Helikal verdrehte funktionelle chirale Nanostrukturen

• Antragsteller: Dr. Princekumar Ravat
• Fachliche Zuordnung: Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448604676

Helikal verdrehte π-konjugierte Moleküle, insbesondere Helicene und Twistacene, stellen eine einzigartige Klasse polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe dar, die es ermöglicht, Phänomene zu untersuchen, die sich aus dem Zusammenspiel von axialen Chiralität und einzigartigen opto-elektronischen Eigenschaften ergeben. Unter dem Gesichtspunkt möglicher Anwendungen sind die Eigenschaften chiraler Helicene und Twistacene – wie z. B. Circulardichroismus und CPL – für zukünftige Displaytechnologien, die Photonik und 3D-Anzeige sowie bioresponsive Bildgebung von Interesse. Beide Molekülklassen sind mittlerweile sehr gut erforscht und zahlreiche Synthesemethoden und strukturelle Modifikationen für verschiedene Anwendungen wurden untersucht. Dennoch bleibt die Herausforderung bestehen, diese „proof-of-principle“-Konzepte auf das Potential für Anwendungen in der realen Welt zu untersuchen und vor allem das grundlegende Verständnis der physikalischen Chemie dieser molekularen Systeme zu verbessern, wenn ihre Strukturen in nanometergroße Domänen ausgedehnt werden. Zu Projekten, die dieses Verständnis verbessern könnten, gehören: (i) HOMO–LUMO-Energielückenabstimmung von Helicenen unter Beibehaltung ihrer chiroptischen Eigenschaften. (ii) Isolierung von Twistacenen in enantiomerenreiner Form und mit ausreichender Stabilität bei Normalbedingungen. (iii) Systematische Untersuchung des Effekts der π-Verlängerung in Helicenen/Twistacenen mit unterschiedlichen Geometrien auf deren (chir)optische Reaktionen. (iv) Synthese neuartiger enantiomerenreiner, helikal verdrillter molekularer Drähte oder Bänder. Um den oben genannten Herausforderungen zu begegnen, schlage ich folgenden Forschungsplan vor: (1) eine Bottom-Up-Synthese von strukturell gut definierten helikal verdrehten Funktionsmolekülen, nämlich (i) Nanodrähten und (ii) Nanobändern. Basierend auf vorläufigen DFT-Berechnungen beabsichtige ich, [n]Helicene als „molekularen Schraubenschlüssel“ einzusetzen, um die Konformation und Stereodynamik von spiralförmig verdrillten Drähten und Bändern zu steuern. (2) Daher soll eine systematische Untersuchung synthetisierter Moleküle mittels stationärer und zeitaufgelöster Spektroskopie – unterstützt durch DFT-Berechnungen – durchgeführt werden, um einen Einblick in deren Struktur-Eigenschafts-Beziehung zu erhalten und die Effekte zu analysieren, die sich aus der Verbindung von Chiralität und optoelektronischen Eigenschaften ergeben können. Beispielsweise soll untersucht werden, wie sich die HOMO-LUMO-Energielücke, die optische Rotation, die CD- und CPL-Eigenschaften durch die Erweiterung der π-Konjugation und Helizität in verschiedenen Dimensionen (und der Symmetrie) verändern/abstimmen lassen. (3) Untersuchung des Potenzials dieser Nanostrukturen für Anwendungen in der organischen Elektronik und zur Untersuchung physikalischer Phänomene, nämlich durch Chiralität induzierte Spin-Selektivität und magneto-chirale Anisotropie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen