In vorangegangenen Arbeiten konnte von Andrea Bühlmeyer gezeigt werden, dass mit Alkoxyphenylgruppen funktionalisierte hexacyclische Indolderivate flüssigkristalline Eigenschaften zeigen. Aktuelle Ergebnisse zeigen, dass eine Schützung mit Ethylcarbamat zu einer stabilen Mesophase von 107 – 177 °C führt.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen war es Ziel dieser Arbeit, Substitutionen am Pentalengerüst durchzuführen, um den Einfluss des Substitutionsgrades auf die Mesophase zu untersuchen. Dazu sollte das Weiss’sche Diketon mit einer Methylgruppe 10a, zwei Methylgruppen 10b und einer Verbrückung 10c synthetisiert werden.
Anschließend sollten diese substituierten Weiss’schen Diketone zum Suzuki-gekuppelten Hexacyclus umgesetzt, mit Ethylcarbamat geschützt und auf ihre flüssigkristallinen Eigenschaften untersucht werden.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Flüssigkristalle
1.2 Calamitische Flüssigkristalle
1.3 Flüssigkristalline Indolderivate
1.4 Analyse von Flüssigkristallen
2 Aufgabenstellung
3 Ergebnisse und Diskussion
3.1 Retrosynthese
3.2 Synthese
3.2.1 Synthese der substituierten Weiss’schen Diketone (10a, 10b und 26)
3.2.2 Synthese von 4-Bromphenylhydrazin Hydrochlorid (17)
3.2.3 Synthese der Hexacyclen (14a, 14b)
3.2.4 Synthese der Boronsäure (15)
3.2.5 Synthese der Suzuki-gekuppelten Hexacyclen (13a, 13b)
3.2.6 Synthese des geschützten Suzuki-gekuppelten Hexacyclus (11b)
3.3 Analytische Untersuchungen
4 Zusammenfassung
5 Ausblick
6 Experimenteller Teil
6.1 Lösungsmittel und Arbeitstechniken
6.2 Analytik und Apparate
6.3 Allgemeine Arbeitsvorschriften
6.4 Dargestellte Verbindungen
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses verschiedener Substitutionsgrade am Pentalengerüst auf die flüssigkristallinen Eigenschaften. Dabei wird analysiert, wie sich unterschiedliche Methyl-Substitutionen und Schützgruppen auf die Mesophasenbildung auswirken.
- Synthese von substituierten Weiss’schen Diketonen als Ausgangsbasis.
- Aufbau und Funktionalisierung von Hexacyclen mittels Fischer-Indolsynthese und Suzuki-Kupplung.
- Untersuchung der thermischen Stabilität und Phasenübergänge durch Polarisationsmikroskopie (POM).
- Charakterisierung der thermotropen Eigenschaften mittels Differenzialkalometrie (DSC).
Auszug aus dem Buch
1.1 Flüssigkristalle
Neben den drei bekanntesten Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig können bestimmte organische Substanzen noch einen flüssigkristallinen Zustand aufweisen (Abb. 1). Die Phase zwischen Feststoff und Flüssigkeit wird Mesophase genannt. Substanzen, die Mesophasen ausbilden, werden Flüssigkristalle oder Mesogene genannt.
Im Kristall sind die Schwerpunkte der Moleküle exakt und periodisch in einem Gitter angeordnet und besitzen Orientierungs- und Translationsfernordnung. Im Flüssigkristall sind die Moleküle frei beweglich, jedoch aufgrund ihrer Anisotropie in ihrer Rotation eingeschränkt. Dies führt zu einer Orientierungsfernordnung, jedoch zum Verlust der Translationsfernordnung. Bei Flüssigkeiten und Gasen geht jegliche Ordnung verloren.
Flüssigkristalle wurden erstmals von Friedrich Reinitzer im Jahr 1888 bei der Untersuchung von Cholesterylbenzoat entdeckt und von Otto Lehmann im Jahr 1889 bestätigt und benannt. Reinitzer konnte beobachten, dass beim Erhitzen der Verbindung erst eine trübe und anschließend eine klare Flüssigkeit entstand. Daraus folgerte er, dass die Verbindung einen Schmelz- und einen Klärpunkt besitzt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Vermittlung der theoretischen Grundlagen über Aggregatzustände, flüssigkristalline Phasen und deren spezifische Analyse durch Polarisationsmikroskopie und DSC.
2 Aufgabenstellung: Vorstellung der Zielsetzung, den Einfluss der Substitution am Pentalengerüst auf die Mesophasenbildung zu untersuchen, basierend auf vorangegangenen Forschungsarbeiten.
3 Ergebnisse und Diskussion: Detaillierte Darstellung der Synthesewege für die Pentalen-Derivate, einschließlich der Fischer-Indolsynthese und Suzuki-Kupplung sowie der anschließenden analytischen Untersuchung der mesomorphen Eigenschaften.
4 Zusammenfassung: Abschließende Rekapitulation der erfolgreichen Synthese der Zielverbindungen und der Beobachtung ihrer flüssigkristallinen Phasen.
5 Ausblick: Vorschläge für weitere Forschung, insbesondere zur gezielten Variation des Pentalengerüsts und zur Anwendung von Röntgenbeugungsanalysen.
6 Experimenteller Teil: Dokumentation der verwendeten Chemikalien, Apparaturen, allgemeinen Synthesevorschriften sowie der detaillierten Analysedaten zu den dargestellten Verbindungen.
Schlüsselwörter
Flüssigkristalle, Pentalen, Indolderivate, Fischer-Indolsynthese, Suzuki-Kupplung, Mesophase, Polarisationsmikroskopie, Differenzialkalometrie, DSC, Phasenübergänge, Synthese, Substitution, Weiss’sches Diketon, Thermotrop, Nematische Phase.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Synthese und Untersuchung von neuen flüssigkristallinen Pentalen-Derivaten, um deren Eigenschaften in Abhängigkeit vom Substitutionsmuster zu verstehen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die zentralen Felder sind die organische Synthesechemie (insbesondere Pentalen- und Indol-Systeme) sowie die physikalisch-chemische Charakterisierung von Flüssigkristallen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist es, den Einfluss des Substitutionsgrades am Pentalengerüst auf die Ausbildung von Mesophasen experimentell zu erforschen und zu validieren.
Welche wissenschaftliche Methode wurde verwendet?
Es wurde eine Kombination aus klassischer organischer Synthese (Weiss’sche Reaktion, Fischer-Indolsynthese, Suzuki-Kupplung) und instrumenteller Analytik (NMR, IR, Massenspektrometrie, POM, DSC) angewendet.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil widmet sich der retrosynthetischen Planung, der schrittweisen Synthese der Derivate sowie der anschließenden Analyse ihrer thermotropen Eigenschaften durch POM und DSC.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Pentalen, Flüssigkristalle, Indolderivate, Suzuki-Kupplung und Mesophasenanalyse.
Warum konnte das verbrückte Weiss’sche Diketon nicht synthetisiert werden?
Die Syntheseversuche führten trotz verschiedener Methoden (Oxon/AlCl3 oder Puffer-Lösungen) nicht zum isolierbaren Zielprodukt, vermutlich aufgrund von Instabilität oder sterischer Hinderung.
Was unterscheidet die geschützte Verbindung 11b von den ungeschützten Derivaten?
Die geschützte Verbindung 11b zeigte sich thermisch stabiler und wies eine nematische Mesophase auf, während die ungeschützten Analoga primär smektische A-Phasen ausbildeten.
Welche Rolle spielt die Schutzgruppe Ethylcarbamat?
Die Schützung durch Ethylcarbamat dient der Modifikation des Moleküls zur Erhöhung der thermischen Stabilität und beeinflusst die Packung der Moleküle in der Mesophase.
Was lässt sich aus den DSC-Messungen über die Verbindung 11b ableiten?
Die DSC-Kurven zeigen eine gute thermische Stabilität über mehrere Heiz- und Kühlzyklen hinweg und erlauben die exakte Bestimmung der Phasenübergangstemperaturen und Enthalpien.
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- Dustin Ullmann (Author), 2016, Synthese von flüssigkristallinen Pentalenen mit unterschiedlichem Substitutionsmuster, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/432110
