block system containing bromine-, boronic ester-, and alkyne-functionalised monomer units, which pave the way to a plethora of squaraine oligomers and polymers. The indolenine homopolymer pSQB-1 as well as the corresponding small molecular weight oligomers dSQB-1 and tSQB were synthesized applying Ni-mediated Yamamoto and Pd-catalysed Suzuki coupling methodologies, respectively. The motivation for this project relied on the fundamental investigations by Völker et al. on pSQB-V. A progressive red-shift of the lowest energy absorption maximum from the dimer to the polymer was observed in CHCl3 compared to the monomer. With increasing number of monomer units, the exciton coupling decreases from the dimer to the polymer. In addition, the shape of the absorption band manifold shows a strong dependence on the solvent, which was also observed by Völker et al. J-type aggregate behavior is found in chlorinated solvents such as CHCl3 and DCM, whereas H-type aggregates are formed in acetone. Temperature-dependent absorption studies in PhCN reveals a reversible equilibrium of diverse polymer conformers, which manifests itself in a gradual change from H-aggregate behavior to a mixture with a more pronounced J-aggregate behavior upon raising the temperature. It isassumed that both characteristic aggregate bands correlate in borderline cases with two polymer structures which can be assigned to a zig-zag and a helical structure. As no experimental evidence for these structures could hitherto be provided by NMR, TD-DFT computations on oligomers (22-mers) can reproduce very closely the characteristic features of the spectra for the two conformational isomers. The subsequent chapters are motivated by the goal to influence the optical properties through a control of the superstructure and thus of the intramolecular aggregate formation. On the one hand, bulky groups are implemented in the 3-position of the indolenine scaffold to provoke steric repulsion and thus favoring J-aggregate behavior at the expense of helical arrangements. The resulting homopolymer pDiPhSQB bearing two phenyl groups per indolenine exhibits J-type aggregate behavior with red-shifted absorption maxima in all considered solvents which is explained to be caused by the formation of elongated zig-zag structures. Furthermore, single-crystal X-ray analysis of monomer DiPhSQB-2-Br2 reveals a torsion of the indolenine moieties as a consequence of steric congestion. The twist of the molecular geometry and the resulting loss of planarity leads to a serious deterioration of the fluorescence properties, however a significant bathochromic shift of ca. 1 200 cm-1 of the lowest absorption band was observed compared to parent SQB, which is even larger than the shift for dSQB-1 (ca. 1 000 cm-1). On the other hand, a partial stiffening of the polymer backbone is attempted to create a bias for elongated polymer chains. In this respect, the synthetic approach is to replace every second biarylaxis with the rigid transoid benzodipyrrolenine unit. Despite a rather low average degree of polymerization < 10, exclusively red-shifted absorption maxima are observed in all solvents used. In order to complete the picture of intramolecular aggregates through the selective design of H-aggregates, a squaraine-squaraine copolymer was synthesised containing the classic cisoid indolenine as well as the cisoid quinoline building block. Taking advantage of the highly structure directing self-assembly character of the quinoline moiety, the copolymer pSQBC indeed showes a broad, blue-shifted main absorption band in comparison with the monomer unit dSQBC. The shape of the absorption band manifold solely exhibited a minor solvent and temperature dependence indicating a persistent H-aggregate behaviour. Hence, as a proof of concept, it is shown that the optical properties of the polymers (H- and J-aggregate) and the corresponding superstructure can be inherently controlled by an adequate design of monomer precursors. The last chapter of this work deals, in contrast to all other chapters, with intermolecular aggregates. It is shown that the two star-shaped hexasquarainyl benzenes hSQA-1 and hSQA-2 exhibit a strong propensity for self-organisation. Concentration- and temperature-dependent studies reveal a great driving force for self-assembly in acetone. While the larger hSQA-2 instantaneously forms stable aggregates, the aggregates of hSQA-1 shows a pronounced kinetic stability. Taking advantage of the kinetic persistency of these aggregates, the corresponding kinetic activation parameters for aggregation and deaggregation can be assessed. The absorption spectra of both hexasquarainyl benzenes in the aggregated state reveal some striking differences. While hSQA-1 features an intensive, very narrow and blue-shifted absorption band, two red-shifted bands are observed for hSQA-2, which are closely located at the monomer absorption. The very small bandwidth of hSQA-1 are interpreted to be caused by exchange narrowing and pointed towards highly ordered supramolecular aggregates. The concentration-dependent data of the two hexasquarainyl benzenes can be fitted to the dimer-model with excellent correlation coefficients, yielding binding constants in excess of 10^6 M-1, respectively. Such high binding constants are very surprising, considering the unfavourable bulky 3,3-dimethyl groups of the indolenine units which should rather prevent aggregation. Joint theoretical and NMR spectroscopic methods were applied to unravel the supramolecular aggregate structure of hSQA-1, which is shown to consist of two stacked hexasquarainyl benzenes resembling the picture of two stacked bowls. / Im Rahmen dieser Arbeit wird die Synthese sowie photophysikalischen Untersuchungen einer Vielzahl von Squarainfarbstoffen präsentiert. Diese Vielfalt erwuchs aus vier monomeren Stammverbindungen, die auf Indolenin- bzw. Chinolin-Heterozyklen gründeten. Um die Derivatisierung der Monomere weiter voranzutreiben, werden diese durch geeignete funktionelle Gruppen unter der Verwendung von übergangsmetallkatalysierten C-C Kupplungsreaktionen chemisch modifiziert. Dieser geht jedoch die Synthese Brom-funktionalisierter Vorstufen voraus. So muss die Halogenfunktion bereits in den Vorläufermolekülen eingeführt werden, da eine selektive, direkte Halogenierung auf der Stufe des Squarains nicht möglich ist. Schlussendlich kann somit ein molekularer Baukasten entwickelt werden, der, bestückt mit Monomerbausteinen mit Brom-, Borester-, und Alkinfunktionen, den Weg zu diversen oligomeren und polymeren Squarainfarbstoffen ebnete. Das Indolenin Squarain Homopolymer pSQB-1, als auch die entsprechenden niedermolekularen Oligomerverbindungen dSQB-1 und tSQB wurden mittels der Ni-unterstützten Yamamoto bzw. Pd-katalysierte Suzuki Kupplung dargestellt. Die bereits durch Völker et al. erfolgten spektroskopischen Untersuchungen an pSQB-V werden im Rahmen dieser Arbeit fortgesetzt. Im Vergleich zum Monomer, zeigen das Dimer, Trimer und das Polymer in CHCl3 eine progressive Rotverschiebung der niedrigsten, intensivsten Absorptionsbande. Mit steigender Anzahl der SQB-Monomereinheiten nimmt die Exzitonenkopplung im Dimer bis hin zum Polymer ab. Wie auch bereits Völker et al. zeigen konnten, ist die Form der Absorption des Exzitonenbandes von pSQB-1 stark lösemittelabhängig. Während J-Aggregat ähnliches Verhalten in CHCl3 und DCM beobachtet wird, zeigt das Polymer in Aceton H-Aggregat ähnliches Verhalten. Temperaturabhängige Absorptionsmessungen in PhCN zeigen ein reversibles thermodynamisches Gleichgewicht von verschiedenen Polymerstrukturen, welches sich mit steigender Temperatur durch einen sukzessiven Übergang von H-Aggregat zu einer Mischung mit mehr J-Aggregat Charakter manifestiert. Es wird angenommen, dass das Auftreten der charakteristischen Aggregatsbanden im Grenzfall mit zwei Polymerkonformeren korreliert, die einer Zick-Zack- und einer Helix-Struktur entsprechen. Da hierfür keine experimentellen Beweise durch NMR bis dato vorliegen, wurden TD-DFT Kalkulationen an Oligomereinheiten (22-er) durchgeführt, die die wesentlichen Merkmale der Absorptionsspektren der zwei Konformere reproduzieren konnten. Die anschließenden Kapitel erwuchsen aus der Motivation heraus, die optischen Eigenschaften der Polymere über die Kontrolle der Strukturbildung und somit der intramolekularen Aggregatsbildung zu beeinflussen. Um einerseits J-Aggregat Verhalten zu provozieren wird zunächst der Ansatz verfolgt, durch sterisch anspruchsvolle Gruppen in der 3-Position des Indolenin Gerüsts, den Kollaps zu helikalen Stukturen zu vermeiden. Das resultierende Homopolymer pDiPhSQB mit zwei Phenylgruppen pro Indolenin Einheit zeigt in allen untersuchten Lösemitteln bathochrom verschobene Absorptionsmaxima, was mit der Ausbildung von ausschließlich ausgedehnten Zick-Zack-Ketten begründet werden. Darüber hinaus zeigte die Einkristall-Röntgenstrukturanalyse des Monomers DiPhSQB-2-Br2 als Konsequenz der sterischen Überfrachtung eine Torsion des Indolenin Gerüsts. Die Verdrillung der Molekülgeometrie und der daraus resultierende Verlust an Planarität, führt zu einer erheblichen Verschlechterung der Fluoreszenzeigenschaften, jedoch wird eine signifikante Rotverschiebung der Monomerbande von ca. 1 200 cm-1 im Vergleich zu SQB beobachtet, welche sogar größer als die für dSQB-1 ist. Zum anderen ergibt der Ansatz der partiellen Versteifung des Polymerrückgrades ebenfalls die Ausbildung von ausgedehnten Polymerketten begünstigen. Dieser Ansatz wird insofern verfolgt, als dass jede zweite Biarylachse zwischen zwei Monomereinheiten in pSQB-1 durch eine rigide transoide Benzodipyrrolenin Brücke ersetzt wird. Trotz eines eher geringen durchschnittlichen Polymerisationsgrades von < 10 kann dennoch eine Rotverschiebung der niederenergetischsten Absorptionsbande in allen Lösemitteln beobachtet werden. Um das Bild der intramolekularen Aggregate zu vervollständigen, wird das gezielte Design von H-Aggregaten verfolgt. Hierfür wurde ein Squarain-Squarain Copolymer synthetisiert, das zum einen aus dem klassischen cisoiden Indolenin und zum anderen aus dem cisoiden Chinolin Squarain aufgebaut ist. Diesbezüglich will man sich die Triebkraft des Chinolin Bausteins für Aggregation als strukturdirigierende Komponente zu Nutze machen, um helikale Konformationen der Polymerstränge zu erzeugen. Das Copolymer pSQBC zeigt in der Tat eine verbreiterte, hypsochrom verschobene Hauptabsorptionsbande im Vergleich zur Monomereinheit dSQBC. Die Form der Absorption des Exzitonenbandes zeigt eine geringe Lösemittelabhängigkeit, die ebenfalls nur marginal durch die Temperatur beeinflusst werden kann. Schlussendlich deuten diese Befunde auf ein stark-ausgeprägtes H-Aggregat ähnliches Verhalten hin, was die zu anfangs formulierte These belegt, dass sich die optischen Eigenschaften der Polymere (H- und J-Aggregate) und deren Strukturbildung durch ein adäquates Moleküldesign der Monomerbausteine kontrollieren lassen. Das letzte Kapitel dieser Arbeit stand im Gegensatz zu den vorherigen Kapiteln ausschließlich im Fokus von intermolekularen Aggregaten. Die Squaraine hSQA-1 und hSQA-2 neigen, in ein sternförmiges Hexaarylbenzol-Gerüst gebettet, zur Selbstorganisation. Konzentration- und temperaturabhängige Studien der beiden synthetisierten Hexasquarainyl-Benzole zeigen eine starke Triebkraft zur Aggregation in Aceton. Während hSQA-2 instantan thermodynamisch stabile Aggregate bildet, offenbart hSQA-1 Aggregate eine ausgeprägte kinetische Stabilität. Dies kann man sich zu Nutze machen und die kinetischen Aktivierungsparameter der Aggregation und Deaggregation zu bestimmen. Die Absorptionsspektren der beiden Hexasquarainyl-Benzole im aggregierten Zustand zeigen extreme Unterschiede auf. Während hSQA-1 eine intensive, sehr schmale und stark hypsochrom verschobene Bande zeigt, beobachtet man für das größere Hexasquarainyl-Benzol zwei bathochrom verschobene Banden, die allerdings energetisch sehr nahe der Monomerbande lokalisiert sind. Die sehr geringe Halbwertsbreite der Aggregatsbande in hSQA-1 wird durch die sog. Austauschverschmälerung erklärt und deutet auf hochgeordnete supramolekulare Aggregate hin. Die konzentrationsabhängigen Messdaten der beiden Chromophore konnten sehr gut mit Hilfe des Dimer-Modells angepasst werden, welches für beide Systeme eine hohe Bindungskonstante von über 10^6 M-1 ergab. In Anbetracht der Tatsache, dass die raumgreifenden 3,3-Dimethylgruppen im Indoleningerüst extrem hinderlich für den Aggregationsprozess sind, ist die starke Triebkraft zur Selbstorganisation, welche sich in den hohen Bindungskonstanten niederschlägt, äußerst bemerkenswert. Theoretische Modellierungen und Rechnungen in Kombination mit NMR-spektroskopischen Untersuchungen von hSQA-1 ergeben eine Aggregatsstruktur aus zwei sich stapelten Hexasquarainylbenzolmonomeren, die dem Bild zweier gestapelter Schüsseln entspricht.