Licht- und Strombetriebene 4-Takt-Schubmotoren - die 2. Stufe beim Aufbau einer Molekül-Pumpe
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projekts wurde versucht, Licht- und Strom-betriebene 4-Takt-Schubmotoren herzustellen. Diese Motoren sollten als Kernstück eine chirale Klammer aufweisen, die die Unidirektionalität eines Redoxschalters, an dem sie gebunden ist, garantiert. An diese Redoxeinheit ist eine weitere Licht-induzierte Schalteinheit gebunden. Leider blieben alle Versuche, solch einen Motor herzustellen, erfolglos. In einigen Fällen war die Synthese des Motors nicht erfolgreich, in einem anderen Fall war die Reversibilität der Redoxeinheit nicht gegeben. Aufgrund dieser Misserfolge wurde das Aufbaukonzept des Motors umgedreht: Die chirale Klammer sollte die Unidirektionalität der Licht-induzierten Schalteinheit garantieren. An letztere wird die Redoxeinheit gebunden, die je nach Oxidationszustand gestreckt oder gewinkelt vorliegt. Diesem Konzept folgend konnten zwei neue unidirektionale Licht-induzierte Schalter, die einen zusätzlichen Substituenten für die Kupplung mit einen weiteren Schalter aufweisen, hergestellt werden. Einer der beiden Schalter weist noch eine weitere erstaunliche Eigenschaft auf: Da die Azobenzoleinheit in ein chirales Gerüst eingebettet ist, kann die Isomerisierung des Azobenzols nur durch einen Rotationsprozess, nicht aber durch eine Inversion an einem Stickstoffatom, ablaufen. Somit werden die Richtung und die Art der Bewegung vom chiralen Gerüst vorgegeben. Die Umsetzung eines dieser unidirektionalen Lichtschalter mit einer Thianthreneinheit führte dann zur erfolgreichen Synthese eines Licht- und Strom-betriebenen 4-Takt-Schubmotors. Die einzelnen Zustände dieses Motors konnten mittels quantenchemischen Rechnungen, NMR, UV- und CD-Spektroskopie charakterisiert werden. Der gesamte Schub-Zyklus wurde mittels CV-UV (Cyclovoltammetrie gekoppelt mit UV- Spektroskopie) beobachtet, wobei nach erfolgter Oxidation mit Licht einer Wellenlänge von 365 nm und nach der Reduktion mit Licht einer Wellenlänge von 405 nm eingestrahlt wurde. Die Zeit, um einen Zyklus zu durchlaufen, beträgt bei diesem Licht- und Strom-betriebene 4-Takt-Schubmotor 2.5 Minuten. Da die Zyklus-Zeit von 2.5 Minuten zu lange für eine potentielle Anwendung als Schubmotor ist, wurde nach alternativen, schnelleren Schubmotoren gesucht. Ein Konzept auf der Suche nach ultraschnellen Schubmotoren war das Design eines Motors, der nur durch drei Lichtimpulse angetrieben wird. Hierfür wurden zwei chirale Klammern mit zwei Azobenzoleinheiten überbrückt. Durch geeignete Bestrahlung konnten so alle drei isomere Zustände einer der beiden Azobenzoleinheiten (trans, cis-(M) und cis-(P)) durchlaufen werden. Eine zukünftige Modifikation einer Einheit und Einführung eines großen Substituenten sollte so zum gewünschten Ziel führen. Das zweite Konzept auf der Suche nach ultraschnellen Schubmotoren war die Entwicklung neuartiger Rotationen im angeregten Zustand. Die Idee hierbei ist einen Motor zu bauen, der nur einen Grundzustand im Zyklus aufweist; alle anderen Zustände sind instabil und zwischen ihnen sollen sich keine Aktivierungsbarrieren befinden. Im Zuge dieses Konzepts konnten wir die neuartigen PLICT- und PLATICT-Zustände beschreiben und einfache Vertreter dieser Verbindungen finden. Mit Hilfe einer geeigneten PLATICT-Verbindung sollte zukünftig der Bau (und der Nachweis) eines ultraschnellen Fluoreszenz-Schubmotors möglich sein.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Eine in ein Cyclopeptid eingebettete Azobenzol-Einheit als Schalter mit vorgegebener Richtung und Art der Bewegung“. Angew. Chem. 2013, 125, 8033-8036
G. Haberhauer, C. Kallweit, C. Wölper, D. Bläser
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„4,4’-Bipyridine as a Unidirectional Switching Unit for a Molecular Pushing Motor“. Chem. Eur. J. 2014, 20, 6358-6365
C. Kallweit, G. Haberhauer, S. Woitschetzki
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„Light and Chemically Driven Molecular Machines Showing a Unidirectional Four-State Switching Cycle“. J. Org. Chem. 2015, 80, 1887-1895
G. Haberhauer, C. Burkhart, S. Woitschetzki, C. Wölper
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„Planarized Intramolecular Charge Transfer: A Concept for Fluorophores with both Large Stokes Shifts and High Fluorescence Quantum Yields“. Chem. Eur. J. 2016, 22, 971-978
G. Haberhauer, R. Gleiter, C. Burkhart
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„A Light- and Electricity-Driven Molecular Pushing Motor“. Eur. J. Org. Chem. 2017, 1308-1317
C. Burkhart, G. Haberhauer
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„Planarized and Twisted Intramolecular Charge Transfer - A Concept for Fluorophores Showing Two Independent Rotations in Excited State“. Chem. Eur. J. 2017, 23, 9288-9296
G. Haberhauer
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„Switching Process Consisting of Three Isomeric States of an Azobenzene Unit“. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 9708-9713
A. Adam, G. Haberhauer
