Synthese und Photochemie von Dendrimeren mit stilbenoiden Chromophoren

Dendrimere spielen als strukturtreue Nanopartikel eine herausragende Rolle. Ziel dieser Arbeit war, Dendrimere mit einer hohen Dichte an photoaktiven Chromophoren herzu-stellen und zu untersuchen. Dazu wurden die terminalen Aminogruppen von Poly(propylenimin)dendrimeren 1. und 2. Generation, Astramol DAB-Am-4R und DAB-Am-8R, mit Stilbenen und Styrylstilbenen als Chromophor verknüpft. Mittels Wittig-Horner- und Heck-Reaktion wurden (E)-Stilbene aufgebaut, die auf der einen Seite drei Propoxygruppen zur Verbesserung der Löslichkeit und auf der anderen Seite eine passende Funktionalität zur Verknüpfung mit dem dendritischen Core tragen. Als Verknüpfungsmethoden wurden die Verknüpfung als Amid (PSDA), Schiffsche Base (PSDS) und Harnstoff (PSDH) getestet. Die Schiffschen Basen wurden außerdem zur Erhöhung der Hydrolysestabilität zum sekundären Amin reduziert (PSDR und PQDR). Durch die Verknüpfung mit dem Core werden die stilbenoiden Chromophore sehr stark photoaktiviert. Das beruht auf einem Singulett-Energietransfer (Förster-Mechanismus) von Chromophor zu Chromophor. Dieser Prozeß konkurriert zu den Deaktivierungsprozessen, verlängert die mittlere S1-Lebensdauer und erhöht somit die Chancen der Photochemie. Der Styrylstilben-Chromophor hat darüber hinaus einen erheblichen Teil seiner UV-Absorbtion bereits im Tageslicht und photopolymerisiert daher bereits im Tageslicht. Vor allem bei den Dendrimeren 2. Generation stellte sich die Frage nach der vollständigen, d.h. achtfachen Umsetzung; das Core sollte als Knäuel vorliegen, die Arme zum Teil nach innen gefaltet und somit dem Reaktand nur bedingt zugänglich. Auch dort konnten unter optimierten Reaktionsbedingungen alle Aminogruppen umgesetzt werden. Die vollständige Umsetzung der Dendrimere wurde mittels NMR und massenspektroskopischen Methoden untersucht. Bei den Absorptionsspektren der Dendrimere 1. Generation ändert sich die Lage der Maxima je nach Art der Verknüpfung der Chromophore mit dem Core. Die Verlängerung des Chromophors um eine Styryleinheit bedingt eine beträchtliche Rotverschiebung. Die Lage der Emissionsmaxima differiert stärker als die Lage der Absorptionsmaxima. Den geringsten Stokes-Shift weist der Harnstoff auf, dann folgt das sekundäre Amin, dann die Schiffsche Base. Dies weist auf unterschiedlich relaxierte S1-Geometrien hin. Die Verbindungen PSDS1, PSDR1 und PSDH1 aus 3,4,5-Tripropoxystilbeneinheit und Astramol-Core 1. Generation DAB-Am-4 wurden in einer Konzentration von 10-5 mol/L belichtet. Der vollständige Photoabbau durch Belichtung in Chloroform mit einer Xenon-Lampe erfolgte ohne jeglichen Filter innerhalb von zehn Minuten (PSDH1), 20 Minuten (PSDR1) und einer Stunde (PSDS1). Allen drei Verbindungen gemeinsam ist das Entstehen eines intermediären neuen Maximums geringer Intensität, das um etwa 100 nm bathochrom verschoben ist. Das Harnstoffsystem weist außerdem ein weiteres intermediäres Maximum bei 614 nm auf. Diese Maxima können (laut früherer Untersuchungen) durch Oxidation entstandenen chinoiden Strukturen zugeordnet werden, deren Lebensdauer (im Sekundenbereich) zu kurz für eine NMR-Charakterisierung ist. PSDR1 wurde außerdem bei höheren Konzentrationen (10-4 und 10-3 mol/L) mit einer Quecksilberlampe mit Pyrex-Filter (lambda > 300 nm) belichtet. Dabei wird, wie erwartet, eine Verbreiterung der NMR-Signale beobachtet. Es bildet sich zunächst cis-Stilben. Außerdem läßt sich bei 4.3 ppm ein Signal beobachten, das von inter- oder intramolekular gebildeten Methinprotonen herrührt. Auch wenn laut MOPAC- und Kraftfeldrechnung die Doppelbindungen ungünstig für eine [pi2s + pi2s]-Cyclodimerisierung zueinander stehen, kann im photochemisch angeregten Zustand eine Geometrie vorherrschen, die die intramolekulare Kopf-Kopf-Cyclobutanbildung ermöglicht. Die massenspektrometrischen Untersuchungen der Belichtungsprodukte (FD, ESI, MALDI-TOF) zeigen als höchste Masse lediglich das Monomer. Allerdings kann dadurch nicht auf eine rein intramolekulare Reaktion geschlossen werden. Die fortschreitende statistische CC-Verknüpfung kann schnell zu vernetzten Nanopartikeln führen, die im Massenspektrometer nicht fliegen. Die NMR-Spektren der mit zunehmender Vernetzung immer schlechter löslich werdenden Teilchen belegen die Oligomerisierung.

Photochemie von ungesättigten Sternverbindungen

Photochemie von ungesättigten Sternverbindungen.Wirt-Gast-Systeme bei stilbenoiden Dendrimeren. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und denphotochemischen Eigenschaften stilbenoider und chalkonoiderSternverbindungen.Die Synthese der stilbenoiden Dendrimere gelingt über einekonvergente in einzelnen Generationen gekoppelteSynthesestrategie durch Wittig-Horner-Olefinierung inKombination mit einer Schutzgruppentechnik.Experimente mit den stibenoiden Dendrimeren 1. Generationhaben gezeigt, dass geänderte Belichtungsbedingungen(monochromatisches Licht in Gegenwart einesTriplett-Sensibilisators) die photochemische[2+2]Cycloaddition bzw. CC-Verknüpfung unterdrücken. Dabeiverläuft selektiv eine cis/trans-Isomerisierung, die füroptische Schaltung genutzt werden könnte.Mit Triplett-Sensibilisatoren wie Diacetyl oder Acetonkonnten auch Wirt-Gast-Systeme mit stilbenoiden Dendrimerengebildet werden. Das zeigt die Möglichkeit der Einlagerungvon Gastmolekülen in freie Kavitäten der Dendrimere.Die Synthese der chalkonoiden Sternverbindungen gelingt übereine dreifache Aldolkondensation des 1,3,5-Triacetylbenzolsmit unsubstituierten oder 3,4,5-trialkoxysubstituiertenBenzaldehyden. Mit einer geeigneten Verzweigungseinheitwurden auch Armbauteile zur Generationenerweiterungsynthetisiert.Die photochemischen Eigenschaften der chalkonoidenSternverbindungen in Lösung und im Festzustand wurdenstudiert und die entstandenen Produkte charakterisiert. BeiBelichtung im Festzustand läuft bei topochemischer Kontrolleeine Photodimerisierung unter Bildung eines Cyclobutanringsdurch Cycloaddition olefinischer Doppelbindungen ab, wobeiein Kopf-Schwanz-anti-Dimer erhalten wird. BeiPhotodimerisierung in Lösung entsteht einKopf-Kopf-anti-Dimer als Hauptprodukt. Das kann zur Syntheseder sonst schwer zugänglichen [4.4.4](1,3,5)Cyclophanegenutzt werden.

A parametric method 3 (PM3) study of trans‐stilbene

We report a comparative modified neglect of diatomic overlap (MNDO), Austin method one (AM1), and parametric method 3 (PM3) study of trans‐stilbene (tS) in its ground, excited (singlet and triplet), and ionic (positive and negative polarons and bipolarons) states. We have also calculated the barrier for ring rotation about the backbone single bond. Our results show that PM3 geometries are superior to MNDO and AM1, at least for tS. PM3 predicts, in contrast with MNDO, AM1 and even ab initio 3‐21G, a coplanar structure for tS, in accordance with recent experimental data. Singlet and triplet energies obtained from heats of formation are in surprisingly good agreement with experimental data.

Excitation and relaxation energies of trans-stilbene: Confined singlet, triplet, and charged bipolarons

The π-electronic excitations and excited-state geometries of trans-stilbene (tS) are found by combining exact solutions of the Pariser-Parr-Pople (PPP) model and semiempirical Parametric Method 3 (PM3) calculations. Comprehensive comparisons with tS spectra are obtained and related to the fluorescence and topological alternation of poly(paraphenylenevinylene) (PPV). The one-photon absorption and triplet of tS correspond, respectively, to singlet and triplet bipolarons confined to two phenyls, while the tS2- ground state is a confined charged bipolaron. Independent estimates of the relaxation energy between vertical and adiabatic excitation show the bipolaron binding energy to depend on both charge and spin, as expected for interacting π electrons in correlated or molecular states. Complete configuration interaction within the PPP model of tS accounts for the singlet-triplet gap, for the fine-structure constants and triplet-triplet spectra, for two-photon transitions and intensities, and for one-photon spectra and the radiative lifetime, although the relative position of nearly degenerate covalent and ionic singlets is not resolved. The planar PM3 geometry and low rotational barrier of tS agree with resolved rotational and vibrational spectra in molecular beams. PM3 excitation and relaxation energies for tS bipolarons are consistent with experiment and with PPP results. Instead of the exciton model, we interpret tS excitations in terms of states that are localized on each ring or extended over an alternating chain, as found exactly in Hückel theory, and find nearly degenerate transitions between extended and localized states in the singlet, triplet, and dianion manifolds. The large topological alternation of the extended system increases the ionicity and interchanges the order of the lowest one- and two-photon absorption of PPV relative to polyenes.

Direct and sensitized (energy and electron transfer) geometric isomerization of stilbene within zeolites: a comparison between solution and zeolite as reaction media

The trans- and cis-stilbenes upon inclusion in NaY zeolite are thermally stable. Direct excitation and triplet sensitization results in geometric isomerization and the excited state behavior under these conditions are similar to that in solution. Upon direct excitation, a photostationary state consisting of 65% cis and 35% trans isomers is established. Triplet sensitization with 2-acetonaphthone gave a photostationary state consisting of 63% cis and 37% trans isomers. These numbers are similar to the ones obtained in solution. Thus, the presence of cations and the confined space within the zeolite have very little influence on the overall chemistry during direct and triplet sensitization. However, upon electron transfer sensitization with N-methylacridinium (NMA) as the sensitizer within NaY, isomerization from cis-stilbene radical cation to trans-stilbene occurs and the recombination of radical ions results in triplet stilbene. Prolonged irradiation gave a photostationary state (65% cis and 35% trans) similar to triplet sensitization. This behavior is unique to the zeolite and does not take place in solution. Steady state fluorescence measurements showed that the majority of stilbene molecules are close to the N-methylacridinium sensitizer. Diffuse reflectance flash photolysis studies established that independent of the isomer being sensitized only trans radical cation is formed. Triplet stilbene is believed to be generated via recombination of stilbene radical cation and sensitizer radical anion. One should be careful in using acidic HY zeolite as a medium for photoisomerization of stilbenes. In our hands, in these acidic zeolites isomerization dominated the photoisomerization. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Dynamic Internal Cavities of Dendrimers as Constrained Media. A Study of Photochemical Isomerizations of Stilbene and Azobenzene Using Poly(alkyl aryl ether) Dendrimers

Dendritic rnicroenvironments defined by dynamic internal cavities of a dendrimer were probed through geometric isomerization of stilbene and azobenzene. A third-generation poly(alkyl aryl ether) dendrimer with hydrophilic exterior and hydrophobic interior was used as a reaction cavity in aqueous medium. The dynamic inner cavity sizes were varied by utilizing alkyl linkers that connect the branch junctures from ethyl to n-pentyl moiety (C(2)G(3)-C(5)G(3)). Dendrimers constituted with n-pentyl linker were found to afford higher solubilities of stilbene and azobenzene. Direct irradiation of trans-stilbene showed that C(5)G(3) and C(4)G(3) dendrimers afforded considerable phenanthrene formation, in addition to cis-stilbene, whereas C(3)G(3) and C(2)G(3) gave only cis-stilbene. An electron-transfer sensitized trans-cis isomerization, using cresyl violet perchlorate as the sensitizer, also led to similar results. Thermal isomerization of cis-azobenzene to trans-azobenzene within dendritic microenvironments revealed that the activation energy of the cis- to trans-isomer was increasing in the series C(5)G(3) < C(4)G(3) < C(3)G(3)

Photosensitized CIS-TRANS isomerization of 2,3-diphenylbutene-2 investigation of anomalous sensitizers for substituted Stilbene isometrization

The behavior of the photosensitized cis-trans isomerization of 2,3-diphenylbutene-2 was studied as a function of sensitizer energy by previously established methods. In addition, certain sensitizers for which parameters other than energy transfer are operative in inducting isomerizations, were studied in more detail. Sensitization of various stilbenes and substituted stilbenes by triphenylene is discussed in terms of excited state complex formation with stilbene. Sensitization by quinones, halogen-containing aromatics and 1,2-diketones is discussed in terms of attack by photolytically produced free radicals, either by addition to and elimination from the double bond, or in the cases of 1,2-diphenylpropene and 2,3-diphenylbutene-2, by hydrogen abstraction from one of the methyl groups and reversible abstraction by the allylic radical to produce cis-trans isomerized substrate and the structurally isomerized products, 2,3-diphenylpropene and 2,3-diphenylbutene-1.

Synthesis and thermal polymerization of a novel stilbene-maleimide AB-monomer

A novel AB-monomer, 3-maleimidostilbene (ST-MAI), was synthesized. DSC investigation indicated that the ST-MAI monomer melted at 127 degrees C and thermally polymerized in the temperature range of 180 similar to 300 degrees C. LR investigation on the thermal polymerization processes proved that the thermal polymerization included not only copolymerizaiton between stilbene and maleimide, but also homopolymerization of maleimide. The largest reaction conversion of maleimide and stilbene unit in a ST-MAI monomer was about 82% and 50% respectively. The glass transition temperature of cured ST-MAI resin was 234 degrees C, determined by DSC. The decomposition temperatures for 10% weight loss was above 430 degrees C in both air and nitrogen atmospheres.

Unexpectedly superior enantioselectivity for trans-stilbene cis-dihydroxylation over anchored triosmium carbonyl species in confined Al-MCM-41 channels

Superior enantioselectivity in the dihydroxylation of trans-stilbene catalysed by anchored triosmium carbonyl species without using a chiral modifier is observed inside sterically congested MCM-41 channels; this effect is more pronounced through the introduction of surface Al sites into the silicate.

Heterogenisation of Os species on MCM-41 structure for epoxidation of trans-stilbene

Metal organic chemical vapour deposition technique (MOCVD) has been used to immobilise Os species onto the internal porous structure of MCM-41. Evidence suggests that volatile Os-3(CO)(12) cluster reacts with surface silanol groups of the MCM-41 via an oxidative addition reaction to yield a trinuclear HOs3(CO)(10)(OSi-) surface species. After heat treatment in air or at their very low surface coverage, these triangular sites break up to partially oxidised mononuclear surface species. In the presence of tert-butyl hydroperoxide (TBHP) as an oxidant, we demonstrate that the mononuclear species form extremely active species that catalyse the oxidation of trans-stilbene selectively to the corresponding epoxide. By carefully controlling the parameters of the MOCVD method (loading and calcination temperature), we report a new class of optimised MCM-41 porous heterogeneous catalysts carrying isolated but active Os sites for the selective oxidation of trans-stilbene in liquid phase. The reaction selectivity of the solid supported Os is apparently higher than the soluble homogeneous Os-3(CO)(12) cluster. It is envisaged that our solid supported catalysts not only facilitate separation from products but also offer an excellent utilisation of Os for catalysis. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Effect of media polarity on the photoisomerisation of substituted stilbene, azobenzene and imine chromophores

The influence of substituents and media polarity on the photoinducedE→Z geometrical isomerisation of the stilbene, azobenzene and N-benzylideneaniline chromophores has been compared and assessed. The efficiency of the process in all three systems is markedly dependent on the presence and characteristics of electron-donor and electron-acceptor substituents at the 4- and 4′-positions. The results are discussed in terms of relaxation of the E-excited singlet state. In the absence of a nitro substituent, relaxation to the S1 orthogonal state competes effectively with non-productive intramolecular electron transfer; in the presence of a nitro substituent, the T1 orthogonal state is formed from inter-system crossing. For systems with a 4-nitro and a 4′-electron-donor substituent, access to the triplet state is inhibited by polar solvents promoting formation of the inactive charge-transfer state from the S1 state, and no isomerisation is observed. Similar effects are observed in both solution and polymer films. Such variations in behaviour have important implications for the utilisation of the chromophores in nonlinear optical phenomena including photorefractivity.

(1)H NMR spectroscopy as a tool to determine accurate photoisomerization quantum yields of stilbene-like ligands coordinated to rhenium(I) polypyridyl complexes

In this work, the use of proton nuclear magnetic resonance, (1)H NMR, was fully described as a powerful tool to follow a photoreaction and to determine accurate quantum yields, so called true quantum yields (Phi(true)), when a reactant and photoproduct absorption overlap. For this, Phi(true) for the trans-cis photoisomerization process were determined for rhenium(I) polypyridyl complexes, fac-[Re(CO)(3)(NN)(trans-L)](+) (NN = 1,10-phenanthroline, phen, or 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline, ph(2)phen, and L = 1,2-bis(4-pyridyl) ethylene, bpe, or 4-styrylpyridine, stpy). The true values determined at 365 nm irradiation (e. g. Phi(NMR) = 0.80 for fac-[Re(CO)(3)(phen)(trans-bpe)](+)) were much higher than those determined by absorption spectral changes (Phi(UV-Vis) = 0.39 for fac-[Re(CO)(3)(phen)(trans-bpe)](+)). Phi(NMR) are more accurate in these cases due to the distinct proton signals of trans and cis-isomers, which allow the actual determination of each component concentration under given irradiation time. Nevertheless when the photoproduct or reactant contribution at the probe wavelength is negligible, one can determine Phi(true) by regular absorption spectral changes. For instance, Phi(313) nm for free ligand photoisomerization determined both by absorption and (1)H NMR variation are equal within the experimental error (bpe: Phi(UV-Vis) = 0.27, Phi(NMR) = 0.26; stpy: Phi(UV-Vis) = 0.49, Phi(NMR) = 0.49). Moreover, (1)H NMR data combined with electronic spectra allowed molar absorptivity determination of difficult to isolate cis-complexes. (C) 2009 Elsevier B. V. All rights reserved.

Synthesis and Anti-Mycobacterium tuberculosis Evaluation of Aza-Stilbene Derivatives

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Polyphenylen-Dendrimere

Polyphenylen-Dendrimere Alexander Josef Berresheim Zusammenfassung der Dissertation Die vorliegende Arbeit mit dem Thema 'Polyphenylen-Dendrimere' ist synthetisch orientiert und behandelt im Wesentlichen den Aufbau neuer Polyphenylen-Dendrimere durch die Anwendung wiederholter Diels-Alder- und Desilylierungs-Reaktionen. Diskutiert wird die Synthese der einzelnen Bausteine, die Synthese der verschiedenen Dendrimere sowie deren Charakterisierung. Außerdem wird die oxidative Cyclodehydrierung geeigneter Dendrimere zu polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen beschrieben. Die Synthese der Dendrimere beruht auf einer wiederholten Diels-Alder-Reaktion eines Tetraphenylcyclopentadienons mit einem aromatischen Acetylen. Durch die Variation des Kerns und des Verzweigungsbausteins werden die Wachstumsgrenzen, denen dieser Dendrimer-Typ unterliegt, demonstriert. Es wird gezeigt, dass ein Dendrimer, bei dessen Synthese 3,4-Di-[4-(tri-iso-propylsilylethinyl)phenyl]-2,5-diphenylcyclopentadienon als Verzweigungsbaustein verwendet wird, bis zur vierten Generation wachsen kann. Wird bei der Synthese 3,3',5,5'-Tetraethinylbiphenyl als Kern verwendet, entsteht ein Oligophenylen, das aus 302 Benzolringen besteht.Bei Dendrimeren, deren Synthese auf dem A4B-Baustein 2,3,4,5-Tetrakis-[4-(tri-iso-propylsilylethinyl)phenyl]cyclopentadienon beruht, hängt die höchste Generation, die monodispers hergestellt werden kann, von der Art des Kerns ab. Wird 1,4-Diethinylbenzol verwendet, lassen sich die ersten drei Generationen synthetisieren. Hat der Kern jedoch die Multiplizität 'vier' oder 'sechs' ist bereits bei der zweiten Generation das Ende des monodispersen Wachstums erreicht.Die Charakterisierung der Dendrimere zeigt, dass es sich um Nanopartikel mit einer stabilen Form handelt. Der Durchmesser wächst linear mit der Generation. In einem Fall war es möglich einen Einkristall zu erhalten, dessen Kristallstruktur ermittelt werden konnte. Hierbei zeigt sich, dass es zu einer hohen Einlagerung von Lösungsmitteln in der Festphase kommen kann. Dieses Ergebnis wurde auch durch gezielte Versuche zum Einlagerungsverhalten von Lösungsmitteln in der Festphase bestätigt.Der letzte Teil dieser Arbeit widmet sich der Möglichkeit, die Polyphenylen-Dendrimere zu großen zweidimensionalen Graphitausschnitten zu cyclodehydrieren. Es war generell möglich, polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe mit bis zu 306 Kohlenstoffatomen herzustellen. Es zeigt sich aber auch, dass mit zunehmender Größe des Aromaten, die Intensität der Nebenreaktionen zunimmt.

Hyperverzweigte Polyphenylene und redoxaktive Dendrimere

Die Doktorarbeit gliedert sich in zwei Abschnitte. Das erste Kapitel beschäftigt sich mit den hyperverzweigten Polyphenylenen. Es wurden Untersuchungen des Molekulargewichts in Abhängigkeit von der Monomerkonzentration und der Reaktionszeit durchgeführt. Die synthetisierten Polymere haben große Polydispersitäten, die durch fraktioniertes Fällen herabgesetzt werden können. Die Funktionalisierung der hyperverzweigten Polyphenylene mit unterschiedlichen Methoden führt zu verschiedenen Funktionen auf der Oberfläche der Polymere. Die chlormethylierten hyperverzweigen Polymere können als Makroinitiator für den Aufbau von Kern-Schale-Systemen genutzt werden. Mit Hilfe der ATRP-Polymerisation wurde Methylmethacrylat anpolymerisiert. Als Charakterisierungsmethode zur Bestimmung des freien Volumens findet die Positronenauslöschungsspektroskopie Anwendung. Im zweiten Teil der Arbeit stehen die Synthese und Charakterisierung von redoxaktiven Dendrimeren mit Triphenylamin- bzw. Naphthalinkern im Mittelpunkt. Den Einfluß der Dendrimerhülle auf die Redoxaktivität zeigen cyclovoltammetrische Untersuchungen. Die Zunahme der dendritischen Hülle führt zu einer Abschirmung des Redoxzentrums gegen die Elektrode und damit zu einer Inhibierung des Elektronentransfers. Das spiegelt sich in der Abnahme der Geschwindigkeitskonstanten sowie in der Ausdehnung der cyclovoltammetrischen Kurve wieder. Die Funktionalisierung der Triphenylamin-Dendrimere mit Chromophoren auf der Oberfläche führt zu einer Änderung der optische Eigenschaften, die mit Hilfe von Absorptions- und Emissionsmessungen untersucht wurden.