Fluorescent toolboxes for reaction monitoring in microscopy and on the single-molecule level

Progress in research and chemical industry can be achieved with fundamental knowledge about organic reaction mechanisms delivered by spectroscopy. Single-molecule methods represent a new approach, which allow concurrent following of molecular processes and different reaction pathways in one experiment[1–3]. For these techniques, fluorophores can be used which include reactive targets as part of the chromophore (“participant approach”)[3]. In this work, such fluorophores are presented containing double or triple bonds as reactive centers. Selective reactions at these structural motifs form new dyes with different optical parameters. These changes in fluorescence wavelength are used for reaction monitoring. Following the well-investigated epoxidation reaction by hypsochromic emission wavelength shift, a new detection method was introduced[1]. Cu+ catalyzed azide-alkyne cycloadditions (CuAAC) firstly enabled reaction monitoring by a bathochromic shift of fluorescence wavelength via expanding the fluorophore[4]. At last, the metathesis reaction was visualized on single-molecule level. Therefore, a metathesis reagent was synthesized, where the chromophore is located at a Ruthenium center as carbene. This compound represents a multichromophoric, fluorogenic metathesis intermediate[5]. Reaction monitoring with fluorescence methods ranging from ensemble measurements to single-molecule experiments can only be enabled synthesizing described fluorophore systems.Fortschritt in Forschung und chemischer Industrie kann durch die genaue Kenntnis der Mechanismen chemischer Umsetzungen mittels Spektroskopie erreicht werden. Die einzelmolekülspektroskopischen Methoden stellen eine neuen Möglichkeit dar, die es erlaubt gleichzeitig molekulare Prozesse und verschiedene Reaktionspfade in einem Experiment zu beobachten[1,2]. Für diese Techniken können Fluorophore benutzt werden, die reaktive Gruppen als Teil des Chromophoren aufweisen[3]. In dieser Arbeit werden Fluorophore vorgestellt, die Doppel- und Dreifachbindungen als reaktive Zentren besitzen. Selektive Reaktionen an diesen Struktureinheiten bilden neue Farbstoffe mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften. Die neue Detektionsmethode wurde an der gut untersuchten Epoxidierungsreaktion mittels Blauverschiebung der Emissionswellenlänge vorgestellt[1]. Die Kupfer(I) katalysierte Azid-Alkin Zykloaddition ermöglichte zum ersten mal die Reaktionsverfolgung durch eine Rotverschiebung der Emissionswellenlänge mittels Erweiterung des Fluorophoren[4]. Zuletzt wurde die Metathese-Reaktion auf Einzelmolekülebene visualisiert. Dafür wurde eine Metathese Reagenz synthetisiert, das den Chromophoren an einem Ruthenium-Zentrum als Carben angebracht hat. Diese Verbindung stellt ein multichromophores, fluorogenes Metathese Intermediat dar[5]. Die Synthese solcher Farbstoff-Systeme ermöglicht die Reaktionsverfolgung mittels Fluoreszenzmethoden von Ensemble- bis hin zu Einzelmolekülexperimenten