Azoporphyrin : the porphyrin analogue of azobenzene

Azobenzenes (1,2-diaryldiazenes) are very important organic pigments, and they have a unique place in the field of photoresponsive conjugated molecules due to their (usually) reversible E/Z photoisomerisation. The current intense interest in molecular analogues of mechanical components and information storage and processing elements has stimulated research into conjugated molecules whose shape and/or optical properties can be switched electro- or photochemically. Among the classes of conjugated pigments being explored in these contexts are the porphyrinoids, which offer advantages of intense light absorption, a variety of accessible oxidation states, and synthetic control of properties through peripheral or central substitution. Extension of porphyrinoid conjugation can be achieved by linking the peripheral carbons either by three direct bonds (as in the “porphyrin tapes” of Osuka et al.) or through potentially conjugating bridges such as alkenes or, even better, alkynes.

运用含有偶氮苯的自组装单层膜在光化学条件下可逆地控制细胞黏附

细胞生物学研究的一个重要方向是动态地控制细胞在基底上的黏附。最近，随着表面化学的研究深入，尤其是对烷基硫醇在金基底上形成自组装单层膜（self-assembled monolayers, SAMs）这一体系的研究，使得人们能在分子水平的表面上控制细胞黏附。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（arginine-glycine-aspartate, RGD）序列首先是从细胞外基质蛋白中分离出来的，能够识别并非共价结合细胞膜表面的整合素受体，从而促进细胞黏附。以前的一些工作已经证实，将含有RGD的肽链连接到SAMs表面之后，能够生物特异性地黏附动物细胞。已有的手段比如光照、电压、加热、微电极、微流控以及表面纳米形貌的梯度变化，都不能真正实现可逆地控制细胞黏附，原因是这些方法所用的化学有限；这些方法也不能得到完全抗拒细胞黏附的表面，原因是这些方法产生的表面缺陷等不完整。用两种不同波长的光（紫外光和可见光）照射偶氮苯，偶氮苯会发生可逆的光致异构变化，因此，偶氮苯的光致异构性质可以用来可逆地控制细胞在表面黏附。运用含有偶氮苯的混合SAMs，偶氮苯的末端连接GRGDS肽，混合SAMs中是以末端为六聚乙二醇的硫醇为背景，该SAMs修饰而成的表面能够黏附或者抗拒细胞黏附，其表面黏附性质取决于SAMs中偶氮苯的构象。该方法提供了一种在分子水平的表面上我们所了解到的唯一能可逆控制细胞黏附的方法，该方法需要用到的光源来自于标准荧光显微镜所配置的汞灯。 为了实现在金基底表面可逆的控制细胞黏附，我们合成了如下三个化合物： 由于化合物1的溶解性很差，几乎在所有溶剂里都不溶，所以不能直接用化合物1制备SAMs；化合物2能高效地抗拒细胞的黏附；化合物3的偶氮苯末端是活化酯，能够连接GRGDS肽，从而控制细胞黏附。 将化合物2和化合物3以一定的比例均匀混合在金基底表面形成SAMs，然后将GRGDS肽连接到偶氮苯(反式)的末端（通过GRGDS肽的甘氨酸上的伯胺基与偶氮苯末端的活化酯反应），从而得到细胞黏附的表面。用紫外光照射该细胞黏附表面5-10小时，随着偶氮苯的构象由反式变为顺式，偶氮苯末端的GRGDS肽淹没在化合物2的六聚乙二醇中，得到抗拒细胞黏附的惰性表面。再用可见光照射该惰性表面1个小时，随着偶氮苯的构象由顺式变为反式，原先埋没在六聚乙二醇中的GRGDS肽伸展至单层膜的末端，又得到了细胞黏附的表面。因此，该表面能完全可逆地控制细胞在金表面黏附。 An important area in cell biology is the dynamic control of cell adhesion on substrates. Recent advancements in surface chemistry, in particular, self-assembled monolayers (SAMs) of alkanethiols on gold substrates, have permitted unprecedented control of cell adhesion via molecularly defined surfaces. The tri-peptide sequence arginine-glycine-aspartate (RGD), initially isolated from the extracellular matrix (ECM) proteins, can recognize and non-covalently bind with integrin receptors on cell membranes to promote cell adhesion. Some previous work has demonstrated that RGD peptide grafted on SAMs can allow bio-specific adhesion of mammalian cells that mimic natural adhesion. Existing technologies such as light, voltage, heat, microelectrodes, microfluidic systems and surface gradient of nanotopography, either cannot realize fully reversible control of cell adhesion, due to the limitation in the chemistry used, or cannot yield a surface completely resistant against cell adhesion, due to the imperfection of surfaces. Azobenzenes undergo reversible photo-induced isomerization rapidly at two different wavelengths of light (UV and visible light), it therefore potentially allows the reversible control of cell adhesion on a surface. By using a mixed SAMs presenting azobenzene groups terminated in GRGDS peptides in a background of hexa(ethylene glycol) groups, the surface can either accommodate or resist cell adhesion depending on the conformation of the azobenzene embedded in SAMs. This method provides the only means we know to control cell adhesion reversibly on a molecularly well-defined surface by using light generated by a mercury lamp equipped on standard fluorescence microscopes. To realize the reversible control of cell adhesion on gold surface, we synthesized three kinds of compounds as following, We found that it was difficult to obtain SAMs directly from compound 1 because of its poor solubility in almost all kinds of solvents; compound 2 can resist cell adhesion efficiently; compound 3 presents an azobenzene terminated with NHS-activated ester, which can couple with a GRGDS peptide to control cell adhesion. After coating a gold surface with compound 2 and 3 in appropriate ratios to form a SAM followed by coupling the GRGDS peptides with NHS-activated esters at the end of azobenzene (E configuration) resulted in a cell-adhesive SAM. Irradiating this cell-adhesive SAM with UV light for 5-10 h converted the E configuration of azobenzene into the Z form, the GRGDS peptides becoming masked in the PEG, resulting in a cell-resistant surface. These SAM could again support cell adhesion as a result of the conformational switch of azobenzene from Z to E with the irradiation of visible light for 1 h. This surface, therefore, allows completely reversible control of cell adhesion on a gold surface.

Reversible Photocontrol of Deoxyribozyme-Catalyzed RNA Cleavage under Multiple-Turnover Conditions

Lights, camera, action! Photoswitchable nucleoside analogues containing o-, m-, or p-azobenzenes can be inserted in the catalytic core of RNA-cleaving 10-23 deoxyribozymes by replacing a nonconserved residue (see picture). Irradiation of the modified deoxyribozymes at 366 nm enhances RNA cleavage rates up to ninefold, thus achieving the rates observed for the unmodified deoxyribozyme.

Nucleoside Azide-Alkyne Cycloaddition Reactions Under Solvothermal Conditions or Using Copper Vials in a Ball Mill

Novel nucleoside analogues containing photoswitchable moieties were prepared using 'click' cycloaddition reactions between 5 '-azido-5 '-deoxythymidine and mono- or bis-N-propargylamide-substituted azobenzenes. In solution, high to quantitative yields were achieved using 5mol% Cu(I) in the presence of a stabilizing ligand. 'Click' reactions using the monopropargylamides were also effected in the absence of added cuprous salts by the application of liquid assisted grinding (LAG) in metallic copper reaction vials. Specifically, high speed vibration ball milling (HSVBM) using a 3/32('') (2.38mm) diameter copper ball (62mg) at 60Hz overnight in the presence of ethyl acetate lead to complete consumption of the 5 '-azido nucleoside with clean conversion to the corresponding 1,3-triazole.

Electrospinning and characterization of supramolecular poly(4-vinyl pyridine)-small molecule complexes

La chimie supramoléculaire est basée sur l'assemblage non covalent de blocs simples, des petites molécules aux polymères, pour synthétiser des matériaux fonctionnels ou complexes. La poly(4-vinylpyridine) (P4VP) est l'une des composantes supramoléculaires les plus utilisées en raison de sa chaîne latérale composée d’une pyridine pouvant interagir avec de nombreuses espèces, telles que les petites molécules monofonctionnelles et bifonctionnelles, grâce à divers types d'interactions. Dans cette thèse, des assemblages supramoléculaires de P4VP interagissant par liaisons hydrogène avec de petites molécules sont étudiés, en ayant comme objectifs de faciliter l'électrofilage de polymères et de mieux comprendre et d'optimiser la photoréponse des matériaux contenant des dérivés d'azobenzène. Une nouvelle approche est proposée afin d'élargir l'applicabilité de l'électrofilage, une technique courante pour produire des nanofibres. À cet effet, un complexe entre la P4VP et un agent de réticulation bifonctionnel capable de former deux liaisons hydrogène, le 4,4'-biphénol (BiOH), a été préparé pour faciliter le processus d’électrofilage des solutions de P4VP. Pour mieux comprendre ce complexe, une nouvelle méthode de spectroscopie infrarouge (IR) a d'abord été développée pour quantifier l'étendue de la complexation. Elle permet de déterminer un paramètre clé, le rapport du coefficient d'absorption d'une paire de bandes attribuées aux groupements pyridines libres et liées par liaisons hydrogène, en utilisant la 4-éthylpyridine comme composé modèle à l’état liquide. Cette méthode a été appliquée à de nombreux complexes de P4VP impliquant des liaisons hydrogène et devrait être généralement applicable à d'autres complexes polymères. La microscopie électronique à balayage (SEM) a révélé l'effet significatif du BiOH sur la facilité du processus d’électrofilage de P4VP de masses molaires élevées et faibles. La concentration minimale pour former des fibres présentant des perles diminue dans le N, N'-diméthylformamide (DMF) et diminue encore plus lorsque le nitrométhane, un mauvais solvant pour la P4VP et un non-solvant pour le BiOH, est ajouté pour diminuer l'effet de rupture des liaisons hydrogène causé par le DMF. Les liaisons hydrogène dans les solutions et les fibres de P4VP-BiOH ont été quantifiées par spectroscopie IR et les résultats de rhéologie ont démontré la capacité de points de réticulation effectifs, analogues aux enchevêtrements physiques, à augmenter la viscoélasticité de solutions de P4VP pour mieux résister à la formation de gouttelettes. Cette réticulation effective fonctionne en raison d'interactions entre le BiOH bifonctionnel et deux chaînes de P4VP, et entre les groupements hydroxyles du BiOH complexé de manière monofonctionnelle. Des études sur d’autres agents de réticulation de faible masse molaire ont montré que la plus forte réticulation effective est introduite par des groupes d’acide carboxylique et des ions de zinc (II) qui facilitent le processus d’électrofilage par rapport aux groupements hydroxyles du BiOH. De plus, la sublimation est efficace pour éliminer le BiOH contenu dans les fibres sans affecter leur morphologie, fournissant ainsi une méthode élégante pour préparer des fibres de polymères purs dont le processus d’électrofilage est habituellement difficile. Deux complexes entre la P4VP et des azobenzènes photoactifs portant le même groupement tête hydroxyle et différents groupes queue, soit cyano (ACN) ou hydrogène (AH), ont été étudiés par spectroscopie infrarouge d’absorbance structurale par modulation de la polarisation (PM-IRSAS) pour évaluer l'impact des groupements queue sur leur performance lors de l'irradiation avec de la lumière polarisée linéairement. Nous avons constaté que ACN mène à la photo-orientation des chaînes latérales de la P4VP et des azobenzènes, tandis que AH mène seulement à une orientation plus faible des chromophores. La photo-orientation des azobenzènes diminue pour les complexes avec une teneur croissante en chromophore, mais l'orientation de la P4VP augmente. D'autre part, l'orientation résiduelle après la relaxation thermique augmente avec la teneur en ACN, à la fois pour le ACN et la P4VP, mais la tendance opposée est constatée pour AH. Ces différences suggèrent que le moment dipolaire a un impact sur la diffusion rotationnelle des chromophores. Ces résultats contribueront à orienter la conception de matériaux polymères contenant des azobenzène efficaces.

Synthese von Azobenzolderivaten zur Darstellung photoschaltbarer, selbstorganisierter Monolagen

Im Vordergrund dieser Arbeit stehen die Synthesen des Azobenzol-4-trichlorsilans sowie des Bis(4-azobenzol)disulfids, ausgehend von einfachen und kommerziell erhältlichen Verbindungen. Moleküle, aus denen sich diese Verbindungen synthetisieren lassen, sind die Iodderivate des Azobenzols, welche über die Kondensation von Benzolaminen (Anilinen) und Nitrosobenzolen dargestellt wurden, aber auch über die altbewährte Azokupplung. Insgesamt wurden 19 neue Azobenzolderivate, das neue [(4-Aminophenyl)ethinyl]ferrocen und das neue Bis[4-(4'-bromazobenzol)]disulfid synthetisiert und charakterisiert. Außerdem wurden 13 neue Kristallstrukturen erzeugt. Mit den synthetisierten Molekülen wurden Substrat-Adsorbat-Systeme gebildet. Als Substrate wurden oberflächenoxidiertes Silizium und Gold gewählt. Die Präparation dieser sogennanten selbstorganisierten Monolagen (SAMs) bzw. der kovalent gebundenen Monolagen im Falle der Trichlorsilylderivate (CAMs) wurde eingehend studiert. Das Azobenzol wurde als photoschaltbare Einheit gewählt, da es bereits Kern zahlreicher Untersuchungen war und als solcher als guter und zuverlässiger Baustein für reversible photoschaltbare Systeme etabliert ist. Zur Charakterisierung Schichten und zur Untersuchung ihres photoresponsiven Verhaltens sowie sowie zur Untersuchung der Schichtbildung selbst wurden mehrere physikalische Messmethoden angewandt. Die Schichtbildung wurde mit SHG (optische Frequenzverdopplung) verfolgt, die fertigen Schichten wurden mit XPS (Röntgen-Photonen-Spektroskopie) und NEXAFS (Nahkanten-Röntgen-Absorptions-Feinstruktur) untersucht, um Orientierung und Ordnung der Moleküle in der Schicht zu ermitteln. Das Schaltverhalten wurde mit Ellipsometrie und durch Messungen des Wasserkontaktwinkels beobachtet. Durch Variation der Endgruppe des Azobenzols ist es möglich, die Oberflächeneigenschaften einstellen gezielt zu können, wie Hydrophobie, Hydrophilie, Komplexierungsverhalten oder elektrische Schaltbarkeit. Dies gelingt durch Gruppen wie N,N-Dimethylamino-, Methoxy-, Ethoxy-, Octyloxy-, Dodecyloxy-, Benzyloxy-, Methyl-, Trifluormethyl-, Pyridyl-, Phenylethinyl- und Ferrocenyl-Restgruppen, um nur eine Auswahl zu nennen. Einerseits wurde Silizium als Substrat gewählt, da es wegen seiner Verwendung in der Halbleiterindustrie ein nicht uninteressantes Substrat darstell und die Möglichkeiten der kovalenten Anbindung von Trichlorsilanen aber auch Trialkoxysilanen auch gut untersucht ist. Andererseits wurden auch Untersuchungen mit Gold als Substrat angestellt, bei dem Thiole und Disulfide die bevorzugten Ankergruppen bilden. Während sich auf Gold sogenannte SAMs bilden, verleiht die kovalente Siloxanbindung den CAMs auf Silizium eine besondere Stabilität.

Photoinduced orientation in natural rubber

Azobenzene molecules and their derivatives have been widely investigated for their potential applications in optical and electrooptical devices. We have prepared a new guest-host system from natural rubber (NR) impregnated with azobenzene derivative Sudan Red B (SRB). The effects of stretching and immersion time on photoinduced orientation were investigated by birefringence signal measurements. We have found that the molecular orientation increase when the samples are stretched and decrease with the increase of immersion time. The first behavior was explained by using the random coil model and the latter was attributed to increase of the aggregation of SRB into NR matrix. (C) 2012 Published by Elsevier B.V.

Azobenzol- und Perylendiimid-funktionalisierte Polyphenylen-Dendrimere

Die Dissertation 'Azobenzol- und Perylendiimid-funktionalisierte Polyphenylen-Dendrimere - Synthese, Charakterisierung und Eigenschaften' gliedert sich in vier Themengebiete. Der erste Abschnitt beschäftigt sich mit der Synthese unterschiedlich dichter Dendrimere um einen Azobenzol-Kern. Einkristallstrukturen und Molekülvisualisierungen verdeutlichen die dreidimensionale Gestalt der Dendrimere. Die Dendrimere zeigen erstmalig eine Abhängigkeit des Isomerisationsverhaltens von der das Chromophor umgebenden Struktur. Der zweite Abschnitt hat Interaktionen von Chromophoren, deren Distanz und Orientierung zueinander gezielt durch einen äußeren Impuls geändert werden können, zum Thema. Die Verbindung von Azobenzol und PMI führt durch deren gegenseitige Beeinflussung zu einem Verlust der charakteristischen Eigenschaften der Chromophore. Eine Oligo-L-Lysinkette, deren Enden mit NMI und PMI funktionalisiert sind, stellt ein FRET-System dar. Distanz und Orientierung der Chromophore zueinander werden durch den mittels TFE induzierten Übergang des Peptids vom Knäuel zur Helix verändert. Der dritte Abschnitt führt die Synthese von PDI-gekernten Dendrimeren durch Substitution in der bay-Region des Chromophors ein. Die Eignenschaften der Verbindungen wurden mittels optischer Methoden und cyclovoltammetrischen Studien untersucht. Weiter wurde die Oberflächenfunktionalisierung mit Aminosäuren und Oligopeptiden zu wasserlöslichen Dendrimeren mit hoher Oberflächenladung verfolgt. Das letzte Kapitel stellt Untersuchungen zur Organisation von Polyphenylen-Dendrimeren auf HOPG vor. Es lassen sich einerseits Nanofasern formieren, andererseits können auch geordnete Mono- und Multilagen erzeugt werden.

Photovernetzbare flüssigkristalline Polymere unterschiedlicher Kettentopologien

„Photovernetzbare flüssigkristalline Polymere unterschiedlicher Kettentopologien“, Patrick Beyer, Mainz 2007 Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurde die Synthese und Charakterisierung flüssigkristalliner Elastomere unterschiedlicher Polymertopologien vorgestellt. Dabei wurden Systeme synthetisiert, bei denen die mesogenen Einheiten entweder als Seitengruppen an ein Polymerrückgrat angebunden (Seitenkettenelastomere) oder direkt in die Polymerkette integriert (Hauptkettenelastomere) sind (siehe Abbildung). Bezüglich der Seitenkettensysteme konnten erstmals photovernetzbare smektische Seitenkettenpolymere, in denen aufgrund der Anknüpfung eines photoisomerisierbaren Azobenzols eine Photo- modulation der ferroelektrischen Eigenschaften möglich ist, dargestellt werden. Homöotrop orientierte freistehende Filme dieser Materialien konnten durch Spincoaten dargestellt und unter Ausnutzung des Dichroismus der Azobenzole durch geeignete Wahl der Bestrahlungsgeometrie photovernetzt werden. Aufbauend auf diesen Untersuchungen wurde anhand eines nicht vernetzbaren Modellsystems im Detail der Einfluss der trans-cis Isomerisierung des Azobenzols auf die ferroelektrischen Parameter untersucht. Durch zeitaufgelöste Messungen der Absorption der Azobenzole, der spontanen Polarisation und des Direktorneigungswinkels und Auswertung der kinetischen Prozesse konnte eine lineare Abhängigkeit der ferroelektrischen Eigenschaften vom Grad der Isomerisierungsreaktion festgestellt werden. Durch Vergleich dieser in der flüssigkristallinen Phase erhaltenen Ergebnisse mit der Kinetik der thermischen Reisomerisierung in Lösung (Toluol) konnte ferner eine deutliche Reduzierung der Relaxationszeiten in der anisotropen flüssigkristallinen Umgebung festgestellt und auf eine Absenkung der Aktivierungsenergie zurückgeführt werden. Makroskopische Formänderungen der Seitenkettenelastomere am Phasenübergang von der flüssigkristallinen in die isotrope Phase konnten jedoch nicht festgestellt werden. Aus diesem Grund wurden neue Synthesestrategien für die Darstellung von Hauptkettenelastomeren entwickelt, die sich aufgrund der direkten Kopplung von flüssigkristallinem Ordnungsgrad und Polymerkettenkonformation besser für die Herstellung thermischer Aktuatoren eignen. Auf Basis flüssigkristalliner Polymalonate konnten dabei lateral funktionalisierte smektische Hauptkettenpolymere synthetisiert werden, welche erstmals die Darstellung von LC-Hauptkettenelastomeren durch Photovernetzung in der flüssigkristallinen Phase erlauben. Durch laterale Bromierung konnte in diesen Systemen die Kristallisationstendenz der verwendeten Biphenyleinheiten unterdrückt werden. Bezüglich der Photovernetzung konnten zwei neue Synthesemethoden entwickelt werden, bei denen der Vernetzungsschritt entweder durch radikalische Polymerisation lateral angebundener Acrylatgruppen oder durch photoaktive Benzophenongruppen erfolgte. Basierend auf den Benzophenon funktionalisierten Systemen konnte ein neuartiges Verfahren zur Darstellung makroskopisch orientierter Hauptkettenelastomere durch Photovernetzung entwickelt werden. Die Elastomerproben, deren Ordnungsgrad durch Röntgenuntersuchungen ermittelt werden konnte, zeigen am Phasenübergang von der flüssigkristallinen in die isotrope Phase eine reversible Formänderung von 40%. Im Gegensatz zu anderen bekannten smektischen Systemen konnten die in dieser Arbeit vorgestellten Elastomere ohne Zerstörung der Phase bis zu 60% entlang der smektischen Schichtnormalen gestreckt werden, was im Kontext einer geringen Korrelation der smektischen Schichten in Hauptkettenelastomeren diskutiert wurde.

Organotellurium compounds for metal organic vapour phase epitaxy

The infra-red detector material cadmium mercury telluride can be grown by the technique of Metal Organic Vapour Phase Epitaxy using simple alkyl telluride compounds as the source of tellurium. New tellurium precursors are required in order to overcome handling and toxicity problems and to reduce the growth temperature in preparing the material. A range of diaryltellurium(IV) dicarboxylates and some 2-(2'-pyridyl)phenyl-tellurium(II) and tellurium(IV) monocarboxylates have been synthesised and characterised by infra-red, 13C N.M.R. and mass spectroscopy. Infra-red spectroscopy has been used to determine the mode of bonding of the carboxylate ligand to tellurium. Synthetic methods have been devised for the preparation of diorganotritellurides (R2Te3) and mixed diorganotetrachalcogenides (RTeSeSeTeR). A mechanism for the formation of the tritellurides based on aerobic conditions is proposed. The reaction of ArTe- with (ClCH2CH2)3N leads to tripod-like multidentate ligands (ArTeCH2CH2)3N which form complexes with the ions Hg(II), Cd(II), Cu(I), Pt(II) and Pd(II). Synthetic routes to aryltelluroalkylamines and arylselenoalkylamines are also reported. The crystal structure of 2-(2'-pyridyl)phenyltellurium(II) bromide has been solved in which there are six molecules present within the unit cell. There are no close intermolecular Te---Te interactions and the molecules are stabilised by short Te---N intramolecular contacts. The crystal structure of 2-(2'-pyridyl)phenylselenium(II)-tribromomercurate(II) is also presented. A study of the Raman vibrational spectra of some tellurated azobenzenes and 2-phenylpyridines shows spectra of remarkably far superior quality to those obtained using infra-red spectroscopy.