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E/Z Isomerisierungen in molekularen Schaltern - Die Azogruppe als molekularer Schlüsselbaustein

Im Rahmen dieser dissertation wurden E/Z-Isomere untersucht, die einen experimentellen Zugang zu Basiskonzepten der Photochemie, insbesondere molekulare Schalter, erlauben. Die wissenschaftlichen Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen

  1. Die Isomere von Thioindigo zeigen verschiedene UV/VIS-Absorptionsspektren. Aus den Spektren lässt sich erkennen, dass die beiden Isomere photochemisch ineinander überführt werden können und thermisch von Z→E. Eine Trennung der Isomere über Dünnschichtchromatographie war nicht möglich.
  2. Eine E/Z Isomerisierung von Stilben konnte nicht nachgewiesen werden. Spektroskopische Untersuchungen zeigten die Bildung von Phenanthren als Nebenprodukt, welches die Verwendung von stilben als reversiblen Schalter einschränkt.
  3. Bekannte Experimente mit Azobenzol wurden mit neuen Lichtquellen nachvollzogen. Die Azobenzolderivate Dimethyl-Azobenzol-4,4'-Dicarboxylat und Methylrot zeigen reversible photochemische Schaltbarkeit zwischen beiden Isomeren. Leider waren die Versuche, die Isomere zu trennen in beiden Fällen nicht erfolgreich.
  4. Diazocin und Diamino-Diazocin wurden nach publizierten Methoden synthetisiert, aber die Ausbeuten blieben hinter den Erwartungen zurück. Alle experimentelle Daten von anderen Quellen konnten erfolgreich reproduziert werden. Desweiteren wurde eine Reihe von Experimenten mit Dünnschichtchromatographie von Diazocin entwickelt. Die Herstellung einer intelligenten Folie mit Diazocin in einer Polystyrolmatrix ist nicht geglückt.
  5. Reines E-Diazocin wurde erfolgreich isoliert und es wurden UV/VIS-Spektren sowie Röntgenstrukturanalysen und Pulverröntgendiffraktometrie wurden mit dem weniger stabilen E-Isomer erfolgreich aufgenommen. Dadurch war es möglich die Kristallstruktur von E-Diazocin aufzuklären. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass die E→Z Isomerisierung im gesamten Feststoff abläuft, die Z→E Isomerisierung jedoch nur an der Kristalloberfläche. Die thermische Halbwertszeit von E-Diazocin wurde in Ethylacetat bei 20 °C bestimmt. NMR Spektren von E-Diazocin konnten aufgenommen werden. Allerdings konnte die Existenz von zwei Konformeren des E-Diazocons durch die NMR Spektroskopie nicht bestätigt werden.

Die wissenschaftlichen Untersuchungen von E/Z Isomeren liefern die Basis für die Forschung in der Chemiedidaktik und der Entwicklung von didaktischem Material:

  1. Als erstes wurde die Wichtigkeit der E/Z Isomerisierung für die aktuelle Forschung und Entwicklung aufgezeigt und somit die Relevanz für den Schulunterricht. Verschiedene Basiskonzepte wurden einbezogen, die die Implementation von E/Z Isomeren in der Ausbildung der Sekundarstufe II erlauben. Eine wichtige Grundfrage ist das Energiekonzept des "Grundzustands und des elektronisch angeregten Zustands" als Startpunkt für photochemische Reaktionen.
  2. Ein Lehrvideo über die photochemische Isomerisierung von Azobenzol wurde erstellt, um den indirekten experimentellen Zugang zu E/Z Isomerisierungen in der Schule zu ermöglichen.
  3. Diazocin ist ein geeigneter Ersatzstoff für Azobenzol in der Schule. Diazocin wurde bisher nicht für den Einsatz in Schulexperimenten verboten und alle Experimente mit Azobenzol können mit Diazocin durchgeführt werden. Die Isomere des Diazocins zeigen außerdem verschiedene Farben, wodurch ein völlig phenomenologischer Zugang mit einfachen Experimenten möglich wird.
  4. Das Experimentierset "Photo-Switch" wurde entwickelt, um einen Experimentellen Zugang zu photochemischen E/Z-Isomerisierungen zu ermöglichen und um Diazocin als innovative Substanz in Schulen einzuführen.
  5. Eine Flash-Animation über E/Z Isomerisierungen wurde erstellt. Diese representiert eine wichtige mediale Hilfestellung bei der Lehre dieses Themas. Sie erlaubt eine dynamische sicht auf die Prozesse auf Teilchenebene. Lernende können die Animation alleine oder in Kleingruppen erkunden. Dieses Medium kann durch seinen Aufbau vielfältig eingesetzt werden.

Als Service für Lehrkräfte sind alle erstellten Materialien (Video, Flash-Animation und Experimentierset "Photo-Switch"), die bereits in Schulen mit positiver Rückmeldung getestet wurden, online frei verfügbar. Dadurch und durch Vorstellen dieses Themas in Publikationen und Konferenzen wird die Verbreitung von E/Z Isomerisierungen als schulrelevante Themen gefördert.

Zur Dissertationsschrift: urn:nbn:de:hbz:468-20170119-121912-2