Design e sintesi di nuove sonde luminescenti per il "targeting" dell'avidina

Recent studies on the use of bio-conjugating organometallic probes report on the possibility to use biotinylated-derivatives to selectively coordinate to a specific protein, avidin. In the present thesis, the synthesis of four new bifunctional ligands is described. The ligands contain both a pyridine triazolic unit able to coordinate a transition metal, and a biotin fragment able to bond avidin: the two functionalities are linked together by an appropriate aromatic linker (amide or ester). The obtained ligands were then employed to form luminescent Ir(III) complexes, that have been fully characterized also by a photophysical point of view both in organic and in aqueous solvent. Therefore, titrations of solutions of avidin with aqueous solutions of Ir(III)-complexes have been performed in order to estimate the luminescence variations of the complexes in the presence or in the absence of bio-conjugation.

Modeling of complex chemical reactions and macromolecular orientation phenomena in confined geometries

The cooperative motion algorithm was applied on the molecular simulation of complex chemical reactions and macromolecular orientation phenomena in confined geometries. First, we investigated the case of equilibrium step-growth polymerization in lamellae, pores and droplets. In such systems, confinement was quantified as the area/volume ratio. Results showed that, as confinement increases, polymerization becomes slower and the average molecular weight (MW) at equilibrium decreases. This is caused by the sterical hindrance imposed by the walls since chain growth reactions in their close vicinity have less realization possibilities. For reactions inside droplets at surfaces, contact angles usually increased after polymerization to compensate conformation restrictions imposed by confinement upon growing chains. In a second investigation, we considered monodisperse and chemically inert chains and focused on the effect of confinement on chain orientation. Simulations of thin polymer films showed that chains are preferably oriented parallel to the surface. Orientation increases as MW increases or as film thickness d decreases, in qualitative agreement with experiments with low MW polystyrene. It is demonstrated that the orientation of simulated chains results from a size effect, being a function of the ratio between chain end-to-end distance and d. This study was complemented by experiments with thin films of pi-conjugated polymers like MEH-PPV. Anisotropic refractive index measurements were used to analyze chain orientation. With increasing MW, orientation is enhanced. However, for MEH-PPV, orientation does not depend on d even at thicknesses much larger than the chain contour length. This contradiction with simulations was discussed by considering additional causes for orientation, for instance the appearance of nematic-like ordering in polymer films. In another investigation, we simulated droplet evaporation at soluble surfaces and reproduced the formation of wells surrounded by ringlike deposits at the surface, as observed experimentally. In our simulations, swollen substrate particles migrate to the border of the droplet to minimize the contact between solvent and vacuum, which costs the most energy. Deposit formation in the beginning of evaporation results in pinning of the droplet. When polymer chains at the substrate surface have strong uniaxial orientation, the resulting pattern is no longer similar to a ring but to a pair of half-moons. In a final stage, as an extension for the model developed for polymerization in nanoreactors, we studied the effect of geometrical confinement on a hypothetical oscillating reaction following the mechanism of the so called periodically forced Brusselator. It was shown that a reaction which is chaotic in the bulk may be driven to periodicity by confinement and vice-versa, opening new perspectives for chaos control.

Chemical Production and Microelectronic Applications of Graphene and Nano-Graphene Derivatives

Graphene and graphenic derivatives have rapidly emerged as an extremely promising system for electronic, optical, thermal, and electromechanical applications. Several approaches have been developed to produce these materials (i.e. scotch tape, CVD, chemical and solvent exfoliation). In this work we report a chemical approach to produce graphene by reducing graphene oxide (GO) via thermal or electrical methods. A morphological and electrical characterization of these systems has been performed using different techniques such as SPM, SEM, TEM, Raman and XPS. Moreover, we studied the interaction between graphene derivates and organic molecules focusing on the following aspects: - improvement of optical contrast of graphene on different substrates for rapid monolayer identification1 - supramolecular interaction with organic molecules (i.e. thiophene, pyrene etc.)4 - covalent functionalization with optically active molecules2 - preparation and characterization of organic/graphene Field Effect Transistors3-5 Graphene chemistry can potentially allow seamless integration of graphene technology in organic electronics devices to improve device performance and develop new applications for graphene-based materials. [1] E. Treossi, M. Melucci, A. Liscio, M. Gazzano, P. Samorì, and V. Palermo, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 15576. [2] M. Melucci, E. Treossi, L. Ortolani, G. Giambastiani, V. Morandi, P. Klar, C. Casiraghi, P. Samorì, and V. Palermo, J. Mater. Chem., 2010, 20, 9052. [3] J.M. Mativetsky, E. Treossi, E. Orgiu, M. Melucci, G.P. Veronese, P. Samorì, and V. Palermo, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 14130. [4] A. Liscio, G.P. Veronese, E. Treossi, F. Suriano, F. Rossella, V. Bellani, R. Rizzoli, P. Samorì and V. Palermo, J. Mater. Chem., 2011, 21, 2924. [5] J.M. Mativetsky, A. Liscio, E. Treossi, E. Orgiu, A. Zanelli, P. Samorì , V. Palermo, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 14320

Untersuchung der DNA-bindenden Eigenschaften neuer Nukleobasen-gekoppelter Pyrrolcarboxamide, Combilexine und Hetaren[a]carbazol-Derivate: Validierung und Etablierung von in-vitro- und in-silico-Methoden

Da maligne Neoplasien durch Mutationen in Proto-Onko- und/oder Tumorsuppressorgenen ausgelöst werden, stellt die DNA eines der wichtigsten Targets für die Entwicklung neuer Zytostatika dar. Auch bei den im Arbeitskreis Pindur designten und synthetisier-ten Verbindungen der Nukleobasen-gekoppelten Pyrrolcarboxamid-, der Hetaren[a]carbazol- und der Combilexin-Reihe handelt es sich um DNA-Liganden mit potentiell antitumoraktiven Eigenschaf-ten. Die einen dualen Bindemodus aufweisenden Combilexine bestehen aus einem Interkalator (u. a. Naphthalimid, Acridon), der über einen Linker variabler Kettenlänge mit einer rinnenbin-denden, von Netropsin abgeleiteten Bispyrrol-, oder einer bioisosteren Imidazol-, Thiazol- oder Thiophen-pyrrolcarboxamid-struktur verknüpft ist. Das N-terminale Ende der Combilexine wird von einer N,N-Dimethylaminopropyl- oder -ethyl-Seitenkette gebildet. Die DNA-Affinitäten der Liganden wurden mittels Tm-Wert-Messung-en bestimmt. Diese Denaturierungsexperimente wurden sowohl mit poly(dAdT)2- als auch mit Thymus-DNA (~42% GC-Anteil) durchge-führt, um Aussagen zur Stärke und zur Sequenzselektivität der DNA-Bindung machen zu können. Des Weiteren wurden die Bindekon-stanten einiger ausgewählter Vertreter mit Hilfe des Ethidium-bromid-Verdrängungsassays ermittelt; einige Testverbindungen wurden zudem auf potentiell vorhandene, TOPO I-inhibierende Eigenschaften untersucht. Diese biochemischen und biophysika-lischen Tests wurden durch Molecular Modelling-Studien ergänzt, die die Berechnung von molekularen Eigenschaften, die Durch-führung von Konformerenanalysen und die Simulation von DNA-Ligand-Komplexen (Docking) umfassten. Durch Korrelation der in vitro-Befunde mit den in silico-Daten gelang es, vor allem für die Substanzklasse der Combilexine einige richtungweisende Struktur-Wirkungsbeziehungen aufzustellen. So konnte gezeigt werden, dass die Einführung eines Imidazol-Rings in die rinnen-bindende Hetaren-pyrrolcarboxamid-Struktur der Combilexine aufgrund der H-Brücken-Akzeptor-Funktion des sp2-hybridisierten N-Atoms eine Verschiebung der Sequenzselektivität der DNA-Bindung von AT- zu GC-reichen Arealen der DNA bedingt. Zudem erwies sich ein C3-Linker für die Verknüpfung des Naphthalimids mit dem rinnenbindenden Strukturelement als am besten geeignet, während bei den Acridon-Derivaten die Verbindungen mit einem N-terminalen Buttersäure-Linker die höchste DNA-Affinität aufwiesen. Dies ist sehr wahrscheinlich auf die im Vergleich zum Naphthalimid-Molekül geringere y-Achsen-Ausdehnung (bzgl. eines x/y-Koordinatensystems) des Acridons zurückzuführen. Die ermittelten Struktur-Wirkungsbeziehungen können dazu herangezogen werden, das rationale Design neuer DNA-Liganden mit potentiell stärkerer DNA-Bindung zu optimieren.

Synthese von optisch aktivem 9,14-Methylen-Lipoxin A 4

In der vorliegenden Arbeit wurde die Synthese von optisch aktivem 9,14-Methylen-Lipoxin A4 untersucht. Lipoxin A4 und seine Derivate leiten sich von der Arachidonsäurekaskade ab wie die Prostaglandine, Prostacycline, Thromboxana und Leucotriene. Alle diese Verbindungen sind biologisch aktive Eicosanoide, die aus 20 C-Atomen bestehen. Lipoxine können im Organismus auf verschiedenen Biosynthesewegen entstehen: über die Lipoxygenase sowie über die Zell-Zell-Wechselwirkungen. Untersuchungen ergaben, dass die Lipoxine selektive biologische Wirkungen zeigen, die eine wichtige Rolle vor allem in Entzündungsprozessen und Infektabwehr zeigen. Da aber diese Moleküle rasch isomerisieren, sind diese hohen Aktivitäten mit einer sehr geringen Stabilität gekoppelt. Aufgrund dieser Instabilität konnte die biologisch aktive Konformation des Lipoxin A4 am Rezeptor nicht eindeutig bestimmt werden. Zur besseren Untersuchung der Lipoxinrezeptor-Anordnung wurden deshalb stabile Analoga synthetisiert. Die biologische Aktivität des nach Nokami et al hergestellten Lipoxin A4-Analogons weicht sehr stark von der des Lipoxins ab. Angeregt durch diese Arbeiten wurde in der Arbeitsgruppe Nubbemeyer die Idee entwickelt, das konjugierte Tetraensystem des Lipoxin A4-Moleküls durch das Cycloheptatrien nachzuahmen. Die CH2-Gruppe bildet eine Brücke, die die Isomerisierung vom aktiven cis-Isomer zu den inaktiven trans-Isomeren verhindern soll. Mit diesem Cycloheptatriengerüst als Lipoxin A4-Analogon hoffen wir das Lipoxingerüst unwesentlich zu verändern und die damit verbundene biologische Aktivität zu erhalten. Die Synthese des 9,14-Methylen-LXA4 soll möglichst konvergent erfolgen, so dass gegebenenfalls auf Bausteine zurückgegriffen werden kann, deren Aufbau bereits optimiert wurde. Eine derartige Strategie ermöglicht darüber hinaus die Herstellung einer großen Zahl von weiteren potentiell interessanten Verbindungen ohne komplettes Umstellen der Synthese. Wichtige Reaktionen im Verlauf dieser Synthese sind: bei der Synthese des C8-C20-Bausteins: Friedel-Crafts-Acylierungen, Haloform-Reaktion, Veresterung mittels Standardmethoden, enantioselektive Reduktion mit dem chiralen CBS-Katalysator und Schutzgruppenoperation. bei der Synthese des C1-C7-Bausteins: ex-chiral-pool-Synthese aus 2-Desoxy-D-ribose, Wittig-Reaktion, Hydrierung mit Pd/C, Schutzgruppenoperation, Abspaltung von Schutzgruppen und Swern-Oxidation zum Aldehyd. Die Schlüsselreaktion der ganzen Synthese ist die Eintopf-Variante der Julia-Olefinierung nach Kocienski: selektiver Aufbau des trans-Olefins durch Verknüpfung der beiden Bausteine. Nach weiteren Schutzgruppenoperationen (und Öffnung des Valerolactons) wird der Methylester des 9,14-Lipoxin A4 erhalten, dessen biologische Aktivität zweifelsfrei bewiesen wurde.

Soil application of Meliaceae derivatives: effect on carbon and nitrogen dynamics in the soil-plant system

The effect of soil incorporation of 7 Meliaceae derivatives (6 commercial neem cakes and leaves of Melia azedarach L.) on C and N dynamics and on nutrient availability to micropropagated GF677 rootstock was investigated. In a first laboratory incubation experiment the derivatives showed different N mineralization dynamics, generally well predicted by their C:N ratio and only partly by their initial N concentration. All derivatives increased microbial biomass C, thus representing a source of C for the soil microbial population. Soil addition of all neem cakes (8 g kg-1) and melia leaves (16 g kg-1) had a positive effect on plant growth and increased root N uptake and leaf green colour of micropropagated plants of GF677. In addition, the neem cakes characterized by higher nutrient concentration increased P and K concentration in shoot and leaves 68 days after the amendment. In another experiment, soil incorporation of 15N labeled melia leaves (16 g kg-1) had no effect on the total amount of plant N, however the percentage of melia derived-N of treated plants ranged between 0.8% and 34% during the experiment. At the end of the growing season, about 7% of N added as melia leaves was recovered in plant, while 70% of it was still present in soil. Real C mineralization and the priming effect induced by the addition of the derivatives were quantified by a natural 13C abundance method. The real C mineralization of the derivatives ranged between 22% and 40% of added-C. All the derivatives studied induced a positive priming effect and, 144 days after the amendment, the amount of C primed corresponded to 26% of added-C, for all the derivatives. Despite this substantial priming effect, the C balance of the soil, 144 days after the amendment, always resulted positive.

Design, Synthesis and Characterization of N-Containing Organic Compounds

The needed of new intermediates/products for screening in the fields of drug discovery and material science is the driving force behind the development of new methodologies and technologies. Organic scaffolds are privileged targets for this scouting. Among them a priority place must be attributed to those including nitrogen functionalities in their scaffolds. It comes out that new methodologies, allowing the introduction of the nitrogen atom for the synthesis of an established target or for the curiosity driven researches, will always be welcome. The target of this PhD Thesis’ work is framed within this goal. Accordingly, Chapter 1 reports the preparation of new N-Heteroarylmethyl 3-carboxy-5-hydroxy piperidine scaffold, as potential and selective α-glucosidase inhibitors. The proposed reversible uncompetitive mechanism of inhibition makes them attractive as interesting candidate for drug development. Chapter 2 is more environmentally method-driven research. Eco-friendly studies on the synthesis of enantiomerically pure 1,4-dihydropyridines using “solid” ammonia (magnesium nitride) is reported via classical Hantzch method. Chapter 3 and Chapter 4 may be targeted as the core of the Thesis’s research work. Chapter 3 reports the studies addressed to the synthesis of N-containing heterocycles by using N-trialkylsilylimine/hetero-Diels–Alder (HAD) approach. New eco-friendly methodology as MAOS (Microwave Assisted Organic Synthesis) has been used as witness of our interest to a sustainable chemistry. Theoretical calculations were adopted to fully clarify the reaction mechanism. Chapter 4 is dedicated to picture the most recent studies performed on the application of N-Metallo-ketene imines (metallo= Si, Sn, Al), relatively new intermediates which are becoming very popular, in the preparation of highly functionalized N-containing derivatives, accordingly to the Thesis’ target. Derivatives obtained are designed in such a way that they could be of interest in the field of drug and new material chemistry.

Synthese potentieller Antitumorvakzine aus tumorassoziierten Glycopeptiden des Mucins MUC1 und Versuche zur Festphasensynthese von Oligosacchariden

Festphasenoligosaccharidsynthesen: Um den mit der Synthese der Saccharidbausteine verbundenen Zeitaufwand zu reduzieren, sollten festphasenunterstützte, leicht automatisierbare Strategien entwickelt werden. Für die Optimierungen ist es notwendig, über Analysetechniken zu verfügen, die eine quantitative Verfolgung des Reaktionsablaufes erlauben. Zur Bestimmung der Konzentration freier Hydroxylgruppen wurde hierbei eine einfache und effiziente Reaktionsabfolge gefunden, die eine UV-spektroskopische Analyse erlaubt. rnZur Verknüpfung zwischen Kohlenhydrat und polymerem Träger (Polystyrol, Tentagel) kamen der PTMSE-, ein p-Alkoxybenzyl- und zwei Alkylthioanker zum Einsatz. Die Bedingungen zur Anknüpfung der mit Carboxylgruppen ausgestatteten Anker über Amidbindungen an das Harz, zur Spaltung der Lävulinoylschutzgruppe, sowie zur reduktiven Öffnung der Benzylidenacetalschutzgruppe wurden optimiert, sodass sich diese Reaktionen nun in sehr hohen Ausbeuten am polymeren Träger durchführen lassen. rnSpeziell Glycosylierungsreaktionen zeigten jedoch erhebliche Kompatibilitätsprobleme mit der polymeren Matrix. Die Ausbeuten aller an der festen Phase durchgeführten Glycosylierungen lagen bei maximal 5 Prozent. rnGlycopeptidsynthesen: Einige Tumorzellen unterscheiden sich von gesunden Zellen durch ein verändertes Profil an Oberflächenglycoproteinen. So ist das membranständige Glycoprotein MUC1 in malignen Epithelzellen stark überexprimiert und zeigt infolge veränderter Aktivitäten mehrerer Glycosyltransferasen ein modifiziertes Glycosylierungsmuster. Diese tumorspezifischen Strukturveränderungen stellen einen interessanten Angriffspunkt zur Entwicklung von Antitumorvakzinen dar. Um zu potentiellen Impfstoffen zu gelangen, ist es jedoch nötig, die Immunogenität der selbst nur schwach immunogenen Glycopeptide durch Konjugation zu erhöhen. rnIm Rahmen dieser Arbeit sollten vollsynthetische Konjugate, auf Basis einer 16 Aminosäuren langen, tumorassoziierten Glycopeptidpartialstruktur aus dem MUC1, zur möglichen Verwendung als Antitumorvakzine synthetisiert werden. Die Darstellung erfolgte in einer automatisierten Festphasensynthese nach der Fmoc-Strategie. rnZur Steigerung der Immunogenität wurde das glycosylierte Hexadecapeptid über einen Spacer mit einem T-Zell-Epitop aus dem Tetanustoxoidprotein sowie mit einem Mitogen verknüpft. Zur Synthese des Mitogenkonjugates sind noch Optimierungen im Syntheseablauf und insbesondere bei der Reinigung notwendig. Die immunologische Evaluierung des MUC1-Tetanustoxin-Heterotopkonjugates als mögliches Antitumorvakzin ist geplant. rn

Regiocontrolled Synthesis of Pyrazole Derivatives Through 1,3-Dipolar Cycloaddition Reaction And Synthesis of Helicene-Thiourea based and Polymer Supported Soos's Catalyst for Asymmetric Synthesis

In first part we have developed a simple regiocontrolled protocol of 1,3-DC to get ring fused pyrazole derivatives. These pyrazole derivatives were synthesized using 1,3-DC between nitrile imine and various dipolarophiles such as alkynes, cyclic α,β-ketones, lactones, thiocatones and lactums. The reactions were found to be highly regiospecific. In second part we have discussed about helicene, its properties, synthesis and applications as asymmetric catalyst.Due to inherent chirality, herein we have made an attempt to synthesize the helicene-thiourea based catalyst for asymmetric catalysis. The synthesis involved formation of two key intermediates viz, bromo-phenanthrene 5 and a vinyl-naphthalene 10. The coupling of these two intermediates leads to formation of hexahelicene.

Extended donor and acceptor molecules for organic electronics

Die Untersuchung von halbleitenden Materialien auf der Basis von organischen Molekülen stellt ein Gebiet der angewandten Forschung an der Schwelle zur industriellen Nutzung dar. Geringes Gewicht und hohe mechanische Flexibilität ermöglichen völlig neue Produkte, die mit anorganischen Halbleitern nicht zu realisieren sind. Die Herstellung von Bauteilen wie Transistoren, Solarzellen oder Leuchtdioden aus organischen Materialien ist ein komplexes Gebiet, das einer Vielzahl von unterschiedlichen Optimierungen bedarf, um eine konkurrenzfähige Leistung zu erreichen. Die synthetische organische Chemie bietet vielfältige Möglichkeiten, mit maßgeschneiderten Lösungen zum Optimierungsprozess beizutragen. Zum einen können neue aktive Materialien hergestellt werden mit besserer Leistung und leichterer Verarbeitbarkeit. Zum anderen sind Substanzen zugänglich, die z.B. bei der Ladungsträgerinjektion hilfreich sein können.rnIn dieser Arbeit wurde an beiden dieser Fronten gearbeitet. Dabei lag die Entwicklungsstrategie darin, ausgedehnte π-konjugierte Moleküle herzustellen, die entweder besonders elektronenarme Akzeptoren oder elektronenreiche Donoren darstellen. Die genaue Kontrolle der elektronischen Niveaus stellt einen wichtigen Bestandteil dar, um niedrige elektrische Kontaktbarrieren zu Metallen zu erreichen und ausreichend stabile Materialien zu erreichen.rnDer erste Fokus der Arbeiten lag in der Funktionalisierung von Coronen. Dieser PAH stellt einen guten Kompromiss bezüglich seiner Größe dar: Er ist groß genug, um Diffusion in andere Schichten von Bauteilen zu vermeiden, aber nicht zu groß, um Verarbeitung durch Vakuumsublimation zu ermöglichen. Bislang sind praktisch keine Coronen-Derivate in der Literatur beschrieben, weshalb eine neue Synthese entwickelt werden musste, die die Einführung starker Donor- und Akzeptorfunktionalitäten erlaubt. Die photochemische Cyclodehydrierung von substituierten [2.2.2]paracyclophan-trienen stellte sich als hervorragende Möglichkeit heraus, dies zu bewerkstelligen. Es wurde eine Reihe von methoxy-substitutierten Coronenen mit unterschiedlicher Symmetrie hergestellt. Mittels optischer Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass Methoxygruppen wenig Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften von Coronen haben. Unter Spaltung der Methylether und anschließender Oxidation allerdings sind Coronenketone zugänglich, welche bis zu drei α-Diketongruppen besitzen. Diese Moleküle sind enorm starke Akzeptoren, was durch Cyclovoltammetrie und Vergleich zu anderen Akzeptoren eindrucksvoll gezeigt werden konnte. Die Sublimation dieses Akzeptors auf die Oberfläche von Metallen zeigt einen dramatischen Einfluss auf die Austrittsarbeit dieses Metalls, was zur Herstellung eines ohmschen Kontakts zu organischen Halbleitern von außerordentlichem Nutzen ist. rnDen zweiten Teil der Arbeit bilden Benzodithiophen enthaltende Polymere, die für den Einsatz als aktive Komponente in elektronischen Bauteilen entwickelt wurden. Nach systematischer Strukturoptimierung wurde ein Polymer enthalten, welches in einem Feldeffekt-Transistor auf Standard-Silizium-Substraten Ladungsträger-Mobilitäten über 0,1 cm2/Vs erreicht mit großer Reproduzierbarkeit und ausgezeichneter Transistor-Charakteristik. Es konnte gezeigt werden, dass die durch die Monomergeometrie erzeugte Kurvung des Polymers zu einem optimalen Kompromiss aus Löslichkeit und effektiver Packung darstellt. Auf für industrielle Anwendungen besonders interessanten polymer-basierten Substraten wurde eine noch erheblich bessere Leistung gezeigt. Auf einem PET-Substrat wurden Feldeffekt-Mobilitäten von 0,5 cm2/Vs gemessen mit überzeugenden Reproduzierbarkeit und Stabilität.rnDamit konnte in der Arbeit ein bedeutender Beitrag zur Weiterentwicklung von Materialien für den Einsatz in elektronischen Bauteilen geleistet werden. Die Substanzen versprechen noch erhebliches Potenzial nach intensiver Optimierung und wurden deshalb zum Patent angemeldet.rn

Nanoscopic studies of conjugated polymer blends by (electric) scanning probe microscopy

Conjugated polymers and conjugated polymer blends have attracted great interest due to their potential applications in biosensors and organic electronics. The sub-100 nm morphology of these materials is known to heavily influence their electromechanical properties and the performance of devices they are part of. Electromechanical properties include charge injection, transport, recombination, and trapping, the phase behavior and the mechanical robustness of polymers and blends. Electrical scanning probe microscopy techniques are ideal tools to measure simultaneously electric (conductivity and surface potential) and dielectric (dielectric constant) properties, surface morphology, and mechanical properties of thin films of conjugated polymers and their blends.rnIn this thesis, I first present a combined topography, Kelvin probe force microscopy (KPFM), and scanning conductive torsion mode microscopy (SCTMM) study on a gold/polystyrene model system. This system is a mimic for conjugated polymer blends where conductive domains (gold nanoparticles) are embedded in a non-conductive matrix (polystyrene film), like for polypyrrole:polystyrene sulfonate (PPy:PSS), and poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS). I controlled the nanoscale morphology of the model by varying the distribution of gold nanoparticles in the polystyrene films. I studied the influence of different morphologies on the surface potential measured by KPFM and on the conductivity measured by SCTMM. By the knowledge I gained from analyzing the data of the model system I was able to predict the nanostructure of a homemade PPy:PSS blend.rnThe morphologic, electric, and dielectric properties of water based conjugated polymer blends, e.g. PPy:PSS or PEDOT:PSS, are known to be influenced by their water content. These properties also influence the macroscopic performance when the polymer blends are employed in a device. In the second part I therefore present an in situ humidity-dependence study on PPy:PSS films spin-coated and drop-coated on hydrophobic highly ordered pyrolytic graphite substrates by KPFM. I additionally used a particular KPFM mode that detects the second harmonic electrostatic force. With this, I obtained images of dielectric constants of samples. Upon increasing relative humidity, the surface morphology and composition of the films changed. I also observed that relative humidity affected thermally unannealed and annealed PPy:PSS films differently. rnThe conductivity of a conjugated polymer may change once it is embedded in a non-conductive matrix, like for PPy embedded in PSS. To measure the conductivity of single conjugated polymer particles, in the third part, I present a direct method based on microscopic four-point probes. I started with metal core-shell and metal bulk particles as models, and measured their conductivities. The study could be extended to measure conductivity of single PPy particles (core-shell and bulk) with a diameter of a few micrometers.

Interplay of pi–pi stacking and hydrogen bonding in conjugated supramolecular systems studied by solid-state NMR

In this work supramolecular organic systems based on rigid pi-conjugated building blocks and flexible side chains were studied via solid-state NMR spectroscopy. Specifically, these studies focussed on phenylene ethynylene based macrocycles, polymer systems including polythiophenes, and rod-coil copolymers of oligo(p-benzamide) and poly(ethylene glycol). All systems were studied in terms of the local order and mobility. The central topic of this dissertation was to elucidate the role of the flexible side chains in interplay of different non-covalent interactions, like pi-pi-stacking and hydrogen bonding.Combining the results of this work, it can be concluded that the ratio of the rigid block and the attached alkyl side chains can be crucial for the design of an ordered pi-conjugated supramolecular system. Through alkyl side chains, it is also possible to introduce liquid-crystalline phases in the system, which can foster the local order of the system. Moreover in the studied system longer, unbranched alkyl side chains are better suited to stabilize the corresponding aggregation than shorter, branched ones.The combination of non-covalent interactions such as pi-pi-stacking and hydrogen bonding play an important role for structure formation. However, the effect of pi-pi-stacking interaction is much weaker than the effect of hydrogen bonding and is only observed in systems with a suitable local order. Hence, they are often not strong enough to control the local order. In contrast, hydrogen bonds predominantly influence the structural organization and packing. In comparison the size of the alkyl side chains is only of minor importance. The suppression of certain hydrogen bonds can lead to completely different structures and can induce a specific aggregation behavior. Thus, for the design of a supramolecular ordered system the presence of hydrogen bonding efficiently stabilizes the corresponding structure, but the ratio of hydrogen bond forming groups should be kept low to be able to influence the structure selectively.

Morphology and charge transport in conjugated polymers

To assist rational compound design of organic semiconductors, two problems need to be addressed. First, the material morphology has to be known at an atomistic level. Second, with the morphology at hand, an appropriate charge transport model needs to be developed in order to link charge carrier mobility to structure.rnrnThe former can be addressed by generating atomistic morphologies using molecular dynamics simulations. However, the accessible range of time- and length-scales is limited. To overcome these limitations, systematic coarse-graining methods can be used. In the first part of the thesis, the Versatile Object-oriented Toolkit for Coarse-graining Applications is introduced, which provides a platform for the implementation of coarse-graining methods. Tools to perform Boltzmann inversion, iterative Boltzmann inversion, inverse Monte Carlo, and force-matching are available and have been tested on a set of model systems (water, methanol, propane and a single hexane chain). Advantages and problems of each specific method are discussed.rnrnIn partially disordered systems, the second issue is closely connected to constructing appropriate diabatic states between which charge transfer occurs. In the second part of the thesis, the description initially used for small conjugated molecules is extended to conjugated polymers. Here, charge transport is modeled by introducing conjugated segments on which charge carriers are localized. Inter-chain transport is then treated within a high temperature non-adiabatic Marcus theory while an adiabatic rate expression is used for intra-chain transport. The charge dynamics is simulated using the kinetic Monte Carlo method.rnrnThe entire framework is finally employed to establish a relation between the morphology and the charge mobility of the neutral and doped states of polypyrrole, a conjugated polymer. It is shown that for short oligomers, charge carrier mobility is insensitive to the orientational molecular ordering and is determined by the threshold transfer integral which connects percolating clusters of molecules that form interconnected networks. The value of this transfer integral can be related to the radial distribution function. Hence, charge mobility is mainly determined by the local molecular packing and is independent of the global morphology, at least in such a non-crystalline state of a polymer.

Thin films of polythiophene: Linear and nonlinear optical characterization

Wir haben die linearen und nichtlinearen optischen Eigenschaften von dünnen Schichten und planaren Wellenleitern aus mehreren konjugierten Polymeren (MEH-PPV und P3AT) und Polymeren mit -Elektronen Systemen in der Seitenkette (PVK und PS) untersucht und verglichen. PVK und PS haben relativ kleine Werte des nichtlinearen Brechungsindex n2 bei 532 nm, nämlich (1,2 ± 0,5)10-14 cm2/W und (2,6 ± 0,5) 10-14 cm2/W.rnWir haben die linearen optischen Konstanten von mehreren P3ATs untersucht, insbesondere den Einfluss der Regioregularität und Kettenlänge der Alkylsubstituenten. Wir haben das am besten geeignete Polymere für Wellenleiter Anwendungen identifiziert, welches P3BT-ra genannt ist. Wir haben die linearen optischen Eigenschaften dünner Schichten des P3BT-ra untersucht, die mit Spincoating aus verschiedenen Lösungsmitteln mit unterschiedlichen Siedetemperaturen präparieret wurden. Wir haben festgestellt, dass P3BT-ra Filme aus Toluol-Lösungen die am besten geeigneten Wellenleiter für die intensitätsabhängigen Prismen-Kopplungs Experimente sind, weil diese geringe Wellenleiterdämpfungsverluste bei = 1064 nm haben. rnWir haben die Dispersionen des Wellenleiterdämfungsverlustes gw, des nichtlinearen Brechungsindex n2 und des nichtlinearen Absorptionskoeffizienten 2 von Wellenleitern aus P3BT-ra im Bereich von 700 - 1500 nm gemessen. Wir haben große Werte des nichtlinearen Brechungsindex bis 1,5x10-13 cm2/W bei 1150 nm beobachtet. Wir haben gefunden, dass die Gütenkriterien (“figures of merit“) für rein optische Schalter im Wellenlängebereich 1050 - 1200 nm erfüllt sind. Dieser Bereich entspricht dem niederenergetischen Ausläufer der Zwei-Photonen-Absorption. Die Gütekriterien von P3BT-ra gehören zu den besten der bisher bekannten Werte von konjugierten Polymeren.rnWir haben gefunden, dass P3BT-ra ein vielversprechender Kandidat für integriert-optische Schalter ist, weil es eine gute Kombination aus großer Nichtlinearität dritter Ordnung, geringen Wellenleiterdämpfungverlusten und ausreichender Photostabilität zeigt. rnWir haben einen Vergleich der gemessenen Dispersion von gw, n2 und 2 mit der Theorie durchgeführt. Durch Kurvenanpassung der Dispersion von gw haben wir gefunden, dass Rayleigh-Streuung der dominierende Dämpfungsmechanismus in MEH-PPV und P3BT-ra Wellenleitern ist. Ein quantenmechanischer Ansatz wurde zur Berechnung der nichtlinearen Suszeptibilität dritter Ordnung (3) verwendet, um die gemessenen Spektren von n2 und 2 von P3BT-ra und MEH-PPV zu simulieren. Dies kann erklären, dass sättigbare Absorption und Zwei-Photonen Absorption die hauptsächlichen Effekte sind, welche die Dispersion von n2 und 2 verursachen. rn

Investigation of the lithium ion mobility in cyclic model compounds and their ion conducting properties

Efficient energy storage and conversion is playing a key role in overcoming the present and future challenges in energy supply. Batteries provide portable, electrochemical storage of green energy sources and potentially allow for a reduction of the dependence on fossil fuels, which is of great importance with respect to the issue of global warming. In view of both, energy density and energy drain, rechargeable lithium ion batteries outperform other present accumulator systems. However, despite great efforts over the last decades, the ideal electrolyte in terms of key characteristics such as capacity, cycle life, and most important reliable safety, has not yet been identified. rnrnSteps ahead in lithium ion battery technology require a fundamental understanding of lithium ion transport, salt association, and ion solvation within the electrolyte. Indeed, well-defined model compounds allow for systematic studies of molecular ion transport. Thus, in the present work, based on the concept of ‘immobilizing’ ion solvents, three main series with a cyclotriphosphazene (CTP), hexaphenylbenzene (HBP), and tetramethylcyclotetrasiloxane (TMS) scaffold were prepared. Lithium ion solvents, among others ethylene carbonate (EC), which has proven to fulfill together with pro-pylene carbonate safety and market concerns in commercial lithium ion batteries, were attached to the different cores via alkyl spacers of variable length.rnrnAll model compounds were fully characterized, pure and thermally stable up to at least 235 °C, covering the requested broad range of glass transition temperatures from -78.1 °C up to +6.2 °C. While the CTP models tend to rearrange at elevated temperatures over time, which questions the general stability of alkoxide related (poly)phosphazenes, both, the HPB and CTP based models show no evidence of core stacking. In particular the CTP derivatives represent good solvents for various lithium salts, exhibiting no significant differences in the ionic conductivity σ_dc and thus indicating comparable salt dissociation and rather independent motion of cations and ions.rnrnIn general, temperature-dependent bulk ionic conductivities investigated via impedance spectroscopy follow a William-Landel-Ferry (WLF) type behavior. Modifications of the alkyl spacer length were shown to influence ionic conductivities only in combination to changes in glass transition temperatures. Though the glass transition temperatures of the blends are low, their conductivities are only in the range of typical polymer electrolytes. The highest σ_dc obtained at ambient temperatures was 6.0 x 10-6 S•cm-1, strongly suggesting a rather tight coordination of the lithium ions to the solvating 2-oxo-1,3-dioxolane moieties, supported by the increased σ_dc values for the oligo(ethylene oxide) based analogues.rnrnFurther insights into the mechanism of lithium ion dynamics were derived from 7Li and 13C Solid- State NMR investigations. While localized ion motion was probed by i.e. 7Li spin-lattice relaxation measurements with apparent activation energies E_a of 20 to 40 kJ/mol, long-range macroscopic transport was monitored by Pulsed-Field Gradient (PFG) NMR, providing an E_a of 61 kJ/mol. The latter is in good agreement with the values determined from bulk conductivity data, indicating the major contribution of ion transport was only detected by PFG NMR. However, the μm-diffusion is rather slow, emphasizing the strong lithium coordination to the carbonyl oxygens, which hampers sufficient ion conductivities and suggests exploring ‘softer’ solvating moieties in future electrolytes.rn