Photons as Reaction Initiator: Elucidation of Visible Light Activated Catalyst – Substrate and Dye – Dye Interactions

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2021-10-11
Issue Year
2021
Authors
Henkel, Christian
Editor
Abstract

Most probably, the rapidly advancing global mean temperature rise is the most pressing challenge, human society ever faced. In accordance to current scientific and technical knowledge, mean temperature increase is related to man-made emission of so called “greenhouse gases”. In order to deflate the massive negative impacts global warming causes, foremost energy generation as well as production sector has to steadily transform to become more sustainable. Hereby, two hand-in-hand going approaches are proposed: On the one hand, a change-over towards preferable utilization of renewable energy sources at the simultaneous renunciation of fossil fuels. On the other hand, traditional industry processes have to be organized more efficient in order to become less energy demanding at unvaryingly or even enhanced productivity. Amongst many other debatable possibilities, especially the energy demanding chemistry branch as well as raw material producing/processing heavy industry exhibit some remarkable entry points for far-reaching and innovative changes. In this context, catalysis in general and photocatalysis in particular provides some benefits: First of all, hereby a reduction in energy demand to drive chemical reactions is enabled. Up to now, only a few photochemical synthesis methods find their application in production chains on an industrial scale. The share of (visible) light-induced transformations will most likely rise in modern production facilities, since production is strived to become more energy efficient. To enable this goal, the necessity is given to further develop photocatalytic processes. To this end, systematic investigations may come into effect, which build upon established knowledge and expand the comprehension of the operating processes. Photochemistry, however, is known to spring some surprises already since its establishment as an independent field more than hundred years ago. As such, the outcome of photochemical driven reaction paths are still hard to predict. By the exploitation of (visible) light-induced transformations possibilities towards the formation of product structures, which are hitherto difficult to access or even unprecedented, is provided. Based on this, the synthesis of highly complex molecular structures may simplify by application of photochemical synthesis routes. Once more, the possibility is provided to pare resources down. Moreover, the utilization of visible light as reaction initiator serves as a mild alternative to established synthesis routes. But, how to make use of serendipity during the development of new synthesis routes? With the help of different screening approaches developed and optimized specifically for this purpose, a wide variety of reaction conditions and molecule combinations are tested for unforeseen interactions. Such screening methodologies, which constitute the starting point of many investigations described in the present dissertation, are based on the principle of knowledge-driven serendipity. For this purpose, systematically structured, combinations of different photocatalysts and substrate classes are used. High sample throughput is of utmost importance in these methods to identify novel reaction paths and/or product structures as efficiently as possible. Nevertheless, in order to fully implement novel (visible) light-induced transformations into industrial process chains and their further development it is essential to understand the processes ultimately leading to product formation as precisely as possible. For this purpose, the presented investigations link elaborated possibilities of (organic) analytics as well as physicochemical methods. Invigorated in such a way, the synergistically driven knowledge gain unfolds a completely new potential. The investigations described in course of this dissertation focus primarily on a detailed mechanism elucidation of novel reaction pathways using (time-resolved) optical spectroscopy techniques. With the help of these methods, pioneering work in step-by-step tracing of the underlying processes in the young field of triplet-triplet energy transfer catalysis is enabled. It is worth mentioning that most of the examined reactions were only discovered by means of recently established screening approaches. In a first attempt, mechanism elucidation of disulfide cleavage initiated by visible light and the subsequent addition of thereby resulting thiyl radicals to olefins lays the foundation for further investigations. Additionally, different [2+2]cycloadditions were enabled by triplet-triplet energy transfer catalysis. Decoding of their respective reaction sequences was henceforth subject of spectroscopically investigations. Furthermore, reaction pathways based on visible light-initiated photoredox-catalysis, were examined. These reactions originate in the reduction or oxidation of the substrate by an excited photocatalyst and are, therefore, based on electron transfer processes. From here, subsequent reactions ultimately resulting in product formation occur. Once more, a screening experiment attracted attention towards a promising reaction approach, namely the addition of alkyl radicals to either C=C or C=O double bonds of unsaturated carbonyls. Radicals are typically prone to undergo uncontrolled addition reactions. In the present case, however, radical addition is directed in selective way to form only one product. For this reason, the focus of the study is placed on the question about the factors that are responsible for the rather unexpected gain of selectivity control and how these mechanisms are applicable in future purposes. All of the aforementioned reactions are driven by iridium-centered complexes. Other dyes are also suitable as photocatalyst. As such, another innovative approach is based on the use of noble metal porphyrins. These are surface-immobilized onto the common semiconductor titanium dioxide. The system gives rise to hydrogen generation initiated by visible light. In this context, it is assumed that the photon-driven proton reduction is based on a series of electron transfer processes, simply by the nature of this reaction. Main objective of the described study is how the detected hydrogen generation proceeds. The last part of the present dissertation differs from mechanism elucidation of (organic) reactions. Albeit different dyes are immobilized onto metal oxide nanoparticle surfaces, too, the research interest is focused to their interactions between each other. For this purpose, electronically insulating aluminum oxide serves as supporting material. Pyrene and perylene bisimide derivatives are used as optically active probes to shed light on the respective surface morphologies. How surface attached organic molecules build up self-assembling monolayers is, however, still subject of various investigations. Research also focuses on well-defined surface structures possessing fine-tunable as well as customizable properties. Moreover, a profound understanding of the (electronic) interactions between the ordered organic monolayers is of utmost importance for future applications of these multifunctional materials. The knowledge and experience obtained from these projects pinpoint elaborated possibilities for the analysis of surface morphologies and thus the structure of self-assembling monolayers of newly developed multifunctional materials. This should pave the way for an overall simplified and predictable production of fine-tunable high-performance materials. Progress in energy-efficient photocatalytic driven synthesis approaches in combination with in-depth understanding of their underlying processes helps to establish large-scale application in a future-oriented and sustainable production sector. Moreover, the development of novel multifunctional materials will eventually enable energy savings, previously considered as impossible, in order to counteract the rise in average global temperature.

Abstract

Die Abschwächung des sich immer rasanter vollziehenden Anstiegs der globalen Durchschnittstemperatur ist vermutlich eine der größten Herausforderungen, der die menschliche Gesellschaft jemals gegenüberstand. Nach derzeitigem wissenschaftlichen und technischen Kenntnisstand ist der zu verzeichnende Temperaturanstieg direkt mit den vom Menschen verursachten Emissionen so genannter „Treibhausgase“ in Zusammenhang zu bringen. Um die massiven negativen Begleiterscheinungen, welche eine solche globale Erwärmung mit sich bringt abzudämpfen, müssen sich vor allem der Energiegewinnungs- und Produktionssektor einer Transformation unterziehen. Nachhaltigkeit ist hierbei ein Schlüsselwort. Zwei sich gegenseitig unterstützende Maßnahmen gelten in diesem Zusammenhang als besonders vielversprechend: Einerseits sollte die Umstellung auf die Nutzung erneuerbarer Energieträger unter gleichzeitiger Abkehr von fossilen Brennstoffen verstärkt vorangetrieben werden. Andererseits müssen traditionelle Industrieprozesse effizienter gestaltet werden, um bei gleicher, oder gar erhöhter, Produktivität weniger Energie zu verbrauchen. Besonders die energieintensive Chemiebranche und die Rohmaterialien produzierende Schwerindustrie zeigen vielseitige Ansatzpunkte für tiefgreifende, innovative Veränderungsmöglichkeiten. In diesem Zusammenhang bietet Katalyse im Allgemeinen und Photokatalyse im Speziellen große Vorteile: Zuerst ist sie in der Lage, den für den Verlauf chemischer Reaktionen benötigten Energiebedarf zu senken. Noch haben allerdings nur relativ wenige photochemische Synthesemethoden in großindustriellen Produktionsketten Einzug gefunden. Bedingt durch einen verstärkten Fokus auf energieeffiziente Prozesse wird der Anteil an durch (sichtbares) Licht induzierte Umwandlungen in modernen Produktionsanlagen sehr wahrscheinlich steigen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es notwendig, photokatalytische Prozesse weiterzuentwickeln. Einerseits kommen hierbei systematische Forschungsansätze zum Tragen, welche sich auf bereits etablierte Erkenntnisse stützen und das Verständnis der ablaufenden Prozesse erweitern. Die Photochemie wartet indes bereits seit ihrer Etablierung als eigenständiges Feld vor über hundert Jahren immer wieder mit Überraschungen auf. So gerieren sich auch heute noch photochemische Reaktionswege als schwer vorhersehbar. Hieraus ergeben sich Möglichkeiten, durch (sichtbares) Licht induzierte Umwandlungen bis dato schwer zugänglicher oder gar unbekannter Produktstrukturen zu erzeugen. Daraus resultierend könnte sich also der Syntheseaufwand von hoch anspruchsvollen Molekülstrukturen durch den Einsatz photochemischer Synthesewege massiv vereinfachen. Dies bietet einmal mehr die Möglichkeit Ressourcen einzusparen. Zudem gestattet der Einsatz von sichtbarem Licht als Reaktionsinitiator eine milde Alternative zu etablierten Synthesewegen. Doch wie kann man sich den Zufall bei der Erschließung neuer Syntheserouten zu Diensten machen? Unter Zuhilfenahme verschiedener, eigens zu diesem Zweck entwickelter und optimierter Screening-Ansätze können gezielt verschiedenste Reaktionsbedingungen und Molekülkombinationen auf unvorhergesehene Interaktionen getestet werden. Die Screening-Methoden, welche die Basis vieler in der vorliegenden Dissertation beschriebenen Untersuchungen legen, beruhen auf dem Prinzip des „wissensbasierten Glückstreffers“. Zu diesem Zweck greift man auf eine systematisch strukturierte, kombinatorische Mischung verschiedener Photokatalysatoren und Substratklassen zurück. Ein hoher Probendurchsatz ist hierbei wichtiger Bestandteil, um möglichst effizient neuartige Reaktionswege und/oder Produktstrukturen zu identifizieren. Viele etablierte Screening-Ansätze geben sich allerdings lediglich mit der Auswertung von „Treffern“, also ungewöhnlichen Reaktionswegen und/oder -produkten, zufrieden. Zur vollständigen industriellen Implementierung neuartiger, durch (sichtbares) Licht induzierter Umwandlungen und deren Weiterentwicklung ist es allerdings unabkömmlich, die zur Produktbildung führenden Prozesse möglichst genau zu verstehen. Aus diesem Grund wird in den vorliegenden Untersuchungen die Verknüpfung der geballten Möglichkeiten (organischer) Analytik und physikochemischer Methoden forciert. Der auf synergistischer Weise vorangetriebene Erkenntnisgewinn kann somit ein vollkommen neues Potential entfalten. Die in der vorliegenden Dissertationsschrift beschriebenen Untersuchungen fokussieren sich vor allem auf die detaillierte Mechanismusaufklärung neuartiger Reaktionspfade mittels (zeitaufgelöster) optischer Spektroskopiemethoden. Gerade für das Verständnis der ablaufenden Prozesse im Bereich der recht jungen Triplet-Triplet Energietransferkatalyse konnte hier Pionierarbeit geleistet werden. Erwähnenswert ist, dass die meisten der untersuchten Reaktionen erst durch kürzlich etablierte Screening-Ansätze entdeckt wurden. In einem ersten Ansatz wird mit der Mechanismusaufklärung der durch sichtbares Licht initiierten Spaltung von Disulfiden und der darauffolgenden radikalischen Addition an Olefine der Grundstein für weitere Untersuchungen gelegt. Auch verschiedene [2+2]Cycloadditionen konnten als durch Triplet-Triplet Energietransferkatalyse ermöglichte Prozesse identifiziert und deren Ablauf Schritt für Schritt aufgeklärt werden. Darüber hinaus wurden Reaktionspfade untersucht, welche auf durch sichtbares Licht initiierter Photoredoxkatalyse beruhen. Diese Reaktionen haben ihren Ursprung in der Reduktion oder Oxidation eines Substrats durch den angeregten Photokatalysator, basieren also auf Elektronentransferprozessen. Hieraus resultieren Folgereaktionen, welche letztlich zur Produktbildung führen. Erneut lenkte ein Screening-Experiment die Aufmerksamkeit auf einen vielversprechenden Reaktionsansatz, nämlich die Addition von Alkylradikalen entweder an C=C- oder C=O-Doppelbindungen von ungesättigten Carbonylen. Hierbei spielt allerdings weniger die entdeckte Reaktion die Hauptrolle. Vielmehr liegt die Besonderheit in der Tatsache, dass die normalerweise schwer kontrollierbare Radikaladdition selektiv abläuft. Der Fokus der Studie liegt demnach auf der Fragestellung, welche Faktoren die unerwartete Selektivität ermöglichen und wie man diese Kontrollmechanismen für zukünftige Zwecke nutzbar machen kann. Bis hierher wurden alle Reaktionen durch sichtbares Licht absorbierende Iridium-zentrierte Komplexe katalysiert. Alternativ können natürlich auch andere Farbstoffe zum Einsatz kommen. So wurden in einer weiteren Studie Edelmetall-Porphyrine auf der Oberfläche des gebräuchlichen Halbleiters Titandioxid immobilisiert, um in einer durch sichtbares Licht initiierten Transformation Wasserstoff zu erzeugen. Dabei liegt es in der Natur der Reaktion, dass hierbei vom Ablauf hintereinander geschalteter Elektronentransferprozesse ausgegangen werden kann. In welcher Art und Weise diese stattfinden, soll in der beschriebenen Untersuchung geklärt werden. Der letzte Teil der vorliegenden Dissertationsschrift weicht von der Mechanismusaufklärung (organischer) Reaktionen ab. Auch hier werden Farbstoffe auf der Oberfläche von Metalloxidnanopartikeln immobilisiert, allerdings um deren Wechselwirkungen untereinander zu untersuchen. Zu diesem Zweck wird elektronisch isolierendes Aluminiumoxid als Trägermaterial genutzt. Als optisch aktive Sonden zur Aufklärung der Oberflächenmorphologie dienen einerseits Pyren- und andererseits Perylenbisimidderivate. Die Frage, in welcher Art und Weise organische Moleküle, welche auf Metalloxidoberflächen ankern, selbstorganisierende Monolagen aufbauen ist bis heute Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Zudem wird versucht, ein tiefgreifendes Verständnis für die zwischen den teilweise wohlgeordneten Monolagen herrschenden (elektronischen) Interaktionen zu entwickeln. Auch die Verbesserung der Möglichkeiten, gewünschte Oberflächenstrukturen mit genau definierten, maßgeschneiderten Eigenschaften zu erzeugen, steht im Fokus der Forschung. Die in der vorliegenden Dissertationsschrift erläuterten und auf interdisziplinärem Wege gefundenen Lösungsansätze sollen dazu beitragen, die Oberflächenmorphologie und damit den Aufbau der sich selbstorganisierenden Monolagen multifunktionaler Materialien künftig detaillierter analysieren zu können. Damit soll der Weg für die vereinfachte Herstellung feinjustierbarer Hochleistungswerkstoffe geebnet werden. Die Entwicklung neuartiger energieeffizienter Syntheseansätze und ein tiefgreifendes Verständnis der dabei ablaufenden Prozesse werden dazu beitragen, deren großtechnische Anwendungsmöglichkeiten in einem zukunftsorientierten und nachhaltigen Produktionssektor zu etablieren. Auch die Entwicklung neuartiger multifunktionaler Materialien wird es ermöglichen, bis dato als unmöglich geltende Energieeinsparungen vorzunehmen, um dem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur entgegenzuwirken.

DOI
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