Planare und schalenförmige elektronenarme polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Würthner
• Fachliche Zuordnung: Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 377001809

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wurde eine konvergentere Synthesemethode für Imid-funktionalisierte polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs) entwickelt, deren Anwendungen anschließend in verschiedenen Bereichen erforscht wurden. Die erste Phase konzentrierte sich auf die Optimierung einer [3+3]-Anellierungsreaktion zur Synthese von mit Imidsubstituenten funktionalisierten PAKs, wobei Herausforderungen wie die Erweiterung des Substratbereichs und die Einführung sterisch anspruchsvoller N-Substituenten überwunden wurden. Die erfolgreiche Synthese diverser planarer und schalenförmiger Nanographene inklusive des ersten Kohlenstoff-Nanokegels wurde erreicht. In der zweiten Phase wurde das Projekt erweitert, indem die Bildung von Donor-Akzeptor-Komplexen, mehrlagigen PAK-Aggregaten sowie eines neuen Nanographen-Multiimids, welches einen Hohlraum aufweist, erschlossen wurden. Diese supramolekulare Komplexe sind aussichtsreich für Anwendungen in der Materialwissenschaft, organischen Elektronik und Optoelektronik. So zeigten die synthetisierten PAKs vielversprechende Eigenschaften für Anwendungen als organischer Halbleiter, mit hohen Absorptionskoeffizienten, Stabilität und geeigneten Energieniveaus für einen effizienten Ladungstransport. Besonders bemerkenswert ist, dass mehrere der Imidfunktionalisierten PAKs als Elektronenakzeptormaterialien in organischen Solarzellen hohe Wirkungsgrade für die Energieumwandlung von Sonnenlicht in Strom ermöglichten. Das neue mit einem Loch (“Benzol-Defekt”) versehene Nanographen wurde für Anionenbindungsstudien eingesetzt, welche die Aufklärung des Durchtritts von Halogenidionen durch das Loch ermöglichten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Electron-Poor Bowl-Shaped Polycyclic Aromatic Dicarboximides: Synthesis, Crystal Structures, and Optical and Redox Properties. Organic Letters, 19(19), 5328-5331.
  Shoyama, Kazutaka; Schmidt, David; Mahl, Magnus & Würthner, Frank
  
• A General Synthetic Route to Polycyclic Aromatic Dicarboximides by Palladium-Catalyzed Annulation Reaction. The Journal of Organic Chemistry, 83(10), 5339-5346.
  Shoyama, Kazutaka; Mahl, Magnus; Seifert, Sabine & Würthner, Frank
  
• Tetrachlorinated Polycyclic Aromatic Dicarboximides: New Electron‐Poor π‐Scaffolds and NIR Emitters by Palladium‐Catalyzed Annulation Reaction. Chemistry – A European Journal, 24(37), 9409-9416.
  Mahl, Magnus; Shoyama, Kazutaka; Rühe, Jessica; Grande, Vincenzo & Würthner, Frank
  
• Palladium-Catalyzed [3+2] Annulation of Naphthalimide Acceptors and Thiophene Donors. The Journal of Organic Chemistry, 85(1), 142-149.
  Shoyama, Kazutaka; Mahl, Magnus; Niyas, M. A.; Ebert, Markus; Kachler, Valentin; Keck, Christoph & Würthner, Frank
  
• Self‐Assembly of Bowl‐Shaped Naphthalimide‐Annulated Corannulene. ChemistryOpen, 9(1), 32-39.
  Renner, Rebecca; Stolte, Matthias & Würthner, Frank
  
• Synthesis of a Carbon Nanocone by Cascade Annulation. Journal of the American Chemical Society, 141(33), 13008-13012.
  Shoyama, Kazutaka & Würthner, Frank
  
• Base‐Assisted Imidization: A Synthetic Method for the Introduction of Bulky Imide Substituents to Control Packing and Optical Properties of Naphthalene and Perylene Imides. Angewandte Chemie International Edition, 59(32), 13401-13405.
  Mahl, Magnus; Shoyama, Kazutaka; Krause, Ana‐Maria; Schmidt, David & Würthner, Frank
  
• Bowl-Shaped Naphthalimide-Annulated Corannulene as Nonfullerene Acceptor in Organic Solar Cells. Organic Materials, 02(03), 229-234.
  Menekse, Kaan; Renner, Rebecca; Mahlmeister, Bernhard; Stolte, Matthias & Würthner, Frank
  
• NIR‐Absorbing π‐Extended Azulene: Non‐Alternant Isomer of Terrylene Bisimide. Angewandte Chemie International Edition, 59(37), 15908-15912.
  Pigulski, Bartłomiej; Shoyama, Kazutaka & Würthner, Frank
  
• Synthesis of polycyclic aromatic hydrocarbons by palladium-catalysed [3 + 3] annulation. Organic Chemistry Frontiers, 7(19), 2925-2930.
  Pigulski, Bartłomiej; Ximenis, Marta; Shoyama, Kazutaka & Würthner, Frank
  
• Fluorescence Enhancement by Supramolecular Sequestration of a C54-Nanographene Trisimide by Hexabenzocoronene. Journal of the American Chemical Society, 144(13), 5718-5722.
  Pigulski, Bartłomiej; Shoyama, Kazutaka; Sun, Meng-Jia & Würthner, Frank
  
• Multilayer stacks of polycyclic aromatic hydrocarbons. Nature Chemistry, 14(4), 457-462.
  Mahl, Magnus; Niyas, M. A.; Shoyama, Kazutaka & Würthner, Frank
  
• Supramolecularly Engineered Bulk‐Heterojunction Solar Cells with Self‐Assembled Non‐Fullerene Nanographene Tetraimide Acceptors. Solar RRL, 7(2).
  Menekse, Kaan; Mahl, Magnus; Albert, Julius; Niyas, M. A.; Shoyama, Kazutaka; Stolte, Matthias & Würthner, Frank
  
• C64 Nanographene Tetraimide—A Receptor for Phthalocyanines with Subnanomolar Affinity. Angewandte Chemie International Edition, 62(25).
  Niyas, M. A.; Shoyama, Kazutaka & Würthner, Frank
  
• Naphthalimide-Annulated [n]Helicenes: Red Circularly Polarized Light Emitters. Journal of the American Chemical Society, 145(17), 9886-9894.
  Tian, Xiaoqi; Shoyama, Kazutaka; Mahlmeister, Bernhard; Brust, Felix; Stolte, Matthias & Würthner, Frank
  
• Naphthalimide-Fused Subphthalocyanines: Electron-Deficient Materials Prepared by Cascade Annulation. ACS Materials Letters, 5(2), 543-548.
  Labella, Jorge; Shoyama, Kazutaka; Guzmán, David; Schembri, Tim; Stolte, Matthias; Torres, Tomás & Würthner, Frank
  
• Nitrogen-doped polycyclic aromatic hydrocarbons by a one-pot Suzuki coupling/intramolecular SNAr reaction. Chemical Science, 14(2), 284-290.
  Tian, Xiaoqi; Shoyama, Kazutaka & Würthner, Frank
  
• Room‐Temperature Near‐Infrared Phosphorescence from C64 Nanographene Tetraimide by π‐Stacking Complexation with Platinum Porphyrin. Angewandte Chemie International Edition, 63(33).
  Niyas, M. A.; Garain, Swadhin; Shoyama, Kazutaka & Würthner, Frank
  
• Ternary π–π Stacking Complexes by Allosteric Regulation in Multilayer Nanographenes. Journal of the American Chemical Society, 146(43), 29728-29734.
  Niyas, M. A.; Shoyama, Kazutaka & Würthner, Frank
  
• Bilayer nanographene reveals halide permeation through a benzene hole. Nature, 637(8047), 854-859.
  Niyas, M. A.; Shoyama, Kazutaka; Grüne, Matthias & Würthner, Frank
  
• Convergent synthetic approaches to polycyclic aromatic dicarboximides. Organic Chemistry Frontiers, 12(1), 328-345.
  Shoyama, Kazutaka & Würthner, Frank