Computerbasierte und einzelmolekulare Untersuchungen zur Rolle der Präaggregation in der rhodaminbasierten organischen Photokatalyse

• Antragsteller: Professor Dr. David Egger; Professor Dr. John Lupton
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439215932

In der Photokatalyse werden chemische Reaktionen mit sichtbarem Licht ermöglicht, was ein großes Anwendungspotential in der Lösung hochaktueller Umweltfragen birgt. Dieses Projekt schlägt vernetzte computerbasierte, spektroskopische und synthetische Untersuchungen der organischen Photokatalyse des Rhodaminmoleküls vor. Rhodamin-6G (Rh-6G) ist ein hervorragend charakterisierter Farbstoff, für welchen erst kürzlich eine konsekutive Photoelektronentransferreaktion (konPET Reaktion) entdeckt wurde, die via Absorption von zwei Photonen eine Reaktion in organischen Substratmolekülen auslöst. Rh-6G ist in kommerziellen Maßstäben vorhanden, sodass rhodaminbasierte organische Photokatalyse in industriell-relevanten Größenordnungen vorstellbar ist. Unsere bisherigen Ergebnisse zeigen eine Präaggregation zwischen Rh-6G und Substrat, was wichtige Konsequenzen für die photokatalytische Ausbeute haben könnte. Die zu Grunde liegenden mikroskopischen Mechanismen dieses Effekts und dessen Rolle in der konPET Reaktion des Rh-6G sind jedoch unbekannt.Das übergreifende Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines mikroskopischen Verständnisses der Dynamik in der organischen Photokatalyse des einzelnen Rh-6G Moleküls. Wir werden geometrische und dynamische Effekte in dessen photokatalytischen Reaktionen untersuchen, wie z.B. die Präaggregation zwischen Rh-6G und Substratmolekül. Unsere erste Zielsetzung ist die Quantifizierung der Wechselwirkungen des Rh-6G–Substrat Komplexes mit konzertierten theoretischen und spektroskopischen Untersuchungen, welche den weiten Parameterraum der Reaktion, inklusive der Testung verschiedener Substrate und Lösungsmittel, ergründen sollen. Unsere zweite Zielsetzung soll neuartige Einsichten in die Energie- und Zeitskalen der konPET Reaktion des Rh-6G Moleküls mittels nichtadiabatischer Berechnungen und durchstimmbarer Zweiphotonenspektroskopie ermöglichen. Die vorgeschlagene Kombination computerbasierter Berechnungen mit Einzelmolekülspektroskopie wird die Verteilung der Lichtenergie im molekularen Komplex sowie den Einfluss von Präaggregationeffekten im angeregten Zustand untersuchen. Wir erwarten, dass unsere Forschungsergebnisse zu Optimierungsvorschlägen der Reaktionsbedingungen führen werden, welche die Effizienz der rhodaminbasierten organischen Photokatalyse verbessern könnten. Darüber hinaus umfasst dieses Projekt Verbesserungen in der theoretischen und experimentellen Methodik. Auf theoretischer Seite werden wir ein Verfahren entwickeln, welches auf Basis eines systemoptimierten – aber nichtempirischen Schemas – den Bereichsparameter in hybrider Dichtefunktionaltheorie einstellt, um eine genauere Berechnung nuklearer Kräfte und nichtadiabatischer Kopplungen im angeregten Zustand zu ermöglichen. Experimentell planen wir den Pool potentieller Reaktionsmittel zu vergrößern, indem wir mittels Synthese organische Gruppen entwickeln, die eine Anwendung unserer Methoden in organischen Lösungsmitteln statt Wasser möglich machen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen