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Cordes, Thorben (2008): Ultrakurzzeitspektroskopie von Hemithioindigo und biophysikalisch relevanten Derivaten. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Photoinduzierte Isomerisierungsreaktionen von Molekülen mit Kohlenstoff-Doppelbindungen sind an zahlreichen wichtigen biologischen und biochemischen Prozessen beteiligt. Ein grundlegendes Verständnis ihrer Reaktionsmechanismen ist deshalb von enormer Bedeutung. Wichtige Anwendungen von Molekülen mit Photoisomerisierungsreaktionen sind ihr Einsatz als mechanische Trigger in Peptidstrukturen oder als optische Datenspeicher. Diese Arbeit stellt eine spektroskopisch bisher unbearbeitete Verbindungsklasse vor, deren Struktur aus zwei verschiedenen Molekülen (Stilben, Thioindigo) zusammengesetzt ist. Die photochrome Verbindung Hemithioindigo isomerisiert im Pikosekundenzeitbereich. Im Rahmen der Arbeit kann gezeigt werden, dass spezielle Hemithioindigo-Derivate als Peptidschalter zum Studium initialer Faltungsprozesse eingesetzt werden können. Diese Demonstration erfordert die detaillierte spektroskopische Analyse der Z/E-Isomerisierungsreaktionen des Moleküls. Die vorliegende Arbeit behandelt dabei die folgenden Fragestellungen: 1) Nach welchem Mechanismus läuft die Z/E-Isomerisierung von Hemithioindigo ab?} Die Kombination verschiedener spektroskopischer Techniken (Absorptions-, Emissions- und Infrarotspektroskopie) erlaubt es, den kinetischen Ablauf der photoinduzierten Isomerisierungsreaktionen zu verfolgen. Unter Ausnutzung aller erzielten Resultate kann ein detailliertes Reaktionsmodell der Pikosekundenreaktionen Z-E und E-Z aufgestellt werden. 2) Wie können bestimmte Charakteristika der Isomerisierung, beispielsweise die Reaktionszeit, kontrolliert werden? Es wird gezeigt, dass die Reaktionsraten der photoinduzierten Isomerisierungen durch Potentialbarrieren im elektronisch angeregten Zustand bestimmt werden. Polare Substituenten erlauben es, die Barrierenhöhe systematisch zu verändern. Diese Effekte können sogar quantitativ durch das Konzept der linearen freien Enthalpie-Beziehung, der Hammett-Gleichung, beschrieben werden. Auf diese Weise kann die Reaktionsgeschwindigkeit kontrolliert und für unbekannte Substanzen vorhergesagt werden. Die Auswirkungen der Substituenten-Effekte auf unterschiedliche Parameter werden diskutiert und in ein gemeinsames Reaktionsmodell eingebettet. 3) Stilben vs. Thioindigo: Welcher Bestandteil dominiert die dynamischen Eigenschaften von Hemithioindigo? Zur Klärung dieser Frage werden die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit mit Reaktionsmodellen von Stilben und Thioindigo verglichen. Es wird sehr deutlich, dass Hemithioindigo und Stilben in vielen Eigenschaften große Ähnlichkeiten aufweisen. 4) Sind Hemithioindigo-Derivate zur Untersuchung initialer Faltungsvorgänge in Chromopeptiden geeignet? Die Arbeit zeigt, dass Hemithioindigo-Aminosäuren als ultraschnelle mechanische Schalter in Peptidsystemen eingesetzt werden können. Dazu werden verschiedene auf Hemithioindigo basierende Pseudoaminosäuren und Chromopeptide vorgestellt. Untersuchungen dieser Modellpeptide zeigen, dass Hemithioindigo auch in Peptidstrukturen eine Isomerisierung ausführt und das Chromophor als spektroskopische Sonde für Peptidfaltungsprozesse genutzt werden kann. Hemithioindigo stellt somit eine vielversprechende Alternative zu bekannten molekularen Schaltern, wie z. B. Azobenzolderivaten, dar.