Die Nutzung von Kraftstoffen auf der Basis von Biodiesel erlaubt es, konventionelle, etablierte Antriebstechniken mit Nachhaltigkeit zu kombinieren. Daher kann in den nächsten Jahren mit einer weiteren weltweiten Steigerung der Biodieselproduktion gerechnet werden. Damit verbunden ist jedoch auch ein Anstieg der anfallenden Menge an Glycerol, das bei der Herstellung von Biodiesel als Koppelprodukt entsteht. Da traditionelle Märkte für Glycerol kaum mehr Wachstum zeigen, müssen neue Wege zur effizienten Verwertung von Glycerol gefunden werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der heterogen-katalysierten Umsetzung von Glycerol zu Acrolein. Unter Verwendung von ZSM-5-Katalysatorproben mit unterschiedlichem Si/Al-Verhältnis und phosphorsäure-modifizierten Katalysatorproben konnte die Existenz von Synergieeffekten zwischen den texturellen, strukturellen und aciden Eigenschaften in der heterogen-katalysierten Glyceroldehydratisierung zu Gunsten der Acroleinselektivität eindeutig nachgewiesen werden. Eine selektive Umsetzung von Glycerol zu Acrolein wird daher an solchen Katalysatorproben ermöglicht, die ausgewogene texturelle, strukturelle und acide Eigenschaften aufweisen.

Three novel diferrocenyl complexes were prepared and characterised. 2,2-Diferrocenyl-4,5-dimethyl-3,6-dihydro-2H-thiopyran (1, sulphide) was accessible by the hetero-Diels–Alder reaction of diferrocenyl thioketone with 2,3-dimethyl-1,3-butadiene. Stepwise oxidation of 1 gave the respective oxides 2,2-diferrocenyl-4,5-dimethyl-3,6-dihydro-2H-thiopyran-1-oxide (2, sulfoxide) and 2,2-diferrocenyl-4,5-dimethyl-3,6-dihydro-2H-thiopyran-1,1-dioxide (3, sulfone), respectively. The molecular structures of 1 and 3 in the solid state were determined by single crystal X-ray crystallography. The oxidation of sulphide 1 to sulfone 3, plays only a minor role on the overall structure of the two compounds. Electrochemical (cyclic voltammetry (= CV), square wave voltammetry (= SWV)) and spectroelectrochemical (in situ UV-Vis/NIR spectroscopy) studies were carried out. The CV and SWV measurements showed that an increase of the sulphur atom oxidation from −2 in 1 to +2 in 3 causes an anodic shift of the ferrocenyl-based oxidation potentials of about 100 mV. The electrochemical oxidation of 1–3 generates mixed-valent cations 1+–3+. These monooxidised species display low-energy electronic absorption bands between 1000 and 3000 nm assigned to IVCT (= Inter-Valence Charge Transfer) electronic transitions. Accordingly, the mixed-valent cations 1+–3+ are classified as weakly coupled class II systems according to Robin and Day. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Acceptor copolymers with low lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) energy levels are key materials for organic electronics. In the present work, quaternization of pyridine-flanked diketopyrrolopyrrole (PyDPPPy) is used to lower the LUMO energy level of the resulting monomer (MePyDPPPy) by as much as 0.7 eV. The drastically changed electronic properties of MePyDPPPy hinder a second methylation step even in an excess of trimethyloxonium tetrafluoroborate and thereby give access to the asymmetric functionalization of N-heterocycle-flanked DPP building blocks. The corresponding n-type polymeric ionene PMePyDPPPyT2 with bithiophene as comonomer forms thixotropic organogels with the p-type polythiophene P(g42T-TT), indicative of specific cross-interactions between this couple of copolymers. Gelation of polymer blend solutions, which is absent for other couples of p-type/ n-type polymers, is of general interest for (co)processing and orientation of different electronic polymers simultaneously into films or filaments. Detailed optical and electronic characterization reveals that films processed from organogels exhibit ground-state electron transfer (GSET) enabled by suitably positioned highest occupied molecular orbital (HOMO) and LUMO energy levels of P(g42T-TT) (−4.07 eV) and PMePyDPPPyT2 (−4.20 eV), respectively. Furthermore, molecular interactions related to gelation and GSET do not appear to significantly influence the morphology of the polymer blend films.

Three novel diferrocenyl complexes were prepared and characterised. 2,2-Diferrocenyl-4,5-dimethyl-3,6-dihydro-2H-thiopyran (1, sulphide) was accessible by the hetero-Diels–Alder reaction of diferrocenyl thioketone with 2,3-dimethyl-1,3-butadiene. Stepwise oxidation of 1 gave the respective oxides 2,2-diferrocenyl-4,5-dimethyl-3,6-dihydro-2H-thiopyran-1-oxide (2, sulfoxide) and 2,2-diferrocenyl-4,5-dimethyl-3,6-dihydro-2H-thiopyran-1,1-dioxide (3, sulfone), respectively. The molecular structures of 1 and 3 in the solid state were determined by single crystal X-ray crystallography. The oxidation of sulphide 1 to sulfone 3, plays only a minor role on the overall structure of the two compounds. Electrochemical (cyclic voltammetry (= CV), square wave voltammetry (= SWV)) and spectroelectrochemical (in situ UV-Vis/NIR spectroscopy) studies were carried out. The CV and SWV measurements showed that an increase of the sulphur atom oxidation from −2 in 1 to +2 in 3 causes an anodic shift of the ferrocenyl-based oxidation potentials of about 100 mV. The electrochemical oxidation of 1–3 generates mixed-valent cations 1+–3+. These monooxidised species display low-energy electronic absorption bands between 1000 and 3000 nm assigned to IVCT (= Inter-Valence Charge Transfer) electronic transitions. Accordingly, the mixed-valent cations 1+–3+ are classified as weakly coupled class II systems according to Robin and Day. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Ausgangspunkt war die aus der Fulleren-Chemie bekannte Prato-Reaktion, bei welcher das Ylid in situ aus einer Aminosäure und einem Aldehyd generiert wird und anschließend mit den C=C-Bindungen des Fullerens reagiert. Diese Funktionalisierungsmethode wurde nun auf Detonationsnanodiamant übertragen. Um zusätzliche π-Bindungen auf der Oberfläche der Diamantteilchen zu schaffen, wurden diese i.Vak. bei 750 °C ausgeheizt (ND750). Für die Immobilisierung wurde die Aminosäure Sarcosin gewählt. Dodecanal und 2,4,6-Tris(hexadecyloxy)-benzaldehyd dienten jeweils als Reaktionspartner. Da bereits in früheren Studien gezeigt wurde, dass bei dieser Reaktion der Aldehyd selbst unspezifisch an den Diamanten binden kann und so möglicherweise Teile der Oberfläche für die spezifische Funktionalisierung blockiert, wurden für die weitere Betrachtung Azomethinylidvorstufen synthetisiert, die selbst nicht in der Lage sind, mit der Diamantoberfläche zu reagieren. Diesen Zweck erfüllten N-heterocyclische Iminiumbromide, die durch Umsetzung des jeweiligen Heteroaromaten mit Bromessigsäureethylester bzw. Bromacetonitril erhalten wurden. Alle Ylidvorstufen wurden in Gegenwart von NEt3 in situ zu den gewünschten Dipolen umgesetzt und auf Nanodiamant immobilisiert. Neben ND750 wurden auch oxidierter und unbehandelter Diamant (NDox bzw. NDunb) sowie Diamant, der bei 900 °C i.Vak. ausgeheizt wurde (ND900), als Substrat eingesetzt, um den Einfluss der Oberflächenterminierung und des Graphitisierungsgrades auf das Reaktionsverhalten zu studieren. Durch Raman- und IR-Spektroskopie wurde gezeigt, dass NDox sehr viele Carbonylgruppen und wenig C=C-Doppelbindungen auf seiner Oberfläche trägt. Durch das Ausheizen i.Vak wurden hingegen zusätzliche π-Bindungen erzeugt, die bei ND900 bereits ausgedehntere Bereiche mit sp2-Kohlenstoff bilden. Der Erfolg der Immobilisierung wurde IR-spektroskopisch nachgewiesen. Die Oberflächenbeladung aller hergestellten Diamantaddukte wurde thermogravimetrisch bestimmt. NDox immobilisierte unabhängig vom Reaktionspartner stets die wenigsten Moleküle auf seiner Oberfläche. Deren Terminierung wird von Carbonylgruppen dominiert, die grundsätzlich schlechtere Dipolarophile darstellen als C=C-Doppelbindungen. Die übrigen Diamantmaterialien NDunb, ND750 und ND900 ließen keine eindeutige Tendenz bezüglich ihrer Reaktionsfreudigkeit erkennen. Die Oberfläche des unbehandelten Diamanten NDunb besitzt sowohl Carbonylfunktionen als auch einzelne Bereiche graphitischen Kohlenstoffs. Diese konkurrieren vermutlich um die angebotenen Dipole, sodass die resultierenden Oberlächenbeladungen ihrer Konjugate in einem mittleren Wertebereich liegen. Durch das Ausheizen i.Vak. werden viele Carbonylgruppen unter Ausbildung weiterer C=C-Doppelbindungen von der Oberfläche entfernt. Bei 750 °C sind diese räumlich sehr beschränkt, stark gekrümmt und daher sehr reaktiv. Trotzdem erreichte ND750 selten eine Oberflächenbelegung, welche jene von NDunb übertrifft. Die π-Bindungen auf seiner Oberfläche sind in Fünf- und Sechsringe eingebaut, um die gekrümmte Struktur zu realisieren. Wahrscheinlich besteht für die Cycloaddition an Nanodiamant eine dem Fulleren C60 ähnliche Regioselektivität bezüglich der angegriffen Doppelbindung. Somit stehen nicht alle frisch erzeugten C=C-Bindungen für die Reaktion zur Verfügung. Bei 900 °C ist die Graphitisierung der Diamantoberfläche weiter fortgeschritten. Es entstehen nicht nur neue C=C-Bindungen, sondern bereits gebildete Kohlenstoffkappen beginnen zu koaleszieren, wobei ausgedehntere sp2-Bereiche mit geringerer Krümmung und somit verminderter Reaktivität entstehen. So nimmt die Oberflächenbeladung der meisten ND900-Konjugate nicht weiter zu. Wie aus den Ergebnissen dieser Arbeit hervorgeht, ist die Funktionalisierung von Nanodiamantpartikeln nicht trivial. Sowohl die Oberflächenbeschaffenheit des Diamantmaterials als auch die Struktur des eingesetzten Azomethinylids beeinflussen das Immobilisierungsverhalten. Die vorliegende Arbeit zeigt aber, dass die 1,3-dipolare Cycloaddition von Azomethinyliden eine nützliche Methode zur Funktionalisierung von Nanodiamantpartikeln ist. Sie ermöglicht des Weiteren die simultane Einführung mehrerer unterschiedlicher funktioneller Gruppen. Dies macht die untersuchte Reaktion zu einem wertvollen Werkzeug für die Herstellung funktionalisierter Nanodiamantmaterialien, z. B. für biomedizinische Anwendungen. / It is commonly known from the chemistry of fullerene C60 that these ylides, generated in situ by a decarboxylative condensation of an amino acid and an aldehyde, add to the C=C double bonds of the fullerene. In this work this kind of functionalization was transferred to nanodiamond particles. Prior to the reaction, the diamond particles were annealed in vacuo at 750 °C in order to establish additional π-bonds on their surface. The amino acid sarcosine was chosen for immobilization. Dodecanal and 2,4,6-tris(hexadecyloxy) benzaldehyde each served as the reactant. Earlier studies demonstrated that the aldehyde itself is able to bind nonspecifically to the diamond surface. Thus, ylide precursors unable to react directly with diamond had to be synthesized. N-heterocyclic iminium bromides served this purpose. They were obtained by the conversion of N-heteroaromatic compounds with bromo ethylacetate and bromo acetonitrile respectively. All ylide precursors were converted in situ to the desired 1,3-dipoles with NEt3 and grafted onto nanodiamond. This reaction was applied not only to ND750, but also to oxidized and pristine diamond (NDox and NDunb) as well as diamond, which was annealed in vacuo at 900 °C (ND900), in order to investigate how the termination and the degree of graphitization of the diamond surface affect the reaction behaviour. As shown by Raman and IR spectroscopy, NDox carries a lot of carbonyl functions and very few C=C bonds. On thermal annealing, additional π-bonds were created, which began to form extended sp2-areas on ND900. The various pre-treated starting materials were subjected to reactions with N-heterocyclic iminium salts. The successful immobilization was verified by IR spectroscopy. The surface loading values of all obtained diamond adducts were determined by thermogravimetric analyses. No matter which reagent was applied, NDox invariably displayed the fewest surface loadings in each course of reactions. This is due to the prevailing carbonyl surface groups. They are essentially poorer dipolarophiles than C=C double bonds. In terms of reactivity the other diamond starting materials NDunb, ND750 and ND900 did not exhibit a definite trend. The surface of the pristine diamond NDunb offers carbonyl groups as well as particular areas of graphitic carbons. They both compete for the applied dipoles and the corresponding diamond conjugates have moderate surface loading values . Annealing the diamond samples in vacuo removes the carbonyl groups and generates further C=C bonds instead. At 750 °C, these are spatially confined, strongly curved and thus highly reactive. Nevertheless, the surface loadings for ND750 rarely exceeded those of NDunb. The π-bonds on its surface are incorporated in five- and six-membered rings to accomplish the curved structure. Regarding the regioselectivity of the attacked double bond, it is possible to compare the cycloaddition on nanodiamond to the reaction on fullerene C60. That is the reason why not all freshly generated C=C bonds on the diamond are available for the reaction. At 900 °C, the graphitization of the diamond surface has further progressed. Not only are new C=C bonds formed, but the already established sp2-caps also begin to coalesce, whereby extended graphitic areas start to emerge. They are less curved and thus less reactive. So the surface loading of most ND900 conjugates does not increase. The experimental findings demonstrate that the functionalization of diamond nanoparticles is not trivial. Both the nature of the diamond surface and the structure of the applied azomethine ylides affect the behaviour of the immobilization. Nonetheless, the herein studied 1,3-dipolar cycloaddition of azomethine ylides is a useful method to functionalize nanodiamonds. It even allows for the simultaneous introduction of several different functional groups. Thus, this dipolar reaction is a valuable tool for the preparation of functionalized diamond nanomaterials, which could be employed for biomedical applications.

In dieser Arbeit wurde die Erstfunktionalisierung des Diamanten durch die Diels-Alder-Reaktion realisiert und anschließend ein Thiol als weiterführende Bindungsstelle etabliert. Die Thiolfunktion konnte in einer radikalischen Reaktion mit einem terminalen Alken umgesetzt werden. Als Reaktionspartner wurde ein Allylglucosid synthetisiert und mit Hilfe eines Radikalstarters an den Diamanten gebunden. Für nicht-radikalische Verknüpfungsreaktionen eines vorfunktionalisierten Diamanten mit dem Zielmolekül konnte die Diazoniumsalz-Methode genutzt werden. Die Wahl der 4 Aminobenzoesäure als Edukt der Reaktion erlaubte in einer einstufigen Reaktion die Einführung einer Carbonsäuregruppe auf der Oberfläche. Durch Umsetzung mit einem Amin (Mannosecluster) konnte eine stabile Amidbindung erzeugt werden. Die erhaltenen Saccharid-Diamant-Konjugate wurden anschließend auf deren Inhibitionsvermögen gegenüber Escherichia coli getestet. Um eine Erweiterung der Methoden zur stabilen Erstfunktionalisierung der Diamantoberfläche zu erreichen, wurde untersucht ob die aus der Fulleren-Chemie bekannte Bingel-Hirsch-Reaktion auf Nanodiamant übertragbar ist. Für die Untersuchungen am Diamanten wurden unterschiedliche Malonsäurederivate eingesetzt, welche signifikante Banden im Infrarotspektrum besitzen, um eine eindeutige Funktionalisierung nachweisen zu können. / In this work primary functionalization of nanodiamond was realized by [4+2]-cycloaddition of o-chinodimethane. In the next steps thiol groups could be established for further functionalisation. The thiol group serves as a binding position for a radical reaction with allyl groups. As a reactant allylglycoside was synthesized and bound to the diamond surface in the presence of a radical starter. The diazonium salt method can be applied in order to couple the target molecule with the functionalized diamond, too. 4-aminobenzoic acid as starting material allows for a direct introduction of a carboxyl group on the diamond surface. An amide bond could be created by reaction of primary amine (carbohydrate cluster) and acid group. After completion of the synthesis of the saccharide-diamond conjugates their potency as inhibitor of Escherichia coli was tested. In order to extend the methods for stable functionalization of the diamond surface, the ability of introducing the Bingel-Hirsch-reaction, which is known from the chemistry of fullerenes, was investigated. Different malonic acid derivates with significant IR bands were applied for the investigation on diamond.

While life expectancy increases worldwide, treatment of neurodegenerative diseases such as AD becomes a major task for industrial and academic research. Currently, a treatment of AD is only symptomatical and limited to an early stage of the disease by inhibiting AChE. A cure for AD might even seem far away. A rethinking of other possible targets is therefore necessary. Addressing targets that can influence AD even at later stages might be the key. Even if it is not possible to find a cure for AD, it is of great value for AD patients by providing an effective medication. The suffering of patients and their families might be relieved and remaining years may be spent with less symptoms and restrictions. It was shown that a combination of hCB2R agonist and BChE inhibitor might exactly be a promising approach to combat AD. In the previous chapters, a first investigation of dual-acting compounds that address both hCB2R and BChE was illustrated (figure 6.1). A set of over 30 compounds was obtained by applying SARs from BChE inhibitors to a hCB2R selective agonist developed by AstraZeneca. In a first in vitro evaluation compounds showed selectivity over hCB1R and AChE. Further investigations could also prove agonism and showed that unwanted off-target affinity to hMOP receptor could be designed out. The development of a homology model for hCB2R (based on a novel hCB1R crystal) could further elucidate the mode of action of the ligand binding. Lastly, first in vivo studies showed a beneficial effect of selected dual-acting compounds regarding memory and cognition. Since these first in vivo studies mainly aim for an inhibition of the BChE, it should be the aim of upcoming projects to proof the relevance of hCB2R agonism in vivo as well. In addition, pharmacokinetic as well as solubility studies may help to complete the overall picture. Currently, hybrid-based dual-acting hCB2R agonists and selective BChE inhibitors are under investigation in our lab. First in vitro evaluations showed improved BChE inhibition and selectivity over AChE compared to tacrine.78 Future in vitro and in vivo studies will clarify their usage as drug molecules with regard to hepatotoxicity and blood-brain barrier penetration. Since the role of hCB2R is not yet completely elucidated, the use of photochromic toolcompounds becomes an area of interest. These tool-compounds (and their biological effect) can be triggered upon irradiation with light and thus help to investigate time scales and ligand binding. A set of 5-azobenzene benzimidazoles was developed and synthesized. In radioligand binding studies, affinity towards hCB2R could be increased upon irradiation with UV-light (figure 6.2). This makes the investigated compounds the first GPCR ligands that can be activated upon irradiation (not vice versa). The aim of upcoming research will be the triggering of a certain intrinsic activity by an “efficacy-switch”. For this purpose, several attempts are currently under investigation: an introduction of an azobenzene moiety at the 2-position of the benzimidazole core already led to a slight difference in efficacy upon irradiation with UV light. Another approach going on in our lab is the development of hCB1R switches based on the selective hCB1R inverse agonist rimonabant. First in vitro results are not yet available (figure 6.3). / Durch die weltweit steigende Lebenserwartung rückt die Behandlung von neurodegenerativen Krankheiten, wie der Alzheimer’schen Krankheit, immer mehr in den Fokus der industriellen und akademischen Forschung. Momentan erfolgt die Behandlung der Alzheimer’schen Krankheit durch die Blockade der AChE nur symptomatisch und in einem Frühstadium. Eine Heilung scheint dabei in weiter Ferne zu liegen, weshalb ein Umdenken nach neuen Ansätzen stattfinden sollte. Der Schlüssel könnte darin liegen, dass man biologischen Funktionen adressiert, die den Verlauf der Alzheimer’schen Krankheit auch in einem späteren Stadium beeinflussen. Selbst wenn eine Heilung in absehbarer Zeit unmöglich bleibt, ist es für die betroffenen Patienten eine erhebliche Erleichterung auf eine effektive Medikation zurückgreifen zu können. Das Leid der Patienten und ihrer Familien könnte dadurch gelindert und die verbleibenden Lebensjahre ohne Symptome und Einschränkungen genossen werden. In den vorangegangenen Kapiteln wurde bereits gezeigt, dass die Kombination aus einem hCB2R Agonisten und einem BChE Hemmer genau diesen vielversprechenden Ansatz verfolgt. Ein erster Entwicklungsansatz von dual-aktiven hCB2R Agonisten / BChE Hemmern wurde in den Kapiteln 3 und 4 ausführlich dargestellt (Abb. 7.1). Ein Set von 30 verschiedenen Verbindungen wurde synthetisiert, indem die Erkenntnisse der Struktur-Wirkungsbeziehungen von anderen BChE Hemmern auf einen von AstraZeneca entwickelten selektiven hCB2R Agonisten angewendet wurden. Erste in vitro Untersuchungen zeigten eine hohe Selektivität gegenüber hCB1R und AChE auf. Desweiteren verhielten sich alle getesteten Substanzen wie Agonisten. Nachdem ausgewählte Substanzen auf ihre „off-target“ Wechselwirkung mit dem hMOP Rezeptor untersucht wurden, konnten diese strukturellen Merkmale in nachfolgenden Entwicklungsbemühungen berücksichtigt werden. Die Entwicklung eines hCB2R Homologiemodells (basierend auf einer erst kürzlich veröffentlichten hCB1R Kristallstruktur) lieferte wertvolle Informationen zum Bindemodus und der Wirkweise der Liganden am Rezeptor. Schlussendlich konnte in einer ersten in vivo Studie bewiesen werden, dass ausgewählte dual-aktive Substanzen eine positive Auswirkung auf das Gedächtnis und die kognitiven Eigenschaften haben. Da diese in vivo Untersuchungen hauptsächlich die Hemmung der BChE berücksichtigen, wäre es sinnvoll, in zukünftigen Studien den Einfluss der hCB2R Agonisten zu untersuchen. Pharmakokinetik- und Löslichkeitsstudien könnten zudem helfen, das Gesamtbild zu komplettieren. Im Moment befinden sich auch dual-aktive hCB2R Agonisten / BChE Hemmer in der Entwicklung, die den Hybrid-Ansatz verfolgen. Erste in vitro Untersuchungen dazu ergaben vielversprechende Ergebnisse mit einer guten Selektivität gegenüber AChE und einer erhöhten Hemmung der BChE verglichen mit Tacrin.78 Es wird Gegenstand zukünftiger in vitro und in vivo Untersuchungen sein, herauszufinden, ob sich diese Hybride mit Hinblick auf Hepatotoxizität und Blut-Hirnschrankengängigkeit als Wirkstoffe eignen. Da die Rolle des hCB2R noch nicht komplett erforscht ist, erfreut sich die Entwicklung von sog. „tool-compounds“ großen wissenschaftlichen Interesses. Durch die Bestrahlung mit Licht können diese „tool-compounds“ (und ihr nachgeschalteter biologischer Effekt) gesteuert werden. Eine genauere Untersuchung von Zeitskalen und Ligandbindung an den Rezeptor wird dadurch ermöglicht. Ein Set von 5-Azobenzolbenzimidazolen wurde zu diesem Zwecke entwickelt und synthetisiert. In Radioligandbindungsstudien konnte gezeigt werden, dass sich die Affinität gegenüber dem hCB2R durch die Bestrahlung mit UV-Licht erhöhen lässt (Abb. 7.2). Diese Eigenschaft macht die entwickelten Substanzen zu den ersten GPCR-Liganden, die durch Licht aktiviert werden können (nicht umgekehrt wie bei den bisher beschriebenen photochromen GPCR-Liganden). Ziel zukünftiger Forschungsbemühungen wird die Steuerung einer bestimmten intrinsischen Aktivität / Effekts durch die Bestrahlung mit Licht sein. Zu diesem Zwecke werden aktuell mehrere Herangehensweisen untersucht: die Einführung eines Azobenzol-Strukturelements an Position 2 des Benzimidazol-Grundgerüsts zeigte in ersten in vitro Untersuchungen bereits Unterschiede bei Bestrahlung mit UV-Licht. Eine weitere Herangehensweise ist die Entwicklung von „Photo-Schaltern“ auf Basis von Rimonabant, einem selektiven hCB1R inversen Agonisten. Hier stehen erste in vitro Ergebnisse jedoch noch aus (Abb. 7.3).

In this work the energy transfer and excitonic coupling in different chromophore arrangements were investigated. A difference in the coupling strength was introduced by varring the connecting unit and the spacial orientation relative to each other. The synthesis of the 2,7-substituted pyrene compounds could be optimised and good yields of HAB 1 and HAB 2 and small amounts of HAB 2 could be achieved by cobalt-catalysed trimerisation or Diels Alder reaction in the end. Absorption and fluorescence spectra reveal strong intramolecular interactions between the pyrene molecules in the HAB 1. Excitation spectra recorded at the high and low energy fluorescence suggest the contribution of two components to the spectra. One being similar to the ground state aggregate and a second species similar to undisturbed pyrene. All these feature can be accounted to two different fluorescent states which are due to electronical decoupling in the excited state. Due to the strong intramolecular coupling already in the ground state of the molecule, no energy transfer could be studied, as the six pyrene units cannot be seen as separate spectroscopic entities between which energy could be transferred. In the second part of this thesis dye conjugates of different size and alignment were synthesised to study the interaction of the transition-dipole moments. Therefore a systematic investigation of Sonogashira conditions was performed in order to obtain good yields of the desired compounds and keep dehalogenation at a minimum level. Nevertheless only the symmetrical triads could be purified as the asymmeric triads and pentades proved to decompose during purification. The pyrene containing triads Py2B and Py2SQB show small interactions already in the ground state represented by red shifts of the spectra and a broadening of the bands. Nevertheless, these interactions are in the weak coupling regime and energy transfer between the constituents is possible. On the contrary in the TA spectra it is obvious that always the whole triad, at least to some extend is excited. To question if the excitation of the high energy state is deactivated by energy transfer or rather IC in a superchromophore could not be distinguished in the course of this work. At present additional time-dependent calculations of the dynamics are in progress to get a deeper understanding of the photophysical processes taking place in the triads. The dye conjugates B2SQB-3 and (SQB)2B-4 can be assigned to the strong interaction range and hence are describable by exciton theory. The transition-dipole moments proved to be more than additive and increase for both compounds from absorption to fluorescence. This can be explained by an enhancement of the coupling in the relaxed excited state compared to the absorption into the Franck-Condon state due to a more steep potential energy surface in the excited state and hence smaller fluctuations. In the last part of this thesis the influence of disrupting electronical communication by implementing a rigid non-conjugated bridge in a bichromophoric trans-squaraine system was tested. While the flexible linked squaraines show complex spectra due to different conformers the SQA2Anth compound is rigified and no rotation is possible. This change in flexibility is represented in the steady-state spectra where just one main absorption and fluorescence band is present due to a single allowed excitonic state. The system proves to own an excited state that is completely delocalised over the whole molecule. / Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Energietransfer und Exzitonenkopplung in Farbstoffen. Durch Variation der Verbrückungseinheit und der räumlichen Orientierung der Chromophore relativ zueinander konnte die Kopplungsstärke beeinflußt werden. Die Synthese von 2,7-substituierten Pyrenverbindungen konnte optimiert werden und schließlich gelang es mittels kobalt-katalisierten Trimerisierung oder Diels Alder Reaktionen gute Ausbeuten von HAB 1 und HAB 2 sowie geringere Mengen an HAB 3 zu isolieren. Absorption- und Fluoreszenzspektren deuten auf starke Wechselwirkungen unter den Chromophoren hin, die bereits im Grundzustand deutlich werden. Anregungsspektren bei verschiedenen Wellenzahlen zeigen, dass zwei verschiedene Spezies, wovon eine den Aggregaten die im Grundzustand vorhanden sind ähneln, zu den beobachteten spektralen Eigenschaften beitragen und ein weiteres größere Ähnlichkeit mit dem Pyrenmonomer aufweist. Betrachtet man all diese Eigenschaften im Gesamten kann man schlußfolgern, dass zwei fluoreszierende Zustände für die Desaktivierung verantwortlich sind, was sich auf elektronische Entkopplung im angeregten Zustand zurückführen lässt. Aufgrund der starken elektronischen Kopplung im Grundzustand und die Ausbildung von intramolekularen Aggregaten war es nicht möglich Energietransfer an diesem System zu studieren, da die sechs Pyreneinheiten nicht getrennt betrachtet werden können. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden Farbstoffkonjugate verschiedener Größe und Anordnung synthetisiert um die Wechselwirkung der Übergangsdipolmomente zu studieren. Dazu wurde ein systematsiches Reaktionscreening der Sonogashira-Kupplung durchgeführt, um Bedingungen zu finden, unter denen sich Dehalogenierung in Grenzen hält, jedoch gute Ausbeuten der gewünschten Endprodukte erzielt werden können. Trotzdem konnten nur die symmetrischen Trimere erfolgreich isoliert, da sich herausstellte, dass sowohl die unsymmetrischen Trimere als auch die Pentamere zu instabil für eine vollständige Aufreinigung sind. Die pyren-beinhaltenden Triaden Py2B und Py2SQB zeigen geringfügige Wechselwirkungen im Grundzustand, die sich durch eine Rotverschiebung und Verbreiterung der Absorptionsbanden zeigen. Allerding lässt sich diese Kopplung dem sehr schwachen Wechselwirkungsbereich zuordnen, sodass Energietransfer zwischen den Chromophoren möglich ist. Im Gegensatz dazu zeigt sich im TA Spektrum, dass gleichzeitig mehrere Teile der Triade angeregt sind und dass die Anregung nicht auf ein Chromophor lokalisiert ist. Die Frage, ob die Desaktivierung des angeregten Zustands durch Energietransfer oder interne Konversion in einem Superchromophor stattfindet, konnte im Zuge dieser Arbeit nicht geklärt werden. Aktuell sind zusätzliche Rechnungen (DFT) in Arbeit um ein besseres Verständnis von den ablaufenden, photophysikalischen Prozessen zu bekommen. Die Farbstoffkonjugate B2SQB-3 und (SQB)2B-4 lassen sich dem Bereich der starken Kopplung zuordnen und können daher mit der Exzitonentheorie beschrieben werden. Die Übergangsdipolmomente zeigen ein Verhalten, dass mehr als additiv ist und nehmen von der Absorption zur Fluoreszenz zu. Das lässt sich durch eine Verstärkung der Kopplung im relaxierten angeregten Zustand in Vergleich zur Absorption in den Franck-Condon Zustand erklären. Der Grund für dieses Phänomen ist eine deutlich schmalere, steilere Energiepotentialfläche im angeregten Zustand. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde die elektronische Kommunikation in einem trans-Squaraindimer durch Einfügen einer nicht-konjugierten Brücke untersucht. Während die flexiblen Dimere komplexe Spektren aufgrund unterschiedlicher Konformere aufweisen, enthält SQA2Anth eine starre Brücke, die Rotationen verhindert. Diese Änderung der Flexibilität zeigt sich in den stationären Spektren durch eine Hauptabsorptions- und Fluoreszenzbande, da nur ein exzitonischer Zustand erlaubt ist. Das System weißt einen angeregten Zustand auf, der über das gesamte Molekül delokalisiert ist.

The present thesis introduce different synthetic strategies towards a variety of polycyclic aromatic dicarboximides (PADIs) with highly interesting and diverse properties. This included tetrachlorinated, tetraaryloxy- and tetraaryl-substituted dicarboximides, fused acceptor‒donor(‒acceptor) structures as well as sterically shielded rylene and nanographene dicarboximides. The properties and thus the disclosure of structure‒property relationships of the resulting dyes were investigated in detail among others with UV‒vis absorption spectroscopy, fluorescence spectroscopy, cyclic voltammetry and single crystal X-ray analysis. For instance, some of the fused and substituted PADIs offer strong absorption of visible and near infrared (NIR) light, NIR emission and low-lying LUMO levels. On the contrary, intriguing optical features in the solid-state characterize the rylene dicarboximides with their bulky N-substituents, while the devised sterically enwrapped nanographene host offered remarkable complexation capabilities in solution. / Die vorliegende Arbeit stellt verschiedene Synthesestrategien für eine Vielfalt an polyzyklischen aromatischen Dicarboximiden (PADIs) mit hochinteressanten und vielfältigen Eigenschaften vor. Dies beinhaltete tetrachlorierte, tetraryloxy- und tetraaryl-substituierte Dicarboximide, fusionierte Akzeptor‒Donor(‒Akzeptor)-Strukturen wie auch sterisch abgeschirmte Rylen- und Nanographen-Dicarboximide. Die Eigenschaften und damit die Offenlegung von Struktur‒Eigenschaftsbeziehungen der resultierenden Farbstoffe wurden unter anderem mittels UV‒vis Absorptionsspektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie, Zyklovoltammetrie und Einkristallstrukturanalyse detalliert untersucht. Zum Beispiel bieten einige der fusionierten und substituierten PADIs eine starke Absorption von sichtbaren und nahen Infrarot-Licht (NIR), NIR-Emission und niedrigliegende LUMO-Niveaus. Im Gegensatz dazu sind die Rylendicarboximide mit ihren voluminösen N-Substituenten durch faszinierende optische Eigenschaften im Festkörper charakterisiert, wohingegen der konzipierte sterisch eingehüllte Nanographen-Wirt bemerkenswerte Komplexierungs-Fähigkeiten in Lösung zeigte.

In this work the synthesis, the spectroscopic and electrochemical investigation as well as some applications of a broad diversity of indolenine squaraine dyes were presented. This diversity was based on two parent squaraine dyes, one standard trans-configured compound (M1) and one in which one central oxygen atom was replaced by a dicyanomethylene moiety (M2), which increased the acceptor strength and induced a cis-configuration. The variety of synthesised dyes included functionalised squaraine monomers, donor- and acceptor-substituted monomeric model squaraines, donor- and acceptor-squaraine copolymers, pure squaraine homopolymers, a squaraine-squaraine copolymer, as well as some conjugated cyclic oligomers. In order to be able to synthesise all these different kinds of dyes, several bromine and boronic ester derivatives were synthesised, which enabled the use of the Suzuki cross coupling reaction, to generate model dyes and copolymers. In addition, the bromine derivatives were used to carry out the Yamamoto homocoupling reaction to the respective homopolymers and macrocycles. The absorption maximum of unsubstituted reference dye M1 was found at ~ 15500 cm–1, while that of M2 was red-shifted to ~ 14300 cm–1 due to the increased acceptor strength of the central unit. The extinction coefficients were in the order of ~ 300000 M–1 cm–1 and ~ 200000 M–1 cm–1, respectively. It was found that the implementation of functional groups (M3–M9), additional electron donors (M10–M19) or acceptors (M20–M22) at the periphery lead to bathochromic shifts of the absorption depending on the strength of either - and/or -donating properties of the substituents. For the bis- and triarylamine substituted dyes M10–M13 and the dibrominated dyes M5 and M7 the electronic structure of the mono- and diradical (di)cations was explored using the interplay of cyclic voltammetry, spectroelectrochemistry, and DFT calculations. It was demonstrated that the monoradical cations still show a cyanine-like character and are delocalised Robin-Day class III species due to the low redox potential of the squaraine bridge between the additional amine redox centres. To the best of my knowledge, this made M13+∙, with an N-N-distance of 26 bonds between the additional redox centres to the longest bis(triarylamine) radical cation that is completely delocalised. For the diradical dications, the situation was of larger complexity. The computed most stable energetic state of the dianisylamine-substituted dyes turned out to be a broken-symmetry state with almost equal contributions of an open-shell singlet and triplet state. In addition, it was shown that the HOMO–1→HOMO transition dominated the absorption spectra of the diradical dications where the trans-/cis-configuration of the squaraines had a direct impact due to symmetry reasons. Based on the donor–squaraine model compounds M10–M19, a series of donor–squaraine copolymers was synthesised (P7–P12) in order to further red shift and broaden the low energy absorption band. However, these effects were only of marginal extent. Both the optical and the electrochemical derived band gaps were barely lowered compared to the respective monomeric model dyes. This was assigned to an increased squaraine-squaraine distance and resulting lower exciton coupling between the squaraine chromophores due to the bridging units. In addition, according to semiempirical calculations the bridges were twisted out of the squaraine plane what reduced conjugational effects between the chromophores. To sum up, the idea to insert additional electron rich bridging units in order to create copolymers with broad and red-shifted absorption did not fully work out for the presented systems. The addition of strong electron accepting NDI units at the periphery resulted in M21, the most unique monomeric model squaraine in this work. The common picture of a sharp low energy squaraine absorption completely altered due to the addition of the NDIs and a rather broad and solvent dependent low energy absorption was found. Spectroelectrochemical experiments and semiempirical calculations showed that this band is a superposition of the common squaraine HOMO→LUMO transition and a partial squaraine→NDI charge transfer transition. The latter was lost upon oxidation of the squaraine and the absorption spectrum of the monocation of M21 was found to be nearly a 1:1 image of a pure squaraine monocation. Both the monomeric model M21 and the respective copolymer P13 showed low electrochemically obtained band gaps of 1.05–1.20 eV, which were the lowest of all squaraines in this work. For both dyes, transient absorption measurements in the fs-time regime revealed the ultrafast formation of a CS state via an intermediate CT state within a few ps. Besides, charge recombination to the ground state also occured within a few ps. In the polymer, there was barely any further energy or charge transfer within the excited state lifetime and therefore the CS state was confined on adjacent squaraine-NDI pairs and did not further travel along the polymer strand. The Ni-mediated Yamamoto homocoupling reaction was applied for the synthesis of the homopolymers (P1–P5). In contrast to the donor–squaraine copolymers, those polymers revealed strongly red-shifted and broad absorption in the red to NIR region in addition to a sharp fluorescence. These features could be explained to originate mainly from the exciton coupling of localised excited states and the presence of different superstructures in solution. For the polymers P1 and P2, an elongated J-type polymer chain caused the strong lowest energy absorption band whereas a zig-zag type arrangement of the single chromophores lead to transitions into both low and high energy excited states of the excitonic manifold. For the polymers P3 and P4, several polymer fractions of different size were investigated. Here, also an elongated chain with J-type character induced the lowest energy absorption band whereas a helical H-type arrangement caused transitions to higher energies of the excitonic manifold. The fractions to which these structures were formed depended on the chain length and the solvent. In thin film measurements, it was shown that the initially in solution formed superstructures were partly retained in the thin film but could be altered by annealing procedures. A control of the superstructures should enable the controlled tuning of the optical properties. Despite the strong interaction of the chromophores in the excited state, the redox potentials of the homopolymers barely differed to those of the respective reference dyes, indicating negligible electronic interaction in the ground state. In addition squaraine-squaraine copolymer P6, consisting of alternating parent dyes M1 and M2, was synthesised. Likewise to the homopolymers, a broad and red-shifted absorption was observed. This was explained by exciton coupling theory, which was extended to also suit alternating copolymers. In toluene, an extraordinary narrow and intense lowest energy absorption band was observed. This exchange narrowing might be a result of a highly ordered J-type structure of the polymer especially in this solvent because it was not found in others. The features of the polymer may be compared to typical J-aggregates formed from monomeric cyanine molecules for example and the polymer used as model for excitonic interactions in an alternating copolymer. Transient absorption measurements revealed a strong energy dependence of the decay traces of the copolymer, most strikingly at early decay times. This was assigned to the occurrence of multiple