Fakultät für Chemie und Pharmazie - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 04/06 Archiv

Covalent Organic Frameworks (COFs) are a novel class of highly stable, purely organic crystalline frameworks made of molecular building blocks. For example, the condensation of boronic acids with appropriate polyols in principle allows the design of precisely controllable structures since their chemical and physical properties can be easily tuned through the selection of the building blocks. The young research field of COFs has attracted scientists due to their extraordinary and versatile properties, however, strategies to control the topology and the properties of the backbone as well as the inner surface are still not well established. With support of Prof. Knochel and his group, who contributed numerous new organic COF linkers, this thesis aims to extend the functionalization strategies for the design of Covalent Organic Frameworks. Investigation of the structural modification and the associated change in physical and chemical properties should lead to progress regarding the applicability of these materials. Employing the concept of reticular chemistry in combination with High Throughput Synthesis Techniques, the formation of a very large Covalent Organic Framework BTP-COF with 4 nm open pores was successfully carried out. The solvothermal co-condensation of 1,3,5-benzenetris(4-phenylboronic acid) (BTPA) and 2,3,6,7-tetrahydroxy-9,10-dimethyl-anthracene (THDMA) was carried out using microwave irradiation instead of conventional synthesis in an oven, thus synthesis time of BTP-COF was reduced from initially 72 h to 5 min. Extending the open pore diameter of a crystalline material to 4 nm, in combination with the resulting high accessible surface area of 2000 m2/g offers great potential to exploit organic reactions in the pores and enables the incorporation of large functional guests, such as polymers or dyes. Bearing these results in mind the scope of functionalization possibilities was expanded from the geometric extension to the chemical modification of the inner surface of COFs. Decorating the organic building blocks with small functional active groups, such as methyl-, -methoxy- and hydroxy- allowed for the successful synthesis of several organic frameworks. Chemical and physical properties of the backbone and the inner surface can be precisely tailored by chemical modification of the building blocks. In order to investigate post-synthetic modification strategies, the methyl- and hydroxy-groups were used as reaction anchor points to covalently attach molecules after framework formation. The co-condensation of benzene-1,3,5-triyltriboronic acid (BTBA) and the 9,10-dimethyl-anthracene-2,3,6,7-tetraol (DMAT) succeeded in the formation of AT-COF-Me. In a radical bromination reaction the methyl groups of an anthracene linker were successfully brominated giving AT-COF-Br without degrading the crystalline framework of AT-COF-Me. The formation of the resulting benzylic bromine was monitored with IR spectroscopy and solid state NMR, respectively. Elemental analysis results correspond to the bromination of half the -CH3 groups. Reaction of (2',5'-dihydroxy-[1,1':4',1''-terphenyl]-4,4''-diyl)diboronic acid (HTDBA) and 2,3,6,7,10,11-hexahydroxytri-phenylene (HHTP) The terphenyl-based hydroxyl substituted T-COF-OH, formed by (2',5'-dihydroxy-[1,1':4',1''-terphenyl]-4,4''-diyl)diboronic acid (HTDBA) and 2,3,6,7,10,11-hexahydroxytri-phenylene (HHTP), was tested in several nucleophilic substitution reactions. Esterification of the –OH group was achieved with either acetylchloride or in a Steglich type reaction with 4-pentynoic acid. X-ray diffraction analysis after the post-synthetic modification shows that the crystallinity of the framework was preserved. This indicates that T-COF-OH is compatible with the reaction conditions. The detection of the newly formed ester moieties in IR and in solid state NMR spectra proves the successful post-synthetic esterification of the –OH groups. Another approach to tailor functionality in COFs is to assemble monomers with distinct properties in COF synthesis. Modification of the backbone of the framework was realized with two heterocyclic building blocks. Benzothiadiazole (BTD) and thienothiophene (TT) monomers are known as building blocks of semiconducting polymers. These molecules were equipped with boronic acid or boronate ester moieties in para position. The linkers were then used in co-condensation reactions with HHTP. The synthesis of BTD-COF was carried out in a two step microwave synthesis procedure: first the pinacolboronate 4,7-Bis(4-(4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolan-2-yl)phenyl)benzo[c][1,2,5]thiadiazole (BTDA) was cleaved with HCl, in a second step addition of HHTP resulted in the crystalline product in only 60 min. TT-COF was synthesized in a conventional co-condensation reaction of thieno[3,2-b]thiophene-2,5-diyldiboronic acid (TTBA) with HHTP; the black TT-COF showed aborbance over the whole spectrum of the visible light. Upon irradiation with light the system showed significant photoconductivity. The 3 nm pores of the hole-transporting TT-COF offer enough space to incorporate large fullerene-based electron-transporting materials such as PCBM. This inclusion leads to a significant quenching of the luminescence of TT-COF, indicating light-induced charge transfer at the interface of these two materials. The oriented growth of thin films of porous COF-10, a product of the condensation of 4,4’-biphenyldiboronic acid(BPBA) and HHTP, and TT-COF on self-assembled monomer (SAM)-functionalized gold surfaces is shown. Films grown on boronic acid terminated SAMs result in a parallel orientation of the pores along the substrate. Scanning electron microscopy was used to investigate the morphology of the films. Homogenous films with thicknesses of around 150 nm and a total coverage of the substrates were obtained. In summary, several functionalization strategies are shown to control or tune the topology and properties of Covalent Organic Frameworks. Tuning the topology and functionality to large open pore systems or intrinsic semiconductivity allows incorporation of large functional molecules and study the host-guest interactions. The post-synthetic modification of COFs offers a synthetic pathway to integrate organic functionalities, which cannot be synthesized directly by co-condensation. These strategies provide the means necessary for a precise control of the pore environment and design a porous material for specific applications. A facile and rapid method to produce thin oriented COF films will pave the way for this material to fabricate technological devices, such as photovoltaic devices, sensors of OFETs.

Die Steuerung von photochemischen Reaktionen durch die gezielte Kontrolle von elektronischen Wellenpaketen mit ultrakurzen Pulsen im Femtosekunden- oder Attosekundenbereich ist Gegenstand von zahlreichen theoretischen und experimentellen Forschungsprojekten. Im ersten Teil dieser Dissertation werden drei molekulare Reaktionen theoretisch untersucht, die durch die gezielte Steuerung der Elektronendynamik kontrolliert werden. Die zeitliche Entwicklung dieser Systeme wird mit einem Ansatz zur Berechnung einer gekoppelten Kern- und Elektronendynamik beschrieben. Die Elektronenlokalisierung in den dissoziativen Ionisation der Modellsysteme D2 und CO wird durch die absolute Phase des Laserfeldes (Phase zwischen Trägerfrequenz und Einhüllenden) gesteuert. Ein Vergleich der beiden Mechanismen zeigt wesentliche Unterschiede zwischen dem homonuklearen Molekül D2 und dem heteronuklearen Molekül CO. Diese Unterschiede treten sowohl in der Präparation des elektronischen Wellenpaketes und in der Rolle der absoluten Phase des Laserfeldes in der Kontrolle, als auch im Stopp der induzierten Dynamik Elektronenbewegung zu Tage. Durch die selektive Population von lichtbekleideten Zuständen, die durch die relative Phase zweier Pulse in einer Pulssequenz gesteuert wird, lassen sich im Kalium-Dimer zwei unterschiedliche, elektronisch angeregte Zustände kontrolliert besetzen. Diese dritte Reaktion wird zunächst mit einer Doppelpulssequenz implementiert und die Effizienz durch Variation der beiden Parameter Verzögerungszeit zwischen den beiden Subpulsen und Intensität des zweiten Hauptpulses optimiert. Für beide Zustände wurde eine maximale Effizienz von 66% erreicht. Eine Verlängerung der Verzögerungszeit zwischen den beiden Subpulsen führt zu einer signifikanten Abnahme der Effizienz. Eine Analyse dieses Effekts zeigt, dass dieser Verlust der Kontrolleffizienz durch die Kopplung zwischen Kern-- und Elektronendynamik verursacht wird. OCT-Optimierungen an diesem System führen zu einer erheblichen Steigerung der Kontrolleffizienz und erlauben den Rückschluss, dass dieser Starkfeld-Mechanismus im OCT-Suchraum liegt und somit robust und effizient ist. Aufbauend auf diesen Untersuchungen werden die Faktoren identifiziert, welche ausschlaggebend für das optimale Zeitfenster der Kontrolle der Elektronendynamik sind. Mit diesen Erkenntnissen wird eine neue Kontrollstrategie für Photoreaktionen, die über konische Durchschneidungen verlaufen, entwickelt. Das vorgeschlagene Reaktionsschema wird an einem Modellsystem mit experimentell realisierbaren Pulsen getestet. Die kontrollierbaren Populationsverhältnisse bewegen sich in den Grenzen zwischen 24:76 und 74:26%. Im zweiten Teil dieser Dissertation werden theoretische Methoden zur Beschreibung der Starkfeld-Ionisationen von Molekülen neu entwickelt bzw. existierende Methoden modifiziert. Die Starkfeld-Ionisation ist in vielen Experimenten der erste Teilschritt, auf dem alle folgenden aufbauen. Daher ist eine exakte Berechnung dieses Prozesses für eine genaue Beschreibung der Experimente ausschlaggebend. Der Fokus der Untersuchungen liegt vor allem auf der Winkelabhängigkeit des Ionisationsprozesses und auf dem Ionisationszeitpunkt. Für die Berechnung der winkelabhängigen Ionisationswahrscheinlichkeiten wird ein neu entwickelter, quantenmechanischer Ansatz vorgestellt und an der dissoziativen Ionisation der Moleküle D2, N2, O2 und CO getestet. Für die Berechnung des Ionisationszeitpunktes wird der Monte-Carlo-Wellenpaket-Ansatz verwendet und für die Beschreibung zweiatomiger Moleküle verallgemeinert. Sowohl die ursprüngliche Methode als auch die Erweiterung werden an der Doppelionisation des H2-Moleküls als Modellsystem getestet.

