Elektronenbeugungsstudien an photoschaltbaren Molekülen

  • Die Beteiligung mannigfacher Strukturen an der komplexen Photochemie photoschaltbaren Nitro-substituierten 1,3,3-Trimethylindolinbenzospiropyrans wird durch Elektronenbeugung offenbart. Die Isomerisierung der Spiropyran- zur Merocyaninform bei der Ringöffnung ergibt vornehmlich die cis-trans-cis-Struktur (siehe Bild; rot O, blau N, gelb C), während konkurrierende strahlungslose Pfade zu anderen Strukturen führen, nämlich den geschlossenen Formen in ihren Triplett- und Singulett-Grundzuständen.Die Beteiligung mannigfacher Strukturen an der komplexen Photochemie photoschaltbaren Nitro-substituierten 1,3,3-Trimethylindolinbenzospiropyrans wird durch Elektronenbeugung offenbart. Die Isomerisierung der Spiropyran- zur Merocyaninform bei der Ringöffnung ergibt vornehmlich die cis-trans-cis-Struktur (siehe Bild; rot O, blau N, gelb C), während konkurrierende strahlungslose Pfade zu anderen Strukturen führen, nämlich den geschlossenen Formen in ihren Triplett- und Singulett-Grundzuständen.

Photoschaltbare Moleküle, die unter Bestrahlung ihre Struktur verändern, sind interessant für holographische Datenspeicher, als molekulare Schalter für Nanomaschinen oder in den Biowissenschaften zum Schalten biologischer Funktionen. Um solche Moleküle für den jeweiligen Anwendungszweck maßzuschneidern, ist eine umfassende Kenntnis der zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen wichtig. Ein Team um Nobelpreisträger Ahmed Zewail am California Institute of Technology konnte nun mittels Elektronenbeugungsstudien einem lichtschaltbaren Molekül bei „Umschalten" über die Schulter sehen. „Unsere Ergebnisse demonstrieren die enorme Leistungsfähigkeit der Methode der Elektronenbeugung, eine solch komplexe nanometer-skalierte Struktur mit nur geringer Symmetrie zu lösen", sagt Zewail.

Bei der Laserdesorptions-Elektronenbeugung wird die Probe so schnell mit einem Laser erhitzt und verdampft, dass die Probenmoleküle keine Zeit haben, zu zerfallen. Die isolierten Moleküle werden dann mit Elektronen bestrahlt. Die Elektronen werden von den Atomkernen des Moleküls abgelenkt und es entsteht ein charakteristisches Beugungsmuster. Die Wissenschaftler zeichneten Beugungsmuster 100 Nanosekunden vor und nach der UV-Anregung auf. Mit theoretischen Modellrechnungen konnten die Forscher diese Beugungsmuster auswerten. Die Quintessenz: „Bei der Ringöffnung des untersuchten Moleküls entsteht vornehmlich die cis-trans-cis-Struktur", so Zewail, „während konkurrierende strahlungslose Pfade zu anderen Strukturen führen, nämlich den geschlossenen Formen in ihren Triplett- und Singulett-Grundzuständen."

Originalliteratur:
Zewail A. H., Angewandte Chemie 2010, 122, 6674-6677, doi: 10.1002/ange.201003583

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