von Meudtner: Neuartige Triazol-basierte aromatische Rückgrate für die Makromolekulare und Supramolekulare Chemie |
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Neuartige Triazol-basierte aromatische Rückgrate
für die
Makromolekulare und Supramolekulare Chemie
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Chemie
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
der Humboldt Universität zu Berlin
von
Dipl. Chem. Robert M.
Meudtner
Präsident der Humboldt Universität zu Berlin
Prof. Dr. Dr. h.c. Christoph Markschies
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Prof. Dr. Lutz-Helmut Schön
Gutachter:
1. Prof. Stefan Hecht, Ph.D.
2. Prof. Dr. Christian Limberg
3. Prof. Dr. Jan van Esch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.07.2009
Kurzzusammenfassung
Ein Ansatz der Darstellung von neuartigen funktionalen Materialien basiert auf der Synthese von Foldameren mit charakteristischen Eigenschaften, die eine Kontrolle über Formgebung und Gestaltung der Makromoleküle und derer Aggregate zulassen. Bislang sind gerade größere Foldamerstrukturen definierter Größe und Form meist schwer darstellbar und eine strukturelle Modifizierbarkeit nicht ohne weiteres möglich. Für das Foldamerdesign bietet sich die Verwendung von effizienten Reaktionen an, wie die seit 2002 bekannte Kupfer(I)-katalysierte 1,3-dipolare Azid-Alkin-Cycloaddition, kurz “Klick“-Reaktion genannt. Obwohl diese Reaktion trotz ihres jungen Alters bereits eine Vielzahl von Anwendungen in nahezu allen Bereichen der Chemie gefunden hat, wurde sie bislang nur sehr begrenzt für die Konstruktion von Foldameren eingesetzt.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die hohe Effizienz der Klick-Reaktion in Verbindung mit dem bei der Reaktion entstehenden Triazol-Ring als funktionale Einheit genutzt werden kann, um neuartige heteroaromatische Gerüste für die Konstruktion von diversen (makromolekularen) Verbindungen zu generieren. Hierzu wurden zunächst auf einfache und hochmodulare Weise 2,6-Bis(1-aryl-1,2,3-triazol-4-yl)pyridine (BTPs) dargestellt, die eine neue Klasse von pyridinzentrierten, tridentaten Liganden repräsentieren. Die BTP-Liganden koordinieren an eine Vielzahl von Übergangsmetallionen unter Ausbildung von Metallkomplexen mit interessanten magnetischen und lumineszierenden Eigenschaften. In Reinsubstanz besitzen die BTP-Gerüste eine hufeisenförmige, planare Konformation und eignen sich daher als helikogene Einheiten für die Konstruktion von helikal gefalteten makromolekularen Strukturen. Sie sind responsiv gegenüber Protonierung oder Metallionenkoordination, durch die in eine gestreckte BTP-Geometrie geschaltet wird.
BTP-Strukturen mit angeknüpften Alkylseitenketten bilden an der Flüssig-Fest-Grenzfläche des Graphits über die Selbstorganisation großflächig hochgeordnete Monoschichten aus. Die responsiven BTP-Einheiten lassen sich über den pH-Wert oder Metallionenkoordination schalten und dadurch die adsorbierten Schichten umstrukturieren.
Unter Verwendung der Klick-Reaktion als Kupplungsreaktion wurde eine neue Klasse von responsiven heteroaromatischen oligomeren und polymeren Foldameren generiert. Hierbei führt die Integration von präorganisierten BTP-Einheiten in das Foldamer-Rückgrat zu rigideren Foldamer-Strängen. Die Oligomeren, sogenannte ”Klickamere“, mit einer Länge von 17 aromatischen Ringen zeigen in polaren Lösungsmitteln ein ausgeprägtes helikales Faltungsverhalten, wie mit verschiedenen spektroskopischen Methodiken nachgewiesen wurde. Ein aus 17 aromatischen Ringen bestehender Foldamerstrang besitzt eine Responsivität gegenüber Chloridionen, wobei es durch die Wechselwirkung mit diesem achiralen Stimulus zu einer Helixinversion kommt.
Die entsprechenden responsiven Polymere liegen in einer stabilen helikalen Konformation in Lösung vor, die bei Zugabe von Metallionen aufbricht und zu der Bildung von koordinativ kreuzverlinkten, stark viskosen Gelen führt.
Inhaltsverzeichnis
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Vorwort
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1 Einleitung
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2 Allgemeiner Teil
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2.1 Foldamere und helikale Strukturen
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2.1.1 Helixdrehsinn helikaler Strukturen
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2.1.2 Untersuchungsmethoden des helikalen Faltungsverhaltens
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2.1.3 Diskussion ausgewählter Triebkräfte der helikalen Faltung
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2.1.3.1 Die solvophobe Triebkraft der helikalen Faltung
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2.1.3.2 Rigide Bauelemente: das 2,2´-Bipyridinmotiv von Lehn
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2.1.3.3 Rigide Bauelemente: aromatische Oligoamide
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2.2 Die Klick-Reaktion
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2.2.1 Bedeutung und Besonderheiten
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2.2.2 Mechanismus
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2.2.3 Katalysatorsysteme
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2.2.4 Der Triazolring als funktionelle Einheit
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2.2.5 Triazolbasierte Liganden
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2.2.6 Klick-Chemie als Polymerisationsreaktion
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2.3 Zeitgleiche Publikationen mit starker thematischer Nähe
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3 Aufgabenstellung
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4 Präorganisierte responsive BTP-Einheiten
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4.1 Retrosynthese
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4.2 Synthese der Pyridinbausteine
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4.3 Synthese der Arylazide
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4.4 Synthese der BTP-Strukturen
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4.4.1
I
n situ Generierung der Arylazide
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4.4.2 Reaktionsprotokoll der BTP-Darstellung über die Klick-Reaktion
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4.4.3 Synthese von unsymmetrischen BTP-Strukturen
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4.4.4 Postfunktionalisierung der BTP-Strukturen
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4.5 Konformationelle Präorganisation und Schaltbarkeit
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4.5.1 Präorganisation in die hufeisenförmige anti-anti-Konformation
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4.5.2 Konformationelle Schaltbarkeit
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4.6 Tridentate Terpyridin-artige Ligandensysteme
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4.6.1 Tridentate BTP-Liganden
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4.6.2 Synthese der BTP-Ligandensysteme
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4.6.3 BTP-Eisen(II)-Komplexe
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4.6.3.1 Isothermale Titrationskalorimetrie der BTP-Eisen(II)-Komplexe
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4.6.4 BTP-Europium(III)-Komplexe
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4.7 Vergleich der anti-anti- mit der syn-syn-Konformation
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4.8 Zusammenfassung und Ausblick
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4.9 Experimenteller Teil
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5 Schalten von BTP-Aggregat-Strukturen auf Oberflächen
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5.1 Konzept und Zielsetzung
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5.2 Retrosynthese
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5.3 Synthese
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5.3.1 Synthese der Arylazide und 2,6-Di(ethynyl)pyridine
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5.3.2 Darstellung der BTP-Verbindungen
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5.4 Adsorptionsverhalten auf Graphit
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5.5 Schalten auf Oberflächen
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5.5.1 Visualisierung der Umorganisation auf der HOPG-Oberfläche
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5.6 Zusammenfassung und Ausblick
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5.7 Experimenteller Teil
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6 BTP-basierte helikal gefaltete Oligomere
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6.1 Zielsetzung und Konzept
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6.2 Synthesekonzept und Retrosynthese
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6.2.1 Synthese der Monomerbausteine
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6.2.2 Synthese der Oligomerenstränge
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6.2.2.1 Synthese der Oligomerenserien mit dem Rückgrat 111
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6.2.2.2 Synthese der Oligomerenserien mit dem Rückgrat 104 und 105
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6.3 Berechnungen der Strukturen der Oligomere
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6.3.1 Vorbetrachtungen
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6.3.2 Kraftfeldrechnungen in der Gasphase
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6.3.3 Einfluss von Lösungsmitteln
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6.4 Spektroskopische Vermessung des Faltungsverhaltens
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6.4.1 Spektroskopische Vermessung der Heptadecamere (17mere)
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6.4.2 Diskussion der helikalen Faltung in Abhängigkeit vom Oligomerrückgrat
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6.4.2.1 Temperaturabhängiges Faltungsverhalten
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6.4.2.2 Aggregationsverhalten der Nonamere
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6.4.3 Responsivität der Foldamere
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6.5 Zusammenfassung und Ausblick
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6.6 Experimenteller Teil
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7 Konstruktion von rigiden Rückgraten
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7.1 Helikale Präorganisation
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7.2 Synthesewege
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7.2.1 Diazotierungsreaktion mit Natriumazidzugabe
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7.2.2 Versuch der Darstellung über die Kupfer(I)-katalysierte Kreuzkupplung
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7.2.3 Nucleophile Substitution am Aromaten
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7.2.4 Überführung von Pyridin-N-Oxiden in 2-Azidopyridine
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7.2.4.1 Synthese eines bifunktionalen Monomerbausteins
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7.2.4.2 Synthese neuartiger rigider BPTP-Strukturen
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7.3 Zusammenfassung und Ausblick
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7.4 Experimenteller Teil
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8 Responsive Polymere und deren Gele
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8.1 Aufgabenstellung und Retrosynthese verschiedener Polymere
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8.2 Polymerisationsbedingungen der Poly-Klick-Reaktion
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8.3 Ergebnisse der Klick-Polymerisation
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8.3.1 Polymerisation bei Raumtemperatur (Ansatz G)
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8.3.2 Polymerisation unter Mikrowellenbestrahlung (Ansatz I)
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8.3.3 Klick-Polymerisation mit Cu(I) und dmen (Ansatz F)
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8.3.4 Klick-Polymerisation zu dem Polymer mit Phenyl-alt-Triazol-Rückgrat
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8.3.5 Synthese, Faltungsverhalten und Gelbildung terminierter Polymere
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8.4 Zusammenfassung und Ausblick
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8.5 Experimenteller Teil
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8.5.1 General Methods
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8.5.2 Polymerization Procedures
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Literaturverzeichnis
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Danksagung
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Abkürzungsverzeichnis
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Veröffentlichungen
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Eidesstattliche Erklärung
Tabellen
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Tabelle 2-1: Chronologische Auflistung von Publikationen die im thematischen Zusammenhang mit den in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnissen stehen.
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Tabelle 4-1: Ausbeuten, Aggregationszustand und Farbe der isolierten Arylazide.
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Tabelle 4-2: Unabhängig von dem Substitutionsmuster können die BTP-Strukturen über die Klick-Reaktion in hohen Ausbeuten dargestellt und isoliert werden. ([a] Ausbeute an isoliertem Produkt; [b] 20 mol% Natriumascorbat wurden eingesetzt).
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Tabelle 4-3: Die BTP-Verbindungen werden bereits nach der wässrigen Aufarbeitung in hoher Reinheit gewonnen, wie hier die Auflistung der BTP-Strukturen mit Estergruppe an dem Pyridinring zeigt (R2: Reste am Arylring des BTPs).
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Tabelle 4-4: Bindungslängen, Distanzen, Bindungswinkel und Torsionswinkel verschiedener BTP-Strukturen in Abhängigkeit von dem Substitutionsmuster. In der Tabelle aufgelistet sind die Mittelwerte von d1 und d1
’, d2 und d2’ sowie α und α’. Aus Platzgründen und wegen der geringen Abweichungen untereinander sind von den Bindungswinkeln nur die α-Winkel aufgeführt. (β/β’ liegen bei 128.2° - 130.0°, γ/γ’ bei 128° - 130° und δ/δ’ bei 119° - 120°.
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Tabelle 4-5: Bindungslängen, Distanzen, Bindungswinkel und Torsionswinkel der unsymmetrisch substituierten BTP-Struktur 5
1. In der Tabelle aufgelistet sind die Mittelwerte von d1 und d1
’ , d2 und d2’ sowie α und α’ (β/β’ liegen zwischen 127.1° und 128.0°, γ/γ’ bei 128.4° und 129.4° und δ/δ’ bei 118.8 und 121.3°).
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Tabelle 4-6: Bindungslängen, Distanzen, Bindungswinkel und Torsionswinkel der BTP-Strukturen 68
(R1 = H), 6
9 (R1 = CO2CH3) und 70 (R1 = NC4H8). Aufgelistet sind die Mittelwerte von d1 und d1
’ , d2 und d2’ sowie α und α’. Aus Platzgründen und wegen der geringen Abweichungen untereinander sind von den Bindungswinkeln nur der Mittelwert des α-Winkels aufgeführt. (β/β’ liegen bei 126.1°°- 131.4°, γ/γ’ bei 128° – 129° und δ/δ’ bei 119° – 120°).
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Table 1. Yield, color, and aggregation state of the used aromatic azides. [a] Synthesis proceeded as described by Liang.[27] [b] Characterization see literature.[75] [c] Characterization see literature.[76] [d] Characterization see experimental part.
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Table
2.Synthesis of 2,6-bis(1,2,3-triazol-4-yl)pyridines. [a] Isolated yield. [b] Tg = -(CH2CH2O)3CH3. [c] Due to the low boiling point of the aryl azide 25 thoroughly degassing procedure wasn’t performed and therefore the double amount of Na ascorbate was used as reducing agent. [d] Due to the degassing procedure and the low boiling point of the aryl azide an increased amount of azide was used. [e] Reaction sequence: cycloaddition with (4-Azido-phenyl)-dimethyl-amine 26, cleavage of the TIPS protecting group and cycloaddition with 1-Azido-4-nitro-benzene 23 with an overall yield of 98%. Both cycloaddition reactions have been run with 1.3 equiv. aryl azide and 0.1 equiv. Na ascorbate.
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Tabelle 8-1: Reaktionsbedingungen der Polymerisation von 1 und 107 zu 105 inklusive per analytische GPC ermittelte mittlere Molmassen MW ([1] Monomer-Konzentration in mol/L; [2] GPC vor der als Größenausschlusschromatographie wirkenden Säulenchromatographie (SC); [3] nach der SC; [4] MW: mittlere massengewichtete Molmasse; [5] US: Ultraschall für 6 h; [6] MW: Mikrowellenbestrahlung 65 °C, 10 Min.; [7] Mikrowellenbestrahlung 55 °C, 50 Min., siehe Kapitel 8.3.3; [8] Mikrowellenbestrahlung 60 °C und 70 °C, 50 Min., siehe Kapitel 8.3.2).
Bilder
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Abbildung 1–1: Illustration der zwei möglichen Ansätze, um Nanostrukturen zu generieren: dem Verkleinerungsansatz (“Top-Down Approach“), bei dem kleinste Strukturen über immer diffizilere Techniken generiert werden, sind natürliche Grenzen gesetzt. Für die Zukunft sehr erfolgversprechend ist der Vergrößerungsansatz (“Bottom-Up Approach“), bei dem von molekularen Strukturen ausgegangen wird, die zu größeren funktionalen Strukturen zusammengesetzt werden.
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Abbildung 1–2: Die modulare Synthese von Foldameren ermöglicht es auf das gleiche Foldamerrückgrat zurückzugreifen, bedingt durch die Verwendung einer effizienten, gegenüber funktionellen Gruppen toleranten Reaktion ist der Einbau von funktionellen Einheiten und damit die Konstruktion von anpassbaren, funktionalen Foldameren möglich.
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Abbildung 2–1: Wichtige aus der Natur bekannte helikale Motive (von links nach rechts): Kollagenfaser, lichtsammelnder Komplex in dem Bakterium Rhodopseudomonas Acidophila, der Ionenkanal Gramicidin A und ein DNS-Doppelstrang.
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Abbildung 2–2: Verschiedene helikal faltende Oligomer- und Polymerrückgratstrukturen.
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Abbildung 2–3: Illustration der Ausbildung des Helixdrehsinns anhand des Oligo(m-phenylenethinylen)s. Chirale Stimuli führen zu der Diskriminierung zwischen M- und P-Helix.
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Abbildung 2–4: Chirale Informationsträger integriert in Oligo(m-phenylenethinylen)en. A) chirale Binaphtholgruppen mittig des Strangs; B) chirale Binaphtholgruppen am Terminus des Strangs; C) angeknüpfte chirale polare Glymeketten; D) angeknüpfte chirale unpolare Alkylketten.
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Abbildung 2–5: Der Helixdrehsinn von Oligo(m-phenylenethinylen)en kann durch Wechselwirkungen mit einem chiralen Gast kontrolliert werden. Das Vorliegen einer rechts- oder linksdrehenden Helix sowie die Helixinversion lassen sich mit Hilfe der CD-Spektroskopie verfolgen.[54]
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Abbildung 2–6: A), B) Poly(alkylisocyanat)-Stränge mit chiralen Alkylketten (Deuteriumatom-Substituenten);[25] C) Chirales Oligomer mit einem 8-Amino-2-quinolincarbonylsäure-Rückgrat.[61]
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Abbildung 2–7: Ein über Licht und Wärme ansteuerbarer molekularer Motor, der den Helixdrehsinn des angebundenen Polymers kontrolliert.[62]
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Abbildung 2–8: Der solvophobe Effekt als Triebkraft der helikalen Faltung (am Beispiel von m-Phenylenethinylen-Oligomeren).
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Abbildung 2–9: Bevorzugte transoide Konformation des 2,2´-Bipyridins (oben), worauf aufbauend Lehn und Mitarbeiter helikale Strukturen wie zunächst helikale Oligo(pyridin-alt-pyrimidin)-Stränge generierten. Rechts unten die Kristallstruktur des 13mers mit n = 5 (N-Atome schwarz, C-Atome grau, Seitenketten-C-Atome hell-grau; H-Atome wurden der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt).[26]
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Abbildung 2–10: Illustration der Synthese helikal faltender Oligomere unter Verwendung von präorganisierten Bauelementen: Integration von Hydrazonfunktionalitäten (oben), Pyridazin- (mittig) und Naphthyridinringen (unten).
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Abbildung 2–11: Sequentielle Kettenverlängerung der Oligomere über die Kondensationsreaktion zu Hydrazoneinheiten. Unten abgebildet die Kristallstruktur eines Oligomers mit 11 aromatischen Ringen (grau: C-Atome, blau: N-Atome, hellgrau: H-Atome).[73,74]
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Abbildung 2–12: Der Einbau von para-verknüpften Pyridazinheterocyclen führt zu einer Aufweitung des Hohlraums in der Helix auf 9 Å (Model der Helix). Aufnahmen mit Hilfe der „Gefrierbruch-Elektronenmikroskopie“ in A) CH2Cl2 und B) Pyridin.[75]
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Abbildung 2–13: Häufig verwendete aromatische Amidfunktionalitäten auf Ar-CONH (links) und Ar-NHCO-Basis (rechts), die die Rotation entlang der Aryl-Amidbindung restriktieren.
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Abbildung 2–14: Über die Wahl der Konnektivitäten können Gong und Mitarbeiter den Helixdurchmesser und damit die Größe des Hohlraums steuern und bis auf über 50 Å vergrößern.[77]
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Abbildung 2–15: Helix mit einem Quinolinaminosäurerückgrat; Seitenansicht und Aufsicht der Röntgenkristallstruktur (grau: C-Atome, blau: N-Atome, rot: O-Atome, weiß: Amid-H-Atome; Isobutylseitenketten sind der Übersichtlichkeit wegen nicht gezeigt).[78,79]
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Abbildung 2–16: Kristallstruktur eines Oligoamids, in das Wassermoleküle in den polaren Hohlraum eingelagert sind (grau: C-Atome, blau: N-Atome, rot: O-Atome, weiß: H-Atome; Seitenketten sind der Übersichtlichkeit wegen nicht abgebildet).[80]
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Abbildung 2–17: 1,3-dipolare Cycloaddition nach Huisgen; oben: unkatalysiert verläuft sie nicht-regioselektiv, unten: Cu(I)-katalysiert wird regioselektiv das 1,4-Produkt erhalten.
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Abbildung 2–18: Die zunehmende Popularität der Klick-Reaktion spiegelt sich in der wachsenden Anzahl an Publikationen wider.
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Abbildung 2–19: Der postulierte Mechanismus der CuAAC basierend auf isolierten Intermediaten, kinetischen Untersuchungen sowie Kristallstrukturen.
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Abbildung 2–20: Synthese und Isolierung eines Kupfer(I)-triazolid-Komplexes.
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Abbildung 2–21: L-Ascorbinsäure und TCEP als milde Reduktionsmittel.
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Abbildung 2–22: In der Klick-Reaktion eingesetzte reaktionsbeschleunigende Liganden.
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Abbildung 2–23: Der Triazolring als Amidbindungsisoster.
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Abbildung 2–24: Verwendung der CuAAC für die effektive Makrocyclisierung.
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Abbildung 2–25: Schema der Bindungsmodi verschiedener Triazolat-Metall-Komplexe.
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Abbildung 2–26: Verschiedenste Triazol-basierte Liganden für die Katalyse: monodendater Triazolligand (A), „Clickphin“-Liganden (B), P-chirogener Triazol-Phosphin-Ligand (C), Pyrrolidon-Triazol-Ligand (D).
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Abbildung 2–27: Schema der Darstellung von CuAAC-basierten Pincer-Liganden sowie Kristallstruktur eines Pd-Komplexes (H-Atome nicht dargestellt).[138,139]
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Abbildung 2–28: Kristallstrukturen von Komplexen mit bidentaten 4,4´-Bi-1,2,3-Triazol-Liganden. [140,141]
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Abbildung 2–29: Darstellung von 1,4,5-trisubstituierten Triazolen ausgehend von Bromomagnesiumacetylenen.
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Abbildung 2–30: Synthese von triazol-basierten Carbenen und Kristallstruktur eines binuklearen Triazolyliden-Palladium-Komplexes.[144]
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Abbildung 2–31: Technetium und Rhenium-Komplexe für die Radiomarkierung.
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Abbildung 2–32: Unter Verwendung der CuAAC wird das Dendrimer der 3. Generation im letzten Kupplungsschritt in 92% Ausbeute erhalten.
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Abbildung 2–33: Nach dem Baukastenprinzip können strukturell verschiedenste Dendrimere durch Verwendung diverser AB2-Monomer- (oben), Endketten- (mittig) sowie B3-Kern-Bausteine (unten) generiert werden.
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Abbildung 2–34: a) Makrocyclen mit einem Peptid-Triazol-Rückgrat und b) deren Stapelung zu hohlen Tubuli im Kristall;[147] c) Kristallstruktur eines Bündels aus 4 α-Helices mit einem Triazolring im Rückgrat und d) Veranschaulichung der stabilisierenden H-Brücken.[148]
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Abbildung 2–35: Peptidmimetika aufgebaut über Triazolverknüpfungen. Die Dipolwechselwirkungen der Triazole resultieren in einer Zick-Zack-Struktur.[149]
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Abbildung 2–36: Über ATRP dargestellte Polymere wie hier am Beispiel des Styrols gezeigt können durch die Klick-Reaktion weiter modifiziert werden und so einen effektiven Zugang zu diversen Polymerarchitekturen ermöglichen.[98]
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Abbildung 2–37: Schema der Darstellungsmöglichkeiten von linearen Polymeren (A-C) und Polymernetzwerken (D).
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Abbildung 2–38: A2B2-Polymerisation für die Darstellung linearer Polymerstränge.
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Abbildung 2–39: Die CuAAC von polyvalenten Aziden und Alkinen führt zur Bildung eines Polymernetzwerks, das zudem über Kupferionen-Koordination stabilisiert wird und mit der Kupferoberfläche koordinativ so stark vernetzt ist, dass Metallplatten fest miteinander verklebt werden.
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Abbildung 2–40: A2B2-CuAAC-Polymerisation für die Darstellung von linearen Polymeren.
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Abbildung 2–41: Gut lösliches, thermisch stabiles Polymer mit Perfluorcyclobutyl- und PEG-Bausteinen im Polymerrückgrat.
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Abbildung 2–42: Das Monomer kann wahlweise über die Poly-CuAAC oder die Rhodium-katalysierte Kettenpolymerisation zu zwei unterschiedlichen Polymeren umgesetzt werden.
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Abbildung 2–43: a) Tridentate BTP-Liganden auf Triazolbasis und Kristallstruktur des Fe(II)(BTP)2
2+ -Komplexes;[155] b) Strukturformel eines Makrocyclus mit eingeschlossenem Chloridion und Model (HF/3-21G*);[157] c) Strukturformel des Phenyl-Triazol-Oligomers bestehend aus 9 aromatischen Ringen und zugehöriges Model des helikalen Cl– -Oligomer-Addukts (Macromol 7.0 Amber* force field).[33]
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Abbildung 4–1: Klick-Reaktion für die effiziente Synthese von präorganisierten Bausteinen deren Aneinanderreihung zu helikalen Architekturen führt.
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Abbildung 4–2: Retrosynthese des BTP-Gerüstes.
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Abbildung 4–3: Akzeptor- und donorsubstituierte 2,6-Diethynylpyridin-Derivate.
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Schema 4–1: Synthese des 2,6-Dichlorisonicotinsäureesters 5.
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Schema 4–2: Synthese von esterfunktionalisierten 2,6-Diethynylpyridins 1 und dessen TIPS-monogeschützten Derivats 9.
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Schema 4–3: Synthese von 2,6-Dibrom-4-nitropyridin 13 im 100 g Maßstab.
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Schema 4–4: Nucleophile Substitution am Aromaten und Nebenreaktion in DMF.
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Schema 4–5: Synthese des etherfunktionalisierten 2,6-Diethynylpyridins 2 und dessen TIPS-monogeschützten Derivats 19.
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Schema 4–6: Versuch der Synthese von Verbindung 1
9 mit n-BuLi und TIPS-Cl.
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Schema 4–7: Verlässliche Reaktion für die Darstellung von Arylaziden: Diazotierungsreaktion mit anschließender NaN3-Zugabe.
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Schema 4–8: Mechanistische Betrachtung der Bildung von Arylazid in der Diazotierungsreaktion.
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Schema 4–9: Kupfer(I)-katalysierte Kreuzkupplung für die Darstellung des Arylazids 26, links nach der Methodik von Liang
[27] und rechts nach Ma.[28]
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Abbildung 4–4: Synthese des unpolaren para-Decyloxyphenylazids 28.
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Schema 4–10: Versuch die BTP-Struktur 3
3 aus in situ gebildetem Arylazid 21 zu erhalten.
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Schema 4–11: Synthese des von Sharpless und Mitarbeitern entwickelten TBTA-Liganden 34.[9]
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Schema 4–12: Synthese der BTP-Verbindung 3
8 unter Nutzung des dargestellten Klick-Syntheseprotokolls.
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Abbildung 4–5: Roh-1H-NMR des BTP-Moleküls 3
8 nach der Aufarbeitung durch Extraktion.
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Schema 4–13: Die geringe Löslichkeit einiger BTP-Strukturen führt zu Problemen bei der vollständigen Umsetzung.
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Abbildung 4–6: 1H-NMR-Spektrum der BTP-Struktur 42 in CDCl3 bei Raumtemperatur nach säulenchromatographischer Aufreinigung.
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Schema 4–14: Synthese der unsymmetrisch substituierten BTP-Architektur 5
1.
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Abbildung 4–7: 1H-NMR der unsymmetrischen BTP-Verbindung 5
1.
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Abbildung 4–8: UV/vis-Spektrum der unsymmetrischen BTP Verbindung 5
1 bei mittlerer Konzentration (durchgezogene Kurve, optische Dichte von 2.1) und hoher Konzentration (gestrichelte Kurve, optische Dichte von 2.5 bei 330 nm) sowie die rot-orangene Farbe des Pulvers (Foto A). Im Kontrast: leicht gelbliche Farbe des Pulvers der BTP-Verbindung 47 (Foto B).
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Schema 4–15: Postfunktionalisierung der BTP-Strukturen 3
8 und 4
4 zur Synthese von potentiell schaltbaren dimeren Chromophoren 55 bzw. Amphiphilen 56 sowie BTP-basierten Acetylenen 52 und 53 (Tg = (CH2CH2O)3CH3).
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Schema 4–16: Die Sonogashira-Kupplung mit diesem Porphyrinbaustein 5
7 schlug fehl.
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Schema 4–17: Aus der Sonogashira-Kupplung von 38 mit 54 wurde auch das monogekuppelte Produkt 5
5a isoliert.
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Schema 4–18: Synthese des Porphyrinbausteins 5
4.
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Abbildung 4–9: Hufeisenförmige anti-anti-Vorzugskonformation der BTP-Struktur und strukturelle Schaltbarkeit in die syn-syn-Konformation via pH-Wert oder Metallionenkoordination.
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Abbildung 4–10: In dem Pyridin-Triazol-Modelsystem 60 wurde die relative Bildungswärme der Konformere in Abhängigkeit von dem Diederwinkel N1-C2-C3-N4 mit DFT und AM1 Kalkulationen ermittelt.
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Abbildung 4–11: NOE-NMR-Untersuchungen belegen das Vorliegen der anti-anti-Konformation der BTP-Struktur 46 in Lösung (CD2Cl2, 27 °C).
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Abbildung 4–12: NOE-NMR-Untersuchungen belegen das Vorliegen der anti-anti-Konformation der unsymmetrischen BTP-Struktur 5
1 in Lösung (CD2Cl2, 27 °C).
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Abbildung 4–13: Übereinanderlagerung der vier Kristallstrukturen 33, 40, 46 und 56; links: Aufsicht, rechts: Seitenansicht.
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Abbildung 4–14: NOE-NMR-Untersuchungen an der BTP-Verbindung 46 zeigen die Schaltbarkeit in die syn-syn-Konformation 61 durch Protonierung (1 Tropfen TFA, CD2Cl2, 27 °C).
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Abbildung 4–15: Struktur von Terpyridin 62 und weiterer pyridinzentrierter tridentater Liganden.
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Abbildung 4–16: Designkonzept von BTP-Liganden mit unterschiedlichen Substituenten am zentralen Pyridinring.
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Schema 4–19: Synthese des 2,6-Diethynylpyridins 71.
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Schema 4–20: Synthese des 2,6-Diethynylpyridins 72 mit Methylesterfunktionalität als Akzeptorsubstituent.
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Schema 4–21: Nucleophile Substitution am 2,6-Dibrom-4-nitropyridin 1
3.
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Schema 4–22: Synthese des donorsubstituierten 2,6-Diethynyl-4-(pyrrolidin-1-yl)pyridins 73.
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Schema 4–23: Klick-Reaktion zu den BTP-Liganden 68, 69 und 70.
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Abbildung 4–17: Auf- und Seitenansicht der Kristallstrukturen der drei elektronisch unterschiedlich substituierten BTP-Liganden 68, 6
9 und 70 (68 aus CH3CN, 69 aus Aceton, 70 aus CH3CN).
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Abbildung 4–18: Absorptionsänderung bei der Titration von Fe(BF4)2 zu der BTP-Verbindung 3
8 (CHCl3, 25 °C). Die Auftragung der Extinktionsdifferenzen ergibt einen linearen Zusammenhang (R = 0.99917).
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Schema 4–24: Darstellung des Eisen(II)-Komplexes 84.
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Abbildung 4–19: (a) Photographie der rot-braunen Kristalle [Fe(BTP-4
7)2](OTf)2 (84) (b) Molekülstruktur von 84 (c) Kristallstruktur von 84; auf die Darstellung der Wasserstoffatome und der Lösungsmittelmoleküle wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Ausgewählte Bindungslängen (Å) und Winkel (°): N1-Fe 1.913(4), N2-Fe 1.921(3), N3-Fe 1.945(3), N4-Fe 1.908(4), N5-Fe 1.937(4), N6-Fe 1.936(4); N1-Fe-N2 80.0(2), N1-Fe-N3 81.1(2), N1-Fe-N4 178.2(2), N1-Fe-N5 101.2(2), N1-Fe-N6 98.4(2), N2-Fe-N3 160.9(2), N2-Fe-N4 99.1(2), N2-Fe-N5 91.5(2), N2-Fe-N6 91.8(2), N3-Fe-N4 99.9(2), N3-Fe-N5 89.5(2), N3-Fe-N6 93.7(2), N4-Fe-N5 80.4(2), N4-Fe-N6 80.0(2), N5-Fe-N6 160.4(2).
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Abbildung 4–20: 1H-NMR des Eisen(II)-Komplexes [Fe(BTP-4
7)2](OTf)2 84 in CD3CN bei 27 °C.
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Abbildung 4–21: Bindungskonstanten und Enthalpien der Koordination verschiedener BTP-Derivate 40, 33, 41, 47, 45 und 48
an Fe(II) in Abhängigkeit von den Substituenten (rote Werte bzw. Balken: R1 = CO2Tg, graue Werte bzw. Balken: R2 = OTg; Tg = (CH2CH2O)3CH3).
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Abbildung 4–22: a) Kristallstruktur des Komplexes [Eu(BTP-4
5)3](OTf)3 87 (Wasserstoffatome, Anionen, und Lösungsmittelmoleküle sind der Übersichtlichkeit wegen weggelassen. OTf = Trifluoromethanesulfonat). b) Trigonal prismatische Koordination an das Eu(III)-Zentrum. Ausgewählte Bindungslängen (Å) und Winkel (°): N1-Eu 2.574(8), N2-Eu 2.531(8), N3-Eu 2.513(8), N4-Eu 2.598(8), N5-Eu 2.520(8), N6-Eu 2.514(8), N7-Eu 2.572(8), N8-Eu 2.507(8), N9-Eu 2.499(7); N1-Eu-N2 62.9(3), N1-Eu-N3 64.2(2), N1-Eu-N4 122.4(3), N1-Eu-N5 136.7(3), N1-Eu-N6 74.2(3), N1-Eu-N7 119.8(3), N1-Eu-N8 135.7(2), N1-Eu-N9 74.3(3), N2-Eu-N3 127.1(3), N2-Eu-N4 135.4(3), N2-Eu-N5 147.2(3), N2-Eu-N6 78.8(3), N2-Eu-N7 74.6(3), N2-Eu-N8 78.3(3), N2-Eu-N9 89.0(3), N3-Eu-N4 74.7(3), N3-Eu-N5 79.4(3), N3-Eu-N6 85.2(3), N3-Eu-N7 137.5(2), N3-Eu-N8 146.3(3), N3-Eu-N9 79.1(2), N4-Eu-N5 63.9(3), N4-Eu-N6 63.5(3), N4-Eu-N7 117.8(3), N4-Eu-N8 71.7(3), N4-Eu-N9 135.6(3), N5-Eu-N6 127.3(3), N5-Eu-N7 72.6(2), N5-Eu-N8 87.6(3), N5-Eu-N9 76.6(3), N6-Eu-N7 137.2(3), N6-Eu-N8 78.2(3), N6-Eu-N9 148.4(3), N7-Eu-N8 64.1(3), N7-Eu-N9 63.8(3), N8-Eu-N9 128.0(3).
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Abbildung 4–23: Eu(BTP-4
5)3(OTf)3 87 Komplex in Lösung (A) und im Kristall (B) unter Tageslicht farblos, bei Anregung mit UV-Licht von 254 nm Wellenlänge rot fluoreszierend in Lösung (C) und im Kristall (D).
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Abbildung 4–24: Vergleich der anti-anti-BTP-Konformation mit der syn-syn-Konformation anhand der Kristallstrukturen. Links ein Ausschnitt des Fe(II)-Komplexes 84, rechts die BTP-Verbindung 40 (grau: C-Atom bzw. H-Atom, rot: O-Atom, blau: N-Atom, gold: Fe(II)-Atom).
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Abbildung 5–1: Illustration der Untersuchung der Wechselwirkung des planaren BTP-Moleküls mit der Graphitoberfläche mit Hilfe der Rastertunnel-Mikroskopie (grau dargestellt: C-Atome, hellgrau: H-Atome, blau: N-Atome, rot: O-Atome).
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Abbildung 5–2: Der Einfluss der Substituenten R1 und R2 sowie die regioisomere Anbindung von R2 auf das Selbstorganisationsverhalten auf der Graphitoberfläche wird untersucht.
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Abbildung 5–3: Zunehmend polare BTP-Verbindungen durch ansteigende Polarität der Reste R1.
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Abbildung 5–4: BTP-Strukturen 88, 89, 90 mit gleichen Substituenten jedoch unterschiedlicher regioisomerer Anknüpfung.
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Abbildung 5–5: Die Adsorption verschiedener BTP-Strukturen an der Graphitoberfläche wurde in Abhängigkeit von den Substituenten am BTP-Gerüst untersucht. Von besonderem Interesse war der Einfluss der molekularen Schaltbarkeit von der anti-anti-Konformation (linke Seite, scheibenförmig) in die syn-syn-Konformation (rechte Seite, Rechteck) auf die Selbstorganisation auf der Oberfläche. Diese sollte stark von der Geometrie und Form der jeweiligen BTP-Verbindung abhängen.
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Abbildung 5–6: Retrosynthese der BTP-Strukturen mit verschiedenen Resten R1 und regioisomer angeknüpften n-Alkyloxyseitenketten O-nC10H21.
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Schema 5–1: Synthese der Arylazide mit regioisomer angeknüpften Decyloxyseitenketten.
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Schema 5–2: Synthese von 1,2,3-Trimethoxyphenyl-5-azid 98.
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Schema 5–3: Veresterung und Sonogashira-Kupplung zum 2,6-Di(ethynyl)pyridin-Derivat.
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Schema 5–4: Abspaltung der TIPS-Schutzgruppen zu Verbindung 10
1 mit TBAF.
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Schema 5–5: Klick-Reaktion zu der BTP-Verbindung 44 unter Verwendung des entwickelten Klick-Reaktions-Protokolls.
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Schema 5–6: Postfunktionalisierung in Form einer Verseifungsreaktion zur BTP-Carboxylsäure 56.
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Schema 5–7: Ligandenfreie Klick-Reaktion von stark unpolaren Substraten.
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Abbildung 5–7: 1H-NMR-Spektrum der BTP-Verbindung 88 in CDCl3 bei 27 °C.
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Abbildung 5–8: Mit dem konformationellen Schalten der Porphyrin-Pinzetten 54 auf BTP-Basis geht eine starke Geometrieänderung einher.
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Abbildung 5–9: a) STM-Abbildung der BTP-Verbindung 89 die durch Selbstorganisation eine Monoschicht mit schachbrettartigem Muster auf der HOPG-Oberfläche ausgebildet hat. b) hochaufgelöste STM-Abbildung der Monoschicht. Die BTP-Verbindungen 89 sind so angeordnet, dass sie Poren bilden. Diese sind mit zueinander parallel angeordneten Alkylketten aufgefüllt. c) Einheitszelle mit der abgebildeten Packung der BTP-Verbindungen, die in der hufeisenförmigen anti-anti-Konformation vorliegen (a = 5.4 ± 0.1 nm, b = 6.7 ± 0.1 nm, γ = 83 ± 1 °, A/mol = 4.45 ± 0.2 nm²). Vermessungsparameter: a) angelegte Spannung Ut = 800 mV, durchschnittlicher Tunnelstrom It = 8 pA. b) Ut = 700 mV, It = 10 pA.
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Abbildung 5–10: Größerer Ausschnitt einer STM-Abbildung (100x100nm²) der adsorbierten Monoschichten der BTP-Verbindung 89.
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Abbildung 5–11: a) STM-Abbildung der BTP-Verbindung 90 die durch Selbstorganisation eine Monoschicht mit lamellarem Muster auf der HOPG-Oberfläche ausgebildet hat. b) Vergrößerung der Monoschicht und Modell der Abbildung der BTP-Strukturen in der hufeisenförmigen Konformation. Die Ordnung der Alkylketten auf der Oberfläche ist nicht erkennbar. Vermessungsparameter: angelegte Spannung Ut = 800 mV, durchschnittlicher Tunnelstrom It = 8 pA.
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Abbildung 5–12: a) Die STM-Abbildung zeigt eine lamellare Struktur der BTP Moleküle 89
-syn
, die nach der Zugabe von Trifluoressigsäure in der gestreckten Konformation auf der HOPG-Oberfläche adsorbiert sind. b) hochaufgelöste STM-Abbildung der lamellaren Monoschicht. Die protonierten BTP-Verbindungen sind so angeordnet, dass die Alkylketten parallel zueinander aufgereiht sind. c) Die Einheitszelle mit den abgebildeten BTP-Strukturen spiegelt die gestreckte protonierte BTP-Konformation 89
-syn
wieder (a = 1.6 ± 0.1 nm, b = 4.0 ± 0.1 nm, γ = 97 ± 1 °, A/mol = 3.05 ± 0.2 nm²). Vermessungsparameter: a) Ut = 550 mV, It = 5 pA; b) Ut = 550 mV, It = 5 pA.
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Abbildung 5–13: Großdimensionale STM-Abbildung (100x100nm²) der aus einer TFA-sauren Lösung adsorbierten Monoschicht der BTP-Verbindung 89
-syn
.
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Abbildung 5–14: STM-Abbildungen der Umorganisation der BTP-Verbindung 89 zu 89
-syn
nach Zugabe von Trifluoressigsäure innerhalb eines Zeitrahmens von 4 Min. Die Protonierung hat eine molekulare Konformationsänderung zur Folge, die eine Umorganisation der Schicht von einem schachbrettartigen Muster zu der lamellaren Anordnung nach sich zieht. In den unaufgelösten Bereichen findet gerade die Umorganisation statt, auch können mobile Lösungsmittelmoleküle die Auflösung verschlechtern.
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Abbildung 5–15: a) Die STM-Abbildung zeigt eine lamellare Schichtanordnung der BTP 89
-syn
Moleküle, die durch die Koordination an Cu(I)-Ionen in der gestreckten Konformation auf der HOPG-Oberfläche adsorbiert sind. b) hochaufgelöste STM-Abbildung der lamellaren Monoschicht. Die protonierten BTP-Verbindungen sind so angeordnet, dass die Alkylketten parallel zueinander aufgereiht sind, helle Punkte stellen Metallionen dar. c) Einheitszelle bestehend aus koordinativ gestreckten BTP-Strukturen; Gegenionen sind weggelassen (a = 1.6 ± 0.1 nm, b = 4.0 ± 0.1 nm, γ = 98 ± 1 °, A/mol = 3.05 ± 0.2 nm²). Vermessungsparameter: a, b) Ut=300mV, It=10pA.
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Abbildung 5–16: 100x100nm² STM-Oberflächenabbildung die die Anordnung von adsorbierten Cu(BTP-89)+ Adukt- Monoschichten zeigt.
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Abbildung 5–17: Die zwei BTP-Strukturen 89 und 103 für die Untersuchung der Adsorption auf der HOPG-Oberfläche mit unterschiedlich langen Alkylketten an den Arylringen (farbig). Die gebildeten Schichten der linken BTP-Verbindung 89 sind in Abbildung 5–9 und Abbildung 5–10 dargestellt. Die Oberflächenmuster des BTPs 103 werden folgend beschrieben.
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Abbildung 5–18: a) STM-Abbildung der BTP-Verbindung 103 die durch Selbstorganisation eine Monoschicht mit rosettenartigem Muster auf der HOPG-Oberfläche ausgebildet hat. b) hochaufgelöste STM-Abbildung der Monoschicht. c) Einheitszelle mit der abgebildeten Packung der BTP-Verbindungen, die in der hufeisenförmigen Konformation vorliegen. Die Rosette besteht aus drei BTP-Verbindungen 103. (a = 5.4 ± 0.1 nm, b = 6.7 ± 0.1 nm, γ = 83 ± 1 °, A/mol = 4.45 ± 0.2 nm²). Vermessungsparameter: a) angelegte Spannung Ut = 800 mV, durchschnittlicher Tunnelstrom It = 8 pA. b) Ut = 700 mV, It = 10 pA.
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Abbildung 5–19: a) Die STM-Abbildung zeigt eine tetragonale Schichtstruktur der BTP-103
-syn
Moleküle, die nach der Zugabe von Trifluoressigsäure in der gestreckten Konformation auf der HOPG-Oberfläche adsorbiert sind. b) hochaufgelöste STM-Abbildung der Monoschicht. c) Die Einheitszelle mit den abgebildeten BTP-Strukturen spiegelt die gestreckte protonierte BTP-Konformation wieder (a = 1.6 ± 0.1 nm, b = 4.0 ± 0.1 nm, γ = 97 ± 1 °, A/mol = 3.05 ± 0.2 nm²). Die protonierten BTP-Verbindungen 103
-syn
sind so angeordnet, dass die Alkylketten parallel zueinander aufgereiht sind. Vermessungsparameter: a) Ut = 550 mV, It = 5 pA; b) Ut = 550 mV, It = 5 pA.
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Abbildung 5–20: STM-Bilderabfolge die die zeitliche Entwicklung der Umstrukturierung der Monolage nach der Protonierung von BTP 103 wiedergibt. Dargestellt ist der Zeitraum von 15 Minuten. Weiß umrandet sind die Domänen mit der rosettenähnlichen Packung. a) Bild direkt nach der Zugabe der TFA b) Nach 5 Min. c) Nach 10 Min. d) Nach 15 Min.. Die eingezeichnete Einheitszelle der 2D-Packung ist identisch mit der aus Abbildung 5–19. Messparameter: Ut = 500 mV, It = 10 pA.
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Abbildung 6–1: Drei auf dem 1,2,3-Triazolring basierende aromatische Oligomerenserien. Je höher der Anteil an Pyridinringen (Pyridin-N rot hervorgehoben) im Oligomerrückgrat, desto größer ist die helikale Präorganisation.
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Abbildung 6–2: Übergang von einem ungeordneten Knäuel zu einer geordneten kompakten helikalen Konformation.
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Abbildung 6–3: Oligomer mit 17 aromatischen Ringen der Oligomerensserie 105: Die Rotation entlang von vier meta-Phenylenbindungen führt zu der Ausbildung einer helikalen Konformation (Seitenketten sind der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt).
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Abbildung 6–4: Akzeptor- und Donorsubstituierte Oligomerenstränge mit einem Triazol-alt-Pyridin-alt-Triazol-alt-Phenyl-Rückgrat.
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Abbildung 6–5: Vier verschiedene Oligomerenstränge; je höher der Pyridinanteil im Oligomerenrückgrat, desto größer der Grad der Präorganisation und damit der Rigidität. Die Substituenten am Oligomerenrückgrat haben ebenfalls einen Einfluss auf das Faltungsverhalten.
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Schema 6–1: Schrittweise lineare Synthese des Oligomers 1
10 mit Hilfe der Klick-Reaktion.
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Schema 6–2: Das schrittweise bidirektionale Wachstum ermöglicht eine schnelle Synthese des Oligomerenstrangs 110.
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Schema 6–3: Repetitiver bidirektionaler Synthesecyclus für die effiziente Darstellung von Oligomeren unterschiedlicher Länge.
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Schema 6–4: Synthese des 3-Azidobenzoesäureesters 112.
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Schema 6–5: Synthese des chiralen Tetra(ethylenglycol)alkohols 125.
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Schema 6–6: Synthese des chiralen 3,5-Dinitrobenzoesäureesters 132.
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Schema 6–7: Synthese des chiralen 3,5-Diazidobenzoesäureesters 107 über die Diazotierungsreaktion.
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Schema 6–8: Synthese des 3,5-Diiodobenzoesäureesters 138.
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Schema 6–9: Sonogashira-Kreuzkupplung mit TIPS-Acetylen zu Verbindung 139.
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Schema 6–10: Darstellung der Verbindung 108 über zwei Synthesewege.
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Schema 6–11: Synthese der Klickamere 146 und 147 durch einen bidirektionalen Wachstumsprozess, bestehend aus sich wiederholenden Sequenzen von 1) Kupplung mit dem A’B-Monomer 142 in einer Klick-Reaktion und 2) Entschützung sowie nachfolgender Terminierung der Oligomerrückgratenden mit 112.
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Abbildung 6–6: 1H-NMR-Spektrum (CDCl3, 27 °C) des Oligomers 146 mit 9 aromatischen Ringen.
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Abbildung 6–7: 1H-NMR-Spektrum (CDCl3, 27 °C) des Oligomers 144 mit 13 aromatischen Ringen.
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Abbildung 6–8: GPC-Analyse des Klickamers 147 mit 17 aromatischen Ringen (THF, 27 °C, Standard: 2,6-Di-tert-butyl-4-methoxyphenol).
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Schema 6–12: Verwendung des bidirektionalen Wachstumsprozesses für die Synthese der Klickamere 148 und 149 sowie 118 und 110 der beiden Oligomerserien 104 und 105. Für die Klick-Reaktionen wurden zwei verschiedene Reaktionsprotokolle mit Dinatrium-Bathophenanthrolindisulfonat[37] oder N,N’-Dimethylethylendiamin (dmen) verwendet.
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Abbildung 6–9: Übereinandergelagerte GPC-Spektren (DMF, 70 °C, Standard: 2,6-Di-tert-butyl-4-methoxyphenol, RI-Detektion) der beiden Oligomerserien 104 und 105.
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Abbildung 6–10: AICD Berechnung des 3mers 155 der Oligomerenserie 104. Isofläche (links) und Isofläche mit Feldvektoren (rechts).
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Abbildung 6–11: Energie der gefalteten Oligomere als Funktion der Oligomerenlänge. A) der Oligomerserie 104; B) der Oligomerenserie 105. Darunter die Oligomerenstrukturen vom 3mer bis zum 9mer.
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Abbildung 6–12: Optimierte Strukturen der Oligomerenserien 104 (links) und 105 (rechts). Bei den 7meren 15
6 und 15
8 ist eine beginnende Überlappung zu erkennen während bei den 9meren 15
7 und 15
9 bereits eine Helixwindung vorliegt.
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Abbildung 6–13: Energie der Oligomere der entfalteten Oligomerserie 104 als Funktion der Länge.
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Abbildung 6–14: Gesamtenergie der Oligomere der Serie 104 in entfalteter und helikaler Konformation mit und ohne Kontinuummodell.
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Abbildung 6–15: Gesamtenergie als Funktion der Oligomerenlänge. Vergleich der helikal gefalteten Konformationen der Oligomerenserien 104 und 1
05 in der Gasphase und unter Einfluss der Solvenseffekte (Kontinuummodell).
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Abbildung 6–16: Optimierte Strukturen der 17mere 149 und 110 der Oligomerserie 104 (links) und der Oligomerserie 10
5 (rechts) in der Gasphase (Darstellung der Übersichtlichkeit wegen ohne Wasserstoffatome). Oben sind anhand von Strukturausschnitten die Bindungswinkel, Dipolmomente (rote gestrichelte Pfeile) und die intramolekulare Stapelung der Triazol-Phenyl- bzw. Triazol-Pyridin-Einheiten in der Helix illustriert.
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Abbildung 6–17: A) Oligomerenserie 105 mit Phenyl-alt-Triazol-alt-Pyridin-alt-Triazol-Rückgrat; B) Oligomerenserie 104 mit Phenyl-alt-Triazol-Rückgrat; oben: Seitenansicht 9mere, mittig: Seitenansicht 17mere; unten: Aufsicht 17mere (optimierte Modelle in der Gasphase, vgl. Abschnitt 6.3.2).
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Abbildung 6–18: UV/vis-Spektren der Klickamere 149, 1
10 und 14
7 (von oben nach unten) in Acetonitril (gestrichelte Kurven) sowie Acetonitril-Wassermischungen mit zunehmendem Wasseranteil. Links: UV/vis-Kurve maximaler Intensität wurde auf 1 normiert. Einschübe: hypochrome Bandenverschiebung. Rechts: auf 1 normierte UV/vis-Kurven. Einschübe: Wellenlängenverschiebung der Maxima, wobei bei 110 die Wellenlängenverschiebung bei der Intensität von 0.45 aufgetragen wurde. (149, 110: c = 8 · 10-6 mol/L; 147: c = 5 · 10-6 mol/L; 25 °C).
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Abbildung 6–19: CD-Spektren der drei Oligomere 149, 1
10 und 14
7 (von oben nach unten) mit 17 aromatischen Ringen in Acetonitril-Lösungen (gestrichelte Kurven) in denen der Wasseranteil schrittweise auf 80 Vol% erhöht wird (149, 110: c = 8 · 10-6 mol/L; 147: c = 5 · 10-6 mol/L; 25 °C).
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Abbildung 6–20: Fluoreszenz-Spektren der drei Klickamere 149, 1
10 und 14
7 (von oben nach unten) in Chloroform, Acetonitril sowie Acetonitril-Wassermischungen mit zunehmendem Wasseranteil. Rechts: Auftragung der normalisierten Fluoreszenzintensität in Abhängigkeit vom Wassergehalt. (147: c = 2 · 10-6 mol/L; 110, 149: c = 3 · 10-6 mol/L; 25 °C).
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Abbildung 6–21: Die Verdünnungsreihen der CD- und UV/vis-spektroskopischen Vermessung des Oligomers 149 in einem Lösungsmittelgemisch aus 6/4 Wasser/Acetonitril (25 °C). Beginnend bei einer Konzentration von 8 · 10-6 mol/L wurde die Konzentration schrittweise um 1 · 10-6 mol/L gesenkt. Oben: CD-Kurven sowie die Auftragung der Intensitäten bei 320 nm und 280 nm. Unten: UV/vis-Kurven sowie die Auftragung der Intensitäten bei 320 nm und 233 nm.
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Abbildung 6–22: Die Verdünnungsreihen der CD- und UV/vis-spektroskopischen Vermessung des Oligomers 110 Pyr ester in einem Lösungsmittelsgemisch aus 8/2 Wasser/Acetonitril (25 °C). Beginnend bei einer Konzentration von 8 · 10-6 mol/L wurde die Konzentration schrittweise um 1 · 10-6 mol/L gesenkt. Oben: CD-Kurven sowie die Auftragung der Intensitäten bei 346 nm und 257 nm. Unten: UV/vis-Kurven sowie die Auftragung der Intensitäten bei 381 nm und 392 nm.
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Abbildung 6–23: Die Verdünnungsreihen der CD- und UV/vis-spektroskopischen Vermessung des Oligomers 147 in einem Lösungsmittelsgemisch von 4/6 Acetonitril/Wasser (25 °C). Beginnend bei einer Konzentration von 7.75 · 10-6 mol/L wurde die Konzentration schrittweise gesenkt. Oben: CD-Kurven sowie die Auftragung der Intensität bei 320 nm. Unten: UV/vis-Kurven sowie die Auftragung der Intensität bei 220 nm.
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Abbildung 6–24: Mit steigendem CHCl3-Anteil in CH3CN kommt es zu einer Depopulation der helikalen Konformation des Oligomers 149 Phenyl (c = 8 · 10-6 mol/L, 25 °C).
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Abbildung 6–25: Temperaturabhängiges Faltungsverhalten der beiden Oligomere 149 und 110 untersucht mit Hilfe der CD-Spektroskopie. Oben: in einem Wasser-Acetonitril-Gemisch mit 60 Vol% Wasser; Unten: Auftragung der Elliptizität gegen die Temperatur bei Lösungsmittelgemischen zunehmender Polarität (c = 8 · 10-6 mol/L in allen Untersuchungen).
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Abbildung 6–26: Anomalie des temperaturabhängigen Faltungsverhaltens der beiden Oligomere 110 (oben) und 149 (unten) in einem Lösungsmittelgemisch von 80 Vol% Wasser in Acetonitril untersucht mit Hilfe der CD-Spektroskopie (c = 8 · 10-6 mol/L)
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Abbildung 6–27: CD-Kurven der Klickamere (9mer) 146 (rote Kurve; c = 1 · 10-5 mol/L) und 118 (schwarze Kurve; c = 1.6 · 10-5 mol/L) in Acetonitril mit 80 Vol% Wasseranteil (25 °C).
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Abbildung 6–28: Illustration der konformationellen Schaltbarkeit einzelner BTP-Einheiten des Oligomerenstrangs 110 bzw. 147, die mit der Auflösung der helikalen Konformation einhergehen (die Seitenketten sind der Übersichtlichkeit wegen nicht abgebildet).
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Abbildung 6–29: Optisches Ansprechverhalten des Klickamers 147 auf Halogenidionen: KF, KCl, KBr (unter neutralen pH-Bedingungen) und HCl (Konzentration des Oligomers: 8 ⋅ 10-6 M; Lösungsmittel: 75 Vol% Wasser in Acetonitril bei 25 °C).
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Abbildung 6–30: Inversion des Helixdrehsinns hervorgerufen durch einen achiralen Stimulus.
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Abbildung 6–31: CD Spektrum des Oligomers 147 (Konzentration: 8 ⋅ 10-6 M) und KBr (37.5 ⋅ 10-3 M) in Abwesenheit (schwarze Kurve) und Anwesenheit (rote Kurve) von 18-Krone-6 (112,5 ⋅ 10-3 M, 3-facher Überschuss bezüglich K+) in 75 Vol% Wasser in Acetonitril bei 25 °C.
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Abbildung 6–32: CD-Kurven (links) und UV/vis-Kurven (rechts) des Klickamers 110 in wässrigem Acetonitril (80 Vol% H2O) unter Wechselwirkung mit Chloridionen (0.075 M KCl). Die Kurven des reinen Klickamers 110 ohne Cl– sind gestrichelt dargestellt. Die Chloridionen-induzierte Aggregation hat eine allmähliche Zunahme der CD-Intensität zur Folge wie anhand der Pfeile verdeutlicht wird (c(110) = 8 · 10-6 M; c(Cl-) = 75 · 10-3 M, 25 °C).
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Schema 7–1: Synthese von Oligomersträngen mit einem Triazol-alt-Pyridin-Rückgrat unterschiedlicher Konnektivität (bei den Resten R1 und R2 handelt es sich um löslichkeitsvermittelnde Oligo(ethylenglycol)-Seitenketten).
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Schema 7–2: Verschiedene Synthesewege für die Darstellung von 2,6-Pyridindiaziden.
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Abbildung 7–1: Azid-Tetrazol-Tautomerie.
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Schema 7–3: Versuch der Synthese des 2,6-Pyridindiazids 16
8 bzw. dessen Tautomers 16
9 über die Diazotierungsreaktion von 2,6-Pyridindiamin 167 .
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Schema 7–4: Gescheiterte Kupfer(I)-katalysierte Kreuzkupplung zu 2,6-Diazidopyridin 168 und aufgelistete Nebenprodukte, die anhand der Masse in der GC-MS identifiziert wurden.
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Schema 7–5: Gescheiterte Kupfer(I)-katalysierte Kreuzkupplung zu den Aziden 173 und 174 unter verschiedenen Reaktionsbedingungen ausgehend von den 2,6-Dihalopyridinen 14 und 174.
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Schema 7–6: Versuch der i
n situ Generierung von 2,6-Pyridindiazid 173 mit anschließender Klick-Reaktion zum Produkt 177.
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Schema 7–7: Versuch der nucleophilen Substitution am elektronenarmen Pyridinderivat 5.
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Schema 7–8: Nucleophilen Substitution an dem N-Oxid 174. Neben einer Reihe von anderen Verbindungen konnte das 2,6-Pyridindiazid 179 nur in Spuren anhand der Masse in der HPLC-MS nachgewiesen werden.
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Schema 7–9: Stufenweise Umsetzung zu 2,4,6-Triazidodichloropyridin 182.[19]
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Abbildung 7–2: Syntheseschema der Darstellung eines 2,6-Diazidodichloropyridin-Derivats.
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Schema 7–10: Metallierung gefolgt von der Reaktion mit CO2 um zu Verbindung 184 zu gelangen.[22]
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Schema 7–11: Bildung des Esters nach Aktivierung der Carbonsäure mit Oxalylchlorid gefolgt von der nucleophilen Substitution mit NaN3.
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Abbildung 7–3: 13C-NMR-Spektrum (CDCl3, 27 °C) des Tetrachloropyridin-Esters 190 und die chemisch verschobenen Signale des entsprechend substituierten Produkts 192. Die Signale des in geringen Mengen vorliegenden meta-Regioisomers sind rot markiert (soweit auffindbar).
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Schema 7–12: Fehlgeschlagene Umsetzung in einer Klick-Reaktion zu den Triazolprodukten 193 und 194.
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Abbildung 7–4: Sterische Hinderung aufgrund der Azid-Tetrazol-Tautomerie sowie der benachbarten Chloratome.
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Schema 7–13: Synthese von Pyridin-2-aziden die im Gleichgewicht mit Tetrazolo[1,5-α]pyridin vorliegen.
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Schema 7–14: Synthesewege a) und b) der Darstellung von oligomeren oder polymeren Strängen mit dem gleichen Triazol-Pyridin-Rückgrat, jedoch unterschiedlicher Konnektivität.
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Schema 7–15: Überführung des 4-Carboxypyridin-N-oxids 195 in die Chlorverbindung 200.
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Schema 7–16: Reaktionsmechanismus der Umsetzung von 4-Carboxypyridin-N-oxid 195 mit Phosphorylchlorid zu 199.
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Schema 7–17: Veresterung der Carbonsäure 199 mit der chiralen Seitenkette 125 unter vollständigem Erhalt der S-Konfiguration.
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Schema 7–18: Sonogashira-Kreuzkupplung mit TIPS-Acetylen unter Pd(0)-Katalyse.
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Abbildung 7–5: 1H-NMR Spektrum der Verbindung 201 (CDCl3, 27 °C).
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Schema 7–19: Überführung der Verbindung 201 in das N-Oxid 202 mit mCPBA.
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Schema 7–20: Versuche, das N-Oxid 202 unter verschiedenen Reaktionsbedingungen in das Pyridin-2-azid 203 zu überführen. Dieses wäre anschließend durch Abspaltung der TIPS-Schutzgruppe mit TBAF weiter zu der Zielverbindung 163 umgesetzt worden.
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Schema 7–21: Versuch der Überführung der Verbindung 202 in 204 durch Reaktion mit POCl3.
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Schema 7–22: Veresterung des N-Oxids 195 mit dem Oligo(ethylenglycol)-Alkohol 6.
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Schema 7–23: Überführung des N-Oxids 206 in das Azid 196 mit DPPA.
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Schema 7–24: Darstellung der Zielverbindung 197 über die Klick-Reaktion bei 60 °C Reaktionstemperatur.
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Schema 7–25: Basische Verseifung des BPTPs 197 mit wässriger NaOH zu 207 gefolgt von der Veresterung mit Hexanol zu Verbindung 208.
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Abbildung 7–6: 1H-NMR-Spektrum der Verbindung 208 (CDCl3, 27 °C).
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Abbildung 7–7: Konformationell Kontrolle durch die Abstoßung der freien Elektronenpaare der N-Atome benachbarter Aromatenringe.
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Abbildung 8–1: (A2+B2)- sowie (AB)-Poly-Klick-Reaktionen für die Darstellung von Polymeren mit drei verschiedenen Rückgraten sowie unterschiedlicher Konnektivität (Seitenketten sind der Übersichtlichkeit wegen als R abgekürzt und an dieser Stelle nicht näher klassifiziert).
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Abbildung 8–2: Synthese von Polymeren über eine A2 + B2 -Klick-Polymerisation mit Phenyl-alt-Triazol- (104) und Phenyl-alt-Triazol-Pyridin-alt-Triazol-Rückgraten (105, 111), wobei letztere 4-Ether- oder 4-Ester-Funktionen an der 2,6-Diethynylpyridin-Komponente tragen.
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Abbildung 8–3: Polymerisationsreaktion zu 105 mit CuBr und TBTA in DMF bei Raumtemperatur.
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Abbildung 8–4: Das GPC-Spektrum der Rohsubstanz des Reaktionsansatzes G zu 105 zeigt eine breite Molmassenverteilung von über 51 sowie eine relative hohe gemittelte Molmasse Mw von 4.2 • 105 g/mol an (GPC-Meßbedingungen: DMF, 70 °C, grüne Kurven: Detektion über Brechungsindex (RI); rote Kurven: Detektion über UV/vis-Absorption bei 300 nm).
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Abbildung 8–5: GPC-Spektren der Poly-Klick-Reaktion G zu 105 nach Aufreinigung durch Säulenchromatographie. Eluent: I) CH2Cl2 + 0% MeOH; II) CH2Cl2 + 5% MeOH; III) CH2Cl2 + 15% MeOH (GPC-Meßbedingungen: DMF, 70 °C, grüne Kurven: Detektion über Brechungsindex (RI); rote Kurven: Detektion über UV/vis-Absorption bei 300 nm).
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Abbildung 8–6: Polymerisationsreaktion unter Mikrowellenbestrahlung (MW) mit 30 Watt gefolgt von 50 Watt.
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Abbildung 8–7: Reaktionsführung unter Mikrowellenbestrahlung bei 70 °C.
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Abbildung 8–8: GPC-Spektren des Polymerisationsatzes I. Links: Roh-Spektrum nach wässriger Aufarbeitung. Rechts: nach säulenchromatographischer Separation (Silika-Gel) mit CH2Cl2 im Sinne einer Größenausschluss-Trennung (GPC-Meßbedingungen: DMF, 70 °C, grüne Kurven: Detektion über Brechungsindex (RI); rote Kurven: Detektion über UV/vis-Absorption bei 300 nm).
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Abbildung 8–9: GPC-Spektren (Lösungsmittel DMF, vermessen bei 70 °C) der einzelnen Fraktionen der Poly-Klick-Reaktion I. Aufgereinigt wurde durch Säulenchromatographie im Sinne einer Quasi-Größenausschluss-Trennung mit folgenden Eluenten: I) CH2Cl2 + 2% MeOH; II) CH2Cl2 + 5% MeOH; III) CH2Cl2 + 8% MeOH; IV) CH2Cl2 + 10% MeOH; (GPC-Meßbedingungen: DMF, 70 °C, grüne Kurven: Detektion über Brechungsindex (RI); rote Kurven: Detektion über UV/vis-Absorption bei 300 nm).
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Abbildung 8–10: Poly-Klick-Reaktion mit CuBr und dmen bei 40 Watt Mikrowellenbestrahlung.
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Abbildung 8–11: GPC-Spektrum der Roh-Substanz der Poly-Klick-Reaktion F nach wässriger Aufreinigung (GPC-Meßbedingungen: DMF, 70 °C, Detektion über UV/vis-Absorption bei 300 nm).
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Abbildung 8–12: Die Poly-Klickreaktion der Monomere 140 und 107 führte zu der Bildung von gummiartigem, unlöslichem Polymer 104.
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Schema 8.3-1: A2 + B2 Klick-Polymerisation gefolgt von der Terminierung der Polymerenden.
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Abbildung 8–13: (a) UV/vis-Absorptionsspektren und (b) CD-Spektren des Polymers 111 in Acetonitril (schwarze Kurve), CHCl3 (rote Kurve), CH2Cl2 (blaue Kurve) und CHCl3 versetzt mit TFA (grüne Kurve).
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Abbildung 8–14: Illustration des Aufbrechens der helikalen Konformation durch Protonierung der BTP-Einheiten.
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Abbildung 8–15: (a) Acetonitril-Lösung des Polymers (b) viskoses Gel nach Zugabe der Fe(II)OTf2 –Acetonitril-Lösung.
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Abbildung 8–16: Die stabile helikale Konformation des Polymers 111 wird durch Koordination der integrierten BTP-Einheiten an Metallionen zunächst entfaltet (blaue Kugeln) und resultiert dann durch die kreuzverlinkende Koordination (rote Kugeln) in der Ausbildung von supramolekularen hochviskosen Gelen.
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Abbildung 8–17: UV/vis-Absorptionsspektren des Polymers 111 in Acetonitril (gestrichelte Kurve) und des Polymer-111-Fe(II)-Gels auf einer Quarz-Scheibe.
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