Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Synthese und Charakterisierung neuartiger elektrophiler Barbiturate. In diesen Zielverbindungen sollte die kovalente Verknüpfung eines elektrophilen bzw. Lewis-aciden Zentrums mit einer Wasserstoffbrückensequenz realisiert sowie deren gegenseitige Beeinflussung untersucht werden. Im Mittelpunkt standen dabei Barbitursäure-funktionalisierte Triarylmethylium-Ionen sowie Merocyanine. Die Charakterisierung der synthetisierten Verbindungen erfolgte mittels NMR-Spektroskopie, Einkristall-Röntgenstrukturanalyse sowie solvatochromen Messungen. Besonderes Augenmerk lag auf der Wechselwirkung mit verschiedenen Rezeptoren über Wasserstoffbrückenbindungen, wobei sowohl die Anzahl als auch die Stärke der Wasserstoffbrücken variiert wurden. Die Reaktion der elektrophilen Barbiturate mit ausgewählten Nucleophilen wurde NMR- und UV/Vis-spektroskopisch verfolgt. In ternären Systemen bestehend aus Elektrophil, Nucleophil und Rezeptor wurde systematisch der Einfluss der Komplexierung über Wasserstoffbrücken auf die Gleichgewichts- und Geschwindigkeitskonstante der Elektrophil-Nucleophil-Rekombination erfasst. Daneben erfolgte die Bestimmung der Nucleophilie-Parameter substituierter Barbiturat-Anionen unter Berücksichtigung des ambidenten Verhaltens dieser Nucleophile.

Die vorliegende Arbeit hat neben der Untersuchung der Synthese über den Controlled SBU-Approach von HKUST-1, ein poröses Kupfertrimesat, die Abscheidung dieses Metal-Organic Frameworks in dünnen Quarzglaskapillaren mit einer Länge von 10 bis 30 m und Innendurchmessern zwischen 0,53 und 0,25 mm zum Thema. Diese Säulen werden zur gaschromatographischen Trennung wie auch zur Bestimmung physikochemischer Kenngrößen, die den Adsorptionsvorgang verschiedener Analyten auf der HKUST-1 Oberfläche beschreiben, verwendet. Zu den untersuchten Stoffen gehören neben unpolaren n-Alkanen, unterschiedlich substituierte Phenylaromaten und starke Lewisbasen, wie Alkoxyalkane. Bei diesen kann der Einfluss der Gestalt und Länge der an den Sauerstoffatomen befindlichen Alkylgruppen auf die Adsorption an HKUST-1 in Form von spezifischen und unspezifischen Wechselwirkungsenthalpien, bestimmt aus gaschromatographischen Messungen, und infrarotspektroskopischen Auswertungen untersucht werden. Abschließend wird eine quantitative Aussage über das Verhältnis von Acidität und Basizität der HKUST-1 Oberfläche getroffen.

Self-assembly processes were used to construct supramolecular architectures based on metal-ligand interactions. The structures formed strongly depend on the used metal ion, the ligand type, the chosen counter ion and solvent as well as on the experimental conditions. The focus of the studies was the design of multifunctional N-donor ligands and the characterization of their complexing and structural properties. This work was divided into three distinct main parts: The bis(2-pyridylimine), the bis(2-hydroxyaryl) imine and the tripodal imine / amine ligand approach. In the first part a series of bis(2-pyridylimine) derivatives having different linking elements were employed as building blocks for novel supramolecular architectures. Reaction of individual d-block metal salts with these ligands has led to the isolation of coordination polymers, a metallamacrocycle, double-stranded helicates, triple-stranded helicates as well as of circular meso-helicates. The nature of the spacer in the Schiff base ligands, the noncovalent weak interactions, such as hydrogen bond, face-to-face π-π and edge-to-face CH-π interactions, are all important factors influencing the architecture of the final products. Topological control of the assembly process of the hexanuclear meso-helicates is clearly associated with the bidentate coordination of the sulfate anion which directs the formation of a double- rather than a triple-stranded helicate around the octahedrally coordinated Cu(II). Surprisingly, the variation of the linker function in the ligands, which significantly changes the linking angle of the pyridylimine strands, has only a little influence of the resulting structure. Also the use of a mixture of ligands does not influence the meso-helicate topology; the result is the symmetrically mixed meso-helicate. The new iron(II) triple helicate [Fe2(L5)3](PF6)4 14 {L5 = bis[4-(2-pyridylmethyleneimino)phenyl]-1,1-cyclohexane} in its chloride form binds strongly to DNA as confirmed by induced circular dichroism signals in both the metal-to-ligand charge transfer (MLCT) and in-ligand bands of the helicate. The induced CD spectrum gives some evidence that [Fe2(L5)3]4+ interacts with the DNA in a single binding mode, which is consistent with major groove binding. The cytotoxicity of the new iron(II) triple helicate 14 was evaluated on human lung cancer A549 cells and compared with that of cisplatin and that of the previously reported iron(II) triple helicate [Fe2(L1)3]4+{L1 = bis[4-(2-pyridylmethyleneimino)phenyl]methane}. The first results show some distinguishing features for 14 obviously caused by the existing structural differences of the complexes. In the second part of the thesis, novel uranyl complexes of the bis(2-hydroxyaryl) imine ligands have been synthesized and characterized. 1D coordination polymers and mononuclear structures were formed. In all complexes a distorted hexagonal bipyramidal coordination geometry around the uranyl centre is observed. The imine nitrogen atoms of the ligands do not bind to the metal centre but interact strongly with the hydroxy group via H-bonding. DFT calculations made with L8 ( α,α’-Bis(salicylimino)-m-xylene) are in good agreement with the X-ray crystal structure data. Liquid-liquid extraction studies involving selected ligands and Eu(III) or U(VI) indicate remarkably high selectivity for U(VI) over Eu(III) at weak acidic pH conditions. We believe that the study made opens up new possibilities for uranyl ion extraction which could be interesting in view of the treatment of nuclear waste. In the third part of the thesis, a series of multifunctional tripodal ligands with different N-donor centres were used for U(VI) and lanthanide, Nd(III), Eu(III) and Yb(III), binding and extraction. Reaction of these metal ions with selected tripodal ligands afforded complexes which were characterized by ESI mass spectroscopy. The complex composition was found to be 1:1 in all cases. The extraction behaviour of the tripodal ligands towards Eu(III) and U(VI) was studied both in the absence and presence of octanoic acid as co-ligand using the extraction system Eu(NO3)3 or UO2(NO3)2–buffer–H2O/ ligand–CHCl3. These separation systems show a remarkably high selectivity for U(VI) over Eu(III). It is interesting to note that the addition of the octanoic acid to the extraction system leads to high synergistic effects. A series of Eu(III) extraction experiments were done to clarify the composition of the extracted complexes. The results clearly point to the formation of various species with changing composition.

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.

Self-assembly processes were used to construct supramolecular architectures based on metal-ligand interactions. The structures formed strongly depend on the used metal ion, the ligand type, the chosen counter ion and solvent as well as on the experimental conditions. The focus of the studies was the design of multifunctional N-donor ligands and the characterization of their complexing and structural properties. This work was divided into three distinct main parts: The bis(2-pyridylimine), the bis(2-hydroxyaryl) imine and the tripodal imine / amine ligand approach. In the first part a series of bis(2-pyridylimine) derivatives having different linking elements were employed as building blocks for novel supramolecular architectures. Reaction of individual d-block metal salts with these ligands has led to the isolation of coordination polymers, a metallamacrocycle, double-stranded helicates, triple-stranded helicates as well as of circular meso-helicates. The nature of the spacer in the Schiff base ligands, the noncovalent weak interactions, such as hydrogen bond, face-to-face π-π and edge-to-face CH-π interactions, are all important factors influencing the architecture of the final products. Topological control of the assembly process of the hexanuclear meso-helicates is clearly associated with the bidentate coordination of the sulfate anion which directs the formation of a double- rather than a triple-stranded helicate around the octahedrally coordinated Cu(II). Surprisingly, the variation of the linker function in the ligands, which significantly changes the linking angle of the pyridylimine strands, has only a little influence of the resulting structure. Also the use of a mixture of ligands does not influence the meso-helicate topology; the result is the symmetrically mixed meso-helicate. The new iron(II) triple helicate [Fe2(L5)3](PF6)4 14 {L5 = bis[4-(2-pyridylmethyleneimino)phenyl]-1,1-cyclohexane} in its chloride form binds strongly to DNA as confirmed by induced circular dichroism signals in both the metal-to-ligand charge transfer (MLCT) and in-ligand bands of the helicate. The induced CD spectrum gives some evidence that [Fe2(L5)3]4+ interacts with the DNA in a single binding mode, which is consistent with major groove binding. The cytotoxicity of the new iron(II) triple helicate 14 was evaluated on human lung cancer A549 cells and compared with that of cisplatin and that of the previously reported iron(II) triple helicate [Fe2(L1)3]4+{L1 = bis[4-(2-pyridylmethyleneimino)phenyl]methane}. The first results show some distinguishing features for 14 obviously caused by the existing structural differences of the complexes. In the second part of the thesis, novel uranyl complexes of the bis(2-hydroxyaryl) imine ligands have been synthesized and characterized. 1D coordination polymers and mononuclear structures were formed. In all complexes a distorted hexagonal bipyramidal coordination geometry around the uranyl centre is observed. The imine nitrogen atoms of the ligands do not bind to the metal centre but interact strongly with the hydroxy group via H-bonding. DFT calculations made with L8 ( α,α’-Bis(salicylimino)-m-xylene) are in good agreement with the X-ray crystal structure data. Liquid-liquid extraction studies involving selected ligands and Eu(III) or U(VI) indicate remarkably high selectivity for U(VI) over Eu(III) at weak acidic pH conditions. We believe that the study made opens up new possibilities for uranyl ion extraction which could be interesting in view of the treatment of nuclear waste. In the third part of the thesis, a series of multifunctional tripodal ligands with different N-donor centres were used for U(VI) and lanthanide, Nd(III), Eu(III) and Yb(III), binding and extraction. Reaction of these metal ions with selected tripodal ligands afforded complexes which were characterized by ESI mass spectroscopy. The complex composition was found to be 1:1 in all cases. The extraction behaviour of the tripodal ligands towards Eu(III) and U(VI) was studied both in the absence and presence of octanoic acid as co-ligand using the extraction system Eu(NO3)3 or UO2(NO3)2–buffer–H2O/ ligand–CHCl3. These separation systems show a remarkably high selectivity for U(VI) over Eu(III). It is interesting to note that the addition of the octanoic acid to the extraction system leads to high synergistic effects. A series of Eu(III) extraction experiments were done to clarify the composition of the extracted complexes. The results clearly point to the formation of various species with changing composition.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Bindungsverhalten makrozyklischer und azyklischer Rezeptorsysteme gegenüber Glycosiden und ionischen Substraten mit modernen semiempirischen und quantenchemischen Methoden untersucht. Für die Analyse der Bindungspräferenz von makrozyklischen Rezeptoren gegenüber ausgewählten Glycosiden wurde ein Arbeitsprotokoll zur Berechnung der Komplexstrukturen entwickelt. Durch die Kombination eines dockingähnlichen Verfahrens mit Molekulardynamiksimulationen wurde die experimentelle Bindungspräferenz von Rezeptorsystemen gegenüber dem Methyl-β-D-Glucopyranosid qualitativ reproduziert. Für azyklische Rezeptorverbindungen wurde die Bindungspräferenz gegenüber Ammonium- und Kaliumionen untersucht. Es wurde diejenige Kombination an Modellen identifiziert, auf deren Basis sich die berechneten freien Bindungsenthalpien von den experimentellen Bindungsenthalpien aus ITC-Analysen weniger als 6 kJ/mol unterscheiden. Die erhaltenen Ergebnisse können daher als Grundlage für ein Screeningprotokoll zur Charakterisierung von Rezeptorsystemen dienen.

