WO2010015468A1 - Method for producing polythiophenes using hydrogen peroxide as an oxidizing agent - Google Patents

Method for producing polythiophenes using hydrogen peroxide as an oxidizing agent Download PDF

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WO2010015468A1
WO2010015468A1 PCT/EP2009/058478 EP2009058478W WO2010015468A1 WO 2010015468 A1 WO2010015468 A1 WO 2010015468A1 EP 2009058478 W EP2009058478 W EP 2009058478W WO 2010015468 A1 WO2010015468 A1 WO 2010015468A1
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polythiophenes
hydrogen peroxide
polythiophene
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Wilfried Loevenich
Hikmet Karabulut
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H.C. Starck Clevios Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a novel process for the preparation of optionally substituted polythiophenes, in particular of optionally substituted conductive polythiophenes, with the aid of hydrogen peroxide as the oxidizing agent in the presence of a catalyst or enzyme in the absence of inorganic salts.
  • Conductive polymers are increasingly gaining economic importance, since polymers have advantages over metals in terms of processability, weight and the targeted adjustment of properties by chemical modification.
  • Examples of known ⁇ -conjugated polymers are polypyrroles, polythiophenes, polyanilines, polyacetylenes, polyphenylenes and poly (p-phenylenevinylenes).
  • Layers of viable polymers are used in a variety of industrial applications, e.g. as a polymeric counterelectrode in capacitors, as corrosion protection or for through-connection of electronic printed circuit boards.
  • the production of conductive polymers takes place chemically or electrochemically oxidatively from precursors, such as. B.
  • polythiophene is the poly (ethylene-3,4-dioxythiophene) (PEDOT or PEDT) described, for example, in EP 339 340 A2, which is obtained by chemical polymerization of ethylene-3,4-dioxythiophene (EDOT or EDT). which has high conductivities in its oxidized form.
  • PEDOT or PEDT poly(ethylene-3,4-dioxythiophene)
  • EDOT or EDT ethylene-3,4-dioxythiophene
  • 3,4-dioxythiophene) derivatives in particular poly (ethylene-3,4-dioxythiophene) derivatives, their monomeric building blocks, syntheses and applications are L. Groenendaal, F, Jonas, D. Freitag, H. Pielartzik & JR Reynolds , Adv. Mater. 12, (2000) p. 481-494.
  • Dispersions of PEDOT with polystyrenesulfonic acid (PSS), as disclosed, for example, in EP 0440 957 B, have particular technical significance. From these dispersions, it is possible to produce transparent, conductive films which have found a multiplicity of applications, for example as an antistatic coating or as a hole injection layer in organic light-emitting diodes.
  • ferric salts of inorganic acids such as FeCl 3
  • ferric salts of organic acids and acids having organic radicals for example, the iron-OI salts of sulfuric acid half-esters of CpCio alkanols, such as the Fe III Salt of lauryl sulfate pointed.
  • K 2 Cr 2 O 7 alkali and ammonium peroxodisulfates, such as sodium or Kaliumperoxodis ⁇ lfat, alkali metal perborates, potassium permanganate, copper salts, such as copper tetrafluoroborate or cerium (FV) salts or CeO 2 as an oxidizing agent called.
  • EP 0340 512 B describes the preparation of a solid electrolyte from 3,4-ethylene-1,2-dioxythiophene and the use of a cationic polymer prepared by oxidative polymerization as a solid electrolyte in electrolytic capacitors.
  • Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) as a replacement of manganese dioxide or of charge transfer complexes in solid electrolytic capacitors reduces the equivalent series resistance of the capacitor due to the higher electrical conductivity and improves the frequency behavior.
  • the oxidizing agents described are the same oxidizing agents which are disclosed in EP 0440 957 B. Again, the reaction products of the oxidants remain in the condenser, and must be washed out in an additional step.
  • Another suitable oxidizing agent for the polymerization of EDOT is hydrogen peroxide, for example, in EP 0440 957 B or EP 1 323 764 A1;
  • hydrogen peroxide leads to an over-oxidation of PEDOT and thus to the destruction of its electrical conductivity, so that hydrogen peroxide is used for structuring PEDOT films (Adv. Mater. 2006, 18 (10), 1307-1312).
  • this polymerization succeeds when in addition the enzyme horseradish peroxidase is used in the presence of sodium polystyrenesulfonate and hydrochloric acid. In this way films with a moderate conductivity of 2 ⁇ 10 -3 S / cm can be produced.
  • a disadvantage of this synthesis is that the polymerization is carried out in the presence of inorganic salts. If the reaction products of these salts are not removed, there is an impairment of the corresponding films in terms of morphology, conductivity and transparency. Upon removal of these reaction products from the dispersion, for example, by the use of an ion exchanger such as EPl 323764 Al described, an additional step is required.
  • a terthiophene is started (Macromolecules, 2008, 41, 3049).
  • the synthesis is carried out using hydrogen peroxide as the oxidizing agent and soybean peroxidase as a catalyst in the presence of Natriuropolystyroisulfonat.
  • a disadvantage of this synthesis is that it is carried out in the presence of sodium ions and a C ⁇ trat buffer, wherein the presence of these minor components leads to an impairment of the films in terms of morphology, conductivity and transparency.
  • only moderate conductivities can be achieved with this method of synthesis.
  • no pure PEDOT is produced because terthiophene is incorporated into the PEDOT polymer chain.
  • PEDOT has proven to be particularly stable over other thiophenes in its oxidized form (L. Groenendaal, Adv. Mat. 2003, 15, 855).
  • the object was therefore to provide such a method.
  • the invention thus provides a process for preparing an optionally substituted polythiophene with hydrogen peroxide as the oxidant in the presence of a catalyst or enzyme, characterized in that the sum of the concentrations of inorganic ions in the reaction mixture is less than 0.05 mol / L.
  • R 1 and R 2 are each independently H, an optionally substituted Cj-Cjg-alkyl radical or an optionally substituted Ci-Cjs-AIkoxyrest, or
  • R 1 and R 2 together represent an optionally substituted C r C r alkylene radical in which one or more C atom (s) may be replaced by one or more identical or different heteroatoms selected from O or S, preferably a Q-Cg - Dioxyalkylenrest, an optionally substituted Ci-Cg-Oxythiaalkylenrest or an optionally substituted Cj-Q-Dithiaalkylenrest, or an optionally substituted d-Cg-AIkylidenrest, wherein optionally at least one C-atom may be replaced by a heteroatom selected from O or S. , stand,
  • R 1 and R 2 have the meaning given for the general formula (I) can be prepared.
  • optionally substituted polythiophenes containing recurring units of the general formula (I) are those containing recurring units of the general formula (I-a) and / or the general formula (I-b)
  • A is an optionally substituted C 1 -C 5 -alkylene radical : preferably an optionally substituted C 2 -C 3 -alkylene radical, Y stands for O or S,
  • R is a linear or branched, optionally substituted Ci-Cig-alkyl radical, preferably linear or branched, optionally substituted is an optionally substituted Cs-C ⁇ -Cycloalkyiresl, an optionally substituted C 6 - C 4 -aryl radical, an optionally substituted Cv-Cig-aralkyl radical, an optionally substituted C r GrHydroxyalkylrest or a hydroxyl radical,
  • x is an integer from 0 to 8, preferably 0, 1 or 2, more preferably 0 or 1, and
  • radicals R are attached to A, they may be the same or different.
  • polythiophenes can be prepared by oxidative polymerization of thiophenes of the general formula (II-a) and / or (II-b) s
  • optionally substituted polythiophenes containing recurring units of the general formula (I) are those containing recurring
  • R and x have the abovementioned meaning.
  • optionally substituted polythiophenes containing recurring units of the general formula (I) are those containing polythiophenes of the general formula (I-aaa) and / or the general formula (I ⁇ aba)
  • the prefix poly-I means that more than one identical or different repeating unit is contained in the polythiophene.
  • the polythiophenes contain a total of n repeating units of the general formula (I), where n can be an integer from 2 to 2000, preferably 2 to 100.
  • the repeating units of general formula (I) may be the same or different within each polythiophene. Preference is given to polythiophenes containing in each case identical recurring units of the general formula (I).
  • the polythiophenes preferably carry H.
  • the polythiophene having repeating units of the general formula (I) is poly (3,4-ethylenedioxythiophene), poly (3,4-ethyleneoxythiathiophene) or poly (thieno [3,4-b] thiophene, ie a homopolythiophene repeating units of the formula (I-aa), (I-aba) or (Ib), wherein in the formula (Ib) Y is S.
  • the polylhiophene having repeating units of the general formula (I) is a copolymer of recurring units of the formula (I-aaa) and (I-aba), ( ⁇ -aaa) and (Ib), (I-aba ) and (Ib) or ( ⁇ -aaa), (I-aba) and (Ib), wherein copolymers of recurring units of the formula (I-aaa) and (I-aba) and (I-aaa) and ( Ib) are preferred.
  • Ci-Cs-Aükylenreste A are within the scope of the invention, methylene, ethylene, n-propylene, n-butylene or n-pentylene, C r C 8 -AIkyIenreste additionally n ⁇ hexylene, n-heptylene and n-octylene.
  • C 1 -C 8 -alkylidene radicals in the context of the invention are Ci-Cg-alkylene radicals having at least one double bond and listed above.
  • Cj-Cg-Dioxyalkylenreste, CRCG-Oxythiaalky ⁇ enreste and C etc. - Q Dithiaalkylenreste are in the context of the invention for the Q detailed above
  • Q-Qs-alkoxy radicals are in the context of the invention for the alkoxy radicals corresponding to the above-mentioned Q-Qg-alkyl radicals.
  • the preceding list serves to exemplify the invention and is not to be considered as exhaustive.
  • the polythiophenes may be neutral or cationic. In preferred embodiments they are cationic, with “cationic” referring only to the charges which are located on the polythiophene main chain
  • the polythiophenes can carry positive and negative charges in the structural unit, the positive charges on the polythiophene main chain and the negative charges are optionally present on the radicals R substituted by sulfonate or carboxylate groups, whereby the positive charges of the polythiophene main chain can be partially or completely saturated by the optionally present anionic groups on the radicals R.
  • the polythiophenes can be cationic, neutral or even anionic in these cases
  • the positive charges on the poly Thiophensburgkette are relevant.
  • the positive charges are not shown in the formulas because their exact number and position can not be determined properly. However, the number of positive charges is at least 1 and at most n, where n is the total number of all repeating units (equal or different) within the polythiophene.
  • the cationic polythiophenes require anions as counterions.
  • Suitable counterions are monomeric or polymeric anions, the latter also referred to below as polyanions.
  • Preferred polymeric anions are, for example, anions of polymeric carboxylic acids, such as polyacrylic acids, polymethacrylic acids or polymaleic acids, or polymeric sulfonic acids, such as polystyrenesulfonic acids and polyvinylsulfonic acids.
  • polymeric carboxylic acids such as polyacrylic acids, polymethacrylic acids or polymaleic acids
  • polymeric sulfonic acids such as polystyrenesulfonic acids and polyvinylsulfonic acids.
  • These polycarboxylic and sulfonic acids may also be copolymers of vinyl carboxylic and vinyl sulfonic acids with other polymerizable monomers such as acrylic acid esters and styrene.
  • acrylic acid esters and styrene such as acrylic acid esters and styrene.
  • These may, for example, also be partially fluorinated or perfluorinated polymers containing SO 3 H or COOH groups.
  • polystyrene sulfonic acid PSS
  • PSS polystyrene sulfonic acid
  • the molecular weight of the polyanionic polyacids is preferably 1,000 to 2,000,000, more preferably 2,000 to 500,000.
  • the polyacids or their alkali salts are commercially available, e.g. Polystyrenesulfonic acids and polyacrylic acids, or else can be prepared by known processes (see, for example, Houben Weyl, Methods of Organic Chemistry, Vol. E 20 Macromolecular Substances, Part 2, (1987), p.
  • Examples of monomeric anions are those of C 1 -C 20 -alkanesulfonic acids, such as methane, etane, propane, butane or higher sulfonic acids, such as dodecanesulfonic acid, of a-aliphatic perfluorosulfonic acids, such as trifluoromethanesulfonic acid, perfluorobutanesulfonic acid or perfluorooctanesulfonic acid, aliphatic CrC 20 carboxylic acids such as 2-
  • Ethylhexylcarboxylic acid aliphatic perfluorocarboxylic acids, such as trifluoroacetic acid or perfluorooctanoic acid, and aromatic, optionally substituted by C r C 2 o-Alkylgru ⁇ pen sulfonic acids such as benzenesulfonic acid, o-toluenesulfonic acid 5 p-ToluoIsulfonklare, dodecylbenzenesulfonic acid, dinonylnaphthalenesulfonic acid or dinonylnaphthalenedisulfonic acid, and of cycloalkanesulfonic acids such as camphorsulfonic acid or tetrafluoroborates, hexafluorophosphates, perchlorates, hexafluoroantimonates, hexafluoroarsenates or hexachloroantimonals.
  • anions of p-toluenesulfonic acid, methanesulfonic acid or camphorsulfonic acid are particularly preferred.
  • Cationic polythiophenes which contain anions as counterions for charge compensation are also often referred to in the art as polythiophene / (poly) anion complexes.
  • Preferred thiophenes of the general formula (II-a) are those of the general formula (II-a-1) and / or (II-a-2)
  • thiophenes of the general formula (II-a) are those of the general
  • derivatives of the thiophenes listed above are understood as meaning, for example, dimers or trimers of these thiophenes.
  • the derivatives can be constructed from the same or different monomer units and can be used in pure form and mixed with one another and / or with the abovementioned thiophenes.
  • Oxidized or reduced forms of these thiophenes and thiophene derivatives are also included within the meaning of the invention by the term thiophenes and thiophene derivatives, provided that the same conductive polymers are formed during their polymerization as in the thiophenes and thiophene derivatives listed above.
  • Processes for the preparation of the thiophenes and their derivatives are known to the person skilled in the art and are described, for example, in L. Groenendaal, F. Jonas, D. Freitag, H. Pielartzik & JR Reynolds, Adv. Mater. 12 (2000) 481-494 and references cited therein.
  • Suitable solvents which may be mentioned are, in particular, the following organic solvents which are inert under the reaction conditions: aliphatic alcohols, such as methanol, ethanol, isopropanol and butanol; aliphatic ketones such as acetone and methyl ethyl ketone; aliphatic carboxylic acid esters such as ethyl acetate and butyl acetate; aromatic hydrocarbons such as toluene and xyloi; aliphatic hydrocarbons such as hexane, heptane and cyclohexane; Chlorinated hydrocarbons such as dichloromethane and dichloroethane; aliphatic nitriles such as acetonitrile, aliphatic sulfoxides and
  • Sulfones such as dimethylsulfoxide and sulfolane; aliphatic carboxylic acid amides such as methylacetamide, dimethylacetamide and dimethylformamide; aliphatic and araliphatic ethers such as diethyl ether and anisole.
  • water or a mixture of water with the aforementioned organic solvents may also be used as the solvent.
  • Preferred solvents are alcohols and water and mixtures containing alcohols or water or mixtures of
  • Thiophenes which are liquid under the oxidation conditions, can also be polymerized in the absence of solvents.
  • inorganic or organic compounds which catalyze the use of hydrogen peroxide as the oxidizing agent can be used as catalyst or enzyme.
  • Preferred compounds are peroxidases as enzymes, such as cytochrome C peroxidase, horseradish peroxidase or thyroid peroxidase.
  • the prosthetic groups of the enzymes for example the heme group.
  • organic complexes of metal ions such as metalloporphorin complexes or metallophthalocyanine complexes (J. Mat. Chem. 2008, 18, 573-578). Particularly preferred is horseradish peroxidase and
  • Soybean peroxidase used.
  • inorganic ions are understood as meaning those ions which contain no carbon atoms.
  • H + and OH " are likewise not counted among the inorganic ions in the sense of this invention, meaning that all cations of the metals such as Lf 5 Na + , K + , Mg 2+ and Fe 3+ belong to the inorganic cations include, for example, F " , Cl, Br “ , ClO 4 " and SO 4 2" .
  • the sum of the concentrations of inorganic ions in the reaction mixture is less than 0.04 mol / L, more preferably less than 0.03 mol / L, and most preferably less than 0.02 mol / L.
  • the fields of application of the optionally substituted polythiophenes which can be prepared by the process according to the invention are many.
  • stable dispersions or solutions comprising optionally substituted polythiophenes of the general formula (I) and a counterion or else directly conducting layers containing such polythiophenes have been prepared, in which case a large number of further compounds are used
  • dispersions or solutions are characterized by being stable, i. these dispersions or solutions may be stored for at least 3 days, preferably for more than 30 days at room temperature, without changing the properties, such as the conductivity, of these dispersions or solutions.
  • another object of the present invention are dispersions or solutions prepared by the inventive method.
  • a still further object of the present invention are conductive layers comprising dispersions or solutions prepared by the process of the present invention.
  • these conductive layers containing optionally substituted polythiophenes are polymerized, optionally substituted thiophenes or thiophene derivatives are polymerized with hydrogen as the oxidant in the presence of a catalyst or enzyme on a suitable substrate.
  • the concentration of inorganic ions in the reaction mixture is less than 0.05 mol / l.
  • the abovementioned substrate may be, for example, glass, glass (flexible glass) or plastics to be coated in the form of shaped bodies or films and other shaped bodies to be coated, for example anodes of
  • Capacitors act.
  • Comparative Example 1 Preparation of a PBDT: PSS dispersion with the aid of hydrogen peroxide in the presence of an enzyme and inorganic salts
  • the comparative example was prepared according to Rumbau et al. (Biomacromolecules, Vol. 8 (2), 2007, p. 315).
  • the mixture thus contains concentrations of 0.05 mol / L sodium ions and 0.07 mol / L CMO ions.
  • a PET film was ozonized to determine the surface resistance.
  • a film of the above-described mixture was prepared with a 24 ⁇ m doctor blade, and this film was dried at 130 ° C. for 5 minutes (min.). The surface resistance was determined using a 4 point meter and was 5.5 x 10 8 ohms / square.
  • the above mixture was allowed to stand at room temperature for 3 days; then this preparation was again doctored in the same manner as described above and the surface resistivity was again determined.
  • the SAW was now 1 x 10 9 ohms / square.
  • Example 1 (according to the invention): Preparation of a PEDT: PSS dispersion with the aid of hydrogen peroxide in the presence of a catalyst and in the absence of salts
  • HRP horseradish peroxidase
  • a PET film was also ozonized to determine the SAW. Subsequently, a film of the above-described mixture was prepared with a 24 ⁇ m doctor blade and this
  • the OFW was determined by means of a 4-point measuring device and was 4 x 10 4 ohms / square.
  • the anion content of the solution was determined by ion chromatography. Cation content was determined by ICP (Inductively Coupled Plasma) atomic spray microscopy:
  • a cleaned glass substrate was placed on a spin coater and 10 ml of the above solution / dispersion were spread on the substrate 24 hours after preparation. Subsequently, the supernatant solution was spun off by rotation of the plate. Thereafter, the thus coated substrate was dried for 15 minutes at 200 ° C. on a hot plate.
  • the layer thickness was
  • the conductivity was determined by evaporating over a shadow mask Ag electrodes 2.5 cm in length at a distance of 10 mm.
  • the surface resistance determined with an electrometer (Keithly 614) was multiplied by the layer thickness to obtain the electrical resistivity.
  • the resistivity of the layer was 3.7 ohm-cm.
  • the conductivity was 0.27 S / cm.
  • Example 2 In-s ⁇ tu polymerization of EDT with the aid of hydrogen peroxide in the presence of an enzyme and in the absence of salts
  • Ethylenedioxythiophene (1.6 g, 11.2 mmol, Cievios M V2, HCStarck GmbH) and p-toluenesulfonic acid (1.06 g, 5.6 mmol) were dissolved in a mixture of 10 g of water and 10 g of isopropanol , 120 mg of horseradish peroxidase (HRP, ECL I I .1.7 type II, Aldrich) was dissolved in 5 g of water and added. This mixture was cooled to 4 ° C. Then, 2.4 g of a 30% hydrogen peroxide solution was added, and this mixture was stirred for 5 minutes.
  • HRP horseradish peroxidase
  • the OFW was determined: 700 k ⁇ / square.
  • Example 3 use of one with hydrogen peroxide in the absence of
  • Salts produced PEDTrPSS layer as a polymeric counter electrode in capacitors
  • Capacitor anodes were made of tantalum powder (type VFI-70KD, HCStarck GmbH) and formed at 20 V and 150 mA / g in a H 3 PO 4 solution with the conductivity 4300 ⁇ S at 85 0 C, so that on the porous sintered anode forms an electrochemically generated oxide layer.
  • Ethylenedioxythiophene (1.6 g, 11 mmol, HC Starck GmbH, Clevios M V2) was dissolved in 10 g of water and 10 g of isopropanol. Then, p-toluenesulfonic acid (1.06 g, 6 mmol, Aidrich) was added. The mixture was cooled to 4 ° C and stirred. A solution of horseradish peroxidase (120 mg, peroxidase EORP, EC 1.11.1.7 type II, Aidrich) was dissolved in 5 g of water (5.0 g) and added followed by stirring for 0 min. Then, 2.4 g of a 30% hydrogen peroxide solution was added, and this mixture was stirred for 5 minutes.
  • the tantalum anodes were immersed in the solution thus prepared for 60 seconds and stored at room temperature for 15 minutes. Thereafter, they were dipped in the polymerization solution again for 60 seconds and then dried at room temperature for four hours. Finally, the capacitor anodes were dried at 100 ° C. for 30 minutes in a drying oven. To be able to electrically contact the capacitor anodes, an outer layer consisting of an ethylene dioxythiophene-based conductive polymer dispersion was applied to the anode. The external contacting was completed first with a graphite layer and then with a silver layer.
  • the capacitance and equivalent series resistance (ESR) of the anodes were determined by the four-point technique used in metrology using an LCR meter (Agilent 4284A), measuring capacitance at 120 Hz and ESR at 100 kHz.
  • the capacitance was 13 ⁇ F; the median (out of nine anodes) of the ESR was measured to be 702 m ⁇ .

Abstract

The invention relates to a novel method for producing optionally substituted polythiophenes, especially conductive polythiophenes, using hydrogen peroxide as an oxidizing agent in the presence of a catalyst or enzyme, preferably in the absence of inorganic salts.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON POLYTHIOPHENEN MIT WASSERSTOFFPEROXID ALS OXIDATIONSMITTEL METHOD FOR PRODUCING POLYTHIOPHENES USING HYDROGEN PEROXIDE AS AN OXIDIZING AGENT
Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Hersteilung von gegebenenfalls substituierten Po- lythiophenen, insbesondere von gegebenenfalls substituierten leitfähigen Polythiophenen, mit Hilfe von Wasserstoffperoxid als Oxydationsmittel in Gegenwart eines Katalysators oder Enzyms in Ab- Wesenheit anorganischer Salze.The invention relates to a novel process for the preparation of optionally substituted polythiophenes, in particular of optionally substituted conductive polythiophenes, with the aid of hydrogen peroxide as the oxidizing agent in the presence of a catalyst or enzyme in the absence of inorganic salts.
Leitfällige Polymere gewinnen zunehmend an wirtschaftlicher Bedeutung, da Polymere gegenüber Metallen Vorteile bezüglich der Verarbeitbarkeit, des Gewichts und der gezielten Einstellung von Eigenschaften durch chemische Modifikation haben. Beispiele für bekannte π-konju gierte Polymere sind Polypyrrole, Polythiophene, Polyaniline, Polyacetylene, Polyphenylene und Poly(p- phenylen-vinylene). Schichten aus leätfähigen Polymeren werden technisch vielfältig eingesetzt, z.B. als polymere Gegenelektrode in Kondensatoren, als Korrosionsschutz oder zur Durchkontak- tierung von elektronischen Leiterplatten. Die Herstellung leitfähiger Polymere erfolgt chemisch oder elektrochemisch oxidaliv aus Vorstufen, wie z. B. gegebenenfalls substituierten Thiophenen, Pyrrolen und Anilinen und deren jeweiligen gegebenenfalls oligomeren Derivaten. Insbesondere die chemisch oxidative Polymerisation ist weit verbreitet, da sie technisch einfach in einem flüssigen Medium bzw. auf vielfaltigen Substraten zu realisieren ist.Conductive polymers are increasingly gaining economic importance, since polymers have advantages over metals in terms of processability, weight and the targeted adjustment of properties by chemical modification. Examples of known π-conjugated polymers are polypyrroles, polythiophenes, polyanilines, polyacetylenes, polyphenylenes and poly (p-phenylenevinylenes). Layers of viable polymers are used in a variety of industrial applications, e.g. as a polymeric counterelectrode in capacitors, as corrosion protection or for through-connection of electronic printed circuit boards. The production of conductive polymers takes place chemically or electrochemically oxidatively from precursors, such as. B. optionally substituted thiophenes, pyrroles and anilines and their respective optionally oligomeric derivatives. In particular, the chemically oxidative polymerization is widespread because it is technically easy to implement in a liquid medium or on a variety of substrates.
Ein besonders wichtiges und technisch genutztes Polythiophen ist das beispielsweise in der EP 339 340 A2 beschriebene Poly(ethylen-3,4-dioxythiophen) (PEDOT oder PEDT), das durch chemische Polymerisation von Ethylen-3,4-dioxythiophen (EDOT oder EDT) hergestellt wird und das in seϊ- ner oxidierten Form hohe Leitfähigkeiten aufweist. Eine Übersicht über zahlreiche Poly(alkylen-A particularly important and technically used polythiophene is the poly (ethylene-3,4-dioxythiophene) (PEDOT or PEDT) described, for example, in EP 339 340 A2, which is obtained by chemical polymerization of ethylene-3,4-dioxythiophene (EDOT or EDT). which has high conductivities in its oxidized form. An overview of numerous poly (alkylene
3,4-dioxythiophen)-Derivate, insbesondere Poly(ethylen-3,4-dioxythiophen)-Derivate, deren Monomerbausteine, Synthesen und Anwendungen geben L. Groenendaal, F, Jonas, D. Freitag, H. Pie- lartzik & J. R. Reynolds, Adv. Mater. 12, (2000) S. 481 - 494.3,4-dioxythiophene) derivatives, in particular poly (ethylene-3,4-dioxythiophene) derivatives, their monomeric building blocks, syntheses and applications are L. Groenendaal, F, Jonas, D. Freitag, H. Pielartzik & JR Reynolds , Adv. Mater. 12, (2000) p. 481-494.
Besondere technische Bedeutung haben Dispersionen von PEDOT mit Polystyrolsulfonsäure (PSS) erlangt, wie sie beispielsweise in der EP 0440 957 B offenbart sind. Aus diesen Dispersionen können transparente, leitfähige Filme erzeugt werden, die eine Vielzahl von Anwendungen gefunden haben, z.B. als antistatische Beschichtung oder als Lochinjektionsschicht in organischen Leuchtdioden. Als Oxydationsmittel zur Polymerisatjon von EDT sind neben Sauerstoff und/oder Luft alle für Polypyrrol geeigneten Oxidationsmittel beschrieben (J. Am. Chem. Soc. Band 85, S. 454-458, 1963). Insbesondere wird auf Eisen-III- Salze anorganischer Säuren, wie beispielsweise FeCl3, und die Eisen-III- Salze organischer Säuren und organische Reste aufweisender Säuren, beispielsweise die Eisen-OI-Salze der Schwefelsäurehalbester von CpCio-Alkanolen, z.B. das Fe- Ill-Salz des Laurylsulfates hingewiesen. Femer sind K2Cr2O7, Alkali- und Ammonium- peroxodisulfate, wie z.B. Natrium- oder Kaliumperoxodisυlfat, Alkaliperborate, Kaliumpermanga- nat, Kupfersalze, wie Kupfertetrafluoroborat oder Cer(FV)-Salze bzw. CeO2 als Oxidationsmittel genannt. Bei der Verwendung von Sauerstoff als Oxidationsmittel ist nachteilhaft, dass die entsprechenden Filme sehr hohe Oberflächenwiderstände (107 Ohm cm) aufweisen. Bei Einsatz der anderen aufgeführten Oxidationsmittel tritt der Nachteil auf, dass die entsprechenden Reaktionsprodukte als anorganische und organische Salze in der Reaktionsmischung verbleiben und damit die elekt- rischen und optischen Eigenschaften des Films verschlechtern. In der EP 1 323 764 Al wird beschrieben, dass die entsprechenden, als Reaktionsprodukte auftretenden Salze mittels Ionenaustauscher entfernt werden können, was einen zusätzlichen Arbeitsschritt bedeutet.Dispersions of PEDOT with polystyrenesulfonic acid (PSS), as disclosed, for example, in EP 0440 957 B, have particular technical significance. From these dispersions, it is possible to produce transparent, conductive films which have found a multiplicity of applications, for example as an antistatic coating or as a hole injection layer in organic light-emitting diodes. As oxidizing agents for the polymerizate of EDT, in addition to oxygen and / or air, all oxidizing agents suitable for polypyrrole are described (J. Am.Chem.Soc., Vol. 85, pp. 454-458, 1963). In particular, ferric salts of inorganic acids, such as FeCl 3 , and the ferric salts of organic acids and acids having organic radicals, for example, the iron-OI salts of sulfuric acid half-esters of CpCio alkanols, such as the Fe III Salt of lauryl sulfate pointed. Further, K 2 Cr 2 O 7 , alkali and ammonium peroxodisulfates, such as sodium or Kaliumperoxodisυlfat, alkali metal perborates, potassium permanganate, copper salts, such as copper tetrafluoroborate or cerium (FV) salts or CeO 2 as an oxidizing agent called. When using oxygen as the oxidizing agent is disadvantageous that the corresponding films have very high surface resistances (10 7 ohm cm). The use of the other listed oxidizing agents has the disadvantage that the corresponding reaction products remain as inorganic and organic salts in the reaction mixture and thus worsen the electrical and optical properties of the film. It is described in EP 1 323 764 A1 that the corresponding salts which occur as reaction products can be removed by means of ion exchangers, which means an additional working step.
Besondere technische Bedeutung hat auch die /n-s/Yw-Polymerisation ϊeitfahiger Polymere im E- lektrolytkondensator erlangt. In EP 0340 512 B wird die Herstellung eines Feststoffelektrolyten aus 3,4-Ethylen~l,2-dioxythiophen und die Verwendung eines durch oxidative Polymerisation hergestellten, kationischen Polymeren als Feststoffelektrolyt in Elektrolytkondensatoren beschrieben. Poly(3,4-ethylendioxythiophen) als Ersatz von Mangandäoxid oder von Ladungstransferkomplexen in Feststoffelektrolytkondensatoren senkt aufgrund der höheren elektrischen Leitfähigkeit den ä- quivalenten Serienwiderstand des Kondensators und verbessert das Frequenzverhalten. Als Oxida- tionsmittel werden die gleichen Oxidationsmittel beschrieben, welche in der EP 0440 957 B offenbart sind. Auch hier verbleiben die Reaktionsprodukte der Oxidationsmittel im Kondensator, und müssen in einem zusätzlichen Arbeitsschritt herausgewaschen werden.The / n-s / Yw polymerization of conductive polymers in the electrolytic capacitor has also attained particular industrial significance. EP 0340 512 B describes the preparation of a solid electrolyte from 3,4-ethylene-1,2-dioxythiophene and the use of a cationic polymer prepared by oxidative polymerization as a solid electrolyte in electrolytic capacitors. Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) as a replacement of manganese dioxide or of charge transfer complexes in solid electrolytic capacitors reduces the equivalent series resistance of the capacitor due to the higher electrical conductivity and improves the frequency behavior. The oxidizing agents described are the same oxidizing agents which are disclosed in EP 0440 957 B. Again, the reaction products of the oxidants remain in the condenser, and must be washed out in an additional step.
Als weiteres, für die Polymerisation von EDOT geeignetes Oxidationsmittel wird beispielsweise in der EP 0440 957 B oder der EP 1 323 764 Al Wasserstoffperoxid genannt; allerdings wird kein Ausführungsbeispiel mit Wasserstoffperoxid beschrieben, ün Stand der Technik wird offenbart, dass Wasserstoffperoxid zu einer Überoxidation von PEDOT und damit zur Zerstörung von dessen elektrischer Leitfähigkeit führt, so dass Wasserstoffperoxid zum Strukturieren von PEDOT-Filmen eingesetzt wird (Adv. Mater. 2006, 18(10), 1307 - 1312).Another suitable oxidizing agent for the polymerization of EDOT is hydrogen peroxide, for example, in EP 0440 957 B or EP 1 323 764 A1; However, no embodiment is described with hydrogen peroxide, the prior art discloses that hydrogen peroxide leads to an over-oxidation of PEDOT and thus to the destruction of its electrical conductivity, so that hydrogen peroxide is used for structuring PEDOT films (Adv. Mater. 2006, 18 (10), 1307-1312).
Rumbau et al. (Biomacromolecules, Bd. 8 (2), 2007, S. 315 - 317) führen aus, dass die alleinige Verwendung von Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel nicht zur Polymerisation von EDT führt.Rumbau et al. (Biomacromolecules, Vol. 8 (2), 2007, p. 315-317) state that the sole use of hydrogen peroxide as the oxidizing agent does not lead to the polymerization of EDT.
Allerdings gelingt diese Polymerisation, wenn zusätzlich das Enzym Meerrettich Peroxidase in Gegenwart von Natriumpolystyrolsulfonat und Salzsäure eingesetzt wird. Auf diese Weise können Filme mit einer mäßigen Leitfähigkeit von 2 x 10'3 S/cm hergestellt werden. Nachteilhaft an dieser Synthese ist, dass die Polymerisation in Gegenwart anorganischer Salze durchgeführt wird. Werden die Reaktionsprodukte dieser Salze nicht entfernt, so kommt es zu einer Beeinträchtigung der entsprechenden Filme in Bezug auf Morphologie, Leitfähigkeit und Transparenz. Bei Entfernung dieser Reaktionsprodukte aus der Dispersion, beispielsweise durch die Verwendung eines Ionenaustauschers wie EPl 323764 Al beschrieben, ist ein zusätzlicher Arbeitsschritt erforderlich.However, this polymerization succeeds when in addition the enzyme horseradish peroxidase is used in the presence of sodium polystyrenesulfonate and hydrochloric acid. In this way films with a moderate conductivity of 2 × 10 -3 S / cm can be produced. A disadvantage of this synthesis is that the polymerization is carried out in the presence of inorganic salts. If the reaction products of these salts are not removed, there is an impairment of the corresponding films in terms of morphology, conductivity and transparency. Upon removal of these reaction products from the dispersion, for example, by the use of an ion exchanger such as EPl 323764 Al described, an additional step is required.
In 2008 beschreiben Nagarajan et al. die Synthese eines PEDT:PSS Komplexes, der durch dieIn 2008, Nagarajan et al. the synthesis of a PEDT: PSS complex by the
Verwendung eines Terthiophens gestartet wird (Macromolecules, 2008, 41, 3049). Die Synthese erfolgt unter Verwendung von Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel und Sojabohπenperoxidase als Katalysator in Gegenwart von Natriuropolystyroisulfonat. Nächteilhaft an dieser Synthese ist, dass sie in Gegenwart von Natrium -Ionen sowie eines Cϊtrat-Puffers durchgeführt wird, wobei die Gegenwart dieser Nebenkomponenten zu einer Beeinträchtigung der Filme in Bezug auf Morphologie, Leitfähigkeit und Transparenz führt. Zudem können mit dieser Synthesemethode ebenfalls nur mäßige Leitfähigkeiten erzielt werden. Außerdem wird gemäß diesem Verfahren kein reines PEDOT hergestellt, da dass Terthiophen in die PEDOT-Polymerkette eingebaut wird. PEDOT hat sich jedoch gegenüber anderen Thϊophenen in seiner oxidierten Form als besonders stabil herausgestellt (L. Groenendaal,. Adv. Mat. 2003, 15, 855).Use of a terthiophene is started (Macromolecules, 2008, 41, 3049). The synthesis is carried out using hydrogen peroxide as the oxidizing agent and soybean peroxidase as a catalyst in the presence of Natriuropolystyroisulfonat. A disadvantage of this synthesis is that it is carried out in the presence of sodium ions and a Cϊtrat buffer, wherein the presence of these minor components leads to an impairment of the films in terms of morphology, conductivity and transparency. In addition, only moderate conductivities can be achieved with this method of synthesis. Moreover, according to this method, no pure PEDOT is produced because terthiophene is incorporated into the PEDOT polymer chain. However, PEDOT has proven to be particularly stable over other thiophenes in its oxidized form (L. Groenendaal, Adv. Mat. 2003, 15, 855).
Es bestand somit weiterhin Bedarf an einem einfachen Verfahren zur Herstellung von gegebenen-- falls substituierten Polythiophenen, vor allem an einem einfachen Verfahren zur Herstellung von gegebenenfalls substiuierten, leitfähigen Polythiophenen. Insbesondere bestand ein Bedarf an einer einstufigen Synthese von gegebenenfalls substituierten Polythiophenen mit guter Leitfähigkeit, wobei keine weiteren Aufarbeitungsschritte zur Entfernung anorganischer Salze erforderlich sind.There was therefore still a need for a simple process for the preparation of - if substituted - polythiophenes, especially on a simple process for the preparation of optionally substiuierten, conductive polythiophenes. In particular, there has been a need for a one-step synthesis of optionally substituted polythiophenes with good conductivity, with no further work-up steps to remove inorganic salts.
Die Aufgabe bestand daher darin, ein solches Verfahren bereitzustellen.The object was therefore to provide such a method.
Überraschend wurde nun gefunden, dass die Synthese von gegebenenfalls substituierten Polythiophenen, insbesondere von gegebenenfalls substituierten, leitfähigen Polythiophenen mit Hilfe von Wasserstoffperoxid in Gegenwart von Katalysatoren oder Enzymen in Abwesenheit anorganischer Salze durchgeführt werden kann, und zu stabilen Dispersionen führt, aus denen Filme mit guter Leitfähigkeit hergestellt werden können.Surprisingly, it has now been found that the synthesis of optionally substituted polythiophenes, in particular of optionally substituted, conductive polythiophenes with the aid of hydrogen peroxide in the presence of catalysts or enzymes in the absence of inorganic salts can be carried out, and leads to stable dispersions from which films with good conductivity can be produced.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung eines gegebenenfalls substituierten Polythiophens mit Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel in Gegenwart eines Katalysators oder Enzyms, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Konzentrationen anorganischer Ionen in der Reaktionsmischung weniger als 0,05 mol/L beträgt.The invention thus provides a process for preparing an optionally substituted polythiophene with hydrogen peroxide as the oxidant in the presence of a catalyst or enzyme, characterized in that the sum of the concentrations of inorganic ions in the reaction mixture is less than 0.05 mol / L.
Als gegebenenfalls substituierte Polythiophene können gegebenenfalls substituierte Polythiophene enthaltend wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (I),Optionally substituted polythiophenes optionally substituted polythiophenes containing recurring units of the general formula (I),
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wobei R1 und R2 unabhängig voneinander jeweils für H, einen gegebenenfalls substituierten Cj-Cjg- Alkylrest oder einen gegebenenfalls substituierten Ci-Cjs-AIkoxyrest, oder
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in which R 1 and R 2 are each independently H, an optionally substituted Cj-Cjg-alkyl radical or an optionally substituted Ci-Cjs-AIkoxyrest, or
R1 und R2 zusammen für einen gegebenenfalls substituierten CrCrAlkylenrest, worin ein oder mehrere C-Atom(e) durch ein oder mehrere gleiche oder unterschiedliche He- teroatome ausgewählt aus O oder S ersetzt sein können, bevorzugt einen Q-Cg- Dioxyalkylenrest, einen gegebenenfalls substituierten Ci-Cg-Oxythiaalkylenrest oder einen gegebenenfalls substituierten Cj-Q-Dithiaalkylenrest, oder für einen gegebenenfalls substituierten d-Cg-AIkylidenrest, worin gegebenenfalls wenigstens ein C-Atom durch ein Heteroatom ausgewählt aus O oder S ersetzt sein kann, stehen,R 1 and R 2 together represent an optionally substituted C r C r alkylene radical in which one or more C atom (s) may be replaced by one or more identical or different heteroatoms selected from O or S, preferably a Q-Cg - Dioxyalkylenrest, an optionally substituted Ci-Cg-Oxythiaalkylenrest or an optionally substituted Cj-Q-Dithiaalkylenrest, or an optionally substituted d-Cg-AIkylidenrest, wherein optionally at least one C-atom may be replaced by a heteroatom selected from O or S. , stand,
verwendet werden.be used.
Hierbei können die gegebenenfalls substituierten Polythiophene durch oxidative Polymerisation von Thiophenen der allgemeinen Formel (II),Here, the optionally substituted polythiophenes by oxidative polymerization of thiophenes of the general formula (II),
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worin R1 und R2 die für die allgemeine Formel (I) genannte Bedeutung haben, hergestellt werden.
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wherein R 1 and R 2 have the meaning given for the general formula (I) can be prepared.
In bevorzugten Ausführungsformen sind gegebenenfalls substituierte Polythiophene enthaltend wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (I) solche enthaltend wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (I-a) und/oder der allgemeinen Formel (I-b)In preferred embodiments, optionally substituted polythiophenes containing recurring units of the general formula (I) are those containing recurring units of the general formula (I-a) and / or the general formula (I-b)
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wormworm
A für einen gegebenenfalls substituierten Cj-C5-Alkylenrest: bevorzugt für einen gegebenenfalls substituierten C2-C3-A Ikylenrest steht, Y für O oder S steht,A is an optionally substituted C 1 -C 5 -alkylene radical : preferably an optionally substituted C 2 -C 3 -alkylene radical, Y stands for O or S,
R für einen linearen oder verzweigten, gegebenenfalls substituierten Ci-Cig-Alkylrest, bevorzugt linearen oder verzweigten,' gegebenenfalls substituierten
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einen gegebenenfalls substituierten Cs-C^-Cycloalkyiresl, einen gegebenenfalls substituierten C6- Ci4-Arylrest, einen gegebenenfalls substituierten Cv-Cig-Aralkylrest, einen gegebenenfalls substituierten CrGrHydroxyalkylrest oder einen Hydroxylrest steht,
R is a linear or branched, optionally substituted Ci-Cig-alkyl radical, preferably linear or branched, optionally substituted
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is an optionally substituted Cs-C ^ -Cycloalkyiresl, an optionally substituted C 6 - C 4 -aryl radical, an optionally substituted Cv-Cig-aralkyl radical, an optionally substituted C r GrHydroxyalkylrest or a hydroxyl radical,
x für eine ganze Zahl von 0 bis 8, bevorzugt für 0, 1 oder 2, besonders bevorzugt für 0 oder 1, steht, undx is an integer from 0 to 8, preferably 0, 1 or 2, more preferably 0 or 1, and
für den Fall, dass mehrere Reste R an A gebunden sind, diese gleich oder unterschiedlich sein kön- nen.in the event that several radicals R are attached to A, they may be the same or different.
Diese gegebenenfalls substituierten Polythiophene können durch oxidative Polymerisation von Thi- ophenen der allgemeinen Formel (ϊl-a) und/oder (II-b)s These optionally substituted polythiophenes can be prepared by oxidative polymerization of thiophenes of the general formula (II-a) and / or (II-b) s
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(II-a) (II-b)(II-a) (II-b)
worin A, Y, R und x die für die allgemeinen Formeln (H-a) und (II-b) genannte Bedeutung haben,wherein A, Y, R and x are as defined for general formulas (H-a) and (II-b),
hergestellt werden.getting produced.
Die allgemeinen Formeln (I-a) und (H-a) sind so zu verstehen, dass x Substituenten R an den Alky- lenrest A gebunden sein können.The general formulas (I-a) and (H-a) are to be understood such that x substituents R can be bonded to the alkyl radical A.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind gegebenenfalls substituierte Polythiophene ent- haltend wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (I) solche enthaltend wiederkehrendeIn further preferred embodiments, optionally substituted polythiophenes containing recurring units of the general formula (I) are those containing recurring
Einheiten der allgemeinen Formel (I-aa) und/oder der allgemeinen Formel (I-ab)
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Units of general formula (I-aa) and / or general formula (I-ab)
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worinwherein
R und x die oben genannte Bedeutung haben.R and x have the abovementioned meaning.
In noch weiteren bevorzugten Ausfuhrungsformen sind gegebenenfalls substituierte Polythiophene enthaltend wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (I) solche enthaltend Polythiophene der allgemeinen Formel (I-aaa) und/oder der allgemeinen Formel (I~aba)In still further preferred embodiments, optionally substituted polythiophenes containing recurring units of the general formula (I) are those containing polythiophenes of the general formula (I-aaa) and / or the general formula (I ~ aba)
Figure imgf000007_0002
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Unter dem Präfix PoIy- ist im Rahmen der Erfindung zu verstehen, dass mehr als eine gleiche oder verschiedene wiederkehrende Einheit im Polythiophen enthalten ist. Die Polythiophene enthalten insgesamt n wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (I), wobei n eine ganze Zahl von 2 bis 2000, bevorzugt 2 bis 100, sein kann. Die wiederkehrenden Einheiten der allgemeinen Formel (I) können innerhalb eines Polythiophens jeweils gleich oder verschieden sein. Bevorzugt sind Polythiophene enthaltend jeweils gleiche wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (I).For the purposes of the invention, the prefix poly-I means that more than one identical or different repeating unit is contained in the polythiophene. The polythiophenes contain a total of n repeating units of the general formula (I), where n can be an integer from 2 to 2000, preferably 2 to 100. The repeating units of general formula (I) may be the same or different within each polythiophene. Preference is given to polythiophenes containing in each case identical recurring units of the general formula (I).
An den Endgruppen tragen die Polythiophene bevorzugt jeweils H.At the end groups, the polythiophenes preferably carry H.
In besonders bevorzugten AusfÜhrungsformen ist das Polythiophen mit wiederkehrenden Einheiten der allgemeinen Formel (I) Poly(3,4-ethylendioxythiophen), Poly(3,4-ethylenoxythiathiophen) oder Poly(thieno[3,4-b]thiophen, d.h. ein Homopolythiophen aus wiederkehrenden Einheiten der Formel (I-aaa), (I-aba) oder (I-b), wobei bei der Formel (I-b) Y für S steht. In weitereu besonders bevorzugten Ausführungsformen ist das Polylhiophen mit wiederkehrenden Einheiten der aligemeinen Formel (I) ein Copolymer aus wiederkehrenden Einheiten der Formel (I- aaa) und (I-aba), (ϊ-aaa) und (I-b), (I-aba) und (I-b) oder (ϊ-aaa), (I-aba) und (I-b), wobei Copoly- mere aus wiederkehrenden Einheiten der Formel (I-aaa) und (I-aba) sowie (I-aaa) und (I-b) bevor- zugt sind.In particularly preferred embodiments, the polythiophene having repeating units of the general formula (I) is poly (3,4-ethylenedioxythiophene), poly (3,4-ethyleneoxythiathiophene) or poly (thieno [3,4-b] thiophene, ie a homopolythiophene repeating units of the formula (I-aaa), (I-aba) or (Ib), wherein in the formula (Ib) Y is S. In further particularly preferred embodiments, the polylhiophene having repeating units of the general formula (I) is a copolymer of recurring units of the formula (I-aaa) and (I-aba), (ϊ-aaa) and (Ib), (I-aba ) and (Ib) or (ϊ-aaa), (I-aba) and (Ib), wherein copolymers of recurring units of the formula (I-aaa) and (I-aba) and (I-aaa) and ( Ib) are preferred.
Ci-Cs-Aükylenreste A sind im Rahmen der Erfindung Methylen, Ethylen, n-Propylen, n-Butylen oder n-Pentylen, CrC8-AIkyIenreste darüber hinaus n~Hexylen, n-Heptylen und n-Oktylen. Cj-C8- Alkylidenreste sind im Rahmen der Erfindung vorangehend aufgeführte Ci-Cg-Alkylenreste enthaltend wenigstens eine Doppelbindung. Cj-Cg-Dioxyalkylenreste, CrCg-Oxythiaalkyϊenreste und Cä- Q-Dithiaalkylenreste stehen im Rahmen der Erfindung für die den vorangehend aufgeführten Q-Ci-Cs-Aükylenreste A are within the scope of the invention, methylene, ethylene, n-propylene, n-butylene or n-pentylene, C r C 8 -AIkyIenreste additionally n ~ hexylene, n-heptylene and n-octylene. C 1 -C 8 -alkylidene radicals in the context of the invention are Ci-Cg-alkylene radicals having at least one double bond and listed above. Cj-Cg-Dioxyalkylenreste, CRCG-Oxythiaalkyϊenreste and C etc. - Q Dithiaalkylenreste are in the context of the invention for the Q detailed above
Cg-Alkylenreste entsprechenden CrQ-DioxyaIkylenreste, Cj-Cg-Oxythiaalkylenresle und Q-Cg- Dithiaalkylenreste. Cj-Cjg-Alkyl steht im Rahmen der Eiilndung für lineare oder verzweigte C1- Cis-Alkylreste wie beispielsweise Methyl, Ethyl, n- oder iso-Propyl, n-, iso-, sec- oder tert-Butyϊ, n-Pentyl, 1-Methylbutyl, 2-Methylbutyl, 3-Methylbutyl, l-Ethylpropyl, 1,1-Dimethylpropyl, 1,2- Dimethyipropyl, 2,2-Dimethylpropyl, n-Hexyl, n-Heptyl, n-Octyl, 2-Ethylhexyl, n-NonyJ, n-Decyl, n-Undecyl, n-Dodecyl, n-Tridecyl, n-Tetradecyl, n~Hexadecyl oder n-Octadecyl,'C5-Ci2~Cycloaikyl für C5-C12-Cycloalkylreste, wie Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cycloheptyl, Cyclooctyl, Cyclononyl oder Cyclodecyl, C5-C]4-Aryl für C6-Ci4-Arylreste wie Phenyl oder Naphthyi, und C7-C)8-Aralkyl für C7-Ci8-Aralkylreste wie beispielsweise Benzyl, o-, m~, p-Tolyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6-, 3,4-, 3,5- Xylyl oder Mesityl. Q-Qs-Alkoxyreste stehen im Rahmen der Erfindung für die den vorangehend aufgeführten Q-Qg-Alkylresten entsprechenden Alkoxyreste. Die vorangehende Aufzählung dient der beispielhaften Erläuterung der Erfindung und ist nicht als abschließend zu betrachten.Cg-alkylene radicals corresponding C r Q-DioxyaIkylenreste, Cj-Cg-Oxythiaalkylenresle and Q-Cg- Dithiaalkylenreste. Cj-Cjg-alkyl in the context of Eiiung for linear or branched C 1 - Cis-alkyl radicals such as methyl, ethyl, n- or iso-propyl, n-, iso-, sec- or tert-Butyϊ, n-pentyl, 1-methylbutyl, 2-methylbutyl, 3-methylbutyl, 1-ethylpropyl, 1,1-dimethylpropyl, 1,2-dimethylpropyl, 2,2-dimethylpropyl, n-hexyl, n-heptyl, n-octyl, 2-ethylhexyl, n-NonyJ, n-decyl, n-undecyl, n-dodecyl, n-tridecyl, n-tetradecyl, n ~ hexadecyl or n-octadecyl, 'C 5 -C ~ 2 Cycloaikyl for C 5 -C 12 -cycloalkyl radicals, such as Cyclopentyl, cyclohexyl, cycloheptyl, cyclooctyl, cyclononyl or cyclodecyl, C 5 -C] 4 -aryl for C 6 -C 4 -aryl radicals such as phenyl or naphthyl, and C 7 -C 8 -aralkyl for C 7 -C 8 -alkyl radicals such as benzyl, o-, m ~, p-tolyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6-, 3,4-, 3,5-xylyl or mesityl. Q-Qs-alkoxy radicals are in the context of the invention for the alkoxy radicals corresponding to the above-mentioned Q-Qg-alkyl radicals. The preceding list serves to exemplify the invention and is not to be considered as exhaustive.
Als gegebenenfalls weitere Substituenten der vorangehenden Reste kommen zahlreiche organischeAs optionally further substituents of the preceding radicals are numerous organic
Gruppen in Frage, beispielsweise Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl-, Halogen-, Ether-, Thioether-, Disul- fid-, Sulfoxid-, Sulfon-, Sulfonat-, Amino-, Aldehyd-, Keto-, Carbonsäureester-, Carbonsäure-,Groups in question, for example, alkyl, cycloalkyl, aryl, halogen, ether, thioether, disulfide, sulfoxide, sulfone, sulfonate, amino, aldehyde, keto, carboxylic acid, carboxylic acid -
Carbonat-, Carboxylat-, Cyano-, Alkylsilan- und Alkoxysilangruppen sowie Carboxylamidgruppen.Carbonate, carboxylate, cyano, alkylsilane and alkoxysilane groups and carboxylamide groups.
Die Polythiophene können neutral oder kationisch sein. In bevorzugten Ausführungsfoπnen sind sie kationisch, wobei sich „kationisch" nur auf die Ladungen bezieht, die auf der Polythiophen- hauptkette sitzen. Je nach Substituent an den Resten R können die Polythiophene positive und ne- gative Ladungen in der Stmktureinheit tragen, wobei sich die positiven Ladungen auf der Polythi- ophenhauptkette und die negativen Ladungen gegebenenfalls an den durch Sulfonat- oder Carboxy- latgruppen substituierten Resten R befinden. Dabei können die positiven Ladungen der Polythio- phenhauptkette zum Teil oder vollständig durch die gegebenenfalls vorhandenen anionischen Gruppen an den Resten R abgesättigt werden. Insgesamt betrachtet können die Polythiophene in diesen Fällen kationisch, neutral oder sogar anionisch sein. Dennoch werden sie im Rahmen derThe polythiophenes may be neutral or cationic. In preferred embodiments they are cationic, with "cationic" referring only to the charges which are located on the polythiophene main chain Depending on the substituent on the radicals R, the polythiophenes can carry positive and negative charges in the structural unit, the positive charges on the polythiophene main chain and the negative charges are optionally present on the radicals R substituted by sulfonate or carboxylate groups, whereby the positive charges of the polythiophene main chain can be partially or completely saturated by the optionally present anionic groups on the radicals R. Overall, the polythiophenes can be cationic, neutral or even anionic in these cases
Erfindung alle als kationische Polythiophene betrachtet, da die positiven Ladungen auf der PoIy- thiophenhauptkette maßgeblich sind. Die positiven Ladungen sind in den Formeln nicht dargestellt, da ihre genaue Zahl und Position nicht einwandfrei feststellbar sind. Die Anzahl der positiven Ladungen beträgt jedoch mindestens 1 und höchstens n, wobei n die Gesamtanzahl aller wiederkehrenden Einheiten (gleicher oder unterschiedlicher) innerhalb des Polythiophcns ist.Considered all as cationic polythiophenes, since the positive charges on the poly Thiophenhauptkette are relevant. The positive charges are not shown in the formulas because their exact number and position can not be determined properly. However, the number of positive charges is at least 1 and at most n, where n is the total number of all repeating units (equal or different) within the polythiophene.
Bevorzugt werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gegebenenfalls substituierte, leitfähigePreference is given to the process according to the invention optionally substituted, conductive
Polythiophene der allgemeinen Formel (I) mit einer Leitfähigkeit von mindestens 0,005 S/cm, bevorzugt von mindestens 0,05 S/cm hergestellt.Polythiophene of the general formula (I) with a conductivity of at least 0.005 S / cm, preferably made of at least 0.05 S / cm.
Zur Kompensation der positiven Ladung, soweit dies nicht bereits durch die gegebenenfalls Sulfo- nat- oder Carboxylat-subsϋtuierten und somit negativ geladenen Reste R erfolgt, benötigen die ka- tionischen Polythiophene Anionen als Gegenionen.To compensate for the positive charge, as far as this is not already effected by the optionally sulfonate- or carboxylate-substituted and thus negatively charged radicals R, the cationic polythiophenes require anions as counterions.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren in Gegenwart wenigstens eines Gegenions durchgeführt. Als Gegenionen kommen monomere oder polymere Anionen, letztere im Folgenden auch als Polyanionen bezeichnet, in Frage.The process according to the invention is preferably carried out in the presence of at least one counterion. Suitable counterions are monomeric or polymeric anions, the latter also referred to below as polyanions.
Bevorzugte polymere Anionen sind beispielsweise Anionen polymerer Carbonsäuren, wie Polyac- rylsäuren, Polymethacrylsäuren oder Polymaleinsäuren, oder polymerer Sulfonsäuren, wie PoIy- styrolsulfonsäuren und Polyvinylsulfonsäuren. Diese Polycarbon- und -sulfonsäuren können auch Copolymere von Vinylcarbon- und Vinylsulfonsäuren mit anderen polymerisierbaren Monomeren, wie Acrylsäureestern und Styrol, sein. Dies können beispielsweise auch SO3H- oder COOH- Gruppen enthaltende teilfluorierte oder perfluorierte Polymere sein.Preferred polymeric anions are, for example, anions of polymeric carboxylic acids, such as polyacrylic acids, polymethacrylic acids or polymaleic acids, or polymeric sulfonic acids, such as polystyrenesulfonic acids and polyvinylsulfonic acids. These polycarboxylic and sulfonic acids may also be copolymers of vinyl carboxylic and vinyl sulfonic acids with other polymerizable monomers such as acrylic acid esters and styrene. These may, for example, also be partially fluorinated or perfluorinated polymers containing SO 3 H or COOH groups.
Besonders bevorzugt als polymeres Anion ist das Anion der Polystyrolsulfonsäure (PSS) als Gegenion.Particularly preferred as a polymeric anion is the anion of polystyrene sulfonic acid (PSS) as a counterion.
Das Molekulargewicht der die Polyanionen liefernden Polysäuren beträgt vorzugsweise 1 000 bis 2 000 000, besonders bevorzugt 2 000 bis 500 000. Die Polysäuren oder ihre Alkalisalze sind im Handel erhältlich, z.B. Polystyrolsulfonsäuren und Polyacryl säuren, oder aber nach bekannten Ver- fahren herstellbar (siehe z.B. Houben Weyl, Methoden der organischen Chemie, Bd. E 20 Makromolekulare Stoffe, Teil 2, (1987), S. 1141 u.f.).The molecular weight of the polyanionic polyacids is preferably 1,000 to 2,000,000, more preferably 2,000 to 500,000. The polyacids or their alkali salts are commercially available, e.g. Polystyrenesulfonic acids and polyacrylic acids, or else can be prepared by known processes (see, for example, Houben Weyl, Methods of Organic Chemistry, Vol. E 20 Macromolecular Substances, Part 2, (1987), p.
Als monomere Anionen dienen beispielsweise solche von Ci-C2o-Alkansulfonsäuren, wie der Methan-, Etiian-, Propan-, Butan- oder höheren Sulfonsäuren, wie der Dodecansulfonsäure, von a- Uphatischen Perfluorsulfonsäuren, wie der Trifluormethansulfonsäure, der Perfluorbutansulfonsäu- re oder der Perfluoroctansulfonsäure, von aliphatischen CrC20-Carbonsäuren wie der 2-Examples of monomeric anions are those of C 1 -C 20 -alkanesulfonic acids, such as methane, etane, propane, butane or higher sulfonic acids, such as dodecanesulfonic acid, of a-aliphatic perfluorosulfonic acids, such as trifluoromethanesulfonic acid, perfluorobutanesulfonic acid or perfluorooctanesulfonic acid, aliphatic CrC 20 carboxylic acids such as 2-
Ethylhexyl carbonsäure, von aliphatischen Perfluorcarbonsäuren, wie der Trifluoressigsäure oder der Perfluoroctansäure, und von aromatischen, gegebenenfalls durch CrC2o-Alkylgruρpen substituierten Sulfonsäuren wie der Benzolsulfonsäure, o-Toluolsulfonsäure5 p-ToluoIsulfonsäure, Do- decylbenzolsulfonsäure, Dinonylnaphthalinsulfonsäure oder Dinonylnaphthalindisulfonsäure, und von Cycloalkansulfonsäuren wie Camphersulfonsäure oder Tetrafluoroborate, Hexafluoro- phosphate, Perchlorate, Hexafluoroantimonate, Hexafluoroarsenate oder Hexach loroantimonale.Ethylhexylcarboxylic acid, aliphatic perfluorocarboxylic acids, such as trifluoroacetic acid or perfluorooctanoic acid, and aromatic, optionally substituted by C r C 2 o-Alkylgruρpen sulfonic acids such as benzenesulfonic acid, o-toluenesulfonic acid 5 p-ToluoIsulfonsäure, dodecylbenzenesulfonic acid, dinonylnaphthalenesulfonic acid or dinonylnaphthalenedisulfonic acid, and of cycloalkanesulfonic acids such as camphorsulfonic acid or tetrafluoroborates, hexafluorophosphates, perchlorates, hexafluoroantimonates, hexafluoroarsenates or hexachloroantimonals.
Besonders bevorzugt sind die Anionen der p-Toluolsulfonsäure, Methansulfonsäure oder Camphersulfonsäure.Particularly preferred are the anions of p-toluenesulfonic acid, methanesulfonic acid or camphorsulfonic acid.
Kationische Polythiophene, die zur Ladungskompensation Anionen als Gegenionen enthalten, werden in der Fachwelt auch oft als Polythiophen/(Poly-)Anion-Komplexe bezeichnet.Cationic polythiophenes which contain anions as counterions for charge compensation are also often referred to in the art as polythiophene / (poly) anion complexes.
Bevorzugte Thiophene der allgemeinen Formel (II~a) sind solche der allgemeinen Formel (II-a-1) und/oder (II-a-2)Preferred thiophenes of the general formula (II-a) are those of the general formula (II-a-1) and / or (II-a-2)
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Besonders bevorzugt werden als Thiophene der allgemeinen Formel (II-a) solche der allgemeinenParticularly preferred as thiophenes of the general formula (II-a) are those of the general
Formel (II-aa- 1 ) und/oder (II-aa-2)Formula (II-aa-1) and / or (II-aa-2)
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eingesetzt,used
Uiiter Derivaten der vorangehend aufgeführten Thiophene werden im Sinne der Erfindung bei- spielsweise Dimere oder Trimere dieser Thiophene verstanden. Es sind auch höhermolekulare Derivate, d.h. Tetramere, Pentamere etc. der monomeren Vorstufen als Derivate möglich. Die Derivate können sowohl aus gleichen wie unterschiedlichen Monomereinheiten aufgebaut sein und in reiner Form sowie im Gemisch untereinander und/oder mit den vorangehend genannten Thiophenen eingesetzt werden. Auch oxidierte oder reduzierte Formen dieser Thiophene und Thiophenderivate sind im Sinne der Erfindung von dem Begriff Thiophene und Thiophenderivate umfasst, sofern bei ihrer Polymerisation die gleichen leitfahigen Polymeren entstehen wie bei den vorangehend aufgeführten Thiophenen und Thiophenderivaten. Verfahren zur Herstellung der Thiophene sowie deren Derivaten sind dem Fachmann bekannt und beispielsweise in L. Groenendaal, F. Jonas, D. Freitag, H. Pielartzik & J. R. Reynolds, Adv. Mater. 12 (2000) 481 - 494 und darin zitierter Literatur beschrieben.For the purposes of the invention, derivatives of the thiophenes listed above are understood as meaning, for example, dimers or trimers of these thiophenes. There are also higher molecular weight derivatives, ie tetramers, pentamers, etc. of the monomeric precursors as derivatives possible. The derivatives can be constructed from the same or different monomer units and can be used in pure form and mixed with one another and / or with the abovementioned thiophenes. Oxidized or reduced forms of these thiophenes and thiophene derivatives are also included within the meaning of the invention by the term thiophenes and thiophene derivatives, provided that the same conductive polymers are formed during their polymerization as in the thiophenes and thiophene derivatives listed above. Processes for the preparation of the thiophenes and their derivatives are known to the person skilled in the art and are described, for example, in L. Groenendaal, F. Jonas, D. Freitag, H. Pielartzik & JR Reynolds, Adv. Mater. 12 (2000) 481-494 and references cited therein.
Die Thiophene können gegebenenfalls in Form von Lösungen eingesetzt werden. Als geeignete Lösungsmittel seien vor allem folgende unter den Reaktionsbedirtgungen inerte organische Lösungsmittel genannt: aliphatische Alkohole wie Methanol, Ethanol, i-Propanol und Butanol; alipha- tische Ketone wie Aceton und Methylethylketon; aliphatische Carbonsäureester wie Essigsäure- ethylester und Essigsäurebutylester; aromatische Kohlenwasserstoffe wie Toluol und Xyloi; aliphatische Kohlenwasserstoffe wie Hexan, Heptan und Cyclohexan; Chlorkohlenwasserstoffe wie Dichlormethan und Dichlorethan; aliphatische Nitrile wie Acetonitrü, aliphatische Sulfoxide undThe thiophenes may optionally be used in the form of solutions. Suitable solvents which may be mentioned are, in particular, the following organic solvents which are inert under the reaction conditions: aliphatic alcohols, such as methanol, ethanol, isopropanol and butanol; aliphatic ketones such as acetone and methyl ethyl ketone; aliphatic carboxylic acid esters such as ethyl acetate and butyl acetate; aromatic hydrocarbons such as toluene and xyloi; aliphatic hydrocarbons such as hexane, heptane and cyclohexane; Chlorinated hydrocarbons such as dichloromethane and dichloroethane; aliphatic nitriles such as acetonitrile, aliphatic sulfoxides and
Sulfone wie Dimethylsulfoxid und Sulfolan; aliphatische Carbonsäureamide wie Methylacetamid, Dimethylacetamid und Dimethylformamid; aliphatische und araliphatische Ether wie Diethylether und Anisol. Weiterhin kann auch Wasser oder ein Gemisch aus Wasser mit den vorgenannten organischen Lösungsmitteln als Lösungsmittel verwendet werden. Bevorzugte Lösungsmittel sind Alkohole und Wasser sowie Mischungen enthaltend Alkohole oder Wasser bzw. Mischungen ausSulfones such as dimethylsulfoxide and sulfolane; aliphatic carboxylic acid amides such as methylacetamide, dimethylacetamide and dimethylformamide; aliphatic and araliphatic ethers such as diethyl ether and anisole. Furthermore, water or a mixture of water with the aforementioned organic solvents may also be used as the solvent. Preferred solvents are alcohols and water and mixtures containing alcohols or water or mixtures of
Alkoholen und Wasser.Alcohols and water.
Thiophene, die unter den Oxidationsbedingungen flüssig sind, können auch in Abwesenheit von Lösungsmitteln polymerisiert werden.Thiophenes, which are liquid under the oxidation conditions, can also be polymerized in the absence of solvents.
Als Katalysator oder Enzym können im Rahmen der Erfindung anorganische oder organische Ver- bindungen verwendet werden, die den Einsatz von Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel katalysieren. Bevorzugte Verbindungen sind Peroxydasen als Enzyme, wie beispielsweise Cytocrom C Peroxidase, Meerrettich Peroxidase oder Thyreoperoxidase. Ebenfalls bevorzugt sind die prostethischen Gruppen der Enzyme, z B. die Häm-Gruppe. Ebenfalls bevorzugt sind organische Komplexe von Metallionen wie beispielsweise Metalloporphorin Komplexe oder Metallophthalocyanin Kom- plexe (J. Mat. Chem. 2008, 18, 573 - 578). Besonders bevorzugt wird Meerettich-Peroxidase undIn the context of the invention, inorganic or organic compounds which catalyze the use of hydrogen peroxide as the oxidizing agent can be used as catalyst or enzyme. Preferred compounds are peroxidases as enzymes, such as cytochrome C peroxidase, horseradish peroxidase or thyroid peroxidase. Likewise preferred are the prosthetic groups of the enzymes, for example the heme group. Also preferred are organic complexes of metal ions such as metalloporphorin complexes or metallophthalocyanine complexes (J. Mat. Chem. 2008, 18, 573-578). Particularly preferred is horseradish peroxidase and
Sojabohnenperoxϊdase verwendet.Soybean peroxidase used.
Im Rahmen der Erfindung werden unter anorganischen Ionen solche Ionen verstanden, die keine Kohlenstoffatome enthalten. H+ und OH" werden ebenfalls nicht zu den anorganischen Ionen im Sinne dieser Erfindung gezählt. Zu den anorganischen Kationen gehören somit alle Kationen der Metalle wie z.B. Lf 5 Na+, K+, Mg2+ und Fe3+ . Zu den anorganischen Anionen zählen beispielsweise F", Cl, Br", ClO4 " und SO4 2".In the context of the invention, inorganic ions are understood as meaning those ions which contain no carbon atoms. H + and OH " are likewise not counted among the inorganic ions in the sense of this invention, meaning that all cations of the metals such as Lf 5 Na + , K + , Mg 2+ and Fe 3+ belong to the inorganic cations include, for example, F " , Cl, Br " , ClO 4 " and SO 4 2" .
Bevorzugt beträgt die Summe der Konzentrationen anorganischer Ionen in der Reaktionsmischung weniger als 0,04 mol/L beträgt, besonders bevorzugt weniger als 0,03 mol/L, und überaus besonders bevorzugt weniger als 0,02 mol/L. Die Anwendungsgebiete der gegebenenfalls substituierten Polythiophene, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können, sind vielfältig. So können beispielsweise stabile Dispersionen oder Lösungen enthaltend gegebenenfalls substituierte Polythiophene der allgemeinen Formel (I) und ein Gegenion oder aber direkt leitfähige Schichten enthaltend solche Po- lythiophene hergestellt worden, wobei sich in diesen Fällen wiederum eine Vielzahl von weiterenPreferably, the sum of the concentrations of inorganic ions in the reaction mixture is less than 0.04 mol / L, more preferably less than 0.03 mol / L, and most preferably less than 0.02 mol / L. The fields of application of the optionally substituted polythiophenes which can be prepared by the process according to the invention are many. Thus, for example, stable dispersions or solutions comprising optionally substituted polythiophenes of the general formula (I) and a counterion or else directly conducting layers containing such polythiophenes have been prepared, in which case a large number of further compounds are used
Anwendungen zugänglich ist.Applications is accessible.
Die oben genannten Dispersionen oder Lösungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie stabil sind, d.h. diese Dispersionen oder Lösungen können für mindestens 3 Tage, bevorzugt für mehr als 30 Tage bei Raumtemperatur gelagert werden, ohne dass sich die Eigenschaften, wie beispielsweise die Leitfähigkeit, dieser Dispersionen oder Lösungen ändern. Somit sind ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung Dispersionen oder Lösungen, die nach dem erfmdungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.The above dispersions or solutions are characterized by being stable, i. these dispersions or solutions may be stored for at least 3 days, preferably for more than 30 days at room temperature, without changing the properties, such as the conductivity, of these dispersions or solutions. Thus, another object of the present invention are dispersions or solutions prepared by the inventive method.
Ein noch weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfändung stellen leitfähige Schichten dar, welche Dispersionen oder Lösungen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, um- fassen. Hierbei werden diese leitfahigen Schichten enthaltend gegebenenfalls substituierte Polythiophene polymerisiert, wobei gegebenenfalls substituierte Thiophene oder Thiophenderivate mit Wasserstoff als Oxydationsmittel in Gegenwart eines Katalysators oder Enzyms auf einem geeigneten Substrat polymerisiert werden. Hierbei beträgt, die Konzentration anorganischer Ionen in der Reaktionsmischung weniger als 0,05 mol/1.A still further object of the present invention are conductive layers comprising dispersions or solutions prepared by the process of the present invention. Here, these conductive layers containing optionally substituted polythiophenes are polymerized, optionally substituted thiophenes or thiophene derivatives are polymerized with hydrogen as the oxidant in the presence of a catalyst or enzyme on a suitable substrate. Here, the concentration of inorganic ions in the reaction mixture is less than 0.05 mol / l.