excitations of one polymer strand (due to the large extinction coefficients of the polymer) and resulting exciton-exciton annihilation. Due to the large exciton diffusion constants that were estimated, the static exciton-exciton annihilation was the rate limiting process of the decay, in contrast to other conjugated polymers, where in thin film measurements the decay was diffusion controlled. To sum up, for the polymers consisting of exclusively squaraine chromophores, it was shown that the exciton coupling of single chromophores with strong transition dipole moments was a fruitful way to tune the absorption spectra. As a side product of some of the polycondensation reactions, unprecedented cyclic conjugated oligomers such as the triarylamine-bridged dimer Dim1, the cyclic homotrimers Tri1–Tri3, and the tetramer Tet1 were obtained by recycling GPC in low yields. Especially the cyclic trimers showed unusual absorption and even more extraordinary fluorescence properties. They showed multiple fluorescence bands in the NIR that covered a range from ~ 8000–12500 cm–1 (800–1250 nm). First hints from theoretical calculations indicated that the trimer was not fully planar but comprised a mixture of both planar and bent single squaraine chromophores. However, final results of the calculations were still missing at the time of writing. In the last part of this work, the application of some monomeric and polymeric squaraines in binary and ternary bulk heterojunction solar cells was demonstrated. Also the utilisation as a dopant in a polymer matrix in an OLED device was shown. The homopolymers P1–P4 were tested in the binary BHJ solar cells revealing poor performances and especially very low short circuit currents. The utilisation of the polymers P3 and P4 that carried the dicyanomethylene group resulted in higher open circuit voltages due to the lower LUMO energy levels but still an overall poor performance. Neither for the different alkyl chains nor for the size of the polymers was a trend observed. In the ternary BHJ solar cells, small amounts of either monomer M14 or polymers P1A, P4–1 or P13 were added to a P3HT/PCBM system in order to generate an additional pathway for charge or energy transfer that should result in a better device performance. However, for none of the tested squaraines, improved solar cells could be built. In similarity to the binary solar cells, the short circuit currents were lower compared to a P3HT/PCBM reference device. These low short circuit currents indicated that the morphology of the squaraine dyes was the major limitation in those devices. It is possible that the dimethyl groups at the indolenine hindered a favoured alignment of the compounds that would allow decent charge transport. In the squaraine doped OLED the squaraine M6 worked rather well as an NIR emitter. Already at low dye loads the fluorescence of the host polymer SY-PPV was completely quenchend and emission from the squaraine was observed. For electroluminescence measurements, a lower dye load (0.5 wt.%) compared to the photoluminescence measurements was sufficient, indicating that apart from FRET additional quenching mechanisms were at work in the electrically driven devices such as charge carrier dynamics. / In dieser Arbeit wurde die Synthese sowie die spektroskopische und elektrochemische Untersuchung einer Reihe unterschiedlichster Squarainfarbstoffe präsentiert. Darüber hinaus wurde in diversen Kooperationen deren Verwendung in optoelektronischen Bauteilen wie z.B. organischen Solarzellen und OLEDs untersucht. Die große Vielfalt der Squaraine basierte auf zwei Indoleninsquarain Stammverbindungen. Das Squarain M1 ist ein klassisches Squarain und zeigt eine trans-Konfiguration der Indoleningruppen zueinander. In M2 wurde ein Sauerstoffatom durch eine Dicyanomethylengruppe ausgetauscht, was zu einer höheren Elektronenakzeptorstärke sowie einer cis-Konfiguration des Squarains führt. Die Vielfalt der darauf basierenden Squaraine beinhaltete neben den unsubstituierten Referenzverbindungen funktionalisierte Squaraine, donor- und akzeptorsubstitutierte monomere Modellverbindungen, Donor- und Akzeptor-Squarain Copolymere, reine Squarain Homopolymere, ein Squarain-Squarain Copolymer sowie diverse konjugierte makrozyklische Squaraine. Um überhaupt diese Vielfalt synthetisieren zu können, wurde zunächst eine Reihe monomerer Squaraine mit Brom- oder Borestergruppen synthetisiert, welche sich mittels Pd-katalysierter Suzuki-Kupplung in donor- und akzeptorsubstituierte monomere Modelle und Copolymere überführen ließen. Des Weiteren wurden die bromfunktionalisierten Squaraine mittels der Ni-unterstützten Yamamoto-Kupplung zu Homopolymeren und den entsprechenden Makrozyklen umgesetzt. Das Absorptionsmaximum der Referenzverbindung M1 lag bei ~ 15500 cm–1. Das von M2 lag aufgrund der erhöhten Akzeptorstärke des zentralen Bausteins bei ~ 14300 cm–1. Die Extinktionskoeffizienten waren erwartungsgemäß squaraintypisch hoch mit Werten von ~ 300000 M–1 cm–1, bzw. 200000 M–1 cm–1. Es wurde gezeigt, dass die Einführung von funktionellen Gruppen (M3–M9), zusätzlichen Elektronendonoren (M10–M19) oder -akzeptoren (M20–M22) an der Peripherie zu einer Rotverschiebung des Absorptionsmaximums führte, wobei das Ausmaß der Verschiebung von der - und/oder -Donorstärke der Substituenten abhing. Im Falle der di- und triarylaminsubstituierten Squaraine M10–M13 und der dibromierten Squaraine M5 und M7 wurde die elektronische Struktur der Mono- und Diradikal(di)kationen untersucht, wofür das Zusammenspiel von Cyclovoltammetrie, Spektroelektrochemie und DFT-Rechnungen notwendig war. Es wurde gezeigt, dass sämtliche Monoradikalkationen den Cyanincharakter beibehalten und vollständig delokalisierte Verbindungen der Robin-Day Klasse III sind, was auf das niedrige Redoxpotential der Squarainbrücke zurückzuführen war. Mit einem N-N-Abstand von 26 Bindungen zwischen den zusätzlichen Redoxzentren ist M13+∙ dadurch das nach bestem Wissen längste komplett delokalisierte Bis(triarylamin) Radikalkation. Die Situation der Diradikaldikationen war etwas komplexer. Die theoretischen Berechnungen ergaben für die diarylaminsubstituierten Squaraine einen energetisch günstigsten Zustand, welcher aus gleichen Anteilen eines offenschaligen Singulett- und Triplettzustandes bestand. Darüber hinaus beherrschten die HOMO–1→HOMO Übergänge die Absorptionsspektren der Diradikaldikationen, in welchen auch direkt der Einfluss der cis-/trans-Konfiguration ersichtlich war. Basierend auf den Donor–Squarain Modellverbindungen (M10–M19) wurde eine Reihe von Donor–Squarain Copolymere (P7–P12) synthetisiert, um eine weitere Rotverschiebung des Absorptionsmaximums sowie eine Verbreiterung der Absorptionsbande zu erreichen. Die Auswirkungen waren allerdings sehr gering und sowohl die optischen als auch die elektrochemischen Eigenschaften unterschieden sich kaum von denen der Modellverbindungen. Als Ursache wurde zum einen der durch die Brücke vergrößerte Abstand der Squaraine zueinander ausgemacht, welcher eine Verminderung der Exzitonkopplungsenergie bewirkte. Zum anderen zeigten semiempirische Berechnungen, dass die Brücken etwas aus der Ebene der Squaraine verdrillt waren, was zu einer Verminderung der konjugativen Effekte zwischen den Squarainen führte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Konzept eine breite niederenergetische Absorption der Farbstoffe zu schaffen, indem man die Squaraineinheiten mit zusätzlichen Elektronendonoren verbrückt, für die präsentierten Systeme nicht funktioniert hat. Das Anbringen der starken NDI Elektronenakzeptoren an einem Squarain