In dieser Arbeit wurden spektroskopische und strukturelle Untersuchungen an chiralen und achiralen supramolekularen Nanoarchitekturen von J-Aggregaten achiraler Cyaninfarbstoffe durchgeführt. Als Modellsysteme wurden Tetrachlorobenzimidacarbocyanin- Farbstoffe mit unterschiedlichen 1,1´-Dialkyl- und 3,3´-Bis-acidoalkyl-Gruppen verwendet. Zur Charakterisierung der Nanostrukturen wurden statische spektroskopische Methoden - UV/Vis-Spektroskopie, Circulardichroismus (CD)- und Fluoreszenzspektroskopie -, Röntgenkristallstrukturanalyse,sowie kryogene Transmissionselektronenmikroskopie (Cryo-TEM) verwendet. Die delikate Balance der Wechselwirkungskräfte, wie z. B. hydrophobe Wechselwirkung, Dispersionswechselwirkung, sowie Wasserstoffbrücken, führt bei der J-Aggregation von strukturell ähnlichen achiralen Chromophoren zu "chiralen" Superhelices und achiralen nanoskopischen Bändern. Durch Kombination der hydrophoben und hydrophilen Eigenschaften von Tensiden mit den unikalen Eigenschaften von J-Aggregaten entstehen Nanoröhren und Vesikel. Diese Nanostrukturen sind daher vielversprechende Kandidaten für künstliche Lichtsammel- und Antennensysteme. / In this work spectroscopic and structural investigations were performed on chiral and achiral supramolecular nanoarchitectures of J-aggregates of achiral cyanine dyes. Tetrachlorobenzimidacarbocyanine dyes with different 1,1´-Dialkyl- and 3,3´-Bis-acidoalkyl- substituents were used as model systems. To characterize these nanoarchitectures static spectroscopic methods - UV/vis-spectroscopy, circular dichroism (CD)- and fluorescence-spectroscopy -, x-ray crystal structure analysis, as well as cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM) were used. The delicate balance of intermolecular forces, like hydrophobic interaction, dispersion forces, as well as hydrogen bonds, leads by J-aggregation of structural similar achiral chromophores to "chiral" superhelices and achiral nanoscopic ribbons. By combination of the hydrophobic and hydrophilic properties of surfactants with the unique properties of J-aggregates nanotubules and vesicles are built. These nanostructures are hopeful candidates for artificial antenna and light harvesting systems.

In der vorliegender Arbeit wurde die photochemische Bildung der Acridiniumionen in einem Pseudorotaxan und die daraus resultierende Transformation der Lichtenergie in die Translationsenergie, was als erster Schritt in Richtung der molekularen Maschinen angesehen wird, untersucht. 9-Phenyl-9-hydroxyacridan unterscheidet sich in ihrer Lichtabsorption, Molekülgeometrie und Elektronen- Donatorstärke gravierend von den korrespondierenden Acridiniumionen. Die Änderung der elektronischen Eigenschaften bei der Umwandlung der Acridane- in die Acridinium ist daher potentiell nutzbar, um nichtkovalente Bindungskräfte in supramolekularen Einheiten zu beeinflussen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Erschließung eines neuen Zugangs zu linearen und makrocyclischen Systemen, die als Strukturelement eine Acridaneinheit besitzen. Die Makrocyclen mit elektronenreichen 9-Phenylacridanbausteinen wurden unter high-dilution-Bedingungen erhalten. Bei der Photoanregung wurden unter Abspaltung von Methoxidionen die elektronenarmen korrespondierenden Acridiniummakrocyclen gebildet. Die Photoheterolyse findet in alkoholischen Lösungsmitteln, Acetonitril und in Toluol statt. Die Lebensdauer des Acridiniummethoxids kann durch Mischen des Alkohols mit dem Acetonitril gesteuert werden. Auch nach zehn Schaltcyclen ist keine Ermüdung des Systems festzustellen. Als molekulare Fäden kommen für die neuen Makrocyclen entweder Moleküle mit elektronenarmen Erkennungstationen für die Acridanverbindungen oder elektronenreiche Erkennungsstationen für die Acridiniumringe in Frage. Es wurden zahlreiche Untersuchungen zur Komplexierung der neuen Makrocyclen mit Hilfe der spektroskopischen Titrationen durchgeführt. Dabei wurde das photoschaltbare Pseudorotaxan gefunden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuer langlebiger Photoschalter optimiert und mit Hilfe der 1H-NMR-Spektroskopie wurde die durch Licht injizierte molekulare Bewegung beobachtet. / For this work we have examined the photolytic formation of acridinium ion within pseudorotaxanes and the resulting transformation of light energy into translational movement. This can be regarded as the first step towards (creating a) molecular machine. 9-phenyl-9-methoxyacridane distinguishes itself from its corresponding acridinium ions in terms of light absorption, shape, and electronic donor strength. The acridane can be regarded as candidates for photoswitching supramolecular units, because they can be transformed into positively charged acridinium ions. These ions generate an electron acceptor from an electron donor. The object of the following thesis is the development of a new synthetic approach to linear or makrocyclic systems, which contain acridane as a structural element. Macrocycles with electron-rich 9-phenyl-9-methoxyacridan units were prepared under high dilution conditions. The acridinium macrocycles are generated by photoheterolysis of this methoxy derivative, which has a thermal response to acridane macro cycles, thus closing the switching cycle. Heterolytic photodissociation occurs in alcohols, acetonitrile and toluene. Mixing alcohol with acentonitril can control the lifespan of the acridinium methoxide. Even after 10 switching cycles the system seemed unaffected. The molecular thread and macrocycles must be complementary in that they can interact by attracting forces, through generating an electron acceptor from an electron donor. The complex formation of acridan macrocycles with electron acceptor molecular thread was studied using spectrophotometric titration. As a result, photoswitchable pseudorotaxane was formed between acridan crown ethers and (2,2-bipyridine) molecular thread. In the context of this research, we have found that such a transformation is possible. A new, durable photoswitch has been developed, and using the 1H-NMR-spectroscope, we observed the molecular movement, which was made visible through the application of light.

Thin membranes with dense periodic arrays of nanoscopic voids were fabricated using the principles of supramolecular assembly and self-organization in polymers. Such nanoporous membranes can be used as templates for synthesis and patterning of various organic and inorganic materials. In this thesis 4-vinylpyridine fragments of polystyrene-block-poly(4-vinylpyridine) (PS-PVP) were associated with the molecules of two different low molar mass additives, 2-(4'-hydroxybenzeneazo)benzoic acid (HABA) and 3-n-pentadecyl phenol (PDP), via hydrogen bonds. The choice of an additive and a solvent is a key factor which influences the morphologies of the PS-PVP+HABA associates (supramolecular assemblies) in thin films. The reversible association via hydrogen bonds allows the amphiphilic molecules of PDP to phase segregate on the free air interface. Unlike, the molecules of HABA remain associated within cylindrical and lamellar domains formed by the PVP block. A solvent used for film deposition influences the orientation of PVP+HABA domains with respect to the confining interfaces. The films deposited from 1,4-dioxane – a good solvent for PS and a bad one for PVP+HABA – demonstrated the perpendicular orientation of PVP+HABA domains. Meanwhile, the preparation of films from a chloroform solution – a good solvent for both PS and PVP+HABA – led to the parallel alignment. The orientation was independent on the film thickness (within the studied range of 20–100 nm) and insensitive to the chemical nature of a substrate. The orientation of the domains was shown to switch upon exposure to vapors of the above mentioned solvents from the parallel to perpendicular orientation and vice versa. Moreover, the swelling of the films in solvent vapors resulted in the significant improvement of the domain ordering. Extraction of HABA with selective solvent transformed of PVP+HABA domains into channels with reactive PVP chains on the walls. The resulted membranes with the perpendicular oriented channels (the diameter about 8 nm, the inter-channel distance 24 nm) were used as a template for the creation of ordered arrays of nanodots from nickel, chromium and gold.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung, Synthese und Charakterisierung neuartiger oligofunktionalisierter Amphiphile mit potentiellen Sammler- und LB-Filmbildungseigenschaften. Basierend auf dem entwickelten Konzept der supramolekularen Strukturbildung zum Aufbau präorganisierter und gebündelter Sammleraggregate wurden zwei Typen neuartiger oligofunktioneller Tenside synthetisiert, die sich insbesondere in ihrer konformativen Flexibilität und Hydrophilie-Lipophilie-Balance unterscheiden. Ausgeprägte oberflächenaktive Eigenschaften wurden bei den bi-, tri- und tetrafunktionellen Aminosäure-analogen Zielverbindungen (Typ II) mit linearer, trigonaler und tetragonaler Molekülstruktur gefunden. Diese Verbindungen bilden auch stabile monomolekulare Filme geringer Heterogenität aus. Im mineralischen Flotationsprozess ergeben diese präorganisierten Tenside mit geometrisch kontrollierter Positionierung der lateralen Funktionseinheiten im Vergleich zu konventionellen Sammlern bei spezifischem Verhalten eine bemerkenswerte Steigerung der flotativen Effizienz.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Synthese und Strukturaufklärung von neuartigen, chromophoren Barbituraten, welche als selektive Chemosensoren verwendet werden können. Als Schlüsselverbindungen dienten 5-(4-Nitrophenyl)-barbiturate, deren Enolisierungsfähigkeit systematisch untersucht wurden. Des Weiteren konnten SCHIFFschen Basen, Pyridinium-Barbiturat-Betain-Farbstoffe sowie ein fluoreszenzaktive Naphthalimid synthetisiert werden, in welchen der Barbitursäure-Substituent ebenfalls elektronenschiebende Eigenschaften aufweist. Die individuelle Interaktion der Barbiturate mit der Solvensumgebung wurde mittels Lineare-Solvatations-Energie (LSE)- Beziehungen unter Verwendung der empirischen Lösungsmittelparameter nach KAMLET-TAFT und CATALÁN untersucht. Besonderes Augenmerk lag auf dem Studium der molekularen Erkennung von ausgewählten Chromophoren mit Nukleinbasen und strukturell verwandten Verbindungen. Hierzu gelang es die supramolekularen Bindungsphänomene über Wasserstoffbrücken und die Beeinflussung des chromophoren Systems sowohl im Festkörper als auch in Lösung zu verfolgen.

In der vorliegenden Arbeit wird eine konvergente Synthesestrategie zum Aufbau von formstabilen dendritischen Carbosilanmolekülen mit 1,4-Phenyleneinheiten, welche als “Silicium-Silicium-Spacer” fungieren, vorgestellt. Zur Darstellung dieser Verbindungen kommen repetitive Lithiierungs-Silylierung-Zyklen zur Anwendung. Die Lithiierung von 1-Br-4-C6H4-Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 (n = 0, 1, 2, 3) mit nBuLi und die Umsetzung von in-situ generiertem 1-Li-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-nC6H4 mit SiCl4 liefert Dendrimere der 0. Generation Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)4 (n = 1, 2, 3). Wird 1-Li-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-nC6H4 mit 1-Br-4-SiCl3-C6H4 zur Reaktion gebracht, sind Dendronen der 0. Generation 1-Br-4-C6H4-Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 (n = 0; 1; 2; 3) zugänglich. Durch repetitive Lithiierungs-Silylierungs-Zyklen können ausgehend von 1-Br-4-C6H4-Si(C6H4-4- Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 Dendrimere höherer Generationen aufgebaut werden. Bringt man die lithiierte Spezies 1-Li-4- C6H4-Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3, welche ausgehend von 1-Br-4-C6H4-Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 durch Metallierung mit tBuLi zugänglich ist, in Anwesenheit von TMEDA mit SiCl4 zur Reaktion, so erhält man die Dendrimere der 1. Generation Si(C6H4-4-(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3)4 (G1b, n = 1; G1c n = 2). Erfolgt die Silylierung jedoch in Abwesenheit von TMEDA, werden die Chlorsilane ClSi(C6H4-4-(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3- n)3)3 (D1bCl, n = 1; D1cCl, n = 2) gebildet. Die Silylierung von 1-Li-4-C6H4-Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 mit 1-Br-4-SiCl3-C6H4 liefert die Dendronen der 1. Generation 1-Br-C6H4-4-Si(C6H4-4-(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3)3 (D1b, n = 1; D1c, n = 2; D1d, n = 3). Diese liegen in einem Gleichgewicht monomerer und komplementärer dimerer Spezies vor. Die Dimerisierung kann durch NMR-Untersuchungen sowie durch die Einkristallröntgenstruktur von D1bCl belegt werden. Die Darstellung von Carbosilanen des Typs PhMeSi((CH2)3B(OH)2)2 (2), Si(C6H4-4-SiMe2((CH2)3B(OH)2)4 (5), PhMeSi((CH2)3OH)2 (3) und Si(C6H4-4-SiMe3-n((CH2)3OH)n)4 (6a, n = 1; 6b, n = 2; 6c, n = 3) wird beschrieben. Die Boronsäuren 2 und 5 sind durch Umsetzung von PhMeSi(CH2CH=CH2)2 (1) und Si(C6H4-4-SiMe2(CH2CH=CH2))4 (4a) mit HBBr2·SMe2 und anschließender Hydrolyse zugänglich, während 3 und 6a - 6c durch Hydroborierung von 1 und 4a - c mit BH3·SMe2 und anschließender Oxidation mit H2O2 erhalten werden. Die Einkristallröntgenstruktur von 6a zeigt, dass das Molekül aufgrund von π-π-Wechselwirkungen und der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen Teil eines zweidimensionalen Netzwerks ist. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit widmet sich der Synthese und Charakterisierung von Dendrimeren der 0. und 1. Generation mit symmetrisch substituiertem Porphyrin-Grundgerüst als multifunktionalem Kern. Hierbei werden zunächst die allyl-terminierten Bromide 1-Br-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-nC6H4 (n =1, 2) bzw. die Dendronen -Br-4-C6H4- Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 (n = 0, 1, 2) in die aromatischen Aldehyde 1-HOC-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-nC6H4 (2b, n = 1; 2c, n = 2) bzw. 1-HOC-4-C6H4-Si(C6H4-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)3 (4a, n = 0; 4b, n = 1; 4c, n =2) überführt. Aus diesen werden nach der Methode von Lindsey durch Umsetzung mit Pyrrol, BF3·OEt2 und DDQ die entsprechenden Porphyrine H2T(-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-nC6H4)P (5b, n = 1; 5c, n = 2) bzw. H2T(-4-C6H4-Si(C6H4-4- Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)P (7a, n = 0; 7b, n = 1; 7c, n =2) aufgebaut. Deren Komplexierung mit Zn(OAc)2 liefert die Zn- Porpyrine Zn(II) T(-4-Si(CH2CH=CH2)nMe3-nC6H4)P (6a, n = 1; 6b, n = 2) bzw. Zn(II) T(-4-C6H4-Si(C6H4-4- Si(CH2CH=CH2)nMe3-n)P (8a, n = 0; 8b, n = 1; 8c, n =2). Ausgehend von 5b und 5c sind Porphyrine mit terminalen Hydroxyl-Carbosilan-Einheiten via Hydroborierung- Oxidation zugänglich. Diese Verbindungen einschließlich der entsprechenden Zn-Komplexe sind aufgrund ihrer Fähigkeit zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken-Netzwerken in hohem Maße zum Aufbau von supramolekularen Strukturen geeignet. Anhand der Einkristallröntgenstruktur-Analyse von Zn[T(4-Si((CH2)3-OH)Me2-C6H4)P] 10a ist ersichtlich, dass dieses Metalloporphyrin aufgrund von dirigierenden Wasserstoffbrücken Teil eines selbst organisierenden Porphyrin-Netzwerks darstellt und darum einzigartige strukturelle Eigenschaften aufweist. Die Einkristallröntgenstrukturen von 5b, 5c, 6b und 7b werden ebenfalls vorgestellt.

Over the past decade, the bottom-up synthesis of structurally defined graphene nanoribbons (GNRs) with various topologies has attracted significant attention due to the extraordinary optical, electronic, and magnetic properties of GNRs, rendering them suitable for a wide range of potential applications (e.g., nanoelectronics, spintronics, photodetectors, and hydrothermal conversion). Remarkable achievements have been made in GNR synthesis with tunable widths, edge structures, and tailor-made functional substitutions. In particular, GNRs with liquid-phase dispersibility have been achieved through the decoration of various functional substituents at the edges, providing opportunities for revealing unknown GNR physiochemical properties. Because of the promise of liquid-phase dispersible GNRs, this mini-review highlights recent advances in their synthetic strategies, physiochemical properties, and potential applications. In particular, deep insights into the dvantages and challenges of their syntheses and chemical methodologies are provided to encourage future endeavors and developments.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung, Synthese und Charakterisierung neuartiger oligofunktionalisierter Amphiphile mit potentiellen Sammler- und LB-Filmbildungseigenschaften. Basierend auf dem entwickelten Konzept der supramolekularen Strukturbildung zum Aufbau präorganisierter und gebündelter Sammleraggregate wurden zwei Typen neuartiger oligofunktioneller Tenside synthetisiert, die sich insbesondere in ihrer konformativen Flexibilität und Hydrophilie-Lipophilie-Balance unterscheiden. Ausgeprägte oberflächenaktive Eigenschaften wurden bei den bi-, tri- und tetrafunktionellen Aminosäure-analogen Zielverbindungen (Typ II) mit linearer, trigonaler und tetragonaler Molekülstruktur gefunden. Diese Verbindungen bilden auch stabile monomolekulare Filme geringer Heterogenität aus. Im mineralischen Flotationsprozess ergeben diese präorganisierten Tenside mit geometrisch kontrollierter Positionierung der lateralen Funktionseinheiten im Vergleich zu konventionellen Sammlern bei spezifischem Verhalten eine bemerkenswerte Steigerung der flotativen Effizienz.

Thin membranes with dense periodic arrays of nanoscopic voids were fabricated using the principles of supramolecular assembly and self-organization in polymers. Such nanoporous membranes can be used as templates for synthesis and patterning of various organic and inorganic materials. In this thesis 4-vinylpyridine fragments of polystyrene-block-poly(4-vinylpyridine) (PS-PVP) were associated with the molecules of two different low molar mass additives, 2-(4'-hydroxybenzeneazo)benzoic acid (HABA) and 3-n-pentadecyl phenol (PDP), via hydrogen bonds. The choice of an additive and a solvent is a key factor which influences the morphologies of the PS-PVP+HABA associates (supramolecular assemblies) in thin films. The reversible association via hydrogen bonds allows the amphiphilic molecules of PDP to phase segregate on the free air interface. Unlike, the molecules of HABA remain associated within cylindrical and lamellar domains formed by the PVP block. A solvent used for film deposition influences the orientation of PVP+HABA domains with respect to the confining interfaces. The films deposited from 1,4-dioxane – a good solvent for PS and a bad one for PVP+HABA – demonstrated the perpendicular orientation of PVP+HABA domains. Meanwhile, the preparation of films from a chloroform solution – a good solvent for both PS and PVP+HABA – led to the parallel alignment. The orientation was independent on the film thickness (within the studied range of 20–100 nm) and insensitive to the chemical nature of a substrate. The orientation of the domains was shown to switch upon exposure to vapors of the above mentioned solvents from the parallel to perpendicular orientation and vice versa. Moreover, the swelling of the films in solvent vapors resulted in the significant improvement of the domain ordering. Extraction of HABA with selective solvent transformed of PVP+HABA domains into channels with reactive PVP chains on the walls. The resulted membranes with the perpendicular oriented channels (the diameter about 8 nm, the inter-channel distance 24 nm) were used as a template for the creation of ordered arrays of nanodots from nickel, chromium and gold.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden anorganische, organische und biologische Makromoleküle und Nanomaterialen mit elektrochemischen und mikrogravimetrischen Methoden untersucht. Neue Peroxo-Zr(IV)/Hf(IV)-Polyoxometallate konnten erstmals elektrochemisch charakterisiert und ihr Potential als Oxidations- und Elektrokatalysatoren demonstriert werden. In cyclovoltammetrischen Messungen der Polyoxometallate (POMs) konnten die Peroxofunktionen anhand ihres irreversiblen Reduktionsstroms identifiziert werden, während die POM-Liganden den typischen reversiblen Strom ihrer W(VI/V)- Redoxsysteme zeigten. Die zugehörigen Ladungsmengen der kathodischen Halbreaktionen wurden mittels Coulometrie verifiziert. Die Sauerstofftransferaktivitäten der Peroxo-Zr/Hf-Polyoxometallate auf die Sulfid- bzw. Sulfoxidfunktion der organischen Modellsubstrate Methionin und Methioninoxid konnten mittels Cyclovoltammetrie und hydrodynamischer Voltammetrie mit einer rotierenden Scheibenelektrode über den abnehmenden kathodischen Stroms der Peroxofunktionen überwacht werden. Mittels CV- und UV/VIS-pH-Titrationen wurden zwei POM-Säurekonstanten ermittelt. Neue Preyssler-Polyoxometallat-Multilayer wurden nach dem Layer-by-Layer-Verfahren auf einer ITO-Quarzglasoberfläche adsorbiert und cyclovoltammetrisch charakterisiert. Es gelang der Herstellung der ersten Polyoxometallat-Viologendendrimer- und Polyoxometallat-Trimethylendipyridiniumdendrimer- Multilayer. In den Cyclovoltammogrammen der Multilayer fiel die Zuordnung der Wellen zu den einzelnen Redoxsystemen von Polyanion- und Polykationkomponente aufgrund von Überlagerung der Redoxsignale und deren starke gegenseitige Beeinflussung schwer. Mittels numerischer Integration konnten aus den Multilayer-Cyclovoltammogrammserien die geflossenen Ladungsmengen und Oberflächenbedeckungen berechnet werden. Ihr linearer Anstieg zeigt den linearen Stoffmengenzuwachs während der sukzessiven Adsorption der Polyanion-Polykation-Doppelschichten sowie die elektrochemische Zugänglichkeit aller Redoxzentren in den Mulitlayerverbundmaterialien. Die rekombinante Untereinheit C der VATPase wurde auf einer SAM-modifizierten Quarzkristallmikrowaage (QCM) spezifisch immobilisiert und mikrogravimetrisch detektiert. Die spezifische Bindung der Untereinheit C an die binäre Alkanthiolat-Matrix erfolgte über die Ni2+-komplexierte NTA-Funktion von Thiol 1, bei gleichzeitiger Unterdrückung der unspezifischen Proteinadsorption durch die Tetraethylenglykolfunktion von Thiol 2. Als Grund für die mit der QCM nicht nachweisbare biochemische Wechselwirkung von Untereinheit C und G-Aktin wurde eine sterische Blockade der Aktin-Bindungsstellen der auf der Matrixoberfläche immobilisierten Untereinheit C angenommen.