Selbstorganisation von intramolekularen Ladungstransferverbindungen zu funktionalen molekularen Systemen

Hoch polarisierte Verbindungen mit intramolekularem Ladungstransfer (ICT) werden weit verbreitet als nichtlineare optische (NLO)-Materialien, rote Emitter und in organischen Leuchtdioden verwendet. Niedermolekulare Donor/Acceptor (D/A)-substituierte ICT-Verbindungen sind ideale Kandidaten als Bausteine für hierarchisch strukturierte, multifunktionale selbstorganisierte supramolekulare Systeme. Dieser Bericht beschreibt unsere jüngsten Studien zur Entwicklung funktionaler molekularer Systeme mit wohl-definierten selbstorganisierten Strukturen basierend auf Ladungstransfer-(CT)-Wechselwirkungen. Vom Lösungsmittel (Sensoren) bis zum Festkörper (organisierte Strukturen) haben wir sowohl intrinsische als auch stimuliinduzierte CT-Wechselwirkungen vollständig genutzt, um diese funktionalen molekularen Systeme zu konstruieren. Wir haben organische Moleküle mit ICT-Fähigkeit, Diversität und Anpassbarkeit entworfen, die zur Entwicklung neuartiger selbstorganisierter Materialien verwendet werden können. Diese ICT-organischen Moleküle basieren auf verschiedenen einfachen Strukturen wie Perylenbisimid, Benzothiadiazol, Tetracyanobutadien, Fluorenon, Isoxazolonen, BODIPY und deren Derivaten. Das Ausmaß des ICT wird sowohl durch die Art der Brücke als auch durch die Substituenten beeinflusst. Wir haben neue Methoden zur Synthese von ICT-Verbindungen entwickelt, indem wir Heterocyclen oder Heteroatome in die π-konjugierten Systeme eingeführt oder die Konjugation diverser aromatischer Systeme über einen weiteren aromatischen Ring erweitert haben. Durch Kombination dieser ICT-Verbindungen mit unterschiedlichen D/A-Einheiten und verschiedenen Konjugationsgraden mit Phasenübergangsverfahren und Lösungsmitteldampftechniken haben wir verschiedene organische Nanostrukturen selbstorganisiert, einschließlich hohler Nanosphären, Drähte, Röhren und bandartige Architekturen mit kontrollierbaren Morphologien und Größen. Zum Beispiel erhielten wir eine nichtzentrosymmetrische Mikrofaserstruktur, die ein permanentes Dipolmoment entlang der Längsachse ihrer Fasern und ein Transitionsdipolmoment senkrecht dazu aufwies; die unabhängigen NLO-Reaktionen dieses Materials können spektral und räumlich getrennt und eingestellt werden. Die gute Verarbeitbarkeit und die intrinsisch hohe NLO-Effizienz dieser Mikrofaser bieten große Möglichkeiten für Anwendungen in photonischen Geräten. Wir haben auch molekulare Sensoren basierend auf Änderungen in der Effizienz des ICT-Prozesses bei Komplexierung eines Analyten mit den D- oder A-Motiven in den ICT-Verbindungen entworfen. Solche Sensoren, die deutliche Stokes-Verschiebungen oder Änderungen in Quantenausbeuten oder Fluoreszenzlebensdauern zeigen, bieten Potenzial für Anwendungen in der chemischen und biologischen Erkennung und Sensorik. In diesem Bericht beleuchten wir die Struktur-Funktions-Beziehungen dieser funktionalen molekularen Systeme mit wohl-definierten selbstorganisierten Strukturen basierend auf ICT-Wechselwirkungen. Die ermutigenden Ergebnisse deuten darauf hin, dass solche selbstorganisierten ICT-molekularen Materialien die Gestaltung neuer Nanostrukturen und Materialien aus organischen Systemen leiten können und dass diese Materialien in einem breiten Spektrum von Zusammensetzungen, Größen, Formen und Funktionalitäten potenziell in den Bereichen Elektronik, Optik und Optoelektronik angewendet werden können.