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Im Rahmen dieser Arbeit wurden zum einen erste Oligospiro(thio)ketal (OS(T)K)-basierte Modellsysteme (molekulare Sonden) für abstandsabhängige Messungen mittels Förster-Resonanz-Energietransfer (FRET) und zum anderen Sensorfluorophore, basierend auf einem DBD-Fluorophor und BAPTA, zur Messung der intrazellulären Calcium-Konzentration dargestellt.
Für die Synthese von molekularen Sonden für abstandsabhängige Messungen wurden verschiedenste einfach- und doppelt-markierte OS(T)K-Stäbe entwickelt und spektroskopisch untersucht. Die OS(T)K-Stäbe, sogenannte molekulare Stäbe, dienten als starre Abstandshalter zwischen den Fluorophoren. Als Fluorophore wurden Derivate von 6,7-Dihydroxy-4-methylcoumarin (Donor) und Acyl-DBD (Akzeptor) verwendet, die zusammen ein FRET-Paar bilden. Die Fluorophore wurden so funktionalisiert, dass sie sowohl unbeweglich bzw. „starr“, als auch beweglich bzw. „flexibel“ an den OS(T)K-Stab gebunden werden konnten. Für die Synthese der OS(T)K-Stäbe wurden ebenfalls eine Reihe an unterschiedlich langen und kurzen Stabbausteinen synthetisiert. Auf diese Weise wurden eine Vielzahl an verschiedensten einfach- und doppelt-markierten OS(T)K-Stäben dargestellt, deren Fluorophore sowohl „starr“ als auch „flexibel“ gebunden sind. Die dargestellten Stäbe wurden in verschiedensten Lösungsmitteln spektroskopisch untersucht, um anschließend das Verhalten in Vesikel, die eine biomimetische Umgebung darstellen, zu beurteilen. Es wurde festgestellt, dass sich die Stäbe erfolgreich in die Vesikelmembran einlagerten und hohe FRET-Effizienzen aufweisen.
Des Weiteren wurde ein FRET-Paar dargestellt, das sich durch 2-Photonenabsorpion im NIR-Bereich anregen lässt. Es wurde in den lebenden Zellen mittels Fluoreszenzlebenszeitmikroskopie (FLIM) untersucht.
Zur Untersuchung von intrazellulärem Calcium wurden zwei verschiedene DBD-Fluorophore über einen kurzen Linker mit dem Calcium-Chelator BAPTA verknüpft. Die dargestellten Fluorophore wurden sowohl in vitro als auch in vivo auf ihre Calcium-Sensitivität überprüft. Mittels FLIM wurden in lebenden Zellen die Fluoreszenzlebenszeitverteilungen der Fluorophore nach Calcium-Konzentrationsänderungen detektiert.
The field of nanophotonics focuses on the interaction between electromagnetic radiation and matter on the nanometer scale. The elements of nanoscale photonic devices can transfer excitation energy non-radiatively from an excited donor molecule to an acceptor molecule by Förster resonance energy transfer (FRET). The efficiency of this energy transfer is highly dependent on the donor-acceptor distance. Hence, in these nanoscale photonic devices it is of high importance to have a good control over the spatial assembly of used fluorophores. Based on molecular self-assembly processes, various nanostructures can be produced. Here, DNA nanotechnology and especially the DNA origami technique are auspicious self-assembling methods. By using DNA origami nanostructures different fluorophores can be introduced with a high local control to create a variety of nanoscale photonic objects. The applications of such nanostructures range from photonic wires and logic gates for molecular computing to artificial light harvesting systems for artificial photosynthesis.
In the present cumulative doctoral thesis, different FRET systems on DNA origami structures have been designed and thoroughly analyzed. Firstly, the formation of guanine (G) quadruplex structures from G rich DNA sequences has been studied based on a two-color FRET system (Fluorescein (FAM)/Cyanine3 (Cy3)). Here, the influences of different cations (Na+ and K+), of the DNA origami structure and of the DNA sequence on the G-quadruplex formation have been analyzed. In this study, an ion-selective K+ sensing scheme based on the G-quadruplex formation on DNA origami structures has been developed. Subsequently, the reversibility of the G-quadruplex formation on DNA origami structures has been evaluated. This has been done for the simple two-color FRET system which has then been advanced to a switchable photonic wire by introducing additional fluorophores (FAM/Cy3/Cyanine5 (Cy5)/IRDye®700). In the last part, the emission intensity of the acceptor molecule (Cy5) in a three-color FRET cascade has been tuned by arranging multiple donor (FAM) and transmitter (Cy3) molecules around the central acceptor molecule. In such artificial light harvesting systems, the excitation energy is absorbed by several donor and transmitter molecules followed by an energy transfer to the acceptor leading to a brighter Cy5 emission. Furthermore, the range of possible excitation wavelengths is extended by using several different fluorophores (FAM/Cy3/Cy5). In this part of the thesis, the light harvesting efficiency (antenna effect) and the FRET efficiency of different donor/transmitter/acceptor assemblies have been analyzed and the artificial light harvesting complex has been optimized in this respect.
Die klassische Physik/Chemie unterscheidet zwischen drei Bindungstypen: Der kovalenten Bindung, der ionischen Bindung und der metallischen Bindung. Moleküle untereinander werden hingegen durch schwache Wechselwirkungen zusammen gehalten, sie sind trotz ihrer schwachen Kräfte weniger verstanden, aber dabei nicht weniger wichtig. In zukunftsweisenden Gebieten wie der Nanotechnologie, der Supramolekularen Chemie und Biochemie sind sie von elementarer Bedeutung.
Um schwache, intermolekulare Wechselwirkungen zu beschreiben, vorauszusagen und zu verstehen, sind sie zunächst theoretisch zu erfassen. Hierzu gehören verschiedene quantenchemische Methoden, die in dieser Arbeit vorgestellt, verglichen, weiterentwickelt und schließlich auch exemplarisch auf Problemstellungen in der Chemie angewendet werden. Aufbauend auf einer Hierarchie von Methoden unterschiedlicher Genauigkeit werden sie für diese Ziele eingesetzt, ausgearbeitet und kombiniert.
Berechnet wird die Elektronenstruktur, also die Verteilung und Energie von Elektronen, die im Wesentlichen die Atome zusammen halten. Da Ungenauigkeiten von der Beschreibung der Elektronenstruktur von den verwendeten Methoden abhängen, kann man die Effekte detailliert untersuchen, sie beschreiben und darauf aufbauend weiter entwickeln, um sie anschließend an verschiedenen Modellen zu testen. Die Geschwindigkeit der Berechnungen mit modernen Computern ist eine wesentliche, zu berücksichtigende Komponente, da im Allgemeinen die Genauigkeit mit der Rechenzeit exponentiell steigt, und die damit an die Grenzen der Möglichkeiten stoßen muss.
Die genaueste der verwendeten Methoden basiert auf der Coupled-Cluster-Theorie, die sehr gute Voraussagen ermöglicht. Für diese wird eine sogenannte spektroskopische Genauigkeit mit Abweichungen von wenigen Wellenzahlen erzielt, was Vergleiche mit experimentellen Daten zeigen. Eine Möglichkeit zur Näherung von hochgenauen Methoden basiert auf der Dichtefunktionaltheorie: Hier wurde das „Boese-Martin for Kinetics“ (BMK)-Funktional entwickelt, dessen Funktionalform sich in vielen nach 2010 veröffentlichten Dichtefunktionalen wiederfindet.
Mit Hilfe der genaueren Methoden lassen sich schließlich semiempirische Kraftfelder zur Beschreibung intermolekularer Wechselwirkungen für individuelle Systeme parametrisieren, diese benötigen weit weniger Rechenzeit als die Methoden, die auf der genauen Berechnung der Elektronenstruktur von Molekülen beruhen.
Für größere Systeme lassen sich auch verschiedene Methoden kombinieren. Dabei wurden Einbettungsverfahren verfeinert und mit neuen methodischen Ansätzen vorgeschlagen. Sie verwenden sowohl die symmetrieadaptierte Störungstheorie als auch die quantenchemische Einbettung von Fragmenten in größere, quantenchemisch berechnete Systeme.
Die Entwicklungen neuer Methoden beziehen ihren Wert im Wesentlichen durch deren Anwendung:
In dieser Arbeit standen zunächst die Wasserstoffbrücken im Vordergrund. Sie zählen zu den stärkeren intermolekularen Wechselwirkungen und sind nach wie vor eine Herausforderung. Im Gegensatz dazu sind van-der-Waals Wechselwirkungen relativ einfach durch Kraftfelder zu beschreiben. Deshalb sind viele der heute verwendeten Methoden für Systeme, in denen Wasserstoffbrücken dominieren, vergleichsweise schlecht.
Eine Untersuchung molekularer Aggregate mit Auswirkungen intermolekularer Wechselwirkungen auf die Schwingungsfrequenzen von Molekülen schließt sich an. Dabei wird auch über die sogenannte starrer-Rotor-harmonischer-Oszillator-Näherung hinausgegangen.
Eine weitreichende Anwendung behandelt Adsorbate, hier die von Molekülen auf ionischen/metallischen Oberflächen. Sie können mit ähnlichen Methoden behandelt werden wie die intermolekularen Wechselwirkungen, und sind mit speziellen Einbettungsverfahren sehr genau zu beschreiben. Die Resultate dieser theoretischen Berechnungen stimulierten eine Neubewertung der bislang bekannten experimentellen Ergebnisse.
Molekulare Kristalle sind ein äußerst wichtiges Forschungsgebiet. Sie werden durch schwache Wechselwirkungen zusammengehalten, die von van-der-Waals Kräften bis zu Wasserstoffbrücken reichen. Auch hier wurden neuentwickelte Methoden eingesetzt, die eine interessante, mindestens ebenso genaue Alternative zu den derzeit gängigen Methoden darstellen.
Von daher sind die entwickelten Methoden, als auch deren Anwendung äußerst vielfältig. Die behandelten Berechnungen der Elektronenstruktur erstrecken sich von den sogenannten post-Hartree-Fock-Methoden über den Einsatz der Dichtefunktionaltheorie bis zu semiempirischen Kraftfeldern und deren Kombinationen. Die Anwendung reicht von einzelnen Molekülen in der Gasphase über die Adsorption auf Oberflächen bis zum molekularen Festkörper.
This project was focused on generating ultra thin stimuli responsive membranes with an embedded transmembrane protein to act as the pore. The membranes were formed by crosslinking of transmembrane protein polymer conjugates. The conjugates were self assembled on air water interface and the polymer chains crosslinked using a UV crosslinkable comonomer to engender the membrane. The protein used for the studies reported herein was one of the largest transmembrane channel proteins, ferric hydroxamate uptake protein component A (FhuA), found in the outer membrane of Escherichia coli (E. coli). The wild type protein and three genetic variants of FhuA were provided by the group of Prof. Schwaneberg in Aachen. The well known thermo responsive poly(N isopropylacrylamide) (PNIPAAm) and the pH and thermo responsive polymer poly((2-dimethylamino)ethyl methacrylate) (PDMAEMA) were conjugated to FhuA and the genetic variants via controlled radical polymerization (CRP) using grafting from technique. These polymers were chosen because they would provide stimuli handles in the resulting membranes. The reported polymerization was the first ever attempt to attach polymer chains onto a membrane protein using site specific modification.
The conjugate synthesis was carried out in two steps – a) FhuA was first converted into a macroinitiator by covalently linking a water soluble functional CRP initiator to the lysine residues. b) Copper mediated CRP was then carried out in pure buffer conditions with and without sacrificial initiator to generate the conjugates.
The challenge was carrying out the modifications on FhuA without denaturing it. FhuA, being a transmembrane protein, requires amphiphilic species to stabilize its highly hydrophobic transmembrane region. For the experiments reported in this thesis, the stabilizing agent was 2 methyl 2,4-pentanediol (MPD). Since the buffer containing MPD cannot be considered a purely aqueous system, and also because MPD might interfere with the polymerization procedure, the reaction conditions were first optimized using a model globular protein, bovine serum albumin (BSA). The optimum conditions were then used for the generation of conjugates with FhuA.
The generated conjugates were shown to be highly interfacially active and this property was exploited to let them self assemble onto polar apolar interfaces. The emulsions stabilized by particles or conjugates are referred to as Pickering emulsions. Crosslinking conjugates with a UV crosslinkable co monomer afforded nano thin micro compartments. Interfacial self assembly at the air water interface and subsequent UV crosslinking also yielded nano thin, stimuli responsive membranes which were shown to be mechanically robust. Initial characterization of the flux and permeation of water through these membranes is also reported herein. The generated nano thin membranes with PNIPAAm showed reduced permeation at elevated temperatures owing to the resistance by the hydrophobic and thus water-impermeable polymer matrix, hence confirming the stimulus responsivity.
Additionally, as a part of collaborative work with Dr. Changzhu Wu, TU Dresden, conjugates of three enzymes with current/potential industrial relevance (candida antarctica lipase B, benzaldehyde lyase and glucose oxidase) with stimuli responsive polymers were synthesized. This work aims at carrying out cascade reactions in the Pickering emulsions generated by self assembled enzyme polymer conjugate.
I. Ceric ammonium nitrate (CAN) mediated thiocyanate radical additions to glycals
In this dissertation, a facile entry was developed for the synthesis of 2-thiocarbohydrates and their transformations. Initially, CAN mediated thiocyanation of carbohydrates was carried out to obtain the basic building blocks (2-thiocyanates) for the entire studies. Subsequently, 2-thiocyanates were reduced to the corresponding thiols using appropriate reagents and reaction conditions. The screening of substrates, stereochemical outcome and the reaction mechanism are discussed briefly (Scheme I).
Scheme I. Synthesis of the 2-thiocyanates II and reductions to 2-thiols III & IV.
An interesting mechanism was proposed for the reduction of 2-thiocyanates II to 2-thiols III via formation of a disulfide intermediate. The water soluble free thiols IV were obtained by cleaving the thiocyanate and benzyl groups in a single step. In the subsequent part of studies, the synthetic potential of the 2-thiols was successfully expanded by simple synthetic transformations.
II. Transformations of the 2-thiocarbohydrates
The 2-thiols were utilized for convenient transformations including sulfa-Michael additions, nucleophilic substitutions, oxidation to disulfides and functionalization at the anomeric position. The diverse functionalizations of the carbohydrates at the C-2 position by means of the sulfur linkage are the highlighting feature of these studies. Thus, it creates an opportunity to expand the utility of 2-thiocarbohydrates for biological studies.
Reagents and conditions: a) I2, pyridine, THF, rt, 15 min; b) K2CO3, MeCN, rt, 1 h; c) MeI, K2CO3, DMF, 0 °C, 5 min; d) Ac2O, H2SO4 (1 drop), rt, 10 min; e) CAN, MeCN/H2O, NH4SCN, rt, 1 h; f) NaN3, ZnBr2, iPrOH/H2O, reflux, 15 h; g) NaOH (1 M), TBAI, benzene, rt, 2 h; h) ZnCl2, CHCl3, reflux, 3 h.
Scheme II. Functionalization of 2-thiocarbohydrates.
These transformations have enhanced the synthetic value of 2-thiocarbohydrates for the preparative scale. Worth to mention is the Lewis acid catalyzed replacement of the methoxy group by other nucleophiles and the synthesis of the (2→1) thiodisaccharides, which were obtained with complete β-selectivity. Additionally, for the first time, the carbohydrate linked thiotetrazole was synthesized by a (3 + 2) cycloaddition approach at the C-2 position.
III. Synthesis of thiodisaccharides by thiol-ene coupling.
In the final part of studies, the synthesis of thiodisaccharides by a classical photoinduced thiol-ene coupling was successfully achieved.
Reagents and conditions: 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone (DPAP), CH2Cl2/EtOH, hv, rt.
Scheme III. Thiol-ene coupling between 2-thiols and exo-glycals.
During the course of investigations, it was found that the steric hindrance plays an important role in the addition of bulky thiols to endo-glycals. Thus, we successfully screened the suitable substrates for addition of various thiols to sterically less hindered alkenes (Scheme III). The photochemical addition of 2-thiols to three different exo-glycals delivered excellent regio- and diastereoselectivities as well as yields, which underlines the synthetic potential of this convenient methodology.
In dieser Arbeit werden drei Themen im Zusammenhang mit den spektroskopischen Eigenschaften von Cumarin- (Cou) und DBD-Farbstoffen ([1,3]Dioxolo[4,5-f][1,3]benzodioxol) behandelt. Der erste Teil zeigt die grundlegende spektroskopische Charakterisierung von 7-Aminocumarinen und ihre potentielle Anwendung als Fluoreszenzsonde für Fluoreszenzimmunassays. Im zweiten Teil werden mit die photophysikalischen Eigenschaften der Cumarine genutzt um Cou- und DBD-funktionalisierte Oligo-Spiro-Ketal-Stäbe (OSTK) und ihre Eigenschaften als Membransonden zu untersuchen. Der letzte Teil beschäftigt sich mit der Synthese und der Charakterisierung von Cou- und DBD-funktionalisierten Polyprolinen als Referenzsysteme für schwefelfunktionalisierte OSTK-Stäbe und ihrer Kopplung an Goldnanopartikel.
