Synthese einer Bibliothek von Aminosäure-basierten Oligopeptid-Amphiphilen mittels Festphasensynthese, deren kovalente Knüpfung an einen nukleophilen Kern zu C3-symmetrischen Sternmesogenen und die Analyse der Einflüsse der verwendeten Aminosäuren auf die Sekundärstruktur des synthetisierten Moleküls. / Synthesis of a library of amino acid based oligopeptide amphiphiles by solid phase synthesis, their covalent linkage to a nucleophilic core to form C3-symmetrical star mesogens and the analysis of the influences of the used amino acids on the secondary structure of the synthesized molecule.

Nanodiamant (ND) ist ein vielseitiges und vielversprechendes Material für Bio-Anwendungen. Trotz vieler Bemühungen bleibt die Agglomeration von Nanodiamant und die unspezifische Adsorption von Proteinen an der ND-Oberfläche bei Kontakt mit Bioflüssigkeiten ein großes Hindernis für biomedizinische Anwendungen. Eine Auswahl verzweigter und linearer Moleküle mit überlegener Fähigkeit zur kolloidalen Stabilisierung von Nanopartikeln in Salz- und Zellmedienumgebung, für bis zu 30 Tage, wurde an die ND-Oberfläche angebracht. Das Baukastensystem mit Azid als Außengruppen bietet eine große Vielfalt an Bindungen mit vielen Molekülen, wie z. B. Medikamenten, Farbstoffen oder Targeting-Molekülen. Das Anhängen von z. B. Zwitterionen an die Kette schützt die ND-Oberfläche vor der Bildung einer Proteinkorona, wenn die Partikel mit proteinhaltigen Bioflüssigkeiten in Kontakt kommen. Die Ergebnisse der thermogravimetrischen Analyse der Beladung der ND-Oberfläche zeigen eine signifikante Verhinderung der Proteinadsorption von bis zu 98 % im Vergleich zu NDs ohne zwitterionische Kopfgruppen und eine lange kolloidale Stabilität, wenn Tetraethylenglykol (TEG) an die Oberfläche gebunden wird. Die Vielseitigkeit des modularen Systems, um nicht nur zwitterionische Ketten, sondern auch klickbare funktionelle Moleküle an fluoreszierende Nanodiamanten (fNDs) zu binden, zeigt das Potenzial des Systems am Nanodiamanten. Unter Verwendung von Defektstrukturen, wie Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV), können Diamantpartikel aufgrund ihres weitgehend ungiftigen Verhaltens als fluoreszierende Nanodiamanten (fNDs) für photostabile Markierung, Bioimaging und nanoskalige Sensorik in lebenden Zellen und Organismen verwendet werden. Um die fND-Oberfläche zu funktionalisieren, wurde eine neuartige Mahltechnik mit Diazoniumsalzen etabliert, um ein Pfropfen auf wenig reaktive HPHT-fNDs durchzuführen, was zu einer hohen Oberflächenbeladung und einem hohen negativen Zetapotenzial führt. Die Kombination der Vorteile von TEG und zwitterionhaltigen Gruppen mit der Fähigkeit zum Targeting von Antikörpern auf fND bestätigt zum ersten Mal die verbesserte kolloidale Stabilität in Experimenten mit lebenden Zellen. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse auf eine verbesserte Corona-Abstoßung im Vergleich zu fND ohne zwitterionhaltige Kopfgruppen hin. Infolgedessen wurden die Zirkulationszeiten von 4 (fND ohne Zwitterionenkette, aber mit Antikörper) auf 17 (mit Antikörper und Zwitterionenketten) Stunden vergrößert. In nicht-biomedizinischen Anwendungen kann das modulare System als Sonde für Schwermetalle durch die Anbindung von Farbstoffen verwendet werden. Die Detektion von Metallen in verschiedenen Umgebungen mit hoher Selektivität und Spezifität ist eine der Voraussetzungen für den Kampf gegen die Umweltverschmutzung mit diesen Elementen. Pyrene sind gut geeignet und weit bekannt für die Fluoreszenzsensorik in verschiedenen Medien. Das angewandte Sensorprinzip beruht typischerweise auf der Bildung von intra- und intermolekularen Excimeren, was jedoch den Empfindlichkeitsbereich aufgrund der Maskierung von z.B. Quenching-Effekten durch die Excimer-Emission einschränkt. Diese Studie zeigt einen hochselektiven, strukturstabilen chemischen Sensor, der auf der monomeren Fluoreszenz von Pyrenanteilen mit Triazolgruppen basiert. Dieser Sensor kann Cu2+, Pb2+ und Hg2+ in organischen Lösungsmitteln über einen weiten Konzentrationsbereich quantitativ nachweisen, auch in Gegenwart von ubiquitären Ionen wie Na+, K+, Ca2+ und Mg2+. Die stark emittierende Fluoreszenz des Sensors mit einer langen Lebensdauer von 165 ns wird durch eine 1:1-Komplexbildung bei Zugabe von Metallionen in Acetonitril gelöscht. Bei Zugabe eines zehnfachen Überschusses des Metallions zum Sensor bilden sich Agglomerate mit einem Durchmesser von etwa 3 nm. Aufgrund der komplexen Wechselwirkungen im System werden konventionelle lineare Korrelationen nicht für alle Konzentrationen beobachtet. Daher wird ein kritischer Vergleich zwischen der konventionellen Job-Plot-Interpretation, der Methode von Benesi-Hildebrand und einem nicht-linearen Fit vorgestellt. Das vorgestellte System ermöglicht die spezifische und robuste Erfassung von medizinisch und ökologisch relevanten Ionen im gesundheitsrelevanten nM-Bereich und könnte z. B. zur Überwachung der entsprechenden Ionen in Abfallströmen eingesetzt werden. Doch häufig landen diese Abfallströme in empfindlichen Aquakulturen, wo eine solche Sensortechnik nur funktioniert, wenn die Sonde wasserlöslich ist, um die Ausbreitung und Bildung von Umweltschäden durch Schwermetalle zu überwachen. Viele Chemosensoren arbeiten nur in bestimmten Lösungsmitteln und unter hochreinen Bedingungen quantitativ. In dieser Arbeit wird eine Methode zur Stabilisierung von wasserunlöslichen Chemosensoren auf Nanodiamanten in salzhaltigem Wasser unter Beibehaltung der Sensoreffektivität und -spezifität sowie der kolloidalen Stabilität vorgestellt. Zusätzlich wird die Sensorfähigkeit in organischen Lösungsmitteln beibehalten. Diese Studie gibt Einblick in die Absorptionsfähigkeit von Pyren-Derivaten an der Nanodiamant-Oberfläche und einen Weg, diese reversibel zu desorbieren. Außerdem beweist das System, dass in Anwesenheit von 95 % Sauerstoffatmosphäre bei der Fluoreszenzmessung die Ergebnisse nicht von denen in Argonatmosphäre abweichen. Darüber hinaus stört das Vorhandensein gängiger Ionen im Wasser die kolloidale Stabilität der NDs nicht und hat auch keinen Einfluss auf die Sensorfunktionalität und ist somit ein vielversprechender Kandidat für Messungen ohne aufwändige Präparationsschritte. / Nanodiamond (ND) is a versatile and promising material for bio-applications. Despite many efforts, agglomeration of nanodiamond and the non-specific adsorption of proteins on the ND surface when exposed to bio-fluids remains a major obstacle for biomedical applications. An assortment of branched and linear molecules with superior ability to colloidally stabilize nanoparticles in salt and cell media environment, for up to 30 days, was attached to the ND’s surface. The building box system with azide as external groups offers a huge variety of binding with many molecules, such as drugs, dyes or targeting molecules, is possible. Clicking, for instance, zwitterions moieties to the chain protects ND surface from protein corona forming when the particles get in contact with biofluids containing proteins. Thermogravimetric analysis results of the ND surface loading show a significant prevention of up to 98 % of the protein adsorption compared with NDs without zwitterionic headgroups and long colloidal stability when tetraethylene glycol (TEG) are attached to the surface. The versatility of the modular system to bind not only zwitterionic chains but also clickable functional molecules to fluorescent nanodiamonds (fNDs) demonstrates the potential of the system at the nanodiamond. Using defect structures, such as nitrogen-vacancy (NV) centers, diamond particles, due to their widely non-toxic behavior, can be used as fNDs for photostable labeling, bioimaging and nanoscale sensing in living cells and organisms. To functionalize the fND surface a novel milling technique with diazonium salts was established to perform grafting on poorly reactive HPHT fNDs yielding in high surface loading and high negative zeta potential. Combining the benefits of TEG and zwitterion containing groups with antibody enabled nucleus targeting ability on fND confirms the enhanced colloidal stability in living cells experiments for the first time. Furthermore, the results indicate an improved corona repulsion compared with fND without zwitterion containing headgroups. As a result, the circulation times were enlarged from 4 (fND without zwitterion chain but with antibody) to 17 (with antibody and zwitterion chains) hours. In non-biomedical applications, the modular system can be used as a probe for heavy metals by binding it to dyes. Detection of metals in different environments with high selectivity and specificity is one of the prerequisites of the fight against environmental pollution with these elements. Pyrenes are well suited and known for fluorescence sensing in different media. The applied sensing principle typically relies on the formation of intra- and intermolecular excimers, which is however limiting the sensitivity range due to masking of e.g. quenching effects by the excimer emission. This study shows a highly selective, structurally rigid chemical sensor based on the monomer fluorescence of pyrene moieties bearing triazole groups. This probe can quantitatively detect Cu2+, Pb2+ and Hg2+ in organic solvents over a broad concentration range, even in the presence of ubiquitous ions such as Na+, K+, Ca2+ and Mg2+. The strongly emissive sensor’s fluorescence with a long lifetime of 165 ns is quenched by a 1:1 complex formation upon addition of metal ions in acetonitrile. Upon addition of a tenfold excess of the metal ion to the sensor, agglomerates with a diameter of about 3 nm are formed. Due to complex interactions in the system, conventional linear correlations are not observed for all concentrations. Therefore, a critical comparison between the conventional Job plot interpretation, the method of Benesi-Hildebrand, and a non-linear fit is presented. The reported system enables the specific and robust sensing of medically and environmentally relevant ions in the health-relevant nM range and could be used e.g. for the monitoring of the respective ions in waste streams. Nonetheless, often these waste streams end up in sensitive aquacultures, where such sensor technology only works if the probe is water-soluble to monitor the spread and formation of environmental damage from heavy metals. Many chemosensors only work quantitatively in specific solvents and under highly pure conditions. In this thesis a method to stabilize water-insoluble chemosensors on nanodiamonds in saline water while maintaining the sensor efficacy and specificityas as well as colloidal stability is presented. Additionally, the sensor capability is retained in organic solvents. This study provides insight into the absorptivity of pyrene derivatives to the nanodiamond surface and a way to reversibly desorb them. Moreover, the system proves that in presence of 95 % oxygen atmosphere while the fluoresce measurement the results of the do not vary from the one in argon atmosphere. Furthermore, the presence of common ions in water do not disturb the colloidal stability of the NDs and also no influence the sensor functionality and thus is highly promising candidate for measurement without cumbersome preparation steps.

RNA molecules play diverse roles in biological systems. Post-transcriptional RNA modifications and dynamic structures enhance the functional diversity of RNA. A prerequisite for studying their biological significance is the availability of reliable methods for the detection of RNA modifications and structures. Several promising approaches have been developed in the last few decades; however, efficient, and versatile tools are still required to study the dynamic features of RNA. This thesis focuses on the development of nucleic acid catalysts as a tool to address the current needs in studying RNA. The major part of this thesis aimed at the development of deoxyribozymes as a tool for the detection of RNA modifications. Using in vitro selection from a random DNA library, we found deoxyribozymes that are sensitive to N 6 -isopentenyladenosine (i6A), a native tRNA modification and structural analogue of m6A. The in vitro evolution identified three classes of DNA enzymes: AA, AB08, and AC17 DNAzymes that showed distinct response to i6A modification and showed strong discrimination between structural analogues, i.e., m6A and i6A. In the continuation of the project, we attempted to develop RNA-cleaving deoxyribozymes that differentially respond to monomethylated cytidine isomers, 3-methylcytidine (m3C), N4 - methylcytidine (m4C), and 5-methylcytidine (m5C). Several deoxyribozymes were identified from in vitro selection, which are selective for a specific methylated cytidine isomer. The characterization of AL112, AM101, AN05, and AK104 catalysts confirmed the successful evolution of modification-specific and general deoxyribozymes that showed a broad substrate scope. In order to accelerate the DNAzymes discovery, a high throughput sequencing method (DZ-seq) was established that directly quantifies the RNA cleavage activity and cleavage site from deep sequencing data. The libraries contained information about cleavage status, cleavage site and sequence of deoxyribozymes and RNA substrate. The fraction cleaved (FC) data obtained from Dz-seq was validated for a subset of deoxyribozmes using conventional gel based kinetic assay and showed a good linear correlation (R2 = 0.91). Dz-seq possesses a great potential for the discovery of novel deoxyribozymes for the analysis of various RNA modifications in the future. The second objective of the current study was the development of structure-specific RNA labeling ribozymes. Here, we attempted to develop ribozymes that targets RNA of interest by structure-specific interaction rather than base-pairing and focused on a specific RNA G-quadruplex as the target. Two subsequent selection experiments led to the identification of the adenylyltransferase ribozymes AO10.2 and AR9. The partial characterization of these catalysts showed that A010.2 was unable to recognize intact BCL2 structure, but it turned out as the first reported trans-active ribozyme that efficiently labeled uridine in a defined substrate RNA hybridized to the ribozyme. The other ribozyme AR9 was shown to serve as a trans-active, self-labeling ribozyme that catalyzed adenylyl transferase reaction in the presence of the intact BCL2 sequence. Based on these preliminary findings, we envision that AR9 could potentially serve as a reporter RNA by self-labeling in the presence of an RNA G-quadruplex. However, both AO10.2 and AR9 still require more detailed characterization for their potential applications. / RNA hat zahlreiche Funktionen in verschiedensten biologischen Systemen. Sowohl posttranskriptionelle Modifikationen als auch die Dynamik der dreidimensionalen Struktur von RNA trägt zu deren funktionalen Diversität bei. Eine Voraussetzung, um die biologische Bedeutung von RNA genauer zu untersuchen, ist die Verfügbarkeit zuverlässiger Methoden zur Detektion von RNA-Modifikationen und -Strukturen. In den letzten Jahrzenten wurden hierfür zahlreiche vielversprechende Ansätze entwickelt und berichtet. Allerdings besteht weiterhin der Bedarf an effizienten und vielseitig einsetzbaren Hilfsmitteln, um die Dynamik von RNA weiter zu erforschen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung von Nucleinsäure basierten Katalysatoren, die in Zukunft als Werkzeug zur Untersuchung von RNA eingesetzt werden können. Der Großteil dieser Arbeit strebte die Entwicklung von Desoxyribozymen als Werkzeug für die Detektion von RNA-Modifikation an. Vor kurzem wurden m6A-sensitive DNA-Enzyme berichtet, die RNA schneiden können und damit Auskunft über deren Methylierungs-Status geben können. Diese sind auch in der Lage m6A in natürlichen RNAs wie lncRNAs und C/D box snoRNAs zu detektieren. Allerdings fehlen detaillierten strukturelle und mechanistische Erkenntnissen darüber, wie Desoxyribozyme solche Modifikationen detektieren. Deshalb ist es noch nicht möglich bereits vorhandene DNA-Enzyme umzuarbeiten, damit diese auch andere RNA-Modifikationen erkennen können. Aus diesem Grund fokussierten wir uns hier auf die Entwicklung neuer DNA-Enzyme für die Detektion von RNA-Modifikationen über m6A hinaus. Mit Hilfe von in vitro Selektion konnten wir ausgehend von einer randomisierten DNA-Bibliothek, Desoxyribozyme finden, die sensitiv gegenüber N6-Isopentenyladenosin (i6A) sind. Bei dieser Modifikation handelt es sich um ein strukturelles Analogon von m6A, die natürlicherweise in tRNA vorkommt. Als Ergebnis der in vitro Selektion konnten drei Klassen an DNA-Enzymen identifiziert werden: AA, AB08 und AC17 Desoxyribozyme. AA DNA-Enzyme spalteten unmodifizierte RNA und wurden durch i6A stark inhibiert. AB08 schnitten i6A-modifizierte RNA signifikant schneller als unmodifizierte RNA. Im Gegensatz hierzu zeigte AC17 ein einzigartiges Verhalten, indem es die Schneide-Position innerhalb der RNA um ein Nukleotid Richtung 5‘-Ende verschob, wenn eine i6A-Modifikation vorhanden war. Des weiteren konnten alle drei Klassen an DNA-Enzymen eindeutig zwischen m6A und i6A unterscheiden. Im weiteren Verlauf des Projektes strebten wir an RNA-schneidente Desoxyribozyme zu entwickeln, die die mono-methylierten Cytidin-Isomere 3-Methylcytidin (m3C), N4-Methylcytidin (m4C) und 5-Methylcytidine (m5C) voneinander unterscheiden können. Um vielseitigere DNA-Enzyme zu erhalten, benutzten wir RNA-Substrate, die ein randomisiertes Nukleotid in 5‘-Richtung neben dem methylierten Cytidin besaßen. Mehrere Desoxyribozyme konnten identifiziert werden, die selektiv und spezifisch für eines der methylierten Cytidin Isomere waren. Die Charakterisierung der DNA-Enzyme AL112, AM101, AN05 und AK104 bestätigte die erfolgreiche Evolution von einerseits modifikations-spezifischen sowie aber auch generellen DNA-Enzymen, die einen großen Substrat-Bereich abdecken. Zudem konnte gezeigt werden, dass AL112, AN05 und AK104 als programmierbare Werkzeuge zur Bestätigung von m3C- und m5C-Modifikationen in menschlicher mitochondrialen tRNA eingesetzt werden können. Um die Entdeckung von DNA-Enzymen weiter zu beschleunigen, wurde eine Hochdurchsatz-Sequenzierungsmethode (DZ-seq) entwickelt. Diese nutzt die Sequenzierungsdaten, um direkt die Schneideaktivität einzelner Desoxyribozyme zu quantifizieren sowie die genaue Stelle der RNA-Spaltung festzustellen. Illumina Sequenzierungsbibliotheken wurden ausgehend von aktiven DNA-Pools hergestellt, welche an bestimmte RNA-Substrate ligiert wurden. Nachdem die Schneide-Reaktion stattgefunden hatte, wurden sowohl die geschnittenen als auch die ungeschnittenen Fraktionen mit Hilfe von Poly(A)-Polymerase verlängert, woraufhin eine reverse Transkription mit Oligo-dT Primern folgte. Zu diesem Zeitpunkt beinhalteten die Bibliotheken bereits Informationen über den Schneide-Status, die exakte Schnittstelle innerhalb der RNA sowie über die Sequenzen des entsprechenden DNA-Enzyms und der Substrat-RNA. Die Daten, die durch Dz-Seq über die Schneideaktivität der einzelnen Desoxyribozyme erhalten wurden, wurde für einen Teil der Enzyme anhand konventioneller, gel-basierter kinetischer Assays validiert. Diese zeigten eine gute lineare Korrelation (R2 = 0.91). Interessanterweise zeigte Dz-Seq aber nur eine schwache Korrelation zwischen der Schneideaktivität und der Häufigkeit der Desoxyribozyme in der letzten Runde der in vitro Selektion. Zum Beispiel war AM301 nur zu einem geringen Anteil im DZ-seq Datensatz zu finden, war jedoch sehr aktiv. Dies ist nur ein Beispiel des großen Potentials von DZ-seq für die Entdeckung neuer DNA-Enzyme, die für die zukünftige Analyse zahlreicher RNA-Modifikationen angewendet werden könnten. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit der Entwicklung von Ribozymen, die spezifisch eine Ziel-RNA anhängig von deren Struktur markieren können. Die Inspiration hierfür stammt von den kürzlich berichteten Ribozymen FH14 und FJ1. Hierbei handelt es sich um Ribozyme, die über Watson-Crick-Basenpaarung ihre Ziel-RNA erkennen und diese dann sequenz-spezifisch markieren. Unser Ziel war es nun Ribozyme zu entwickeln, die ihre Ziel-RNA über Struktur-spezifische Wechselwirkungen anstelle von Basenpaarung erkennen. Hierbei fokussierten wir uns auf einen RNA G-Quadruplex als entscheidendes Strukturelement. Bei der in vitro Selektion wurde eine RNA Bibliothek verwendet, die kovalent an ein Fragment der 5‘-UTR der BCL2 RNA gebunden war. Von dieser RNA ist bekannt, dass sie einen G-Quadruplex formt. Zwei aufeinanderfolgende Selektionen führten zur Identifikation der Adenylyltransferasen AO10.2 und AR9. Die vorläufige Charakterisierung dieser beiden Ribozyme zeigte, dass AO10.2 die intakte BCL2-Struktur nicht erkennen kann. Stattdessen stellte sich heraus, dass dies das erste trans-aktive Ribozym ist, das effizient Uridin markieren kann, welches sich in einer definierten RNA-Struktur befindet, die mit dem Ribozym hybridisiert ist. Demnach hat es großes Potential als Werkzeug für die spezifische Markierung von RNA eingesetzt werden zu können. Beim zweiten Ribozym AR9 stellte sich heraus, dass es sich um ein trans-aktives, selbst-markierendes RNA-Enzym handelt, welches die gewünschte Reaktion nur bei Vorhandensein der intakten BCL2-Sequenz katalysiert. Basierend auf diesen vorläufigen Ergebnissen könnte AR9 als Reporter-RNA dienen, die sich RNA G-Quadruplexes selbst markiert. Allerdings benötigen sowohl AO10.2 als auch AR9 noch eine detailliertere Charakterisierung, bevor sie für potenzielle Anwendungen eingesetzt werden können.

Ziel dieser Arbeit war die Synthese geeigneter Modellsysteme für die Untersuchung gekrümmter Graphenfragmente. Dafür bot sich die Synthese von substituierten Pyracylenen an. Diese sollten in eine Aromatensphäre eingebunden sein, um so den Einfluss der Graphenumgebung zu simulieren. Ein geeignetes einfaches Untersuchungsobjekt stellt das Bisbenzo[d,j]pyracylen/ Dicyclopenta[fg,op]tetracen (10) dar. Auch die Einbettung in größere „Nanographene“ ist ein lohnendes Syntheseziel zur Untersuchung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen. Gegebenenfalls kann nach erfolgreicher Darstellung auch das Auftreten der Stone-Wales-Umlagerung untersucht werden. Das heißt, die Systeme sollen mit Hilfe der FVP auf ihr Vermögen zur Kohlenstoffgerüstumlagerung untersucht werden. Die folgende Abbildung zeigt die Zielmoleküle und mögliche Stone-Wales-Umlagerung. ... / The aim of this work was the synthesis of suitable model systems for the study of curved graphene fragments; more specifically the synthesis of substituted pyracylenes. These should be integrated into an aromatic network, to simulate the influence of the graphene environment. Bisbenzo[d,j]pyracylene/ dicyclopenta[fg,op]tetracene (10) is a suitable simple synthetic aim. Embedding this molecule into larger "nanographenes" is a rewarding synthetic target for the investigation of structure-property relationships. After successful preparation, the occurrence of the Stone-Wales rearrangement, if present, may be studied. This means the systems will be studied with the help of FVP on their ability to rearrange their carbon skeleton. The following figure shows the target molecules and possible Stone-Wales rearrangement. ...

Analog zu den auf hochgeordneten Farbstoffarchitekturen in den biologischen Photosyntheseapparaten basierenden Energiekonversionssystemen sollte die exakte Einstellung zwischenmolekularer Wechselwirkungen auch in künstlichen Halbleitern eine entscheidende Rolle für die Weiterentwicklung organischer Elektronikmaterialien spielen. Für eine derartige, präzise Steuerung der nanoskaligen Anordnung in organischen Materialien erscheinen Merocyaninfarbstoffe wegen ihrer hochgerichteten, dipolaren Aggregation äußerst aussichtsreich. In diesem Zusammenhang war das Ziel der vorliegenden Arbeit die Ausnutzung funktionaler, stark selbstorganisierender Merocyanine, um eine gezielte Beeinflussung der Morphologie in der aktiven Schicht von BHJ-Solarzellen zu erreichen. Hierzu sollte zunächst eine umfangreiche Serie komplexer Merocyanine synthetisiert und vollständig charakterisiert werden. Im Folgenden wurde angestrebt, die optischen und elektrochemischen Eigenschaften der molekular gelösten Farbstoffe zu bestimmen und für ausgewählte, geeignete Strukturen das Selbstorganisationsverhalten im Detail zu studieren. Zuletzt sollte durch eine sorgfältige Optimierung der Prozessierungsbedingungen ein Transfer der in Lösung gefundenen, supramolekularen Strukturen in den Blend lösungsprozessierter BHJ-Solarzellen erreicht werden. Die organischen Elektronikbauteile wurden dabei im Arbeitskreis von Prof. Dr. Klaus Meerholz (Universität Köln) gefertigt und charakterisiert. Zusammenfassend zeichnet die vorliegende Arbeit ein umfassendes Bild von der Synthese funktionaler Merocyanine, dem Studium ihrer molekularen und Selbstorganisationseigenschaften sowie ihrer Anwendung als p-Halbleitermaterialien in organischen Solarzellen. Der komplexe Molekülaufbau der dargestellten Farbstoffe führte dabei zur Ausbildung verschiedener Farbstofforganisate, deren Struktur sowohl in Lösung als auch teilweise im Festkörper aufgeklärt werden konnte. Die erfolgreiche Implementierung von H-aggregierten Spezies der Verbindung 67b in die aktive Schicht organischer BHJ-Solarzellen resultierte in der Bildung effizienter Perkolationspfade für Exzitonen und freie Ladungsträger, wodurch diese Bauteile merklich höhere Stromdichten generieren konnten und gegenüber Zellen ohne H-Spezies über 20 % gesteigerte Effizienz aufwiesen. Diese Befunde verifizieren die postulierte Hypothese, dass eine gezielte Einstellung der zwischenmolekularen Wechselwirkungen bei organischen Halbleitern zu einer Optimierung der Funktionalität organischer Elektronikmaterialien beitragen kann. / Similar to the highly ordered dye assemblies in biological photosynthetic energy conversion systems, the exact setting of noncovalent interactions in artificial semiconductor materials could also be of crucial importance for further advancements of organic electronic materials. For such a precise control of the nanoscale arrangement in organic materials, merocyanine dyes appear extremely promising due to their highly directional, dipolar aggregation. In this context, the objective of this work was the use of functional, intensely self-organizing merocyanine dyes to specifically influence the active layer morphology of BHJ solar cells. For this purpose, first of all a comprehensive series of complex merocyanine dyes should be synthesized and fully characterized. In the following, the optical and electrochemical properties of the molecularly dissolved dyes should be determined and the aggregation behavior of selected suitable structures should be in-depth analyzed. Finally, a transfer of the supramolecular structures formed in solution into the blend of solution-processed BHJ solar cells should be accomplished by careful optimization of the processing conditions. In the course of this, the organic solar cell devices were fabricated and characterized in the group of Prof. Dr. Klaus Meerholz (University of Cologne). In summary, the present thesis draws a comprehensive picture of the synthesis of functional merocyanine dyes, the detailed study of their molecular and self-organization properties as well as their application as p-type semiconductor materials in organic photovoltaics. The complex nature of the synthesized dyes led to the formation of various dye assemblies, whose structure could be elucidated in solution as well as partially in the solid state. The successful implementation of H-aggregated species in the active layer of organic BHJ solar cells resulted in the creation of efficient percolation paths for excitons and charge carriers, whereby such devices generated remarkably higher current densities and revealed more than 20 % higher efficiencies compared to cells without H-species. Based on this finding, the initially postulated hypothesis that an exact setting of intermolecular interactions in organic semiconductors can help to optimize the functionality of organic electronic materials, indeed could be verified.

Within this PhD thesis, chromophore-bridged biradicals were synthesised and their properties characterised. Therefore, it was necessary to develop novel synthetic procedures and implement several experimental characterisation methods. In summary, within this thesis the scope of pigment chromophore phenoxyl radical decoration was further explored and expanded to IIn as well as DPP colourants. HOMA analysis highlighted the importance of aromaticity in order to understand the spin crossover from heteroaromatic quinoidal to aromatic open shell DPPs. Finally, PBI, IIn and DPP biradicals were advanced towards stable materials by introduction of nitronyl nitroxide radical centres. / Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit wurden chromophor-verbrückte Biradikale hergestellt und ihre Eigenschaften charakterisiert. Hierzu bedurfte es der Entwicklung neuer synthetischer Methoden sowie der Ausarbeitung zahlreicher experimenteller Techniken zur Charakterisierung. Zusammenfassend konnte im Rahmen dieser Arbeit der Anwendungsbereich der Phenoxylradikal-Funktionalisierung von Pigmentchromophoren erforscht und auf Iin- sowie DPP-Farbstoffe erweitert werden. Mittels HOMA-Analyse wurde die Bedeutung der Aromatizität für den beobachteten Spinzustandswechsels von heteroaromatischen, quinoidalen zu aromatischen und offenschaligen DPPs theoretische gedeutet. Abschließend konnten PBI-, IIn- und DPP-Biradikale durch die Einführung von Nitronylnitroxid-Radikalzentren zu stabilen Materialien weiterentwickelt werden.

Thus, the main focus of this thesis was to generate and investigate new one-dimensional LC PBI J-aggregates of an entirely new PBI organization with the transition dipole moments of the chromophores arranged parallel to the columnar axis and in slipped pi-pi stacking fashion to form highly fluorescent J-aggregates. Towards this goal, the tetra-bay substituted PBI 4c bearing free NH functional groups at the imide positions and four dendrons with branched ethylhexyl alkoxy chains at the meta-position of the phenoxy spacer (Figure 8.1a) was synthesized and compared to a literature known reference PBI 1. The mesogenic dendrons ensure LC character of the dye, which was confirmed by POM, DSC and extensive X-ray analysis. Furthermore, the sterically demanding bay-substituents prevent the cofacial assembly of the chromophores and force the dyes into a slipped pi-stacked order with the main transition dipole moments of the dyes oriented parallel to the columnar axis. X-ray analysis revealed that PBI 4c assembles into columnar triple-stranded helices consisting of side-to-side stacked molecules, which organize into a Colh phase (Figure 8.1b). FT-IR experiments of a thin film and aggregates in MCH solution confirmed the formation of H-bonds between the imide moieties. Temperature-dependent investigations furthermore proved a reversible formation of H-bonds and polarized FT-IR experiments finally gave evidence for the direction of the H-bonds along the shearing respective the columnar axis (Figure 8.1c). This was additionally verified by polarized UV-Vis absorption studies of aligned thin films. The changes in the UV-Vis absorption spectra of concentration- and temperature-dependent experiments in MCH are in agreement with the formation of J-aggregates and could be fitted to a nucleation-elongation growth mechanism. Remarkably, fluorescence spectroscopy studies revealed highly emissive aggregates in solution. These various spectroscopic techniques proved the utilization of directional noncovalent forces like hydrogen-bonding and pi-pi interactions in a cooperative manner forcing the PBI molecules in an unprecedented organization of a slipped pi-stacked arrangement with the orientation of the molecular axis and the respective transition dipole moments parallel to the columns of the LC phase. By the group of Dietrich the formation of exciton-polaritons in imprinted LC pillar microcavities as consequent use of the LC 4c was reported for the first time.In the second part of this thesis the hierarchical organization of LC PBIs into defined single-, double-, triple- and quadruple-stranded J-aggregates within crystalline and columnar LC phases, partially arranged in helical supramolecular structures in dependence of the molecular design was demonstrated. This was achieved via the preparation of a library of twelve molecules PBI 3-6(a-c) (Figure 8.2a) that was synthesized by varying the substitution position of the dendrons at the phenoxy-spacer from ortho to meta or para and by introducing an additional methyl group in ortho-position. Also the length and shape of the alkoxy chains was changed. Consequently, the impact of the sterical demand of the bay substituents concerning their phase properties, molecular arrangement and exciton coupling was investigated. POM, DSC and X-ray studies revealed the formation of only crystalline phase for the ortho-substituted PBIs 3a-c, whereas the other derivatives generated SC or LC phases. The main focus was the series with the n-C12-alkoxy chains. For the corresponding PBIs 4-6b columnar LC phases were confirmed. Retrostructural analysis by modelling and simulations gave indications for a single stranded organization for PBI 3b, a double-stranded helix for PBI 6b, a triple-stranded helical arrangement for PBI 5b and a quadruple-stranded helix for PBI 4b (Figure 8.2b-d). For all four derivatives the same molecular orientation within the columns as for PBI 4c was proven by polarized FT-IR and UV-Vis absorption studies in aligned thin films. The organization in helices of different number of strands in the Cr and LC phases of PBI 3b, 4b, 5b and 6b offered a unique possibility to elucidate the influence of particular packing arrangements on dye aggregate interactions with light. In particular, it can be investigated how exciton coupling of the dyes’ transition dipole moments and fluorescence properties are affected. In this context, the spectroscopic properties were investigated in thin film, which revealed a strong bathochromic shift of the absorption maxima compared to the monomers in solution in dependence on the number of strands for PBIs 4-6b in contrast to PBI 3b (Figure 8.2e). The same tendency was observed for the respective aggregates in MCH solution. The spectral changes obtained during concentration- and temperature-dependent UV-Vis absorption studies verified the formation of J-aggregates in MCH solution and solid state. The respective aggregates are highly likely formed via a nucleation-elongation growth mechanism. Appliance of Kasha’s exciton theory on the supramolecular aggregates revealed different contributions of H- and J-type coupling for the oligo-stranded helices. Under these considerations, it delivered an explanation for the absorption and fluorescence properties of the assemblies and declares the “best” J-aggregate for the double stranded arrangement of PBI 6b with purely negative couplings among neighbour molecules and a quantum yield above 74 % of the aggregates in MCH solution. With this H-bonded PBI-based library approach of twelve derivatives it could be shown how molecular engineering of perylene bisimide dyes can be used to design defined, complex supramolecular assemblies with unprecedented packing patterns and concomitant intriguing spectroscopic properties. So far, the formation of defined liquid crystalline supramolecular structures of tetra-bay substituted PBIs by double H-bonding between free imide moieties and pi-pi interactions between the chromophores was demonstrated. The impact of the H-bonds on the molecular arrangement was investigated in the next part of this thesis. In this regard, PBIs 7 and 8 bearing a methyl or cyclohexyl group at the imide position (Figure 8.3a) were synthesized and compared to PBI 4c. The soft character of the solid state for PBIs 7 and 8 was confirmed by POM, DSC and X-ray analysis. The X-ray studies further revealed for both PBIs a change of the molecular assembly towards helical columnar structures of conventional pi-stacked chromophores (Figure 8.3b) when the directed H-bonds cannot contribute as noncovalent interactions to the assembly formation. Temperature-dependent UV-Vis absorption studies demonstrated the importance of H-bonding in MCH solution in the way that the formation of J-aggregates as for PBI 4c could not be observed for the imide substituted molecules. In the next step, the spectroscopic properties in thin film were investigated. For PBI 7 a J-type band and fluorescence spectra with an enlarged Stokes shift and increased fluorescence lifetime of 11.4 ns, compared to PBI 4c, was obtained, suggesting the generation of excimer type emission by considering the assumed conventional stacking of rotational displaced molecules from X-ray analysis. With polarized UV-Vis absorption experiments the orientation of the molecules perpendicular to the shearing direction and subsequently to the columnar axis was confirmed. These diverse investigations clearly demonstrated the imperative of H-bonds for stable, defined, LC J-aggregates with the transition dipole moments parallel to the columnar axis. With PBIs 7 and 8 it is impressively shown how small changes in the molecular structure influence the molecular arrangement dependent on the cooperation of non-covalent interactions like H-bonding and pi-pi stacking. In the last part of this thesis the generation of two-dimensional LC arrangements is presented. Since tetra-bay substituted PBIs lead always to twisted cores preventing lamellar arrangement, here 1,7-disubstitution and the simultaneous retention of the free imide positions was chosen to generate LC lamellar phases of PBIs 9a, 9b and 10 (Figure 8.4a). This molecular design was expected to form planar perylene cores that can strongly interact by pi-pi stacking and H-bonding. POM, DSC and X-ray investigations of the compounds suggest lamellar LC phases for PBIs 9a and 9b and a soft phase for PBI 10. In this regard, the goal of the formation of LC lamellar phase of PBIs could be attained. The change from dendrons with n-C12-alkoxy chains to large fork-like mesogens like in 9b clearly changed the phase properties. PBI 9b exhibits the lowest clearing point, high phase stability, least viscosity, easy shearability at room temperature and phase transitions between lamellar and Colh phases dependent on temperature. The formation of H-bonds parallel to the layers was demonstrated by polarized FT-IR experiments for all three PBIs. Concentration-dependent UV-Vis absorption studies revealed the formation of a J-type aggregate, which seems to exhibit an overall two-dimensional structure. With STM investigations the formation of lamellar structures from drop-casted 9a and 10 solutions in 1-phenyloctane on HOPG surface could be observed. Figure 8.4b illustrates a schematic possible arrangement of the molecules in the layers (here exemplarily demonstrated for PBI 9a), which has to be further confirmed by modelling and simulations. Unfortunately, fluorescence investigations of the thin films revealed non- or only slightly emissive LC states, which make them negligible for photonic applications. Nevertheless, the synthesized and analyzed compounds might be an inspiration for further investigations on the path to two-dimensional exciton transport for photonic devices. / Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit war daher darauf gerichtet, eindimensionale flüssigkristalline J-Aggregate zu erzeugen und zu untersuchen, die eine vollkommen neue Anordnung von Perylenbisimiden aufweisen und deren Übergangsdipolmomente parallel zur Säulenachse ausgerichtet sind. Um stark fluoreszierende J-Aggregate zu bilden, sollen die Moleküle zudem in einer zueinander verschobenen pi-pi-Stapelung angeordnet sein. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde zunächst das vierfach bucht-substituierte PBI 4c synthetisiert und mit dem literaturbekannten Referenzmolekül (PBI 1) verglichen. Das PBI 4c weist dabei freie NH-Gruppen in den Imidpositionen und vier verästelte Substituenten in der meta-Position der Phenoxygruppe auf (Abbildung 1a). Die Substituenten bestehen dabei aus jeweils drei verzweigten Ethylhexyl-Alkoxyketten. Diese mesogenen Substituenten stellen den flüssigkristallinen Charakter des Farbstoffmoleküls sicher, was durch POM, DSC und umfassende Röntgenstrukturuntersuchungen bestätigt werden konnte. Weiterhin verhindern die sterisch anspruchsvollen Buchtsubstituenten eine cofaciale Anordnung der Chromophore und zwingen die Farbstoffmoleküle in zueinander verschobene, pi-gestapelte Packungsstrukturen, in denen die Übergangsdipolmomente der Perylenbisimide parallel zur Säulenachse angeordnet sind. Die Analyse der Röntgenstrukturuntersuchungen zeigt die Bildung säulenartiger, drei-strängiger Helices, die sich aus vertikal gestapelten Molekülen zusammensetzen und sich letztendlich in einer hexagonalen flüssigkristallinen Phase anordnen (Abbildung 1b). FT-IR-Experimente dünner Schichten und der Aggregate in MCH-Lösungen bestätigen, dass zwischen den Imidgruppen in der flüssigkristalline Phase und der Aggregate in Lösung die gleiche Art von Wasserstoffbrückenbindungen existiert. Durch polarisierte FT-IR-Experimente und temperaturabhängige Untersuchungen konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Wasserstoffbrückenbindungen in diesen Systemen zum Einen entlang der Scherrichtung und der Säulenachse ausgerichtet sind und deren Bildung zum Anderen reversibel ist. Die Ausrichtung wurde zusätzlich durch polarisierte UV-Vis-Absorptionsuntersuchungen an gerichteten Dünnschichten bestätigt. Die spektralen Änderungen in konzentrations- und temperaturabhängigen UV-Vis-Absorptionsstudien in MCH stimmen mit der Bildung von J-Aggregaten überein. Die Daten konnten durch Ausgleichskurven einem kooperativen (Kernbildungs-Verlängerungs-) Mechanismus zugeordnet werden. Bemerkenswerterweise zeigten Fluoreszenzuntersuchungen, dass die Aggregate in Lösung sehr stark emittieren. Die verwendeten spektroskopischen Untersuchungsmethoden beweisen die strukturellen Einflussmöglichkeiten über gerichtete, nicht-kovalente Kräfte wie Wasserstoff-brückenbindungen und pi-pi-Wechselwirkungen in einem kooperativen Zusammenspiel zur gezielten Bildung einer bisher unbekannten Molekülanordnung in Flüssigkristallen. In dieser neuen Struktur sind die Moleküle zueinander verschoben pi-gestapelt und mit der Molekülachse und dem entsprechenden Übergangsdipolmomentes parallel zur Säulenachse ausgerichtet. Unter Verwendung von PBI 4c konnten unsere Kooperationspartner in der Technischen Physik der Universität Würzburg in der Folge erstmalig über die Bildung von Exziton-Polaritonen in aufgedruckten, flüssigkristallinen Säulenmikrokavitäten berichten.[175] Im zweiten Teil dieser Arbeit wird gezeigt, wie sich durch molekulares Design definierte ein-, zwei-, drei- und viersträngige J-Aggregate innerhalb kristalliner oder kolumnarer flüssigkristalliner Phasen bilden. Diese Aggregate bilden hierarchisch aufgebaute, supramolekulare Strukturen, die sich zu einem großen Teil in Helices organisieren. Hierfür wurden Verbindungen für eine Bibliothek, bestehend aus zwölf Molekülen PBI 3-6(a-c) (Abbildung 2a), synthetisiert, indem die Position der verästelten Substituenten an den Phenoxygruppen zwischen ortho, meta und para variiert wurde. Zusätzlich wurde noch eine Methylgruppe in ortho-Position eingeführt sowie sowohl die Länge als auch die Art der Alkoxyketten geändert. Anschließend wurde der Einfluss des sterischen Anspruchs der Buchtsubstituenten in Bezug auf die Eigenschaften der Phasen, der Molekülanordnung und der Exzitonenkopplung untersucht. POM, DSC and Röntgenstrukturanalysen bestätigten, dass die ortho-substituierten PBIs 3a-c nur kristalline Phasen ausbildeten, wohingegen die anderen Derivate sowohl weichkristalline als auch flüssigkristalline Phasen generierten. Der Fokus lag dabei auf der Untersuchung der Serie mit n-C12-Alkoxyketten und ergab die Bildung säulenartiger, flüssigkristalliner Phasen für alle drei PBIs 4-6b. Das Erstellen von Aggregatmodellen unter Verwendung der röntgenkristallografischen Daten und die Simulation von Röntgenbeugungsbildern mit Hilfe dieser Modelle ergaben eindeutig die Bildung einer einsträngigen Molekülanordnung für PBI 3b, eine Doppelstranghelix für PBI 6b, eine dreisträngige, helikale Anordnung für PBI 5b und einer viersträngigen Helix von PBI 4b (Abbildung 2b-d). Polarisierte FT-IR und UV-Vis Absorptionsexperimente bewiesen für alle vier Derivate die gleiche molekulare Orientierung in gerichteten dünnen Schichten wie bereits für PBI 4c. Die aus den Röntgenmessungen hergeleiteten Anordnungen in Helices bestehend aus einer unterschiedlichen Anzahl von Strängen in kristallinen und flüssigkristallinen Phasen von PBI 3-6b eröffneten eine einzigartige Möglichkeit, den Einfluss der molekularen Packung auf die Wechselwirkungen der Farbstoffaggregate mit Licht aufzuklären. Im Besonderen sollte dabei der Einfluss in Bezug auf die Exzitonenkopplung der Übergangsdipolmomente der Farbstoffmoleküle in UV-Vis-Absorptionsspektren und Fluoreszenzeigenschaften untersucht werden. In diesem Zusammenhang wurden die spektroskopischen Eigenschaften der Derivate in Dünnschichten untersucht. Mit Ausnahme von PBI 3b wurde eine stark bathochrome Verschiebung der Absorptionsmaxima in Abhängigkeit der Anzahl der Stränge im Vergleich zu den Absorptionsmaxima der entsprechenden Monomere in Lösung beobachtet (Abbildung 2e). Die gleiche Tendenz konnte auch für die entsprechenden Aggregate in Lösung beobachtet werden. Die festgestellten spektralen Änderungen in konzentrations- und temperatur-abhängigen Absorptionsstudien in MCH-Lösungen bestätigten die Bildung von J-Aggregaten sowohl in Lösung als auch in der Festphase. Die Anwendung von Kashas Exzitonentheorie auf die supramolekularen Aggregate zeigte, dass H- und J-Kopplungen in unterschiedlichen Teilen bei den mehrsträngigen Helices auftreten. Diese Ergebnisse lieferten auch eine Erklärung für die Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften der Aggregate und ergaben, dass die doppelsträngige Helix von PBI 6b mit einer Fluoreszenzquantenausbeute von über 74 % das „beste“ J-Aggregat aller getesteten Derivate bildet, da in diesem nur Anteile reiner J-Kopplungen („negativer“ Kopplungen) zwischen benachbarten Molekülen auftreten. Durch den Ansatz einer Bibliothek von zwölf über Wasserstoffbrücken verbundener PBIs konnte gezeigt werden, inwieweit der zielgerichtete strukturelle Aufbau von PBI-Farbstoffmolekülen genutzt werden kann, um definierte, hochkomplexe Strukturen mit einer bisher unbekannten molekularen Anordnung und gleichzeitig sehr interessanten spektroskopischen Eigenschaften zu erzeugen. Bis hier wurde gezeigt, wie definierte, flüssigkristalline, supramolekulare Strukturen von vierfach buchtsubstituierten PBIs durch das Zusammenwirken von Wasserstoffbrücken-bindungen zwischen den Imidpositionen und pi-pi-Wechselwirkungen zwischen den Chromophoren gebildet werden können. Der Einfluss der Wasserstoffbrückenbindungen sollte dabei im nächsten Teil näher untersucht werden. Diesbezüglich wurden PBI 7 und 8 synthetisiert, die entsprechend jeweils Methyl- oder Cyclohexylgruppen in den Imidpositionen tragen (Abbildung 3a). Anschließend wurden diese mit PBI 4c verglichen. POM, DSC und Röntgenstrukturuntersuchungen bestätigten die Bildung einer weichen Phase für PBI 7 und 8. Weiterhin ergaben die Röntgenbeugungsexperimente für beide PBIs eine Änderung der molekularen Anordnung zu helikalen, säulenartigen Aggregaten, in denen die Chromophore pi-gestapelt organisiert sind (Abbildung 3b), wenn die Wasserstoffbrückenbindungen nicht mehr als Wechselwirkungen zur Aggregatbildung beitragen können. Temperaturabhängige UV-Vis-Absorptionsstudien verdeutlichten die Relevanz der Wasserstoffbrückenbindungen in MCH-Lösungen für die Bildung von stabilen J-Aggregaten. Anders als für PBI 4c konnte die Ausbildung von J-Aggregaten in Lösung für die beiden anderen Derivate nicht beobachtet werden. Im nächsten Schritt wurden die spektroskopischen Eigenschaften in Dünnschichten untersucht. Für PBI 7 konnte eine J-artige Bande und ein Fluoreszenzspektrum mit einer besonders großen Stokesverschiebung und einer sehr langen Fluoreszenzlebensdauer im Vergleich zu den Daten von PBI 4c detektiert werden. Unter Beachtung der molekularen Anordnung von konventionell gestapelten, zueinander verdrehten Molekülen, die aus Röntgenstrukturanalysen hergeleitet wurde, deuten diese Ergebnisse auf die Erzeugung einer excimerartigen Emission hin. Die Anordnung der Moleküle senkrecht zur Scherrichtung und demzufolge auch senkrecht zur Säulenachse wurde mittels polarisierter UV-Vis-Absorptionsmessungen untermauert. Diese unterschiedlichen Untersuchungsmethoden deuten gemeinsam darauf hin, wie zwingend erforderlich Wasserstoffbrückenbindungen für die Bildung definierter, flüssigkristalliner J-Aggregate sind, in denen die Übergangsdipolmomente der Chromophore parallel zur Säulenachse ausgerichtet sind. Mit der Synthese von PBI 7 und 8 konnte eindrucksvoll gezeigt werden, wie bereits kleine Änderungen in der Molekülstruktur einen großen Einfluss auf die Aggregatstruktur haben können, wenn diese vom Zusammenwirken verschiedener nichtkovalenter Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen und pi-pi Wechselwirkungen abhängig ist. Der letzte Teil dieser Arbeit handelt von der Bildung zweidimensionaler flüssigkristalliner Anordnungen. Da vierfach buchtsubstituierte PBIs immer eine Verdrehung des Kernes hervorrufen und damit die Bildung lamellarer Strukturen verhindern, wurde hier der Ansatz der Reduzierung auf eine 1,7-Zweifachsubstitution unter gleichzeitiger Beibehaltung der freien Imidgruppen gewählt. Von diesem molekularen Design wurde erwartet, dass die planaren Perylenkerne über pi-pi-Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen stark miteinander wechselwirken und somit zweidimensionale Aggregate bilden können. POM, DSC und Röntgenstrukturanalysen bestätigen die Bildung lamellarer flüssigkristalliner Phasen von PBI 9a und 9b (Abbildung 4a) und einer weichen Phase von PBI 10. Der Austausch der Substituenten, die n-C12-Alkoxyketten tragen, durch gabelartige Mesogene, wie bei PBI 9b, bewirkt deutliche Änderungen der Phaseneigenschaften. PBI 9b weist den niedrigsten Klärpunkt, die höchste Phasenstabilität, die geringste Viskosität, leichte Scherbarkeit bei Raumtemperatur und interessante Phasenübergänge zwischen lamellaren und säulenartig hexagonalen Phasen in Abhängigkeit der Temperatur auf. Die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen parallel zu den Schichten konnte mit polarisierten FT-IR-Experimenten für alle drei Derivate gezeigt werden. Konzentrationsabhängige UV-Vis-Absorptionsuntersuchungen bestätigten die Ausbildung eines J-artigen Aggregates in MCH-Lösung, welches eine zweidimensionale Struktur aufzuweisen scheint. Mittels STM-Untersuchungen konnten lamellare Strukturen von PBI 9a und 10 Schichten in 1-Phenyloktan auf hochgeordnetem pyrolytischem Graphit beobachtet werden. Abbildung 4b veranschaulicht die Anordnung der Moleküle in den Schichten, in diesem Fall exemplarisch für PBI 9a gezeigt. Leider haben Fluoreszenzuntersuchungen gezeigt, dass die Dünnschichten keine oder eine nur sehr geringe Emission aufweisen und somit nicht für photonische Anwendungen geeignet sind. Nichtsdestotrotz könnten diese Verbindungen Inspirationen für weitere Untersuchungen sein und Ansatzpunkte liefern, das Ziel eines zweidimensionalen Exzitonentransportes für photonische Anwendungen zu erreichen.

Porous functional materials are promising candidates for applications in the areas of heterogeneous catalysis, sensing, gas storage and separation, or membranes. As one class of suchlike materials, organic cage compounds have attracted attention because of their unique properties compared to extended frameworks. The tribenzotriquinacene (TBTQ) scaffold possessing three orthogonal indane moieties provides a suitable building block for the efficient synthesis of organic cage compounds. In this thesis the synthesis of molecular cubes, tetrahedra and bipyramids by crosslinking the catechol units of TBTQ with various diboronic acids is reported. Structure and shape of the molecular objects are thereby determined by the geometry of the diboronic acids. Notably, both narcissistic and social self-sorting phenomena could be observed for ternary mixtures of building blocks. In addition host-guest complexation was observed for the trigonal bipyramid cage. Fullerenes C60 as well as C70 were almost quantitively encapsulated. Further investigations of this behaviour showed a preference for C60 in a competitive situation. / Poröse funktionelle Materialien sind vielversprechende Kandidaten für Anwendungen wie zum Beispiel in der heterogenen Katalyse, in Sensormaterialien, für die Gasspeicherung sowie –separation oder in Membranen. Eine besondere Klasse solcher Materialien stellen die organischen Käfigverbindungen dar, da sie im Vergleich zu netzwerkartigen Strukturen einzigartige Eigenschaften aufweisen. Das Gerüst des Tribenzotriquinacens (TBTQ) besitzt drei zueinander orthogonal stehende Indaneinheiten, sodass es sich optimal als Baustein für die effiziente Synthese organischer Käfigmoleküle eignet. In dieser Arbeit wird die Synthese molekularer Würfel, Tetraeder und Bipyramiden mittels Quervernetzung der Catecholeinheiten der TBTQ-Bausteine mit verschiedenen Diboronsäuren beschrieben. Die Struktur und die Form der molekularen Objekte sind dabei durch die Geometrie der entsprechenden Diboronsäuren vorgegeben. Bemerkenswert ist, dass in ternären Mischungen der Bausteine das Phänomen der Selbssortierung zu beobachten ist. Sowohl narzisstische als auch soziale Selbstsortierung konnte hierbei festgestellt werden. Darüber hinaus wurde für den bipyramidalen Käfig Wirt-Gast Komplexierung beobachtet. Die Fullerene C60 und C70 wurden nahezu quantitativ in das Molekül eingeschlossen. Weitere Untersuchungen zu diesem Verhalten zeigten in einer kompetitiven Mischung aus C60 und C70 eine Präferenz des Käfigmoleküls zu C60.

In this work the catalytic activity of nanodiamond particles with different dopants and surface terminations and of diamond nanomaterials funtionalized with ruthenium-based photocatalysts was investigated, illustrating materials application in photoredox chemistry and the photo(electro)catalytic reduction of CO2. Regarding the application of diamond nanomaterials in photocatalysis, methods to fabricate and characterize several (un)doped nanoparticles with different surface termination were successfully developed. Various photocatalysts, attached to nanodiamond particles via linker systems, were tested in photoredox catalysis and the photo(electro)catalytic reduction of CO2. / In dieser Arbeit wurde die katalytische Aktivität von Nanodiamant-Partikeln mit unterschiedlichen Dotierungen und Oberflächenterminierungen, sowie von Diamant-Nanomaterialien, die mit Photokatalysatoren auf Rutheniumbasis funktionalisiert wurden, untersucht. Die Verwendung der Materialien in Photoredox-Experimenten und in der photo(elektro)katalytischen Reduktion von CO2 konnte verdeutlicht werden. Für die Verwendung von Diamant-Nanomaterialien in der Photokatalyse wurden erfolgreich Methoden zur Herstellung und Charakterisierung zahlreicher (un)dotierter Nanopartikeln mit unterschiedlicher Oberflächenterminierung entwickelt. Verschiedenartige Photokatalysatoren, die mit Hilfe von Linker-Systemen an Nanodiamant-Partikel angebunden wurden, wurden in der Photoredox-Katalyse und der photoelektrokatalytischen Reduktion von CO2 untersucht.

In the course of this work, a total of three photocatalytically active dyads for proton reduction could be synthesized together with the associated individual components. Two of them, D1 and D2, comprised a [Ru(bpy)3]2+ photosensitizer and D3 an [Ir(ppy)2bpy]+ photosensitizer. A Ppyr3-substituted propyldithiolate [FeFe] complex was used as catalyst in all systems. The absorption spectroscopic and electrochemical investigations showed that an inner-dyadic electronic coupling is effectively prevented in the dyads due to conjugation blockers within the bridging units used. The photocatalytic investigations exhibited that all dyad containing two-component systems (2CS) showed a significantly worse performance than the corresponding bimolecular three-component systems (3CS). Transient absorption spectroscopy showed that the 2CS behave very similarly to the associated multicomponent systems during photocatalysis. The electron that was intended for the intramolecular transfer from the photosensitizer unit to the catalyst unit within the dyads remains at the photosensitizer for a relatively long time, analogous to the 3CS and despite the covalently bound catalyst. It is therefore assumed that this intramolecular electron transfer is likely to be hindered as a result of the weak electronic coupling caused by the bridge units used. Instead, the system bypasses this through an intermolecular transfer to other dyad molecules in the immediate vicinity. In addition, with the help of emission quenching experiments and electrochemical investigations, it could be clearly concluded that all investigated systems proceed via the reductive quenching mechanism during photocatalysis. / Im Rahmen dieser Arbeit konnten insgesamt drei photokatalytisch aktive Dyaden zur Protonenreduktion zusammen mit den zugehörigen Einzelkomponenten synthetisiert werden. Zwei von ihnen, D1 und D2, umfassten einen [Ru(bpy)3]2+-Photosensibilisator und D3 einen [Ir(ppy)2bpy]+-Photosensibilisator. Als Katalysator wurde in allen Systemen ein Ppyr3-substituierter Propyldithiolat-[FeFe]-Komplex verwendet. Die absorptionsspektroskopischen und elektrochemischen Untersuchungen zeigten, dass eine innerdyadische elektronische Kopplung aufgrund von Konjugationsblockern innerhalb der verwendeten Brückeneinheiten wirksam verhindert wird. Die photokatalytischen Untersuchungen zeigten, dass alle dyadenhaltigen Zweikomponentensysteme (2CS) eine signifikant schlechtere Leistung zeigten als die entsprechenden bimolekularen Dreikomponentensysteme (3CS). Mithilfe der transienten Absorptionsspektroskopie konnte gezeigt werden, dass sich die 2CS während der Photokatalyse sehr ähnlich wie die zugehörigen Mehrkomponentensysteme verhalten. Das Elektron, das für den intramolekularen Transfer von der Photosensibilisatoreinheit zur Katalysatoreinheit innerhalb der Dyaden vorgesehen war, verbleibt analog zu den 3CS und trotz des kovalent gebundenen Katalysators relativ lange am Photosensibilisator. Es wird daher angenommen, dass dieser intramolekulare Elektronentransfer wahrscheinlich aufgrund der schwachen elektronischen Kopplung, die durch die verwendeten Brückeneinheiten verursacht wird, behindert wird. Stattdessen umgeht das System dies durch einen intermolekularen Transfer zu anderen Dyadenmolekülen in unmittelbarer Nähe. Darüber hinaus konnte mithilfe von Emissionslöschungsexperimenten und elektrochemischen Untersuchungen eindeutig darauf geschlossen werden, dass alle untersuchten Systeme während der Photokatalyse über den reduktiven Löschmechanismus ablaufen.