führte zu M21 dem außergewöhnlichsten Modell in dieser Arbeit. Anstelle der allgemein bei Squarainen vorgefundenen scharfen niederenergetischen Absorptionsbande, zeigte M21 eine stark verbreiterte und solvensabhängige Bande. Spektroelektochemische Experimente und semiempirische Rechnungen konnten zeigen, dass es sich dabei um eine Überlagerung des klassischen squarainlokalisierten HOMO→LUMO Übergangs sowie eines partiellen Squarain→NDI “charge transfer” Übergangs handelte. Letzterer verschwand bei der Oxidation von M21 zum Monokation und dessen Absorptionsspektrum war nahezu ein Abbild dessen eines reinen Squarainmonokations. Sowohl das Modell M21 als auch das Polymer P13 zeigten niedrige Bandlücken von 1.05–1.20 eV, welche die niedrigsten aller Verbindungen in dieser Arbeit darstellten. Transiente Absorptionsmessungen zeigten außerdem für beide Farbstoffe die extrem schnelle Ausbildung eines ladungsgetrennten Zustandes binnen weniger ps. Auch die Rekombination in den Grundzustand erfolgte innerhalb weniger ps. Im Polymer wurde kaum ein weiterer Ladungs- oder Energietransfer während der Lebenszeit des angeregten Zustandes beobachtet, was darauf schließen ließ, dass der ladungsgetrennte Zustand auf benachbarten Squarain/NDI Einheiten lokalisiert war und nicht den Polymerstrang entlang wanderte. Mittels der Ni-unterstützten Yamamoto-Kupplung wurden die Homopolymere P1–P5 synthetisiert. Diese zeigten eine stark rotverschobene und verbreiterte Absorption im roten bis nah-infraroten Bereich, im Gegensatz zu den Donor–Squarain Copolymeren, sowie eine scharfe Fluoreszenz. Diese Eigenschaften wurden hauptsächlich auf die Exzitonenkopplung von lokalisierten angeregten Zuständen und der Präsenz unterschiedlicher Strukturen der Polymere zurückgeführt. Eine lineare J-artige Struktur führte zu der intensivsten und zugleich niederenergetischsten Bande von P1 und P2, während eine zick-zack Struktur auch zu Absorptionen höherer Energie führte. Bei den Polymeren P3 und P4 wurden gleich mehrere Fraktionen unterschiedlicher Molmassenverteilung untersucht. Auch hier war eine gestreckte J-artige Struktur verantwortlich für die niederenergetischste Absorption, während eine helikale H-artige Struktur für die Absorptionen bei höherer Energie verantwortlich war. Der Anteil zu welchem diese unterschiedlichen Strukturen gebildet wurden zeigte sich abhängig von der Kettenlänge der Polymere als auch des Lösungsmittels. Absorptionsmessungen von Dünnfilmen zeigten, dass die ursprünglich in Lösung vorliegenden Strukturen zum Teil auch im Dünnfilm erhalten blieben, jedoch durch Tempern verändert werden konnten. Durch eine Kontrolle dieser Strukturbildung könnten auch die optischen Eigenschaften gezielt beeinflusst werden. Trotz der starken elektronischen Kopplung der Squaraineinheiten im angeregten Zustand zeigte sich außerdem, dass die Redoxpotentiale sich zu denen der monomeren Stammverbindungen kaum unterschieden und somit nur eine vernachlässigbare Interaktion im Grundzustand vorlag. Des Weiteren wurde ein Squarain-Squarain Copolymer (P6) synthetisiert, welches aus alternierenden Einheiten der Stammverbindungen M1 und M2 bestand. Ähnlich wie bei den Homopolymeren waren eine starke Verbreiterung sowie eine Rotverschiebung der niederenergetischen Absorption zu beobachten. Darüber hinaus zeigte das Polymer eine markante Bande bei höherer Energie, welche mittels einer Erweiterung des Exzitonenmodells für Copolymere erklärt werden konnte. In Toluol zeigte sich die niederenergetischste Absorptionsbande außergewöhnlich intensiv und schmal, was auf sogenanntes „exchange narrowing“ zurückgeführt wurde. Dieses könnte aus einer sehr geordneten J-artigen Struktur, welche wohl nur in Toluol vorlag, resultiert haben. Transiente Absorptionsmessungen zeigten eine starke Abhängigkeit der Abklingkurven von der Pumpenergie, insbesondere zu frühen Zeiten. Dies wurde auf das Auftreten von Mehrfachanregung (begünstigt durch den hohen Extinktionskoeffizienten) eines Polymerstranges und darauf folgender Exziton-Exziton Auslöschung zurückgeführt. Die statische Exziton-Exziton Auslöschung war der ratenbestimmende Schritt des Abklingprozesses, da sehr große Exzitondiffusionskonstanten bestimmt wurden. Dies war im Gegensatz zu anderen konjugierten Polymeren, in deren Dünnfilm die Exzitondiffusion als ratenbestimmender Schritt bestimmt wurde. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass für Polymere welche ausschließlich aus Squaraineinheiten bestanden, die Exzitonenkopplung von Chromophoren mit starken Übergangsdipolmomenten eine vielversprechende Weise war, die optischen Eigenschaften zu verändern. Als Nebenprodukt der Polykondensationsreaktionen wurden in niedrigen Ausbeuten mittels Recycling-GPC beispiellose zyklische konjugierte Oligosquaraine erhalten, wie zum Beispiel ein mit Triarylaminen verbrücktes Dimer (Dim1) sowie einige Homotrimere (Tri1–3) und ein Homotetramer (Tet1). Insbesondere die Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften der Trimere waren außergewöhnlich. Sie zeigten mehrere Fluoreszenzbanden im NIR Spektralbereich die einen Bereich von ~ 8000–12500 cm–1 (800–1250 nm) abdeckten. Ersten theoretischen Berechnungen zu Folge, waren die zyklischen Trimere nicht vollständig planar, sondern lagen als eine Mischung aus planaren und abgewinkelten Squaraineinheiten vor, welche für diese besonderen Eigenschaften verantwortlich waren. Nichtsdestotrotz fehlten noch endgültige Ergebnisse der Berechnungen um dies mit endgültiger Sicherheit zu sagen. Im letzten Abschnitt wurde die Verwendung einiger Substanzen in optoelektronischen Bauteilen beschrieben. Die Homopolymere P1–P4 wurden in binären BHJ Solarzellen untersucht, welche allerdings nur eine geringe Effizienz zeigten, insbesondere aufgrund geringer Kurzschlussströme. Die Verwendung von P3 und P4 führte zwar zu höheren Leerlaufspannungen, bedingt durch die Dicyanomethylengruppe und das resultierende niedrigere HOMO Energielevel, allerdings blieben sowohl die Effizienz als auch die Kurzschlussströme niedrig. Weder für die unterschiedlichen Molmassenverteilungen der Polymerfraktionen, noch für die unterschiedlichen Alkylketten konnte ein Trend bezüglich der Leistung der Solarzellen bestimmt werden. In den ternären BHJ Solarzellen wurden kleine Mengen von entweder Monomer M14 oder den Polymeren P1A, P4–1 oder P13 zu einem P3HT/PCBM System beigemischt. Dadurch sollte ein zusätzlicher Weg für den Elektronen- oder Energietransport geschaffen und höhere Effizienzen erzielt werden. Jedoch führte keine der Verbindungen zu einer Verbesserung des Systems, sondern es wurden verringerte Kurzschlussströme beobachtet, welche auch zu geringerer Effizienz führten. Die niedrigen Kurzschlussströme deuteten an, dass die Morphologie der Squaraine der limitierende Faktor war. Es ist vorstellbar, dass die Dimethylgruppe am Heterozyklus der Squaraineinheit eine vorteilhafte Anordnung der Chromophore sterisch verhinderte, welche zu effizienterem Ladungs- oder Energietransport hätte führen können. Das Monomer M6 wurde als Dotiersubstanz zu einem Polymer (SY-PPV) in einer OLED beigemischt und fungierte erfolgreich als NIR-Emitter. Schon bei geringen Mengen des Squarains wurde die Fluoreszenz des Polymers gelöscht und stattdessen Fluoreszenz aus dem Squarain beobachtet. Bei Elektrolumineszenzmessungen reichten geringere Mengen (0.5 Gew.-%) als bei Photolumineszenzmessungen, um die Fluoreszenz des Polymers vollständig zu löschen. Dies deutete darauf hin, dass abgesehen von FRET zusätzliche Quenchmechanismen, wie Ladungsträgerdynamiken, in den elektrisch betriebenen Bauteilen eine Rolle spielten.