Improving the Design of Diarylethene Photoswitches and Their Exploitation As Remote-Controlled Building Blocks
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Improving the Design of Diarylethene Photoswitches and their Exploitation as Remote-Controlled Building Blocks DISSERTATION zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) im Fach Chemie eingereicht an der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Humboldt-Universität zu Berlin von Dipl.-Chem. Martin Herder Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin Prof. Dr. Jan-Hendrik Olbertz Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät Prof. Dr. Elmar Kulke Gutachter: 1. Prof. Stefan Hecht, Ph.D. 2. Prof. Dr. Nikolaus P. Ernsting 3. Prof. Dr. Ben L. Feringa Tag der mündlichen Prüfung: 20.04.2015 Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von Oktober 2010 bis Februar 2015 am Institut für Chemie der Humboldt-Universität zu Berlin unter der Anleitung von Prof. Stefan Hecht, Ph.D. angefertigt. Danksagung An dieser Stelle möchte ich mich bei allen bedanken, die mich bei der Anfertigung meiner Dissertation tatkräftig unterstützt haben. Besonderer Dank gilt Prof. Stefan Hecht für das große in mich gesetzte Vertrauen, die zahlreichen Gespräche, in denen ich sehr viel gelernt habe und immer motiviert wurde, die hervorragenden Arbeitsbedingungen und die stete Hilfe bei Problemen jeder Art. Allen derzeitigen und ehemaligen Mitgliedern der Arbeitsgruppe danke ich für die tolle Arbeitsatmosphäre, die gegenseitige Unterstützung und den freundschaftlichen Umgang im und außerhalb des Labors. Ein großer Dank geht an Micha und Lutz. Danke für die enge Zusammenarbeit, die vielen wissenschaftlichen und nicht-wissenschaftlichen Gespräche, die zahlreichen spektroskopischen und elektrochemischen Messungen, die große Unterstützung für meine Arbeit und dafür, immer ein offenes Ohr zu haben. Meinen Laborkollegen Robert, Sonia, Henry, Anne, Bernd, Fabian und Derk-Jan gilt großer Dank für die tolle Zusammenarbeit, den (meist) exzellenten Musikgeschmack und dafür über lange Tage das Rotlicht ausgehalten zu haben. Philipp danke ich für die Freundschaft und die zahlreichen leidenschaftlichen Gespräche über Chemie und anderes, Björn für die eine oder andere Lektion im Skat und Doppelkopf sowie für die schönen Abende im Garten und Robert für die inspirierende Zusammenarbeit und Unterstützung. Bei Herrn Leistner möchte ich mich für die stete Hilfe bei analytischen Problemen bedanken. Für die synthetische Unterstützung bedanke ich mich bei Jutta, Jana und Henry. Meiner Forschungspraktikantin Anne sowie meinen Bachelorstudenten Fabian und Anna danke ich für das Engagement und die gute Zusammenarbeit. Großer Dank gilt auch allen Mitarbeitern in den analytischen Abteilungen des Instituts für Chemie, deren tägliche Arbeit die Grundlage für meine Dissertation ist. Vielen Dank auch an die Korrekturleser meiner Arbeit Maren, Philipp und Fabian. I am very grateful to Prof. Paolo Samorì and the people in his group, especially Emanuele, Núria, Mirella, Karl, Sara and Thomas, for the very inspiring and fruitful collaboration. Manuel Utecht danke ich für quantenmechanische Rechnungen sowie Johannes Frisch für die UPS Messungen. Ein herzlicher Dank gilt meiner Familie, die mir das Studium ermöglicht und mich immer unterstützt hat. Meinen Freunden und Kommilitonen danke ich für die schöne Zeit während meines Studiums und meiner Promotion. Zu guter Letzt möchte ich einen ganz besonderen Dank an Maren richten. Vielen Dank für deine Liebe, dein Vertrauen und die Kraft, die du mir gibst. Abstract Among molecular units that can be reversibly switched between two states by light, diarylethenes have the unique property that the π-electronic structure of their molecular backbone significantly alters during the isomerization process, resulting in a marked shift of HOMO and LUMO levels. The incorporation of diarylethene switches into more complex molecular systems would allow for the reversible light-controlled manipulation of specific functions, such as catalytic activity, association behavior, or charge transport, due to the modulation of inherent electronic properties. However, to fulfill this task the photochromic scaffold has to be improved in terms of its switching efficiency, fatigue resistance, and extent of electronic modulation. In this work, a series of diarylethenes is synthesized by systematically varying the constituents of the hexatriene core and the terminal substituents. By the in-depth characterization of the photochemical reaction to a by-product, an ubiquitous phenomenon of diarylethene photochromism, fatigue resistant structures are identified that allow for the reliable operation of the photochrome over many switching cycles and at the same time guarantee a high degree of structural and synthetic flexibility. Furthermore, a distinct substitution pattern is found to enable the orthogonal electro- and photochemically mediated isomerization of diarylethenes. By proper modulation of the structure, the fatigue observed during the oxidative cyclization reaction is minimized and insights into the underlying mechanism are gained. The impact of different substitution patterns on the -electronic structure of the diarylethene core is studied and it is shown that HOMO and LUMO levels can be tuned over a broad energy range. Finally, the electronically tuned diarylethenes are applied as active building blocks in light-controllable organic thin film transistors, which show a modulation of the output current upon isomerization of the photochrome. In a second approach to exploit the isomerization induced electronic modulations, a potentially catalytically active guanidine unit is coupled to the diarylethene core in order to construct a photoswitchable organocatalyst. Kurzzusammenfassung Unter Molekülen, die durch Licht reversibel zwischen zwei Zuständen geschaltet werden können, haben Diarylethene die einzigartige Eigenschaft, dass ihr -Elektronensystem durch den Isomerisierungsprozess stark verändert wird, was zu einer Verschiebung von HOMO und LUMO Niveaus führt. Die Verwendung von Diarylethenen in komplexeren Systemen würde die Steuerung von bestimmten Funktionen, wie katalytische Aktivität, supramolekulare Assoziation oder Ladungstransport, mit Hilfe von Licht durch die Änderung inhärenter elektronischer Eigenschaften ermöglichen. Allerdings muss die photochrome Baueinheit den spezifischen Anforderungen angepasst und ihre Schalteigenschaften, die Ermüdungsresistenz sowie das Ausmaß der elektronischen Modulation verbessert werden. In dieser Arbeit wird durch systematische Variation der zentralen Komponenten und der terminalen Substituenten eine Serie von elektronisch modulierten Diarylethenen synthetisiert. Durch umfangreiche Untersuchungen zur photochemischen Bildung eines Nebenprodukts, ein Prozess der bei nahezu allen Diarylethenen auftritt, können Strukturen identifiziert werden, die über eine große Zahl von Schaltzyklen ermüdungsresistent sind und gleichzeitig eine hohe strukturelle und synthetische Flexibilität bieten. Weiterhin erlauben bestimmte Substitutions- muster die orthogonale elektro- und photochemische Steuerung des Isomerisierungsprozesses. Durch geeignete strukturelle Modulation wird die Nebenproduktbildung bei der oxidativen Zyklisierungsreaktion unterdrückt und es kann ein Einblick in den zugrunde liegenden Mechanismus erhalten werden. Der Einfluss verschiedener Substitutionsmuster auf das -Elektronensystem von Diarylethenen wird untersucht und es wird gezeigt, dass HOMO und LUMO Level über einen großen Energiebereich moduliert werden können. Schließlich werden die so erhaltenen, elektronisch modulierten Diarylethene als aktive Elemente in Licht gesteuerten organischen Dünnschichttransistoren eingesetzt. Diese zeigen eine Änderung im Strom-Ausgangssignal durch die lichtinduzierte Isomerisierung der photochromen Moleküle. In einem zweiten Ansatz die schaltbaren elektronischen Änderungen in Diarylethenen zu nutzen, wird ein potentiell katalytisch aktives Guanidin mit der photochromen Einheit gekoppelt, mit dem Ziel einen photoschaltbaren Organokatalysator zu konstruieren. Table of contents 1. Introduction ............................................................................................................... 1 2. Theoretical background ............................................................................................. 5 2.1 Diarylethene photoswitches ................................................................................ 5 2.1.1 General structure-property relationships ................................................... 5 2.1.2 Excited state properties .............................................................................. 9 2.1.3 Fatigue behavior ...................................................................................... 13 2.1.4 Electrochemical properties ...................................................................... 15 2.2 Application of diarylethenes to remote-control functions ................................ 18 2.2.1 General principles .................................................................................... 18 2.2.2 Diarylethenes in organic electronic devices ............................................ 20 2.2.3 Diarylethenes for reactivity control and catalysis ................................... 23 3. Motivation ............................................................................................................... 27 4. Results and Discussion ............................................................................................ 31 4.1 Synthesis of all DAE derivatives .....................................................................