Synthese und Charakterisierung von Modellen für Photoschalter und elektronische Ventile

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Synthese von organischen Photoschalter-Modellen auf der Basis von mesoionischen Pyrimidinium-olaten und Bis(thienylperfluorocyclopentenen), sowie die Darstellung substituierter Biphenyl-Biradikale als Modelle für Ventil-Systeme im Sinne eines neuen Schalter-Ventil-Konzeptes.Aufbauend auf meiner Arbeit über mesoionische Pyrimidinium-olate wurde ein henkelverbrücktes Ansa-Mesoion mit einem 16-gliedrigen Makrocyclus, sowie drei mehrcyclische mesoionische Systeme synthetisiert und auf ihr Schaltverhalten hin untersucht. Das Ansa-Mesoion stellt ein erstes einfaches Modell für Schalter-Ventil-Konjugate dar. Zur Darstellung der photochromen Bis(thienylethene) wurden die aus der Literatur bekannten Syntheserouten nach Irie als auch nach Feringa auf neue Strukturen angewandt und die Schalteigenschaften der Bis(thienylethene) optisch nachgewiesen. Die Anordnung der reaktiven Endgruppen in den synthetisierten Verbindungen schafft ideale Voraussetzungen für eine große konformelle Änderung, welche im Schalter-Ventil-Konjugat erwünscht ist. Durch vielfaches Durchlaufen des Schaltprozesses (> 100 Cyclen) konnte die hohe Reversibilität des Schaltvorganges belegt werden.Als Ventilmodelle wurden mit stabilen Nitroxidradikalen substituierte Biphenyle verwendet, deren primärer konformativer Freiheitsgrad durch die Drehung um die Phenyl-Phenyl-Einfachbindung gegeben ist. Experimentelle ESR-Daten und deren Vergleich mit Spektrensimulationen bestätigten die Abhängigkeit der Austauschwechselwirkung J zwischen den Radikalen vom Biphenyldiederwinkel.

Aim of the current thesis was the synthesis and investigation of organic photoswitch models based on mesoionic pyrimidinium-olates and bis(thienylperfluorocyclopentenes), respectively, and substituted biphenyl biradicals as models for valve systems forming the basis of a new photoswitch-valve-concept.Based on my work on mesoionic pyrimidinium-olates, a bridged ansa-mesoion with a 16-membered macrocycle as well as three polycyclic mesoionic systems were synthesized and their optical switching behavior was investigated. The ansa-mesoion is a first simple model for photoswitch-valve-conjugates.Synthetic routes to the photochromic bis(thienylperfluorocyclopentenes) known from literature, like the Irie route or the Feringa route, could be applied to obtain new derivatives, whose switching properties were optically verified. Reactive endgroups form the ideal basis for a large conformational change upon switching, as desired in a switch-valve-conjugate. The pronounced reversibility of the switching process could be proven by multiple repetitions of the optical cycling (> 100 cycles).Nitroxide-biradical substituted biphenyl systems were used as valve models, whose primary conformational degree of freedom is given by the rotation around the phenyl-phenyl-single bond. EPR spectra in combination with their simulations confirmed the dependency of the exchange interaction J between electron spins of the spin probes on the biphenyl dihedral angle.