Molekulare Mechanismen der C-C Kopplungsreaktionen: Ein mikroskopischer Einblick in die 'on-surface' chemischen Bindungsprozesse

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Doreen Mollenhauer; Professor Dr. André Schirmeisen; Professor Dr. Hermann A. Wegner
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417197256

Der kontrollierte Zusammenbau von komplexen, funktionalen Molekülen aus Einzelbausteinen dient ohne Zweifel als Leitvision für Forscher in den Nanowissenschaften, nicht zuletzt seit Feynman’s berühmter Feststellung, dass „noch viel Platz am Boden“ sei. In den letzten Jahrhunderten haben Chemiker eine solide Basis von mechanistischen Modellen aufgestellt, die den Verlauf verschiedener Reaktionen zur Konstruktion von Molekülen beschreiben. Erst kürzlich wurde gezeigt, wie man mittels CO-funktionalisierter AFM-Spitzen molekulare Strukturen mit atomarer Auflösung abbildet, wodurch die eindeutige Identifizierung von chemischen Bindungen möglich wurde. Seitdem können Wissenschaftler sogar feine strukturelle Änderungen, wie sie z.B. bei der ‚on-surface‘ Synthese auftreten, unterscheiden und letztlich die unterschiedlichen Reaktionspfade verstehen. Der Schlüssel zum Aufbau organischer (aromatischer) Strukturen ‚on-surface‘ liegt in der Kontrolle der Bildung und Reaktivität der radikalen Intermediate. Das Hauptziel dieses Projektes ist es daher, die Stabilität und Reaktivität der aromatischen Radikale anhand geeigneter ‚on-surface‘ Modellreaktionen zu erforschen. Das umfasst die Bildung der Radikale, mögliche Stabilisierung durch die Oberflächen und/oder organischen Intermediate, und weitere Reaktionen, wie z.B. Insertions-, Migrations- oder Umlagerungsreaktionen. Diese elementaren Prozesse sind der Schlüssel, um die Reaktionen zu verstehen, sie zu optimieren und letztlich allgemeingültige Regeln für organische Synthese auf Oberflächen aufzustellen. Um diese Punkte zu adressieren, wurde eine einfache Modellreaktion ausgewählt: Die Zyklisierung eines 1-Phenylnaphthalin Derivats zu Fluoranthen. Um die Projektziele zu erreichen, ist es essentiell in der Lage zu sein, jeden einzelnen Schritt des Reaktionspfades zu verfolgen und zu verstehen, von der Dehalogenisierung und Intermediat-Bildung bis hin zur Oberflächendiffusion. Wir kombinieren die Expertisen eine organischen Chemikers für die Synthese, mit der eines Rastersondenmikroskopie-Experten für die Abbildung als auch Manipulation der einzelnen organischen Molekülen und eines Theoretikers zum direkten Abgleich mit ab-initio Simulationen. Ziel ist es die vollständige Reaktionsdynamik der C-C Kopplung anhand eines repräsentativen organischen Moleküls zu entschlüsseln, einschließlich unterschiedlicher Halogenisierungen, Radikalbildung, isomerischer Effekte, sowie ein Verständnis der konkurrierenden Prozesse im Hinblick auf thermische Aktivierung zu erzielen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen