Synthese und Photophysikalische Untersuchung Donor-Akzeptor-Substituierter meta- und para-Benzolderivate

Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die erfolgreiche Synthese einer Serie von bisTriarylamin (bisTAA) Verbindungen vorgestellt. Zum einen wurde das Substitutionmuster an der Benzol Brückeneinheit in Form einer meta- bzw. para-Ständigkeit der Redoxzentren (pX bzw. mX), und zum anderen die energetische Lage der Brückeneinheit durch zwei elektronen-schiebende oder ziehende Substituenten X (mit X = OMe, Me, Cl, CN, NO2) in 2,5-Position variiert. Im Falle der meta-Serie wurden auch einige in 4,6-Position substituierte Verbinungen hergestellt (mX46). Die neutral Verbindungen wurden bezüglich ihrer elektrochemischen und photophysikalischen Eigenschaften untersucht. Durch Oxidation konnten die gemischt valenten (MV), kationischen bisTAA-Verbindungen erzeugt werden. Der thermisch induzierte Lochtransfer (HT) wurde durch temperatur-abhängige ESR-Spektroskopie untersucht. Während die HT-Rate k und HT-Barriere ΔG in mX unbeeinflusst von den Substituenten X sind, steigen gleichzeitig k und ΔG in der pX-Serie mit zunehmenden Elektonenschub von X an. Diese zunächst widersprüchliche Beobachtung konnte durch einen ansteigenden Einfluss von Lösungsmitteleffekten und dadurch resultierend, einer zusätzlichen effektiven Barriere erklärt werden. Der optisch induzierte Lochtransfer wurde mittels UV/Vis/NIR-Spektroskopie untersucht. Die pX-Serie zeigte eine Zuhname der elektronischen Kopplung V und dementsprechende eine Abnahme von ΔG, mit Anstieg des elektonenschiebenden Charakters von X. Für mX war eine spektroskopische Bestimmung dieser Parameter nicht möglich. Die mX46-Serie zeigte ein intermediäres Verhalten, wobei MV-Verbindungen mit stark elektronenschiebenden X eine ähnliche hohe Kopplungen wie pX aufwiesen, was mit Hilfe von DFT-Rechnungen bezüglich der Molekülorbitale erklärt werden konnte. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Synthese einer Serie von Verbindungen mit Triarylamin (TAA) als Donor und Naphthalindiimid (NDI) als Akzeptor vorgestellt. Auch hier wurde zum einen das Substitutionmuster an der Benzol-Brückeneinheit in Form einer meta- bzw. para-Ständigkeit der Redoxzentren (pXNDI bzw. mXNDI) variieiet und die energetische Lage der durch X (mit X = OMe, Me, Cl, CN, NO2) in 2,5-Position variiert. Außerdem wurde die in 4,6-Position substituierte Verbinungen mOMe46NDI hergestellt. Alle Verbindungen wurden bezüglich ihrer elektochemischen und photophysikalischen Eigenschaften untersucht. Die Elektronentransferprozesse der Ladungsseparierung (CS) und Ladungsrekombination (CR) dieser Verbindungen sollten mittels transienter Absorptionsspektroskopie (TA) in Toluol untersucht werden. Für die Nitroverbindungen p-/mNO2NDI war dies nicht möglich, da sich diese unter Bestrahung zersetzten. Die CR von pXNDI waren nicht im ns-Bereich detektierbar, weshalb sich auf die mXNDI-Serie (mit X = OMe–CN) konzentriert wurde. Die CS wurde mittels fs-TA untersucht. Nach optischer Anregung konnte die Bildung eines CS-Zustandes detektiert werden, dessen Bildungsgeschwindigkeit hin zu elektronen-ziehenden Substituenten X steigt. Die CR wurde mit ns-TA untersucht. Sie findet in der Marcus invertierten Region statt und zeichnet sich wird durch ein biexponentialles Abklingverhaten, was durch ein Singulet-Triplett Gleichgewicht im CS-Zustand zustande kommt, aus. Durch Anlegen eines externen Magnetfeldes ließ sich das Abklingverhalten entscheidend verändern und es konnte eine Singulett-Triplett Aufspaltung nachgewiesen werden. Dieser Befund konnte weiterhin durch Simulation der Abklingkurven bestätigt werden. In beiden Teilen dieser Arbeit konnte ein entscheidender Einfluss der Benzolbrücke auf die auftretenden Ladungstransferprozesse gezeigt werden. Für den HT in Grundzustand der MV bisTAA Verbindungen, sowie der ET im angeregten Zustand der Donor-Akzeptor-Verbindungen, wurden die höchsten ET-Raten für die para-Serien pX und pXNDI gefunden, während die meta-Serien mX und mXNDI deutlch kleine Transferraten aufwiesen. In beiden Studien zeigten die meta46-Verbindungen mX46 und mOMeNDI46 ein intermediäres Verhalten, zwischen denen der para- und meta-Verbindungen.In the first part of this thesis, the synthesis of a series of bistriarylamine (bisTAA) compounds was presented. On the one hand, the substitution pattern of the TAA at the benzene bridging unit was varied from meta- to para-position (pX and mX), on the other hand, the energetic position of the bridging unit was tuned by use of two electron-donating or electron-accepting substituents X (with X = OMe, Me, Cl, CN, NO2) in 2,5-position. In case of the meta-series, compounds with X in 4,6-position were synthesized (mX46). The photophysical and electrochemical properties of the neutral compounds were investigated. The cationic mixed valence (MV) bisTAA compounds could be generated by oxidation. Thermally induced hole transfer (HT) in the groud state was investigated by temperature depending ESR spectroscopy. While the HT rate k and HT barrier ΔG in mX are unaffected by the substituents X, k and ΔG in the pX series increase simultaneously with increasing electron-donating strength of X. This, at first contradictory observation can be explained by an increasingly important solvent dynamic effect and an additional, effective barrier. The optically induced HT was examined by UV/Vis/NIR spectroscopy. The pX-series revealed an increase of the electronic coupling V, and correspondingly a decrease of ΔG, with an increase of the electron donating character of X. For mX, a spectroscopic determination of these parameters was not possible. mX46 showed an intermediate behavior, MV compounds with strong electron-donating X, obtained coupling of similar magnitude as pX, which could be explained by means of DFT calculations, with regard to the molecular orbitals. In the second part of this work, the synthesis of a series of dyads with triarylamine (TAA) as a donor and naphthalene diimide (NDI) as an acceptor was presented. Again, the substitution pattern of the redox centers at the benzene bridging unit was varied in the form of a meta- or para-position (pXNDI or mXNDI) and the energetic position of the bridging unit was varied by X (with X = OMe, Me, Cl, CN, NO2) attached in the 2,5-position. Additionally, compound mOMe46NDI with methoxy substitution in 4,6-position was synthesized. The photophysical and electrochemical properties of these compounds were investigated. The electron transfer (ET) processes of charge separation (CS) and charge recombination (CR) of these were investigated by means of transient absorption (TA) spectroscopy in toluene. This was not possible for the nitro-compounds p-/mNO2NDI, since they decomposed under irradiation. In addition to that, the CR of pXNDI was not detectable by ns-setup, which is why the focus was given to the mXNDI series (with X = OMe–CN).The CS was examined by fs-TA spectroscopy, where the formation of a CS state could be detected. The rise time of the CS states decreases with increasing electron-withdrawing substituents X. CR was examined with ns-TA spectroscopy and shows a biexponential decay behavior, which is caused by singlet-triplet equilibrium in the CS state. By applying an external magnetic field, the decay behavior was decisively changed and the singlet-triplet splitting could be determined. This finding could also be confirmed by simulating the decay curves. In both parts of this work, the decisive influence of the benzene bridging unit on the appearing ET processes became obvious. For the HT in the ground state of the MV compound, as well as for the ET in the exited states of the DA compounds, the highest transfer rates were found for the para-series pX and pXNDI, and much smaller rates for the meta-series mX and mXNDI. The meta46-compounds mX46 and mOMeNDI46 showed an intermediate behavior in both parts of this work