TiP4N8 was obtained from the binary nitrides TiN and P3N5 upon addition of NH4F as a mineralizer at 8 GPa and 1400 °C. An intricate interplay of disorder and polymorphism was elucidated by in situ temperature- dependent single-crystal X-ray diffraction, STEMHAADF, and the investigation of annealed samples. This revealed two polymorphs, which consist of dense networks of PN4 tetrahedra (degree of condensation k= 0.5) and either augmented triangular TiN7 prisms or triangular TiN6 prisms for α- and β-TiP4N8, respectively. The structures of TiP4N8 exhibit body-centered tetragonal (bct) framework topology. DFT calculations confirm the measured band gaps of α- and β-TiP4N8 (1.6–1.8 eV) and predict the thermochemistry of the polymorphs in agreement with the experiments.

Proline-rich antimicrobial peptides (PrAMPs) are promising candidates for the treatment of infections caused by highpriority human pathogens. Their mode of action consists of (I) passive diffusion across the outer membrane, (II) active transport through the inner membrane, and (III) inhibition of protein biosynthesis by blocking the exit tunnel of the 70S ribosome. We tested whether in vitro data on ribosomal binding and bacterial uptake could predict the antibacterial activity of PrAMPs against Gram-negative and Gram-positive bacteria. Ribosomal binding and bacterial uptake rates were measured for 47 derivatives of PrAMP Onc112 and compared to the minimal inhibitory concentrations (MIC) of each peptide. Ribosomal binding was evaluated for ribosome extracts from four Gram-negative bacteria. Bacterial uptake was assessed by quantifying each peptide in the supernatants of bacterial cultures. Oncocin analogues with a higher net positive charge appeared to be more active, although their ribosome binding and uptake rates were not necessarily better than for Onc112. The data suggest a complex mode of action influenced by further factors improving or reducing the antibacterial activity, including diffusion through membranes, transport mechanism, secondary targets, off-target binding, intracellular distribution, and membrane effects. Relying only on in vitro binding and uptake data may not be sufficient for the rational development of more active analogues.

In den letzten Jahren haben sich die Anwendungsoptionen natürlicher und synthetischer Porphyrinsysteme stark erweitert, was sich auch in der permanent steigenden Anzahl von Publikationen in der Fachliteratur widerspiegelt. Die Inhalte der Veröffentlichungen reichen dabei von grundlegenden Fragestellungen zur Synthese und Charakterisierung über die Untersuchung typischer Eigenschaften bis hin zur Testung der Systeme in der Photovoltaik, als optische Speicher-medien, molekulare Schalter und Drähte oder in der Medizin. Eine interessante Eigenschaft von Porphyrinen besteht darin, nach Lichtanregung Energie an die Umgebung zu übertragen. Diese Beobachtung ist bereits seit etwa 100 Jahren bekannt und hat zur Entwicklung der photodynamischen Therapie (PDT) und Diagnostik (PDD) geführt, die vorteilhaft zur Erkennung und Bekämpfung von Krebs eingesetzt werden kann. Um die Beziehungen zwischen Struktur und Wirkung aufzuklären, ist es notwendig, Porphyrine innerhalb des Grundgerüsts zu modifizieren sowie das Substitutionsmuster gezielt zu variieren. Die logischen Schlüsse, die aus den Untersuchungen der synthetisierten Substanzreihen gezogen werden, können beim Aufbau einer idealen Wirkstruktur helfen, wodurch dessen Wirksamkeit optimiert und die auftretenden Nebenwirkungen minimiert werden können. Im Rahmen dieser Arbeit sollen als potentielle PDT-Agenzien neue meso- und beta-substituierte Thiaporphyrine synthetisiert und charakterisiert werden. Neben dem Einsatz spektroskopischer Methoden in Lösung, wie UV/Vis-, NMR- und Fluoreszenzspektroskopie, sollen vor allem Kristalle für die Röntgeneinkristallstrukturanalyse gezüchtet werden, um charakteristische Bindungsmotive und strukturelle Besonderheiten zu identifizieren. Desweiteren soll durch die Einführung kationischer, funktioneller Gruppen die Löslichkeit der Thiaporphyrine in polaren Lösungsmitteln erhöht werden.

Zur Risikoabschätzung anthropogener Uraneinträge in die Umwelt ist ein umfassendes Verständnis der ablaufenden Migrations- und Immobilisationsprozesse notwendig, da eine unkontrollierte Freisetzung von Uran z.B. beim Uranerzabbau zur Bedrohung für die Gesundheit von Mensch und Tier werden kann. Hierfür sind umfassende Studien zu den Wechselwirkungen von Uran mit verschiedenen Bestandteilen der Umwelt nötig. Dabei spielt neben geologischen Materialien besonders die Biosphäre, im Speziellen die Wechselwirkungen mit Mikroorganismen und Biofilmen, eine große Rolle. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung und Beschreibung natürlicher Biofilme aus realen Uran-kontaminierten Gebieten und deren Auswirkung auf die Uranmigration. Zur Untersuchung von Speziation und Lokalisation des Urans in den ausgewählten Biosystemen wurde in dieser Arbeit vorrangig ein gekoppeltes System aus konfokaler Laser-Scanning Mikroskopie (CLSM) und laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIFS) angewendet. Dieses System ermöglicht die räumlich aufgelöste Detektion von Fluoreszenzspektren der eingelagerten Uranakkumulationen in heterogenen biologischen Proben. Natürliche Biofilme von zwei urankontaminierten Standorten, dem ehemaligen Uranbergwerk in Königstein (Sachsen) und dem Gebiet der ehemaligen Aufstandsfläche der Gessenhalde (Thüringen), wurden in dieser Arbeit näher untersucht. An beiden Standorten wurden Biofilme bis zu mehreren Zentimetern Dicke unter den extremen Umgebungs-bedingungen in den Minenabwässern vorgefunden. Dabei repräsentieren die ausgewählten Proben typische Biofilmgemeinschaften aus sauren Minenabwässern und sind exemplarisch für potentiell auftretende Szenarien sowohl für untertage als auch über Tage gelegene Bergbauregionen. Die Wässer beider Standorte waren besonders durch sehr niedrige pH-Werte (Königstein: 2,6 – 3,1; Gessenwiese: 3,6 – 3,9), hohe Sulfat-konzentrationen (Königstein: (707 – 2520) mg/l; Gessenwiese: (3520 – 5887) mg/l), eine vorliegende Kontamination mit Uran (Königstein: (9,3 – 69,5) mg/l; Gessenwiese: (75,1 - 1450) µg/l) und eine Belastung mit zahlreichen weiteren Schwermetallen charakterisiert. An beiden Standorten konnte in den Minenwässern die hochmobile, gelöste Uranspezies Uranylsulfat (UO2SO4) als dominierend nachgewiesen werden. Untersuchungen zur Biofilmstruktur sowie möglichen Uraneinlagerungen und Ausfällungen mittels des CLSM/LIFS-Systems zeigten, besonders bei den Biofilmen aus Königstein, deren Mikroorganismen kaum Eigenfluoreszenz aufwiesen, Probleme mit der Visualisierung der Biofilmstruktur. Aufgrund der Instabilität vieler kommerzieller Fluoreszenzfarbstoffe bei niedrigen pH-Werten war eine gezielte Anfärbung der Mikroorganismen in den sauren Biofilmen nicht möglich, ohne den pH-Wert der Biofilmproben anzuheben, was die Probenchemie maßgeblich verändert. In Kooperation mit der Firma DYOMICS (Jena, Deutschland) wurden neue, kommerziell nicht erhältliche, säurestabile Farbstoffe erstmals hinsichtlich ihrer Eignung zur Anfärbung von Mikroorganismen in sauren Biofilmen ohne Veränderung des pH-Wertes sowie der sonstigen Probenchemie getestet. Die neuen Farbstoffe DY-601XL, V07-04118, V07-04146 und DY-613 zeigten eine Eignung für solche Färbungen, da sie eine intensive Anfärbung der Mikroorganismen bei niedrigen pH-Werten unter pH 3 – 4 herbeiführen und außerhalb des Emissionsbereiches von Uran fluoreszieren. Die Strukturen der phototrophen Biofilme der Gessenwiese, welche viele autofluoreszierende Mikroorganismen enthielten, konnten mittels CLSM/LIFS sehr gut dargestellt werden. Aufgrund der kontinuierlichen, ungepulsten Anregung zeigten sich starke Überlagerungen der Eigenfluoreszenzsignale der Probenbiologie mit den zu untersuchenden Uransignalen. Eine Auftrennung dieser Signale zur spezifischen Urananalytik war bei den Urankonzentrationen, wie sie in Biofilmen aus natürlichen, durch saure Minenabwässer belasteten Gebieten vorkamen, aufgrund verschiedener technischer Limitationen des gekoppelten CLSM/LIFS-Systems nicht möglich. Um den umweltrelevanten Charakter dieser Studien beizubehalten, wurden die natürlichen Biofilmproben jedoch nicht künstlich mit erhöhten Urankonzentrationen versetzt, stattdessen wurde besonderer Wert auf die Beschreibung der realen Wechselwirkungen mit originalen, unveränderten Biofilmen gelegt. Aufgrund der Komplexität der natürlichen Biofilmproben sollten die Wechselwirkungen von Uran mit Monokulturen eines ausgewählten eukaryotischen Einzellers, welcher typisch in sauren Uran- und schwermetallbelasteten Wässern wie z.B. in den Biofilmen von der Gessenwiese anzutreffenden ist, detaillierter untersucht werden. Erstmalig wurden hierzu in dieser Arbeit die Wechselwirkungen von Uran mit Euglena mutabilis Zellen untersucht. Dabei wurde die Fähigkeit der Euglena-Zellen zur Bioakkumulation des Urans im pH-Wertbereich 3 – 6 in den Hintergrundmedien Natriumperchlorat (9 g/l) oder Natriumsulfat (3,48 g/l) an lebenden Zellen untersucht. Uran wurde hierbei in einer für saure Minenabwässer relevanten Konzentration von 0,01 mM in der Ausgangslösung vorgelegt. Unabhängig vom Medium konnte bei sauren pH-Werten um pH 3 – 4 über 90 % des vorgelegten Urans aus den Probelösungen abgetrennt werden. Vor dem Hintergrund einer möglichen Anwendung dieser Zellen zur Reinigung kontaminierter saurer Minenabwässer ist die hohe Immobilisierungsrate für Uran speziell im sauren pH-Bereich besonders attraktiv. Lebende, metabolisch aktive Zellen zeigten sich innerhalb dieser Studie in der Lage, größere Mengen Uran zu binden als tote Zellbiomasse. So wurden in Bioakkumulations-versuchen mit erhöhten Urankonzentrationen von 0,5 mM maximale Uranakkumulationen an den Euglena-Zellen von (33,16 ± 0,2) mg/g für lebende Zellen und (12,97 ± 0,7) mg/g für tote Zellen gemessen. An toten Zellen findet dabei ein reiner Biosorptionsprozess des Urans an die vorhandenen Bindungsstellen der Zellen statt, welcher innerhalb weniger Minuten (< 20 min) abgeschlossen ist. Bei lebenden, metabolisch aktiven Zellen wurde deutlich mehr Zeit benötigt bis die gleiche Uranmenge wie bei toten Zellen aufgenommen wurde. Dies ist ein Indiz für einen anfänglichen Abwehrmechanismus und einen insgesamt aktiven Umgang der lebenden Zellen mit dem Uran. Bei Bioakkumulationsversuchen an Euglena mutabilis Zellen unter Verwendung von realen, sauren, urankontaminierten Wässern wurden signifikant schlechtere Immobilisations-raten für Uran detektiert ((0 – 3,6) mg U/gEuglenaBtm). Ursache hierfür ist der Wettbewerb des Urans mit den vielfältigen anderen Inhaltstoffen in den natürlichen Wässern um die verfügbaren Sorptionsstellen an den Zellen. Dies verdeutlicht die Schwierigkeit, Erkenntnisse aus Laborexperimenten direkt auf natürliche Prozesse anzuwenden und verdeutlicht die Notwendigkeit in zukünftigen Untersuchungen, auf eine entsprechende Umweltrelevanz der Versuchsbedingungen zu achten. Die Speziation des an den Euglena-Zellen akkumulierten Urans, wurde mittels laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIFS) untersucht. Es zeigte sich, dass unabhängig vom Hintergrundmedium, Lebenszustand und pH-Wert eine vergleichbare neue Uranspezies an den Zellen gebildet wird. Die detektierten Emissionsmaxima des Uranfluoreszenzsignals, gemessen an den Euglena-Zellen lagen bei 478,4 nm, 495,6 nm, 517,1 nm, 540,4 nm, 565,3 nm, 590,1 nm. Durch den Vergleich der Daten aus den LIFS-Messungen mit Referenzwerten, konnte die gebildete Uranspezies auf eine Anbindung durch (organo)phosphatische und/oder carboxylische funktionelle Gruppen eingegrenzt werden. Mit Hilfe der zeitaufgelösten FT-IR-Spektroskopie wurde erstmals der Biosorptionsprozess direkt an der Grenzfläche zwischen Euglena-Zellen und Uranlösung untersucht. Dabei konnte die carboxylische Anbindung des Urans an toten Zellen nachgewiesen werden. Ein Ausschluss der (organo)phosphatischen Komplexierung konnte jedoch mit dieser Methode nicht geführt werden. Untersuchungen zur Lokalisation des Urans an bzw. in den Zellen, mittels der gekoppelten CLSM/LIFS-Technik zeigten erstmals ein Indiz für die intrazelluläre Akkumulation von Uran in den lebenden Zellen. Ergänzende TEM/EDX-Messungen bestätigten die intrazelluläre Aufnahme und belegen eine Akkumulation in runden bis ovalen Zellorganellen, bei denen es sich vermutlich um Vakuolen oder Vakuolen-ähnliche Vesikel handelt. An den toten Zellen konnte mit diesen Methoden kein Uran detektiert werden. Dies lässt auf eine passive, homogen verteilte Biosorption des Urans an die verfügbaren Bindungsplätze an der Zelloberfläche der toten Biomasse schließen. Die Ergebnisse dieser Arbeit leisten einen Beitrag zum Prozessverständnis der Wechselwirkungen von Uran mit Biofilmen und speziell mit Euglena mutabilis Zellen. Auf Grundlage der erhaltenen Erkenntnisse können Risiken in natürlichen kontaminierten Gebieten besser eingeschätzt werden und Vorhersagen zum Migrationsverhalten des Urans entsprechend der vorliegenden Bedingungen optimiert werden.

Das corneale Endothel bildet die innere, einschichtige Zelllage der Cornea und ist für die Aufrechterhaltung der cornealen Transparenz zuständig. Krankheiten oder Verletzungen des cornealen Endothels können zu schweren Beeinträchtigungen des Sehvermögens führen und eine corneale Transplantation erforderlich machen. Der während und nach der Operation auftretende endotheliale Zellverlust erschwert das Überleben des Transplantates. Darum besteht ein Hauptziel des cornealen Tissue Engineerings in der Bereitstellung von transplantierbaren humanen cornealen Endothelzellsheets (HCEC-Sheets) mit einer adäquaten Zelldichte. Thermo-responsive Zellkulturträger fanden für die schonende, enzymfreie Gewinnung von Zellsheets für verschiedene Gewebetypen bereits Verwendung. HCEC stellen in diesem Kontext einen besonderen Fall dar, da sie eine starke Adhäsion zu ihrem Kultursubstrat ausbilden, was deren schonende, thermisch induzierte Ablösung als funktionelles Zellsheet erschwert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiger thermo-responsiver Zellkulturträger entwickelt. Dieser basiert auf dem durch Elektronenbestrahlung immobilisierten und vernetzten thermo-responsiven Polymer Poly(vinylmethylether) (PVME) sowie dem alternierenden Co-Polymer Poly(vinylmethylehter-alt-maleinsäureanhydrid) (PVMEMA) als biofunktionalisierbare Komponente. Die Kombination dieser Polymere führte zur Etablierung eines thermo-responsiven Zellkulturträgers, dessen physikochemische und biomolekulare Eigenschaften in weiten Grenzen einstellbar und dadurch an die spezifischen Anforderungen von HCEC anpassbar waren. Das PVME-PVMEMA-Blend ermöglichte die Bildung konfluenter HCEC-Monolayer mit den morphologischen Grundlagen für ein funktionelles corneales Endothelgewebe. Durch Inkorporation von Poly(N-isopropylacrylamid) (PNiPAAm) als weitere thermo-responsive Polymerkomponente konnte das Ablösungsverhalten funktioneller HCEC-Sheets weiter verbessert werden. In einem weiteren Schritt erfolgte der Transfer abgelöster HCEC-Sheets auf ein planares, biofunktionalisiertes Kultursubstrat sowie auf endothelfreie porcine Corneae. Die HCEC-Sheets wurden auch nach dem Transfer umfassend biologisch analysiert. Diese Arbeit legt einen Grundstein für die Bereitstellung klinisch anwendbarer Alternativen für das Tissue Engineering von cornealem Gewebe.

Olfaction is functional at birth and newborns use their sense of smell to navigate their environment. Yet, certain chemosensory abilities are subject to experience and develop with age. It has been argued that odor discrimination is a key ability enabling organisms to capture and distinguish odors occurring in the environment to further identify them and formulate a behavioral response. Yet, the development of odor discrimination abilities has been overlooked in the literature, with few attempts to investigate developmental changes in odor discrimination abilities independent of verbal abilities and olfactory experience. Here, building on these attempts, we propose a novel approach to studying the development of odor discrimination abilities by utilizing odor enantiomers—pairs of odorous molecules of identical chemical and physical features, but differing in optical activity. We hypothesized that discrimination of enantiomeric odor pairs in children and adolescents would be less prone to age effects than discrimination of pairs of common odors due to their encoding difficulty and their limited exposure in common olfactory experience. We examined olfactory discrimination abilities in children aged 4–12 years with regard to three common odor pairs and five enantiomeric odor pairs. The study protocol eliminated verbal and cognitive development bias, resulting in diminished age advantage of the older children in discrimination of enantiomers as compared to common odors.

Stimuli-responsive polymers have aroused enormous interest in fundamental and applied polymer research in the last decades as they exhibit a spontaneous, defined, and reversible adaptation of their physicochemical properties towards environmental conditions. Their switching behavior can be triggered by external physical, chemical or biological stimuli, such as a change in temperature, pH value or the presence of certain enzymes. These materials, often referred to as 'smart' polymers, offer a huge potential for novel (bio-medical) sensors, actuators like artificial muscles and flexible robotics, drug-delivery systems, tissue engineering, and switchable catalysts. For almost all of these applications, responsive polymer chains need to be attached to interfaces such as particles or flat substrates or assembled into constrained architectures, like branched structures, micelles, or cross-linked networks. Although there are strong indications that the assembly of responsive polymers largely impacts their adaptiveness, the underlying structure–property relationships are still poorly understood. Besides the challenge of synthesizing constrained polymeric architectures precisely, the analytical characterization of their responsiveness is challenging too. Despite these obstacles, fundamental scientific characterization is an important tool for making smart polymers accessible for real-life applications. To contribute to this, the overarching objective of this work is to synthesize, characterize, adapt, and control the switching characteristics of a multi-responsive polymeric coating. The responsive polyelectrolyte, poly(N,N-dimethylaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA), is covalently anchored to flat silicon substrates or gold nanoparticles via three newly developed, distinct grafting-to approaches in a controlled manner. In particular, the thermo-responsive behavior of the nanometer-thick polymer layer in aqueous solutions is being investigated using complementary in-situ techniques such as spectroscopic ellipsometry, attenuated total reflection Fourier-transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR spectroscopy) and atomic force microscopy (AFM). Herein, the polymer coating reveals an extraordinary responsiveness, exhibiting two distinct modes of thermo-responses, namely a lower critical solution temperature (LCST) and a multivalent ion induced upper critical solution temperature (UCST). The temperature-dependent switching characteristics of the coating, in terms of switching amplitude, temperature, and sharpness, can be tailored by secondary triggers, such as a change in the pH value, ionic strength, or type of counterions present. In addition to characterizing the interactions between the polymer layer and the aqueous environment on a molecular level, the remarkable impact of thermo-responsiveness on the surface patterning of the coating is exposed. A nanostructured surface of pinned PDMAEMA micelles of tunable size during the UCST transition is opposing a homogenous surface detected both below and above the LCST. Furthermore, the synthetic control over the grafting density of the polymer chains reveals the ambiguous influence of steric constraint on both the LCST and induced UCST transition of the coating for the first time. In summary, the in-depth physicochemical characterization of a multi-responsive polymer coating in this work marks a comprehensive contribution to fundamental advances in constrained responsive polymers and their future applications in tailoring surface properties. / Stimuli-responsive Polymere haben in den letzten Jahrzehnten ein enormes Interesse in der Grundlagen- und angewandten Polymerforschung geweckt, da sie eine spontane, definierte und reversible Anpassung ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften an Umweltbedingungen aufweisen. Ihr Schaltverhalten kann dabei sowohl durch externe physikalische, chemische oder biologische Reize wie zum Beispiel eine Änderung der Temperatur, des pH-Wertes bzw. der Präsenz bestimmter Enzyme, ausgelöst werden. Diese oft als 'intelligente' Polymere bezeichneten Materialien bieten ein großes Potenzial für neuartige (biomedizinische) Sensoren, Aktoren wie künstliche Muskeln und flexible Roboter, Systeme zur Abgabe von Medikamenten, Gewebezüchtung sowie schaltbare Katalysatoren. Für fast alle diese Anwendungen müssen responsive Polymerketten an Grenzflächen wie (Nano-)Partikel oder flache Substrate gebunden bzw. zu sterisch anspruchsvollen Architekturen wie verzweigten Strukturen, polymeren Mizellen oder Netzwerken zusammengefügt werden. Obwohl es deutliche Hinweise darauf gibt, dass die Assemblierung von responsiven Polymeren deren Adaptivität signifikant beeinflusst, sind die zugrunde liegenden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen noch wenig bekannt. Neben den hohen Anforderungen der Synthese sterisch eingeschränkter Polymerarchitekturen, ist auch die analytische Charakterisierung ihrer Responsivität anspruchsvoll. Trotz dieser Herausforderungen ist gerade diese grundlegende wissenschaftliche Charakterisierung ein wichtiges Instrument, um intelligente Polymere für reale Anwendungen zugänglich zu machen. Um einen Beitrag dafür zu leisten, ist das übergeordnete Ziel dieser Arbeit die Synthese, Charakterisierung, Anpassung und Regulierung der Schalteigenschaften einer multi-responsiven Polymerbeschichtung. Der responsive Polyelektrolyt, Poly(N,N-dimethylaminoethylmethacrylat) (PDMAEMA), wird über drei neu entwickelte, unterschiedliche Pfropfansätze kontrolliert auf flachen Siliziumsubstraten oder Goldnanopartikeln kovalent verankert. Insbesondere das thermo-responsive Verhalten dieser nur wenigen nanometerdicken Beschichtung wird in wässrigen Lösungen mit komplementären in-situ Techniken wie der spektroskopischen Ellipsometrie, ATR-FTIR (attenuated total reflection Fourier-transform infrared) Spektroskopie sowie AFM (atomic force microscopy) analytisch untersucht. Hierbei zeigt die entwickelte Polymerbeschichtung eine außergewöhnliche Adaptivität bestehend aus zwei unterschiedlichen Arten der Thermoresponsivität, namentlich einer unteren kritischen Entmischungstemperatur (lower critical solution temperature, LCST) und einer durch multivalente Ionen induzierten oberen kritischen Entmischungstemperatur (upper critical solution temperture, UCST). Die Schalteigenschaften der Beschichtung in Bezug auf Schaltamplitude, -temperatur, und Schärfe des Übergangs können durch sekundäre Stimuli, wie eine Änderung des pH-Werts, der Ionenstärke oder der Art der vorhandenen Gegenionen, maßgeschneidert werden. Neben der Charakterisierung der molekularen Wechselwirkungen zwischen Polymerschicht und wässriger Umgebung, wird auch der bemerkenswerte Einfluss der Thermoresponsivität auf die Oberflächenstrukturierung der Beschichtung gezeigt. Eine Nanostrukturierung aus gepinnten PDMAEMA-Mizellen mit einstellbarer Größe während des UCST-Übergangs steht einer homogenen Oberfläche gegenüber, die sowohl unterhalb als auch oberhalb der LCST festgestellt wird. Darüber hinaus zeigt die synthetische Kontrolle der Pfropfdichte der Polymerketten erstmals den ambivalenten Einfluss sterischer Restriktionen sowohl auf den LCST als auch auf den induzierten UCST-Übergang der Beschichtung. Zusammenfassend leistet die tiefgründige physiko-chemische Charakterisierung einer multi-responsiven Polymerbeschichtung in dieser Arbeit einen umfangreichen Beitrag zum grundlegenden Verständnis gepfropfter, responsiver Polymere und ihren künftigen Anwendungen bei der gezielten Anpassung von Oberflächeneigenschaften.

Die enormen Fortschritte im Bereich der organischen Elektronik in den letzten Jahrzehnten haben zur Entwicklung effizienter optoelektronischer Bauelemente geführt wie z. B. organische Leuchtdioden (OLEDs), organische Feldeffekttransistoren (OFETs) und organische Photovoltaikzellen (OPV). Darüber hinaus ermöglichen halbleitende Polymere die Herstellung kostengünstiger, großflächiger elektronischer Bauelemente mit Hilfe von Niedertemperatur Lösungsverfahren auf flexiblen Substraten. Der erste Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Entwicklung von Host-Materialien für die emittierende Schicht (EML) von OLEDs. Effiziente Host-Materialien sollten bestimmte Eigenschaften aufweisen, z. B. eine hohe Triplett-Energie, einen hohen und ausgeglichenen Ladungsträgertransport, geeignete Grenzorbitalniveaus, die mit denen der Nachbarschichten übereinstimmen, und morphologische Stabilität. Zu diesem Zweck wurden Polymere auf Carbazolbasis mit einer elektronenziehenden Gruppe (EWG) an verschiedenen Stellen der Kette entworfen und durch Suzuki Kupplung synthetisiert. Die Polymere wurden chemisch und optisch charakterisiert, bevor sie nach Dotierung mit Tris(2-phenylpyridin)iridium(III) (Ir(ppy)3) in eine funktionierende grüne OLED eingebaut wurden. Zusätzlich wurden die Ladungstransporteigenschaften durch die Herstellung von Einzelträgergeräte untersucht. Der zweite Teil widmete sich der Herstellung von Halbleitermaterialien für OFET Anwendungen. Nach einem neuartigen Moleküldesign wurde eine Reihe von Verbindungen auf der Basis von Diketopyrrolopyrrol (DPP) und Thiophen durch Stille-Kupplung und phosphinfreie direkte Heteroarylierung synthetisiert. Dieses molekulare Design erwies sich als flexibel für die Synthese neuartiger Derivate durch Modifikation der Endgruppen. Die Korrelation zwischen Struktur und Morphologie wurde ebenfalls untersucht. Die Mobilität der Ladungsträger, welche von der chemischen Struktur und Morphologie des Halbleiters beeinflusst wird, ist einer der wichtigsten Parameter eines OFET. Daher wurden die erhaltenen Materialien mit niedriger Bandlücke in Transistoren verschiedener Architekturen integriert, die durch Lösungsverfahren wie Spin-Coating und Scherbeschichtung hergestellt wurden. Die Mobilität sowie andere OFET-Parameter wurden im p- und n-Typ-Betrieb gemessen.:1 Theoretical background 1.1 Introduction 1.2 Organic semiconductors 1.3 Organic Light Emitting Diodes 1.3.1 Physics of OLEDs 1.3.2 Solution processable OLEDs 1.3.3 Polymer Light-Emitting Diodes 1.4 Organic Field-Effect Transistors 1.4.1 Device operation 1.4.2 Ambipolar transistors 1.5 Synthesis of π-conjugated polymers 1.6 Characterisation methods 1.6.1 Chemical structure characterisation 1.6.2 Optical characterisation 1.6.3 Morphology and microstructure 2 Motivation and aim 3 Results and discussion 3.1 Polymers for ambipolar semiconductors 3.1.1 Molecular design 3.1.2 (N-carbazole)triphenylphosphine oxide polymers 3.1.3 Bis(carbazol-3-yl)triphenylphosphine oxide polymers 3.1.4 ((Carbazol-3-yl)phenoxy)hexyl diphenylphosphinate polymers 3.1.5 ((Phenothiazin-10-yl)phenyl)diphenylphosphine oxide polymers 3.1.6 Device integration 3.1.7 Summary 3.2 DPP based molecules for OFETs 3.2.1 Molecular design 3.2.2 DBT-I series 3.2.3 DBT-II 3.2.4 Device integration 3.2.5 Summary 4 Conclusions and outlook 5 Experimental part 6 Supporting Information 7 Bibliography / Staggering progress in the field of organic electronics over the past decades has led to the development of efficient optoelectronic devices, such as organic light-emitting diodes (OLEDs), organic field-effect transistors (OFETs)and organic photovoltaic cells (OPV). Moreover, semiconducting polymers enable the fabrication of low-cost, large-area electronic devices using low-temperature solution-processing methodologies on flexible substrates. The first part of this thesis focused on the development of host materials for the emitting layer (EML) of an OLED. Efficient hosts should possess a number of properties, such as high triplet energy, good and balanced charge-carrier transport, suitable frontier orbital levels that match those of the neighbouring layers, and morphological stability. To this end, carbazole-based polymers featuring an electron-withdrawing group (EWG) at different positions of the chain were designed and synthesised by Suzuki coupling. Chemical and optical characterisations of the polymers were performed prior to their incorporation into a functioning green OLED upon doping with tris(2-phenylpyridine)iridium(III) (Ir(ppy)3). Additionally, the charge-transport properties were studied through the fabrication of single-carrier devices. The second part was dedicated to the production of semiconductor materials for OFET applications. Following a novel molecular design, a series of compounds based on diketopyrrolopyrrole (DPP) and thiophene were synthesised by Stille coupling and phosphine-free direct heteroarylation. This molecular design was proven to be flexible for the synthesis of novel derivatives by modification of the end-groups. The correlation between structure and morphology was also studied. Mobility, influenced by the chemical structure and morphology of the semiconductor, is one of the most important parameters of an OFET. Thus, the obtained low bandgap materials were integrated into devices of different architectures, fabricated by solution processing methodologies, such as spin coating and shear coating, and the mobility, as well as other OFET parameters, were measured in p- and n-type operation.:1 Theoretical background 1.1 Introduction 1.2 Organic semiconductors 1.3 Organic Light Emitting Diodes 1.3.1 Physics of OLEDs 1.3.2 Solution processable OLEDs 1.3.3 Polymer Light-Emitting Diodes 1.4 Organic Field-Effect Transistors 1.4.1 Device operation 1.4.2 Ambipolar transistors 1.5 Synthesis of π-conjugated polymers 1.6 Characterisation methods 1.6.1 Chemical structure characterisation 1.6.2 Optical characterisation 1.6.3 Morphology and microstructure 2 Motivation and aim 3 Results and discussion 3.1 Polymers for ambipolar semiconductors 3.1.1 Molecular design 3.1.2 (N-carbazole)triphenylphosphine oxide polymers 3.1.3 Bis(carbazol-3-yl)triphenylphosphine oxide polymers 3.1.4 ((Carbazol-3-yl)phenoxy)hexyl diphenylphosphinate polymers 3.1.5 ((Phenothiazin-10-yl)phenyl)diphenylphosphine oxide polymers 3.1.6 Device integration 3.1.7 Summary 3.2 DPP based molecules for OFETs 3.2.1 Molecular design 3.2.2 DBT-I series 3.2.3 DBT-II 3.2.4 Device integration 3.2.5 Summary 4 Conclusions and outlook 5 Experimental part 6 Supporting Information 7 Bibliography

As the UN summit in September 2015 addressed with the Sustainable Development Goals (SDG), our planet faces great challenges.[1] Not only since then has the role of synthetic materials chemistry been discussed in this context.[2–16] This not only concerns the development of new materials with outstanding properties such as catalysts, materials for energy conversion, and cost-efficient energy converting and storage materials, but also a reduction of the energy consumption of established functional material syntheses. Therefore, new approaches addressing the three main categories to promote the potential for energy and resource efficiency have been proposed: lowering the temperature of the synthetic processes, improving the yield and purity of the materials, and reducing the amount of waste materials. In this context a number of low-temperature processes have been established, in which mainly solvents, i.e. amines and alcohols, are used in combination with previously synthesised precursors as the solubility of the starting materials limits their usability and most elements are not soluble in these solvents. Novel solvents like ionic liquids (ILs) showcase growing interest as they are considered particularly resource-efficient.