An easily accessible toolbox of functionalized macrocycles and rotaxanes: a (tandem) ESI-FTICR mass spectrometric study on Fréchet-type dendrimers with ammonium cores and hierarchical self-assembly of metallo-supramolecular nano- spheres

Abstract

Bottom-to-top approach has lately gained more attention in nanotechnology for building new functional materials. However, the gap between the well-studied supramolecular architectures with promising features and the functional nano- materials is still a challenge for the chemists. Molecular machinery, which is a part of nanotechnological research, requires building blocks that are easily achievable, tuneable and working with high efficiency. Moreover, the assembly of these building blocks in specially designed ways is needed to achieve complex architectures. Macrocycles and rotaxanes have been well investigated as components of molecular machines so far by others. Even though there are uncountable examples of such systems with possible use in nanotechnology, the above mentioned gap is still present for them. In the first part of this work, not only different functional groups are incorporated in tetralactam macrocycles and rotaxanes in a straightforward way to obtain various different architectures but also ways to assemble them into higher structures are shown. The various possible uses of these architectures are stated and as an example, energy transfer systems are synthesized. In the second part, Fréchet dendrimers are investigated by a powerful analytical tool for supramolecular chemistry, electrospray ionization mass spectrometry. In this study, the defects that result from syntheses of these dendrimers are analysed. Then, an interesting and novel fragmentation pattern encountered in collision induced dissociation experiments is presented, to which several mechanisms are proposed and discussed. The last part of the thesis is another approach to functional supramolecular architectures: Self-assembled nano-spheres. The study is the display of a discovery of a previously-not-known way of building up nano-spheres from coordination polymers of simple organic ligands and metal complexes.

Um funktionelle Materialien aufzubauen, hat der “Bottom-to-Top”-Ansatz in der letzten Zeit mehr Aufmerksamkeit in der Nanotechnologie gewonnen. Allerdings ist die Lücke zwischen gut bekannten supramolekularen Architekturen mit vielversprechenden Eigenschaften und funktionellen Nanomaterialen immer noch eine Herausforderung für Chemiker. Molekulare Maschinen, ein Teil der Forschung auf dem Gebiet der Nanotechnologie, benötigt Bausteine, die leicht zu machen und zu modifizieren sind und mit hoher Effizienz arbeiten. Ferner ist eine definierte, planbare Anordnung der molekularen Bausteine notwendig, um komplexe Architekturen zu erreichen. Makrozyklen und Rotaxane sind bereits von anderen als Komponenten von molekularen Maschinen studiert worden. Auch wenn es schon unzählbare Beispiele für solche Systeme mit einer möglichen Anwendung in der Nanotechnologie gibt, ist dennoch die oben erwähnte Lücke auch für diese vorhanden. Im ersten Teil der Arbeit werden nicht nur verschiedene funktionelle Gruppen in Tetralactammakrozyklen und -rotaxanen direkt inkorporiert um verschiedene von einander unterschiedliche Architekturen zu erhalten, sondern auch verschiedene Wege aufgezeigt, diese zu höheren Strukturen zu arrangieren. Die mannigfaltigen denkbaren Strukturen werden dargelegt. Als Beispiel wurden Energietransfersysteme synthetisiert. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Analyse von Fréchetdendrimeren mit einem leistungsstarken Werkzeug der supramolekularen Chemie, der Elektrospraymassen- spektrometrie, dargestellt. In dieser Studie werden zunächst die Defekte resultierend aus der Synthese der Dendrimere untersucht. Anschließend wird ein neues und interessantes Fragmentationmuster beschrieben, zu dem verschiedene Mechanismen vorgeschlagen und diskutiert werden. Der letzte Teil zeigt eine weitere Annäherung auf dem Weg zu funktionellen, supramolekularen Strukturen auf: Selbstorganisierte Nanosphären. Der bis vor kurzem unentdeckte Ansatz, Nanosphären aus Koordinationspolymeren, die aus einfachen organischen Liganden und Metallkomplexen bestehen, aufzubauen, wird gezeigt.