DE102004001865A1 - Nicht konjugierte polymere perarylierte Borane, deren Verwendung als organisch halbleitende Emitter und/oder Transportmaterialien, Verfahren zu deren Herstellung und Anwendungen davon - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft nicht konjugierte luminophore Verbindungen mit halbleitenden Eigenschaften sowie deren Herstellung und ihre Anwendung in organischen Leuchtdioden (OLEDs), organischen Solarzellen, organischen Photodetektoren und organischen Feldeffekttransistoren. Dabei handelt es sich um Co-polyarylborane des Typs K, die erst durch Anlegen eines geeigneten elektrischen Feldes und/oder durch Donorsubstitution des Arylsubstituenten R in einen Strukturtyp überführt werden, der sich wie ein konjugiertes Polymer verhält, DOLLAR F1 mit den im Anspruch 1 angegebenen Bedeutungen für die Symbole.
Description
- Die Erfindung betrifft luminophore Verbindungen mit halbleitenden Eigenschaften sowie deren Herstellung und ihre Anwendung in organischen Leuchtdioden (OLEDS), organischen Solarzellen, organischen Photodetektoren und organischen Feldeffekttransistoren.
- Bekannt sind sogenannte "small molecules" (also Einzelmoleküle mit luminophoren Eigenschaften für OLED-Anwendungen) mit perarylierten Boranstrukturen beispielsweise aus der Veröffentlichung von M. Kinoshita et al./"Boron containing materials for Blue/blue-violet Electroluminescence".
- Nachteilig an den small molecules ist, dass sie schlecht applizierbar sind, weil sich Einzelmoleküle als OLED-Schichten nicht durch spin coating oder andere Beschichtungsmethoden wie Druckprozesse herstellen lassen, sondern kostspielige Aufbringungsmethoden wie Aufdampfprozesse erfordern.
- Aufgabe der Erfindung ist es, neue organische, polymere halbleitende Emitter- und Transportmaterialien zu schaffen, die in organischen elektronischen und/oder mit halbleitenden Materialien ausgestatteten Geräten eingesetzt werden können und die präperativ gut zugänglich, insbesondere in Massenfertigungsprozessen verarbeitbar sind.
- Gegenstand der Erfindung sind Co-polyarylborane des Typs K, wobei Folgendes gilt:
x, y und z sind molare Teile von Komponenten und ergeben in Summe gleich 1, wobei zwei der Indizes x, y und z auch den Wert 0 haben können,
an den Enden sind Wasserstoff-Atome gebunden,
Arn steht für die jeweilige Arylenkomponente, -Ar1- und/oder -Ar2- und/oder -Ar3- im Copolymer,
dabei stehen Ar1 und Ar2 für Komponenten mit einer bivalent konjugativ verbindenden ein- oder mehrkernigen, aromatischen und/oder heteroaromatischen Arylenstruktur, wobei Ar1 für eine Komponente steht, deren n-Elektronendichte gleich oder größer als die von Benzol ist und Ar2 für eine Komponente, die lochtransportfähig ist,
Ar3 steht für eine Komponente mit einer beliebigen bivalent konjugativ verbindenden ein- oder mehrkernigen heteroaromatischen Arylenstruktur geringer n-Elektronendichte, die gleich oder kleiner als die des Benzols ist,
wobei die π-Elektronendichte von Ar3 in jedem Fall kleiner als die von Ar1 ist,
und
R steht für einen Rest mit Arylstruktur, der je nach beabsichtigter Konjugation des Polyborans K einen heteroaromatischen und/oder einen (homo)-aromatischen Arylrest umfasst,
– der donorfrei ist, wobei eine Konjugation im Polyboran K durch Anlegen eines elektrischen Feldes ausgebildet werden kann, und/oder
– bei dem mindestens eine zusätzliche Donorfunktion substituiert ist (intrinsische Konjugationsausbildung) und/oder
– dessen Wasserstoffatome auch beliebig durch einen oder mehrere verzweigte oder unverzweigte Alkylreste oder Alkoxyreste R*, substituiert sein können. - Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Co-polyarylborane des Typs K nach dem allgemeinen Herstellungsschema Reaktionsschema: wobei von den Arenen A bis C bzw. von den bromsubstituierten Arylenstrukturen A* bis C* ausgegangen wird, diese werden entweder durch eine Grignardreaktion (D* bis F*) oder durch Lithiierung (D bis F) umgepolt (siehe Schema). Darauffolgend können zwei grundsätzliche Reaktionswege zur Bildung der Copolyborane K genutzt werden. Entweder werden die metallierten Verbindungen mittels Bortrifluorid G in Fluoro-co-polyboranprodukte H überführt und diese ohne Aufarbeitung wiederum mittels eines Grignard-reagenzes I oder eines lithiierten Reagenzes I* (siehe Schema) zu Co-polyboranen K in thermodynamisch getriebenen Substitutionsreationen unter Bildung von Alkali- bzw. Erdalkalibromiden umgesetzt oder die metallierten Verbindungen werden in einem Schritt mittels einer Arylborverbindung G* direkt zu den Co-polyboranen K umgesetzt, wobei Y (siehe Schema) für zwei Halogenid-, zwei Alkoxy- oder eine Dioxyalkylen-struktur (mit 1 bis 3 C-Atomen) steht.
- Schließlich ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung der Co-polyarylborane des Typs K in organischen halbleitenden Elementen wie Leuchtdioden und/oder Leuchtdiodendisplays, je nach ihrer Zusammensetzung,
- – als emittierende Schicht in verschiedenen Farben und weiss,
- – als Elektronen transportierende Schicht und/oder
- – als Löcher blockierende Schicht
- – und/oder mit einem Überschuß an Komponenten des Typs Ar2
- Gegenstand der Erfindung ist darüber hinaus auch die Verwendung der Co-polyarylborane K als Blends von Einzelkomponentenpolymeren, also für den Fall, dass zwei der Verhältnisvariablen x, y und/oder z (Strukturformel Typ K) den Wert Null haben.
- Ausserdem ist noch die Verwendung der polymeren Einzelkomponenten als Material für eine elektrolumineszierende Schicht und/oder organische Halbleiterschicht also Elektronen transportierend, Löcher blockierend oder Löcher transportierend Gegenstand der Erfindung.
- Arn steht für die jeweilige Arylenkomponente, -Ar1- und/oder -Ar2- und/oder -Ar3- im Copolymer,
bevorzugt eine, bei der die Umgebung des Boratoms abgeschirmt ist, insbesondere dadurch, dass eine oder beide ortho-Stellungen der Bor-Kohlenstoff-Bindungen der jeweiligen Arylenkomponenten Arn und der Arylsubstituenten R beispielsweise mit Methylsubstituenten ausgestattet sind, wie beispielweise bei den bis-o,o'-dimethyl-substituierten Arylen- Arn oder Arylkomponenten R mit Durolderivaten als Substituenten, wobei die Löslichkeit aller Einzelkomponenten in organischen Lösungsmitteln durch beliebige Anordnung einer oder mehrerer unverzweigter und/oder verzweigter Alkyl- oder Akloxysubstituenten verbessert sein kann;
dabei hat Ar1 eine Arylenstruktur, bevorzugt die 2,7-Fluorenylenstruktur, die in 9-Position leicht durch unverzweigte und/oder verzweigte Alkylreste, insbesondere bevorzugt mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, substituiert werden kann, wobei unter dem Begriff Arylenstruktur eine beliebige bivalent konjugativ verbindende ein- oder mehrkernige aromatische oder heteroaromatische Struktur verstanden wird, deren π-Elektronendichte gleich oder größer als die von Benzol ist, wie beispielsweise in Tabelle 1 Ar1(a-h) angegeben, Tabelle 1 deren Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln durch zusätzliche und beliebige Anordnung von einem oder mehreren, unverzweigten und/oder verzweigten, bevorzugt orthoständig zum Boratom angeordneten Alkylsubstituenten und/oder Alkoxysubstituenten, mit insbesondere bevorzugt mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen R* verbessert werden kann;
Ar2 hat eine lochtransportfähige Arylenstruktur, wobei unter dem Begriff lochtransportfähige Arylenstruktur eine beliebige bivalent konjugativ verbindende ein- oder mehrkernige aromatische und/oder heteroaromatische Struktur verstanden wird, die über zusätzliche konjugativ verknüpfte perarylierte Aminsubstituenten verfügt, wie beispielsweise in Tabelle 2 Ar2(a-f) angegeben ist, Tabelle 2 wobei die Substituenten R2, R3 und R4 Arylsubstituenten sind, bevorzugt Phenyl, 1-Naphthyl, 2-Naphthyl, deren Löslichkeit durch zusätzliche und beliebige Anordnung von einem oder mehreren unverzweigten und/oder verzweigten, bevorzugt orthoständig zum Boratom angeordneten Alkylsubstituenten und/oder Alkoxysubstituenten, insbesondere bevorzugt mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, in organischen Lösungsmitteln verbessert werden kann, dabei sind die Bedeutungen der Substituenten Rn mit gleichem Index n identisch und/oder die Bedeutung der Substituenten R1 gleichbedeutend mit der Substituentenauswahl für die Arylenkomponente Ar1, bevorzugt 9,9-Dialkyl-2,7-fluorenylen Ar1(c)-Typ oder 3,6-Durylen Ar1(a)-TYP;
für Ar2(b) gilt außerdem, dass X gleich N oder C-R4 ist;
Ar3 hat eine Arylenstruktur mit geringer n-Elektronendichte, wobei unter dem Begriff Arylenstruktur mit geringer n-Elektronendichte eine beliebige bivalent konjugativ verbindende ein- oder mehrkernige heteroaromatische Struktur verstanden wird, deren π-Elektronendichte gleich oder kleiner als die des Benzols ist, wie beispielsweise in Tabelle 3 Ar3(a-m) angegeben ist, Tabelle 3 deren Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln durch zusätzliche beliebige Anordnung von einem oder mehreren, unverzweigten und/oder verzweigten, bevorzugt orthoständig zum Boratom angeordneten Alkylsubstituenten und/oder Alkoxysubstituenten, insbesondere mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen R* verbessert werden kann; die Bedeutung der Substituenten R1 ist hierbei gleichbedeutend mit der Substituentenauswahl für die Arylenkomponente Ar1, bevorzugt 9,9-Dialkyl-2,7-fluorenylen Ar1(c)-Typ oder 3,6-Durylen Ar1(a)-Typ;
wobei die π-Elektronendichte von Ar3 in jedem Fall kleiner als die von Ar1 ist,
und
R steht für einen Rest mit Arylstruktur, der je nach beabsichtigter Konjugation des Polyborans K einen heteroaromatischen und/oder einen (homo)-aromatischen Arylrest umfasst, der - – [R(a1-a5)] donorfrei ist, wobei eine Konjugation im Polyboran K durch Anlegen eines elektrischen Feldes ausgebildet werden kann, und/oder
- – [R(b-e)] bei dem mindestens eine zusätzliche Donorfunktion substituiert ist (intrinsische Konjugationsausbildung) und/oder
- – dessen Wasserstoffatome auch beliebig durch einen oder mehrere verzweigte oder unverzweigte Alkylreste oder Alkoxyreste R*, bevorzugt mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, substituiert sein können; R kann in dem Polyboran K im Falle einer intrinsischen Konjugationsausbildung außerdem auch ein N-Carbazoyl-rest R(f) sein.
- Bevorzugte Arylstrukturen für R sind in Tabelle 4 R(a-f) angegeben: Tabelle 4: x, y und z (Strukturformel Typ R) sind die Verhältniszahlen, die angeben, in welchen Verhältnissen zueinander die polymeren Einzelkomponenten co-polymerisiert werden. Die polymeren Einzelkomponenten können auch jeweils allein als Material für eine elektrolumineszierende Schicht und/oder organische Halbleiterschicht (Elektronen transportierend, Löcher blockierend oder Löcher transportierend) genutzt werden.
- Ar1 hat eine Arylenstruktur und ist die Arylenkomponente eines bevorzugten Polymermaterials, die als Einzelkomponentenpolyboran im blau bis grünen Spektralbereich emittiert und durch das trivalente, sp2-hybridisierte Bor mit vakantem p-Orbital sehr gute Elektronentransporteigenschaften besitzt; außerdem hat Ar1 bevorzugt Substituenten, welche in der Lage sind dem zu bildenden Polymer Löslichkeit zu verleihen.
- Ar2 ist die Arylenkomponente eines weiteren bevorzugten Polymermaterials zur optimalen Einstellung der Lochtransporteigenschaften und zur längerwelligen Emissionskorrektur des Copolymers für die Weissabstimmung und
- Ar3 ist die Arylenkomponente eines weiteren bevorzugten Polymermaterials, das, durch seine geringere n-Elektronendichte blau emittiert und außerdem zum kürzerwelligen Farbabgleich der Emission des Copolymers dient, z.B. zur Einstellung des Weißpunktes. Darüber hinaus enthält das Polymermaterial substituierte Arylengruppierungen, vor allem des Typs R1, zur Verbesserung der Löslichkeit.
- Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit Co-polyborane zu synthetisieren die nicht nur aus jeweils einer der Arylenkomponenten Ar1 und/oder Ar2 und/oder Ar3 bestehen, sondern, es können auch jeweils mehrere Arylenkomponenten der drei Strukturtypen mit einer und/oder mehreren Arylborverbindungen des Typs G* copolymerisiert werden.
- Allgemeine Beschreibung des Syntheseweges:
- Ausgehend von den Ausgangssynthons, den Arylenen A, B und C bzw. den Dibromarylenderivaten A*, B* und C*, werden Lithiierungsreaktionen mittels Buthyllithium in Tetrahydrofuran bei –78°C und Grignardreaktionen mit Magnesium in Tetrahydrofuran bei 65°C durchgeführt. Die lithiierten Produkte D, E und F werden dann einzeln oder in beliebigen gewünschten Verhältnissen in zuerst bei Raumtemperatur und später in der Siedehitze des THF mit Bortrifuoridetherat G so umgesetzt, daß die molare Summe der lithiierten Komponenten der molaren Menge des Borhalogenids entspricht. Dabei führt die Reaktion der bifunktionellen lithiierten Komponenten nur zu einem linearen Co-Polyfluorarylenboran H. Co-Polyfluorarylenborane H erhält man ebenfalls, wenn man Die Grignardprodukte D*, E* und F* einzeln oder in beliebigen gewünschten Verhältnissen in der Siedehitze des THF mit Bortrifuoridetherat G so umgesetzt, daß die molare Summe der Grignardkomponenten der molaren Menge des Borhalogenids entspricht. Dabei führt die Reaktion der bifunktionellen Grignardkomponenten ebenfalls nur zu einem linearen Co-Polyfluorarylenboran H.
- Danach synthetisiert man in Analogie zu den bifunktionellen metallierten Verbindungen eine weitere monofunktionelle Grignardkomponente I bzw. lithiierte Komponente I*, die man nach Austausch des Lösungsmittel THF durch Toluol (nun in der Siedehitze des Toluols) im molaren Verhältnis dem zuvor synthetisieren Co-Polyfluorarylenboran H zutropft. Nach 5-stündigem Sieden bei ca. 120°C führt dies zur Substitution des restlichen Fluors durch den Arylrest der Grignardkomponente I unter Bildung eines Co-Polyarylboranderivats K.
- Eine weitere Möglichkeit die Co-Polyarylboranderivate K darzustellen bietet sich durch die Substitutionsreaktion aus den lithiierten Verbindungen A, B und C bzw. aus den Grignardverbindungen A*, B* und C* und den Arylborsäureestern bzw. Arylborhalogeniden G* in stöchiometrischen Verhältnissen. Die Reaktionen werden in THF bei Raumtemperatur beginnend gestartet und innerhalb von 2 Stunden auf Siedetemperatur erhöht, danach wird das Lösungsmittel Tetrahydrofuran durch Toluol destillativ gewechselt und zur Vervollständigung der Reaktion für weitere 4 bis 6 Stunden am Rückfluß erhitzt.
- Die Aufarbeitung der Co-polyarylenborane K, die nach einem der beiden gezeigten Synthesewegen synthetisiert wurden, erfolgt durch Extraktion der Salze in Wasser und mehrmaliges Fällen der jeweils auf konzentrierten Polymerlösung in Methanol, wodurch Co-polyarylenborane K aufgrund ihrer Komponentenverhältnisse maßgeschneiderte elektrische und optische Eigenschaften besitzen.
- Die Erfindung betrifft nicht konjugierte luminophore Verbindungen mit halbleitenden Eigenschaften sowie deren Herstellung und ihre Anwendung in organischen Leuchtdioden (OLEDS), organischen Solarzellen, organischen Photodetektoren und organischen Feldeffekttransistoren. Dabei handelt es sich um Co-polyarylborane des Typs R, die erst durch Anlegen eines geeigneten elektrischen Feldes und/oder durch Donorsubstitution des Arylsubstituenten R in einen Strukturtyp überführt werden, der sich wie ein konjugiertes Polymer verhält, mit den im Anspruch 1 angegebenen Bedeutungen für die Symbole.
- Ausführungsbeispiele:
- Synthese der Dibrom-arylene A
- Darstellung von 9,9-Dialkyl-2,7-dibromfluorenen
- 0,1 mol 2,7-Dibromfluoren werden in DMSO unter Stickstoffatmosphäre bei ca. 50°C unter ständigem Rühren gelöst. Das gelöste 2,7-Dibromfluoren wird mit 0,25 mol Kalium-tert.-butylat versetzt, woraufhin sich das Reaktionsgemisch dunkelrot färbt. Nach 5 Minuten werden 0,25 mol Alkylbromid R-Br (mit R = Heptyl, Decyl oder 2-Ethylhexyl) zugegeben; die Reaktion läuft bei Raumtemperatur über Nacht und ist zu Ende, wenn ein Farbumschlag von rot nach hellgelb eintritt.
-
- a) Fp mit R = Heptyl: °C
- b) Fp mit R = Decyl: °C
- c) Fp mit R = 2-Ethylhexyl: °C
- Synthese der Dibrom-arylene B/Aufbau der Strukturen Ar2(a)
- 1. Dialkylierung von 2-Bromfluoren
- 0,1 mol 2-Bromfluoren werden in DMSO unter Stickstoffatmosphäre bei ca. 50°C unter ständigem Rühren gelöst. Das gelöste 2-Bromfluoren wird mit 0,25 mol Kalium-tert.-butylat versetzt, woraufhin sich das Reaktionsgemisch dunkelrot färbt. Nach 5 Minuten werden 0,25 mol Alkylbromid R-Br (mit R = Heptyl, Decyl oder 2-Ethylhexyl) zugegeben; die Reaktion läuft bei Raumtemperatur über Nacht und ist zu Ende, wenn ein Farbumschlag von rot nach hellgelb eintritt.
-
- a) Fp mit R = Heptyl: °C
- b) Fp mit R = Decyl: °C
- c) Fp mit R = 2-Ethylhexyl: °C
- 2. Chloracetylierung von 9,9-Dialkyl-2-bromfluorenen
- 0,1 mol 9,9-Diheptyl-2-bromfluoren werden in Methylenchlorid vorgelegt und mit flüssigem Stickstoff auf –15°C gekühlt. Bei –15°C werden 0,15 mol Chloracetylchlorid und daraufhin 0,3 mol Aluminiumchlorid langsam zugegeben. Die Reaktion wird nun über Nacht (mindestens 12h) gerührt.
-
- a) Fp mit R = Heptyl: °C)
- b) Fp mit R = Decyl: °C)
- c) Fp mit R = 2-Ethylhexyl: °C)
- 3. Synthese arylierter Carbonsäureamide
- In einem 2 l-Dreihalskolben mit Rückflusskühler, Magnetrührer, Tropftrichter und Inertgasdurchfluss wird jeweils 1 mol eines sekundären Diarylamins in 600 ml Dioxan gelöst. Das jeweils benötigte Carbonsäurehalogenid wird danach in äquivalenter Menge zugetropft. Anschließend wird das Reaktionsgemisch unter Rückfluss erhitzt, bis die gesamte Menge des bei der Reaktion entstehenden Hydrohalogenids vom Inertgasstrom entfernt worden ist. Durch dünnschichtchromatographische Kontrolle kann das Ende der Reaktion zusätzlich detektiert werden. Die Reaktionslösung wird dann abgekühlt und in mindestens die 2-fache Menge Wasser eingerührt. Dabei scheidet sich in den meisten Fällen ein Öl ab, welches nach einigen Stunden erstarrt ist. Die wässrige Phase wird abgetrennt und das Rohprodukt aus Ethanol umkristallisiert. Die Ausbeute beträgt jeweils mindestens 90%. Beispiel 4:
- a) Auf diese Art wird beispielsweise 2-Phenylessigsäurephenyl-1-naphthylamid (Fp.:85–88°C) aus Phenyl-1-naphthylamin und 2-Phenylacetylchlorid hergestellt.
- b) Auf diese Art wird beispielsweise 2-Phenylessigsäurediphenylamid (Fp.: 71–72°C) aus Diphenylamin und 2-Phenylacetylchlorid hergestellt.
- 4. Synthese arylierter Thiocarbonsäureamide
- 0,5 mol des jeweiligen arylierten Carbonsäureamids und die äquivalente Menge Lawesson-Reagenz (hergestellt aus Anisol und Phosphorpentasulfid) werden in einer Rückflussapparatur mit Inertgasdurchfluss in 750 ml Diglykoldiethylether suspendiert, und dann wird 6 h bei 100°C gerührt. Dabei bildet sich eine klare Lösung, aus der in der Kälte in einigen Fällen das Reaktionsprodukt auskristallisiert. Um das Produkt vollständig zu isolieren, wird die Reaktionsmischung in die doppelte Menge Wasser eingerührt, die sich oft bildende ölige Phase lässt man dann kristallisieren. Danach wird das Produkt von der wässrigen Phase abgetrennt und aus Methanol umkristallisiert. Die Ausbeute beträgt jeweils mindestens 90%. Beispiel 5:
- a) Auf diese Art wird beispielsweise 2-Phenylthioessigsäurephenyl-1-naphthylamid (Fp.:100–103°C) aus 2-Phenylessig-säurephenyl-1-naphthylamid und dem Lawesson-Reagenz hergestellt.
- b) Auf diese Art wird beispielsweise 2-Phenylthioessigsäurediphenyl-amid (Fp.: 142–144°C) aus 2-Phenylessigsäurediphenylamid und dem Lawesson-Reagenz hergestellt.
- 5. Darstellung arylierter 2-Aminothiophenderivate
- 0,1 mol Haloacylarylderivat werden mit 0,1 mol 2-Phenylthioessigsäurediarylamid in Tetrahydrofuran vorgelegt und 30 Minuten unter Stickstoffatmosphäre refluxiert. Nach 30 Minuten werden 0,1 mol Trimethylamin zugegeben und nochmals 30 Minuten refluxiert. Das Produkt wird in Form gelb bis brauner Kristalle in Methanol gefällt. Beispiel 6:
- a) Auf diese Art wird beispielsweise 2-(Phenyl-1-naphthylamino)-3-phenyl-4-p-bromphenylthiophen (Fp.:–°C) aus 2-Phenylthioessigsäurephenyl-1-naphthylamid und p-Brom-phenacylbromid hergestellt.
- b) Auf diese Art wird beispielsweise 2-(Phenyl-1-naphthylamino)-3-phenyl-4-(7-brom-9,9-dialkyl-fluoren-2-yl-thiophen mit R = Heptyl (Fp.:–°C) aus 2-Phenylthioessig-säurephenyl-1-naphthylamid und 2-Chloracetyl-7-brom-9,9-diheptyl-fluoren hergestellt.
- 6. Darstellung von Dibromarylenderivaten mit Lochtransporteigenschaften durch Oxydation der 2-Aminothiophenderivate
- 0,1 mol 2-Aminothiophenderivat werden mit 0,5 mol FeCl3 in Methylenchlorid vorgelegt und einen Tag gerührt. Das Produkt wird mit Wasser und 0,1 mol Triethylamin versetzt und das organische Lösungsmittel abdestilliert. Das Produkt fällt nun in Form von gelb bis braunen Kristallen in der zurückbleibenden Wasserphase aus. Beispiel 7:
- a) Auf diese Art wird beispielsweise Bis-[2-(Phenyl-1-naphthylamino)-3-phenyl-4-(7-brom-9,9-dialkyl-fluoren-2-yl]-5,5'-thienyl (Fp mit R = Heptyl: °C) aus 2-(Phenyl-1-naphthylamino)-3-phenyl-4-(7-brom-9,9-diheptyl-fluoren-2-yl-thiophen und Eisen-III-chlorid hergestellt.
- b) Auf diese Art wird beispielsweise Bis-[2-(Phenyl-1-naphthylamino)-3-phenyl-4-(4-bromphenyl)]-5,5'-thienyl (Fp.:–°C) aus 2-(Phenyl-1-naphthylamino)-3-phenyl-4-(4-bromphenyl)-thiophen und Eisen-III-chlorid hergestellt.
- Synthese der Dibrom-arylene B/Aufbau der Strukturen Ar2(b)
- 1. Synthese arylierter Biscarbonsäureamide
- In einem 2 l-Dreihalskolben mit Rückflusskühler, Magnetrührer, Tropftrichter und Inertgasdurchfluss wird jeweils 1 mol eines sekundären arylierten Bisamins in 600 ml Dioxan gelöst. Das jeweils benötigte Carbonsäurehalogenid wird danach in äquivalenter Menge zugetropft. Anschließend wird das Reaktionsgemisch unter Rückfluss erhitzt, bis die gesamte Menge des bei der Reaktion entstehenden Hydrohalogenids vom Inertgasstrom entfernt worden ist. Durch dünnschichtchromatographische Kontrolle kann das Ende der Reaktion zusätzlich detektiert werden. Die Reaktionslösung wird dann abgekühlt und in mindestens die 2-fache Menge Wasser eingerührt. Dabei scheidet sich in den meisten Fällen ein Öl ab, welches nach einigen Stunden erstarrt ist. Die wässrige Phase wird abgetrennt und das Rohprodukt aus Ethanol umkristallisiert. Die Ausbeute beträgt jeweils mindestens 90%. Beispiel 8:
- Auf diese Art wird beispielsweise N,N'-Di(2-phenylacetyl)-N,N'-diphenyl-phenylen-1,4-diamin (Fp.: 190°C) aus N,N'Diphenyl-p-phenylendiamin und 2-Phenylacetylchlorid hergestellt.
- 2. Synthese arylierter Bisthiocarbonsäureamide
- 0,5 mol des jeweiligen arylierten Biscarbonsäureamids und die äquivalente Menge Lawesson-Reagenz (hergestellt aus Anisol und Phosphorpentasulfid) werden in einer Rückflussapparatur mit Inertgasdurchfluss in 750 ml Diglykoldiethylether suspendiert, und dann wird 6 h bei 100°C gerührt. Dabei bildet sich eine klare Lösung, aus der in der Kälte in einigen Fällen das Reaktionsprodukt auskristallisiert. Um das Produkt vollständig zu isolieren, wird die Reaktionsmischung in die doppelte Menge Wasser eingerührt, die sich oft bildende ölige Phase lässt man dann kristallisieren. Danach wird das Produkt von der wässrigen Phase abgetrennt und aus Methanol umkristallisiert. Die Ausbeute beträgt jeweils mindestens 90%. Beispiel 9:
- Auf diese Art wird beispielsweise N,N'-Di(2-phenylthioacetyl)-N,N'-diphenyl-phenylen-1,4-diamin (Fp.: 224–227°C) aus N,N'-Di(2-phenylacetyl)-N,N'-diphenyl-phenylen-1,4-diamin und dem Lawesson-Reagenz hergestellt.
- 3. Darstellung arylierter Bis-2-aminothiophenderivate
- 0,2 mol Haloacylarylderivat werden mit 0,1 mol N,N'-Di(2-phenylthio-acetyl)-N,N'-diphenyl-phenylen-1,4-diamin in Tetrahydrofuran vorgelegt und 30 Minuten unter Stickstoffatmosphäre refluxiert. Nach 30 Minuten werden 0,2 mol Trimethylamin zugegeben und nochmals 30 Minuten refluxiert. Das Produkt wird in Form hellgelber Kristalle in Methanol gefällt. Beispiel 10:
- Auf diese Art wird beispielsweise N,N'-Diphenyl-N,N'-dithien-3,4-diphenyl-2-yl-phenylen-1,4-diamin (Fp.:266–268°C) aus N,N'-Di(2-phenylthio-acetyl)-N,N'-diphenyl-phenylen-1,4-diamin und Phenacylbromid hergestellt.
- 4. Darstellung von Dibromarylenderivaten mit Lochtransporteigenschaften durch Bromierung arylierter Bis-2-aminothiophenderivate
- 0,01 mol eines arylierten Bis-2-aminothiophenderivats wird in 100 ml Chloroform und 100 ml Eisessig gelöst vorgelegt und tropfenweise mit 0,02 mol Brom versetzt. Man lässt über Nacht Rühren und gießt danach die Reaktionsmischung auf das doppel te Volumen Wasser. Die Chloroformphase wird 3-mal mit Wasser ausgeschüttelt und schließlich abgetrennt. Nun wird das Chloroform am Rotationsverdampfer vollständig abdestilliert, der Rückstand in wenig THF gelöst und unter Rühren in Ethanol getropft, wobei das Produkt in Form hellgelber Kristalle ausfällt. Beispiel 11:
- Auf diese Art wird beispielsweise N,N'-Diphenyl-N,N'-dithien-3,4-diphenyl-5-Brom-2-yl-phenylen-1,4-diamin (Fp.: –°C) aus N,N'-Diphenyl-N,N'-dithien-3,9-diphenyl-2-yl-phenylen-1,4-diamin und Brom hergestellt.
- Synthese der Dibrom-arylene B/Aufbau der Strukturen Ar2(c)
- 1. Darstellung von 2,2'-Diamino-4,4'-bisthienylarylenen
- 0,1 mol Bis-(haloacyl)-arylenderivat werden mit 0,2 mol 2-Aryl-thioessigsäurediarylamid in Tetrahydrofuran vorgelegt und 30 Minuten unter Stickstoffatmosphäre refluxiert. Nach 30 Minuten werden 0,2 mol Trimethylamin zugegeben und nochmals 30 Minuten refluxiert. Das Produkt wird in Form farbloser Kristalle in Methanol gefällt. Beispiel 12:
- Auf diese Art wird beispielsweise 2,2'-Diphenylamino-3,3'-diphenyl-4,4'-bisthienyl-p-phenylen (Fp.: 232–235°C) aus 2- Phenyl-thioessigsäurediphenylamid und Bis-ω-Bromacetyl-p-phenylen hergestellt.
