Photonen-Hochkonversion

Photonen-Hochkonversion ist eine photochemische Methode, bei der in einem supramolekularen Gel energiearme in energiereiche Photonen umgewandelt werden. Dazu sind sichtbares Licht, sowie chromophore Donor- und Akzeptormoleküle notwendig. Physikalisch gesehen ist dieser Prozess eine Anti-Stokes-Verschiebung. Dieser neue Ansatz verwendet supramolekulare, viskoelastische Gele als Nanoreaktoren für photochemische und photophysikalische Reaktionen wie beispielsweise photoinduzierten Elektronentransfer, photosensibilisierte Reaktionen oder Photoisomerisierungen.

Hochkonversions-Fluoreszenz. Optisches Kabel, durch das Infrarotlicht geleitet wird, erscheint im Dunklen in blauer Farbe.

Dabei werden – wie in der Bionik – Zellen, Enzyme, Mizellen, Vesikel oder Membrankapseln nachgeahmt und als Mikro- oder Nano-Reaktoren genutzt.

Zusammensetzung des Gels

Photonen-Hochkonversion:Strukturen des Donor-Akzeptor-Paares 1

Selbstorganisierende supramolekulare Gele mit chromophoren Donor-Akzeptor-Systemen gewährleisten Photonen-Hochkonversion auch bei schwacher Lichteinstrahlung.

• Pt Pc(OBu)₈ mit Rubren in DMF (siehe Abbildung)
• Palladium(II)mesoporphyrin mit 9,10-Diphenylanthracen (DPA) in Dimethylformamid (DMF)/Dimethylsulfoxid
• Platintetraphenylporphyrin mit DPA in 1,3.2,4-Bis(3,4-Dimethylbenzyl)sorbitol
• Platinoctaethylporphrin (PtOEP) mit DPA in N,N′-Bis(octadecyl)-L-Boc-Glutamindiimid

Wellenlängen des Anregungslichtes des Lasers

445 nm, 532 nm, 635 nm, 730 nm.

Elektronentransfermechanismus

Triplett-Triplett-Annihilation bei Photonen-Hochkonversion

Mechanistisch betrachtet erfolgt eine Triplett-Triplett-Annihilierung der Energiezustände:

Das Donormolekül absorbiert im Grundzustand S_o energiearme Photonen, gelangt so in den Singulettzustand S₁, rutscht durch Intersystem Crossing (ISC) zum T₁-Energiezustand, danach kommt es zur Triplett-Triplett-Energieübertragung vom Donor zum Akzeptor. Treffen dabei zwei Akzeptormoleküle aufeinander, so kommt es zur sogenannten Triplett-Triplett-Annihilierung (TTA) und es tritt eine Fluoreszenz ein.

Anwendung

Eine mögliche Anwendung für Photovoltaikanlagen ist denkbar. Auch im Bereich der medizinischen Bildgebungsverfahren könnten sie Verwendung finden. Man kann die Methode auch zum chemischen Abbau von Chlor-Kohlenwasserstoffen verwenden. Es lassen sich beispielsweise Arylhalogenide auf diese Weise photochemisch reduzieren.

Literatur

• Pengfei Duan, Nobuhiro Yanai, Hisanori Nagatomi, Nobuo Kimizuka: Photon Upconversion in Supramolecular Gel Matrixes: Spontaneous Accumulation of Light-Harvesting Donor–Acceptor Arrays in Nanofibers and Acquired Air Stability. In: J. Am. Chem. Soc. Band 137, Nr. 5, 2015, S. 1887–1894. doi:10.1021/ja511061h.
• M. Häring, R. Perez-Ruiz, A. J. von Wangelin, D. D. Diaz: Intragel Photoreduction of Aryl Halides by Green-to-Blue Upconversion under Aerobic Conditions. In: Chem. Commun. Band 51, Nr. 94, 2015, S. 16848–16851. doi:10.1039/c5cc06917c.
• M. Haase, H. Schäfer: Upconverting Nanoparticles. In: Angewandte Chemie International Edition. Band 50, Nr. 26, 2011, S. 5808–5829. doi:10.1002/anie.201005159.
• N. Yanai, N. Kimizuka: Recent emergence of photon upconversion based on triplet energy migration in molecular assemblies. In: Chem. Commun. Band 50, Nr. 31, 2016, S. 5354–5370. doi:10.1039/C6CC00089D.
• R. Perez-Ruiz, D. D. Diaz: Photophysical and photochemical processes in 3D self-assembled gels as confined microenvironments. In: Soft Matter. Band 11, Nr. 26, 2015, S. 5180–5187. doi:10.1039/C5SM00877H.
• R. Vadrucci, C. Weder, Y. C. Simon: Organogels for low-power light upconversion. In: Mater. Horiz. Band 2, Nr. 1, 2015, S. 120–124. doi:10.1039/C4MH00168K.
• P. Duan, N. Yanai, H. Nagatomi, N. Kimizuka: Photon Upconversion in Supramolecular Gel Matrixes: Spontaneous Accumulation of Light-Harvesting Donor–Acceptor Arrays in Nanofibers and Acquired Air Stability. In: J. Am. Chem. Soc. Band 137, 2015, S. 1887–1894. doi:10.1021/ja511061h.