Gegenstand der Arbeit sind Grundlagenuntersuchungen zu einem technischen Messsystem für Gerüche. Das System besteht aus Quarzmikrowaagen als Sensoren und einer Anreicherungseinheit zur Erhöhung der Sensitivität der Sensoren. Als neuartige chemisch sensitive Schichten der Quarzmikrowaage wurden 2 Typen von polymeren Komplexverbindungen untersucht und Erklärungen des Verhaltens vorgeschlagen. Feste Phasen aus der Gaschromatografie besitzen jedoch für den Sensor-Einsatz günstigere Eigenschaften. Die wichtigsten Betriebs-Parameter der Anreicherungseinheit werden unter praxisnahen Bedingungen mit einer rein empirischen Methode untersucht. Damit kann die Empfindlichkeit des Messsystems bei Reinstoffen die menschliche Nase übertreffen.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung intermolekularer C-H...F-, F...F- und Aryl-Perfluorarylwechselwirkungen in Konkurrenz zu potenziell stärkeren Wasserstoffakzeptoren wie Sauerstoff und Stickstoff im organischen Kristall. Darüber hinaus ist die Abhängigkeit der von der Position und der Anzahl der des aromatisch gebundenen Fluors von Interesse. Hierzu wurden Modellverbindungen ausgewählt, die über carbonylischen Sauerstoff, resp. tertiär gebundenen Stickstoff verfügen. Insgesamt lässt sich feststellen, dass selbst unter den vorliegenden Bedingungen strukturell ausgewählter fluororganischer Modellverbindungen zwar supramolekulare Fluorkontakte im Kristall tendenziell lokalisierbar scheinen, jedoch nicht vorhersagbar zu definieren sind. Insbesondere, wenn wie in den studierten Verbindungen Konkurrenzsituationen mit anderen Heteroatomen möglich werden. Dies ist aber gerade ein häufiger Fall in der Praxis, z.B. im Zusammenhang mit pharmazeutischen Wirkstoffen.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung, Synthese und Charakterisierung von fluorogenen Calixaren-Wirtverbindungen. An die zunächst synthetisierten kopplungsfähigen Calix[4]arene mit gezielt eingestellter Lipophilie wurden in einem zweiten Schritt Dansyl- bzw. Pyrenylreste kovalent angeknüpft. Auf diesem Wege gelang es, dreizehn Zielverbindungen darzustellen, die sich in ihrer konformativen Flexibilität unterscheiden und durch eine ausgewogene Hydrophilie-Lipophilie-Balance in der Lage sind, Neutralmoleküle spezifisch zu komplexieren. Von acht Zielstrukturen wurde mit der direkten Anknüpfung des Dansylrestes an die Hydroxylgruppen des unteren Randes eines methylenverbrückten Calixarens ein neuer Pfad auf dem Wege zu potenziell sensoraktiven Verbindungen beschritten. Besonderes Augenmerk wurde auf die notwendige Untersuchung der Konformation der dargestellten Calixarene durch NMR-Spektroskopie gelegt. Eine große Anzahl an zugehörigen Ziel- und Zwischenverbindungen konnte ebenfalls durch Röntgeneinkristallstrukturanalyse charakterisiert werden.

Der erste Teil der Arbeit untersucht den Einsatzes von 4,6-Di-(pyrid-2´-yl)-1,3,5-triazin als Baustein für Metallo-supramolekulare Polyelektrolyte. Die dafür nötigen ditopen Liganden werden mittels Stille Kreuzkupplungen dargestellt. Die Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften können durch den Einbau von Oligothiophenen eingestellt werden. Im zweiten Teil der Arbeit werden die elektrorheologischen Eigenschaften von Metallo-supramolekularen Polyelektrolyten untersucht. Zu diesem Zweck werden die Koordinationspolymere in das Schichtsilikat Montmorillonit interkaliert. Die Interkalation wird mittels verschiedener analytischer Methoden wie Pulverdiffraktometrie, Thermoanalyse oder Infrarotspektroskopie untersucht. Die entstehenden Nanokomposite zeigen einen elektrorheologischen Effekt bei einer geringen Stromdichte. / The first part of the thesis shows the use of 4,6-di-(pyrid-2´-yl)-1,3,5-triazine as building block for metallosupramolecular polyelectrolytes. The necessary ditopic ligands are available by a Stille cross coupling. The absorption and fluorescence properties can be tuned by the incorporation of oligothiophenes. The electrorheological properties of metallosupramolecular polyelectrolytes are examined in the second part. On this account the coordination polymers are intercalated into the layered silicate montmorillonite. The intercalation is analyzed by methods as powder diffraction, thermoanalytical techniques and infrared spectroscopy. The nanocomposites show an electrorheological effect and low current densities.

The purpose of this work was the synthesis of functional amphiphilic gradient copolymers by means of controlled radical polymerizations, more precisely Atom Transfer Radical Polymerization. Two different monomer combinations, tert- and n-butyl methacrylate and tert-butyl and benzyl methacrylate, were copolymerized. In a first step seven different linear statistical copolymers were synthesized by means of batch polymerization. They were used as comparative material and the analysis of the reaction kinetic yielded the effective rate constants and the copolymerization parameters of the monomers in the particular monomer systems. Furthermore required for gradient polymer syntheses AB-di-block copolymers were synthesized as a second kind of comparative material. With the results of the kinetic analysis the monomer addition programs for the semibatch polymerizations were calculated to prepare gradient copolymers. Four different gradient copolymers with different compositions of tBMA and nBMA (ftBMA= 0.5, 0.65, 0.75, 0.85) and one gradient copolymer of tBMA and BzMA (ftBMA= 0.5) were synthesized. All semibatch reactions proceeded controlled, i. e. with mostly suppressed termination reactions. The compositions of the resulting copolymers exhibited ''double-gradients''. The point of change of the compositions were located at 16%, respectively 11% of conversion. The effective compositional gradients φ = dF1/dp were φ = 0.53, 0.46, 0.28, 0.15 and 0.43. A systematic correlation between the thermal behavior of the gradient copolymers and their composition was not found, as opposed to the statistical and the di-block copolymers. Semibatch synthesis with online infrared-spectroscopy observation to control the monomer feed during the synthesis were used for the polymerization of gradient copolymers. It was not possible to calculate the change of compositions of the polymers because it was not known how much monomer was injected at a certain time of the polymerization. A second problem was that the experimental set-up was not gas-tight. Hence, oxygen led to termination reactions. Three different kinds of hydrolysis were investigated for the cleavage of the tert-butyl groups on the polymer chains. The obtained gradient copolymers were hydrolyzed with methanesulfonic acid to obtain the intended amphiphilic polymer chains. All reactions proceeded with quantitative conversion. Hence, functional amphiphilic copolymers were obtained.

At present chemistry is undergoing an interesting change from the traditional preparation and investigation of single molecules to the construction and use of more complex functionalized architectures. Especially the better understanding of biological processes and the demand to create new materials with specific properties lead to a development of novel nanostructured assemblies that are held together by reversible weak interactions, that include coordination and hydrogen bonds, van der Waals forces as well as p-p and electrostatic interactions. Based on the smart use of Nature’s principles of molecular recognition and self-assembly, the supramolecular chemistry is now one of the pillars within the framework of nanotechnology. This contribution gives an overview on the basic concepts of supramolecular chemistry, the latter’s connections with biological systems and foreseeable applications. / Die Chemie erfährt gegenwärtig einen interessanten Übergang von der traditionellen Betrachtung der Einzelmoleküle hin zu großen komplexen Funktionseinheiten. Besonders das wachsende Verständnis biologischer Prozesse als auch die steigenden Forderungen nach neuen Werkstoffen mit einem spezifischen Eigenschaftsprofil führten zur gezielten Konstruktion definierter Baueinheiten auf der Nanometerskala. Dabei werden in intelligenter Weise reversible Bindungsprozesse auf Basis schwacher nichtkovalenter Wechselwirkungen, wie koordinative und Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals- Kräfte sowie p−p- und elektrostatische Wechselwirkungen, genutzt. Aufbauend auf den natürlichen Prinzipien der molekularen Erkennung und Selbstorganisation ist die supramolekulare Chemie heute eine der Säulen in der Entwicklung der Nanotechnologie. Im Beitrag wird ein Überblick über wesentliche Aspekte der supramolekularen Chemie, ihre Anknüpfung an biologische Prinzipien und ausgewählte Nutzungsmöglichkeiten gegeben.

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.

The presented work in the field of supramolecular chemistry describes the synthesis and detailed investigation of (bi)pyridine-based oligo(phenylene ethynylene) (OPE) amphiphiles, decorated with terminal glycol chains. The metal-ligating property of these molecules could be exploited to coordinate to Pd(II) and Pt(II) metal ions, respectively, resulting in the creation of novel metallosupramolecular π-amphiphiles of square-planar geometry. The focus of the presented studies is on the self-assembly behaviour of the OPE ligands and their corresponding metal complexes in polar and aqueous environment. In this way, the underlying aggregation mechanism (isodesmic or cooperative) is revealed and the influence of various factors on the self-assembly process in supramolecular systems is elucidated. In this regard, the effect of the molecular design of the ligand, the coordination to a metal centre as well as the surrounding medium, the pH value and temperature is investigated. / Die vorliegende Arbeit auf dem Gebiet der Supramolekularen Chemie beschäftigt sich mit der Synthese und detaillierten Untersuchung von (bi)pyridin-basierten Oligo(phenylenethinylen) (OPE)-Amphiphilen mit endständigen Glykolketten. Die komplexierende Eigenschaft dieser Moleküle wurde ausgenutzt um sie an Pd(II) bzw. Pt(II) Metallionen zu koordinieren, wobei neuartige metallosupramolekulare π-Amphiphile von quadratisch-planarer Geometrie entstehen. Das Hauptaugenmerk der beschriebenen Studien liegt auf der Selbstorganisation der OPE-Liganden und ihrer Metallkomplexe in polarer und wässriger Umgebung. Dabei wurde der zu Grunde liegende Aggregationsmechanismus (isodesmisch oder kooperativ) bestimmt und der Einfluss verschiedener Faktoren auf den Selbstorganisationsprozess in supramolekularen Systemen aufzeigt. Neben dem Effekt des Moleküldesigns des Liganden und dessen Koordination an ein Metallzentrum wird auch der des umgebenden Mediums, des pH-Wertes sowie der Temperatur erläutert.

In the present thesis it could be demonstrated that strong exciton coupling does not only occur between same type of chromophores but also between chromophores with different excited state energies. The coupling significantly influences the optical absorption properties of the heterostacks comprising merocyanine and perylene bisimide dyes, respectively, and is an indication for coherent energy transfer between the chromophores. In addition, bis(merocyanine)-C60 conjugates have been synthesized, which self-assemble in non-polar solvents resulting in well-defined supramolecular p/n-heterojunctions in solution. These model systems enabled femtosecond transient absorption studies on the photoinduced electron transfer process, which is a key step for the formation of charge carriers in organic solar cells. / In der vorliegenden Doktorarbeit konnte gezeigt werden, dass eine starke Exzitonenkopplung nicht nur zwischen gleichen Chromophoren, sondern auch zwischen Chromophoren mit unterschiedlichen Energien der angeregten Zustände möglich ist. Diese beeinflusst maßgeblich die Absorptionsspektren der Heterostapel bestehend aus Merocyanin- bzw. Perylenbisimidfarbstoffen und deutet außerdem auf einen kohärenten Energientransfer zwischen den Chromophoren hin. Weiterhin wurden Bis(merocyanin)-C60-Konjugate synthetisiert, die in unpolaren Lösungsmitteln selbst assemblieren und auf diese Weise wohldefinierte supramolekulare p/n-Heterogrenzflächen gebildet werden. An diesen wurde mithilfe von femtosekundenaufgelöster transienter Absorptionsspektroskopie der photoinduzierte Elektronentransfer untersucht, was ein wichtiger Schritt bei der Erzeugung von Ladungsträgern in organischen Solarzellen darstellt.

Merocyaninchromophore spielen eine herausragende Rolle bei der Entwicklung von photorefraktiven Materialien für Anwendungen in der Holographie. Der photorefraktive Effekt beruht auf einer Orientierung der dipolaren Merocyanine in einem elektrischen Feld. Diese können umso effektiver ausgerichtet werden, je größer ihr Dipolmoment ist. Folglich sollten Merocyanine mit sehr großen Dipolmomenten den gewünschten Effekt hervorbringen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass solche Merocyanine Dimere mit antiparalleler zentrosymmetrischer Struktur bilden. In dieser Anordnung addieren sich die Dipolmomente destruktiv, so dass die dipolare Eigenschaft des Materials verloren geht. In dieser Arbeit ist es gelungen, Merocyanine über sechsfache Wasserstoffbrückenbindungen zu supramolekularen Strukturen mit großen resultierenden Dipolmomenten zu assoziieren. Diese Komplexe werden in schwach polaren Lösungsmitteln sogar bei sehr niedrigen Farbstoffkonzentrationen gebildet. / Merocyanine dyes play a major role in the development of photorefractive materials to be applied in holography. The photorefractive effect is based on the orientation of dipolar merocyanine dyes by an external electric field. Merocyanine dyes with very high dipole moments are supposed to be the most suitable for achieving an optimal effect because, with increasing dipole moment, a higher degree of orientation can be achieved are the more efective is the their orientation. However, strongly dipolar merocyanine dyes form antiparallel dimers with vanishing dipole moment due to their dipolar interaction. Thus, the dimers can not be oriented by an electric field. In this thesis, merocyanine dyes were successfully assembled through six-fold hydrogen-bonding into supramolecular structures with large resulting dipole moments. In less polar solvents, these complexes are formed even at very low dye concentration.