Das letztgenannte Verfahren - in der Fachwelt häufig auch als /o-sifw-PoIymerisation bezeichnet - wird beispielsweise auch zur Herstellung von leitfähigen Schichten eingesetzt, beispielsweise zur Herstellung von Feststoffelektrolyten in Kondensatoren.The latter method - often referred to in the art as / o-sifw polymerization - is also used for example for the production of conductive layers, for example for the production of solid electrolytes in capacitors.
Bei dem oben genannten Substrat kann es sich im Rahmen der Erfindung beispielsweise um Glas, Dünstglas (flexibles Glas) oder entsprechend zu beschichtende Kunststoffe in Form von Formkör- peni oder Folien sowie um sonstige zu beschichtende Formkörper, beispielsweise Anoden vonIn the context of the invention, the abovementioned substrate may be, for example, glass, glass (flexible glass) or plastics to be coated in the form of shaped bodies or films and other shaped bodies to be coated, for example anodes of
Kondensatoren, handeln.Capacitors, act.
Die folgenden Beispiele dienen lediglich der beispielhaften Erläuterung der Erfindung und sind nicht als Beschränkung aufzufassen. Beispiele:The following examples are merely illustrative of the invention and are not intended to be limiting. Examples:
Vergleiehsbeispiel 1: Herstellung einer PBDT:PSS Dispersion mit Hilfe von Wasserstoffperoxid in Gegenwart eines Enzyms sowie anorganischer SalzeComparative Example 1: Preparation of a PBDT: PSS dispersion with the aid of hydrogen peroxide in the presence of an enzyme and inorganic salts
Das Vergleichsbeispiel wurde gemäß Rumbau et al, (Biomacromolecules, Bd. 8 (2), 2007, S. 315 -The comparative example was prepared according to Rumbau et al. (Biomacromolecules, Vol. 8 (2), 2007, p. 315).
317) hergestellt:317):
Eine Lösung des Natrium-Salzes der Polystyrolsulfonsäure (2,25 g; 11 mmol) in 200 g Wasser wurden mit Ethylendioxythiophen (EDT, Clevios M V2, H.C.Starck GmbH) (1,56 g, 11 mmol, 0,055 mol /L) gemischt und intensiv gerührt. Der pH-Wert wurde mit Hilfe von Salzsäure (3,0 g, 20%ige Lsg) auf einen pH- Wert von 2 eingestellt; 60 mg Meerettich-Peroxidase (HRP, EC 1.11.17 type II, Aldrich) wurden in 20 ml Wasser gelöst und zugesetzt. Anschließend wurden 1,24 g einer 30 % igen Wasserstoffperoxid Lösung (0,11 mmol, 0,055 mol/L) zugesetzt. Die Mischung wurde 16 Stunden (h) bei 4°C gerührt.A solution of the sodium salt of polystyrene sulfonic acid (2.25 g, 11 mmol) in 200 g of water was mixed with ethylenedioxythiophene (EDT, Clevios M V2, HCStarck GmbH) (1.56 g, 11 mmol, 0.055 mol / L) and intensely stirred. The pH was adjusted to pH 2 with hydrochloric acid (3.0 g, 20% sol.); 60 mg of horseradish peroxidase (HRP, EC 1.11.17 type II, Aldrich) were dissolved in 20 ml of water and added. Subsequently, 1.24 g of a 30% hydrogen peroxide solution (0.11 mmol, 0.055 mol / L) was added. The mixture was stirred at 4 ° C for 16 hours (h).
Die Mischung enthält somit Konzentrationen von 0,05 mol/L Natrium-Ionen und 0,07 mol/L CMo- rid Ionen.The mixture thus contains concentrations of 0.05 mol / L sodium ions and 0.07 mol / L CMO ions.
Nach 16 h wurde der Gehalt von EDT in der Polymerisationslösung mittels HPLC ermittelt. Es wurden 2,93 g/L EDT in der Mischung gefunden, was 42% der Ausgangskonzentration entspricht.After 16 hours, the content of EDT in the polymerization solution was determined by HPLC. 2.93 g / L EDT was found in the mixture, which corresponds to 42% of the starting concentration.
Bestimmung des Oberflächenwider Stands (OFW):Determination of Surface Resistance (OFW):
Ebenfalls nach 16 h wurde zur Bestimmung des Oberflächenwiderstands eine PET- Folie ozonisiert. Anschließend wurde mit einem 24 μm Rakel ein Film der oben beschriebenen Mischung hergestellt, und dieser Film wurde 5 Minuten (min) bei 1300C getrocknet. Der Oberflächenwiderstand wurde mit Hilfe eine 4 Punkt Messgerätes bestimmt und betrug 5,5 x 108 Ohm /Quadrat.Also after 16 h, a PET film was ozonized to determine the surface resistance. Subsequently, a film of the above-described mixture was prepared with a 24 μm doctor blade, and this film was dried at 130 ° C. for 5 minutes (min.). The surface resistance was determined using a 4 point meter and was 5.5 x 10 8 ohms / square.
Die oben genannte Mischung wurde bei Raumtemperatur 3 Tage stehengelassen; dann wurde diese Msichung erneut in der gleichen Weise wie oben beschrieben aufgerakelt und der Oberflächenwϊ- • derstand wurde wiederum bestimmt. Der OFW betrug nun 1 x 109 Ohm /Quadrat.The above mixture was allowed to stand at room temperature for 3 days; then this preparation was again doctored in the same manner as described above and the surface resistivity was again determined. The SAW was now 1 x 10 9 ohms / square.
Wie anhand der OFW- Werte gesehen werden kann, verändert sich dieser Wert über die Zeit, d.h. die entsprechenden Dispersionen sind nicht stabil. Beispiel 1 (erfind ungsgemäfi): Herstellung einer PEDT:PSS Dispersion mit Hilfe von Wasserstoffperoxid in Gegenwart eines Katalysators und in Abwesenheit von SalzenAs can be seen from the OFW values, this value changes over time, ie the corresponding dispersions are not stable. Example 1 (according to the invention): Preparation of a PEDT: PSS dispersion with the aid of hydrogen peroxide in the presence of a catalyst and in the absence of salts
Eine Lösung von Polystyrolsulfonsäure (2,0 g; 11 mmol) in 200 g Wasser wurde mit Ethylendio- xythiophcn (EDT, Clevios M V2, H.C.Starck GmbH) (0,8 g, 5,6 mmol) gemischt und intensiv gerührt. 60 mg Meerettich-Peroxidase (HRP, EC 1.11.17 type II, Aldrich) wurden in 20 ml Wasser gelöst und zugesetzt. Anschließend wurden 1,2 g einer 30 % igen Wasserstoffperoxid Lösung (10,5 mmol) zugesetzt. Nach 5 h wurden erneut 60 mg Meerettich Peroxydase (HRP, EC 1,11.17 type lϊ, Aldrich) in 20 mi Wasser gelöst und zugesetzt und es wurden weiterhin 0,1 g einer 30 % igen Was- serstoffperoxid Lösung (1,0 mmol) zugesetzt. Nach weiteren 2 h wurde erneut eine Lösung von 20 mg Meerettich Peroxydase (HRP3 EC 1.11.17 type II, Aldrich) in 7 ml Wasser gelöst und zugesetzt.A solution of polystyrenesulfonic acid (2.0 g, 11 mmol) in 200 g of water was mixed with ethylenedioxythiophene (EDT, Clevios M V2, HCStarck GmbH) (0.8 g, 5.6 mmol) and stirred vigorously. 60 mg of horseradish peroxidase (HRP, EC 1.11.17 type II, Aldrich) were dissolved in 20 ml of water and added. Then, 1.2 g of a 30% hydrogen peroxide solution (10.5 mmol) was added. After 5 h, 60 mg of horseradish peroxidase (HRP, EC 1.11.17 type lϊ, Aldrich) were again dissolved in 20 ml of water and added, and 0.1 g of a 30% strength hydrogen peroxide solution (1.0 mmol) was also added. added. After a further 2 h, a solution of 20 mg horseradish peroxidase (HRP 3 EC 1.11.17 type II, Aldrich) was redissolved in 7 ml of water and added.
Nach 17 h wurde der Gehalt von EDT in der Polymerisationslöung mittels HPLC ermittelt. Es wurden 1 ,5 g/L EDT in der Mischung gefunden, was 42% der Ausgangskonzentration entspricht.After 17 h, the content of EDT in the polymerization solution was determined by HPLC. It was found 1, 5 g / L EDT in the mixture, which corresponds to 42% of the initial concentration.
Nach 17 h wurde ebenfalls zur Bestimmung des OFW eine PET- Folie ozonisiert. Anschließend wurde mit einem 24 μm Rakel ein Film der oben beschriebenen Mischung hergestellt, und dieserAfter 17 h, a PET film was also ozonized to determine the SAW. Subsequently, a film of the above-described mixture was prepared with a 24 μm doctor blade and this
Film wurde 5 min bei 33O°C getrocknet. Der OFW wurde mit Hilfe eines 4 Punkt Messgerätes bestimmt und betrug 4 x 104 Ohm /Quadrat.Film was dried at 33 ° C. for 5 minutes. The OFW was determined by means of a 4-point measuring device and was 4 x 10 4 ohms / square.
Der Anionengehaϊt der Lösung wurde durch Ionenchromatograph ie bestimmt. Der Kationengehalt wurde durch ICP (Inductively coupled Plasma) Atomsprcktroskopie bestimmt:The anion content of the solution was determined by ion chromatography. Cation content was determined by ICP (Inductively Coupled Plasma) atomic spray microscopy:
Anionengehalt:anion:
Sulfat 0,43 mmol/L; Chlorid 0,14 mmol/L; Bromid 0,02 mmol/LSulfate 0.43 mmol / L; Chloride 0.14 mmol / L; Bromide 0.02 mmol / L
Kationengehalt:Cation content:
Al 0,01 mmol/L; Ca 0,03mmol/L, Fe 0,01 mmol/L, Na 1,47 mmol/LAl 0.01 mmol / L; Ca 0.03 mmol / L, Fe 0.01 mmol / L, Na 1.47 mmol / L
Gesamtgehalt: 2,11 mmol/L (= 0,00211 mol/L)Total content: 2.11 mmol / L (= 0.00211 mol / L)
Die oben genannte Mischung wurde bei Raumtemperatur 3 Tage stehengelassen; dann wurde dieseThe above mixture was allowed to stand at room temperature for 3 days; then this one became
Mischung erneut in der gleichen Weise wie oben beschrieben aufgerakelt und der OFW wurde wiederum bestimmt. Der OFW betrug nun 5,5 x 104 Ohm /Quadrat. Bestimmung der LeitfähigkeitBlend again in the same manner as described above, and the SAW was again determined. The OFW was now 5.5 x 10 4 ohms / square. Determination of conductivity
Ein gereinigtes Glassubstrat wurde auf eine Lackschleuder gelegt und 10 ml der oben genannten Lösung/Dispersion wurden 24 h nach Herstellung auf dem Substrat verteilt. Anschließend wurde die überstehende Lösung durch Rotation des Tellers abgeschleudert. Danach wurde das so be- schichtete Substrat 15 min lang bei 200 0C auf einer Heizplatte getrocknet. Die Schichtdicke betrugA cleaned glass substrate was placed on a spin coater and 10 ml of the above solution / dispersion were spread on the substrate 24 hours after preparation. Subsequently, the supernatant solution was spun off by rotation of the plate. Thereafter, the thus coated substrate was dried for 15 minutes at 200 ° C. on a hot plate. The layer thickness was
100 nm (Tencor, Alphastep 500).100 nm (Tencor, Alphastep 500).