[17,18] ILs are defined as liquids that are comprised entirely of ions, with melting points below 100 °C. Continuing on from the reported work in this field, this thesis focuses on investigating the ability of ILs in the syntheses for known chalcogenides at lower temperatures and the synthesis of new materials. The main focus lies on conversions with high atom economy, especially by starting from the elements and completely recycling the IL afterwards, and mechanistic studies elucidating the intermediate dissolved species. Furthermore, as imidazolium based ILs, and their derived LEWIS-acidic ILs [BMIm]Cl/nAlCl3 mixtures, have proven to be good crystallisation media in inorganic syntheses, and the class of mostly room-temperature liquid ILs (RTILs) based on phosphonium cations [P66614]Cl showcased the ability to dissolve red phosphorous, Pred, and the heavier chalcogens S, Se, and Te, this work mainly focuses on these two IL systems. This was also chosen as an in-depth understanding of the activation and resource-efficient synthesis of these chalcogenides has still not been established. As they are RTILs, they also made the characterisation of the reactive and dissolved species by liquid state NMR, Raman, UV/Vis spectroscopy and electrochemical characterisation possible. This expands the knowledge of which main group elements and ore-like starting materials can be used in ionothermal synthesis. As a starting point the thermoelectrically interesting materials class of tellurides is addressed. The under normal conditions hard to dissolve element tellurium readily dissolves in phosphonium ILs with the cations [P66614]+ and [P4444]+. In ILs with carboxylate anions a deep purple hue of the IL already occurred by dissolving tellurium at temperatures of 60 °C. Investigations on the solutions in the acetate ILs revealed the formation of tellurium anions (Ten)2– with chain lengths up to at least n = 5, which are in a dynamic equilibrium with each other. Since external influences could be excluded and no evidence of an IL reaction was found, disproportionation of the tellurium is the only possible dissolution mechanism. However, the spectroscopic detection of tellurium cations in these solutions is difficult, but the coexistence of tellurium cations, such as (Te4)2+ and (Te6)4+, and tellurium anions could be proven by cyclic voltammetry and electrodeposition experiments. DFT calculations indicate that electrostatic interactions with the ions of the ILs are sufficient in stabilizing both types of tellurium ions in solution.[19] In contrast, the acetate ILs show insufficient conversion in reactions of coin metals (Cu, Ag, Au) with tellurium to the corresponding tellurides, especially at low temperatures, however the chloride ILs successfully synthesise Cu2–xTe, CuTe, AuTe2 and Ag2Te. As the synthesis of the tellurides in neat ILs at temperatures down to 60 °C was only sufficient for the system Ag-Te, with a full conversion of the elements to Ag2Te, this was chosen as a model system for further investigations. Even at room temperature, a quantitative yield was achieved by using either 2 mol% of [P66614]Cl in dichloromethane or a planetary ball mill. The unexpected finding that phosphane-free [P66614]Cl also allows the quantitative synthesis of Ag2Te at 60°C implies an additional activation mechanism independent from the phosphane, which is yet unknown.[20] Subsequently, the manifoldly-used lighter chalcogen sulphur is tested for the synthesis of sulphides. Direct synthesis of binary sulphides of B, Bi, Ge, Mo, Cu, Au, Sn, In, Ti, V, Fe, Co, Ga, Ni, Al, Zn, and Sb in [P66614]Cl was tested at 100 °C, i.e. below the melting point of sulphur. Under these conditions, substantial sulphide formation occurred only for nickel (Ni3S4, Ni3S2, NiS) and copper (Cu2S, CuS). Sb showed no formation of crystalline sulphide, but after addition of EtOH, an orange material precipitated which was identified as amorphous metastibnite.[21] As generating these elements from their ores is highly energy consuming, direct dissolution experiments of the crystalline stibnite in [P66614][OAc] and Cl– were investigated and resulted in yellow solutions, from which the amorphous form can be precipitated upon exposure to EtOH air without any sign of decomposition of the IL. In particular, follow-up investigations were conducted on the solubility of Sb2S3 for follow-up chemistry in the LEWIS-acidic IL [BMIm]Cl · 4.7 AlCl3 at 160 °C which resulted in the formation of the novel chloride-terminated [Sb13S16Cl2]5+ quadruple-heterocubane cation-containing compound [Sb13S16Cl2][AlCl4]5.[21] Addition of CuCl in a slightly modified reaction resulted in the formation of the layered semiconductor Cu(Sb2S3)[AlCl4]. From this the AlCl3 can be leached by treatment with 0.1 molar hydrochloric acid, yielding a compound with the presumed composition Cu(Sb2S3)Cl.[22] As ILs showed to be able to activate elements that are insoluble in common solvents, and the formation of Sb2S3 from reactions mixtures of the elements raised the question of whether only the sulphur forms a mobile species or if antimony could additionally activated, the synthesis of binary antimony compounds directly from elements was explored as they are highly discussed as replacements for silicon-based semiconductors. Therefore the 12 elements Ti–Cu, Al, Ga, In, and Te, which are known to form binary compounds with Sb, were reacted with Sb in [P66614]Cl under inert conditions in a simple closed glass flask with vigorous stirring for 16 h at 200 °C. This resulted in the formation of NiSb, InSb, Cu2Sb and Sb2Te3. The applied reaction temperature is several hundred degrees below the temperatures required for solvent-free conversions. Compared to reactions based on diffusions in the solid state, reaction times are much shorter. The IL is not consumed and can be recycled. Since the reaction with Cu showed almost complete conversion, the influences of reaction time, temperature and medium were further investigated. In a diffusion experiment, Cu2Sb formed on the copper, which indicates that antimony forms mobile species in these ILs. These systematic studies hence deliver a contribution to how ILs can help in the synthesis of new materials and how they can make a difference in the synthesis of inorganic materials as well in the context of “GREEN CHEMISTRY”. This can help in developing a more educated choice/toolbox of IL systems for reducing energy costs by reducing the temperature from high temperature inorganic syntheses to syntheses near room-temperature by using the elements as starting materials, with a high atom economy for the synthesis of known and new materials.

Der Programmed Death-Ligand 1 (PD-L1) wird von verschiedenen Tumorentitäten überexprimiert und hemmt durch die Bindung an das auf T-Zellen vorkommende Programmed Cell Death Protein (PD-1) die Immunantwort. Immuncheckpoint-Inhibitoren sind in der Lage, diese Blockade aufzubrechen und die Immunantwort zu reaktivieren. Auf eine solche Monotherapie sprechen aber nur etwa 30 % der Patienten an, sodass klinischer Bedarf an nichtinvasiven, bildgebenden Diagnosemethoden besteht. Eine Möglichkeit stellen Radioliganden für die nichtinvasive Bildgebung mittels Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie (SPECT) dar, welche einen Therapieerfolg prognostizieren könnten. Die vorliegende Dissertationsschrift beschäftigt sich mit der Entwicklung und Synthese einer neuen Klasse von PD-L1-adressierenden Radioliganden sowie deren biologischer Evaluierung in Zellen (in vitro) und in Kleintieren (in vivo). Nach der Identifikation von drei hochaffinen PD-L1-Inhibitoren in der Patentliteratur, wurden zunächst diese als Referenzverbindungen in einer neuen, konvergenten Synthesestrategie dargestellt. Diese ermöglichte nicht nur eine höhere Gesamtausbeute der Substanzen, sondern erlaubte auch dank des modularen Aufbaus den einfachen Zugang zu einer großen Substanzbibliothek an PD-L1-Radioliganden. Mithilfe einer Kokristallstruktur aus PD-L1 und einem Inhibitor wurden Modifikationen des Inhibitors für eine Transformation in einen Radioliganden geplant. Zur Erhöhung der Hydrophilie der Substanzen wurden löslichkeitsvermittelnde Gruppen (Sulfon-/Phosphonsäuren) in dem Molekülteil eingeführt, welcher in der „Solvent-Exposed-Region“ des Proteins lokalisiert ist. Funktionalisierung des Bindungsmotivs mit einem Alkin erlaubte die Einführung eines Linker-Chelator-Konstruktes mittels kupferkatalysierter Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC) zur Komplexierung des Radiometalls. In der ersten Generation an PD-L1-Radioliganden wurden zwei Bindungsmotive und drei verschiedenen Linker erprobt, sodass nach Konjugation mit dem DOTA-Chelator sechs PD-L1-Radioliganden zur Verfügung standen. Nach erfolgreicher Radiomarkierung mit 64Cu, 68Ga und 177Lu erfolgten mit den 64Cu-markierten Radioliganden Bindungsaffinitätsbestimmungen in einem Sättigungsbindungsassay (Zugabe von 2,5 % BSA im Medium) an transduzierten PC3 PD-L1-Zellen. Dabei erwies sich [64Cu]Cu-62 mit Dimethylbiphenyl als Bindungsmotiv und Piperazinpropyl als Linker mit einem KD-Wert von 60 nM als der vielversprechendste Radiotracer, sodass dieses Bindungsmotiv als Grundlage für die folgenden Radioliganden dienen sollte. Nach bestätigter In-vitro-Stabilität der Radioliganden in verschiedenen Medien (PBS, Humanserum, gegenüber Lebermikrosomen), wurden für alle sechs Verbindungen aus der ersten Generation µPET-Aufnahmen in tumortragenden Mäusen durchgeführt. Die Aufnahmen zeigten eine geringe Akkumulation im PD-L1-positiven Tumor, eine hepatobiliäre Ausscheidung trotz niedriger log D7,4-Werten von –2,73 bis –3,50 und für kleine Moleküle ungewöhnlich lange Zirkulationszeiten. Diese konnten mit Gelelektrophorese und Größenausschlusschromatographie auf eine ausgeprägte Albuminbindung der Radioliganden zurückgeführt werden. In Echtzeit-Radioliganden-Bindungsversuchen mittels LigandTracer® konnten für die meisten Radioliganden einstellige, nanomolare KD-Werte erzielt werden. In Abwesenheit von Albumin zeigen diese Bindungsaffinitäten mit hoher Wahrscheinlichkeit die reine Bindung an PD-L1. Um die Tumoraufnahme zu erhöhen, wurden für die PD-L1-Radioliganden der zweiten Generation die funktionelle Gruppe am Pyridinring und das Halogen am zentralen Aromaten ausgetauscht. Trotz höherer KD-Werte in Sättigungsbindungsversuchen zeigten die µPET-Aufnahmen eine erhöhte Tumoraufnahme für das Brom- ([64Cu]Cu-115) und Iodderivat ([64Cu]Cu-116), vermutlich aufgrund höherer Bmax-Werte. Um eine Transchelatierung zu vermeiden, wurde für die PD-L1-Radioliganden der dritten Generation DOTA gegen NODA-GA als Chelator ausgetauscht. Außerdem wurde auf eine Verbesserung des pharmakokinetischen Profils abgezielt: Mittels Einführung von weiteren Sulfonsäuren und deren partiellen Austausch durch Phosphonsäuren sollte zum einen die Albuminbindung verringert und zum anderen die renale Ausscheidung begünstigt werden. Die sechs Radioliganden mit bis zu vier Sulfon-/Phosphonsäuren zeigten, abhängig von der Art und Anzahl der löslichkeitsvermittelnden Gruppe, stark unterschiedliche pharmakokinetische Profile. Dabei überzeugte der Radioligand [64Cu]Cu-148 mit einem KD-Wert von 94 nM im Sättigungsbindungsversuch und einem log D7,4-Wert von –3,80 insbesondere in der µPET-Bildgebung: Größtenteils renale Ausscheidung, moderate Tumoraufnahme (SUVmax = 3,5) und ausgeprägtes Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis zum PD-L1-negativen Tumor. Die vierte Generation sollte das wünschenswerte pharmakokinetische Profil des Radioliganden [64Cu]Cu-148 mit den höheren Bmax-Werten der Radioliganden der zweiten Generation kombinieren. Die µPET-Aufnahmen zeigten für alle vier synthetisierten Radioliganden sehr geringe Tumoraufnahmen, dafür ein unerwartetes pharmakokinetisches Profil mit hoher Leberaufnahme – trotz niedriger log D7,4-Werte – und eine Akkumulation in Knochen/Knochenmark und Gelenken. Es wird vermutet, dass es trotz des räumlichen Abstandes der beiden Phosphonsäuren zu einer Ca2+-vermittelten Knochenanreicherung und/oder einer Bindung an anderen biologischen Strukturen wie Makrophagen kommt. Dank des modularen Aufbaus und der Einführung einer Alkin-Funktionalität wird über 18F-prosthetische Gruppen ein einfacher Zugang zu 18F-Radioliganden mittels CuAACReaktionen eröffnet, für welche bereits 19F-Referenzverbindungen und Markierungsvorläufer synthetisiert wurden. Nach weiteren Optimierungen des pharmakokinetischen Profils und damit kürzeren Zirkulationszeiten soll dies zukünftig den Zugang zu vielversprechenden 18F-Radiotracern ohne Chelator-Linker-Einheit ermöglichen.