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Energy Transfer and Excitonic Interactions in Conjugated Chromophore Arrangements of Bodipys and Pyrenes and Squaraines

Energie Transfer und Exzitonische Wechselwirkungen in Konjugierten Chromophor Anordnungen von Bodipys und Pyrenen und Squarainen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-166721
  • In this work the energy transfer and excitonic coupling in different chromophore arrangements were investigated. A difference in the coupling strength was introduced by varring the connecting unit and the spacial orientation relative to each other. The synthesis of the 2,7-substituted pyrene compounds could be optimised and good yields of HAB 1 and HAB 2 and small amounts of HAB 2 could be achieved by cobalt-catalysed trimerisation or Diels Alder reaction in the end. Absorption and fluorescence spectra reveal strong intramolecular interactionsIn this work the energy transfer and excitonic coupling in different chromophore arrangements were investigated. A difference in the coupling strength was introduced by varring the connecting unit and the spacial orientation relative to each other. The synthesis of the 2,7-substituted pyrene compounds could be optimised and good yields of HAB 1 and HAB 2 and small amounts of HAB 2 could be achieved by cobalt-catalysed trimerisation or Diels Alder reaction in the end. Absorption and fluorescence spectra reveal strong intramolecular interactions between the pyrene molecules in the HAB 1. Excitation spectra recorded at the high and low energy fluorescence suggest the contribution of two components to the spectra. One being similar to the ground state aggregate and a second species similar to undisturbed pyrene. All these feature can be accounted to two different fluorescent states which are due to electronical decoupling in the excited state. Due to the strong intramolecular coupling already in the ground state of the molecule, no energy transfer could be studied, as the six pyrene units cannot be seen as separate spectroscopic entities between which energy could be transferred. In the second part of this thesis dye conjugates of different size and alignment were synthesised to study the interaction of the transition-dipole moments. Therefore a systematic investigation of Sonogashira conditions was performed in order to obtain good yields of the desired compounds and keep dehalogenation at a minimum level. Nevertheless only the symmetrical triads could be purified as the asymmeric triads and pentades proved to decompose during purification. The pyrene containing triads Py2B and Py2SQB show small interactions already in the ground state represented by red shifts of the spectra and a broadening of the bands. Nevertheless, these interactions are in the weak coupling regime and energy transfer between the constituents is possible. On the contrary in the TA spectra it is obvious that always the whole triad, at least to some extend is excited. To question if the excitation of the high energy state is deactivated by energy transfer or rather IC in a superchromophore could not be distinguished in the course of this work. At present additional time-dependent calculations of the dynamics are in progress to get a deeper understanding of the photophysical processes taking place in the triads. The dye conjugates B2SQB-3 and (SQB)2B-4 can be assigned to the strong interaction range and hence are describable by exciton theory. The transition-dipole moments proved to be more than additive and increase for both compounds from absorption to fluorescence. This can be explained by an enhancement of the coupling in the relaxed excited state compared to the absorption into the Franck-Condon state due to a more steep potential energy surface in the excited state and hence smaller fluctuations. In the last part of this thesis the influence of disrupting electronical communication by implementing a rigid non-conjugated bridge in a bichromophoric trans-squaraine system was tested. While the flexible linked squaraines show complex spectra due to different conformers the SQA2Anth compound is rigified and no rotation is possible. This change in flexibility is represented in the steady-state spectra where just one main absorption and fluorescence band is present due to a single allowed excitonic state. The system proves to own an excited state that is completely delocalised over the whole molecule.show moreshow less
  • Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Energietransfer und Exzitonenkopplung in Farbstoffen. Durch Variation der Verbrückungseinheit und der räumlichen Orientierung der Chromophore relativ zueinander konnte die Kopplungsstärke beeinflußt werden. Die Synthese von 2,7-substituierten Pyrenverbindungen konnte optimiert werden und schließlich gelang es mittels kobalt-katalisierten Trimerisierung oder Diels Alder Reaktionen gute Ausbeuten von HAB 1 und HAB 2 sowie geringere Mengen an HAB 3 zu isolieren. Absorption- undDiese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Energietransfer und Exzitonenkopplung in Farbstoffen. Durch Variation der Verbrückungseinheit und der räumlichen Orientierung der Chromophore relativ zueinander konnte die Kopplungsstärke beeinflußt werden. Die Synthese von 2,7-substituierten Pyrenverbindungen konnte optimiert werden und schließlich gelang es mittels kobalt-katalisierten Trimerisierung oder Diels Alder Reaktionen gute Ausbeuten von HAB 1 und HAB 2 sowie geringere Mengen an HAB 3 zu isolieren. Absorption- und Fluoreszenzspektren deuten auf starke Wechselwirkungen unter den Chromophoren hin, die bereits im Grundzustand deutlich werden. Anregungsspektren bei verschiedenen Wellenzahlen zeigen, dass zwei verschiedene Spezies, wovon eine den Aggregaten die im Grundzustand vorhanden sind ähneln, zu den beobachteten spektralen Eigenschaften beitragen und ein weiteres größere Ähnlichkeit mit dem Pyrenmonomer aufweist. Betrachtet man all diese Eigenschaften im Gesamten kann man schlußfolgern, dass zwei fluoreszierende Zustände für die Desaktivierung verantwortlich sind, was sich auf elektronische Entkopplung im angeregten Zustand zurückführen lässt. Aufgrund der starken elektronischen Kopplung im Grundzustand und die Ausbildung von intramolekularen Aggregaten war es nicht möglich Energietransfer an diesem System zu studieren, da die sechs Pyreneinheiten nicht getrennt betrachtet werden können. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden Farbstoffkonjugate verschiedener Größe und Anordnung synthetisiert um die Wechselwirkung der Übergangsdipolmomente zu studieren. Dazu wurde ein systematsiches Reaktionscreening der Sonogashira-Kupplung durchgeführt, um Bedingungen zu finden, unter denen sich Dehalogenierung in Grenzen hält, jedoch gute Ausbeuten der gewünschten Endprodukte erzielt werden können. Trotzdem konnten nur die symmetrischen Trimere erfolgreich isoliert, da sich herausstellte, dass sowohl die unsymmetrischen Trimere als auch die Pentamere zu instabil für eine vollständige Aufreinigung sind. Die pyren-beinhaltenden Triaden Py2B und Py2SQB zeigen geringfügige Wechselwirkungen im Grundzustand, die sich durch eine Rotverschiebung und Verbreiterung der Absorptionsbanden zeigen. Allerding lässt sich diese Kopplung dem sehr schwachen Wechselwirkungsbereich zuordnen, sodass Energietransfer zwischen den Chromophoren möglich ist. Im Gegensatz dazu zeigt sich im TA Spektrum, dass gleichzeitig mehrere Teile der Triade angeregt sind und dass die Anregung nicht auf ein Chromophor lokalisiert ist. Die Frage, ob die Desaktivierung des angeregten Zustands durch Energietransfer oder interne Konversion in einem Superchromophor stattfindet, konnte im Zuge dieser Arbeit nicht geklärt werden. Aktuell sind zusätzliche Rechnungen (DFT) in Arbeit um ein besseres Verständnis von den ablaufenden, photophysikalischen Prozessen zu bekommen. Die Farbstoffkonjugate B2SQB-3 und (SQB)2B-4 lassen sich dem Bereich der starken Kopplung zuordnen und können daher mit der Exzitonentheorie beschrieben werden. Die Übergangsdipolmomente zeigen ein Verhalten, dass mehr als additiv ist und nehmen von der Absorption zur Fluoreszenz zu. Das lässt sich durch eine Verstärkung der Kopplung im relaxierten angeregten Zustand in Vergleich zur Absorption in den Franck-Condon Zustand erklären. Der Grund für dieses Phänomen ist eine deutlich schmalere, steilere Energiepotentialfläche im angeregten Zustand. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde die elektronische Kommunikation in einem trans-Squaraindimer durch Einfügen einer nicht-konjugierten Brücke untersucht. Während die flexiblen Dimere komplexe Spektren aufgrund unterschiedlicher Konformere aufweisen, enthält SQA2Anth eine starre Brücke, die Rotationen verhindert. Diese Änderung der Flexibilität zeigt sich in den stationären Spektren durch eine Hauptabsorptions- und Fluoreszenzbande, da nur ein exzitonischer Zustand erlaubt ist. Das System weißt einen angeregten Zustand auf, der über das gesamte Molekül delokalisiert ist.show moreshow less

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Metadaten
Author: Nina A. Auerhammer
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-166721
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Chemie und Pharmazie
Faculties:Fakultät für Chemie und Pharmazie / Institut für Organische Chemie
Referee:Prof. Dr. Christoph Lambert, Prof. Dr. Matthias Lehmann
Date of final exam:2018/07/18
Language:English
Year of Completion:2018
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 541 Physikalische Chemie
5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 547 Organische Chemie
GND Keyword:Chromophor; Energieaufnahme; Exziton; Pyrenderivate; Sonogashira-Hagihara-Reaktion
Tag:Bodipy; Energy Transfer; Excitons; Hexaarylbenzene; Pyrene; Sonogashira; Squaraine
Release Date:2018/08/07
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht