Entwicklung von molekularen Photoschaltern zur effektiven Steuerung des pH-Werts wässriger Lösungen durch sichtbares Licht

• Antragsteller: Dr. Benjamin Koeppe
• Fachliche Zuordnung: Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279617770

Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung von bestimmten chemischen Verbindungen, hier sog. pH-Photoschaltern, deren wässrige Lösungen unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht Veränderungen des pH-Werts erfahren, wobei diese pH-Veränderung durch Variation der Wellenlänge des Lichts umkehrbar ist. Eine Steuerung des pH-Werts durch Bestrahlung mit Licht, die in hoher räumlicher wie zeitlicher Auflösung möglich ist, hat zahlreiche potenzielle Anwendungen in Forschung und Technik, da sehr viele biologische und technische Prozesse pH-abhängig sind und mit Hilfe solcher pH-Photoschalter indirekt durch Licht steuerbar werden, auch wenn sie primär nicht lichtabhängig sind. Allerdings weisen alle bisher bekannten Substanzen zur reversiblen pH-Modulation durch Licht starke Beschränkungen auf und haben keine breite Anwendung gefunden. Typische Beschränkungen, deren Überwindung das Kernziel dieses Vorhabens ist, sind geringe oder zeitlich sehr kurze Variationen des pH-Werts und die Notwendigkeit von UV-Licht. Von den bekannten Photochromen erscheinen die Gruppe der indigoiden Farbstoffe, besonders Thioindigo-Derivate, für die Konzeption neuer pH-Photoschalter in mehrfacher Hinsicht prädestiniert. Thioindigo-Derivate existieren in zwei unterschiedlichen geometrischen Anordnungen (trans- und cis-Isomere), die durch Bestrahlung mit sichtbarem Licht ineinander umgewandelt werden können, wobei die zusätzlich ablaufende spontane Umwandlung zum trans-Isomer bei Raumtemperatur üblicherweise mit einer Halbwertszeit von einigen Stunden abläuft. Die Veränderung der räumlichen Anordnung kann dazu genutzt werden, die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen (H-Brücken) zwischen sauren oder basischen Gruppen innerhalb des Moleküls zu steuern. Solche H-Brücken modulieren die Säurestärke des Moleküls und können den pH-Wert der Lösung um mehrere Einheiten verändern. Eine wesentliche Herausforderung bei der Umsetzung des Konzepts liegt im Entwurf molekularer Strukturen, die die isomerenspezifische Bildung möglichst starker intramolekularer H-Brücken ermöglichen, um die Änderung der Säurestärke zu maximieren und darin, eine gute Löslichkeit der Farbstoffe in Wasser zu erreichen. Nach den chemischer Synthesen der Substanzen, die sich voraussichtlich vollständig mit etablierten Techniken realisieren lassen, kommt neben der UV-Vis-spektroskopischen Untersuchung der Photo- und Säure-Base-Chemie der Farbstoffe vor allem der Charakterisierung der H-Brücken, vornehmlich mittels NMR-Spektroskopie, große Bedeutung für die Optimierung der Molekülstrukturen zu.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen