The self-assembly of molecules based on π-π-interactions and hydrogen bonding is of significant importance in nature. These processes enable the formation of complex supramolecular structures with diverse functions. For the transfer of the concepts from nature to artificial supramolecular structures, a basic understanding of those processes is needed. For this purpose, π-conjugated aromatic molecules with an easy synthetic access are suitable as their functionalities can be changed effortless. Perylene bisimide (PBIs) dyes are attractive candidates since they fulfill these requirements owing to their tendency to self-assemble in solution due to their large aromatic π-surfaces. Furthermore, the changes of the optical properties (for instance absorption, emission or circular dichroism) of PBI dyes, caused by their self-assembly, are easy to study experimentally. Structural variations of PBI dyes including additional non-covalent interactions, such as hydro-gen bonding, enable to direct their self-assembly process. Thus, the formation of interesting su-pramolecular structures of PBI dyes could be realized, although, often of undefined size. The aim of this thesis was to develop strategies to restrict the aggregate size of PBI dyes. Therefore, de-fined structural features of PBI molecules were combined and a variation of external influences such as solvent and concentration included. Furthermore, DNA was utilized as a template for the limitation of the aggregate size of PBI dyes. Chapters 1 and 2 provide general information and describe examples from literature which are necessary to understand the following experimental work. The first chapter is based on the inter-actions of various molecules with DNA. Therefore, DNA is considered as a supramolecular biom-acromolecule containing specific structural and functional features to interact with small mole-cules. Afterwards, the main interaction modes of small molecules with DNA such as electrostatic interaction, intercalation and groove binding with corresponding examples are discussed. Among all techniques applied to study the interaction of ligands with DNA, UV/Vis absorption, fluores-cence and circular dichroism spectroscopy were described in detail. At the end of this chapter, examples of already pre-associated systems showing interactions with DNA are presented. The second chapter is focused on the determination and mathematic evaluation of the self-assembly processes. The simplest models such as monomer-dimer and isodesmic model are de-scribed and supplemented by examples. Furthermore, the simplest modification of the isodesmic model, the K2-K model, is presented. Additionally, experimental problems, which may arise dur-ing the investigations of the self-assembly processes, are addressed. For the description of the entire self-assembly process, a sufficiently large concentration range and an appropriate measure-ment method that is sensitive in this concentration range is necessary. Furthermore, the full transi-tion from the monomeric to the aggregated species has to be spectroscopically ascertainable. This enables an accurate mathematic evaluation of the self-assembly process and provides meaningful binding constants. The self-assembly pathway can be controlled by the variation of solvent, con-centration or temperature. However, this pathway can also be directed by a rational design of the molecular structure of the considered system. For example, a specific interplay of π-π-interactions and hydrogen bonding may promote isodesmic as well as cooperative growth into large struc-tures. The main focus of this thesis is to develop strategies to control the aggregate size of PBI dyes (Chapter 3). For this purpose, a PBI scaffold was designed which contains hydrogen bonding amide functions at the imide positions derived from the amino acid L-alanine and solubilizing side groups in the periphery (Figure 81). The variations of the residues R/R’ range from didodecylox-yphenyl, didodecylphenyl, dioligo(ethylene glycol)phenyl to branched and linear alkyl chains. The most extensive study of the aggregation behavior was performed for the PBI dye 5. Concen-tration-dependent 1H NMR and UV/Vis absorption measurements clearly revealed the formation of dimers in chloroform. Further investigations by means of 2D NMR, VPO and ITC confirmed the exclusive presence of dimer aggregates of PBI 5 in the investigated concentration range. Mo-lecular modelling studies, supported by NMR and FT-IR experiments, provided structural reasons for the absence of further growth into larger aggregates. The specific combination of π-π interac-tions and hydrogen bonds between the NH groups of the amide groups and the carbonyl oxygen atoms of the PBI core are decisive for the formation of the discrete dimer stack (see Figure 82). The investigations of the aggregation behavior of PBIs 6-9 were less extensive but consistent with the results obtained for PBI 5. However, the determined binding constants vary over a considera-ble range of 1.1 x 102 M-1 (PBI 8) to 1.4 x 104 M-1 (PBI 5). These differences could be attributed to structural variations of the dyes. The electron-rich phenyl substituent promoted the aggregation tendency of PBIs 5-7 compared with 8 and 9 that carry only alkyl side chains. Thus, the π-π in-teractions of bay-unsubstituted PBI cores in combination with hydrogen bonding of the amide functions control the formation of discrete dimers of these PBI dyes. The variation of conditions, such as solvent, change the aggregation behavior of PBI dyes. In the solvents toluene and/or methylcyclohexane, anti-cooperative growth into larger aggregates of PBI 5 was observed (Chapter 4). The important feature of this self-assembly process is the absence of isosbestic points over the whole concentration range in the UV/Vis absorption measurements. The preference for the dimeric species of PBI 5 remained in both solvents as well as in mixtures of them, but upon increasing the concentration these dimers self-assemble into larger aggregates. An important feature of the self-assembly process is the preferred formation of even-numbered aggregates compared to the odd-numbered ones (see Figure 83). Although, the conventional K2-K model provides plausible binding constants, it is not capable to describe the aggregation behavior adequately, since it considers a continuous size distribution. The gradual aggregation process over dimers, tetramers, hexamers, etc. was therefore analyzed with a newly developed K2-K model for anti-cooperative supramolecular polymerization. By the global analysis of the UV/Vis absorption spectra a very good agreement between the experimental and simulated spectra, which were based on the new K2-K model, was obtained. Furthermore, the calculated UV/Vis absorption spectra of a dimer and an aggregate highlighted the most important structural differences. The absorption spectrum of the dimer still has a pronounced vibronic structure which gets lost in the spectrum of the aggregate. In another part of this work, a series of water soluble PBI dyes were described which contain similar PBI scaffolds as PBIs 5-8 (Chapter 5). These PBI dyes self-assemble into similar dimer aggregates in water due to their positively charged side chains causing electrostatic repulsion be-tween the molecules (see Figure 84). Here, however, the self-assembly behavior has not been studied thoroughly in water due to the similarities of already reported PBI dyes. Instead, the focus here is on the characterization of the interactions of these dyes with DNA/RNA. The comprehensive studies using thermal denaturation experiments showed the high stability of these PBI/polynucleotide complexes. The spermine-functionalized PBI dyes having six positive charges showed strong interactions with DNA/RNA which was expressed in a signif-icant increase of the melting temperatures of DNA/RNA (ΔTm values between 7 and > 35 ° C). The dioxa analogues containing only two positive charges had lower enhancement of the melting temperature of DNA/RNA (ΔTm values between 3 and 30 ° C). A similar trend has been observed in the fluorimetric titrations. The spermine-functionalized PBI dyes showed high binding con-stants (log Ks = 9.2 - 9.8), independently of the used polynucleotides. In contrast, the dioxa ana-logues displayed smaller binding constants (log Ks = 6.5 - 7.9) without any correlation between binding affinity and binding strength of the PBI dyes and the applied polynucleotides. The CD-spectroscopic measurements revealed significant differences in the binding properties of the dyes with DNA/RNA. They were dependent on the steric hindrance of the amino acid residues at the imide position and their configuration on one side and the grooves properties of ds-DNA/RNA on the other side. The spectroscopic results confirmed the formation of excitonically coupled PBI dimers in the minor groove of ds-DNA and the major groove of ds-RNA. Depending on the se-quence, the grooves of the polynucleotides provide different amount of space for embedding molecules. The guanine amino groups protrude into the minor groove of the polynucleotide poly(dG-dC)2 increasing the steric hindrance, which is not the case for poly(dA-dT)2. Molecular modeling studies showed that the PBI dimers penetrate deeper into the groove of poly(dA-dT)2 due to the absence of the steric hindrance, in comparison to the groove of poly(dG-dC)2 (see Figure 85). / Die Selbstassemblierung von Molekülen, die auf π-π-Wechselwirkungen und Wasenstoffbrücken-bindungen basiert, ist von entscheidender Bedeutung in der Natur. Selbstassemblierungsprozesse ermöglichen den Aufbau von komplexen supramolekularen Strukturen mit vielfältigen Funktio-nen. Um Konzepte aus der Natur für künstliche supramolekulare Systeme nutzen zu können, müs-sen die wesentlichen Abläufe der Selbstassemblierungsprozesse verstanden werden. Dazu eignen sich π-konjugierte aromatische Moleküle, die einen relativ einfachen synthetischen Zugang bieten und vielfältig funktionalisiert werden können. Perylenbisimid-Farbstoffe (PBI) stellen für diesen Zweck eine attraktive Substanzklasse dar, da sie aufgrund von großen aromatischen π-Flächen zur Selbstassemblierung tendieren. Zusätzlich können durch die Selbstassemblierung einhergehenden Änderungen der optischen Eigenschaften (beispielsweise Absorption, Emission oder Circulardich-roismus) von PBI-Farbstoffen einfach experimentell studiert werden. Die vielen strukturellen Va-riationsmöglichkeiten von PBI-Farbstoffen erlauben das Einbeziehen von weiteren nichtkovalen-ten Wechselwirkungen zwischen den Molekülen, beispielsweise Wasserstoffbrückenbindungen, sodass der Selbstassemblierungsprozess dirigiert werden kann. Mit diesem Ansatz gelang es bis-her interessante supramolekulare Strukturen von PBI-Farbstoffen aufzubauen, allerdings waren diese oft von undefinierter Größe. Daher war das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung von Kon-zepten um die Aggregatgröße von PBI-Farbstoffen zu begrenzen. Hierzu wurden definierte Strukturmerkmale von PBI Molekülen kombiniert, der äußere Einfluss wie Lösungsmittel und Konzentration variiert und DNA als Templat für die größenlimitierte Aggregatstruktur der PBI-Farbstoffe eingesetzt. Die Kapitel 1 und 2 geben allgemeine Informationen und diskutieren Beispiele aus der Literatur, die nötig sind, um die nachfolgend diskutierten experimentellen Arbeiten zu verstehen. Das erste Kapitel diskutiert die Wechselwirkungen verschiedener Molekülen mit DNA. Hierbei wird DNA als ein supramolekulares Biomakromolekül betrachtet und seine spezifischen strukturellen und funktionalen Eigenschaften beschrieben, die für die Interaktionen mit kleinen Molekülen aus-schlaggebend sind. Die wichtigsten Interaktionsformen wie elektrostatische Wechselwirkungen mit dem Phosphatrückgrat, Interkalation durch π-π-Wechselwirkungen mit den Basenpaaren und Furchenbindung durch Wasserstoffbrückenbindungen und van der Waals-Wechselwirkungen werden anhand ausgewählter Beispiele diskutiert. Von der Vielzahl möglicher Techniken, die angewendet werden, um Wechselwirkungen zwischen Liganden und DNA zu untersuchen, wer-den UV/Vis-, Fluoreszenz- und Circulardichroismus-Spektroskopie in Detail erläutert. Am Ende des Kapitels werden Beispiele von Wechselwirkungen von bereits prä-assoziierten supramolekula-ren Systemen mit DNA vorgestellt. Das zweite Kapitel beschäftigt sich mit der Bestimmung und mathematischen Beschreibung von Selbstassemblierungsprozessen. Die einfachsten Modelle, wie das Monomer-Dimer und das iso-desmische Modell, werden beschrieben und mit Beispielen ergänzt. Des Weiteren wird die ein-fachste Modifikation des isodesmischen Modells, das K2-K Modell vorgestellt. Anschließend wird auf experimentelle Probleme eingegangen, die bei der Untersuchung von Selbstassemblie-rungsprozessen auftreten können. Um den Assemblierungsprozess vollständig beschreiben zu können, wird ein ausreichend großer Konzentrationsbereich und eine entsprechende Messtechnik, die für diesen Konzentrationsbereich empfindlich genug ist, benötigt. Des Weiteren sollte der vollständige Übergang vom Monomer zum assemblierten System spektroskopisch erfassbar sein. Dies ermöglicht eine akkurate mathematische Auswertung des Selbstassemblierungsprozesses und liefert sinnvolle Bindungskonstanten. Der Selbstassemblierungspfad kann oft durch Variation des Lösungsmittels, Konzentration und Temperatur kontrolliert werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, den Selbstassemblierungspfad mit Hilfe eines spezifischen Designs der molekularen Struktur von dem untersuchten System zu dirigieren. Es konnte gezeigt werden, dass ein beson-deres Zusammenspiel von π-π-Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen sowohl zum isodesmischen als auch kooperativen Wachstum von großen Strukturen führen kann. Der Hauptfokus dieser Arbeit liegt in der Entwicklung von Strategien für die Kontrolle der Aggregatgröße von PBI Farbstoffen. (Kapitel 3). Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein PBI Gerüst entworfen, das Amidfunktionen in den Imidpositionen für die Ausbildung von Wasser-stoffbrückenbindungen enthält, die von der Aminosäure L-Alanin abgeleitet wurden. Zusätzlich wurden in der Peripherie des Farbstoffgerüsts jeweils löslichkeitsfördernde Seitengruppen R/R‘ wie Didodecyloxyphenyl, Didodecylphenyl, Dioligo(ethyleneglykol)phenyl sowie verzweigte oder lineare Alkylketten eingeführt (siehe Abbildung 81). Der PBI-Farbstoff 5 wurde ausführlich im Hinblick auf sein Aggregationsverhalten untersucht. Konzentrationsabhängige 1H NMR- und UV/Vis Absorptionsmessungen haben klar gezeigt, dass im Lösungsmittel Chloroform dimere Strukturen ausgebildet werden. Begleitende Untersuchungen (2D NMR, VPO und ITC) bestätigten die ausschließliche Präsenz von Dimeren von 5 im experimentell zugänglichen Konzentrationsbereich. Molekulare Modellie-rungs-Studien, die durch NMR und FT-IR Untersuchungen unterstützt werden, illustrieren sehr gut die Ursachen für das Ausbleiben einer weiteren Aggregation zu größeren Strukturen. Die be-sondere Kombination aus den π-π-Wechselwirkungen und den Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den NH-Gruppen der Amidfunktionen und den Carbonylsauerstoffen des PBI-Kerns sind demzufolge entscheidend für die Bildung des diskreten Dimer-Stapels (siehe Abbildung 82). Die Untersuchungen zum Aggregationsverhalten der PBI-Farbstoffe 6-9 waren weniger ausführ-lich, stehen aber im Einklang mit den für PBI 5 gefundenen Ergebnissen. Die ermittelten Bin-dungskonstanten variieren jedoch über einen beachtlichen Bereich von 1.1 x 102 M-1 (PBI 8) bis 1.4 x 104 M-1 (PBI 5). Diese Unterschiede konnten auf strukturelle Variationen der Farbstoffe zurückgeführt werden. Der elektronenreiche Phenylsubstituent förderte die Assemblierungsten-denz von PBIs 5-7 im Vergleich zu 8 und 9, die nur Alkylseitenkennten tragen. Die π-π-Wechselwirkungen der in den Buchpositionen unsubstituierten PBI-Kerne in Kombination mit wasserstoffbrückenbildenden Amidfunktionen steuern somit die Ausbildung diskreter Dimere dieser PBI-Farbstoffe. Durch die Variation der Bedingungen, beispielsweise des Lösungsmittels, ändert sich das Aggre-gationsverhalten der PBI-Farbstoffe. In den Lösungsmitteln Toluol und/oder Methylcyclohexan wurde für das PBI 5 anti-kooperatives Wachstum zu größeren Aggregaten beobachtet (Kapitel 4). Das entscheidende Merkmal dieses Selbstassemblierungsprozesses ist das Fehlen von isosbesti-schen Punkten über den kompletten Konzentrationsbereich in den UV/Vis Absorptionsmessun-gen. Die Bevorzugung der dimeren Struktur von PBI 5 blieb in beiden Lösungsmitteln bzw. de-ren Mischungen erhalten, allerdings assemblierten diese Dimere durch den Anstieg der Konzent-ration in größere Aggregate. Ein wichtiger Schritt im Selbstassemblierungsprozesses ist die bevor-zugte Bildung von geradzahligen Aggregaten gegenüber den ungeradzahligen Aggregaten (siehe Abbildung 83). Das konventionelle K2-K Modell liefert zwar plausible Bindungskonstanten, kann dieses Aggre-gationsverhalten aber nur ungenügend beschreiben, da hier von kontinuierlicher Größenverteilung ausgegangen wird. Der schrittweise Aggregationsprozess über Dimere, Tetramere, Hexamere usw. wurde daher im Folgenden mit einem neu entwickelten K2-K-Modell für anti-kooperatives supra-molekulares Wachstum analysiert. Durch die globale Analyse von UV/Vis Absorptionsspektren konnte eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen und den auf das neue K2-K Modell basierenden, simulierten Spektren erhalten werden. Des Weiteren zeigten berechnete UV/Vis Absorptionsspektren eines Dimer- und Aggregatspektrums die wichtigsten strukturellen Unterschiede. Das Absorptionsspektrum des Dimers weist immer noch eine ausgeprägte vibroni-sche Struktur auf, welche im Spektrum des Aggregats verloren geht. In einem weiteren Teil dieser Arbeit wird eine Serie von wasserlöslichen PBI-Farbstoffen be-schrieben, die ein ähnliches durch Aminosäuren funktionalisiertes PBI-Gerüst wie PBIs 5-8 auf-weisen (Kapitel 5). Aufgrund der positiv geladenen Seitenketten, die für die elektrostatische Ab-stoßung zwischen den Molekülen sorgen, aggregieren diese Farbstoffe in Wasser zu ähnlichen Dimerstrukturen (siehe Abbildung 84). Hier wurde allerdings das Selbstassemblierungsverhalten in Wasser aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit zu bereits publizierten PBI-Farbstoffen nicht eingehend untersucht. Stattdessen lag der Fokus hier auf der Charakterisierung der Wechselwirkungen dieser Farbstoffe mit DNA/RNA. Die umfassenden Studien mit Hilfe von thermischen Denaturierungsstudien zeigten eine hohe Stabilität der PBI/Polynukleotid-Komplexe. Die Spermin-funktionalisierten PBI-Farbstoffe, welche sechs positive Ladungen aufweisen, zeigten starke Wechselwirkungen mit DNA/RNA, was sich durch deutliche Schmelzpunkterhöhung der DNA/RNA (ΔTm-Werte zwischen 7 und > 35 °C) äußerte. Die analogen Dioxa-Verbindungen mit nur zwei positiven La-dungen wiesen geringere Schmelztemperaturerhöhungen der jeweiligen DNA/RNA (ΔTm-Werte zwischen 3 und 30 °C) auf. Dieser Trend wurde auch in den fluorimetrischen Titrationsstudien beobachtet. Die Spermin-funktionalisierten PBI-Farbstoffe zeigten hohe Bindungskostanten (log Ks = 9.2 – 9.8), unabhängig von den verwendeten Polynukleotiden. Im Gegensatz dazu wie-sen die Dioxa-Analoge kleinere Bindungskonstanten (log Ks = 6.5 – 7.9) auf, wobei kein Zusam-menhang zwischen Bindungsaffinität und Bindungsstärke zwischen den PBI-Molekülen und den verwendeten Polynukleotiden hergestellt werden konnte. Die CD-spektroskopischen Messungen verdeutlichten die signifikanten Unterschiede in den Bindungseigenschaften der Farbstoffe mit DNA/RNA. Entscheidend waren die sterische Hinderung der Aminosäurereste in den Imidposi-tion und deren Konfiguration auf der einen Seite und die Furcheneigenschaften von ds-DNA/RNA auf der anderen Seite. Die spektroskopischen Ergebnisse belegten die Bildung von exzitonisch gekoppelten PBI-Dimeren in der kleinen Furche von ds-DNA und der großen Furche von ds-RNA. Die Furchen der Polynukleotide bieten unterschiedlich viel Raum für das Einbetten von Molekülen, was von der jeweiligen Sequenz abhängt. Die Guanin-Aminogruppen ragen in die kleine Furche des Polynukleotids poly(dG-dC)2, wodurch die sterische Hinderung im Vergleich mit dem Polynukleotid poly(dA-dT)2 zunimmt. Molekulare Modellierungsstudien belegten, dass die PBI-Dimere tiefer in die Furche von poly(dA-dT)2, als in die Furche von poly(dG-dC)2 einge-schlossen werden, was auf die eben genannte sterische Hinderung zurückgeführt werden kann (siehe Abbildung 85).

This work is concerned with the syntheses and photophysical properties of para-xylylene bridged macrocycles nPBI with ring sizes from two to nine PBI units, as well as the complexation of polycyclic aromatic guest compounds. With a reduced but substantial fluorescence quantum yield of 21% (in CHCl3) the free host 2PBI(4-tBu)4 can be used as a dual fluorescence probe. Upon encapsulation of rather electron-poor guests the fluorescence quenching interactions between the chromophores are prevented, leading to a significant fluorescence enhancement to > 90% (“turn-on”). On the other hand, the addition of electron-rich guest molecules induces an electron transfer from the guest to the electron-poor PBI chromophores and thus quenches the fluorescence entirely (“turn-off”). The photophysical properties of the host-guest complexes were studied by transient absorption spectroscopy. These measurements revealed that the charge transfer between guest and 2PBI(4-tBu)4 occurs in the “normal region” of the Marcus-parabola with the fastest charge separation rate for perylene. In contrast, the charge recombination back to the PBI ground state lies far in the “inverted region” of the Marcus-parabola. Beside complexation of planar aromatic hydrocarbons into the cavity of the cyclophanes an encapsulation of fullerene into the cyclic trimer 3PBI(4-tBu)4 was observed. 3PBI(4-tBu)4 provides a tube-like structure in which the PBI subunits represent the walls of those tubes. The cavity has the optimal size for hosting fullerenes, with C70 fitting better than C60 and a binding constant that is higher by a factor of 10. TA spectroscopy in toluene that was performed on the C60@3PBI(4-tBu)4 complex revealed two energy transfer processes. The first one comes from the excited PBI to the fullerene, which subsequently populates the triplet state. From the fullerene triplet state a second energy transfer occurs back to the PBI to generate the PBI triplet state. In all cycles that were studied by TA spectroscopy, symmetry-breaking charge separation (SB-CS) was observed in dichloromethane. This process is fastest within the PBI cyclophane 2PBI(4-tBu)4 and slows down for larger cycles, suggesting that the charge separation takes place through space and not through bonds. The charges then recombine to the PBI triplet state via a radical pair intersystem crossing (RP-ISC) mechanism, which could be used to generate singlet oxygen in yields of ~20%. By changing the solvent to toluene an intramolecular folding of the even-numbered larger cycles was observed that quenches the fluorescence and increases the 0-1 transition band in the absorption spectra. Force field calculations of 4PBI(4-tBu)4 suggested a folding into pairs of dimers, which explains the remarkable odd-even effect with respect to the number of connected PBI chromophores and the resulting alternation in the absorption and fluorescence properties. Thus, the even-numbered macrocycles can fold in a way that all chromophores are in a paired arrangement, while the odd-numbered cycles have open conformations (3PBI(4-tBu)4, 5PBI(4-tBu)4, 7PBI(4-tBu)4) or at least additional unpaired PBI unit (9PBI(4-tBu)4). With these experiments we could for the first time give insights in the interactions between cyclic PBI hosts and aromatic guest molecules. Associated with the encapsulation of guest molecules a variety of possible applications can be envisioned, like fluorescence sensing, chiral recognition and photodynamic therapy by singlet oxygen generation. Particularly, these macrocycles provide photophysical relaxation pathways of PBIs, like charge separation and recombination and triplet state formation that are hardly feasible in monomeric PBI dyes. Furthermore, diverse compound specific features were found, like the odd-even effect in the folding process or the transition of superficial nanostructures of the tetrameric cycle influenced by the AFM tip. The comprehensive properties of these macrocycles provide the basis for further oncoming studies and can serve as an inspiration for the synthesis of new macrocyclic compounds. / In dieser Arbeit wurde die Synthese para-Xylol-verbrückter Makrozyklen nPBI mit Ringgrößen von zwei bis neun PBI Einheiten beschrieben und deren photophysikalische Eigenschaften sowie Komplexierungsvermögen für polyzyklische aromatische Gastverbindungen analysiert. Mit einer reduzierten, aber noch substantiellen Fluoreszenzquantenausbeute von 21% in CHCl3 eignet sich der freie Wirt 2PBI(4-tBu)4 als dualer Fluoreszenzsensor. Durch die Aufnahme von elektronenarmen Gästen wird die zur Fluoreszenzlöschung führende Wechselwirkung zwischen den Chromophoren unterbunden, was sich in einer deutlichen Steigerung der Fluoreszenzquantenausbeute auf > 90% widerspiegelt („turn-on”). Andererseits führt die Zugabe elektronenreicher Gäste zu einem Elektronentransfer vom Gast auf die elektronenarmen PBI-Chromophore und quencht die Fluoreszenz damit nahezu vollständig („turn-off”). Die photophysikalischen Eigenschaften der Wirt-Gast Komplexe wurden mittels transienter Absorptionsspektroskopie weitergehend untersucht. Diese Studien zeigten, dass die Ladungstrennung zwischen Gast und 2PBI(4-tBu)4 in der „normalen Region“ der Marcus-Parabel stattfindet mit der schnellsten Ladungstrennungsrate für Perylen. Im Gegensatz dazu liegt die Ladungsrekombination zurück zum PBI Grundzustand weit in der „invertierten Region“ der Marcus-Parabel. Neben der Komplexierung flacher aromatischer Kohlenwasserstoffe in die Kavitäten der Cyclophane konnte auch die Aufnahme von Fullerenen in das zyklische Trimer 3PBI(4 tBu)4 beobachtet werden. 3PBI(4-tBu)4 weist eine röhrenartige Struktur auf, in der die PBI-Untereinheiten die Wände der Röhren darstellen. Damit hat die Kavität die optimale Größe für die Aufnahme von Fullerenen, wobei C70 besser hinein passt als C60 und damit eine um den Faktor 10 höhere Bindungskonstante besitzt. Transiente Absorptions-spektroskopie des C60@3PBI(4-tBu)4 Komplexes zeigte in Toluol zwei Energietransfer-prozesse auf. Der erste erfolgt vom angeregten PBI zum Fulleren, welches daraufhin den Triplettzustand populiert. Vom Fulleren-Triplettzustand erfolgt ein zweiter Energie-transfer zurück zum PBI, was schließlich im PBI-Triplett Zustand mündet. Für alle mittels transienter Absorptionsspektroskopie untersuchten Zyklen konnte eine symmetriebrechende Ladungstrennung in Dichlormethan beobachtet werden. Dieser Prozess ist für das PBI Cyclophan 2PBI(4-tBu)4 am schnellsten und wird mit zunehmender Ringgröße langsamer. Demnach ist die Ladungstrennung abhängig von der räumlichen Nähe der PBI Chromophore und nicht von deren Verbrückung. Im Anschluss erfolgt eine Ladungsrekombination zum PBI-Triplettzustand über ein Radikalpaar (radical pair intersystem crossing RP-ISC-Mechanismus), was zur Gewinnung von Singulettsauerstoff in Ausbeuten von ~20% genutzt werden konnte. Bei Verwendung von Toluol als Lösungsmittel wurde eine intramolekulare Faltung der geradzahligen größeren Zyklen beobachtet, wodurch die Fluoreszenz gequencht und die 0-1 Übergangsbande der Absorption verstärkt wird. Kraftfeldberechnungen für 4PBI(4 tBu)4 legen eine Faltung zu Dimerpaaren nahe, welche den außergewöhnlichen gerade-ungerade Effekt bezogen auf die Anzahl der verknüpften PBI Chromophore und die daraus resultierende Alternanz in den Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften erklärt. Dementsprechend können die geradzahligen Makrozyklen in der Art falten, dass alle Chromophore in einer gepaarten Anordnung vorliegen, während die ungeradzahligen Zyklen offene Konformationen (3PBI(4 tBu)4, 5PBI(4 tBu)4, 7PBI(4 tBu)4) oder zumindest teilweise ungepaarte PBI-Einheiten (9PBI(4 tBu)4) aufweisen. Mit zunehmender Ringgröße erhöht sich der Anteil an gefalteten Untereinheiten, was dazu führt, dass sich die optischen Eigenschaften des ungeradzahligen 9PBI(4 tBu)4 Zyklus den vollständig gefalteten Systemen angleicht. Mit diesen Experimenten konnten wir erstmals Enblicke in die Wechselwirkungen zwischen zyklischen PBI-Wirten und aromatischen Gastmolekülen geben. Verbunden mit der Aufnahme von Gastmolekülen ist eine Reihe möglicher Anwendungen wie Fluoreszenzsensorik, Chiralitätserkennung und photodynamische Therapie über die Generierung von Singulettsauerstoff denkbar. Insbesondere ermöglichen diese Makrozyklen photophysikalische Relaxationspfade von PBIs wie die Ladungstrennung und –rekombination und die Ausbildung von Triplettzuständen, welche in monomeren PBI-Frabstoffen nur schwer realisierbar sind. Weiterhin konnten einige verbindungs-spezifische Eigenschaften gefunden werden, wie den gerade-ungerade Effekt im Faltungsprozess oder die für den tetrameren Zyklus gefundene Umwandlung von Oberflächennanostrukturen unter dem Einfluß der AFM-Spitze. Die reichhaltigen Eigenschaften dieser Makrozyklen bilden damit die Basis für weitergehende Untersuchungen und können als Inspiration für die Synthese neuer makrozyklischer Verbindungen dienen.

The catalytic splitting of water into its elements is an important reaction to establish hydrogen as a solar fuel. The bottle-neck of this process is considered to be the oxidative half reaction generating oxygen, and good catalysts are required to handle the complicated redox chemistry involved. As can be learned from nature, the incorporation of the catalytically active species into an appropriate matrix can help to improve the overall performance. Thus, the aim of the present thesis was to establish novel supramolecular approaches to improve water oxidation catalysis using the catalytically active {Ru(bda)} fragment as key motive (bda = 2,2'-bipyridine-6,6'-dicarboxylate). First, the synthesis of ruthenium catalysts gathering three {Ru(bda)} water oxidation subunits in a macrocyclic fashion is described. By using bridging bipyridine ligands of different lengths, metallosupramolecular macrocycles with distinct sizes have been obtained. Interestingly, an intermediate ring size has been proven to be optimal for the catalytic water oxidation. Detailed kinetic, spectroscopic, and theoretical studies helped to identify the reaction mechanism and to rationalize the different catalytic activities. Furthermore, solubilizing side chains have been introduced for the most active derivative to achieve full water solubility. Secondly, the {Ru(bda)} fragment was embedded into supramolecular aggregates to generate more stable catalytic systems compared to a homogeneous reference complex. Therefore, the catalyst fragment was equipped with axial perylene bisimide (PBI) ligands, which facilitate self-assembly. Moreover, the influence of the different accessible aggregate morphologies on the catalytic performance has been investigated. / Die katalytische Spaltung von Wasser in seine Elemente ist eine wichtige Reaktion für die Erzeugung von Wasserstoff als alternativem Brennstoff. Die Sauerstoff-erzeugende Halbreaktion gilt gemeinhin als Flaschenhals dieses Prozesses, weshalb effiziente Katalysatoren benötigt werden um die komplizierte Redoxchemie zu bewältigen. Die Natur als Vorbild lehrt uns, dass die Einbettung katalytisch aktiver Zentren in eine unterstützende Matrix dazu beitragen kann deren Leistung erheblich zu steigern. Ziel der vorliegenden Dissertation war daher die Etablierung neuartiger supramolekularer Ansätze zur Verbesserung der Wasseroxidationskatalyse. Als Katalysator-Leitmotiv diente das {Ru(bda)}-Fragment (bda = 2,2'-Bipyridin-6,6'-dicarboxylat). Zunächst wird die Synthese von Rutheniumkatalysatoren beschrieben, in denen drei {Ru(bda)}-Zentren in makrozyklischer Weise verknüpft sind. Durch die Verwendung von verbrückenden Bipyridin-Liganden unterschiedlicher Länge wurden metallosupramolekulare Makrozyklen mit verschiedenen Ringgrößen erhalten. Interessanterweise erwies sich eine mittlere Größe als optimal für die katalytische Wasseroxidation. Detaillierte kinetische, spektroskopische und theoretische Untersuchungen haben dazu beigetragen, den Reaktionsmechanismus zu identifizieren und die verschiedenen katalytischen Aktivitäten zu erklären. Darüber hinaus wurden löslichkeitsfördernde Seitenketten für den aktivsten Makrozyklus eingeführt, um eine vollständige Wasserlöslichkeit zu erreichen. Darüber hinaus wurde das {Ru(bda)}-Fragment in supramolekulare Aggregate eingebettet, um im Vergleich zu einem homogenen Referenzkomplex stabilere katalytische Systeme zu erzeugen. Dafür wurde das Katalysatorfragment mit axialen Perylenbisimid-Liganden ausgestattet, welche zur Selbstassemblierung neigen. In diesem Zusammenhang wurde der Einfluss der verschiedenen zugänglichen Aggregatmorphologien auf die katalytische Aktivität untersucht.

Die Liste der interessanten nachzuweisenden Analyte ist lang. Deswegen besteht ein großer Bedarf zur Entwicklung neuer fluoreszierender und kolorimetrischer Chemosensoren. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die Synthese und Charakterisierung neuer optischer bzw. fluoreszierender und kolorimetrischer Chemosensoren mit dem Fokus auf die beiden Substanzklassen der Naphthalinbisimide und Perylenbisimide. Der erste Arbeitsschwerpunkt befasste sich mit wasserlöslichen Naphthalinbisimiden und ist in drei Unterkapitel aufgeteilt (Kapitel III – 1.1.-1.3., Abbildung 79). Im ersten Unterkapitel (Kapitel III – 1.1.) wurden die Synthesen und optischen Eigenschaften der am Kern Amino-substituierten NBIs 60a-h, mit Dicarbonsäureresten in Imid-Position und 61a-h, mit 2-Dimethylaminoethyl-Gruppen, in polaren Lösungsmitteln beschrieben. Die systematische Anbringung verschiedener Amino-Substituenten mit steigendem elektronenziehendem Charakter der Aminoreste diente der mechanistischen Aufklärung der optischen Eigenschaften. Eine vollständige Untersuchung der optischen Eigenschaften erfolgte in wässriger Pufferlösung bei pH 2.1 sowie in Methanol und Acetonitril. Der Einfluss der Imid-Substituenten auf die optischen Eigenschaften war wie zu erwarten gering. Die verschiedenen Kern-Substituenten verursachten hingegen eine hypsochrome Verschiebung der Absorptions- und Fluoreszenzmaxima mit steigendem elektronenziehendem Charakter der an der Aminogruppe angebrachten Reste. Ein unerwarteter Trend konnte im Fall der Fluoreszenzquantenausbeute beobachtet werden. In den protischen Lösungsmitteln Wasser und Methanol wurde eine lineare Abhängigkeit gegenüber der Hammett-σmeta-Konstante ermittelt. Mit steigendem elektronenziehendem Charakter der Kern-Amino-Substituenten erfuhr die Quantenausbeute einen Anstieg auf bis zu 39% in Wasser für NBI 60h, 61h und 45% in Methanol für 60h. Die Tatsache, dass in Acetonitril keine solche Abhängigkeit gegenüber der Hammett-Konstante beobachtet werden konnte legte eine intermolekulare Wasserstoffbrücken-Bindung im angeregten Zustand als konkurrierenden Prozess zur Fluoreszenz nahe. Dieser Prozess tritt zwischen den Lösungsmittel-Molekülen und der Akzeptorgruppe (Carbonyl-Sauerstoff) der NBIs, welcher einen strahlungslosen Relaxationsprozess bzw. Fluoreszenzlöschung zur Folge hat, auf. Der Einfluss dieses Prozesses lässt sich durch die Stärke des elektronenziehenden Amino-Substituentens steuern. Die NBIs 60a-h zeigten zudem in potentiometrischen Titrationen in Wasser eine pH-Unabhängigkeit der optischen Eigenschaften bezüglich des Imid-Substituentens. Dies macht die NBIs mit Dicarbonsäureresten für die Anwendung in biologischen Systemen im neutralen pH-Milieu oder als chemische Sensoren besonders geeignet. Aufgrund dieser interessanten Befunde wurde im zweiten Unterkapitel (Kapitel III – 1.2.) das dihalogenierte NBI 58 hinsichtlich der Sensoreigenschaften gegenüber primären, sekundären und tertiären Amin- bzw. Diamindampf sowie zur Frischekontrolle von Fleisch untersucht. Die Absorptions- und Fluoreszenz-spektroskopische Untersuchung des Dünnschichtfilms von NBI 58 zeigte die erfolgreiche, selektive Detektion von primären Aminen und Diaminen bzw. biogenen Aminen. Zum einen konnte mit bloßen Auge ein Farbumschlag von gelb nach rot und zum anderen Änderungen in den Absorptionsspektren wie die Entstehung einer neuen bathochrom verschobenen Bande im Dünnschichtfilm beobachtet werden. Die Erhöhung der Fluoreszenz wie auch die NMR-spektroskopische Untersuchung konnte hingegen ausschließlich in Lösung detektiert werden. Hiermit konnte die kovalente Wechselwirkung der Amin-Moleküle mit dem NBI 58 nachgewiesen werden. Trotz der erfolgreichen Detektion biogener Amindämpfe erwies sich NBI 58 aufgrund der zu geringen Reaktivität als ungeeigneter chemischer Sensor zur Frischekontrolle von Fleisch. Das dritte und letzte Unterkapitel (Kapitel III – 1.3.) dieses Abschnittes bestand in der Synthese monochlor-monoamino-substituierter NBIs am Kern (65a,b und 66) und der Wechselwirkungen dieser Farbstoffe mit DNS/RNS. Die NBIs 65a,b und 66 wiesen in der Imidstellung 3-Trimethylammoniumpropyl auf, um die Wasserlöslichkeit zu gewährleisten und die elektrostatische Wechselwirkung mit dem negativ geladenen Phosphatrückgrad der DNS/RNS zu bewirken. Am Kern wurden die Aminosäuren (S)-2,3-Diaminopropionsäure (L-Dap) (65a) und (S)-2,6-Diaminohexansäure (L-Lys) (65b) sowie 2-Trimethylammoniumethylamin (66) eingefügt. Die Untersuchungen mit Hilfe von thermischen Denaturierungsstudien zeigten mit allen NBIs eine deutliche Schmelzpunkterhöhung der DNS/RNS (ΔTm-Werte zwischen 17 und 35 °C), was die Bildung von NBI/Polynukleotid-Komplexen nahelegte. Diese Komplex-Bildung konnte erneut aufgrund enormer Fluoreszenzlöschung in fluorimetrischen Titrationsstudien bestätigt werden. Hier wurden Bindungskonstanten zwischen logK = 5.9 und 7.2 M-1 ermittelt, wobei NBI 65a und poly(dG-dC)2 der stärksten Bindungsaffinität und NBI 65a und poly(dA-dT)2 der schwächste zugeordnet werden konnte. Für NBI 66 wurde die zweithöchste Bindungsaffinität zu Polynukleotid ct-DNS (logK = 7.08 M-1) beobachtet, während dieser Farbstoff sowie 65a,b nur geringe Bindungskonstanten mit dem Polynukleotid polyA-polyU zeigten. Mit Hilfe der CD-spektroskopischen Messungen wurde der Bindungsmodus und die Unterschiede in den Bindungseigenschaften der Farbstoffe mit DNS/RNS ermittelt. Der Großteil aller NBI-Verbindungen interkalierte in einer parallelen Anordnung zwischen die Basenpaare der Polynukleotide. Für NBI 65a und poly(dG-dC)2 ließ sich jedoch eine perpendikulare Anordnung zu den Basenpaaren beobachten. ITC-Titrationsstudien komplettierten letztendlich die Untersuchungen zwischen NBIs und Polynukleotiden. Neben Interkalation als Bindungsmodus konnte zusätzlich aufgrund der relativ hohen Entropiewerte eine Wechselwirkung zwischen den Substituenten am Kern und den Phosphatgruppen in der kleinen Furche festgestellt werden. Zusammengefasst sind die sterischen Hinderungen der Amino-Substituenten und die Furcheneigenschaften von ds-DNS/RNS entscheidend. Der zweite Arbeitsschwerpunkt ist ebenfalls in drei Unterkapitel (Kapitel III – 2.1.-2.3.) aufgeteilt und befasste sich mit der Synthese und den Sensoreigenschaften kernfunktionalisierter Perylenbisimide (Abbildung 80). Im ersten Abschnitt (Kapitel III – 2.1) wurde die Synthese und die optischen Eigenschaften in Lösung der am Kern einfach und zweifach Kronenether-funktionalisierten PBIs 77a,b und 71a,b untersucht. In Imidstellung waren alle PBIs mit 2-Trimethylammoniumethyl-Resten funktionalisiert, um eine Löslichkeit in polaren Lösungsmitteln zu gewährleisten. Die Buchtpositionen wurden jeweils ein- bzw. zweifach mit den Kronenether-Einheiten 2-Hydroxymethyl-15-Krone-5 und 2-Hydroxymethyl-18-Krone-6 substituiert. Die anschließende Untersuchung der optischen Eigenschaften der PBIs zeigten bei einer Konzentration von 10-5 M in Acetonitril den monomeren Zustand und in Wasser die Ausbildung von H-Aggregaten. Die Fluoreszenzquantenausbeuten erfuhren in Acetonitril mit steigender Kronenether-Ringgröße eine Zunahme von 73% auf 81% für die PBIs 71a,b und eine vernachlässigbare geringe Zunahme von 49% auf 51% für die PBIs 77a,b. Die Abnahme der Quantenausbeute vom zweifach funktionalisierten zum einfach funktionalisierten PBI um ca. 30% ließ sich durch die stärker ausgeprägten strahlungslosen Relaxationsprozesse dieses flexibleren Moleküls im angeregten Zustand erklären. Im zweiten Unterkapitel (Kapitel III – 2.2.) wurden die Selbstassemblierungseigenschaften der synthetisierten PBIs 71a,b und 77a,b in Gegenwart verschiedener Metallionen (Na+, K+, Rb+, Mg2+, Ca2+ und Ba2+) untersucht. Hier konnte eine Abhängigkeit von der Größe des Kronenether-Rezeptors sowie von der Art der Metallionen gezeigt werden. Die Absorptions- und Fluoreszenz-spektroskopischen Studien der zweifach funktionalisierten PBIs 71a und 71b bei einer PBI-Konzentration von c = 10-5 M zeigten ausschließlich für das 15-Krone-5-Derivat 71a und Ba2+ eine erfolgreiche Ausbildung von PBI-Stapeln mit H-artiger exzitonischer Kopplung. Aufgrund dessen erfuhr das Absorptionsmaximum eine stetige Abnahme einhergehend mit einer hypsochromen Verschiebung und die Fluoreszenz eine vollständige Löschung. Zudem konnte eine 1:1-Stöchiometrie der PBI-Stapeln ermittelt werden. Die Anpassung der spektroskopischen Änderungen an die Hill-Gleichung bestätigte letztendlich die Bildung eines [2+2]-Sandwich- bzw. Dimer-Komplexes in einem positiv kooperativen Bindungsprozess, in dem mittels ITC eine enorme Stabilisierung der Ba2+-Komplexierung aufgrund der π-π-Wechselwirkung zwischen zwei PBI-Molekülen, beobachtet wurde. Die Durchführung der Titrationsexperimente bei einer höheren PBI-Konzentration (c = 10-4 M) zusammen mit DOSY-Experimenten versicherten auch in diesem Fall die Formation diskreter Dimerkomplexe. Das einfach funktionalisierte PBI 77a zeigte in der Anwesenheit von Ba2+ ähnliche optische Änderungen. Die nachfolgenden Untersuchungen bzw. Interpretationen bestätigten die Bildung eines [1+2]-Dimerkomplexes mit H-artiger exzitonischer Kopplung, welches aufgrund der flexibleren Komplexstruktur keine Stabilisierung der Ba2+-Komplexierung erfuhr. Neben der Metallionen-Komplexierung war PBI 71b auch in der Lage, in einer 1:2-Stöchiometrie aromatische Aminosäuren und Dipeptide zu erkennen (Kapitel III – 2.3.), da hier sowohl die Ammoniumgruppen der Aminosäuren und Dipeptide mit den Kronenethereinheiten als auch die aromatischen Einheiten mit dem PBI-Kern wechselwirken können. Fluoreszenz-Titrationsexperimente zeigten, dass die Aminosäuren L-Tryptophan und L-Tyrosin, welche elektronenreiche aromatische Gruppen aufweisen, und Dipeptide, die diese Aminosäuren enthalten, die Fluoreszenz des PBIs stark löschen. Die Bindungskonstanten der Wirt-Gast-Komplexierung in Acetonitril konnten aufgrund eines statischen Löschungsprozesses aus den Fluoreszenztitrationsdaten bestimmt werden. Hier wurde beobachtet, dass die Bindungsstärke von der Größe und der elektronischen Natur der aromatischen Einheiten sowie von dem Abstand zwischen der Ammoniumgruppe und der aromatischen Einheit in Aminosäuren und Dipeptiden abhängt. Die stärkste Bindung konnte zwischen Ala-Trp und PBI 71b mit einem Wert von 3.1 x 105 M-1 beobachtet werden. NMR-Studien bestätigten ebenfalls die Wirt-Gast-Komplexierung, ließen jedoch offen, ob es zu der Bildung von zwei Diastereomeren aufgrund der eingeschränkten Umwandlung der Atrop-Enantiomere (P und M) des PBI 71b kommt oder zu der Bildung von vier Diastereomeren infolge des Chiralitätszentrums im Kronenether. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit Naphthalinbisimde und Perylenbisimide hinsichtlich ihrer Eignung als optische Chemosensoren untersucht. Die NBI-Derivate agierten aufgrund ihrer interessanten optischen Eigenschaften als chemische Sensoren selektiv für primären Amindampf und für die DNS/RNS-Wechselwirkung. Im Fall der PBI-Verbindungen wurden hervorragende fluorometrische Chemosensoren ermittelt, die Ba2+-Ionen und elektronenreiche aromatische Aminosäuren und Dipeptide in einer deutlichen Fluoreszenzlöschung detektieren können. / The list of interesting analytes to be detected is long, therefore there is a great need for the development of new simpler fluorescent and colorimetric chemosensors because of their high sensitivity and selectivity for visual discrimination. Thus, the aim of the present work was the synthesis and characterization of new optical respectively fluorescent and colorimetric chemosensors with the focus on the substance classes naphthalene bisimide and perylene bisimide. The first focus of this work dealt with water-soluble naphthalene bisimides and is divided into three subchapters (Chapter III – 1.1.-1.3., Figure 1). In the first subchapter (Chapter III – 1.1.), the syntheses and optical properties of the amino-substituted NBIs 60a-h with dicarboxylic acid residues in the imide position and 61a-h with 2-dimethylaminoethyl groups, were described in polar solvents. The systematic attachment of various amine substituents with increasing electron-withdrawing character of the amino residues served the mechanistic elucidation of the optical properties. A complete examination of the optical properties was carried out in aqueous buffer solution at pH 2.1 as well as in methanol and acetonitrile. As expected, the influence of the imide substituents on the optical properties was not significant. However, the different core substituents caused a hypsochromic shift of the absorption and fluorescence maxima with increasing electron-withdrawing character of the amino residues. An unexpected trend could be observed with regard to fluorescence quantum yield. In protic solvents, like water and methanol, a linear dependence of the Hammett constants was determined. Thus, with increasing electron-withdrawing character of the core-amino substituents the quantum yield increased to 39% in water for NBI 60h, 61h and to 45% in Methanol for 60h. The fact that no linear dependence was observed with respect to Hammett σmeta constants in acetonitrile, suggested an excited-state intermolecular hydrogen bond as a competitive process to fluorescence. This process occurs between the solvent molecules and the acceptor group (carbonyl oxygen) of the NBIs, which results in a radiationless relaxation process or fluorescence quenching. The influence of this process can be controlled by the strength of the electron-withdrawing amino substituent. In addition, the NBIs 60a-h showed a pH-independence of the optical properties with respect to the imide substituent in potentiometric titrations in water. This characteristic makes NBIs with dicarboxylic acid residues in particular suitable for the use in biological systems in a neutral pH environment or as chemical sensors. Because of these interesting results, the second subchapter (Chapter III - 1.2.) examined the dihalogenated NBI 58 with regard to sensing properties of primary, secondary and tertiary amine or diamine vapor as well as for freshness control of meat. The absorption and fluorescence spectroscopic studies of a thin film of NBI 58 successfully demonstrated the selective detection of primary amines and diamines respectively biogenic amines which is accompanied by absorption changes, such as the formation of a new bathochromic shifted band and the pronounced color change of the thin film can be observed by naked eye. The increase in fluorescence as well as the NMR spectroscopic investigation, however, could be determined only in solution. Hereby, the covalent interaction of the amine molecules with the NBI 58 could be proven. Despite the successful detection of biogenic amine vapors, NBI 58 proved to be an inappropriate chemical sensor for meat freshness control because of its low reactivity. The last subchapter (Chapter III – 1.3.) of this section consisted of the synthesis of monoamino-core-substituted NBIs and the investigation of the interactions of these dyes with DNA/RNA. NBIs 65a,b and 66 were equipped with 3-trimethylammonium propyl residues in the imide position to ensure water solubility and to cause electrostatic interaction with the negatively charged phosphate backbone of the DNA/RNA. Furthermore, the amino acids (S)-2,3-diaminopropionic acid (L-Dap) (65a) and (S)-2,6-diaminohexanoic acid (L-Lys) (65b) and 2-trimethylammonium ethylamine (66) were introduced to the core of the NBIs. Thermal denaturation studies showed for all NBIs a clear increase of the melting temperature of the DNA/RNA (ΔTm values between 17 and 35 °C) which can be attributed to the formation of NBI/polynucleotide complexes. This complex formation could also be confirmed by fluorometric titration studies due to an enormous fluorescence quenching. Hence, binding constants between logK = 5.9 and 7.2 M-1 were determined, whereby NBI 65a and poly(dG-dC)2 showed the strongest binding affinity and NBI 65a and poly(dA-dT)2 the weakest. A high affinity towards polynucleotide ct-DNA (logK = 7.08 M-1) was observed for NBI 66, whereas this dye and as well as 65a,b showed only low binding constants with the polynucleotide polyA-polyU. CD spectroscopic measurements were performed to determine the binding mode and the differences in the binding properties of the dyes with DNA/RNA. The majority of all NBI compounds intercalated in a parallel fashion between the base pairs of the polynucleotides, but for NBI 65a and poly(dG-dC)2 a perpendicular alignment with regard to the base pairs was observed.Finally, ITC titration studies completed investigations on interactions between NBIs and polynucleotides. In addition to an intercalation mechanism, the interaction of the amino core-substituents with the phosphate groups in the minor groove could be determined, due to relatively high entropy values. In summary, the steric hindrance of the amine substituents at the core and the groove properties of ds-DNA/RNA are crucial. The second focus of this work is also divided into three subsections (Chapter III – 2.1.-2.3.) and dealt with the synthesis and sensor properties of core-functionalized perylene bisimides (Figure 2). In the first section (Chapter III – 2.1.), the syntheses and optical properties of core-single and double crown ether functionalized PBIs 77a,b and 71a,b were investigated in solution. All PBIs were functionalized with 2-trimethylammoniumethyl residues at the imide position to ensure solubility in polar solvents. Bay positions were substituted once or twice with the crown ether units, 2-hydroxymethyl-15-crown-5 and 2-hydroxymethyl-18-crown-6. Subsequent investigation of the optical properties of the PBIs at a concentration of 10-5 M showed the monomeric state in acetonitrile and the formation of H-aggregates in water. Fluorescence quantum yields in acetonitrile increased with increasing ring size of the crown ethers from 73% to 81% for the PBIs 71a,b and a negligible small increase from 49% to 51% for the PBIs 77a,b. Decrease in quantum yield from the double functionalized to the single functionalized PBI by about 30% could be explained by the pronounced nonradiative relaxation processes of this flexible molecule in the excited state. In the second subchapter (Chapter III – 2.2.), the self-assembly properties of PBIs 71a,b and 77a,b were investigated in the presence of various metal ions (Na+, K+, Rb+, Mg2+, Ca2+, and Ba2+). Here, a dependence on the size of the crown ether receptor as well as on the type of metal ions could be shown. The absorption and fluorescence spectroscopic studies of the double functionalized PBIs 71a and 71b at a PBI concentration of c = 10-5 M showed successful formation of PBI stacks with H-type exciton coupling exclusively for the 15-crown-5 derivative 71a upon titration with Ba2+. Due to this, the absorption maximum experienced a decrease along with a hypsochromic shift and the fluorescence was completely quenched. In addition, a 1:1 stoichiometry of the PBI stacks could be determined. The fitting of the spectroscopic changes to the Hill equation finally confirmed the formation of a [2+2] sandwich complex in a positive cooperative binding process, in which an enormous stabilization of the Ba2+ complexation due to π-π interaction between two PBI molecules was observed by ITC experiments. Titration experiments at a higher PBI concentration (c = 10-4 M) revealed also in this case the formation of discrete dimer complexes which was further corroborated by DOSY experiments. The single functionalized PBI 77a showed similar optical changes in the presence of Ba2+. The subsequent studies or interpretations confirmed the formation of a [1+2] dimer complex with H-type exciton coupling, which did not undergo stabilization of Ba2+ complexation due to the more flexible complex structure. In addition to metal ion complexation, PBI 71b is also able to recognize aromatic amino acids and dipeptides in a 1:2 stoichiometry (Chapter III – 2.3.). The ammonium groups of the amino acids and dipeptides were complexed by the crown ether units and consequently, the aromatic moieties interact with the PBI core. Fluorescence titration experiments have shown that amino acids L-tryptophan and L-tyrosine bearing electron-rich aromatic groups and dipeptides containing these amino acids strongly quench the fluorescence of the PBI receptor. The binding constants of host-guest complexation could be determined from the fluorescence titration data due to a static quenching process. Hence, it has been observed that the binding strength is dependent on the size and electronic nature of the aromatic units as well as on the distance between the ammonium group and the aromatic unit in amino acids and dipeptides. The strongest binding affinity was observed for Ala-Trp and PBI 71b with a value of 3.1 x 105 M-1. NMR studies also confirmed host-guest complexation, but revealed the formation of two diastereomers due to restricted conversion of the atropo-enantiomers (P and M) of PBI 71b or the formation of four diastereomers due to the chirality center in the crown ether. In summary, in this work naphthalene bisimide and perylene bisimide were investigated for their suitability as optical chemosensors. Because of their interesting optical properties, the NBI derivatives acted as chemical sensors selectively for primary amine vapor and for interaction with DNA/RNA. In the case of PBI compounds, excellent fluorometric chemosensors have been determined that can detect Ba2+ ions and electron-rich aromatic amino acids and dipeptides resulting in a significant fluorescence quenching.

In light of the rapidly increasing global demand of energy and the negative effects of climate change, innovative solutions that allow an efficient transition to a carbon-neutral economy are urgently needed. In this context, artificial photosynthesis is emerging as a promising technology to enable the storage of the fluctuating energy of sunlight in chemical bonds of transportable “solar fuels”. Thus, in recent years much efforts have been devoted to the development of robust water oxidation catalysts (WOCs) leading to the discovery of the highly reactive Ru(bda) (bda: 2,2’-bipyridine-6,6’-dicarboxylic acid) catalyst family. The aim of this thesis was the study of chemical and photocatalytic water oxidation with functionalized Ruthenium macrocycles to explore the impact of substituents on molecular properties and catalytic activities of trinuclear macrocyclic Ru(bda) catalysts. A further objective of this thesis comprises the elucidation of factors that influence the light-driven water oxidation process with this novel class of supramolecular WOCs. / Innovative Ansätze zur Ermöglichung eines effizienten Übergangs zur CO2-Neutralität werden angesichts der schnell steigenden Nachfrage nach Energie und der negativen Effekte des Klimawandels dringend gesucht. In diesem Zusammenhang hat das Konzept der künstlichen Photosynthese in den letzten Jahren für besondere Aufmerksamkeit gesorgt. In dieser Hinsicht erscheinen in 2009 erstmals beschriebenen Ru(bda) (bda: 2,2’-bipyridin-6,6’-dicarbonsäure) Wasseroxidationskatalysatoren besonders vielversprechend. Das Ziel dieser Forschungsarbeit war die Untersuchung von funktionalisierten Ruthenium Makrozyklen in der chemischen und photokatalytischen Wasseroxidation, um den Einfluss der Substituenten in den Liganden auf molekulare Eigenschaften und katalytische Aktivitäten der Makrozyklen zu analysieren. Des Weiteren sollten Faktoren identifiziert werden, welche Einfluss auf die Effizienz der Photokatalyse mit dieser neuartigen Klasse von supramolekularen Katalysatoren ausüben.

The aim of the first part of this thesis was to investigate (R,R)-PBI as a model system for polymorphism at its origin by a supramolecular approach. The pathway complexity of (R,R)-PBI was fine-tuned by experimental parameters such as solvent, temperature and concentration to make several supramolecular polymorphs accessible. Mechanistic and quantum chemical studies on the kinetics and thermodynamics of the supramolecular polymerization of (R,R)-PBI were conducted to shed light on the initial stages of polymorphism. The second part of this work deals with mechanistic investigations on the supramolecular polymerization of the racemic mixture of (R,R)- and (S,S)-PBI with regard to homochiral and heterochiral aggregation leading to conglomerates and a racemic supramolecular polymer, respectively. / Das Ziel des ersten Teils der Dissertation war es, anhand des Modellsystems (R,R)-PBI Polymorphismus mit Hilfe eines supramolekularen Ansatzes an dessen Ursprung zu untersuchen. Durch die Wahl geeigneter experimenteller Parameter wie Lösungsmittel, Temperatur und Konzentration wurden die komplexen Polymerisationspfade von (R,R)-PBI gezielt beeinflusst und verschiedene supramolekulare Polymorphe zugänglich gemacht. Mechanistische und quantenchemische Untersuchungen der Kinetik und Thermodynamik der supramolekularen Polymerisation von (R,R)-PBI wurden durchgeführt, um die Anfangsphase des Polymorphismus zu beleuchten. Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit befasst sich mit mechanistischen Untersuchungen der supramolekularen Polymerisation der racemischen Mischung aus (R,R)- und (S,S)-PBI im Hinblick auf homo- und heterochirale Aggregation, welche zu Konglomeraten beziehungsweise einem racemischen supramolekularen Polymer führte.

Squaraine dyes have attracted more attention in the past decade due to their strong and narrow absorption and fluorescence along with the easily functionalized molecular structure. One successful approach of core functionalization is to replace one oxygen of the squaric carbonyl group with a dicyanomethylene group, which shifts the absorption and emission into the near infrared (NIR) region and at the same time leads to a rigid, planar structure with C2v symmetry. However, such squaraines tend to aggregate cofacially in solution due to dispersion forces and dipole-dipole interactions, usually leading to H-type exciton coupling with undesired blue-shifted spectrum and quenched fluorescence. Therefore, the goal of my research was the design of dicyanomethylene-substituted squaraine dyes that self-assemble into extended aggregates in solution with J-type coupling, in order to retain or even enhance their outstanding optical properties. Toward this goal, bis(squaraine) dyes were envisioned with two squaraine units covalently linked to trigger a slip-stacked packing motif within the aggregates to enable J-type coupling. In my first project, bis(squaraine) dye BisSQ1 was synthesized, in which two dicyanomethylene squaraine chromophores are covalently linked. Concentration and temperature-dependent UV/Vis/NIR spectroscopy experiments reveal that BisSQ1 undergoes cooperative self-assembly resulting in J-type aggregates in a solvent mixture of toluene/1,1,2,2-tetrachloroethane (TCE) (98:2, v/v). The J type exciton coupling is evident from the significantly red shifted absorption maximum at 886 nm and the fluorescence peak at 904 nm. In conclusion, this was a first example to direct squaraine dye aggregation in solution to the more desired slip-stacked packing leading to J-type exciton coupling by simply connecting two dyes in a head-to-tail bis chromophore structure. Connecting two squaraine dyes with an additional phenylene spacer (BisSQ2) leads to two different polymorphs with very distinct absorption spectra upon cooling down a solution of BisSQ2 in a solvent mixture of toluene/TCE (98:2, v/v) with different rates. Accordingly, rapid cooling resulted in rigid helical nanorods with an absorption spectrum showing a panchromatic feature, while slow cooling led to a sheet-like structure with a significant bathochromic shift in the absorption spectrum. It was discovered that the conventional molecular exciton model failed to explain the panchromatic absorption features of the nanorods for the given packing arrangement, therefore more profound theoretical investigations based on the Essential States Model (ESM) were applied to unveil the importance of intermolecular charge transfer (ICT) to adequately describe the panchromatic absorption spectrum. Moreover, the red-shift observed in the spectrum for the sheet-like structure can be assigned to the interplay of Coulomb coupling and ICT-mediated coupling. Furthermore, the same bis-chromophore strategy was adopted for constructing an NIR-II emitter with a bathochromically-shifted spectrum. In chloroform, BisSQ3 exhibits an absorption maximum at 961 nm with a significant bathochromic shift (1020 cm−1) compared to the reference mono-squaraine SQ, indicating intramolecular J-type coupling via head-to-tail arrangement of two squaraine dyes. Moreover, BisSQ3 shows a fluorescence peak at 971 nm with a decent quantum yield of 0.33%. In less polar toluene, BisSQ3 self-assembles into nanofibers with additional intermolecular J-type coupling, causing a pronounced bathochromic shift with absorption maximum at 1095 nm and a fluorescence peak at 1116 nm. Thus, connecting two quinoline-based squaraines in a head-to-tail fashion leads to not only intra-, but also intermolecular J-type exciton coupling, which serves as a promising strategy to shift the absorption and emission of organic fluorophores into the NIR-II window while retaining decent quantum yields. In conclusion, my research illustrates based on squaraine dyes how a simple modification of the molecular structure can significantly affect the aggregation behavior and further alter the optical properties of dye aggregates. Elongated supramolecular structures based on dicyanomethylene substituted squaraine dyes were successfully established by covalently linking two squaraine units to form a bis-chromophore structure. Then, a simple but efficient general approach was established to direct squaraine dye aggregation in solution to the more desired slip-stacked packing leading to J-type exciton coupling by directly connecting two squaraine dyes in a head-to-tail fashion without spacer units. Moreover, the additional spacer between the squaraine dyes in BisSQ2 allowed different molecular conformations, which leads to two different morphologies depending on the cooling rates for a hot solution. Hence, this is a promising strategy to realize supramolecular polymorphism. In general, it is expected that the concept of constructing J-aggregates by the bis-chromophore approach can be extended to entirely different classes of dyes since J-aggregates possess a variety of features such as spectral shifts into the NIR window, fluorescence enhancement, and light harvesting, which are commonly observed and utilized for numerous fundamental studies and applications. Moreover, the insights on short-range charge transfer coupling for squaraine dyes is considered of relevance for all materials based on alternating donor-acceptor π-systems. The panchromatic spectral feature is in particular crucial for acceptor-donor-acceptor (ADA) dyes, which are currently considered as very promising materials for the development of bulk heterojunction solar cells. / Squarainfarbstoffe haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer hervorragenden optischen Eigenschaften, zu denen ein Cyanin-ähnliches Absorptions- und Fluoreszenzverhalten zählt, in Kombination mit einer leicht funktionalisierbaren Molekülstruktur immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen.22 Ein erfolgreicher Ansatz der Kernfunktionalisierung besteht darin, ein Sauerstoffatom der Quadratsäure-Carbonylgruppe durch eine Dicyanomethyleneinheit zu ersetzen, was die Absorption und Emission in den nahen infraroten (NIR-) Bereich verschiebt und gleichzeitig zu einer starren planaren Struktur mit C2v Symmetrie und einem Grundzustandsdipolmoment führt.27 Diese Eigenschaften haben sich als vorteilhaft für die π-π-Aggregation von diesen Squarainen auf G-Quadruplex (G4) Strukturen erwiesen, wie in Kapitel 6 beschrieben. Solche Squaraine neigen jedoch zur Bildung von Dimeren oder kleinen Aggregaten in Lösung mit kofazialen Chromophoranordnungen aufgrund Dispersionskräften und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen. Dies resultiert in der Regel zu einer H-artigen exzitonischen Kopplung mit unerwünschten, blauverschobenen Absorptionsbanden und gelöschter Fluoreszenz.28 Daher war das Ziel dieser Dissertation, Dicyanomethylen-substituierte Squarainfarbstoffe zu entwickeln, die sich in Lösung zu verlängerten Aggregaten mit J-artiger Kopplung selbst organisieren. Auf diese Weise sollten die ausgezeichneten optischen Eigenschaften der Squarainfarbstoffe erhalten oder sogar verbessert werden. Zu diesem Zweck, wurden Bis(squarain)-Farbstoffe synthetisiert, in denen zwei Squarain-Einheiten kovalent verbunden sind, was zu einer gestapelten Anordnung mit longitudinalem Versatz innerhalb der Aggregate und damit zu einer J-artigen Kopplung führt. ...

Nucleic acids are not only one of the most important classes of macromolecules in biochemistry but also a promising platform for the defined arrangement of chromophores. Thanks to their precise organization by directional polar and hydrophobic interactions, oligonucleotides can be exploited as suitable templates for multichromophore assemblies with predictable properties. To expand the toolbox of emissive, base pairing nucleobase analogs several barbituric acid merocyanine (BAM) chromophores with tunable spectroscopic properties were synthesized and incorporated into RNA, DNA and glycol nucleic acid (GNA) oligonucleotides. A multitude of duplexes containing up to ten BAM chromophores was obtained and analysis by spectroscopic methods revealed the presence of dipolarly coupled merocyanine aggregates with properties strongly dependent on the chromophore orientation toward each other and the backbone conformation. These characteristics were exploited for various applications such as FRET pair formation and polymerase chain reaction (PCR) experiments. The observed formation of higher-order aggregates implies future applications of these new oligonucleotide-chromophore systems as light-harvesting DNA nanomaterials. Besides oligonucleotide templated covalent assembly of chromophores also non-covalent nucleic acid-chromophore complexes are a broad field of research. Among these, fluorogenic RNA aptamers are of special interest with the most versatile ones based on derivatives of the GFP chromophore hydroxybenzylidene imidazolone (HBI). Therefore, new HBI-derived chromophores with an expanded conjugated system and an additional exocyclic amino group for an enhanced binding affinity were synthesized and analyzed in complex with the Chili aptamer. Among these, structurally new fluorogenes with strong fluorescence activation upon binding to Chili were identified which are promising for further derivatization and application as color-switching sensor devices for example. / Nukleinsäuren sind nicht nur eine der wichtigsten Klassen biochemisch relevanter Makromoleküle, sondern stellen auch eine vielversprechende Plattform für die definierte räumliche Organisation kleiner funktioneller Moleküle, wie beispielsweise Chromophore, dar. Oligonu-kleotide können aufgrund ihrer präzise gegliederten Struktur, die durch gerichtete polare und hydrophobe Wechselwirkungen hervorgerufen wird, als nützliche Template für die mehrfache kovalente und nicht-kovalente Anordnung von Chromophoren zu Aggregaten mit vorhersagbaren spektroskopischen Eigenschaften genutzt werden. Obwohl eine Vielzahl solcher Chromophorsysteme bereits in der Literatur beschrieben ist, basieren die meisten Chromophordesigns nur auf hydrophoben Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Chromophoren und lassen die intrinsische Fähigkeit kanonischer Nukleobasen, komplementäre Basenpaare zu bilden, außen vor. Allerdings liegt es auf der Hand, dass die Berücksichtigung dieser polaren Wechselwirkungen nicht nur zu einer Stabilisierung der Oligonukleotid-Sekundärstruktur führen kann, sondern auch die Interpretation spektroskopischer Effekte vereinfacht. Um das bekannte Spektrum emittierender Nukleobasen-Analoga zu erweitern und den zusätz-lichen Einfluss dieser polaren Wechselwirkungen auszunutzen, wurden im Zuge dieser Arbeit verschiedene, strukturell unterschiedliche Barbitursäure-Merocyanin-Chromophore (BAM) entworfen. Die Barbitursäure-Akzeptoreinheit dieser künstlichen Nukleobasensurrogate ähnelt der Watson-Crick-Basenpaarungsseite der natürlichen T- und U-Nukleobasen und soll somit die Basenpaarung mit Adenosin ermöglichen. Durch die Kombination dieses Akzeptors mit unterschiedlich aufgebauten aromatischen Donoreinheiten, wie zum Beispiel Indol und Benzothiazol, konnten Merocyanine mit interessanten spektroskopischen Eigenschaften erhalten werden. Da die Konstitution des Nukleinsäurerückgrates einen starken Einfluss auf die Strukturparameter und die thermodynamische Stabilität der resultierenden Duplexstruktur hat, wurden die synthetisierten BAM-Chromophore in Phosphoramiditbausteine für die kovalente Assemblierung innerhalb verschiedener Oligonukleotidsysteme umgewandelt. Neben der Synthese entsprechender DNA- und RNA-Nukleotide wurden die BAM-Chromophore auch als Glykolnukleinsäure-Bausteine (GNA) mit einem azyklischen Rückgrat hergestellt. Der erfolgreiche Einbau der erhaltenen künstlichen Nukleoside konnte durch Festphasensynthese erreicht werden, wobei über 100 modifizierte Einzelstränge erhalten werden konnten. Die Hybridisierung der künstlichen Oligonukleotid-Einzelstränge mit ihren jeweiligen Gegensträngen führte zu einer Vielzahl kurzer Duplexstrukturen mit bis zu zehn BAM-Chromophoren in unterschiedlicher Anordnung. Mithilfe verschiedenster spektroskopischer Methoden konnte ein Einblick in die strukturelle Organisation der Merocyanine innerhalb dieser Systeme erhalten werden, wobei sich die Bildung dipolar-gekoppelter Merocyanin-Dimere und -Multimere zeigte. Die hierfür erforderliche ungewöhnliche \textit{syn}-Konformation der BAM-Chromophore wurde weiterhin durch Oligonukleotid-NMR bestätigt. Erstaunlicherweise wiesen die spektroskopischen und thermodynamischen Eigenschaften BAM-modifizierter Nukleinsäuren eine starke Abhängigkeit von der Chromophororientierung und der Konformation des Rückgrates auf. Dieser Effekt konnte für verschiedene Anwendungen wie die Bildung von FRET-Paaren und die Verwendung als internes fluoreszentes Stop-Nukleotid in Polymerasekettenreaktionen ausgenutzt werden. Mithilfe von Rasterkraftmikroskopie wurde außerdem die Bildung von Aggregaten höherer Ordnung beobachtet, was eine zukünftige Verwendung dieser neuen Oligonukleotid-Chromophor-Systeme als Materialien für Lichtsammelkomplexe oder für die DNA-Nanotechnologie denkbar macht. Ein weiteres großes Forschungsfeld neben kovalenten Chromophoranordnungen mit Oligonukleotiden als Templat sind nicht-kovalente Nukleinsäure-Chromophorkomplexe. Insbesondere fluorogene RNA-Aptamere sind hier von großer Bedeutung wobei die wichtigsten auf der Fluoreszenzaktivierung von Derivaten 4-Hydroxybenzylidenimidazolon-Fluorophors (HBI), dem Chromophor des natürlich vorkommenden grün fluoreszierenden Proteins (GFP), beruhen. Allerdings zeigen viele der berichteten Aptamer-Ligand-Systeme signifikante Nachteile wie unter anderem unspezifische Bindung, eine starke Tendenz zu Photoisomerisierung oder ineffiziente Zellpermeabilität. Deshalb wurden im Zuge dieser Arbeit neue, von HBI abgeleitete Chromophore mit einem vergrößerten konjugierten $\uppi$-System und einer zusätzlichen exozykli-schen Aminogruppe für eine erhöhte Bindungsaffinität synthetisiert und im Komplex mit dem bekannten Chili-Aptamer untersucht. Einige dieser strukturell neuen Chromophore zeigten einen starken Anstieg der Emission bei Bindung an dieses Aptamer und wurden daher weiter charakterisiert. Sie stellen eine vielversprechende Möglichkeit für weitere Derivatisierung und die zukünftige Anwendung beispielsweise als schaltbare Aptamer-basierte Fluoreszenzsensoren dar.

Krebs gehört zu einem der zentralen Leiden der 21. Jahrhunderts und ist in den einkommensstarken Ländern die zweithäufigste Todesursache. Die Erkrankung Multiples Myleom (MM) gehört mit 1.3 % aller Krebserkrankungen zwar zu den seltenen Formen, verläuft jedoch meist tödlich und zeichnet sich durch eine unkontrollierte Entartung der monoklonaler Plasmazellen im Knochenmark aus. Da maligne Zellen dauerhaft internen und externen Stressfaktoren ausgesetzt sind und auf die Hitzeschutzantwort angewiesen sind, stellen die Komponenten des Hitzeschocksystems wie z.B. Chaperone HSP70 und HSP90 bzw. der Hitzeschockfaktor HSF1 ein attraktives therapeutisches Ziel dar. Nachweislich führt die Inhibition des Chaperons HSP90 zur HSF1-vermittelten Hochregulation des Proteins HSP70, sodass die Hitzeschutzantwort der zytotoxischen Aktivität der Inhibitoren entgegenwirkt und die Therapieerfolgschancen mindert. Die vorliegende Doktorarbeit, die im Rahmen der Klinischen Forschergruppe 216 (CRU216) ausgearbeitet wurde, befasste sich einerseits mit der Erweiterung der bereits vorhandenen Substanzbibliotheken sowohl zur Inhibition des Proteins HSP70 als auch des Transkriptionsfaktors HSF1. Hierdurch sollten detailliertere Struktur-Wirkungs-Bezeugungen evaluiert werden. Weiterhin wurden die kooperierenden Arbeitsgruppen des Forschungsprojektes durch die Entwicklung und Herstellung von Substanzen unterstützt, um mit Hilfe vielseitiger Methoden die exakten Wirkmechanismen beider Verbindungsklassen zu verstehen und aufzuklären. Die bereits bestehende Substanzbibliothek der 3,4-Dihydroisochinolin-1(2H)-on-Derivate aus der vorangehenden Arbeit wurde erfolgreich um neue Carbonsäure- ((±) 6a-j) und Carbonsäureamidverbindungen ((±) 7b-e) erweitert. Durch die Substitution phenolischer Seitengruppen der Isoquinolinone gelang es, Säurederivate herzustellen, die eine höhere Zytotoxizität auf den INA-6-Zellen als die Leitstruktur AH073t aufwiesen. Dabei handelt es sich um die monobromierte Verbindung (±) 6c (EC50 = 0.17 µM) oder das Derivat mit einem kurzem Bromoethoxylinker (±) 6j (EC50 = 0.18 µM). Parallel hierzu wurde festgestellt, dass die Substitution aromatischer Seitengruppen durch aliphatische Reste ((±) 6h-i) zum kompletten Aktivitätsverlust führte. Durch dir fortführende Umsetzung zu den Amiden gelang die Herstellung des Derivates (±) 7c (EC50 = 0.47 µM), welches eine ähnliche Aktivität im Vergleich zu der Struktur AH122t ((±) 7a) zeigte. Weiterhin wurde Verbindung (±) 7d identifiziert, die eine sechsfach höhere Zytotoxizität von 34.8 nM im Vergleich zu der Leitstruktur (±) 7a (EC50 = 200 nM) aufwies. Die Trennung der trans-Enantiomere der Leitstruktur AH073t wurde erfolgreich mit Hilfe einer chiralen chromatographischen Methode durchgeführt und die Absolutkonfiguration mit Hilfe der Circulardichroismus-Spektroskopie (Arbeitskreis Bringmann) bestimmt. Durch die biologische Untersuchung an den MM-INA-6-Zellen (Arbeitskreis Chatterjee) wurde die enantiospezifische Aktivität des 3R,4R-Enantiomers bestätigt, wohingegen das 3S,4S-Isomer hingegen nicht aktiv war. Die angestrebte Amidierung zu enantiomerenreinen Substanzen führte gegen die Erwartung zu einem Diastereomerengemisch, da aufgrund des aciden Protons am Kohlenstoff C-4 die Carbonsäuren im Laufe der Synthese epimerisierten. Um die Epimerisierung an der aciden Position zu vermeiden, wurden neuartige Isochinolinoncarbonsäure-Derivate hergestellt, die erstmalig an dem Kohlenstoff C 4 substituiert wurden. Mit Hilfe einer Schutzgruppentechnik wurden in drei Syntheseschritten erfolgreich drei neue Derivate, nämlich eine fluorierte ((±) 11), methylierte ((±) 15) und ethylierte Verbindung ((±) 16), erhalten. Die Bestimmung der Absolutkonfiguration der fluorierten und ethylierten Spezies gelang durch die Röntgenstrukturanalyse der Einkristalle (Arbeitskreis Braunschweig). Dabei wurde festgestellt, dass die Alkylierungsreaktion stereospezifisch verliefen und ausschließlich cis-Derivate erhalten wurden. Die biologische Untersuchung dieser Substanzen bestätigte die Konfiguration, da alle drei Verbindungen keine Aktivität auf MM-INA-6-Zellen zeigten (EC50 >100 µM). Weiterhin wurde mit Hilfe einer UV-metrischen Messung die Sättigungskonzentration der neuen Derivate untersucht. Hierbei wurde festgestellt, dass die Substitution am Kohlenstoff C-4 zur Senkung der Löslichkeit geführt hat. Anhand der Proteinkristallstruktur des bHSC70 (C.Grimm) wurde ein TMAO-Molekül in der Nähe der der Interface-Oberfläche identifiziert. Basierend auf diesem Ergebnis wurde eine Methode zur Herstellung eines TMAO-Isochinolinonhybrides entwickelt, welches sich an der Leitstruktur AH073t orientierte. Während der Synthesesequenz ist es zu der Decarboxylierung des angestrebten 3,4-Dihydroisochinolin-1(2H)-on-Derivates gekommen, wodurch das neue Derivat 17 erhalten wurde. Nachdem die Reaktionsbedinungen variiert und die gewünschte Verbindung nicht erhalten wurde, wurde 17 im darauffolgenden Syntheseschritt erfolgreich zum TMAO-Hybrid 18 umgesetzt. Der Szintillationsnähenachweis (SPA) ist eine etablierte Methode, um mit Hilfe von radioaktivmarkierten Liganden Bindungsstudien im Hochdurchsatzformat durchzuführen und hier die Bindungsposition der Isochinolinon-Derivate zu untersuchen. Die Substanz AH122t diente hierbei als Leitstruktur zur Entwicklung einer Methode zur Radioaktivmarkierung der potentiellen HSP70-Inhibitoren, sodass die aktivierte Stanylverbindung (±) 19 erhalten wurde. Diese Verbindung konnte in der Gegenwart von Chloramin T und des NaI-Salzes innerhalb von wenigen Sekunden zum Radioliganden (±) 7d* umgesetzt werden. Die Herstellung des Radioliganden wurde mittels einer entwickelten HPLC-Methode analysiert und validiert. Eine weitere Möglichkeit zur Evaluieren der potentiellen Bindungspartner der hergestellten Isochinolinon-Verbindungen bietet die Affinitätschromatographie gekoppelt mit der proteomischen Analyse mittels quantitativer Massenspektrometrie (Arbeitskreis Schlosser). Es gelang die Herstellung der Biotin-markierter Liganden (±) 23, der sich an der Leitstruktur AH073t orientierte, und (±) 25, der sich an AH081t orientierte. Die ersten Analysen mittels Affinitätschromatographie zeigten, dass mit dem Liganden (±) 23 überraschenderweise keine Proteine signifikant angereichert wurden, während mit dem Liganden (±) 25 zwar keine HSP70-Proteine angereichert, aber einige Komponenten der Hitzeschutzantwort wie die Phosphatidylinositol-Kinasen DNA-PK und ATM, und die Untereinheiten des Chaperons HSP90 identifiziert werden konnten. Die bereits bestehende Substanzbibliothek der -Acylaminocarboxamide wurde erfolgreich mit Hilfe der Ugi-Multikomponentenreaktion um die Derivate (±) 38c-g erweitert. Die Evaluierung der biologischen Aktivität erfolgte semiquantitativ mittels Westernblot und quantitativ mittels ELISA-Assay (Arbeitskreis Chatterjee), wobei die Beurteilung indirekt anhand des HSF1-vermittelten Regulationslevels des Chaperons HSP72 erfolgte. Hierbei wurden neue Verbindungen (±) 38c und (±) 38g mit dem ,-gesättigten Carbonylsystem identifiziert, die eine vergleichbare inhibitorische Aktivität wie die bereits bekannten ungesättigten Derivaten (±) 37l oder (±) 37m zeigten, was darauf hinweist, dass die inhibitorische Aktivität der  Acylaminocarboxamide nicht von der kovalenten Bindung des Michael-Systems verursacht wird. Um das Target der -Acylaminocarboxamide zu evaluieren, wurde auch hier die Durchführung der Affinitätschromatographie gekoppelt mit der Analyse mittels der quantitativer Massenspektrometrie angestrebt (Arbeitskreis Schlosser). In Anlehnung an die Synthesemethodik für die HSP70-Liganden wurden hierfür die Biotin-markierten Liganden (±) 42, (±) 44 und (±) 46 erfolgreich hergestellt, die sich durch die Position des Biotinlinkers unterscheiden. Die proteomische Untersuchung wurde erfolgreich mit den Liganden (±) 44 und (±) 46 durchgeführt und es wurden 68 Proteine signifikant angereichert. Viele dieser Proteine tragen die sogenannte Armadillo-Domäne, die eine wichtige Rolle in der Protein-Protein-Interaktion spielt und eine hochkonservierte Bindungstasche aufweist. Unter den angereicherten Proteinen befanden sich mitunter der MICOS-Komplex, der CCR4-NOT-Komplex und die Kinasen des Phosphatidylinositol-Signalwegs. Von den letzteren konnten explizit die Kinasen DNA-PK, ATM, ATR und mTOR identifiziert werden, die möglicherweise die HSF1-regulierte HSP70-Expression beeinflussen. Weiterhin wurde festgestellt, dass die Position des Linkers die Bindung an zwei unterschiedliche Proteingruppen beeinflusst. Während der Ligand (±) 44 ausschließlich mit den Proteinen des CCR4-NOT-Komplexes interagierte, wurden für den Liganden (±) 46 die Komponenten des COG Komplexes identifiziert. / Cancer is one of the emerging diseases of the current century and leads to every second death in the high-income countries. Multiple Myeloma (MM) is characterised by clonal proliferation of malignant plasma cells in the bone marrow. MM causes only about 1.3 % of all cancer cases but remains incurable due to resistance and huge relapse numbers. The heat shock response helps cells to deal with situation of stress and provides protection from cell death. Especially malignant cells must cope numerous internal and external stress factors and rely on proteins of the heat shock response as the chaperones HSP70/HSP90 but also the transcriptions factor HSF1. To date, it was already demonstrated that the pharmacological inhibition of the protein HSP90 leads to the HSF1-dependent upregulation of HSP70 causing resistance against agents. The current thesis, which was realised within the Clinical Research Unit 216 (CRU216), proposed the enlargement of the established substance libraries of both targets HSF70 and HSF1 to intense the investigation of the structure-activity relationships. Furthermore, the collaborating research groups within the CRU216 were supported by development of numerous compounds and realisation of diverse analytical methods for research of the interaction of new compounds and the potential targets HSP70 and HSF1. The substance library of 3,4-dihydroisoquinolin-1(2H)-one derivatives, which was established in the previous work, was successfully expanded with new carboxylic acid derivatives (±) 6a-j and amide derivatives (±) 7b-e. The substitution of the phenolic moieties enabled the synthesis of agents with higher activity towards INA-6-cell as the lead compound AH073t (Chatterjee group). The brominated derivative (±) 6c and the derivative with a short bromoethoxy linker (±) 6j showed similar EC50 values of 0.17 µM and 0.18 µM, respectively. Concurrently, the replacement of the aromatic residues with aliphatic moieties ((±) 6h-i) led to complete abrogation of the biological activity. In conclusion, the aromatic molecule residues are essential for the interaction of the inhibitors to the potential target. Among the new amide derivatives, the compound (±) 7c showed similar inhibitory activity as the lead compound AH122t ((±) 7a) from the previous work. Furthermore, it was possible to identify the derivative (±) 7d with the EC50 value of 34.8 nM which was six times more active than the lead compound A122t (EC50 = 200 nM). The enantiomers of the racemic lead compound AH073t were successfully separated by means of a chiral chromatographical method. The configuration of the enantiomers was determined by circular dichroism spectroscopy (Bringmann group). The investigation of the biological activity on INA-6-cells determined that the 3R,4R-isomer is the eutomer whereas the 3S,4S-enantiomer did not show any inhibitory activity (Chatterjee group). Unfortunately, the following amide synthesis led to the epimerisation due to the acidic proton at the carbon C-4 so that the isolation of enantiomeric pure amide compounds could not be achieved. As next, the acidic position of the 3,4-dihydroisoquinolinones was substituted to prevent the epimerisation. It was possible to establish three novel derivatives (±) 11 (fluorinated), (±) 15 (methylated) and (±) 16 (ethylated) in three synthesis steps. The analysis of the steric configuration of the compound (±) 11 and (±) 16 was achieved by X-ray crystallography. Additionally, the alkylation reactions were found to be stereospecific leading to formation of pure cis isomers. The investigation of the biological activity on INA-6-cells confirmed these results as all three compounds were not active (EC50 >100 µM). Furthermore, the saturation concentration of the novel substances was analysed UV-metric and it was observed that the substitution on the carbon C-4 led to decreased solubility. The protein crystal structure of the bovine HSC70 (C.Grimm) showed that a TMAO molecule was bound next to the identified interface domain. Based on this result, a method for synthesis of a TMAO-isoquinolinone hybrid was developed. During the synthesis, unexpected decarboxylation of the planed isoquinolinone carboxylic acid occurred so that the novel compound 17 was isolated. As changed reaction conditions did not lead to the formation of the desired product, 17 was successfully oxidised to the TMAO-derivative 18. Scintillation proximity assay (SPA) is a radioisotopic assay technique that allows fast performance of binding studies and could support the evaluation of the binding target of the 3,4 dihydroisoquinolinones. A synthesis method for a radiolabelled ligand was successfully developed using the iodised analogue of the lead compound AH122t. The synthesis of the activated trialkylstannane (±) 19 was accomplished, which was radiolabelled within seconds by the reaction with Chloramine T and NaI to obtain the radioligand (±) 7d*. The formation of the radioligand was controlled by a developed HPLC method. A further method for the identification of the drug target is affinity chromatography in combination with quantitative mass spectrometry (Schlosser group). A synthesis route was developed and two affinity ligands (±) 23 and (±) 25, which differ by the position of the Biotinlinker, were obtained. The initial experiments indicated that surprisingly no proteins were captured by means of the ligand (±) 23. The ligand (±) 25 enabled the capturing and identification of some significantly enriched heat shock response proteins as the PI3-kinases DNA-PK and ATM, and the subunits of the heat shock protein HSP90. However, HSP70 could not be determined as a target of (±) 25. The established library of the -acyl aminocarboxamides from the previous work was successfully enlarged by usage of the Ugi four component reaction and the derivatives (±) 38c g were obtained. The semi-quantitative Western blot analysis and quantitative ELISA-analysis were used as complementary readouts for the HSF1-dependent upregulation of HSP72 in the MM-INA-6 cell model (Chatterjee group). The ,-saturated carbonyl compounds (±) 38c and (±) 38g showed similar inhibitory activity as known derivatives with ,-unsaturated carbonyl moiety, e.g. (±) 37l or (±) 37m indicating that the Michael system and the related covalent binding to the target are unlikely. For the identification of the target of the -acyl aminocarboxamides affinity capturing experiment connected to quantitative mass spectrometry was performed (Schlosser group). The established synthesis method for preparation of biotinylated ligands was successfully applied to obtain three ligands (±) 42, (±) 44 and (±) 46. The derivatives (±) 42 und (±) 44 differ by a phenolic hydroxyl group and are linked at the same position to Biotin. The ligand (±) 46 was immobilised at a different molecule moiety to evaluate the binding effects to the target. The proteomic investigation with the ligands (±) 44 and (±) 46 allowed the identification of 68 significantly enriched proteins. Several captured proteins contain the so-called armadillo domain which is important for protein-protein interactions and exposes a highly conserved binding pocket. The significantly enriched proteins of both ligands were the MICOS-complex, the CCR4-NOT-complex and the kinases of the phosphatidylinositol-3-kinases signalling pathway, especially the kinases DNA-PK, ATM, ATR and mTOR. Further investigation of (±) 44 and (±) 46 revealed that the position of the linker affected the capturing results. While the ligand (±) 44 exclusively captured the proteins of the CCR4-NOT-complex, the proteins of the COG-complex only bound by the compound (±) 46.

In this thesis, the photophysics and spin chemistry of donor-photosensitizer-acceptor triads were investigated. While all investigated triads comprised a TAA as an electron donor and a NDI as an electron acceptor, the central photosensitizers (PS) were different chromophores based on the dipyrrin-motif. The purity and identity of all target compounds could be confirmed by NMR spectroscopy, mass spectrometry and elemental analysis. The first part of the work dealt with dipyrrinato-complexes of cyclometalated heavy transition metals. The successful synthesis of novel triads based on Ir(III), Pt(II) and Pd(II) was presented. The optical and electrochemical properties indicated charge separation (CS), which was confirmed by transient absorption (TA) spectroscopy. TA-spectroscopy also revealed that the process of CS is significantly slower and less efficient for the triads based on Pt(II) and Pd(II) than for the analogous Ir(III) triads. This is mostly due to a much more convoluted reaction pathway, comprising several intermediate states before the formation of the final charge separated state (CSS2). On the other hand, CSS2 exhibits long lifetimes which are dependent on the central metal ion. While the Ir(III) triads show lifetimes of about 0.5 µs in MeCN, the Pt(II) and Pd(II) analogues show lifetimes of 1.5 µs. The magnetic field effect on the charge recombination (CR) kinetics of CSS2 was investigated by magnetic field dependent ns-TA spectroscopy and could be rationalized based on a classical kinetic scheme comprising only one magnetic field dependent rate constant k±. The behavior of k± shows a clear separation of the coherent and incoherent spin interconversion mechanisms. While the coherent spin evolution is due to the isotropic hyperfine coupling with the magnetic nuclei of the radical centers, the incoherent spin relaxation is due to a rotational modulation of the anisotropic hyperfine coupling tensor and is strongly dependent on the viscosity of the solvent. This dependence could be used to measure the nanoviscosity of the oligomeric solvent pTHF, which was found to be distinctly different from its macroviscosity. The second part of the work dealt with bisdipyrrinato complexes and their bridged porphodimethenato (PDM) analogues. Initially, the suitability of the different chromophores for the use as PS in donor-acceptor substituted triads was tested by a systematic investigation of their steady state and transient properties. While the PDM-complex of Zn(II) and Pd(II) exhibited promising characteristics such as a high exited state lifetime and relatively intense emission, the purely organic parent PDM and the non-bridged bisdipyrrinato-Pd(II) complex were less suitable. The difference between the two Pd(II) complexes could be explained by a structural rearrangement of the non-bridged complex which results in a non-emissive metal centered triplet state with disphenoidal geometry. This rearrangement is prevented by the dimethylmethylene-bridges in the bridged analogue resulting in higher phosphorescence quantum yields and excited state lifetimes. With the exception of the Zn(II)PDM-complex, the synthesis of novel donor acceptor substituted triads could be realized for all desired central chromophores. They were investigated equivalently to the cyclometalated triads described in the first part. The steady state properties indicate a stronger electronic coupling between the subunits due to the lack of unsaturated bridges between the donor and the central chromophore. Photoinduced CS occurs in all investigated triads. Due to the low exited state lifetimes of the central chromophores, CSS is formed less efficiently for the triads based on the unbridged Pd(II)-complex as well as the purely organic PDM. In the triad based on the bridged Pd(II) complex, the CR of CSS2 is faster than its formation resulting in low intermediate concentrations. For its elongated analogue, this is not the case and CSS2 can be observed clearly. Although the spin-chemistry of the triads based on bisdipyrrinato-Pd(II) and porphodimethenato-Pd(II) is less well understood, first interpretations of the magnetic field dependent decay kinetics gave results approximately equivalent to those obtained for the cyclometalated triads. Furthermore, the MFE was shown to be useful for the investigation of the quantum yield of CS and the identity of the observed CSSs. In both parts of this work, the influence of the central photosensitizer on the photophysics and the spin chemistry of the triads could be shown. While the process of CS is directly dependent on the PS, the PS usually is not directly involved in the final CSSs. None the less, it can still indirectly affect the CR and spin chemistry of the CSS since it influences the electronic coupling between donor and acceptor, as well as the geometry of the triads. / In der vorliegenden Arbeit wurden die Photophysik und Spinchemie von Donor-Photosensibilisator-Akzeptor-Triaden untersucht. In allen untersuchten Triaden wurden Triarylamin (TAA) bzw. Naphthalindiimid (NDI) als Elektronen-Donor bzw. -Akzeptor verwendet. Der zentrale Photosensibilisator (PS) hingegen wurde variiert, behielt allerdings das Dipyrrin-Chromophor als gemeinsames Strukturmotiv bei. Alle Zielverbindungen wurden mittels NMR-Spektroskopie, Massenspektrometrie und Elementaranalyse auf Identität und Reinheit geprüft. Der erste Abschnitt der Arbeit beschäftigte sich mit cyclometallierten Dipyrrinato-Komplexen schwererer Übergangsmetalle. Die erfolgreiche Synthese von neuartigen Triaden mit Ir(III)-, Pt(II)- und Pd(II)- Zentralionen wurde beschrieben. Die optischen und elektrochemischen Eigenschaften der Verbindungen deuteten auf das Auftreten von Ladungstrennung hin was mit Hilfe transienter Absorptionsspektroskopie (TA) bewiesen werden konnte. Weiterhin ergab die Untersuchung der Stoffe, dass die Ladungstrennung in den Triaden mit Pd(II) und Pt(II) als Zentralion wesentlich langsamer und weniger effizient abläuft als in den analogen Verbindungen mit Ir(III) als Zentralion. Der resultierende ladungsgetrennte Zustand (CSS2) weist eine hohe Lebenszeit auf, welche vom Zentralatom abhängt. Für Ir(III) beträgt diese ungefähr 0.5 µs, während sie für Pt(II) und Pd(II) auf ca. 1.5 µs ansteigt. Der Einfluss eines externen Magnetfeldes auf die Kinetik der Ladungsrekombination (CR) wurde mittels magnetfeldabhängiger ns-TA-Spektroskopie untersucht. Der auftretende Magnetfeldeffekt (MFE) konnte mit Hilfe eines klassischen Modells auf eine einzige magnetfeldabhängige Geschwindigkeitskonstante k± zurückgeführt werden. Der Verlauf von k± zeigt eine deutliche Trennung der kohärenten und inkohärenten Spin-Flip-Mechanismen. Während die kohärente Spin-Umwandlung auf die isotrope Hyperfeinkopplung mit den magnetischen Nuklei der Radikalzentren zurückgeht, wird die inkohärente Spin Relaxation durch die Rotationsmodulation des anisotropen Hyperfeinkopplung-Tensors hervorgerufen und ist daher stark abhängig von der Viskosität des Lösungsmittels. Dieser Umstand wurde dazu genutzt die Nanoviskosität des polymeren Lösungsmittels pTHF zu messen, welche stark von der angegebenen Makroviskosität abweicht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden zunächst mehrere Bisdipyrrinato-Metall-Komplexe sowie ihre verbrückten Porphodimethenato (PDM)-Analoga hinsichtlich ihrer Eignung als PS in Donor-Akzeptor-substituierten Triaden getestet. Während die verbrückten Zn(II)- und Pd(II)-Komplexe vielversprechende Eigenschaften wie langlebige angeregte Zustände und relativ intensive Emission aufweisen, erscheinen der unverbrückte Pd(II)-Komplex sowie der nicht komplexierte PDM-Ligand weniger geeignet. Der große Unterschied zwischen den beiden augenscheinlich ähnlichen Pd(II)-Komplexen ist auf eine strukturelle Reorganisation der Geometrie des unverbrückten Komplexes zurück zu führen. Diese resultiert in einem Metall-zentrierten Triplet-Zustand mit bisphenoidaler Geometrie, welcher schnell und strahlungslos in den Grundzustand übergeht. Im verbrückten Komplex hingegen verhindern die Dimethylmethylen-Brücken zwischen den beiden Dipyrrin-Chromophoren die strukturelle Umordnung und erhöhen daher die Lebenszeit und Quantenausbeute der Phosphoreszenz. Mit Ausnahme des Zn(II)-PDM-Komplexes konnten für alle geeigneten PS die entsprechenden Donor-Akzeptor substituierten Triaden synthetisiert werden. Diese wurden mit den bereits für die cyclometallierten Triaden beschriebenen Methoden untersucht. Da keine ungesättigte Verbindung zwischen Donor und PS vorhanden ist, sind die elektronischen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Untereinheiten nicht vernachlässigbar. In allen untersuchten Triaden konnte photo-induzierte Ladungstrennung (CS) nachgewiesen werden. Diese ist weniger effizient für Photosensibilisatoren in welchen der angeregte Zustand eine kurze Lebenszeit aufweist. Während für die Triade mit dem verbrückten Pd(II)-PDM-Komplex als PS, die CR von CSS2 schneller ist als seine Bildung, ist die Lebensdauer von CSS2 im verlängerten Anlog deutlich höher und CSS2 kann klar nachgewiesen werden. Obwohl die Spin-Chemie der Bisdipyrrinato- und Porphodimethenato-Triaden weniger gut untersucht wurden, ergab die Analyse der durchgeführten Magnetfeld-abhängigen Messung der CR-Kinetik Ergebnisse, die gut mit den Befunden für die cyclometallierten Triaden übereinstimmen. In beiden Teilen dieser Arbeit konnte der Einfluss des Photosensibilisators auf die Photophysik und Spin-Chemie der Triaden gezeigt werden. Während die CS direkt vom PS abhängt, ist dieser normalerweise nicht direkt am finalen CSS beteiligt. Dennoch kann der PS die CR und Spin-Chemie des ladungsgetrennten Zustandes indirekt beeinflussen, da er die elektronische Wechselwirkung zwischen Donor und Akzeptor sowie die Struktur der Triaden bestimmt.