Aryltropyliumionen
Creators: name: Jacobi, Dirk
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 1998
Subjects: subject: Cycloheptatrien
subject: Tropyliumsalz
subject: Elektronentransfer
subject: Photoredoxreaktion
subject: cycloheptatriene
subject: tropylium salt
subject: electron transfer
subject: photoredox reaction
subject: 540 Chemie
subject: 30 Chemie
subject: VK 5667

description: Arylsubstituierte Cycloheptatriene unterscheiden sich in ihrer Lichtabsorption, Molekülgeometrie und Elektronen- Donatorstärke gravierend von den korrespondierenden Aryltropyliumionen. Die Änderung der elektronischen Eigenschaften bei der Umwandlung der Arylcycloheptatrien- in die Aryltropyliumspezies ist daher potentiell nutzbar, um nichtkovalente Bindungskräfte in supramolekularen Einheiten mit Cycloheptatrienbausteinen zu beeinflussen. Licht stellt als ein energetisch und mit hoher örtlicher Auflösung selektiv anwendbares Reagenz ein besonders interessantes Werkzeug für die Verwirklichung solcher Schaltprozesse dar. Dies setzt jedoch Kenntnisse über photochemische Methoden der Erzeugung und Reduktion von Aryltropyliumionen und Einblicke in die Reaktionsmechanismen voraus. Die lichtinduzierte Generierung von stabilen Aryltropyliumionen wurde auf verschiedenen Wegen unter Nutzu ng zweier Klassen von Cycloheptatrienderivaten, der Arylcycloheptatriene und der Arylbicycloheptatriene, erreicht. Detaillierte Studien des Redoxverhaltens der Modellverbindungen wurden mit Hilfe von Stationärphotolysen, elektrochemischen Untersuchungen sowie durch Detektion von Intermediaten mittels ESR- und zeitaufgelöster Absorptionsspektroskopie angefertigt. Demnach erfordert die unter formalem Hydridtransfer verlaufende Photooxidation der Arylcycloheptatriene zu den korrespondierenden Aryltropyliumionen den Ablauf einer Sequenz aus photoinduziertem Elektronentransfer (PET), Deprotonierung der Cycloheptatrienradikalkationen und Grund zustandsoxidation der resultierenden Cycloheptatrienylradikale. Während die Energiebilanz des PET selbst in Gegenwart schwacher Elektronenakzeptoren stark negativ ist, bestimmt die Natur der Arylsubstituenten den weiteren Reaktionsverlauf. Entscheidend ist einerseits, daß die Deprotonierung der Arylcycloheptatrienradikalkationen mit dem thermodynamisch begünstigten Rückelektronentransfer (BET) konkurrieren kann und andererseits, daß die durch Deprotonierung gebildeten Arylcycloheptatrienylradikale im Grundzustand durch den verwendeten Akzeptor oxidiert werden. Eine hinsichtlich der Produkt- und Quantenausbeuten sehr effiziente Methode stellt die sensibilisierte Photooxidation in Gegenwart sehr starker Grundzustandselektronenakzeptoren, wie etwa Triplettsauerstoff oder Benzochinon, dar. Die Aktivierung der Arylbicycloheptatriene kann via PET oder durch photochemische Homolyse der zentralen C-C-Bindung erfolgen. Die im ersten Fall gebildeten Bicycloheptatrienradikalkationen fragmentieren mit hoher Geschwindigkeit unter Bildung eines Tropyliumions und eines Cycloheptatrienylradikals. Unabhängig von der Art der Photoreaktion stellt somit die Grundzustandsoxidation der Cycloheptatrienylradikale den Schlüsselschritt auf dem Wege der Generierung der Aryltropyliumionen dar. Mit Hilfe starker Akzeptoren, z.B. N-Methyl-acridiniumperchlorat oder weniger stabilisierten Tropyliumionen, lassen sich die Arylbicycloheptatriene oxidieren. Die Photoreduktion der Aryltropyliumionen ist in Gegenwart von Hydrid- und Zweielektronendonatoren möglich. Entgegen den Erwartungen werden auch in Gegenwart der Hydriddonatoren die Arylbicycloheptatriene erhalten. Als Grund hierfür kann das Ausbleiben der Protonierung der intermediär gebildeten Arylcycloheptatrienylradikale angesehen werden. Prinzipiell ist daher ein photochemisches Schalten zwischen den Redoxpartnern Aryltropyliumion und Arylbicycloheptatrien möglich. Ein Beispiel hierfür stellt das System N- Methyl- acridiniumion/Bis(4-Dimethylamino-phenyl) bicycloheptatrien bzw. 4-Dimethylamino- phenyltropyliumion/ 10,10'-Dimethyl-9,9'- tetrahydrobiacridinyl dar. Die Richtung der photochemisch induzierten Redoxreaktion (Oxidation des Arylbicycloheptatriens bzw. Reduktion des Tropyliumsalzes) wird hierbei bestimmt durch die Konzentrationsverhältnisse der Reaktanden. Aufgrund dieser Ergebnisse stellt die vorliegende Arbeit eine Basis für künftige Untersuchungen von lichtinduzierten Schaltprozessen in supramolekularen Aggregaten dar.
description: Compared with their corresponding tropylium ions, arylsubstituted cycloheptatrienes possess quite different behaviour in light absorption, shape and electronic donor strength. Therefore, those redox couples are useful candidates for influencing non-covalent bonding within supramolecular units, containing cycloheptatriene building blocks. The tool light was chosen due to its characteristics such as high energetic selectivity and even high optical resolution, to reach this goal. The planned light driven switching requires new photochemical methods of generation and reduction of the aryltropylium ions as well as insight in their mechanistic details. The photochemical formation of stable aryltropylium ions has been reached on different pathways using two classes of cycloheptatriene derivativs, the arylcycloheptatrienes and the arylbitropyls, respectively. The redox behaviour of the model compounds was subject of detailed studies by means of stationary photolysis and electrochemical measurements. The EPR and the time resolved absorption spectroscopy have been utilized to get further information about the electronic structure and reactivity of short-living species involved in the phototransformation. Accordingly, the photooxidation of arylcycloheptatrienes is possible in a sequence consisting of photoinduced electron transfer (PET), followed by deprotonation of the cycloheptatriene radical cations and subsequent oxidation of the resulting cycloheptatriene type radicals in the ground state (overall hydride transfer). Due to the fast PET, even in the presence of weak electron acceptors, the success of the reaction course depends on the nature of the aryl substituents. On one hand, the deprotonation step has to compete with the energetically favoured back electron transfer (BET). On the other hand, the used acceptors must be able to oxidize the cycloheptatrienyl type radicals. With regard to chemical and quantum yields, t he most efficient procedure is the sensitized photooxidation in the presence of strong ground state oxidants, such as dioxygen or benzoquinone. The photochemical activation of the arylbitropyls is either possible via PET or by homolytic cleavage of the central C-C-bond (direct excitation). The bitropyl radical cations resulting from the PET are subjected to a fast fragmentation process yielding tropylium ions and cycloheptatriene type radicals.Therefore, the ground state oxidation of the latter is the key-step in the photooxidation of arylbitropyls. Acco rdingly, strong acceptors such as acridinium ions or even weaker stabilized tropylium ions are capable to transform the bitropyls into tropylium ions. The photoreduction of the aryl tropylium ions can be achieved by using hydride or two electron donors. It is noteworthy that the arylbitropyls are the photo-products even in the presence of hydride donors. Evidently, this effect is caused by the impossible proton transfer between the donor radical cations and the cycloheptatriene type radicals. Therefore, the light induced switching is possible in the redox couple arylbitropyl and aryl tropylium ion. The system N-methylacridinium ion /bis (4-dimethylaminophenyl)bitropyl and 10,10'-dimethyl-9,9'-tetrahydrobiacridinyl / 4-dimethylaminophenyl tropylium ion should be announced in this context. Hereby, the direction of this photoinduced redox reaction (oxidation of the bitropyl or reduction of the tropylium ion) depends on the concentrations of the reactands. The present work should be understand as a basis for future research dealing with light driven molecular machines.