Vibrations- und elektronische Spektroskopie kationischer Diamantoide und deren Cluster

• Antragsteller: Professor Dr. Otto Dopfer
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423373417

Diamantoide bilden eine neue Klasse von stabilen, rigiden, aliphatischen Cycloalkanen mit sp3-hybridisiertem Kohlenstoff auf der Nanometerskala. Ihre einzigartigen und vielfältig einstellbaren Eigenschaften machen sie zu einem vielversprechenden Nanomaterial, dessen mechanische, optische, chirale, chemische und pharmazeutische Parameter gezielt variiert werden können. Dies gelingt durch Funktionalisierung, Dotierung, Hybridbildung und Solvatisierung und ermöglicht breite Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Materialwissenschaften, Optoelektronik, Biomedizin und chemischen Synthese. Diamantoide werden auch im interstellaren Raum vermutet, wo sie substanziell zum kosmischen Kohlenstoffvorkommen beitragen. In vielerlei Hinsicht sind Diamantoide komplementär zu den gut charakterisierten sp2 Formen des Kohlenstoffs, nämlich Graphen und Fullerene, für welche Nobelpreise in Physik (2010) und Chemie (1996) vergeben wurden. Trotz ihrer Bedeutung sind die spektroskopischen Eigenschaften kationischer Diamantoide praktisch unerforscht. Für ein grundlegendes Verständnis ihres Verhaltens auf molekularer Ebene ist die Kenntnis ihrer geometrischen, elektronischen, optischen und (bio)chemischen Eigenschaften jedoch unerlässlich. Daher werden wir in diesem Projekt unsere bisherigen initialen und sehr erfolgreichen Studien zur Charakterisierung einfacher kationischer Diamantoide, sowie deren Derivate und solvatisierte Cluster fortsetzen. Dazu nutzen wir modernste Methoden der Laserspektroskopie kalter massenselektierter Ionen (IR und optisch), Massenspektrometrie, Photoelektronenspektroskopie und Quantenchemie. Die Laborspektren der Diamantoide können mit astronomischen Spektren verglichen werden, um ihren möglichen Beitrag zu den diffusen interstellaren Banden und Infrarot Emissionsbanden zu quantifizieren und Mechanismen ihrer Entstehung im interstellaren Raum aufzuklären. Mit den Studien zu Derivaten lässt sich aufklären, wie die geometrischen, optischen und chemischen Eigenschaften der Diamantoide moduliert werden können. Die Studien zu solvatisierten Clustern dienen dazu, hochreaktive Reaktionsintermediate zu charakterisieren, um letztendlich über ein verbessertes Verständnis von Reaktionsmechanismen neue Wege zur Synthese selektiv funktionalisierter Diamantoide und ihrer Hybride aufzuzeigen. Schließlich dienen elektronische Spektren der Diamantoidkationen als Benchmark für die Entwicklung und den Test quantenchemischer Methoden zur zuverlässigen Vorhersage der Eigenschaften angeregter Zustände und deren Spektren, die oftmals durch vibronische Kopplung beeinträchtigt sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen