Die Gruppe Faust an der Universität Kassel ist physikalisch-organisch orientiert und untersucht Fragen zur chemischen Umwandlung von Sonnenenergie mit funktionellen organischen Molekülen.  Mit Methoden moderner organischer Synthese erforschen wir die Chemie und Photophysik der Phthalocyanine und deren synthetische Analoga und modifizieren diese synthetisch für eine Beteiligung an Energie- und Elektronentransferprozessen.  Zu diesem Zweck präparieren wir (oft anorganisch-organische) Hybridsysteme mit Relevanz u.a. für farbstoffsensibilisierte Solarzellen, photokatalytisch aktive Baumaterialien und Biosensoren.

Aufgrund seiner einzigartigen optoelektronischen und mechanischen Eigenschaften ist Graphen derzeit Gegenstand eines umfangreichen Forschungsinteresses. Die Flüssigphasenabblätterung von Graphit hat sich als eine ertrags- und kosteneffiziente Methode zur Herstellung von hochwertigen Graphen-Monoschichten entwickelt. Es hat sich gezeigt, dass aromatische Bausteine wie Pyren-Derivate, die eine starke Affinität zu Graphen über π-π-stacking aufweisen, den Exfoliationsprozess und die Stabilisierung des exfoliierten Materials unterstützen. Die zusätzliche Kombination mit photo- und redoxaktiven Chromophoren wie Phthalocyaninen (Pc) führt zu Nanohybridmaterialien mit verbesserter Lichtausbeute und photoinduzierten Ladungstransfereigenschaften.

Molekulare Drähte sind organische Strukturen, die eine gute Leitfähigkeit aufweisen und daher als elementare Bausteine für Nanobauteile dienen können. Eine zumindest partielle Leitfähigkeit wird in der Regel durch ein erweitertes konjugiertes π-System erreicht. Allerdings benötigt der Draht auch eine so genannte Ankergruppe, mit der er an die metallischen Kontakte des Bauelements, in den meisten Fällen Gold, bindet. Die am häufigsten verwendete Ankergruppe für Goldkontakte ist ein Thiol, teilweise wegen der starken Schwefel-Gold-Bindung. Eine alternative Ankergruppe ist Pyridin. Pyridin hat den Vorteil, dass es unter Umgebungsbedingungen stabil ist und keine Schutzgruppen benötigt. Wir haben molekulare Drähte synthetisiert, die Pyridine als Ankergruppen mit Phenylsubstituenten in den Meta-Positionen verwenden. Die Phenylgruppen verleihen den molekularen Drähten zusätzliche Löslichkeit und Stabilisierung. Die starren Rückgrate der Drähte werden durch Oligophenylen bzw. Phenylethinyl gebildet. Die pyridinverkappten molekularen Drähte haben N-N-Abstände zwischen 1,60 (in 1) und 2,93 nm (in 5).

Die Wechselwirkung zwischen den molekularen Drähten und dem in Wasser suspendierten AuNP wurde anhand des Phasentransfers des Nanopartikels in eine DCM-Phase untersucht. Zu diesem Zweck lösten wir 0,33 µmol des Drahtes 1-5 in 7,5 mL Ethanol und gaben sie zu 50 mL einer 12,5 µmolaren wässrigen AuNP-Suspension. Nach kurzer Zeit wurden die resultierenden Partikel mit 10 mL DCM aus der wässrigen Phase extrahiert.

DLS-Messungen bestätigen, dass die Bindung der Drähte an Au über das Pyridin-Stickstoffatom erfolgt. Nur pyridylverkappte molekulare Drähte sind in der Lage AuNPs in die organische (untere) Phase zu extrahieren. Es wurde auch festgestellt, dass längere Drähte ein reduziertes Bindungspotenzial haben, da mehr AuNP in der wässrigen Phase verbleibt (Daten nicht gezeigt).

Referenzen

Our general approach to molecular wires:

Djawed Nauroozi, Clemens Bruhn and Rüdiger Faust*: “Diethynyldiazafluoren-9-ylidene as a π Cross-Conjugated Platform for Redox Active Transition Metal Fragments”, Organometallics, 2019, 38, 2553.

This work:

Gero Grunewald, Sebastian Greve, Clemens Bruhn and Rüdiger Faust, in preparation.