Zur Synthese und Anwendung von wasserlöslichen denronisierten Rylene Farbstoffen

Within this thesis different polyglycerol (PG) dendronized rylene dyes were synthesized and their photophysical properties determined as well as their possible application in two different fields tested. In the first part it was shown, that a high water-solubility could be introduced to the completely hydrophobic dye material by a substitution with PG-dendrons at the imide positions of perylene bisimide. Furthermore by just increasing the steric demand of the PG-dendrons by increasing the attached dendron generation (up to [G4]), the strong aggregation tendency was successfully suppressed thereby yielding highly fluorescent perylene bisimide dyes. Based on these findings, another set of bay functionalized perylene bisimides as well as the higher rylene homologs terrylene bisimide and quaterrylene bisimide bearing PG- dendrons were synthesized and their spectral characteristics determined. Due to their higher lying absorption and emission profiles these dye conjugates are of special interest for biological imaging as they are near or within the so-called optical window. In the second part, the capability of PG dendronized rylene dyes to serve as a platform for the development of functional dyes was investigated. Therefore first an amphiphilic character was introduced to the PG dendronized perylene dye by attaching two hydrophobic alkyl chains instead of one PG-dendron yielding a classical amphiphile. This was successfully applied as solubilizing agent for single-walled carbon nanotubes (SWCNT) in an aqueous environment. It was shown, that this did not only solubilize and debundle SWCNTs very effectively into individual tubes but it also caused an efficient energy transfer from the perylene dye moiety to the SWCNTs. Although similar energy transfer processes are known from other fluorophores, e.g., porphyrines to SWCNTs, this was the first time that this phenomenon was observed for a water-soluble perylene based amphiphile. In the following, a closer inspection of the suspension revealed that besides this extraordinary property the surfactant is also able to enrich SWCNTs with specific chiralities. This is of great importance, because the optoelectronic properties of SWCNTs strongly depend on the chirality and there are only few post-growth sorting mechanisms available. To get more insight into the solubilization and the energy transfer processes, a whole library of perylene based surfactants was then synthesized and tested. As a result different parameters for the rational design of an ideal SWCNT-surfactant design could be obtained. In the last part, one of the amphiphiles was used as a fluorescent membrane marker for bioimaging purposes. Therefore, the design was adapted to allow the best interaction with natural lipid bilayer membranes. It was shown that this marker easily intercalates into artificial and natural membranes and due to its high photostability and water solubility outperforms many commercially available membrane labels.In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Polyglycerol (PG) dendronisierte Rylen Farbstoffe hergestellt, deren photophysikalischen Eigenschaften sowie Ihre mögliche Anwendung als funktioneller Farbstoff in zwei unterschiedlichen Themenfeldern untersucht. Im ersten Teil konnte gezeigt werden, dass durch eine einfache Substitution mit PG-Dendronen an den Imid Positionen von Perylenebisimid eine hohe Wasserlöslichkeit dieses komplett hydrophoben Farbstoffs erreicht werden kann. Zusätzlich dazu konnte durch eine sukzessive Erhöhung der Dendrimergeneration (bis [G4]) und damit des sterischen Anspruchs die extrem ausgeprägte Aggregationsneigung erfolgreich unterdrückt werden. Dies resultierte in hoch fluoreszenten, wasserlöslichen Perylenbisimiden. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden in Folge sowohl bay funktionalisierte als auch höhere Rylen Homologe wie Terrylenbisimid oder Quaterrylenbismid mit PG-Dendronen modifiziert und ihre optischen Eigenschaften bestimmt. Durch ihre längerwelligen Absorptions- und Emissionseigenschaften sind diese Farbstoffkonjugate insbesondere für biologische Bildgebungsverfahren interessant, da sie sich nahe oder innerhalb des sogenannten optischen Fensters für biologisches Gewebe befinden. Im zweiten Teil wurde untersucht inwiefern sich PG denronisierte Rylen Farbstoffe als Plattform für die Entwicklung von funktionellen Farbstoffen eigenen. Dafür wurde der PG-dendroniserte Perylen Farbstoff in eine klassische amphiphile Struktur umgewandelt indem ein PG-Dendron durch zwei Alkylketten ersetzt wurde. Dieser Farbstoff konnte erfolgreich als Tensid für die Solubilisierung von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (engl. SWCNT) in wässriger Umgebung eingesetzt werden. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass neben der hoch effizienten Solubilisierung und Entbündelung der SWCNTs zu einzelnen Röhren ein effizienter Energietransfer vom Perylen Farbstoff in die SWCTNs stattfindet. Obwohl dieser Effekt von anderen Farbstoffen bekannt ist, insbesondere von Porphyrinen, ist dies das erste Mal, dass dieser Effekt bei wasserlöslichen Perylen basierten Amphiphilen auftritt. Darauf folgende Untersuchungen zeigten, dass der Farbstoff neben dieser außergewöhnlichen Eigenschaft auch zu einer Anreicherung von SWCNTs mit bestimmten Chiralitäten verwendet werden kann. Dies ist von besonderer Bedeutung, da die opto- elektronischen Eigenschaften von SWCNTs stark von der jeweiligen Chiralität abhängen und es bis dato nur sehr wenige Sortiermechanismen dafür gibt. Um ein tieferes Verständnis für den Solubiliserungs- und den Energietransferprozess zu erhalten wurde abschließend eine Bibliothek von Perylen basierten Amphiphilen hergestellt und getestet. Daraus konnten verschiedene Parameter bezüglich des Designs eines idealen SCWNTs-Tensids abgeleitet werden. Im letzten Teil der Arbeit wurde einer der amphiphilen Farbstoffe als fluoreszenter Membranmarker in der biologischen Bildgebung angewendet. Dafür wurde das Design so gewählt, das es eine bestmögliche Interaktion mit natürlichen Lipid-Doppelschichten gewährleistet. Es konnte gezeigt werden, dass dieser Marker sowohl in der Lage ist in künstliche Membranen als auch in natürliche Zellemembranen zu Interkalieren und dass seine hohe Photostabilität die von vielen kommerziell erhältlichen Membranmarkern übertrifft