Ortho-Fluorazobenzole stellen eine der interessantesten Familien von Azobenzolen dar, die mit sichtbarem Licht geschaltet werden können. Seit ihrer ersten Erwähnung durch unsere Gruppe im Jahr 2012 wurden sie aufgrund ihrer hervorragenden photo/elektrochemischen Eigenschaften intensiv auf molekularer Ebene, für biologische Anwendungen und in Volumenmaterialien untersucht. Typischerweise können ortho-fluorierte Azobenzole in beide Richtungen mit sichtbarem Licht und hohem Photoumsatz geschaltet werden. Außerdem weisen die Z-Isomere überlegene thermische Halbwertszeiten (bis zu 2 Jahre) auf. In dieser Arbeit werden zwei Projekte vorgestellt, die auf unseren kürzlich erworbenen Kenntnissen über fluorierte Azobenzole basieren. Zunächst wurde ein gemischtes Azobenzoldimer dargestellt, welches komplementäre Absorptionsprofile sowie die leichte elektrochemische Isomerisierung ausnutzt und dadurch dessen vier Schaltzustände orthogonal adressiert werden können. Dieses wurde bezüglich seiner Photoisomerisierung, thermischen Relaxation und seines elektrochemischen Schaltverhaltens untersucht. Anschließend haben wir ein 3D-Polymernetzwerk durch kovalente Vernetzung einer polyethylenglykol(PEG)-basierten Vorstufe mit einem fluorierten Azobenzol hergestellt, was zur Bildung eines photoempfindlichen Hydrogels führte. Als Folge davon konnten die mechanischen Eigenschaften des Gels durch Bestrahlung mit sichtbarem Licht und der dadurch ausgelösten Azobenzol-Isomerisierung reversibel beeinflusst werden. / Ortho-fluoroazobenzenes represent one of the most interesting family of visible-light-responsive azobenzenes. Since the first report by our group in 2012, they have been intensively studied at the molecular level, for biological applications, and in bulk materials, due to their outstanding photo/electrochemical properties. Typically, ortho-fluorinated azobenzenes can isomerize in both directions using visible light with high photo-conversions, and the Z-isomers exhibit superior thermal half-lives (up to 2 years). In this work, two projects based on our recently acquired knowledge of fluorinated azobenzenes are presented. First, exploiting complementary absorption profiles and ease of electrochemical isomerization, a mixed azobenzene dimer, whose four isomers can be orthogonally addressed was prepared. It was investigated from its photo-isomerization, thermal relaxation, and electrochemical isomerization aspects. Second, we prepared a photo-responsive hydrogel via covalently cross-linking a poly(ethylene glycol) (PEG)-based precursor with a fluorinated azobenzene forming a 3D polymer network. As a result, the gel’s mechanical properties could be tuned reversibly due to the azobenzenes’ isomerization triggered by visible light irradiation.

Im Zusammenhang mit auf Reize reagierenden Materialien ist Licht aufgrund seiner hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung von besonderer Bedeutung. Hierfür können molekulare Photoschalter, wie z.B. Azobenzole, in das Material eingebaut werden, um eine Reaktion auf Lichteinstrahlung von der molekularen auf die makroskopische Ebene zu übertragen. Fortschrittliche Moleküldesigns, wie z.B. Ortho-Fluorierung, führen dabei zu hervorragenden bistabilen Photoschaltern, die in Kombination mit Cyclodextrinen (CDs) als supramolekulare Bausteine eine Vielfalt an lichtempfindlichen Materialien ermöglichen. Um ein grundlegendes Verständnis der Wechselwirkungen von ortho-Fluorazobenzolen (FAzos) mit CDs zu erlangen, wurde in Kapitel II deren supramolekulare Wirt-Gast-Komplexierung untersucht. Hierbei konnte eine veränderte Barriere des Auffädelns der CDs beobachtet werden. Durch detaillierte Untersuchungen an polymeren Modellverbindungen in Kapitel III konnte gezeigt werden, dass das Auffädeln über die Z- im Vergleich zu den E-Isomeren der FAzos deutlich reduziert ist und dadurch die Bildung von Pseudo-Polyrotaxanen durch Bestrahlung mit Licht kontrolliert werden kann. Durch speziell konzipierte DOSY-Experimente konnte die Abfädelungskinetik aus Polyrotaxanen, bei denen die CDs durch das Z-Azobenzol auf der Achse fixiert wurden, verfolgt werden. Somit konnte gezeigt werden, dass eine Kontrolle der Bewegung von CDs durch Licht möglich ist. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden in Kapitel IV neuartige lichtempfindliche Slide-Ring Materialien entwickelt, die bei Lichteinstrahlung eine reversible Änderung ihrer Steifigkeit aufweisen. Die Materialien wurden so konzipiert, dass sie ortho-Fluorazobenzole enthalten, die als durch Licht schaltbare Barrieren für das Gleiten von CDs entlang des Polymerrückgrats dienen. Hierdurch konnte eine reversible Änderung des Elastizitätsmoduls durch Bestrahlung mit Licht erzielt werden und somit ein erfolgreicher Konzeptnachweis erbracht werden. / In the context of stimuli-responsive materials, light is of particular importance due to its high spatial and temporal resolution. For this purpose, molecular photoswitches, such as azobenzenes, can be incorporated into the material to transfer a response to light irradiation from the molecular to the macroscopic level. Advanced molecular designs, such as ortho-fluorination, lead to excellent bistable photoswitches which, in combination with cyclodextrins (CDs) as supramolecular building blocks, enable a variety of light-responsive materials. To gain a fundamental understanding of the interactions of ortho-fluoroazobenzenes (FAzos) with CDs, their supramolecular host-guest complexation was investigated in Chapter II. An altered barrier for the threading of CDs was thereby observed. Detailed studies on polymeric model compounds in Chapter III showed that threading over the Z-isomers of the FAzos is significantly reduced compared to the E-isomers and that the formation of pseudo-polyrotaxanes can thus be controlled by irradiation with light. Using specially designed DOSY experiments, the threading kinetics from polyrotaxanes, in which the CDs where fixed on the axis by the Z-azobenzene, could be followed. This showed that it is possible to control the movement of CDs by light. Based on these results, novel photoresponsive slide-ring materials were developed in Chapter IV, which exhibit a reversible change in stiffness when exposed to light. The materials were designed to contain ortho-fluoroazobenzenes, which serve as photoswitchable barriers for the sliding of CDs along the polymer backbone. This enabled a reversible change of the elastic modulus to be accomplished by irradiation with light, thus providing a successful proof of concept.