Projektleiter:

Frank Würthner
Institut für Organische Chemie
Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Am Hubland, 97074 Würzburg

Telefon: +49 931 31-85340
E-Mail: wuerthner@chemie.uni-wuerzburg.de

URL: http://www-organik.chemie.uni-wuerzburg.de/lehrstuehlearbeitskreise/wuerthner/

Hierarchische Organisation von Perylenbisimidfluorophoren zu multichromophoren Molekülverbänden und Photonikmaterialien

Perylenbisimide (PBI) stellen eine einzigartige Chromophorklasse dar, welche intensive Absorption, hohe Fluoreszenzquantenausbeuten von bis zu hundert Prozent, hervorragende thermische und photochemische Stabilität und exzellente n-Halbleitereigenschaften vereint. Das vorliegende Projekt widmet sich der Herstellung von 1D-Nano-, 2D-Oberflächen- und 3D-Volumenmaterialien aus PBI-Chromophoren, denen einhierarchischer Aufbau zugrunde liegt: Cyclische Molekülverbände aus mehreren Chromophoren werden mittels kovalenter Synthese hergestellt und auf der nächsten Hierarchieebene in komplexen Mustern organisiert (Honigwaben, Röhren), welche dann weitere Funktionsmoleküle und -partikel in den vorgegebenen Hohlräumen einschließen können (siehe Abbildung).

Konzept für eine hierarchische Selbstorganisation von cyclisch organisierten Perylenbisimidfluorophoren zu strukturierten zwei- und dreidimensionalen π-konjugierten Funktionsmaterialien.

Der diesem Projekt zugrunde liegende Leitgedanke des cyclischen multi-chromophoren Systems basiert auf na- türlichen Vorbildern, die sich in den photosynthetischen Lichtsammelsystemen der Purpur- und grünen Bakterien finden. Im Gegensatz zu den natürlichen Beispielen sollen die cyclischen Architekturen hier mittels kovalenter Synthesechemie erhalten werden. Die auf diesem Weg zugänglichen cyclischen Anordnungen versprechen eine vergleichsweise starre Positionierung der Chromophore, welche wohl definierte elektronische Kopplungsmuster erwarten lässt. Im nächsten Schritt werden diese cyclischen Architekturenunter dem Einfluss direktionaler nichtkovalenter Wechselwirkungen selbstassembliert. Ein Arbeitsschwerpunkt ist hier die Selbstassemblierung der Makrocyclen auf Graphitoberflächen (HOPG) und die Einlagerung weiterer Funktionsmoleküle in die entstehenden Waben, welche mittels Rastertunnelmikroskopie untersucht werden soll. Weitere Arbeiten sollen sich der Herstellung zweidimensionaler Netzwerke mittels Metallionen-vermittelter Selbstassoziation von zuvor mit exotopen Rezeptoren ausgestatteten Makrocyclen widmen.

Die Selbstorganisation der multichromophoren Makrocyclen in Lösung stellt einen weiteren Arbeitsschwerpunkt dar. Vergleichsweise starke π-π-Wechselwirkungen zwischen den Perylenbisimideinheiten liefern die Triebkraft für ein zunächst eindimensionales Wachstum zu Röhrenaggregaten, welches durch Konzentrationserhöhung oder Absenkung der Lösungsmittelpolarität induziert und mittels spektroskopischer Methoden verfolgt werden kann. Höher konzentrierte Lösungen können auch bereits in lyotrope Mesophasen übergehen, während die reinen Volumenmaterialien thermotrop-flüssigkristalline Eigenschaften erwarten lassen. Für die strukturelle Charakterisierung kommen insbesondere mikroskopische (AFM, REM, TEM, Polarisationsmikroskopie) und Röntgenbeugungsmethoden zum Einsatz. Derartig strukturierte Nano- und Volumenmaterialien sind bislang unbekannt, sollten sich aber für den gerichteten Transport photogenerierter Ladungsträger und von Exzitonen eignen, woraus sich zukünftige Anwendungen in der Photonik und Photovoltaik ergeben könnten.