Ultrakurzzeitspektroskopie zum Schaltverhalten substituierter Diarylethene

Die Informationstechnologie revolutioniert das tägliche Leben seit Jahrzehnten. Der stetig steigende Umfang zu speichernder und zu bearbeitender Daten motiviert die Suche nach Schalt- und Speicherbausteinen in der Größenordnung einzelner Moleküle. Diarylethene (DAE) sind so genannte molekulare Schalter und zeigen großes Potential als photochrome optische Speicher im Bereich der sich entwickelnden jungen Molekularelektronik. Sie gehören zu den molekularen Schaltern auf der Basis eines 6-Pi-Elektronensystems. Ihre ausgeprägte Photochromie wird von einer photoinduzierten, reversiblen Ringschlussreaktion bestimmt, die im Pikosekundenbereich (1 ps = 10−12 s) stattfindet. Diese Arbeit stellt eine spektroskopisch bisher unbearbeitete Klasse von Diarylethenen vor, deren strukturbildende Einheit auf einer Maleinsäureimidgruppe basiert. (i) Durch Kombination verschiedener spektroskopischer Techniken bestehend aus stationärer Absorptions- und Emissionsspektroskopie sowie moderner Methoden der Ultrakurzzeitspektroskopie (Breitband-Anrege-Abfrage Spektroskopie im UV/VIS-Spektralbereich) konnten die kinetischen Abläufe der photoinduzierten Isomerisierungsprozesse im Bereich weniger Pikosekunden detailliert beobachtet und verstanden werden. Die Untersuchungsmethoden konnten für die Reaktionsdynamik nahezu aller untersuchter Moleküle ein detailliertes Reaktionsmodell der Photoreaktion liefern. (ii) Durch Einsatz unterschiedlichster Substituenten und deren Methylierung bzw. fehlender Methylierung konnte der Mechanismus des Ringschlusses bzw. der Ringöffnungsreaktion untersucht und der Einfluss der Substitution auf die Reaktion verstanden werden. Hierbei zeigt sich, dass die Methylierung einerseits über sterische Wechselwirkung die für die Ringschlussreaktion günstige Ausrichtung der Substituenten steuert und andererseits die Reversibilität des Isomerisierungsprozesses gewährleistet. (iii) Aus der Substitution des Maleinsäureimids mit verschiedenen Heterozyklen zeigte sich, dass deren aromatische Stabilität die Effizienz der Ringschluss- und Ringöffnungsreaktionen reguliert. Monozyklische Heteroaromaten zeigen eine geringere Stabilität ihres aromatischen Ringsystems (erhöhte Tendenz zur Ringschlussreaktion) im Vergleich zu benzolkondensierten Heteroaromaten (erniedrigte Tendenz zur Ringschlussreaktion). Zusätzliche Elektronenakzeptoren (hier: boc-Schutzgruppe) reduzieren die Aromatenstabilität des Heterozyklus und erhöhen die Ringschlusstendenz. (iv) Es konnte gezeigt werden, dass die N-ständige Tolyl- bzw. Methyl-Substitution des Maleinsäureimids einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Reaktionsdynamik ausübt - diese bleibt faktisch unverändert. Größere Fremdmoleküle (z.B. Proteine) lassen sich somit N-ständig über die Maleinsäureimidgruppe an das jeweilige DAE anbinden, ohne dessen Reaktionsdynamik maßgeblich zu verändern