UV- und CD-Spektroskopie von Exzitonübergängen bei Dotierstoffen zur chiralen Induktion

  • Das zentrale Thema der vorliegenden Arbeit war die spektroskopische Untersuchung der Chiralität mittels von CD-, UV- und polarisierter UV-Spektroskopie an unverbrückten (R-1 bis R-3) und verbrückten 1,1' -Binaphtholen (R-4 bis R-7). Diese spektroskopischen Untersuchungen sind für die Interpretation der HTP (helical twisting power) erforderlich, um insbesondere auch einen Vergleich der Ergebnisse der Chiralitätsbeobachtungen CD und HTP zu ermöglichen. Um die Spektren der 1,1' -Binaphthole mit der Struktur zu korrelieren und insbesondere die Ordnungszustände in der flüssigkristallinen Phase über die 2 H-NMR-Spektren zu erhalten, mußte die Geometrie der Verbindungen, gelöst in der flüssigkristallinen Phase, bekannt sein. Da die Struktur in dieser Phase zum Teil verändert sein kann wurde die Geometrie der 1,1'-Binaphthole R-1 bis R-7 und damit der Winkel q, sowie der Potentialkurvenverlauf als Funktion der Drehung um die Naphthyl-Naphthyl-Verbindungsachse mit der AM1-Methode für die Gasphase berechnet, und mit Ergebnissen aus Röntgenstrukturdaten aus Arbeiten von Reiß und Frank [74-78] verglichen. Für die unverbrückten 1,1'-Binaphthole wurden im Bereich 90 ° +-30 ° breite flache Potentialkurven (Änderung der Energie < kT) erhalten, während die Potentialkurven der verbrückten 1,1'-Binaphthole schmäler und steiler im Verlauf ausfallen, da die Verbrückung durch den Dioxepinring eine Rotation um die Naphthyl-Naphthyl- Verbindungsachse nicht zuläßt. Als Konsequenz der flachen Potentialkurve muß für die Gasphase für diese Moleküle eine "Large Amplitude Motion (LAM)" beachtet werden, die für die Beschreibung unserer Effekte in der flüssigkristallinen Matrix in Form von lösungsmittelstabilisierten Konformere zu berücksichtigen ist, für die eine Simulation nicht durchgeführt wurde. Die Winkel zwischen den mittleren Naphthylebenen aus der AM1-Methode qAM1 und der Röntgenstrukturanalyse qRSA weichen für die verbrückten 1,1 -Binaphthole 4, 5 und 6 maximal 7° voneinander ab. Für 7 ergab sich eine große Abweichung, die aber möglicherweise artifiziell ist, da die Röntgenstruktur zum jetzigen Zeitpunkt, wegen einer Zwillingsbildung im Kristall noch nicht vollständig analysiert wurde. Bei den unverbrückten 1,1'-Binaphtholen führt die flache Potentialkurve dazu, daß die äußere Umgebung d.h. die Packungseffekte einen wesentlichen Einfluß auf den Winkel qRSA zwischen den mittleren Naphthylebenen ausübt. Hieraus ist zu ersehen, daß der Flüssigkristall ebenfalls eine Auswirkung auf den Winkel q haben wird. Es zeigt sich, daß der CD von Verbindung R-1 wesentlich besser reproduziert werden kann, wenn man zur Beschreibung -255- eine Boltzmann-Wichtung über alle mit der Exziton-Theorie berechneten CD-Spektren der einzelnen Konformationen der Potentialkurve durchführt, als wenn nur die Geometrie des Minimums benutzt wird. Um die Anisotropie der 1,1' -Binaphthole im Flüssigkristall zu analysieren ist es notwendig die Ordnung der Moleküle in der Phase, d.h. die Hauptachsen und Hauptwerte des Ordnungstensors zu kennen, die im Rahmen der Arbeit von I. Kiesewalter [92] gemessen wurde. Die Orientierung der Hauptachsen im Molekül sind abhängig von der Geometrie des Moleküls und muß, da die Moleküle C2-Symmetrie besitzen, experimentell bestimmt werden. Hierbei besteht zusätzlich das Problem, daß zwar die Größe der Quadrupolaufspaltungen experimentell ermittelbar sind, nicht aber ihr Vorzeichen. Ein Verfahren diese Informationslücke der Vorzeichen zu beheben bestand darin, alle Zuordnungen zu denkbaren Orientierungszuständen durch eine Permutation zu erhalten. Durch weitere Kriterien werden dann Zuordnungen aufgrund der erhaltenen Ergebnisse aussortiert. Für die so gefundenen Sätze von Hauptwerten * 33 ii g ist zu prüfen ob sie innerhalb des Ordnungsdreiecks liegen. Erfüllen die * 33 ii g dieses in der Hierachie oberste Kriterium folgen weitere, wie z.B. die Übereinstimmung mit den Hauptwerten aus der 13 C-Spektroskopie, um die optimalste Lösung zu ermitteln. Für 2 existieren keine Ordnungsparameter S * und D * aufgrund der schlechten Löslichkeit in ZLI-1695. Aus Tensorkoordinaten eii * , die mit Hilfe der experimentellen Ordnungsparameter S * und D * aus den Anisotropiegraden, ermittelt wurden, können im Rahmen des Exziton-Modells interpretiert werden. Für die unverbrückten 1,1-Binaphthole 1 bis 3 zeigt sich, daß die Aufspaltungsenergie n , m NK E D und damit die Wechselwirkung zwischen den Naphthylebenen, die im Exziton-Modell als Dipol-Dipol-Wechselwirkung beschrieben wird, im Vergleich zu den verbrückten 1,1-Binaphtolen 4, 5 und 7 sehr gering ist. 1 zeigt eine Aufspaltungsenergie von 1 n , m NK cm 9 . 335 E - = D , 2 und 3 zeigen eine von 94.0 cm -1 und 0 cm -1 . Der Mittelwert der Aufspaltungsenergien aus den Tensorkoordinaten von 4, 5 und 7 beträgt dagegen 1 n , m NK cm 6 . 1093 E - = D . Aus den Tensorkoordinaten der unverbrückten 1,1 ' -Binaphthole ergibt sich weiterhin, daß die a-Bande eine höhere Intensität besitzt als die b-Bande. Für die verbrückten 1,1' -Binaphthole ist das Verhältnis a- zu b-Bande genau umgekehrt. Aus Anpassungen experimenteller CD- und UV-Spektren, mit Gleichungen, die aus der Exziton-Theorie abgeleitet wurden, findet man die gleiche Tendenz, wie aus den Ergebnissen der Tensorkoordinatenzerlegung. Die Wechselwirkungsenergie n , m NK E D ist für die verbrückten 1,1' - 256-Binaphthole 1 bis 3 ca. doppelt so groß, wie für die unverbrückten 1,1' -Binaphthole 4 bis 7. Speziell aus der Anpassung der UV-Spektren ergibt sich, daß für die verbrückten 1,1' -Binaphthole 1 bis 3, daß die a-Bande größer als die b-Bande ist, während die verbrückten 1,1-Binaphthole ein umgekehrtes Verhältnis von a- zu b-Bande zeigen Weiterhin konnte mit den Tensorkoordinaten die Lage des elektrischen Dipolübergangsmomentes der a-Bande ( A B -Übergang) für 4, 5 und 7 bestimmt werden. Man findet, daß das elektrische Dipolübergangsmoment a m , das in der Ebene senkrecht zur C2-Achse polarisiert ist, einen Winkel von 49° mit der Naphthyl-Naphthyl-Verbindungsachse einschließt. Speziell für die Verbindungen 4 und 7 zeigt sich aus den Tensorkoordinaten, daß der b- bzw. B A -Übergang einmal entlang der * 2 x -Achse für 4 bzw. entlang der * 3 x -Achse für 7 liegt. Dies zeigt, daß die Orientierungsachse aus der Naphthyl-Naphthyl-Achse bei Verbindung 4 in Richtung der C2-Achse bei Verbindung 7 gekippt ist. In den Tensorkoordinaten * 22 e bei Verbindung 4 und * 33 e bei Verbindung 7, die nach dem Exziton-Modell nur den A A -Übergang zeigen sollten, kann eine zusätzliche Bande im Spektralbereich des B A -Übergangs beobachtet werden. Bei den unverbrückten 1,1' -Binaphtholen tritt diese zusätzliche Bande bei der Tensorkoordinatenzerlegung nicht zum Vorschein. Die Ursache für diese zusätzliche Bande könnte eine Intensivierung eines Übergangs sein aufgrund der Verkrümmung des Naphthylrings und der damit verbundenen Erniedrigung der Symmetrie. Für die Dipolstärke würde dann im Grundkörper, d.h. im 2-Hydroxy- naphthalin mit einem planaren System - p 0 D NK = gelten. Tabelle 78. zeigt alle Ergebnisse für die unverbrückten (1 bis 3) und verbrückten (4 bis 7) 1,1 -Binaphthole, die aus AM1-Rechnungen, Röntgenstrukturanalyse und anisotroper UV-Spektroskopie im Rahmen dieser Arbeit erhalten wurden. Die Daten aus der anisotropen UV-Spektroskopie werden verglichen mit Daten, die man aus einer Anpassung experimenteller CD- und UV-Spektren in ZLI-1695 bei T=80°C, mit Hilfe von Gleichungen, die aus der Exziton-Theorie abgeleitet sind, erhält.

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Metadaten
Author:Elmar Dorr
URN (permanent link):urn:nbn:de:bsz:386-kluedo-247
Advisor:H.-G. Kuball
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:1999
Year of Publication:1999
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:1999/11/26
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Chemie
DDC-Cassification:540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften

$Rev: 12793 $