Die vorliegende Arbeit stellt die Ergebnisse der Untersuchungen aus zwei Themengebieten vor. Der erste Teil der Arbeit widmet sich der Synthese sowie der Komplex- und Strukturchemie von (Amino)phosphin- und -phosphonsäuren. Anhand von mehr als 20 neuen Kristallstrukturen wurden erstmals systematisch die Koordinationseigenschaften von Vertretern dieser interessanten Verbindungsklasse untersucht. Im Mittelpunkt des Interesses bei der Analyse der Kristallstrukturen stand die Art und Weise der Koordination der Phosphinato- bzw. Phosphonatoliganden an das Metallzentrum sowie die Rolle der Wasserstoffbrückenbindungen bei der Ausbildung der Kristallstruktur. Das zweite behandelte Themengebiet der vorliegenden Dissertation stellt die Entwicklung und Optimierung von Synthesewegen zu chiralen und achiralen Heterophospholen, sowie die Untersuchung der Stereoselektivität der 1,2-Additionsreaktion an der Phosphor-Element-Doppelbindung dar.

Der in vivo Einbau unnatürlicher Aminosäuren mit besonderer Reaktivität an definierten Positionen in Proteine ist die Methode der Wahl, um Proteineigenschaften zu ändern oder diese mit gewünschten Funktionen auszustatten. In dieser Arbeit wurde das Pyrrolysin-System aus Methanosarcina mazei in E. coli angewendet, um den Einbau reaktiver Pyrrolysin-Analoga in Proteine und deren bioorthogonale Modifizierung zu erlauben. Zum Einen wurde ein Alkin-Analogon mehrfach in YFP eingebracht und mit unterschiedlichen Zucker-Aziden ortsgerichtet glykosyliert. Zum Anderen wurde mittels gerichteter Evolution des Pyrrolysin-Systems der Einbau eines Norbornen-Analogons in Proteine ermöglicht. Dieses konnte im Anschluss selektiv und unter sehr milden Reaktionsbedingungen mit Fluorophoren und PEG-Ketten adressiert werden.

Surfactant associated protein-A (SP-A) is the most abundant pulmonary surfactant protein and belongs to the family of innate host defence proteins termed collectins. The aim of the study was to elucidate the role of SP-A in human lung disease. This study was designed to analyze the relation between genetics, structure and function of SP-A in a CF, chronic bronchitis and asthma and healthy control population ex vivo. Beginning with the analysis of SP-A oligomeric forms, there were no correlations between serum and BAL SP-A distribution forms. The forms showed only a significantly different distribution comparing serum samples from bronchitis patients and controls. In serum and BAL of CF patients the forms containing the first peak were correlated with a better lung function (Fev1 (% pred.)age20). Also higher relative SP-A amount in the first peak is associated with a milder lung disease and a better course of lung disease. Additionally, SP-A self-agglutination is dependent on the amount of particular SP-A oligomers present in a sample, i.e. the relative strength of SP-A molecular forms in a sample. All SP-A structures self-agglutinate in serum better than in BAL in samples of the patients groups while in control samples BAL and serum SP-A showed the same abilities. There was also a difference between the self-agglutination ability of BAL samples from CF, Bro and control derived SP-A, but none in serum. SP-A from control BAL agglutinated better than from bronchitis BAL and this better than from CF BAL. These results are also supported by the fact that a better agglutination ability of SP-A was significantly associated with lung function. Therefore the degree of the presence of active oligomeric forms within a BAL or serum sample seems to be important for a better lung function outcome. The SP-A oligomerization is associated with one SFTPA1 rs1136451 and one SFTPA2 SNP rs17881665 which are coupled, while the mutated allele seems to cause a lack of complex oligomers. The wildtype alleles of the SP-A2 SNPs rs1965708 and rs1975006 were associated with CF compared to the bronchitis and control group. There was a significant association between the mean ∆ Fev1 (%pred.) / year and V50L a SNP in the SFTPA1 gene (p = 0.0038) while the mutated allele was associated with a worse course of lung disease. The SP-A BAL level was significantly associated with the SP-A1 SNP rs1136451 (p = 0.002) and the SP-A2 SNP rs17881665r (p = 0.002). The SP-A serum level was significantly associated with SP-A1 N9T (p = 0.028). In addition in the CF study population there was a significant association between the SP-A level in BAL and the Fev1 (% pred.) estimated for age 20 (p = 0.009). The higher the SP-A levels were in BAL the bigger were the values of the Fev1 (% pred.) estimated for age 20. There was no correlation between the SP-A BAL or serum level and any other clinical characteristic such as BMI, age, gender, IgG or IgE in serum. In conclusion, these results indicate a very important role for SP-A in human lung immunity. Future areas for clinical research include disease specific SP-A expression pattern and their functional consequences, the differential roles of SP-A1 and SP-A2 in human lung diseases, and therapeutic approaches to correct altered SP-A levels.