The successful synthesis of a family of donor-iridium complex-acceptor triads (T1–T6, pMV1 and mMV1) and their electrochemical and photophysical properties were presented in this work. Triarylamines (TAA) were used as donors and naphthalene diimide (NDI) as acceptor. A bis-cyclometalated phenylpyrazole iridium dipyrrin complex acts as a photosensitiser. In addition, a molecular structure of T1 was obtained by single crystal X-ray diffraction. Transient absorption spectroscopy experiments of these triads resembled that upon excitation a photoinduced electron transfer efficiently generates long-lived, charge-separated (CS) states. Thereby, the electron-transfer mechanism depends on the excitation energy. The presence of singlet and triplet CS states was clarified by magnetic-field dependent transient-absorption spectroscopy in the nanosecond time regime. It was demonstrated that the magnetic field effect of charge-recombination kinetics showed for the first time a transition from the coherent to the incoherent spin-flip regime. The lifetime of the CS states could be drastically prolonged by varying the spacer between the iridium complex and the NDI unit by using a biphenyl instead of a phenylene unit in T4. A mixed-valence (MV) state of two TAA donors linked to an iridium metal centre were generated upon photoexcitation of triad pMV1 and mMV1. The mixed-valence character in these triads was proven by the analysis of an intervalence charge-transfer (IV-CT) band in the (near-infrared) NIR spectral region by femtosecond pump-probe experiments. These findings were supported by TD-DFT calculations. The synthesis of dyads (D1–D4) was performed. Thereby the dipyrrin ligand was substituted with electron withdrawing groups. The electrochemical and photophysical characterisation revealed that in one case (D4) it was possible to generate a CS state upon photoexcitation. / In dieser Arbeit wurden die erfolgreiche Synthese einer Donor-Iridiumkomplex-Akzeptor-Familie (Triaden T1–T6, pMV1 und mMV1) und deren elektrochemischen und photophyiskalischen Eigenschaften vorgestellt. Als Donor wurden Triarylamine (TAA) verwendet, als Akzeptoreinheit diente ein Naphthalin-Diimid (NDI). Ein bis-cyclometallierter Phenylpyrazol-Iridium-Dipyrrin-Komplex übernahm die Aufgabe des Photosensibilisators. Die synthetischen Arbeiten konnten mit einer molekularen Struktur von T1 mittels Röntgenbeugung eines Einkristalls ergänzt werden. Bei Photoanregung der Triaden mit transienter Absorptions-Spektroskopie wurde die sehr effiziente Bildung von langlebigen, ladungsgetrennten (CS) Zuständen beobachtet. Es wurde zudem herausgefunden, dass der Elektronentransfer (ET)-Mechanismus von der verwendeten Anregungswellenlänge abhängt. Der Nachweis von Singulett und Triplett CS-Zuständen wurde mittels magnetfeldabhängiger, transienter Absorptions-Spektroskopie erbracht. Eine Analyse des Magnetfeldeffekts der Ladungsrekombinations-Kinetik zeigte zum ersten Mal einen Übergang von einem kohärenten zu einem inkohärenten Spinumkehrprozess. Die Lebenszeit des CS-Zustandes ließ sich dramatisch verlängern indem die Phenylen- durch eine Biphenyl-Brückeneinheit zwischen dem Iridiumkomplex und dem NDI ersetzt wurde. Gemischvalente Zustände konnten mittels photinduziertem Elektronentransfer in den Triaden pMV1 und mMV1 erzeugt werden. Im Fall von pMV1 wurde eine intensive Intervalenz-Ladungstransfer (IV-CT) Bande im nahinfraroten Spektralbereich mittels Femtosekunden transienter Anregungs-Abfrage-Spektroskopie beobachtet werden. Die Analyse dieser IV-CT Bande wurde mit TD-DFT Rechnungen vervollständigt. Die Synthese von Dyaden (D1–D4) wurde erfolgreich durchgeführt, dabei wurde der Dipyrrin-Ligand mit elektronenziehenden Substituenten versehen. Die spektroskopische und elektrochemische Analyse erbrachte nach erfolgter Lichtanregung in einem Fall (D4) ebenfalls einen CS-Zustand.

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.

Universiẗat, Diss., 2007--Frankfurt (Main). / Zsfassung in dt. und engl. Sprache.

Ulm, Univ., Diss., 2006.

Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2007.

This work is concerned with the syntheses and photophysical properties of para-xylylene bridged macrocycles nPBI with ring sizes from two to nine PBI units, as well as the complexation of polycyclic aromatic guest compounds. With a reduced but substantial fluorescence quantum yield of 21% (in CHCl3) the free host 2PBI(4-tBu)4 can be used as a dual fluorescence probe. Upon encapsulation of rather electron-poor guests the fluorescence quenching interactions between the chromophores are prevented, leading to a significant fluorescence enhancement to > 90% (“turn-on”). On the other hand, the addition of electron-rich guest molecules induces an electron transfer from the guest to the electron-poor PBI chromophores and thus quenches the fluorescence entirely (“turn-off”). The photophysical properties of the host-guest complexes were studied by transient absorption spectroscopy. These measurements revealed that the charge transfer between guest and 2PBI(4-tBu)4 occurs in the “normal region” of the Marcus-parabola with the fastest charge separation rate for perylene. In contrast, the charge recombination back to the PBI ground state lies far in the “inverted region” of the Marcus-parabola. Beside complexation of planar aromatic hydrocarbons into the cavity of the cyclophanes an encapsulation of fullerene into the cyclic trimer 3PBI(4-tBu)4 was observed. 3PBI(4-tBu)4 provides a tube-like structure in which the PBI subunits represent the walls of those tubes. The cavity has the optimal size for hosting fullerenes, with C70 fitting better than C60 and a binding constant that is higher by a factor of 10. TA spectroscopy in toluene that was performed on the C60@3PBI(4-tBu)4 complex revealed two energy transfer processes. The first one comes from the excited PBI to the fullerene, which subsequently populates the triplet state. From the fullerene triplet state a second energy transfer occurs back to the PBI to generate the PBI triplet state. In all cycles that were studied by TA spectroscopy, symmetry-breaking charge separation (SB-CS) was observed in dichloromethane. This process is fastest within the PBI cyclophane 2PBI(4-tBu)4 and slows down for larger cycles, suggesting that the charge separation takes place through space and not through bonds. The charges then recombine to the PBI triplet state via a radical pair intersystem crossing (RP-ISC) mechanism, which could be used to generate singlet oxygen in yields of ~20%. By changing the solvent to toluene an intramolecular folding of the even-numbered larger cycles was observed that quenches the fluorescence and increases the 0-1 transition band in the absorption spectra. Force field calculations of 4PBI(4-tBu)4 suggested a folding into pairs of dimers, which explains the remarkable odd-even effect with respect to the number of connected PBI chromophores and the resulting alternation in the absorption and fluorescence properties. Thus, the even-numbered macrocycles can fold in a way that all chromophores are in a paired arrangement, while the odd-numbered cycles have open conformations (3PBI(4-tBu)4, 5PBI(4-tBu)4, 7PBI(4-tBu)4) or at least additional unpaired PBI unit (9PBI(4-tBu)4). With these experiments we could for the first time give insights in the interactions between cyclic PBI hosts and aromatic guest molecules. Associated with the encapsulation of guest molecules a variety of possible applications can be envisioned, like fluorescence sensing, chiral recognition and photodynamic therapy by singlet oxygen generation. Particularly, these macrocycles provide photophysical relaxation pathways of PBIs, like charge separation and recombination and triplet state formation that are hardly feasible in monomeric PBI dyes. Furthermore, diverse compound specific features were found, like the odd-even effect in the folding process or the transition of superficial nanostructures of the tetrameric cycle influenced by the AFM tip. The comprehensive properties of these macrocycles provide the basis for further oncoming studies and can serve as an inspiration for the synthesis of new macrocyclic compounds. / In dieser Arbeit wurde die Synthese para-Xylol-verbrückter Makrozyklen nPBI mit Ringgrößen von zwei bis neun PBI Einheiten beschrieben und deren photophysikalische Eigenschaften sowie Komplexierungsvermögen für polyzyklische aromatische Gastverbindungen analysiert. Mit einer reduzierten, aber noch substantiellen Fluoreszenzquantenausbeute von 21% in CHCl3 eignet sich der freie Wirt 2PBI(4-tBu)4 als dualer Fluoreszenzsensor. Durch die Aufnahme von elektronenarmen Gästen wird die zur Fluoreszenzlöschung führende Wechselwirkung zwischen den Chromophoren unterbunden, was sich in einer deutlichen Steigerung der Fluoreszenzquantenausbeute auf > 90% widerspiegelt („turn-on”). Andererseits führt die Zugabe elektronenreicher Gäste zu einem Elektronentransfer vom Gast auf die elektronenarmen PBI-Chromophore und quencht die Fluoreszenz damit nahezu vollständig („turn-off”). Die photophysikalischen Eigenschaften der Wirt-Gast Komplexe wurden mittels transienter Absorptionsspektroskopie weitergehend untersucht. Diese Studien zeigten, dass die Ladungstrennung zwischen Gast und 2PBI(4-tBu)4 in der „normalen Region“ der Marcus-Parabel stattfindet mit der schnellsten Ladungstrennungsrate für Perylen. Im Gegensatz dazu liegt die Ladungsrekombination zurück zum PBI Grundzustand weit in der „invertierten Region“ der Marcus-Parabel. Neben der Komplexierung flacher aromatischer Kohlenwasserstoffe in die Kavitäten der Cyclophane konnte auch die Aufnahme von Fullerenen in das zyklische Trimer 3PBI(4 tBu)4 beobachtet werden. 3PBI(4-tBu)4 weist eine röhrenartige Struktur auf, in der die PBI-Untereinheiten die Wände der Röhren darstellen. Damit hat die Kavität die optimale Größe für die Aufnahme von Fullerenen, wobei C70 besser hinein passt als C60 und damit eine um den Faktor 10 höhere Bindungskonstante besitzt. Transiente Absorptions-spektroskopie des C60@3PBI(4-tBu)4 Komplexes zeigte in Toluol zwei Energietransfer-prozesse auf. Der erste erfolgt vom angeregten PBI zum Fulleren, welches daraufhin den Triplettzustand populiert. Vom Fulleren-Triplettzustand erfolgt ein zweiter Energie-transfer zurück zum PBI, was schließlich im PBI-Triplett Zustand mündet. Für alle mittels transienter Absorptionsspektroskopie untersuchten Zyklen konnte eine symmetriebrechende Ladungstrennung in Dichlormethan beobachtet werden. Dieser Prozess ist für das PBI Cyclophan 2PBI(4-tBu)4 am schnellsten und wird mit zunehmender Ringgröße langsamer. Demnach ist die Ladungstrennung abhängig von der räumlichen Nähe der PBI Chromophore und nicht von deren Verbrückung. Im Anschluss erfolgt eine Ladungsrekombination zum PBI-Triplettzustand über ein Radikalpaar (radical pair intersystem crossing RP-ISC-Mechanismus), was zur Gewinnung von Singulettsauerstoff in Ausbeuten von ~20% genutzt werden konnte. Bei Verwendung von Toluol als Lösungsmittel wurde eine intramolekulare Faltung der geradzahligen größeren Zyklen beobachtet, wodurch die Fluoreszenz gequencht und die 0-1 Übergangsbande der Absorption verstärkt wird. Kraftfeldberechnungen für 4PBI(4 tBu)4 legen eine Faltung zu Dimerpaaren nahe, welche den außergewöhnlichen gerade-ungerade Effekt bezogen auf die Anzahl der verknüpften PBI Chromophore und die daraus resultierende Alternanz in den Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften erklärt. Dementsprechend können die geradzahligen Makrozyklen in der Art falten, dass alle Chromophore in einer gepaarten Anordnung vorliegen, während die ungeradzahligen Zyklen offene Konformationen (3PBI(4 tBu)4, 5PBI(4 tBu)4, 7PBI(4 tBu)4) oder zumindest teilweise ungepaarte PBI-Einheiten (9PBI(4 tBu)4) aufweisen. Mit zunehmender Ringgröße erhöht sich der Anteil an gefalteten Untereinheiten, was dazu führt, dass sich die optischen Eigenschaften des ungeradzahligen 9PBI(4 tBu)4 Zyklus den vollständig gefalteten Systemen angleicht. Mit diesen Experimenten konnten wir erstmals Enblicke in die Wechselwirkungen zwischen zyklischen PBI-Wirten und aromatischen Gastmolekülen geben. Verbunden mit der Aufnahme von Gastmolekülen ist eine Reihe möglicher Anwendungen wie Fluoreszenzsensorik, Chiralitätserkennung und photodynamische Therapie über die Generierung von Singulettsauerstoff denkbar. Insbesondere ermöglichen diese Makrozyklen photophysikalische Relaxationspfade von PBIs wie die Ladungstrennung und –rekombination und die Ausbildung von Triplettzuständen, welche in monomeren PBI-Frabstoffen nur schwer realisierbar sind. Weiterhin konnten einige verbindungs-spezifische Eigenschaften gefunden werden, wie den gerade-ungerade Effekt im Faltungsprozess oder die für den tetrameren Zyklus gefundene Umwandlung von Oberflächennanostrukturen unter dem Einfluß der AFM-Spitze. Die reichhaltigen Eigenschaften dieser Makrozyklen bilden damit die Basis für weitergehende Untersuchungen und können als Inspiration für die Synthese neuer makrozyklischer Verbindungen dienen.

The consecutive synthesis of 1,3,5-triferrocenyl-2,4,6-tris(ethynylferrocenyl)benzene (6c) is described using 1,3,5-Cl3-2,4,6-I3-C6 (2) as starting compound. Subsequent Sonogashira C,C cross-coupling of 2 with FcC[triple bond, length as m-dash]CH (3) in the molar ratio of 1 : 4 afforded solely 1,3,5-Cl3-2,4,6-(FcC[triple bond, length as m-dash]C)3-C6 (4c) (Fc = Fe(η5-C5H4)(η5-C5H5)). However, when 2 is reacted with 3 in a 1 : 3 ratio a mixture of 1,3,5-Cl3-2-(FcC[triple bond, length as m-dash]C)-4,6-I2-C6 (4a) and 1,3,5-Cl3-2,4-(FcC[triple bond, length as m-dash]C)2-6-I-C6 (4b) is obtained. Negishi C,C cross-coupling of 4c with FcZnCl (5) in the presence of catalytic amounts of [Pd(CH2C(CH3)2P(tC4H9)2)(μ-Cl)]2 gave 1,3-Cl2-5-Fc-2,4,6-(FcC[triple bond, length as m-dash]C)3-C6 (6a), 1-Cl-3,5-Fc2-2,4,6-(FcC[triple bond, length as m-dash]C)3-C6 (6b) and 1,3,5-Fc3-2,4,6-(FcC[triple bond, length as m-dash]C)3-C6 (6c) of which 6b is the main product. Column chromatography allowed the separation of these organometallic species. The structures of 4a,b and 6a in the solid state were determined by single crystal X-ray diffractometry showing a π–π interacting dimer (4b) and a complex π–π pattern for 6a. The electrochemical properties of 4a–c and 6a–c were studied by cyclic voltammetry (=CV) and square wave voltammetry (=SWV). It was found that the FcC[triple bond, length as m-dash]C-substituted benzenes 4a–c show only one reversible redox event, indicating a simultaneous oxidation of all ferrocenyl units, whereby 4c is most difficult to oxidise (4a, E°′1 = 190, ΔEp = 71; 4b, E°′1 = 195, ΔEp = 59; 4c, E°′1 = 390, ΔEp = 59 mV). In case of 4c, the oxidation states 4cn+ (n = 2, 3) are destabilised by the partial negative charge of the electronegative chlorine atoms, which compensates the repulsive electrostatic Fc+–Fc+ interactions with attractive electrostatic Fc+–Clδ− interactions. When ferrocenyl units are directly attached to the benzene C6 core, organometallic 6a shows three, 6b five and 6c six separated reversible waves highlighting that the Fc units can separately be oxidised. UV-Vis/NIR spectroscopy allowed to determine IVCT absorptions (=Inter Valence Charge Transfer) for 6cn+ (n = 1, 2) (n = 1: νmax = 7860 cm−1, εmax = 405 L mol−1 cm−1, Δν1/2 = 7070 cm−1; n = 2: νmax = 9070 cm−1, εmax = 620 L mol−1 cm−1, Δν1/2 = 8010 cm−1) classifying these mixed-valent species as weakly coupled class II systems according to Robin and Day, while for 6a,b only LMCT transitions (=ligand to metal charge transfer) could be detected. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese Ferrocenyl-funktionalisierter Phosphole und deren elektrochemische sowie spektroelektrochemische Charakterisierung zur Bestimmung der Stärke der Metall-Metall-Wechselwirkungen. Aufgrund der mangelnden Aromatizität stehen das freie Elektronenpaar am Phosphoratom und das dienische System für weitere Reaktionen zur Verfügung. Somit konnten gezielt Modifikationen am heterozyklischen Grundgerüst vorgenommen werden, um dessen elektronische Eigenschaften zu beeinflussen. Ein Schwerpunkt der Arbeit lag im Aufbau eines Phospholsystems mit Ferrocenyl-substituenten in 2- und 5-Position des Heterozyklus. Weiterhin wurden die Auswirkungen auf die elektronischen Eigenschaften des Moleküls nach chemischer Oxidation des Phosphoratoms von PIII zu PV mit Schwefel und Selen untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt lag in der Synthese von Übergangsmetallkomplexen des 2,5-Diferrocenyl-1-phenyl-1H-phosphols, um den Einfluss des Phosphoratoms und des dienischen Systems auf die elektronische Wechselwirkung der Ferrocenylgruppen genauer zu untersuchen und die elektronischen Eigenschaften gezielt zu beeinflussen. In weiteren Arbeiten wurden räumlich anspruchsvolle Substituenten am Phosphoratom zur Veränderung der Geometrie der pyramidalen Phosphorumgebung und somit zur Erhöhung der Delokalisierung im Heterozyklus eingeführt. Die Phosphole mit räumlich anspruchsvollen Gruppen zeigten die größte Metall-Metall-Wechselwirkung der Fc/Fc+-Gruppen über den Phospholring.

The consecutive synthesis of 1,3,5-triferrocenyl-2,4,6-tris(ethynylferrocenyl)benzene (6c) is described using 1,3,5-Cl3-2,4,6-I3-C6 (2) as starting compound. Subsequent Sonogashira C,C cross-coupling of 2 with FcC[triple bond, length as m-dash]CH (3) in the molar ratio of 1 : 4 afforded solely 1,3,5-Cl3-2,4,6-(FcC[triple bond, length as m-dash]C)3-C6 (4c) (Fc = Fe(η5-C5H4)(η5-C5H5)). However, when 2 is reacted with 3 in a 1 : 3 ratio a mixture of 1,3,5-Cl3-2-(FcC[triple bond, length as m-dash]C)-4,6-I2-C6 (4a) and 1,3,5-Cl3-2,4-(FcC[triple bond, length as m-dash]C)2-6-I-C6 (4b) is obtained. Negishi C,C cross-coupling of 4c with FcZnCl (5) in the presence of catalytic amounts of [Pd(CH2C(CH3)2P(tC4H9)2)(μ-Cl)]2 gave 1,3-Cl2-5-Fc-2,4,6-(FcC[triple bond, length as m-dash]C)3-C6 (6a), 1-Cl-3,5-Fc2-2,4,6-(FcC[triple bond, length as m-dash]C)3-C6 (6b) and 1,3,5-Fc3-2,4,6-(FcC[triple bond, length as m-dash]C)3-C6 (6c) of which 6b is the main product. Column chromatography allowed the separation of these organometallic species. The structures of 4a,b and 6a in the solid state were determined by single crystal X-ray diffractometry showing a π–π interacting dimer (4b) and a complex π–π pattern for 6a. The electrochemical properties of 4a–c and 6a–c were studied by cyclic voltammetry (=CV) and square wave voltammetry (=SWV). It was found that the FcC[triple bond, length as m-dash]C-substituted benzenes 4a–c show only one reversible redox event, indicating a simultaneous oxidation of all ferrocenyl units, whereby 4c is most difficult to oxidise (4a, E°′1 = 190, ΔEp = 71; 4b, E°′1 = 195, ΔEp = 59; 4c, E°′1 = 390, ΔEp = 59 mV). In case of 4c, the oxidation states 4cn+ (n = 2, 3) are destabilised by the partial negative charge of the electronegative chlorine atoms, which compensates the repulsive electrostatic Fc+–Fc+ interactions with attractive electrostatic Fc+–Clδ− interactions. When ferrocenyl units are directly attached to the benzene C6 core, organometallic 6a shows three, 6b five and 6c six separated reversible waves highlighting that the Fc units can separately be oxidised. UV-Vis/NIR spectroscopy allowed to determine IVCT absorptions (=Inter Valence Charge Transfer) for 6cn+ (n = 1, 2) (n = 1: νmax = 7860 cm−1, εmax = 405 L mol−1 cm−1, Δν1/2 = 7070 cm−1; n = 2: νmax = 9070 cm−1, εmax = 620 L mol−1 cm−1, Δν1/2 = 8010 cm−1) classifying these mixed-valent species as weakly coupled class II systems according to Robin and Day, while for 6a,b only LMCT transitions (=ligand to metal charge transfer) could be detected. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Three novel diferrocenyl complexes were prepared and characterised. 2,2-Diferrocenyl-4,5-dimethyl-3,6-dihydro-2H-thiopyran (1, sulphide) was accessible by the hetero-Diels–Alder reaction of diferrocenyl thioketone with 2,3-dimethyl-1,3-butadiene. Stepwise oxidation of 1 gave the respective oxides 2,2-diferrocenyl-4,5-dimethyl-3,6-dihydro-2H-thiopyran-1-oxide (2, sulfoxide) and 2,2-diferrocenyl-4,5-dimethyl-3,6-dihydro-2H-thiopyran-1,1-dioxide (3, sulfone), respectively. The molecular structures of 1 and 3 in the solid state were determined by single crystal X-ray crystallography. The oxidation of sulphide 1 to sulfone 3, plays only a minor role on the overall structure of the two compounds. Electrochemical (cyclic voltammetry (= CV), square wave voltammetry (= SWV)) and spectroelectrochemical (in situ UV-Vis/NIR spectroscopy) studies were carried out. The CV and SWV measurements showed that an increase of the sulphur atom oxidation from −2 in 1 to +2 in 3 causes an anodic shift of the ferrocenyl-based oxidation potentials of about 100 mV. The electrochemical oxidation of 1–3 generates mixed-valent cations 1+–3+. These monooxidised species display low-energy electronic absorption bands between 1000 and 3000 nm assigned to IVCT (= Inter-Valence Charge Transfer) electronic transitions. Accordingly, the mixed-valent cations 1+–3+ are classified as weakly coupled class II systems according to Robin and Day. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.