Immunochemische Analysemethoden sind in der klinischen Diagnostik sehr erfolgreich und werden heute auch für die Nahrungsmittelkontrolle und Überwachung von Umweltfragen mit einbezogen. Dadurch sind sie von großem Interesse für weitere Forschungen. Unter den verschiedenen Immunassays zeichnen sich lumineszenzbasierte Formate durch ihre herausragende Sensitivität aus, die dieses Format für zukünftige Anwendungen besonders attraktiv macht. Die Notwendigkeit von Multiparameterdetektionsmöglichkeiten erfordert einen Werkzeugkasten mit Farbstoffen, um die biochemische Reaktion in ein optisch detektierbares Signal umzuwandeln. Hier wird bei einem Multiparameteransatz jeder Analyt durch einen anderen Farbstoff mit einer einzigartigen Emissionsfarbe, die den blauen bis roten Spektralbereich abdecken, oder eine einzigartige Abklingzeit detektiert. Im Falle eines kompetitiven Immunassayformats wäre für jeden der verschiedenen Farbstoffe ein einzelner Antikörper erforderlich. In der vorliegenden Arbeit wird ein leicht modifizierter Ansatz unter Verwendung einer Cumarineinheit, gegen die hochspezifische monoklonale Antikörper (mAb) erzeugt wurden, als grundlegendes Antigen präsentiert. Durch eine Modifikation der Stammcumarineinheit an einer Position des Moleküls, die für die Erkennung durch den Antikörper nicht relevant ist, kann auf den vollen Spektralbereich von blau bis tiefrot zugegriffen werden. In dieser Arbeit wird die photophysikalische Charakterisierung der verschiedenen Cumarinderivate und ihrer entsprechenden Immunkomplexe mit zwei verschiedenen, aber dennoch hochspezifischen, Antikörpern präsentiert. Die Cumarinfarbstoffe und ihre Immunkomplexe wurden durch stationäre und zeitaufgelöste Absorptions- sowie Fluoreszenzemissionsspektroskopie charakterisiert. Darüber hinaus wurden Fluoreszenzdepolarisationsmessungen durchgeführt, um die Daten zu vervollständigen, die die verschiedenen Bindungsmodi der beiden Antikörper betonten. Im Gegensatz zu häufig eingesetzten Nachweissystemen wurde eine massive Fluoreszenzverstärkung bei der Bildung des Antikörper-Farbstoffkomplexes bis zu einem Faktor von 50 gefunden. Wegen der leichten Emissionsfarbenänderung durch das Anpassen der Cumarinsubstitution in der für die Antigenbindung nicht relevanten Position des Elternmoleküls, ist eine Farbstoff-Toolbox vorhanden, die bei der Konstruktion von kompetitiven Multiparameterfluoreszenzverstärkungsimmunassays verwendet werden kann.
Oligo-Spiro-Thio-Ketal-Stäbe werden aufgrund ihres hydrophoben Rückgrats leicht in Doppellipidschichten eingebaut und deshalb als optische Membransonde verwendet. Wegen ihres geringen Durchmessers wird nur eine minimale Störung der Doppellipidschicht verursacht. Durch die Markierung mit Fluoreszenzfarbstoffen sind neuartige Förster-Resonanz-Energietransfersonden mit hoch definierten relativen Orientierungen der Übergangsdipolmomente der Donor- und Akzeptorfarbstoffe zugänglich und macht die Klasse der OSTK-Sonden zu einem leistungsstarken, flexiblen Werkzeugkasten für optische Biosensoranwendungen. Mit Hilfe von stationären und zeitaufgelösten Fluoreszenzexperimenten wurde der Einbau von Cumarin- und DBD markierten OSTK-Stäben in großen unilamellaren Vesikeln untersucht und die Ergebnisse durch Fluoreszenzdepolarisationsmessungen untermauert.
Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung von Cou- und DBD-funktionalisierten Polyprolinen und ihrer Kopplung an Goldnanopartikel. Die farbstoffmarkierten Polyproline konnten erfolgreich hergestellt werden. Es zeigten sich deutlich Einflüsse auf die spektroskopischen Eigenschaften der Farbstoffe durch die Bindung an die Polyprolinhelix. Die Kopplung an die 5 nm großen AuNP konnte erfolgreich durchgeführt werden. Die Erfahrungen, die durch die Kopplung der Polyproline an die AuNP, gewonnen wurde, ist die Basis für eine Einzelmolekül-AFM-FRET-Nanoskopie mit OSTK-Stäben.
Thermal cis-trans isomerization of azobenzene studied by path sampling and QM/MM stochastic dynamics
(2017)
Azobenzene-based molecular photoswitches have extensively been applied to biological systems, involving photo-control of peptides, lipids and nucleic acids. The isomerization between the stable trans and the metastable cis state of the azo moieties leads to pronounced changes in shape and other physico-chemical properties of the molecules into which they are incorporated. Fast switching can be induced via transitions to excited electronic states and fine-tuned by a large number of different substituents at the phenyl rings. But a rational design of tailor-made azo groups also requires control of their stability in the dark, the half-lifetime of the cis isomer. In computational chemistry, thermally activated barrier crossing on the ground state Born-Oppenheimer surface can efficiently be estimated with Eyring’s transition state theory (TST) approach; the growing complexity of the azo moiety and a rather heterogeneous environment, however, may render some of the underlying simplifying assumptions problematic.
In this dissertation, a computational approach is established to remove two restrictions at once: the environment is modeled explicitly by employing a quantum mechanical/molecular mechanics (QM/MM) description; and the isomerization process is tracked by analyzing complete dynamical pathways between stable states. The suitability of this description is validated by using two test systems, pure azo benzene and a derivative with electron donating and electron withdrawing substituents (“push-pull” azobenzene). Each system is studied in the gas phase, in toluene and in polar DMSO solvent. The azo molecules are treated at the QM level using a very recent, semi-empirical approximation to density functional theory (density functional tight binding approximation). Reactive pathways are sampled by implementing a version of the so-called transition path sampling method (TPS), without introducing any bias into the system dynamics. By analyzing ensembles of reactive trajectories, the change in isomerization pathway from linear inversion to rotation in going from apolar to polar solvent, predicted by the TST approach, could be verified for the push-pull derivative. At the same time, the mere presence of explicit solvation is seen to broaden the distribution of isomerization pathways, an effect TST cannot account for.
Using likelihood maximization based on the TPS shooting history, an improved reaction coordinate was identified as a sine-cosine combination of the central bend angles and the rotation dihedral, r (ω,α,α′). The computational van’t Hoff analysis for the activation entropies was performed to gain further insight into the differential role of solvent for the case of the unsubstituted and the push-pull azobenzene. In agreement with the experiment, it yielded positive activation entropies for azobenzene in the DMSO solvent while negative for the push-pull derivative, reflecting the induced ordering of solvent around the more dipolar transition state associated to the latter compound. Also, the dynamically corrected rate constants were evaluated using the reactive flux approach where an increase comparable to the experimental one was observed for a high polarity medium for both azobenzene derivatives.
This cumulative doctoral dissertation, based on three publications, is devoted to the investigation of several aspects of azobenzene molecular switches, with the aid of computational chemistry.
In the first paper, the isomerization rates of a thermal cis → trans isomerization of azobenzenes for species formed upon an integer electron transfer, i.e., with added or removed electron, are calculated from Eyring’s transition state theory and activation energy barriers, computed by means of density functional theory. The obtained results are discussed in connection with an experimental study of the thermal cis → trans isomerization of azobenzene derivatives in the presence of gold nanoparticles, which is demonstrated to be greatly accelerated in comparison to the same isomerization reaction in the absence of nanoparticles.
The second paper is concerned with electronically excited states of (i) dimers, composed of two photoswitchable units placed closely side-by-side, as well as (ii) monomers and dimers adsorbed on a silicon cluster. A variety of quantum chemistry methods, capable of calculating molecular electronic absorption spectra, based on density functional and wave function theories, is employed to quantify changes in optical absorption upon dimerization and covalent grafting to a surface. Specifically, the exciton (Davydov) splitting between states of interest is determined from first-principles calculations with the help of natural transition orbital analysis, allowing for insight into the nature of excited states.
In the third paper, nonadiabatic molecular dynamics with trajectory surface hopping is applied to model the photoisomerization of azobenzene dimers, (i) for the isolated case (exhibiting the exciton coupling between two molecules) as well as (ii) for the constrained case (providing the van der Waals interaction with environment in addition to the exciton coupling between two monomers). For the latter, the additional azobenzene molecules, surrounding the dimer, are introduced, mimicking a densely packed self-assembled monolayer. From obtained results it is concluded that the isolated dimer is capable of isomerization likewise the monomer, whereas the steric hindrance considerably suppresses trans → cis photoisomerization.
Furthermore, the present dissertation comprises the general introduction describing the main features of the azobenzene photoswitch and objectives of this work, theoretical basis of the employed methods, and discussion of gained findings in the light of existing literature. Also, additional results on (i) activation parameters of the thermal cis → trans isomerization of azobenzenes, (ii) an approximate scheme to account for anharmonicity of molecular vibrations in calculation of the activation entropy, as well as (iii) absorption spectra of photoswitch–silicon composites obtained from time-demanding wave function-based methods are presented.
A series of new fluorescent dye bearing monomers, including glycomonomers, based on maleamide and maleic esteramide was synthesized. The dye monomers were incorporated by radical copolymerization into thermo-responsive poly(N-vinyl-caprolactam) that displays a lower critical solution temperature (LCST) in aqueous solution. The effects of the local molecular environment on the polymers' luminescence, in particular on the fluorescence intensity and the extent of solvatochromism, were investigated below as well as above the phase transition. By attaching substituents of varying size and polarity in the close vicinity of the fluorophore, and by varying the spacer groups connecting the dyes to the polymer backbone, we explored the underlying structure-property relationships, in order to establish rules for successful sensor designs, e.g., for molecular thermometers. Most importantly, spacer groups of sufficient length separating the fluorophore from the polymer backbone proved to be crucial for obtaining pronounced temperature regulated fluorescence responses.
The effect of cellulose-based polyelectrolytes on biomimetic calcium phosphate mineralization is described. Three cellulose derivatives, a polyanion, a polycation, and a polyzwitterion were used as additives. Scanning electron microscopy, X-ray diffraction, IR and Raman spectroscopy show that, depending on the composition of the starting solution, hydroxyapatite or brushite precipitates form. Infrared and Raman spectroscopy also show that significant amounts of nitrate ions are incorporated in the precipitates. Energy dispersive X-ray spectroscopy shows that the Ca/P ratio varies throughout the samples and resembles that of other bioinspired calcium phosphate hybrid materials. Elemental analysis shows that the carbon (i.e., polymer) contents reach 10% in some samples, clearly illustrating the formation of a true hybrid material. Overall, the data indicate that a higher polymer concentration in the reaction mixture favors the formation of polymer-enriched materials, while lower polymer concentrations or high precursor concentrations favor the formation of products that are closely related to the control samples precipitated in the absence of polymer. The results thus highlight the potential of (water-soluble) cellulose derivatives for the synthesis and design of bioinspired and bio-based hybrid materials.
In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Polymere hergestellt, die bestimmte funktionelle Gruppen beinhalten. Diese Gruppen werden zum Teil durch Alkylketten geschützt, zum Teil liegen sie ungeschützt im Polymer vor. Mit diesen Polymeren wurden Untersuchungen mit knochenähnlichen Materialien sogenanntem Calciumphosphat durchgeführt. Es wurde der Einfluss der verschiedenen Polymere auf die Bildung dieser knochenähnlichen Substanzen untersucht und auch der Einfluss auf die Stabilität und das Auflösungsverhalten der Calciumphosphate. Dabei sollte ein besonderes Augenmerk auf die funktionellen Gruppen, sogenannte Phosphonsäuren und deren Ester, die die Phosphonsäuren schützen, gesetzt werden. Es stellte sich heraus, dass bei der Bildung der knochenähnlichen Materialien die Polymere mit Estergruppen eine leichte Förderung der Calciumphosphat-Bildung verursachen, während die ungeschützten Polymere die Bildung des „Knochenmaterials“ sehr stark verzögern. Dieser Effekt verstärkt sich noch, wenn eine weitere bestimmte Komponente zum Polymer hinzukommt und somit ein Copolymer gebildet wird. Diese Copolymere beschleunigen bzw. verlangsamen die Calciumphosphatbildung noch stärker. Werden Polymere mit einem anderen Polymergerüst aber den gleichen Phosphonsäuresetern in den Seitenketten verwendet, ändert sich der Einfluss der Calciumphosphat-Bildung wenig. Verglichen mit Polymeren ohne solche Phosphonsäuregruppen wird erkennbar, dass es weniger die Phosphonsäuregruppe ist, die die Mineralisation beeinflusst, sondern es eher eine Folge der Säure im Polymer ist.
Wird die Stabilisierung und Auflösung der Knochenähnlichen Substanzen betrachtet, fällt auf, dass auch hier wieder die Säuren den größten Effekt ausüben. Die Phosphonsäuregruppen scheinen dabei jedoch tatsächlich einen besonderen Effekt auszuüben, da bei diesen die Stabilisierung und auch das Auflösungsvermögen von Calciumphospaht von allen untersuchten Polymeren am größten sind.
In der Arbeit konnte außerdem gezeigt werden, dass die Polymere und Copolymere mit Phosphonsäuregruppen einen leicht positiven Effekt auf die Zahngesundheit zeigen. Die Zahl von Bakterien auf der Zahnoberfläche konnte reduziert werden und bei der Untersuchung der Zahnauflösung wurde eine glattere Zahnoberfläche erhalten, jedoch wurde auch mit den untersuchten Polymeren der Zahn im Inneren angegriffen. Weitere Untersuchungen können hier noch genaueren Aufschluss geben. Außerdem sollten auch die Polymere mit dem unterschiedlichen Polymergerüst und Phosphonsäureestergruppen untersucht werden.
Letztere Polymere wurden verwendet, um festere “gelartige“ Polymernetzwerke herzustellen und deren Einfluss auf die Calciumphosphatmineralisation zu untersuchen. Es stellte sich heraus, dass ohne das Einbetten einiger Calciumphosphatteilchen keine Bildung von Calciumphospaht an den Materialien ausgelöst wurde, wurden die sogenannten Hydrogele jedoch mit Calciumphosphatpartikeln geimpft, konnte deutliches weiteres Calciumphosphatwachstum beobachtet werden. Das Material lässt sich auch in verschiedene Formen bringen. Somit könnte das System nach weiteren Untersuchungen zur Verträglichkeit mit Zellen oder Geweben ein mögliches Material für Implantate darstellen, mit denen gezielt Knochenwachstum eingeleitet werden könnte.
In der vorliegenden Arbeit konnten erfolgreich zwei unterschiedliche Hybridmaterialien (HM) über die Sol-Gel-Methode synthetisiert werden. Bei den HM handelt es sich um Monolithe mit einem Durchmesser von bis zu 4,5 cm. Das erste HM besteht aus Titandioxid und Bombyx mori Seide und wird als TS bezeichnet, während das zweite weniger Seide und zusätzlich Polyethylenoxid (PEO) enthält und daher als TPS abgekürzt wird. Einige der HM wurden nach der Synthese in eine wässrige Tetrachloridogoldsäure-Lösung getaucht, wodurch sich auf der Oberfläche Goldnanopartikel gebildet haben.
Die Materialien wurden mittels Elektronenmikroskopie, energiedispersiver Röntgenspektroskopie, Ramanspektroskopie sowie Röntgenpulverdiffraktometrie charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass beide HM aus etwa 5 nm großen, sphärischen Titandioxidnanopartikeln aufgebaut sind, die primär aus Anatas und zu einem geringen Anteil aus Brookit bestehen. Die Goldnanopartikel bei TPS_Au waren größer und polydisperser als die Goldnanopartikel auf dem TS_Au HM. Darüber hinaus sind die Goldnanopartikel im TS HM tiefer in das Material eingedrungen als beim TPS HM.
Die weiterführende Analyse der HM mittels Elementaranalyse und thermogravimetrischer Analyse ergab für TPS einen geringeren Anteil an organischen Bestandteilen im HM als für TS, obwohl für beide Synthesen die gleiche Masse an organischen Materialien eingesetzt wurde. Es wird vermutet, dass das PEO während der Synthese teilweise wieder aus dem Material herausgewaschen wird. Diese Theorie korreliert mit den Ergebnissen aus der Stickstoffsorption und der Quecksilberporosimetrie, die für das TPS HM eine höhere Oberfläche als für das TS HM anzeigten.
Die Variation einiger Syntheseparameter wie die Menge an Seide und PEO oder die Zusammensetzung der Titandioxidvorläuferlösung hatte einen großen Einfluss auf die synthetisierten HM. Während unterschiedliche Mengen an PEO die Größe des HM beeinflussten, konnte ohne Seide kein HM in einer ähnlichen Größe hergestellt werden. Die Bildung der HM wird stark von der Zusammensetzung der Titandioxidvorläuferlösung beeinflusst. Eine Veränderung führte daher nur selten zur Bildung eines homogenen HM.
Die in dieser Arbeit synthetisierten HM wurden als Photokatalysatoren für die Wasserspaltung und den Abbau von Methylenblau eingesetzt. Bei der photokatalytischen Wasserspaltung wurde zunächst der Einfluss unterschiedlicher Goldkonzentrationen beim TPS HM auf die Wasserstoffausbeute untersucht. Die besten Ergebnisse wurden bei einer Menge von 2,5 mg Tetrachloridogoldsäure erhalten. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass mit dem TPS HM eine deutlich höhere Menge an Wasserstoff gewonnen werden konnte als mit dem TS HM. Die Ursachen für die schlechtere Aktivität werden in der geringeren spezifischen Oberfläche, der unterschiedlichen Porenstruktur, dem höheren Anteil an Seide und besonders in der geringeren Größe und höheren Eindringtiefe der Goldnanopartikel vermutet. Darüber hinaus konnte mit einem höheren UV-Anteil in der Lichtquelle sowie durch die Zugabe von Ethanol als Opferreagenz eine Zunahme der Wasserstoffausbeute erzielt werden.
Bei dem Methylenblauabbau wurde für beide HM zunächst nur eine Adsorption des Methylenblaus beobachtet. Nach der Zugabe von Wasserstoffperoxid konnte nach 8 h bereits eine fast vollständige Oxidation des Methylenblaus unter sichtbarem Licht beobachtet werden. Die Ursache für die etwas höhere Aktivität von TPS gegenüber TS wird in der unterschiedlichen Porenstruktur und dem höheren Anteil an Seide im TS HM vermutet. Insgesamt zeigen beide HM eine gute photokatalytische Aktivität für den Abbau von Methylenblau im Vergleich zu den erhaltenen Werten aus der Literatur.
Magnetische Eisenoxidnanopartikel werden bereits seit geraumer Zeit erfolgreich als MRT-Kontrastmittel in der klinischen Bildgebung eingesetzt. Durch Optimierung der magnetischen Eigenschaften der Nanopartikel kann die Aussagekraft von MR-Aufnahmen verbessert und somit der diagnostische Wert einer MR-Anwendung weiter erhöht werden. Neben der Verbesserung bestehender Verfahren wird die bildgebende Diagnostik ebenso durch die Entwicklung neuer Verfahren, wie dem Magnetic Particle Imaging, vorangetrieben. Da hierbei das Messsignal von den magnetischen Nanopartikeln selbst erzeugt wird, birgt das MPI einen enormen Vorteil hinsichtlich der Sensitivität bei gleichzeitig hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Da es aktuell jedoch keinen kommerziell vertriebenen in vivo-tauglichen MPI-Tracer gibt, besteht ein dringender Bedarf an geeigneten innovativen Tracermaterialien. Daraus resultierte die Motivation dieser Arbeit biokompatible und superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel für den Einsatz als in vivo-Diagnostikum insbesondere im Magnetic Particle Imaging zu entwickeln. Auch wenn der Fokus auf der Tracerentwicklung für das MPI lag, wurde ebenso die MR-Performance bewertet, da geeignete Partikel somit alternativ oder zusätzlich als MR-Kontrastmittel mit verbesserten Kontrasteigenschaften eingesetzt werden könnten.
Die Synthese der Eisenoxidnanopartikel erfolgte über die partielle Oxidation von gefälltem Eisen(II)-hydroxid und Green Rust sowie eine diffusionskontrollierte Kopräzipitation in einem Hydrogel.
Mit der partiellen Oxidation von Eisen(II)-hydroxid und Green Rust konnten erfolgreich biokompatible und über lange Zeit stabile Eisenoxidnanopartikel synthetisiert werden. Zudem wurden geeignete Methoden zur Formulierung und Sterilisierung etabliert, wodurch zahlreiche Voraussetzungen für eine Anwendung als in vivo-Diagnostikum geschaffen wurden. Weiterhin ist auf Grundlage der MPS-Performance eine hervorragende Eignung dieser Partikel als MPI-Tracer zu erwarten, wodurch die Weiterentwicklung der MPI-Technologie maßgeblich vorangetrieben werden könnte. Die Bestimmung der NMR-Relaxivitäten sowie ein initialer in vivo-Versuch zeigten zudem das große Potential der formulierten Nanopartikelsuspensionen als MRT-Kontrastmittel. Die Modifizierung der Partikeloberfläche ermöglicht ferner die Herstellung zielgerichteter Nanopartikel sowie die Markierung von Zellen, wodurch das mögliche Anwendungsspektrum maßgeblich erweitert wurde.
Im zweiten Teil wurden Partikel durch eine diffusionskontrollierte Kopräzipitation im Hydrogel, wobei es sich um eine bioinspirierte Modifikation der klassischen Kopräzipitation handelt, synthetisiert, wodurch Partikel mit einer durchschnittlichen Kristallitgröße von 24 nm generiert werden konnten. Die Bestimmung der MPS- und MR-Performance elektrostatisch stabilisierter Partikel ergab vielversprechende Resultate. In Vorbereitung auf die Entwicklung eines in vivo-Diagnostikums wurden die Partikel anschließend erfolgreich sterisch stabilisiert, wodurch der kolloidale Zustand in MilliQ-Wasser über lange Zeit aufrechterhalten werden konnte. Durch Zentrifugation konnten die Partikel zudem erfolgreich in verschiedene Größenfraktionen aufgetrennt werden. Dies ermöglichte die Bestimmung der idealen Aggregatgröße dieses Partikelsystems in Bezug auf die MPS-Performance.
