Perylene Bisimide Atropisomers : Synthesis and Optical and Chiroptical Properties

Perylenbisimid Atropisomere: Synthese, Optische und Chiroptische Eigenschaften

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  • The covalent linkage of the aryloxy-substituents through macrocyclisation was applied for the synthesis of perylene bisimide atropo-enantiomers. The synthesis of macrocyclic perylene bisimides was achieved by using a tetra(3-hydroxyphenoxy)-functionalized perylene bisimide with achiral 2,6-diisopropylphenyl as imide substituent through Williamson´s etherfication which could be realized for four different oligoethylene glycol bridging units. Two regioisomeric macrocycles, namely the diagonally bridged (1,7- and 6,12- linkage) and the laterallyThe covalent linkage of the aryloxy-substituents through macrocyclisation was applied for the synthesis of perylene bisimide atropo-enantiomers. The synthesis of macrocyclic perylene bisimides was achieved by using a tetra(3-hydroxyphenoxy)-functionalized perylene bisimide with achiral 2,6-diisopropylphenyl as imide substituent through Williamson´s etherfication which could be realized for four different oligoethylene glycol bridging units. Two regioisomeric macrocycles, namely the diagonally bridged (1,7- and 6,12- linkage) and the laterally bridged (1,12- and 6,7-linkage) isomers, were obtained for each bridging unit. The structural assignment of the isolated regioisomeric macrocycles was unambiguously accomplished by X-ray analysis of two macrocycles and by 1H NMR spectroscopy for all isomers. The conformational influence of the aryloxy-substituents on the functional properties of this class of chromophores could be derived by comparison of the optical and electrochemical properties of all isolated macrocylces with those of an open-chained reference compound. It was shown that the aryloxy-substituents prefer a lateral conformation in solution. Furthermore, solvent dependent fluorescence studies indicated that a photoinduced electron transfer process is of importance for the fluorescence quenching of electron-rich aryloxy-substituted perylene bisimides. The resolution of the atropo-diastereomers of diagonally bridged macrocyclic perylene bisimides with chiral 2-(R)-octylamine as imide substituent and diethylene glycol bridging units could be accomplished by semi-preparative HPLC on a chiral column. The chiroptical properties of the isolated epimerically pure macrocycles were determined by CD spectroscopy. Based on the experimental CD spectra, the stereochemical assignment of the isolated epimers was accomplished by application of the excition chirality method and confirmed by quantum chemical calculation of the CD spectra. The synthetical concept was extended successfully to 1,7-diaryloxy-substituted perylene bisimides. The structure of the diagonally bridged macrocycle was unambiguously confirmed by X-ray analysis and NMR spectroscopy. The atropo-enantiomers of this macrocycle could be resolved by semi-preparative HPLC on a chiral column and the assignment of the absolute configuration was achieved by comparison of the CD spectra of the resolved enantiomers with those of epimerically pure bis(macrocycles) reported before. By comparison of the X-ray structures obtained for the racemic mixture as well as one enantiomer important information could be extracted for the formation of p-dimers of perylene bisimides. The dependence of the interconversion barrier on the bulkiness of the bay-substituents was investigated for four halogen-substituted perylene bisimides. The dynamic properties were investigated by temperature-dependent NMR spectroscopy and kinectic measurements using CD spectroscopy. By applying the concept of the “apparent overlap” a convincing linear relationship between the size of the substituents and the free enthalpy of activation could be derived. Furthermore, the resolution of the atropo-diastereomers or enantiomers of the tetrachloro and tetrabromo-substituted derivates was accomplished, whereupon especially the 1,6,7,12-tetrabromosubstituted perylene bisimide provided at room temperature stable enantiomers. Additionally, the derived structure-property relationship allows the design of conformationally stable perylene bisimide enantiomers by proper choice of the bay substituents. In order to utilize the reversibility of self-assembly for the quantitative formation of macrocyclic perylene bisimides, a tetrazinc porphyrin-functionalized perylene bisimide was synthesized. The self-assembly of the zinc porphyrin perylene bisimide bichromophoric building block and diazabicyclo-[2.2.2]-undecane into the desired 1:2 sandwich complex was investigated by UV/Vis and 1H NMR spectroscopy and the macrocyclic structure was unequivocally proven by diffusion-ordered NMR spectroscopy (DOSY NMR). Furthermore, the controlled deposition of these well-defined macrocycles on highly ordered pyrolitic graphite (HOPG) was demonstrated by atomic force microscopy (AFM) investigations. The alignment of a linear amino functionalised p-conjugated polymers upon addition of the bichromphoric tetrazinc porphyrin-perylene bisimide was investigated by UV/Vis spectroscopy and AFM measurement. The surface analysis by AFM investigations revealed that the bichromophoric system composed of perylene bisimide and zinc porphyrin is able to cross-link the linear p-conjugated polymer over a wide range of the graphite surface which provided a defined arrangement of three different functional p-systems.show moreshow less
  • Zur Herstellung von atropo-enantiomeren Perylenbisimiden wurde die kovalente Verknüpfung von Aryloxysubstituenten durch Makrocyclisierung eingesetzt. Die Darstellung makrocyclischer Perylenbisimide erfolgte ausgehend von einem vierfach (3-Hydroxyphenoxy)-funktionalisierten Perylenbisimid mit achiralen 2,6-Diisopropylphenylsubstituenten an den Imidpositionen durch Williamsonsche Ethersynthese. Die Synthese konnte für vier unterschiedliche Oligoethylenglykol-Kettenlängen realisiert werden, wobei für jede Brückenlänge jeweils zwei regioisomereZur Herstellung von atropo-enantiomeren Perylenbisimiden wurde die kovalente Verknüpfung von Aryloxysubstituenten durch Makrocyclisierung eingesetzt. Die Darstellung makrocyclischer Perylenbisimide erfolgte ausgehend von einem vierfach (3-Hydroxyphenoxy)-funktionalisierten Perylenbisimid mit achiralen 2,6-Diisopropylphenylsubstituenten an den Imidpositionen durch Williamsonsche Ethersynthese. Die Synthese konnte für vier unterschiedliche Oligoethylenglykol-Kettenlängen realisiert werden, wobei für jede Brückenlänge jeweils zwei regioisomere Makrocyclen, nämlich das diagonal verbrückte (1,7- und 6,12-Verküpfung) und das seitlich verbrückte Isomer (1,12- und 6,7- Verknüpfung), isoliert werden konnten. Die strukturelle Zuordnung der isolierten Makrocyclen zu einem der beiden Regioisomeren gelang zweifelsfrei anhand von Röntgenstrukturanalysen für zwei Makrocyclen und 1H NMR-Spektroskopie für alle Isomere. Der konformative Einfluß der Aryloxy-Substituenten auf die funktionenellen Eigenschaften dieser Farbstoffklasse konnte durch Vergleich der optischen und elektrochemischen Eigenschaften aller isolierter Makrocyclen mit einer offenkettigen Referenzverbindung abgeleitet werden. Hierbei zeigte sich, dass die Aryloxy-Substituenten dieser Farbstoffe in Lösung bevorzugt in einer horizontalen Konformation vorliegen. Durch lösungsmittelabhängige Fluoreszenzmessungen konnte gezeigt werden, dass ein photoinduzierter Elektronentransferprozess für die Fluoreszenzlösung elektronenreicher Aryloxy-Substituenten von Bedeutung ist. Die Trennung der Atropo-Diastereomere konnte für eine diagonal überbrückte makrocyclische Verbindung mit chiralen 2-(R)-Octylamin Imidsubstituenten und Diethyleneglykol als Brückenkette mittels semi-preparativer HPLC an einer chiralen stationären Phase realisiert werden. Die chiroptischen Eigenschaften der isolierten epimerenreinen Makrocyclen wurden mittels CD-Spektroskopie untersucht. Die Zuordnung der absoluten Stereochemie konnte anhand der erhaltenen CD-Spektren durch Anwendung der „Theorie der excitonischen Kopplung“ abgeleitet und durch quantenchemische Berechnung der CD-Spektren bestätigt werden. Dieses Synthesekonzept wurde auf 1,7-diaryloxy-substituierten Perylenbisimide erweitert. Die Struktur der erhaltenen diagonal verbrückten monocyclischen Verbindung konnte erneut durch NMR-Spektroskopie und Röntgenstrukturanalyse eindeutig bestimmt werden. Die Trennung der Atropo-Enantiomere gelang mittels semi-preparativer HPLC an einer chiralen stationären Phase. Die Zuordnung der Stereochemie konnte anhand des Vergleichs der CD-Spektren mit den zuvor für epimerenreine Bismakrocyclen erhaltenen CD-Spektren realisiert werden. Anhand der Röntgenstrukturanalysen sowohl der racemischen Mischung als auch eines Atropo-Enantiomers ließen sich bedeutende Informationen über die p-Dimerisierung von Perylenbisimiden ableiten. Die Abhängigkeit der Razemisierungsbarriere von der Größe der Bay-Substituenten wurde für vier halogensubstituierte Derivate untersucht. Die dynamischen Eigenschaften wurden mittels temperaturabhängiger NMR-Spektroskopie und kinetischer Messungen mittels CD-Spektroskopie bestimmt. Unter Anwendung des „Apparent Overlap“-Konzeptes konnte eine überzeugende lineare Beziehung zwischen der Größe der Substituenten und der Inversionsbarriere hergestellt werden. Darüber hinaus war es möglich die Atropo-Diastereomere bzw. Enantiomere der tetrachlor- und tetrabrom-substituierten Derivate zu trennen, wobei vor allem das 1,6,7,12-tetrabrom-substituierte Perylenbisimid stabile Enantiomere bei Raumtemperatur lieferte. Die abgeleitete Struktur-Eigenschaftsbeziehung sollte zukünftig die Herstellung von stabilen Enantiomeren durch geeignete Wahl der Substituenten in den Bay-Positionen ermöglichen. Um die Reversibilität der Selbstorganisation zur quantitativen Synthese makrocyclischer Perylenbisimide ausnützen zu können, wurde ein tetra(zinkporphyrin)-funktionalisiertes Perylenbisimid synthetisiert. Die Ausbildung des angestrebten 1:2-Sandwichkomplexes aus Tetra-Zinkporphyrin-Perylenbisimid und Diazabicyclo-[2.2.2]-undecan wurde mittels UV/Vis und 1H NMR Spektroskopie untersucht und die makrocyclische Struktur des Komplexes konnte mittels diffusionsabhängiger NMR Spektroskopie (DOSY NMR) eindeutig bewiesen werden. Weiterhin konnte mittels rasterkraftmikroskopischer (AFM) Untersuchungen gezeigt werden, dass diese funktionellen makrocyclischen Verbindungen sehr geordnet auf einer Graphitoberfläche (HOPG) abgeschieden werden können. Die Ausrichtung eines amino-funktionalsierten p-konjugierten Polymers durch Zugabe des bichromphoren Tetra-Zinkporphyrin-Perlyenbisimids wurde mittels UV/Vis-Spektroskopie und AFM-Messungen untersucht. Die Oberflächenanalyse mittels AFM zeigte, dass die bichromophore Verbindung die linearen p-konjugierten Polymere über weite Teile der Oberfläche auszurichten vermag, so dass eine definierte Anordnung von drei p-Systemen auf der Graphitoberfläche ermöglicht wurde.show moreshow less

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Metadaten
Author: Peter Uwe Osswald
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-23248
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Chemie und Pharmazie
Faculties:Fakultät für Chemie und Pharmazie / Institut für Organische Chemie
Date of final exam:2007/06/14
Language:English
Year of Completion:2007
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Tag:Atropisomere; Farbstoffe; Perylenbisimid; optische Eigenschaften
atropisomer; dyes; optical properties; perylene bisimide
Release Date:2008/01/17
Advisor:Prof. Dr. Frank Würthner