Fluoreszenz ist ein faszinierendes Naturphänomen. Sie basiert darauf, dass bestimmte Materialien Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbieren und dann Licht einer anderen Wellenlänge emittieren können. Fluoreszierende Materialien spielen eine wichtige Rolle in unserem Alltag, zum Beispiel in modernen Bildschirmen. Aufgrund der hohen Nachfrage nach Anwendungen ist die Wissenschaft ständig bestrebt, neue und leicht zugängliche Moleküle mit hoher Fluoreszenzeffizienz herzustellen. Die Chemikerin Professorin Evamarie Hey-Hawkins von der Universität Leipzig und ihre Kollegen haben sich auf eine bestimmte Klasse von Leuchtstoffen spezialisiert – Phosphole.
Diese bestehen aus Kohlenwasserstoffgerüsten mit einem zentralen Phosphoratom. In Experimenten mit dieser Substanz hat Nils König aus der Arbeitsgruppe von Hey-Hawkins einen Zugang zu neuen Leuchtstoffen gefunden. Seine Erkenntnisse hat er nun in der Fachzeitschrift veröffentlicht Chemische Wissenschaft.
„Phosphole lassen sich durch bestimmte chemische Reaktionen verändern, was einen großen Einfluss auf die Farbe und Effizienz der Fluoreszenz des Moleküls hat. Eine weitere Besonderheit dieser Substanzen ist ihre propellerartige Struktur“, erklärt König. Wenn diese Moleküle in einem Lösungsmittel gelöst und UV-Licht ausgesetzt werden, fluoreszieren sie nicht. Die aufgenommene Energie wird in Form einer Rotationsbewegung freigesetzt, wodurch sich die Moleküle wie ein Propeller im Lösungsmittel drehen. Im kristallinen Zustand ist die Rotationsfähigkeit jedoch stark eingeschränkt, was die Substanzen unter UV-Licht stark fluoreszieren lässt. Dieses Verhalten ist als aggregationsinduzierte Emission (AIE) bekannt.
In der kürzlich veröffentlichten Arbeit demonstrierten Nils König und seine Kollegen eine neue Reaktion an AIE-basierten Phospholen, die den Zugang zu einer neuen Substanzklasse ermöglichte. Phosphole lassen sich unter milden Bedingungen durch Isocyanate modifizieren, einer reaktiven Stoffklasse aus den Elementen Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff, die aufgrund ihrer industriellen Anwendung im Bereich Polymere und Biochemie kostengünstig und weit verbreitet sind. Diese Reaktion, die der klassischen organischen Chemie zu widersprechen scheint, zeichnet sich durch hohe Ausbeuten und hervorragende Atomökonomie aus.
Die optischen Eigenschaften der neuen Substanzen wurden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Oberflächentechnik (IOM) in Leipzig sowie dem Zentrum für Nanotechnologie (CeNTech) und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) untersucht. Es stellte sich heraus, dass die einfache Modifikation die Effizienz der Fluoreszenz im Vergleich zu den Originalsubstanzen deutlich steigerte. Dies liegt an der Bildung einer einzigartigen Wechselwirkung zwischen Teilen des Molekülgerüsts, die das Molekül im Festkörper deutlich stärkt und zu einer stärkeren Fluoreszenz führt. Die neue Modifikationsmethode leistet damit einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis des AIE-Konzepts und könnte als Werkzeug zur Synthese effizienter neuer Farbstoffe für Screens oder als Marker für Biomoleküle dienen.
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Nils König et al, Einfache Modifizierung von Phosphol-basierten Aggregations-induzierten Emissionsluminogenen mit Sulfonylisocyanaten, Chemische Wissenschaft (2023). DOI: 10.1039/D3SC00308F