Ionogels (IGs) based on poly(methyl methacrylate) (PMMA) and the metal-containing ionic liquids (ILs) bis-1-butyl-3-methlimidazolium tetrachloridocuprate(II), tetrachloride cobaltate(II), and tetrachlorido manganate(II) have been synthesized and their mechanical and electrical properties have been correlated with their microstructure. Unlike many previous examples, the current IGs show a decreasing stability in stress-strain experiments on increasing IL fractions. The conductivities of the current IGs are lower than those observed in similar examples in the literature. Both effects are caused by a two-phase structure with micrometer-sized IL-rich domains homogeneously dispersed an IL-deficient continuous PMMA phase. This study demonstrates that the IL-polymer miscibility and the morphology of the IGs are key parameters to control the (macroscopic) properties of IGs.
In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die beiden verwendeten Amphiphile mit Cholesterol als hydrophoben Block, gute Template für die Mineralisation von Calciumphosphat an der Wasser/Luft-Grenzfläche sind. Mittels Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (IRRAS), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Energie dispersiver Röntgenspektroskopie (EDXS), Elektronenbeugung (SAED) und hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) konnte die erfolgreiche Mineralisation von Calciumphosphat für beide Amphiphile an der Wasser/Luft-Grenzfläche nachgewiesen werden. Es konnte auch gezeigt werden, dass das Phasenverhalten der beiden Amphiphile und die bei der Mineralisation von Calciumphosphat gebildeten Kristallphasen nicht identisch sind. Beide Amphiphile üben demnach einen unterschiedlichen Einfluss auf den Mineralisationsverlauf aus.
Beim CHOL-HEM konnte sowohl nach 3 h als auch nach 5 h Octacalciumphosphat (OCP) als einzige Kristallphase mittels XPS, SAED, HRTEM und EDXS nachgewiesen werden. Das A-CHOL hingegen zeigte bei der Mineralisation von Calciumphosphat nach 1 h zunächst eine nicht eindeutig identifizierbare Vorläuferphase aus amorphen Calciumphosphat, Brushit (DCPD) oder OCP. Diese wandelte sich dann nach 3 h und 5 h in ein Gemisch, bestehend aus OCP und ein wenig Hydroxylapatit (HAP) um.
Die Schlussfolgerung daraus ist, dass das CHOL-HEM in der Lage ist, dass während der Mineralisation entstandene OCP zu stabilisieren. Dies geschieht vermutlich durch die Adsorption des Amphiphils bevorzugt an der OCP Oberfläche in [100] Orientierung. Dadurch wird die Spaltung entlang der c-Achse unterdrückt und die Hydrolyse zum HAP verhindert.
Das A-CHOL ist hingegen sterisch anspruchsvoller und kann wahrscheinlich aufgrund seiner Größe nicht so gut an der OCP Kristalloberfläche adsorbieren verglichen zum CHOL HEM. Das CHOL-HEM kann also die Hydrolyse von OCP zu HAP besser unterdrücken als das A-CHOL. Da jedoch auch beim A-CHOL nach einer Mineralisationszeit von 5 h nur wenig HAP zu finden ist, wäre auch hier ein Stabilisierungseffekt der OCP Kristalle möglich. Um eine genaue Aussage darüber treffen zu können, sind jedoch zusätzliche Kontrollexperimente notwendig. Es wäre zum einen denkbar, die Mineralisationsexperimente über einen längeren Zeitraum durchzuführen. Diese könnten zeigen, ob das CHOL-HEM die Hydrolyse vom OCP zum HAP komplett unterdrückt. Außerdem könnte nachgewiesen werden, ob beim A-CHOL das OCP weiter zum HAP umgesetzt wird oder ob ein Gemisch beider Kristallphasen erhalten bleibt.
Um die Mineralisation an der Wasser/Luft-Grenzfläche mit der Mineralisation in Bulklösung zu vergleichen, wurden zusätzlich Mineralisationsexperimente in Bulklösung durchgeführt. Dazu wurden Nitrilotriessigsäure (NTA) und Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) als Mineralisationsadditive verwendet, da NTA unter anderem der Struktur der hydrophilen Kopfgruppe des A-CHOLs ähnelt. Es konnte gezeigt werden, dass ein Vergleich der Mineralisation an der Grenzfläche mit der Mineralisation in Bulklösung nicht ohne weiteres möglich ist. Bei der Mineralisation in Bulklösung wird bei tiefen pH-Werten DCPD und bei höheren pH-Werten HAP gebildet. Diese wurde mittels Röntgenpulverdiffraktometrie Messungen nachgewiesen und durch Infrarotspektroskopie bekräftigt. Die Bildung von OCP wie an der Wasser/Luft-Grenzfläche konnte nicht beobachtet werden.
Es konnte auch gezeigt werden, dass beide Additive NTA und EDTA einen unterschiedlichen Einfluss auf den Verlauf der Mineralisation nehmen. So unterscheiden sich zum einen die Morphologien des gebildeten DCPDs und zum anderen wurde beispielsweise in Anwesenheit von 10 und 15 mM NTA neben DCPD auch HAP bei einem Ausgangs-pH-Wert von 7 nachgewiesen.
Da unser Augenmerk speziell auf der Mineralisation von Calciumphosphat an der Wasser/Luft-Grenzfläche liegt, könnten Folgeexperimente wie beispielsweise GIXD Messungen durchgeführt werden. Dadurch wäre es möglich, einen Überblick über die gebildeten Kristallphasen nach unterschiedlichen Reaktionszeiten direkt auf dem Trog zu erhalten.
Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass auch einfache Amphiphile in der Lage sind, die Mineralisation von Calciumphosphat zu steuern. Amphiphile mit Cholesterol als hydrophoben Block bilden offensichtlich besonders stabile Monolagen an der Wasser/Luft-Grenzfläche. Eine Untersuchung des Einflusses ähnlicher Amphiphile mit unterschiedlichen hydrophilen Kopfgruppen auf das Mineralisationsverhalten von Calciumphosphat wäre durchaus interessant.