Bedingt durch ihre strukturelle Diversität und biologischen Eigenschaften sind Naturstoffe seit jeher Quelle und Inspiration für Arzneimittel vor allem im therapeutischen Bereich der Onkologie und der Infektionskrankheiten. Ihr einzigartiges pharmakologisches Potenzial wird durch die selektive Interaktion mit einer Vielzahl von Zielmolekülen hervorgerufen. Aufgrund der zentralen Bedeutung von Naturstoffen in der Entdeckung und Entwicklung von neuen Arzneimitteln sind nach wie vor die Isolierung und Strukturaufklärung, die totalsynthetische Darstellung und Derivatisierung sowie die Identifizierung der Zielmoleküle und die Aufklärung des Wirkmechanismus dieser natürlichen Wirkstoffe unabdingbar. Die kleine, aber spannende Klasse der Naphthylisochinolin-Alkaloide, die ausschließlich aus den beiden Pflanzenfamilien der Dioncophyllaceae und der Ancistrocladaceae gewonnen werden, zeichnet sich mit ihren mehr als 200 Vertretern nicht nur durch ihre strukturelle Vielfalt aus, sondern zeigt vor allem pharmakologisch interessante Wirksamkeiten. Neben ausgeprägten In-vitro-Aktivitäten gegen protozoische Erreger wie Leishmanien, Plasmodien und Trypanosomen besitzen die Vertreter dieser einzigartigen Naturstoffklasse nach neuesten Untersuchungen auch vielversprechende antitumorale Aktivitäten. Für deren Weiterentwicklung zu möglichen Arzneistoffen ist es daher unabdingbar, ihr pharmakologisches Potenzial tiefergehend zu untersuchen. Ziel der vorliegenden Dissertation war die Entwicklung totalsynthetischer Zugänge zu biologisch interessanten Naphthylisochinolin-Alkaloiden mit Hilfe unterschiedlicher Synthesestrategien. Ebenfalls sollten durch die Darstellung strukturell vereinfachter Derivate sowie markierter Naturstoffe in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern mögliche Zielmoleküle identifiziert und Beiträge zum Wirkmechanismus untersucht werden. / Due to their structurally diversity and biological properties, natural products have been, for a long time, a source and inspiration for drugs, especially in the therapeutic areas of oncology and infectious diseases. Their unique pharmacological potential is a result of their selective interaction with a variety of target molecules. Owing to the central role of natural products in the discovery and development of new drugs, the isolation, structural elucidation, the total synthesis and derivatization, the identification of target molecules, and investigations on the mode of action of these natural compounds are still essential. The small, yet fascinating class of naphthylisoquinoline alkaloids, which are exclusively obtained from the two plant families of Dioncophyllaceae and Ancistrocladaceae, does not only stand out due to their structural diversity with more than 200 representatives, but also shows pharmacologically interesting activities. In addition to pronounced in vitro activities against protozoan pathogens such as leishmania, plasmodia and trypanosoma, the representatives of this unique class of natural products also show promising antitumoral activities. For their further development as possible drugs, their pharmacological potential has to be investigated in more detail. The aim of the present thesis was the development of total synthetic approaches to biologically interesting naphthylisoquinoline alkaloids by means of different strategies. The synthesis of structurally simplified derivatives and of labeled natural products together with cooperation partners was also intended to identify potential targets and contribute to the mode of action.

Nanodiamant bietet in der Medizin und in der Biologie zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten aufgrund der guten Biokompatibilität und geringen Toxizität. Durch die umfangreichen Funktionalisierungsmöglichkeiten der Oberfläche der nanometergroßen Partikel können viele unterschiedliche Wirkstoffe, Rezeptormoleküle oder Peptidsequenzen angebunden werden ,die zusammen mit Nanodiamant ein anderes, durchaus besseres Wirkprofil aufweisen als der Wirkstoff allein. Ziel dieser Arbeit war die Synthese eines pH-labilen Linkersystems, dass hydroxylhaltige Wirkstoffe kovalent bindet und zusammen mit Nanodiamant in die Zelle, in der ein saurer pH-Wert herrscht, eingeschleust werden. Über die Änderung des pH-Wertes in der Zelle soll der Wirkstoff freigesetzt werden und seine Wirkung entfalten können. Weiterhin wurde ein pH-labiles Linkersystem auf der Basis eines Hydrazons hergestellt. Über das synthetisierte Hydrazinderivat können Wirkstoffe, die über eine Aldehyd- oder Ketonfunktion verfügen angebunden werden und pH-labil in der Zelle freigesetzt werden. Zusätzlich trägt der Nanodiamant ein kovalent angebundenes Targeting-Molekül, welches eine verbesserte Adressierung der Wirkorte gewähr¬leisten soll. Die Freisetzung wurde mittels UV-Vis-Spektroskopie detektiert und ausgewertet. Neben der spezifischen Funktionalisierung von Nanodiamant besitzt auch die Interaktion der Nanodiamantpartikel mit biologischen Medien eine besondere Bedeutung für zukünftige biomedizinische Anwendungen. Wenn die Partikeloberfläche durch Proteinadsorption gegenüber dem Wirkort abgeschirmt wird, so kann der angebundene Wirkstoff gegebenenfalls nicht freigesetzt werden und somit nicht seine Wirkung entfalten und bleibt letztlich ungenutzt. So war es von besonderem Interesse die Wechselwirkungen von Nanodiamant in Humanserum und auch weiteren physiologischen Medien zu untersuchen. Dabei wurden sowohl freie Nanodiamantpartikel als auch solche, die auf klinisch bereits eingesetzten Gerüstmaterialien im Bereich der Therapie großer Knochendefekte adsorbiert waren, untersucht. Auch wurden die Wechselwirkungen von Nanodiamant mit der physiologischen Umgebung untersucht, die zur Agglomeration der Nanopartikel führen können. Es wurde ein unter¬schiedliches Agglomerationsverhalten der Nanodiamanten in wässriger Umgebung verglichen mit Nanodiamanten in physiologischen Medien sowie deren Stabilität im Serum beobachtet. Durch die in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen konnten wichtige Erkenntnisse zur Wechselwirkung verschieden präparierter und funktionalisierter Nanodiamanten mit physiologisch relevanten Umgebungen sowie zu stimuli-responsiven Wirkstofffreisetzung aus Nanodiamant-Konjugaten gewonnen werden. Zudem wurde mit der Untersuchung der angelagerten Proteine um Nanodiamant ein erster Schritt in Richtung eines umfassenden Verständnisses der Wechselwirkung dieses Materials mit biologischen Umgebungen unternommen. Auch wenn diese Wechselwirkungen sehr komplex sind, so sind erste Aussagen bezüglich der Art der angelagerten Proteine möglich. Erste Versuche der Stabilisierung von Nanodiamant in physiologischen Medien wurden ebenfalls erfolgreich durchgeführt und zeigen eine effiziente und einfache Möglichkeit, Nanodiamant in biologischen Medien vor der Agglomeration zu bewahren. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse bezüglich mehrfacher Funktionalisierungsmöglichkeiten von Nanodiamant sowie dessen Stabilisierung in physiologischen Medien zeigen die breite Anwendungsmöglichkeit und das enorme Potential von Nanodiamant im Bereich medizinischer und biologischer Anwendungen auf. / Nanodiamond offers various possible applications in medicine and biology because of its good biocompatibility and low toxicity. Due to the extensive opportunities functionalizing the surface of the nanosized particles it is possible to bind a lot of different active pharmaceutical ingredients (API), receptor molecules or peptide sequences. This functionalization can result in an improved efficacy compared to the profile of the drug alone. The aim of this thesis was the synthesis of a pH-labile linkersystem which covalently binds hydroxyl group-containing APIs and transfer them together with nanodiamond into the cells, where an acidic environment is predominant. Because of the change of the pH-value the drug gets released and can take its effect. Furthermore, a pH-labile linkersystem based on the formation of a hydrazon bond was synthesized. APIs containing an aldehyde or a ketone can be linked to the synthesized hydrazine derivative 70 and be released in cells due to the acid-labile bond. Additionally, the nanodiamond has a covalently bound targeting molecule to assure an improved uptake into the cell. The release of Doxorubicin was detected and evaluated via UV-Vis-spectroscopy. Besides the specific functionalization, the interaction of nanodiamond particles with biological media is gaining more and more importance regarding future biomedical applications. If the particle surface is shielded with proteins it is possible that the linked drug cannot be released, remains unused and cannot develop its desired effect. Because of this reason it was of main interest to examine the interactions of nanodiamond in human serum and further physiological media. Nanodiamond without further functionalization were analysed as well as nanodiamonds which are adsorbed on materials that are already in clinical usage in the field of greater bone defects. The interactions of nanodiamond with a physiological environment which can lead to the agglomeration of the particles was also examined. A different agglomeration bahaviour of nanodiamond in aqueous media was compared to nanodiamond in physiological media as well as their stability in serum. Due to the presented studies in this thesis important insights into the interactions of functionalized and different prepared nanodiamonds with physiological relevant environments as well as with stimuli-responsive drug release from nanodiamond conjugates were obtained. Furthermore, the examinations of the attached proteins around nanodiamond is the first step getting towards a better comprehensive understanding of the interactions of this material with its biological environment. Even if these interactions are very complex, first statements according to the type of attached proteins are possible. First trials of stabilizing nanodiamond in physiological media have been carried out successfully and demonstrate an easy and effective way to hinder agglomeration of nanodiamond in biological media. Finally, the insights gained in this thesis regarding the multiple possibilities of nanodiamond as well as their stabilization in physiological media offers a broad range of applications and the tremendous potential of nanodiamond in the field of medical and biological research.

In recent years the transmission of the Human African Trypanosomiasis could be significantly reduced. The reported cases in 2016 reached a historic low level of 2184 cases and these achievements can be ascribed to intense control and surveillance programmes.118 However, most of the reported cases (>1000 in 2015) occurred in the Democratic Republic of the Congo and thus, need to be treated adequately. In particular, when the parasites have traversed the blood-brain barrier (BBB), treatment proved to be even more difficult. In addition, the number of cases always came in waves due to many reasons, e.g., development of resistances. Thus, it can be expected from experiences of the past that the number of cases will increase again. Hence, novel chemical entities are desperately needed in order to overcome the drawbacks which are associated with the current treatment options. Our drug discovery approach included an initial drug repurposing strategy combined with a phenotypic screening. S. Niedermeier found novel active compounds derived from commercial fluoroquinolones. The most promising hit compound was further developed by G. Hiltensperger resulting in the lead quinolone amide GHQ168 (IC50 = 0.047 µM). This doctoral thesis is about new insights into the SAR of the quinolone amides and the enhancement of the lead compound. Special consideration was given to the fluorine atom in the quinolone amides and how certain fluorine substitution patterns influence the antitrypanosomal activity, physicochemical properties and pharmacokinetics (i.e. ‘fluorine walk’). Moreover, the ability of the compound class crossing the BBB should be investigated. This feature is inevitable necessary in order to potentially treat African sleeping sickness stage II. The Gould-Jacobs protocol was predominantly used for the synthesis of the quinolone core. Since former SAR studies mainly concentrated on the variation in positions 1, 3 and 7, quinolone scaffolds (2a-i) with diverse substitution patterns regarding positions 5, 6, 7 and 8 were synthesised in this thesis. The resulting quinolone amides were evaluated for their antitrypanosomal activity. Voluminous residues in position C-5 resulted in diminished activities (compounds 13, 16 and 18) and solely small-sized moieties were tolerated. In particular the fluorine atom in position 5 revealed beneficial trypanocidal effects as shown for compounds 6 (IC50 = 0.05 µM), 8 (IC50 = 0.04 µM), and 24 (IC50 = 0.02 µM). Furthermore, having fluorine only in position 5 of the quinolone core could considerably reduce the cytotoxic effects (CC50 >100 µM, SI = >2000 for 6). Hence, the 5-fluoro-substituted quinolone amides were considered superior to GHQ168. Regarding the C-6 position all other moieties (e.g., H in 9, OCH3 in 10, CF3 in 12) except of a fluorine atom decreased the activity against Trypanosoma brucei brucei. A double fluorination in C-6 and C-8 was not beneficial (IC50 = 0.06 µM for 7) and a single fluorine atom in C-8 even showed a negative effect (IC50 = 0.79 µM for 5). The logP value is considered a surrogate parameter for lipophlicity and thus, affecting permeability and solubility processes. In particular the fluorine atom influences the lipophilicity due to versatile effects: Lipophilicity is increased by additional fluorine atoms on aromatic rings (7, 23) and reduced by fluorine atoms at an alkyl chain (49), respectively. Additionally, the 5-fluoro-substituted quinolone amides (6, 8, and 24) could prove the contrary effect of decreasing lipophilicity when the aromatic fluorine substituent is in vicinity to a carbonyl group. For the most promising drug candidates 6, 23, and 24 the respective metabolites and the metabolic turnover were investigated by C. Erk. In comparison to GHQ168 the hydroxylation of the benzylamide was prevented by the para-fluorine atom. Hence, half-life was extended for compound 23 (t1/2 = 6.4 h) and N-desalkylation was the predominant pathway. Moreover, the respective fluorine substitution pattern of the quinolone core affected the metabolism of compound 6. The 5-fluoro-substituted quinolone amide was less prone for biotransformation (t1/2 = 7.2 h) and half-life could even be further prolonged for compound 24 (t1/2 = 7.7 h). Due to the most appropriate safety profile of compound 6, this particular drug candidate was considered for in vivo study. Its poor solubility made a direct intraperitoneal administration unfeasible. Thus, an amorphous solid dispersion of 6 was generated using the spray-drying method according to the previous protocol. Unfortunately, the required solubility for the predicted in vivo study was not achieved. Furthermore, the compound class of the quinolone amide was evaluated for its ability for brain penetration. The methanesulfonyl precursor 48 was synthesised and subsequently radiofluorinated in the group of Prof. Dr. Samnick (Department of Nuclear Medicine, University Hospital of Würzburg). The labelled compound [18F]49 was administered to mice, and its distribution throughout the body was analysed using positron emission tomography and autoradiography, respectively. The autoradiography of the murine brains revealed medium to high concentrations of [18F]49. Therefore, the quinolone amides are generally suitable for treating Human African Trypanosomiasis stage II. A scaffold hopping approach was performed starting from the quinolone amides and concluding with the compound class of pyrazoloquinolin-3-ones. The intramolecular hydrogen bond between the sec. amide and the C-4 carbonyl moiety was replaced by a covalent bond. The two compound classes were comparable regarding the antitrypanosomal activity to some degree (IC50 = 7.9 µM (EK02) vs. 6.37 µM (53a)). However, a final evaluation of 59 was not possible due to poor solubility. / Die Verbreitung der Afrikanischen Schlafkrankheit konnte in den vergangenen Jahren deutlich verringert werden. Die dokumentierten Fallzahlen aus 2016 erreichten ein historisch niedriges Niveau, was auf eine engmaschige Kontrolle und Überwachung zurückzuführen ist. Dennoch gibt es nach wie vor zahlreiche Krankheitsfälle (>1000 Fälle im Jahr 2015 für die Demokratische Republik Kongo), die entsprechend behandelt werden müssen. Die Therapie wird insbesondere dann erschwert, wenn die Parasiten die Blut-Hirn-Schranke überwunden haben. Außerdem treten die Krankheitsfälle aus mehreren Gründen, wie beispielsweise durch Resistenzentwicklung immer wieder schubweise auf. Die Erfahrungen aus der Vergangenheit zeigen, dass die Fallzahlen jederzeit wieder ansteigen können. Deshalb sind neue Arzneistoffe dringend notwendig, um die Nachteile der aktuellen Behandlungmöglichkeiten umgehen zu können. Unsere Suche nach neuen Wirkstoffen beinhaltete eine anfängliche Umwidmung eines zugelassenen Arzneistoffes in Verbindung mit einem Phänotyp-basierten Screening. S. Niedermeier entdeckte neue aktive Verbindungen, die sich von handelsüblichen Fluorchinolonen ableiteteten. Die vielversprechenste Substanz wurde von G. Hiltensperger zum Chinolonamid GHQ168 (IC50 = 0.047 µM) weiter optimiert. Diese Arbeit befasst sich mit neuen Erkenntnissen zur Struktur-Wirkungs Beziehung der Chinolonamiden und mit der Verbesserung der Leitsubstanz. Besondere Berücksichtigung fanden dabei die Fluor-Substitutionen an den Chinolonamiden. Es sollte untersucht werden, inwiefern gewisse Fluorsubstitutionsmuster die antitrypanosomale Wirkung, physiko-chemische Eigenschaften und Pharmakokinetik beeinflussen („Fluor Walk“). Außerdem sollte ermittelt werden, ob diese Substanzklasse die Blut-Hirn-Schranke überwinden kann. Dieses Merkmal muss unabdingbar vorhanden sein, um die Afrikanische Schlafkrankheit in Stufe II potentiell behandeln zu können. Das Gould-Jacobs-Verfahren wurde hauptsächlich für die Synthese des Chinolongrundgerüstes angewandt. Da sich die vorausgegangene Analyse der Struktur-Wirkungs Beziehungen vornehmlich auf das Variieren der Substitutenten in den Positionen 1, 3 und 7 konzentrierte, wurden in dieser Arbeit Chinolone (2a-i) mit diversen Substitutionsmustern in den Positionen 5, 6, 7 und 8 synthetisiert. Die erhaltenen Chinolonamide wurden auf ihre antitrypanosomale Aktivität untersucht. Voluminöse Reste in der Position C-5 verursachten verringerte Aktivitäten (Verbindungen 13, 16 and 18), d.h. nur kleine Reste waren hinnehmbar. Vor allem ein Fluor-Atom in Position 5 wirkte sich günstig auf die antitrypanosomale Wirkung aus, was mit Verbindungen 6 (IC50 = 0.05 µM), 8 (IC50 = 0.04 µM), und 24 (IC50 = 0.02 µM) gezeigt werden konnte. Des Weiteren reduzierte sich die zytotoxische Wirkung (CC50 >100 µM, SI = >2000 für 6), wenn sich das Fluor-Atom nur in Position 5 des Chinolongrundgerüsts befindet. Deshalb wurden die Chinolonamide mit Fluor in Position 5 gegenüber GHQ168 als überlegen erachtet. In Bezug auf Position 6 zeigen die Reste (z. B. H in 9, OCH3 in 10, CF3 in 12), mit Ausnahme des Fluor-Atoms, eine verringerte Aktivität gegenüber Trypanosoma brucei brucei. Eine zweifache Fluorsubstitution in C-6 und C-8 war nicht vorteilhaft (IC50 = 0.06 µM für 7) und ein einfaches Fluor-Atom in C-8 zeigte einen negativen Effekt (IC50 = 0.79 µM für 5). Der logP Wert wird als Surrogatparameter der Lipophilie betrachtet und wirkt sich somit auf Permeabilität- und Löslichkeitsprozesse aus. Insbesondere das Fluor-Atom beeinflusst die Lipophilie durch vielfältige Effekte: die Lipophilie wird durch zusätzliche Fluor-Atome am Aromaten erhöht (7, 23), beziehungsweise durch Fluor-Atome an einer Alkylkette verringert (49). Zusätzlich konnte für die 5-fluoro-substituierten Chinolonamide (6, 8, 24) der paradoxe Effekt gezeigt werden, dass die Lipophilie verringert wird, sobald ein aromatischer Fluorsubstituent in unmittelbarer Nähe zu einer Carbonylgruppe steht. Für die vielversprechensten Wirkstoffkandidaten 6, 23 und 24 wurden die jeweiligen Metabolite und der metabolische Umsatz von C. Erk untersucht. Im Vergleich zu GHQ168 wurde einer Hydroxylierung des Benzylamid-Restes durch eine para-Fluor-Substitution vorgebeugt. Dadurch wurde die Halbwertszeit der Verbindung 23 verlängert (t1/2 = 6.4 h) und eine N-Desalkylierung war der vorrangige Abbauweg. Außerdem wirkte sich das entsprechende Fluorsubstitutionsmuster auf den Metabolismus von Substanz 6 aus. Das 5-fluoro-substitutierte Chinolonamid war weniger anfällig für Biotransformationen (t1/2 = 7.2 h) und die Halbwertszeit konnte für die Substanz 24 sogar noch weiter verlängert werden (t1/2 = 7.7 h). Aufgrund des geeigneten Sicherheitsprofils der Verbindung 6, wurde für diesen Wirkstoffkandidaten eine In-vivo-Studie in Betracht gezogen. Die schlechte Wasserlöslichkeit machte jedoch eine direkte intraperitoneale Gabe unpraktikabel. Deshalb wurde durch Sprühtrocknung der Verbindung 6, gemäß der früheren Vorgehensweise, eine „amorphous solid dispersion“ erzeugt. Die benötigte Löslichkeit für die vorausberechnete In-vivo-Studie wurde dabei leider nicht erreicht. Darüber hinaus wurde die Substanzklasse der Chinolonamide hinsichtlich ihrer Fähigkeit, ins Gehirn zu gelangen, untersucht. Dazu wurde die Methansulfonyl-Vorstufe 48 in der Gruppe von Prof. Dr. Samnick (Institut für Nuklearmedizin, Universitätsklink Würzburg) synthetisiert und mit [18F]Fluor markiert. Die markierte Verbindung [18F]49 wurde anschließend in Mäuse injiziert und dessen Verteilung im Körper mittels Positronen-Emissions-Tomographie, beziehungsweise mittels Autoradiographie analysiert. Die Autoradiographie der Mäusegehirne zeigte mittlere bis hohe Konzentrationen von [18F]49. Demnach sind die Chinolonamide generell dafür geeignet, die Afrikanische Schlafkrankheit in Stufe II zu behandeln. Ein “Scaffold Hopping”-Ansatz wurde für die Chinolonamide angestrebt und ergab schließlich die Substanzklasse der Pyrazolochinolin-3-one. Die intramolekulare Wasserstoffbrückenbindung zwischen dem sek. Amid und der Carbonylgruppe in C-4 wurde durch eine kovalente Bindung ersetzt. Die beiden Substanzklassen waren im Ansatz, bezogen auf ihre antitrypanosomale Wirkung, miteinander vergleichbar (IC50 = 7.9 µM (EK02) vs. 6.37 µM (53a)). Dennoch konnte eine abschließende Bewertung aufgrund mangelnder Löslichkeit nicht stattfinden.

The aim of this work was the selective functionalisation of tribenzotriquinacene (TBTQ) in order to extend the aromatic system and tune the electronic properties. The synthesised molecules could be starting materials for a model system of a defective graphene fragment. The “triple cyclisation pathway” by Hopf et al. was adapted and fluorinated tribenzotriquinacenes were synthesised for the first time. Phenanthrene groups were also introduced in other model systems and the crystal structures of phenanthrene functionalised TBTQs were compared with the parent molecules. In addition, the arrangement of TBTQ and centro methyl functionalised TBTQ was investigated on a Ag(111) surface for the first time using scanning transmission microscopy (STM). Different arrangements were observed, depending on the coverage of the surface. The insights gained about the interaction between TBTQs as well as their synthesis provide a foundation for further work and potential applications as components in organic electronic devices. / Das Ziel diese Arbeit war die gezielte Funktionalisierung von Tribenzotriquinacen (TBTQ), um dessen aromatisches System zu erweitern und die elekronischen Eigenschaften zu verändern. Diese Zielmoleküle könnten sich als Ausgangsmoleküle für ein Modellsystem für ein gewölbtes Graphenfragment eignen. Die „dreifache Cyclisierungsroute“ von Hopf et al. wurde hierfür adaptiert und es wurden erstmals fluorierte Tribenzotriquinacene synthetisiert. In anderen Modellsystemen wurden Phenanthren-Einheiten eingeführt und die Kristallstrukturen mit dem TBTQ-Stammsystem verglichen. Zusätzlich wurde die Anordnung von TBTQ und centro-methyliertem TBTQ zum ersten Mal auf eine Ag(111)-Oberfläche mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass neben der zentralen Methylgruppe auch der Grad der Oberflächenabdeckung unterschiedliche Anordnung der Moleküle auf der Oberfläche zur Folge hatte. Die aus dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen TBTQs sowie deren Synthese dienen als Grundlage für weitere Arbeiten und potenzielle organische Bausteine für elektronische Anwendungen.

The research presented in this thesis illustrates that self-assembly of organic molecules guided by intermolecular forces is a versatile bottom-up approach towards functional materials. Through the specific design of the monomers, supramolecular architectures with distinct spatial arrangement of the individual building blocks can be realized. Particularly intriguing materials can be achieved when applying the supramolecular approach to molecules forming liquid-crystalline phases as these arrange in ordered, yet mobile structures. Therefore, they exhibit anisotropic properties on a macroscopic level. It is pivotal to precisely control the interchromophoric arrangement as functions originate in the complex structures that are formed upon self-assembly. Consequently, the aim of this thesis was the synthesis and characterization of liquid-crystalline phases with defined supramolecular arrangements as well as the investigation of the structure-property relationship. For this purpose, perylene bisimide and diketopyrrolopyrrole chromophores were used as they constitute ideal building blocks towards functional supramolecular materials due to their thermal stability, lightfastness, as well as excellent optical and electronic features desirable for the application in, e.g., organic electronics. / Mithilfe von Gestaltungsprinzipien der supramolekularen Chemie können komplexe Strukturen realisiert werden, die mit Ansätzen der kovalenten Chemie nicht erreichbar sind. Ein zentraler Aspekt ist hierbei der systematische Aufbau der Monomereinheiten, welche unter geeigneten Bedingungen über intermolekulare Wechselwirkungen selbstassemblieren und Architekturen mit spezifischer räumlicher Anordnung der einzelnen Bauelemente formen. Flüssigkristalline Materialien zeigen zusätzlich zu positioneller und Orientierungsfernordnung der Moleküle, welche anisotrope Eigenschaften auf makroskopischer Ebene erzeugen, eine gewisse Mobilität. Daher können durch Kombination des supramolekularen Ansatzes mit Flüssigkristallen besonders interessante Materialien erzeugt werden. Da die spezische Anordnung der Moleküle die Funktion des selbstassemblierten Materials stark beeinflusst, ist es von großer Bedeutung, diese exakt kontrollieren zu können. Daher war es Ziel dieser Arbeit, flüssigkristalline Phasen mit einer definierten supramolekularen Struktur zu synthetisieren und zu charakterisieren. Weiterhin war es ein Ziel, diese auf ihre funktionellen Eigenschaften zu untersuchen, die aus der spezifischen Anordnung der Monomereinheiten hervorgehen. Für diesen Zweck wurden Perylenbisimid- und Diketopyrrolopyrrolfarbstoffe als Baueinheiten verwendet, da diese aufgrund ihrer Licht- und Hitzestabilität sowie exzellenten optischen und elektronischen Eigenschaften ideale Materialien für die Anwendung in der organischen Elektronik darstellen.

This thesis established the fabrication of organic solar cells of DA dye donors and fullerene acceptors under ambient conditions in our laboratory, however, with reduced power conversion efficiencies compared to inert conditions. It was shown that moisture had the strongest impact on the stability and reproducibility of the solar cells. Therefore, utilization of robust materials, inverted device architectures and fast fabrication/characterization are recommended if processing takes place in air. Furthermore, the dyad concept was successfully explored in merocyanine dye-fullerene dyads and power conversion efficiencies of up to 1.14 % and 1.59 % were measured under ambient and inert conditions, respectively. It was determined that the major drawback in comparison to comparable BHJ devices was the inability of the dyad molecules to undergo phase separation. Finally, two series of small molecules were designed in order to obtain electron transport materials, using the acceptor-core-acceptor motive. By variation of the acceptor units especially the LUMO levels could be lowered effectively. Investigation of the compounds in organic thin film transistors helped to identify promising molecules with electron transport properties. Electron transport mobilities of up to 7.3 × 10−2 cm2 V−1 s−1 (ADA2b) and 1.39 × 10−2 cm2 V−1 s−1 (AπA1b) were measured in air for the ADA and AπA dyes, respectively. Investigation of selected molecules in organic solar cells proved that these molecules work as active layer components, even though power conversion efficiencies cannot compete with fullerene based devices yet. Thus, this thesis shows new possibilities that might help to develop and design small molecules as substitutes for fullerene acceptors. / In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die Herstellung und Charakterisierung von organischen Solarzellen auf Basis von kleinen DA-Farbstoffen in Kombination mit Fullerenakzeptoren unter Umgebungsbedingungen möglich ist. Außerdem konnte herausgefunden werden, dass die Luftfeuchtigkeit den größten Einfluss auf die Stabilität und die Reproduzierbarkeit der organischen Solarzellen hat. Aus diesem Grund sind der Austausch labiler Komponenten, die Verwendung von invertierten Bauteilarchitekturen sowie eine zügige Herstellung und Charakterisierung bei Prozessierung an Luft zu empfehlen. In weiteren Experimenten konnte das Dyadenkonzept erfolgreich angewendet werden, sodass sich Effizienzen von 1.14 und 1.59 % unter ambienten bzw. inerten Bedingungen messen ließen. Das Unvermögen der Dyaden, separate Phasen aus Donor- und Akzeptorverbindung zu bilden, konnte als größte Schwäche der Verbindungen ausgemacht werden. Schlussendlich wurden zwei Serien von Molekülen mit der Absicht Elektronentransportmaterialien zu generieren basierend auf einem Akzeptor-Kern-Akzeptor-Strukturmotiv entworfen. Die Variation der Akzeptoren ermöglichte in der Tat eine systematische Absenkung der Grenzorbitale und insbesondere der LUMO-Niveaus. Weiterhin wurden die Verbindungen in organischen Dünnfilmtransistoren untersucht, um mehr über ihre Ladungstransporteigenschaften zu erfahren. Dabei konnten Moleküle ausgemacht werden, die zum Elektronentransport an Luft in der Lage sind. Für die besten ADA- und AπA-Farbstoffe konnten so jeweils Elektronenmobilitäten von 7.3 × 10−2 cm2 V–1 s–1 (ADA2b) und 1.39 × 10−2 cm2 V–1 s–1 (AπA1b) gemessen werden. Weitere Untersuchungen von ausgewählten Verbindungen in organischen Solarzellen, konnten beweisen, dass diese neu kreierten Moleküle im Prinzip als Aktivmaterialien funktionieren können, wenn auch die erzielten Effizienzen noch nicht mit denen von Fulleren-basierten Solarzellen konkurrieren konnten. Damit zeigt diese Arbeit neue Möglichkeiten auf, die bei der Entwicklung und dem Design von kleinen Molekülen als Alternativen zu Fullereneakzeptoren hilfreich sein können.

Enzym-Modifikationen finden in der Natur in Form von posttranslationalen Protein-Modifikationen statt und sind ein faszinierender Mechanismus, um die biologische Vielfalt und Funktion von Proteinen um ein Vielfaches zu erhöhen. Daher ist es für ein ganzheitliches Verständnis bestimmter biologischer Prozesse oder enzymatischer Struktur-Funktions-Beziehungen unerlässlich, chemische Methoden zu entwickeln, die in der Lage sind, diese natürliche Diversität nachzuahmen.[61] Die wohl größte Herausforderung der chemischen Protein-Konjugation ist die chemo- und regioselektive Modifikation einer gezielten Aminosäure bei gleichzeitig milden und physiologischen Reaktionsbedingungen. Trotz zahlreich beschriebener Ansätze zur selektiven Protein-Modifikation, bedarf es weiterhin neuer Methoden, da viele bestehende Herangehens¬weisen auf ein spezielles System zugeschnitten sind.[9, 63] Aus diesem Grund sollte im Rahmen dieser Arbeit eine breit anwendbare Methode zur selektiven chemischen Tyrosin-Modifikation am Modell der Levansucrase aus Bacillus megaterium entwickelt werden. Durch eine zweistufige Protein-Modifikation, bestehend aus einer En-Reaktion im ersten Schritt und einer Click-Reaktion im zweiten Konjugationsschritt, gelang es die Produktspezifität der Bm Levansucrase rational zu beeinflussen. Zunächst wurde die Tyrosin-spezifische En-Reaktion mit der Luminol-Verbindung 1 an natürlich vorkommenden Tyrosin-Seitenketten der Levansucrase erprobt und analysiert. Hierbei zeigte sich durch massenspektrometrische Untersuchungen, dass hauptsächlich zwei der 25 vorhandenen Tyrosin-Reste mit dem Luminol-Tag 1 modifiziert wurden, zu denen die Seitenketten Y247 und Y196 gehörten. Um die Auswirkungen der Tyrosin-Modifikation leichter interpretieren zu können und eine gegenseitige Beeinflussung auszuschließen, wurde vorerst mit der Einzelmutante Y247F gearbeitet. Da nach der ersten Modifikation der Variante Y247F geringe Veränderungen im Produkt¬spektrum beobachtet wurden, insbesondere im hoch-molekularen Bereich, wurde die Click-Reaktion im zweiten Schritt mit der Intention durchgeführt, diesen Effekt zu verstärken. Schließlich bewirkte die Click-Reaktion mit Azidoglucose (AzGlc) bei Variante Y247F-1-AzGlc eine erhebliche Verschiebung der Produktverteilung von kleinen Fructooligosacchariden (ca. 1100 Da) hin zu hoch-molekularem Levan (ca. 2,1∙106 Da). Drei weitere Positionen, die in der dritten Zone des Enzyms liegen, wurden für die gentechnische Substitution gegen nicht-native Tyrosin-Reste ausgewählt. Dadurch wurden die Varianten E314Y, D248Y sowie F445Y erhalten und anschließend wie zuvor in zwei Schritten chemisch modifiziert. Die Modifikation dieser Varianten führte hinsichtlich der Veränderung des Produktprofils zu ähnlichen Ergebnissen, wie sie mit dem Enzym Y247F erhalten wurden (Übersicht 1, A). Um den Einfluss verschiedener Seitenketten zu analysieren, wurden neben der Azidoglucose vier weitere Azido-Verbindungen in der Click-Reaktion getestet. Die Resultate aus den genannten Untersuchungen und die Einbeziehung molekular¬-dynamischer Simulationen ließen erste Rückschlüsse auf die mechanistischen Prozesse der Bm Levansucrase und deren gezielte Manipulation zu: Die Größe der eingeführten Seitenkette sowie die Fähigkeit des Tags polare Wechselwirkungen auszubilden, spielen eine entscheidende Rolle zur rationalen Modulation der Produkt¬spezifität. Insbesondere die räumliche Orientierung und Bewegung der Seitenkette 1 AzGlc und die damit einhergehende sterische Hinderung trugen dazu bei, eine vorzeitige Dissoziation der wachsenden Fructane zu verhindern und ermöglichten dadurch die prozessive Polymersynthese. Weitere Erkenntnisse über den Levan-Elongationsmechanismus wurden durch die Modifikation der Varianten N126Y und S125Y erhalten. Diese lagen im Gegensatz zu den zuvor untersuchten Tyrosin-Resten nicht im Wachstumsverlauf des Substrats und besaßen zudem eine kürzere Distanz zum aktiven Zentrum. In beiden Fällen führte bereits die erste Modifikation mit Luminol-Derivat 1 zu völlig unter¬schiedlichen Produktprofilen im Vergleich zu den zuvor untersuchten Enzym-Varianten. Während mit der Variante N126Y-1 eine signifikante Akkumulation (bis zu 800 % Zunahme) verschiedener Oligosaccharide erzielt wurde, synthetisierte die Variante S125Y-1 schon nach dem ersten Modifikationsschritt Levan-Polymer (Übersicht 1, B/C). Die zugrunde-liegenden Interaktionen und Trajektorien der eingeführten Seitenkette wurden ebenfalls mit Hilfe von MD Simulationen analysiert und bestätigten die zuvor getroffenen Annahmen. Durch die räumliche Nähe zur Substrat-Bindungstasche reichte bei Variante S125Y 1 bereits die Luminol-Verbindung aus, um die Substrat-Dissoziation zu verhindern und damit die Polymer¬synthese zu induzieren. Hingegen dazu ergaben die Simulationen eine sehr dynamische und fluktuierende Seitenkette für N126Y-1, was vermutlich zur Destabilisierung initialer Wechselwirkungen zwischen Substrat und der Protein¬oberfläche führte und dadurch die Freisetzung und Akkumulation kurzer Oligo-saccharide begünstigte. Durch die bioorthogonale chemische Einführung einer artifiziellen Seitenkette war es schließlich möglich, das Produktspektrum der Bm Levansucrase sowohl in Richtung Polymersynthese als auch in Richtung kurzer Oligosaccharide zu lenken. Unter Verwendung der Tyrosin-spezifischen En-Reaktion wurden dafür gezielt native und nicht-native Tyrosin-Reste selektiv modifiziert und in einer Folge¬reaktion mittels Click-Chemie zusätzlich derivatisiert. Die Auswirkungen der Modifikations-Reaktionen auf den Elongationsmechanismus des Substrats konnten durch MD-Simulationen aufgeklärt werden. Das Ziel, die Produktspezifität der Levansucrase rational zu beeinflussen und in eine gezielte Richtung zu steuern, wurde damit erfolgreich umgesetzt. Ein weiterer Fokus dieser Arbeit lag darin, eine effiziente und einfache Methode zur Reinigung eines Fructan-Gemisches zu entwickeln, um damit den Zugang zu Oligo-sacchariden definierter Größen zu vereinfachen. Die Verfügbarkeit bestimmter Oligosaccharide in ausreichender Menge und Reinheit würde die Untersuchung von Fructanen auf ihre präbiotischen Eigenschaften erleichtern und zum Verständnis der Korrelation zwischen dem Darmmikrobiom und verschiedenen Krankheits¬bildern beitragen.[125] Mit Hilfe der Levansucrase-Variante K373L wurde ein Fructan-Gemisch synthetisiert, das im Vergleich zum Produkt¬profil des Wildtyps einen höheren Anteil kurzkettiger Oligosaccharide aufwies. In einem dreistufigen Reinigungsprozess wurde das Produktgemisch im ersten Schritt von den Monosacchariden Glucose und Fructose sowohl fermentativ durch den Hefe¬stamm H. polymorpha als auch chromatographisch per Silicagel separiert. Anschließend erfolgte eine grobe Trennung der Oligosaccharide nach dem Größen¬ausschlussprinzip mit einer Bio-Gel®P2-Säule. Im letzten Schritt wurde die Oligosaccharidfraktion, die hauptsächlich Tri- und Tetrasaccharide enthielt, schließlich mittels Umkehrphasen-Säulenchromatographie (RP18-HPLC) in die gewünschten Produkte aufgetrennt. Auf diese Weise gelang es, die Oligosaccharide 1 Kestose (28 %), 6 Kestose (56 %) und 6 Nystose (20 %) in hoher Reinheit (> 95 %) und moderaten Ausbeuten zu isolieren (Übersicht 2). Der letzte Teil dieser Arbeit sollte die verschiedenen Disziplinen der Biokatalyse, chemischen Protein-Modifikation und Click-Reaktion mit einer neuen Kompontente, der Photokatalyse, verbinden und in einem innovativen Konzept die Grundlage für die Kombination dieser Forschungsbereiche schaffen. In diesem Kontext wurde einerseits eine lineare photo-biokatalysierte Kaskaden-Reaktion entworfen und vorbereitet, während andererseits die Synthese eines clickbaren Photokatalysators durchgeführt wurde (Übersicht 3). Für den enzymatischen Teil der Kaskaden-Reaktion wurden die Halogenasen RebH und RadH mit den zugehörigen Regenerationssystemen Fre und GDH erfolgreich in E. coli exprimiert, gereinigt und deren Aktivität nachgewiesen. Darüber hinaus wurde ein aktiver Alkin-funktionalisierter Photokatalysator synthetisiert, dessen Aktivität auch nach der Click-Reaktion mit einer Aminosäure und einem Peptid erhalten blieb. Damit wurden die Grundlagen geschaffen, um z. B. photoaktive Bausteine in ein Enzym einzubringen und somit neue lichtabhängige Reaktionszentren oder sogenannte Designer-Enzyme zu erzeugen. / Enzyme modifications occur in nature in the course of post-translational protein modifications and are fascinating mechanisms to increase the biological variety and function of proteins many times over. For a deep understanding of certain biological processes or enzymatic structure-function relationships, it is therefore essential to develop chemical methods that are able to mimic this natural diversity.[61] Probably the greatest challenge of chemical protein conjugation is the chemo- and regioselective modification of a particular amino acid while using mild and physiological reaction conditions. Despite numerous approaches to selective protein modification, new methods are still needed, as many existing strategies are customized for a specific system.[9, 63] Therefore, the aim of this work was to develop a widely applicable method for selective chemical tyrosine modification using the levansucrase from Bacillus megaterium as a model system. By a two-step protein modification consisting of an ene-reaction in the first step and a click-reaction in the second conjugation step, the product specificity of the Bm-levansucrase could be rationally controlled. In the early stages, the tyrosine-specific ene-reaction with luminol compound 1 was tested and analyzed on naturally occurring tyrosine residues. Mass spectroscopic investigations showed that mainly 2 of the 25 existing tyrosine residues were modified with luminol tag 1, including the tyrosines Y247 and Y196. In order to be able to interpret the effects of the tyrosine modification more easily and to exclude a mutual influence of the introduced side chains, the single mutant Y247F was used for further investigations. Since small changes in the product spectrum were observed after the first modification of the levansucrase variant Y247F, especially in the high molecular weight range, the second modification was carried out with the intention of intensifying this effect even further. Finally, the click reaction with azido¬glucose (AzGlc) in variant Y247F-1-AzGlc caused a significant shift in the product distribution from small fructooligosaccharides (approx. 1100 Da) to high molecular weight levan (approx. 2,1∙106 Da). Three further positions, located in the third zone of the enzyme, were selected for genetic substitution against non-native tyrosine residues. Thus, the variants E314Y, D248Y and F445Y were obtained and then chemically modified in two steps as described before. In terms of product distribution and polymer synthesis, the modification of these variants led to comparable results to those obtained with the enzyme Y247F (overview 1, A). To analyze the influence of different side chains regarding size and polarity, four additional azido compounds were tested in the click reaction in comparison to the azidoglucose. The results of the above-mentioned investigations and the consideration of molecular dynamic simulations allowed first conclusions about the mechanistic processes of the Bm levansucrase and its specific manipulation. The size of the introduced side chain as well as the ability of the tag to form polar interactions play an important role in the rational modulation of the product specificity. In particular, the spatial orientation and movement of the tag and the resulting steric hindrance helped to prevent premature dissociation of the growing fructans and thus enabled the processive polymer synthesis. Further insights into the levan elongation mechanism were obtained by modifying the variants N126Y and S125Y. In contrast to previously investigated tyrosine residues, these positions were not located in the oligosaccharide elongation pathway and further they had a shorter distance to the active centre. In both cases, already the first modification with luminol derivative 1 led to completely different product profiles. While the variant N126Y-1 showed a distinct accumulation (up to 800 % increase) of different oligo¬saccharides, the variant S125Y-1 synthesized levan polymer already after the first modification step (overview 1, B/C). The interactions and trajectories of the introduced side chain were again analyzed with the aid of MD simulations and confirmed the previous assumptions. Due to the proximity to the substrate binding pocket, the luminol tag of variant S125Y-1 was already sufficient to prevent substrate dissociation and to induce polymer synthesis. In contrast, the simulations revealed a very dynamic and fluctuating side chain for N126Y-1, which presumably led to the destabilization of initial interactions between the substrate and the protein surface and thus triggered the release and accumulation of short oligosaccharides. Finally, the bioorthogonal chemical introduction of an artificial side chain made it possible to steer the product spectrum of the Bm-levansucrase towards both polymer synthesis and short oligosaccharides. Using the tyrosine specific ene-reaction, native and non-native tyrosine residues were selectively modified and additionally derivatized in a subsequent reaction by click-chemistry. The effects of the modification reactions on the elongation mechanism of the substrate were elucidated by MD simulations. The goal of rationally influencing the product specificity of the levansucrase and controlling the product synthesis in a specific direction was thereby successfully achieved. Another focus of this work was to develop an efficient and simple method for the purification of a fructan mixture in order to facilitate the access to oligosaccharides of defined sizes. The availability of certain oligosaccharide lengths in sufficient quantity and purity would improve the investigation of fructans for their prebiotic properties and contribute to the understanding of the correlation between the intestinal microbiome and various diseases.[125] By using the levansucrase variant K373L, a fructan mixture with a higher content of certain oligosaccharides compared to the product profile of the wild type enzyme, was synthesized. In a three-step purification process, the first step was to separate the product mixture from the monosaccharides glucose and fructose both by fermentation using the yeast strain H. polymorpha and chromatographically by silica gel. Subsequently, the oligosaccharides were separated by size exclusion chromatography using a Bio-Gel®P2 column. In the last step, the oligosaccharide fraction, which mainly contained tri- and tetrasaccharides, was finally separated into the desired products by reversed phase column chromatography (RP18-HPLC). In this way it was successfully achieved to isolate the oligosaccharides 1 kestose (28 %), 6 kestose (56 %) and 6 nystose (20 %) in high purity (> 95 %) and moderate yields (overview 2). The last part of this work was intended to combine the different disciplines of biocatalysis, chemical protein modification and click reaction with the new component photocatalysis, and to create the basis for combining these research areas in an innovative concept. In this context a linear photo-biocatalysed cascade reaction was developed and prepared on the one side, while on the other side the synthesis of a clickable photocatalyst was performed (overview 3). For the enzymatic part of the cascade reaction the halogenases RebH and RadH with the corresponding regeneration systems Fre and GDH were successfully expressed, purified and their activity with the natural substrates was verified. In addition, an active alkyne-functionalized photocatalyst was synthesized, whose activity was retained even after the click reaction with an amino acid or peptide. This created the basis for introducing photoactive building blocks into larger structures or an enzyme and thereby generating new light-dependent reaction centres or so-called designer enzymes.

Tribenzotriquinacene (TBTQ) is a polycyclic aromatic framework with a particularly rigid, C3v symmetrical, bowl-shaped core bearing three mutually fused indane wings. It has been discussed as a defect center for a nanographene by Kuck and colleagues. Therefore, extended TBTQ structures are promising models for saturated defect structures in graphene and graphene like molecules and could be used to investigate the role of defects for the electronic properties of graphene. With this motivation, three different pi-extended TBTQ derivatives have been synthesized in this work. Several different Scholl reaction conditions were tried to obtain fully annulated product of hexaphenyl substituted TBTQ. The desired benzannulated TBTQ derivative could not be obtained due to unfavourable electron density in the respective positions of the molecule and increased reactivity of the bay position of the precursor. As an another method for benzannulation is the on-surface synthesis of graphene flakes and can be carried out using electron beams e.g. in a tunneling microscope (STM). According to our previous research, the parent system TBTQ and centro-methyl TBTQ on silver and gold surfaces showed that the gas phase deposition of these molecules gives rise to the formation of highly ordered two-dimensional assemblies with unique structural features. This shows the feasibility for the formation of defective graphene networks starting from the parent structures. Therefore, the same deposition technique was used to deposit Me-TBTQ(OAc)3Ph6, and investigate the molecular self-assembly properties directly on the surface of Cu (111). In summary, the substrate temperature dependent self-assembly of Me-TBTQ(OAc)3Ph6 molecules on Cu(111), shows the following evolution of orientations. At room temperature, molecules form dimers, which construct a higher-coverage honeycomb lattice. Furthermore, one of the acetyl group located in the bay positions of the TBTQ core is cleaved and the remaining two induce the metal-molecule interaction. It was presumed that by increasing the temperature to 393 K, the remaining acetyl and methyl groups would beeliminated from the molecular structure.In addition, the smaller TBTQ-Ph6 molecules preferably lie flat on Cu(111) crystal and allowing the molecules to settle into a C3-symmetry and form a dense hexagonal structure. / Tribenzotriquinacen (TBTQ) ist eine polyzyklische aromatische Verbindung mit einem besonders starren, C3v-symmetrischen, schalenförmigen Kern, der drei anellierte Indan-Flügel trägt. Es wurde von Kuck und Kollegen als Defektzentrum für Nanographen untersucht. Daher sind erweiterte TBTQ-Strukturen vielversprechende Modelle für gesättigte Defektstrukturen in Graphen und graphenähnlichen Molekülen, die dazu verwendet werden können, um die Rolle Defekten auf die Ausprägung der elektronischen Eigenschaften von Graphen zu untersuchen. Mit dieser Motivation wurden in dieser Arbeit drei verschiedene TBTQ-Derivate mit erweitertem -System synthetisiert. Um im Anschluss eine vollständige Annellierung und damit Konjugation des p-Systems zu erreichen, wurden verschiedene Scholl-Reaktionen getestet, um das dreifach anellierte Produkt aus hexaphenylsubstituiertem TBTQ zu erhalten. Das gewünschte benzannulierte TBTQ-Derivat konnte aufgrund der relativ geringen Elektronendichte an den Annellierungspositionen und der erhöhten Reaktivität der Bay-Positionen des Moleküls nicht erhalten werden. Eine weitere Möglichkeit zur Annellierung von Nanographenen besteht in der On-Surface-Synthese. Diese kann mit Elektronenstrahlen z.B. in einem Rastertunnelmikroskop (STM) durchgeführt werden. Nach unseren früheren Untersuchungen, hochauflösende STM-Experimente mit dem Stammsystem TBTQ und centro-methyl TBTQ auf Silber- und Goldoberflächen, dass die Gasphasenabscheidung dieser Moleküle zur Bildung hochgeordneter zweidimensionaler Assemblierte mit einzigartigen strukturellen Eigenschaften führt. Dies zeigt die Möglichkeit zur Bildung von defekthaltigen Graphen-Netzwerken ausgehend von den Stammsystemen. Daher wurde hier die gleiche Abscheidungstechnik verwendet, um für Me-TBTQ(OAc)3Ph6 die molekulare Selbstanordnung auf der Oberfläche von Cu(111) untersuchen. Zusammenfassend zeigt die Selbstorganisation von Me-TBTQ(OAc)3Ph6 auf Cu(111) eine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit. Die Moleküle bilden bei 363 K ein höheres Wabengitter aus. Außerdem wird eine der Acetylgruppen, die sich in den Bay-Positionen des TBTQ-Kerns befinden, abgespalten und die verbleibenden Gruppen wechselwirken mit der Metalloberfläche. Daher stehen sich die Molekülschalen als einander zugewandte Halbkugeln gegenüber. Es wird vermutet, dass durch die Erhöhung der Temperatur auf 393 K die verbleibenden Acetyl- und Methylgruppen aus der Molekülstruktur eliminiert werden. Außerdem liegen die kleineren TBTQ-Ph6-Moleküle bevorzugt flach auf dem Cu (111) -Kristall, so dass sich die Moleküle in der C3-Symmetrie anordnen und eine dichte hexagonale Struktur bilden

The present thesis adress the synthesis and characterization of novel COFs that contain dye molecules as integral components of the organic backbone. These chromophore-containing frameworks open new research lines in the field and call for the exploration of applications such as catalysis, sensing, or in optoelectronic devices. Initially, the fabrication of organic-inorganic composites by the growth of DPP TAPP COF around functionalized iron oxide nanoparticles is reported. By varying the ratio between inorganic nanoparticles and organic COFs, optoelectronic properties of the materials are adjusted. The document also reports the synthesis of a novel boron dipyrromethene-containing (BODIPY) COF. Synthesis, full characterization and the scope of potential applications with a focus on environmental remediation are discussed in detail. Last, a novel diketopyrrolopyrrole-containing (DPP) DPP-Py-COF based on the combination of DDP and pyrene building blocks is presented. The very low bandgap of these materials and initial investigations on the photosensitizing properties are discussed. / Die Forschung an modernen porösen Materialien hat die Entwicklung von COFs als robuste, leichtgewichtige, hochgeordnete und vielseitig einsetzbare organische Materialien vorangetrieben. Der Einsatz von DCC ist entscheidend für den Aufbau hochkristalliner Netzwerke, die in der Lage sind, strukturelle Defekte selbst zu heilen (Kapitel 2.2). Für die einfache Bildung wohldefinierter Kristallite wurden verschiedene synthetische Strategien entwickelt (Kapitel 2.3). Darüber hinaus ist ein detailliertes Verständnis über die verschiedenen Reaktionen, die für die kovalente Verknüpfung organischer Bausteine eingesetzt werden (Kapitel 2.4), und der verschiedenen Topologien, die sich nach der Vernetzung ergeben (Kapitel 2.5), von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung einer breiten Auswahl von Materialien für gezielte Anwendungen. ...

The focus of this work was the development and application of highly efficient RNA catalysts for the site-specific modification of RNA with special focus on methylation. In the course of this thesis, the first methyltransferase ribozyme (MTR1), which uses m6G as the methyl group donor was developed and further characterized. The RNA product was identified as the natural modification m1A. X-Ray crystallography was used to solve the 3D structure of the ribozyme, which directly suggested a plausible reaction meachnism. The MTR1 ribozyme was also successfully repurposed for a nucleobase transformation reaction of a purine nucleoside. This resulted in a formyl-imidazole moiety directly on the intact RNA, which was directly used for further bioconjugation reactions. Finally, additional selections and reselections led to the identification of highly active alkyltransferase ribozymes that can be used for the labeling of various RNA targets / Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Entwicklung sowie Anwendung hocheffizienter RNA-Katalysatoren für die positionsspezifische Modifikation von RNA mit besonderem Fokus auf Methylierungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das erste Methyltransferase-Ribozym (MTR1), das m6G als Methylgruppendonor verwendet, entwickelt und näher charakterisiert. Das RNA-Produkt wurde als die natürliche Modifikation m1A identifiziert. Mit Hilfe der Röntgenkristallographie wurde des Weiteren die 3D-Struktur des Ribozyms aufgeklärt, was direkt auf ein plausibles Reaktionsmuster schließen ließ. Das MTR1-Ribozym wurde zudem erfolgreich für eine Nukleobasen-Transformationsreaktion eines Purins verwendet, bei der eine Formyl-Imidazol-Einheit direkt an der intakten RNA gebildet wird. Dieses Reaktionsprodukt wurde für positionsgenaue Biokonjugationsreaktionen verwendet. Schließlich führten zusätzliche Selektionen und weitere Reselektionen zur Identifizierung hochaktiver Alkyltransferase-Ribozyme, die für die Markierung verschiedener Ziel-RNAs verwendet werden können.