Die Leitfähigkeit wurde bestimmt, indem über eine Schattenmaske Ag-Elektroden mit 2,5 cm Länge in einem Abstand von 10 mm aufgedampft werden. Der mit einem Elektrometer (Keithly 614) bestimmte Oberflächenwiderstand wurde mit derSchichtdicke multipliziert, um den elektrischen spezifischen Widerstand zu erhalten. Der spezifische Widerstand der Schicht lag bei 3,7 Ohm-cm.The conductivity was determined by evaporating over a shadow mask Ag electrodes 2.5 cm in length at a distance of 10 mm. The surface resistance determined with an electrometer (Keithly 614) was multiplied by the layer thickness to obtain the electrical resistivity. The resistivity of the layer was 3.7 ohm-cm.
Entsprechend lag die Leitfähigkeit bei 0,27 S/cm.Accordingly, the conductivity was 0.27 S / cm.
Beispiel 2 (erfindungsgeraäß): In-sϊtu Polymerisation von EDT mit Hilfe von Wasserstoffperoxid in Gegenwart eines Enzyms und in Abwesenheit von SalzenExample 2 (Invention): In-sϊtu polymerization of EDT with the aid of hydrogen peroxide in the presence of an enzyme and in the absence of salts
Ethylendioxythiophen (1,6 g, 11,2 mmol, Cievios M V2, H.C.Starck GmbH) und p-Toluol- sulfonsäure (1,06 g, 5,6 mmol) wurden in einer Mischung aus 10 g Wasser und 10 g Isopropanol gelöst. 120 mg Meerrettich Peroxidase (HRP, EC L I I .1.7 type II, Aldrich) wurde in 5 g Wasser gelöst und zugesetzt. Diese Mischung wurde auf 4°C gekühlt. Dann wurden 2,4 g einer 30%-igen Wasserstoffperoxid-Lösung zugesetzt und diese Mischung wurde 5 min gerührt.Ethylenedioxythiophene (1.6 g, 11.2 mmol, Cievios M V2, HCStarck GmbH) and p-toluenesulfonic acid (1.06 g, 5.6 mmol) were dissolved in a mixture of 10 g of water and 10 g of isopropanol , 120 mg of horseradish peroxidase (HRP, ECL I I .1.7 type II, Aldrich) was dissolved in 5 g of water and added. This mixture was cooled to 4 ° C. Then, 2.4 g of a 30% hydrogen peroxide solution was added, and this mixture was stirred for 5 minutes.
3 ml Probe wurden auf ein Glassubstrat mit einem 24 μm-Nassfüm-Rackel aufgerackelt. Die Probe wurde 4 h bei Raumtemperatur getrocknet. Anschließend wurde die Probe 30 min bei 100 0C getrocknet.3 ml of sample were tumbled onto a glass substrate with a 24 μm wet-foam rack. The sample was dried for 4 h at room temperature. Subsequently, the sample was dried at 100 ° C. for 30 minutes.
Mit Hilfe eines Vier-Punkt-Messgerätes wurde dann der OFW bestimmt: 700 kÖhm/Quadrat.With the help of a four-point measuring device the OFW was determined: 700 kΩ / square.
Beispiel 3 ferfindungsgemäfi): Verwendung einer mit Wasserstoffperoxid in Abwesenheit vonExample 3 according to the invention): use of one with hydrogen peroxide in the absence of
Salzen hergestellten PEDTrPSS Schicht als polymere Gegenelektrode in KondensatorenSalts produced PEDTrPSS layer as a polymeric counter electrode in capacitors
Herstellung einer TantalanodePreparation of a tantalum anode
Kondensatoranoden, wurden aus Tantalpuiver (Typ VFI-70KD, H.C.Starck GmbH) gefertigt und bei 20 V und 150 mA/g in einer H3PO4-Lösung mit der Leitfähigkeit 4300 μS bei 85 0C formiert, so dass sich auf der porösen Sinteranode eine elektrochemisch erzeugte Oxidschicht bildet.Capacitor anodes were made of tantalum powder (type VFI-70KD, HCStarck GmbH) and formed at 20 V and 150 mA / g in a H 3 PO 4 solution with the conductivity 4300 μS at 85 0 C, so that on the porous sintered anode forms an electrochemically generated oxide layer.
Anschließend wurden diese Anoden bei 85 0C in Wasser gewaschen und dann bei 85 0C 1 h lang im Ofen getrocknet. Die Anoden wurden zur Ermittlung der elektrischen Werte mittels des hier beschriebenen Prozesses mit einer Cievios-Polyrnerschicht beschichtet:Subsequently, these anodes were washed at 85 0 C in water and then dried at 85 0 C for 1 h in the oven. The anodes were coated with a Cievios polymer layer to determine the electrical values by the process described herein:
Ethylendioxythiophen (1,6 g, 11 mmol, H.C. Starck GmbH, Clevios M V2) wurde in 10 g Wasser und 10 g Isopropanol gelöst. Dann wurde p-Toluolsulfonsäure (1,06 g, 6 mmol, Aidrich) zugesetzt. Die Mischung wurde auf 4°C abgekühlt und gerührt. Eine Lösung von Meerrettich Peroxidase (120 mg, Peroxidase EORP, EC 1.11.1.7 type II, Aidrich) wurde in 5 g Wasser (5,0g) gelöst und zugesetzt und anschließend ] 0 min gerührt. Dann wurden 2,4 g einer 30%-igen Wasserstoffperoxid- Lösung zugesetzt und diese Mischung wurde 5 min gerührt Die Tantalanoden wurden in die so gefertigte Lösung 60 Sekunden lang getaucht und 15 min bei Raumtemperatur gelagert. Daraufhin wurden sie erneut für 60 Sekunden in die Polymerisationslösung getaucht und dann vier Stunden bei Raumtemperatur getrocknet Abschließend wurden die Kondensatoranoden für 30 min bei 1000C in einem Trockenschrank getrocknet. Um die Kondensa- toranoden elektrisch kontaktieren zu können, wurde eine Außenschicht, die aus einer leitfähigen Polymerdispersion auf Ethylendioxythiophen-Basis besteht, auf die Anode aufgebracht. Komplet- tiert wurde die äußere Kontaktierung zunächst mit einer Graphit- und dann mit einer Silberschicht.Ethylenedioxythiophene (1.6 g, 11 mmol, HC Starck GmbH, Clevios M V2) was dissolved in 10 g of water and 10 g of isopropanol. Then, p-toluenesulfonic acid (1.06 g, 6 mmol, Aidrich) was added. The mixture was cooled to 4 ° C and stirred. A solution of horseradish peroxidase (120 mg, peroxidase EORP, EC 1.11.1.7 type II, Aidrich) was dissolved in 5 g of water (5.0 g) and added followed by stirring for 0 min. Then, 2.4 g of a 30% hydrogen peroxide solution was added, and this mixture was stirred for 5 minutes. The tantalum anodes were immersed in the solution thus prepared for 60 seconds and stored at room temperature for 15 minutes. Thereafter, they were dipped in the polymerization solution again for 60 seconds and then dried at room temperature for four hours. Finally, the capacitor anodes were dried at 100 ° C. for 30 minutes in a drying oven. To be able to electrically contact the capacitor anodes, an outer layer consisting of an ethylene dioxythiophene-based conductive polymer dispersion was applied to the anode. The external contacting was completed first with a graphite layer and then with a silver layer.
Bestimmung der elektrischen Eigenschaften im KondensatorDetermination of electrical properties in the capacitor
Die Kapazität und der äquivalente Serienwiderstand (ESR) der Anoden wurden mit der in der Messtechnik verbreiteten Vierpunkt-Methode unter Einsatz eines LCR-Meters (Agilent 4284A) bestimmt, wobei die Kapazität bei 120 Hz und der ESR bei 100 kHz gemessen wurden Der MedianThe capacitance and equivalent series resistance (ESR) of the anodes were determined by the four-point technique used in metrology using an LCR meter (Agilent 4284A), measuring capacitance at 120 Hz and ESR at 100 kHz. The median
(aus neun Anoden) der Kapazität lag bei 13 μF; der Median (aus neun Anoden) des ESR wurde mit 702 mθ gemessen. (out of nine anodes) the capacitance was 13 μF; the median (out of nine anodes) of the ESR was measured to be 702 mθ.

Claims

Patentansprücheclaims
Verfahren zur Herstellung eines gegebenenfalls substituierten Polythiophens mit Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel in Gegenwart eines Katalysators oder Enzyms, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Konzentrationen anorganischer Ionen in der Reaktionsmischung weniger als 0,05 moi/L beträgt.Process for the preparation of an optionally substituted polythiophene with hydrogen peroxide as oxidant in the presence of a catalyst or enzyme, characterized in that the sum of the concentrations of inorganic ions in the reaction mixture is less than 0.05 moi / L.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gegebenenfalls substituiertes Polythiophen ein Polythiophen enthaltend wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (I)A process according to claim 1, characterized in that the optionally substituted polythiophene comprises a polythiophene containing repeating units of the general formula (I)
Figure imgf000017_0001
ist, wobei
Figure imgf000017_0001
is, where
R1 und R2 unabhängig voneinander jeweils für H, einen gegebenenfalls substituierten C1- Cjg-Alkylrest oder einen gegebenenfalls substituierten Cj-Qg-AIkoxyrest, oderR 1 and R 2 are each independently H, an optionally substituted C 1 -Cjg alkyl radical or an optionally substituted Cj-Qg alkoxy radical, or
R1 und R2 zusammen für einen gegebenenfalls substituierten d-Cg-AIkylenrest, worin ein oder mehrere C-Atom(e) durch ein oder mehrere gleiche oder unterschiedliche Heteroatome ausgewählt aus O oder S ersetzt sein können, einen gegebenenfalls substituierten CrCg-Oxythiaalkylenrest oder einen gegebenenfalls substituierten CrC8-DithiaalkyIenrest, oder für einen gegebenenfalls substituierten CrCg-Alkylidenrest, worin gegebenenfalls wenigstens ein C-Atom durch ein Heteroatom ausgewählt aus O oder S ersetzt sein kann, stehen.R 1 and R 2 together represent an optionally substituted d-Cg-alkylene radical in which one or more C-atoms may be replaced by one or more identical or different heteroatoms selected from O or S, an optionally substituted C r Cg- Oxythiaalkylenrest or an optionally substituted C r C 8 -DithiaalkyIrestrest, or an optionally substituted CrCg-Alkylidenrest, wherein optionally at least one C-atom may be replaced by a heteroatom selected from O or S.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das gegebenenfalls substituierte Polythiophen ein Polythiophen enthaltend wiederkehrende Einheiten der allgemeinen Formel (I-aaa)) und/oder der allgemeinen Formel (I-aba)
Figure imgf000018_0001
3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the optionally substituted polythiophene containing a polythiophene containing recurring units of the general formula (I-aaa)) and / or the general formula (I-aba)
Figure imgf000018_0001
(I-aaa), (I-aba)(I-aaa), (I-aba)
ist.is.
4. Verfahren gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisation in Gegenwart wenigstens eines Polyanϊons durchgeführt wird.4. The method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the polymerization is carried out in the presence of at least one Polyanϊons.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisation in Gegenwart eines Anions der Polystyrolsulfonsäure durchgeführt wird.5. The method according to claim 4, characterized in that the polymerization is carried out in the presence of an anion of polystyrene sulfonic acid.
6. Verfahren gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Enzym oder Katalysator Peroxidasen, prostethische Gruppen von Enzymen oder organische Komplexe von Metallionen verwendet werden.6. The method according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that are used as enzyme or catalyst peroxidases, prosthetic groups of enzymes or organic complexes of metal ions.
7. Dispersion oder Lösung hergestellt gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6.7. dispersion or solution prepared according to at least one of claims 1 to 6.
8. Leitfähige Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass diese Schicht eine Dispersion oder Lösung gemäß Anspruch 7 umfasst.8. Conductive layer, characterized in that this layer comprises a dispersion or solution according to claim 7.
9. Kondensator, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator als Feststoffelektoϊyt eine leitfähige Schicht gemäß Anspruch 8 umfasst. 9. capacitor, characterized in that the capacitor as Feststoffelektoϊyt comprises a conductive layer according to claim 8.
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