Synthese von Dendrimeren mit generationsspezifisch eingebauten solvatochromen Fluoreszenzsonden

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde ein Konzept zur Bestimmung der Polarität im Bereich der Mikroumgebung fluoreszierender Moleküle in Dendrimeren entwickelt. Zu seiner Realisierung wurden Modellverbindungen entworfen und in chemische Strukturen umgesetzt. Das Konzept basiert auf dem generationsspezifischen Einbau von solvatochromen Fluoreszenzsonden und ihren Volumendummies in Dendrimere. Tatsächlich konnten, gemäß des auf Seite 13 entworfenen Bauplans, fünf Sonden- und Dummy-Paare der ersten Generation synthetisch realisiert werden. Jedes erhaltene Paar wurde auf seine fluoreszenzspektroskopischen und chemischen Eigenschaften hin überprüft. Die Resultate wurden in darauffolgenden Synthesesequenzen berücksichtigt, so daß sukzessive eine Optimierung der Eigenschaften gemäß der Aufgabenstellung erfolgte. Als erfolgversprechendste Sonde und Dummy erwiesen sich 119 und 121, da diese sowohl unter chemischen als auch photochemischen Gesichtspunkten ein ideales Verhalten zeigten. Hauptreaktion für den Aufbau aller Dendrons war die Suzuki- Kreuzkupplung. Ihre Chemoselektivität zwischen Brom- und Iodsubstituenten und Boronsäurefunktionalitäten in palladiumkatalysierten Bindungsknüpfungen konnte bei der Darstellung von Sonde 38 und Dummy 39 genutzt werden. In diesem Zusammenhang konnte auch der sterische Einfluß der Reaktanden auf den Erfolg der Suzuki-Kupplung überprüft werden. Im Rahmen dieser Arbeit gelang weiterhin die Darstellung des pyrenhaltigen Kernbausteins 57. Dieser konnte mit verschiedenen Akzeptoren in der Peripherie funktionalisiert weren. Erste Ergebnisse photophysikalischer Messungen am Nitro-substituierten Kern 62 weisen darauf hin, daß aufgrund der Fluoreszenzquantenausbeute und Lebensdauer bei Lichteinwirkung tatsächlich ein Elektronentransfer von diesem Kern ausgehen kann. Durch ihr orthogonales Schutzgruppenmuster konnten an ausgewählten Dendrons voneinander unabhängige synthetische Manipulationen entweder am fokalen Punkt oder in der Peripherie durchgeführt werden. Die Kombinationsmöglichkeit der sonden- und dummyhaltigen Dendrons wurde anhand mehrerer Synthesen zu G2-Dendrons 50, 51, 112, 113 und 125 über Peptidchemie bzw. Esterknüpfung demonstriert. Des weiteren wurden auch die Dendrimere 67, 116 und 128 der zweiten Generation dargestellt, mit denen nachgewiesen werden konnte, daß es in den verwendeten Systemen zumindest bei kleineren Generationen nicht zur Excimerfluoreszenz kommt. Verbindung 67 ist das erste in der Literatur beschriebene Dendrimer mit pyrenhaltigem Kern. Bei den fluoreszenzspektroskopischen Untersuchungen kristallisierte sich heraus, daß zwei Estergruppen als Akzeptoren, verbunden über ein konjugiertes p-Elektronensystem mit dem Donor Pyren, zu Sonden mit hervorragenden Eigenschaften führen. Es wurden Differenzen der Fluoreszenzwellenlänge in Methylcyclohexan und Acetonitril gemessen, die bis zu 185 nm betrugen. Damit war der geforderten Solvatochromie zum Abtasten der lokalen Polarität der einzelnen Generationen mehr als Genüge getan. Die Solvatochromie ist so ausgeprägt, daß sie mit dem menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Dies wurde bei Verbindung 119 (Abbildung 42) nachhaltig demonstriert. Bei der Untersuchung der Dummys zeigte sich, daß bereits eine Methylengruppe als Spacer zwischen Donor und Akzeptor ausreichen kann, um die Anregungswellenlänge dahingehend zu verändern, daß eine selektive Anregung der Sonde durchführbar ist. Die besten Absorptionseigenschaften zeigte jedoch der Dummy 121 auf Tetrahydropyrenbasis. Dessen Absorption endet bereits im Absorptionsmaximum der zugehörenden Sonde 119. Zum Abschluß der Arbeit wurden erste vergleichende Messungen mit Sonde 119, eingebettet in unterschiedlich große dendritische Strukturen, durchgeführt. Die Sonde wurde dabei jeweils in der ersten Generation von 119, 125 und im Dendrimer 128 positioniert. Die Fluoreszenzwellenlänge verschob sich in Acetonitril beim Übergang vom kleinsten zum größten dendritischen Baustein von 531 nm hypsochrom auf 509 nm und spiegelt womöglich das Abnehmen der Polarität im Bereich der Sonde, induziert durch das dendritische Gerüst wider. Dies war ein vielversprechender Hinweis darauf, daß das vorgestellte Konzept und die synthetisierten Strukturen in Zukunft zur Quantifizierung des Polaritätsgradienten in Dendrimeren dienen können.

In the present thesis concepts for quantifying the polarity of the microenvironment of fluorescent molecules in dendrimers were developed. To accomplish the project, model compounds were planned and transferred into chemical structures. The concept is based on the generation specific fitting of fluorescent probes with high solvatochromism and their corresponding dummies into dendrimers. As illustrated in the architect's image on page 13, five probe- and dummy-pairs of the first dendron generation were prepared. Every received pair was examined for its fluorescent and chemical properties. The Suzuki cross-coupling was the main reaction for the construction of all dendrons. The dendrons were equipped with orthogonal protecting groups. Selective deprotection in the periphery or at the focal point was feasible without difficulty. The partial deprotected G1-probe- or dummy-containing dendrons were combined to G2-dendrons 50, 51, 112, 113 and 125 via peptide- or esterbondings. Subsequently, G2-dendrimers 67, 116 und 128 were synthesized. With those it was proved, that there was no excimer formation, when the molecules were excitated. Molecule 67 is the first known dendrimer in literature with a pyrene containing core. The results of the fluorescence experiments were, that the probes with two electron acceptor groups had the best properties. The solvatochromic shift between different solvents was very strong. The biggest difference in the fluoresence maxima in methylcyclohexan and acetonitrile was 185 nm. The solvatochromic sensitivity of probe 119 was so well-defined, that the different fluorescent wavelength, appearing in different solvents could be seen with the human eye. In order to convert a probe into a dummy it was sufficient to place a methylene group between the donor unit pyrene and the acceptor groups. An alternative successive way to get a dummy with excellent properties was the use of tetrahydropyrene instead of pyrene. The tetrahydropyrene dummy actually had the best fluorescence properties. Consequently a selective excitation of the probe in presence of the dummy was possible. The absorption of the tetrahydropyrene dummy was finished in the area of the absorption maximum of the corresponding probe 119. Lastly first measurements were conducted with probe 119, placed in different dendritic structures. The probe was placed in the first generation of 119, 125 and in dendrimer 128. The fluorescence wavelength was shifted in acetonitrile from 531 nm in the smallest dendron to 509 nm in the biggest structure. Perhaps this is the first hypsochromic shift, induced through the dendritic interior. This experiment proved to be so promising that in near future our system might be able to quantify the micro polarity of the interior of dendrimers and to give a statement on the direction of the polarity gradient in our dendrimer system.