Ein Ansatz der Darstellung von neuartigen funktionalen Materialien basiert auf der Synthese von Foldameren mit charakteristischen Eigenschaften, die eine Kontrolle über Formgebung und Gestaltung der Makromoleküle und derer Aggregate zulassen. Bislang sind gerade größere Foldamerstrukturen definierter Größe und Form meist schwer darstellbar und eine strukturelle Modifizierbarkeit nicht ohne weiteres möglich. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die hohe Effizienz der seit 2002 bekannten Kupfer(I)-katalysierten 1,3-dipolaren Azid-Alkin-Cycloaddition, kurz “Klick“-Reaktion genannt, verwendet werden kann, um neuartige heteroaromatische Gerüste für die Konstruktion von diversen (makromolekularen) Strukturen zu generieren. Hierbei wird der bei der Reaktion entstehende Triazol-Ring gezielt als funktionale und strukturgebende Einheit genutzt. Zunächst wurden auf einfache und hochmodulare Weise 2,6-Bis(1-aryl-1,2,3-triazol-4-yl)pyridine (BTPs) dargestellt, die in einer hufeisenförmigen, planaren Konformation vorliegen und sich daher als helikogene Einheiten für die Konstruktion von helikalen aromatischen Foldameren eignen. Zudem stellen die BTP-Strukturen eine neue Klasse von pyridinzentrierten, tridentaten Liganden dar. Sie koordinieren an eine Vielzahl von Übergangsmetallionen unter Ausbildung von Metallkomplexen, die über interessante magnetische und lumineszierende Eigenschaften verfügen. Durch die Koordination, aber auch bei Protonierung, lassen sich die BTP-Gerüste von der gebeugten anti-anti-Konformation in eine gestreckte syn-syn-Konformation schalten. Dies wurde in Lösung, im kristallinen Festkörper und an der Flüssig-Fest-Grenzfläche zu Graphit untersucht. Über Selbstorganisation großflächig ausgebildete hochgeordnete BTP-Monoschichten an der Graphitoberfläche lassen sich mit Hilfe der Rastertunnel-Mikroskopie visualisieren und durch oben genannte externe Stimuli umstrukturieren. Eine neue Klasse von (BTP-basierten) responsiven heteroaromatischen oligomeren und polymeren Foldameren wurde mit Hilfe der „Klick“-Reaktion generiert. Die Oligomeren, sogenannte ”Klickamere“, mit einer Länge von 17 aromatischen Ringen zeigen in polaren Lösungsmitteln ein ausgeprägtes helikales Faltungsverhalten. Ein aus 17 aromatischen Ringen bestehender Foldamerstrang ist gegenüber Chloridionen responsiv, wobei es durch die Wechselwirkung mit diesem achiralen Stimulus bemerkenswerter Weise zu einer Helixinversion kommt. Die entsprechenden responsiven Polymere falten in eine stabile helikale Konformation, die bei Zugabe von Metallionen aufbricht und zu der Bildung von koordinativ kreuzverlinkten, stark viskosen Gelen führt. / One approach to develop novel functional materials is based on the synthesis of macromolecules with characteristic properties, in particular foldamers. However, preparation and structural variation of macromolecules of controllable size and specific shape are often cumbersome and versatile synthetic routes are still needed. In this dissertation, the high efficiency of the so called “click”-reaction, i.e. the Cu(I)-catalyzed Huisgen-type 1,3-dipolar cycloaddition, has been used to design a novel class of heteroaromatic (macromolecular) scaffolds. In these structures the formed triazole moieties constitute an essential integral part rather than a mere connecting unit. In a first step, structurally varying 2,6-Bis(1-aryl-1,2,3-triazolyl-4-yl)pyridines (BTPs) have been generated in an easy and modular way. The BTP scaffold adopts a kinked conformation and therefore functions as helicogenic building block for the construction of helical foldamers. Additionally, the BTP framework is responsive towards protonation and transition metal ion complexation, thereby undergoing a significant structural change from the kinked anti-anti into the extended syn-syn conformation. The conformational switching has been investigated in solution and in the solid state but can also be visualized at the liquid-solid interface on graphite by STM imaging. The BTPs represent a novel class of pyridine-centered, tridentate ligands, which form complexes with interesting magnetic and luminescent properties by the coordination to numerous transition metal ions. Varying heteroaromatic oligomeric and polymeric foldamers with remarkable properties have been generated using the “click”-reaction as synthesis tool. The BTP building blocks, which have (partly) been integrated into the backbones, support the stability of the helical conformation and provide responsiveness towards external stimuli. Three oligomer series of different length have been synthesized and analyzed. Oligomers consisting of 17 aromatic rings, termed clickamers, fold into a helical conformation in polar solvents. One of the three clickamers shows an unexpected phenomenon of helix inversion upon interaction with chloride ions as an achiral stimulus. The corresponding polymeric strands fold into an even more stable helical conformation, which breaks up upon exposure to transition metal ions leading to coordinatively crosslinked, highly viscous gels.

Der Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von photoinduzierten Energietransferprozessen (EET) und Elektronentransferprozessen (ET) in Modellsystemen, die als potentiell geeignet für eine Nutzung in der artifiziellen Photosynthese angesehen werden. Den beiden wesentlichen Zugängen zur Architektur artifizieller Photosynthese-Systeme entsprechend wurden vergleichend kovalente und sich selbst organisierende Systeme untersucht. In beiden Zugängen wurden ähnliche chemische Komponenten als optisch aktive Moleküle eingesetzt, insbesondere Phthalocyanine mit einem Silizium-Zentralatom (SiPc). Durch eine Kombination von stationären und zeitaufgelösten optisch-spektroskopischen Methoden konnten die lichtinduzierten ET- und EET-Prozesse identifiziert und quantifiziert werden. Im ersten Teil der Arbeit wurden mehrere kovalent gebundene Triaden und eine Pentade untersucht. In allen Systemen finden sehr effiziente ET und EET Prozesse statt. Es wurde gezeigt, dass das Lösungsmittel großen Einfluss auf die photophysikalischen Eigenschaften der Systeme ausübt. Die Lebensdauer des ladungsseparierten Zustandes variiert von 1,7 ns in Toluol bis 30 ps in DMF. Im zweiten Teil der Arbeit wurde erstmals gezeigt, dass sich in wässriger Lösung ein supramolekularer Komplex, bestehend aus einem Beta-Cyklodextrin (CD), einem konjugierten Subphthylocyanin (SubPc), einem Porphyrin (Por) und einem SiPc bilden kann. Letzteres wurde über unterschiedliche Ketten an zwei CDs kovalent gebunden. Die Selbstorganisation wird über hydrophobe Wechselwirkungen vermittelt und die Bildung der Komplexe ist sehr effizient. Nach selektiver Anregung von SubPc finden sequenzielle ET- und EET-Prozesse von SubPc zu SiPc statt. Das Por spielt die Rolle einer energetischen und elektronischen Brücke und ermöglicht die ET und EET-Prozesse von SubPc zu SiPc. Die Ladungsrekombination in den Grundzustand geschieht innerhalb von 1,7 ns. / The main objective of the present thesis was to conduct investigations of photo-induced electron transfer (ET) and excitation energy transfer (EET) processes in model compounds that are considered potentially appropriate for use in artificial photosynthesis. Two approaches have been used to construct the artificial photosynthetic systems, namely covalent and supramolecular approach. In both systems similar optically active molecules have been employed, particularly silicon-based phthalocyanines (SiPc). A comparative study between the covalently-linked and self-assembled systems had been conducted. For these purposes, thorough spectroscopic measurements in the UV/Vis range had been performed on these conjugates. A combination of steady-state and time-resolved experiments allowed an identification and quantification of the photo-induced ET and EET processes. In the first part of the work several covalently bound triads and a pentad bearing a central SiPc unit were studied. In all systems highly efficient ET and EET processes take place. It was found that the solvent exerts great influence on the photophysical properties of the systems. The lifetime of the charge-separated state varied from 1.7 ns (toluene) down to 30 ps (DMF). In the second part of the thesis, for the first time the formation of ternary supramolecular complexes consisting of a beta-cyclodextrin (CD), a conjugated subphthalocyanine (SubPc), a porphyrin (Por) and a series of SiPcs substituted axially with two CDs via different spacers was shown. These components are held in water by host-guest interactions and the formation of these host-guest complexes was found to be very efficient. Upon excitation of the SubPc-part of the complex sequential ET and EET processes from SubPc to SiPc take place. The Por dye acts as a transfer bridge enabling these processes. The probability of ET is controlled by the linker between CD and SiPc. Charge recombination to the ground state occurs within 1.7 ns.

Die vorliegende Arbeit hat neben der Untersuchung der Synthese über den Controlled SBU-Approach von HKUST-1, ein poröses Kupfertrimesat, die Abscheidung dieses Metal-Organic Frameworks in dünnen Quarzglaskapillaren mit einer Länge von 10 bis 30 m und Innendurchmessern zwischen 0,53 und 0,25 mm zum Thema. Diese Säulen werden zur gaschromatographischen Trennung wie auch zur Bestimmung physikochemischer Kenngrößen, die den Adsorptionsvorgang verschiedener Analyten auf der HKUST-1 Oberfläche beschreiben, verwendet. Zu den untersuchten Stoffen gehören neben unpolaren n-Alkanen, unterschiedlich substituierte Phenylaromaten und starke Lewisbasen, wie Alkoxyalkane. Bei diesen kann der Einfluss der Gestalt und Länge der an den Sauerstoffatomen befindlichen Alkylgruppen auf die Adsorption an HKUST-1 in Form von spezifischen und unspezifischen Wechselwirkungsenthalpien, bestimmt aus gaschromatographischen Messungen, und infrarotspektroskopischen Auswertungen untersucht werden. Abschließend wird eine quantitative Aussage über das Verhältnis von Acidität und Basizität der HKUST-1 Oberfläche getroffen.