- 2. Darstellung von Dibrom-arylenderivaten mit Lochtransporteigenschaften durch Bromierung von 2,2'-Diamino-4,4'-bisthienylarylenen
- 0,01 mol eines 2,2'-Diarylamino-3,3'-diaryl-4,4'-bisthienylarylen wird in 100 ml Chloroform und 100 ml Eisessig gelöst vorgelegt und tropfenweise mit 0,02 mol Brom versetzt. Man lässt über Nacht Rühren und gießt danach die Reaktionsmischung auf das doppelte Volumen Wasser. Die Chloroformphase wird 3-mal mit Wasser ausgeschüttelt und schließlich abgetrennt. Nun wird das Chloroform am Rotationsverdampfer vollständig abdestilliert, der Rückstand in wenig THF gelöst und unter Rühren in Ethanol getropft, wobei das Produkt in Form hellgelber Kristalle ausfällt. Beispiel 13:
- Auf diese Art wird beispielsweise 2,2'-Diphenylamino-3,3'-diphenyl-5,5'-dibrom-4,4'-bisthienyl-p-phenylen (Fp.: –°C) aus 2,2'-Diphenylamino-3,3'-diphenyl-4,4'-bisthienyl-p-phenylen und Brom hergestellt.
- Synthese der Dibrom-arylene C
- 1. Acetylierung von 9,9-Dialkyl-2-bromfluorenen (Beispiel 2)
- 0.25 mol AlCl3 werden in 100 ml Dichlorethan vorgelegt und auf 0°C gekühlt. Daraufhin werden 0.1 mol Acetanhydrid langsam zugetropft, so dass die Temperatur von 0–5°C nicht überschritten wird. 0.1 mol 9,9-Dialkyl-2-bromfluoren werden in 100 ml Dichlorethan gelöst und ebenfalls langsam zugetropft, wobei die Temperatur nicht über 15°C steigen sollte.
- Nun wird solange refluxiert, bis das 9,9-Dialkyl-2-bromfluoren komplett acyliert ist (DC-Kontrolle). Das Produkt wird in Eiswasser gegossen, danach zweimal mit Wasser gewaschen und die Dichlorethanphase abgetrennt. Das Dichlorethan wird am Rotationsverdampfer abdestilliert. Schließlich fällt man das Produkt mit Methanol. Beispiel 14:
- Auf diese Art wird beispielsweise 9,9-Diheptyl-2-acetyl-7-bromfluoren (Fp.: –°C) aus 9,9-Diheptyl-2-bromfluoren und Acetanhydrid hergestellt.
- 2. Darstellung von Pyryliumsalzen
-
- Auf diese Art wird beispielsweise 4-(p-Tolyl)-2,6-di-(9,9-diheptyl-7-brom-fluoren-2-yl-pyrylium-tetrafluoroborat (Fp.: –°C) aus 9,9-Di-heptyl-2-acetyl-7-bromfluoren und p-Tolualdehyd hergestellt.
- 3. Darstellung von Dibrom-arylenderivaten mit Pyridin als Akzeptorstruktur
- 0,01 mol eines 4-Aryl-2,6-di-(bromaryl)-pyrylium-tetrafluoroborats wird in einem Becherglas in 300 ml Methylenchlorid gelöst. Nach Zusatz von 100 ml Ammoniumhyroxidlösung (25%) wird die Reaktionsmischung stark gerührt, bis sich ein Farbumschlag in der Methylenchloridphase von rot nach gelb vollzogen hat. Die Methylenchloridphase wird abgetrennt. Am Rotationsverdampfer wird dann das Methylenchlorid abdestilliert, der Rückstand in wenig THF gelöst und schließlich unter Rühren in Methanol gefällt. Beispiel 16:
- Auf diese Art wird beispielsweise 4-(p-Tolyl)-2,6-di-(9,9-diheptyl-7-brom-fluoren-2-yl-pyridin (Fp.: –°C) aus 4-(p-Tolyl)-2,6-di-(9,9-diheptyl-7-brom-fluoren-2-yl-pyryliumtetrafluoroborat und Ammoniak hergestellt.
- Synthese der Grignardverbindungen D, E und F
- 0,25 mol frisch geätzte Magnesiumspäne werden unter Argonatmosphäre in trockenem Ether vorgelegt. Unter Rühren und Refluxieren werden 0,1 mol hochgereinigte und getrocknete Dibrom-arylenkomponente (A, B oder C) gelöst in 300 ml THF so zugetropft, daß die Reaktionsmischung nach dem Reaktionsstart beim Sieden gehalten wird. Die Reaktion wird über Nacht fortgesetzt. Die Synthese der benötigten Grignardverbindungen sollte möglichst parallel durchgeführt werden, so daß sie am nächsten Tag zur Verfügung stehen. Beispiel 17:
- Auf diese Art wird beispielsweise 9,9-Diheptyl-2,7-fluorenylen-magnesiumbromid aus 9,9-Diheptyl-2,7-dibromfluoren und Magnesium hergestellt.
- Synthese der linearen Co-polyfluorarylenborane H
- Die gewünschten Anteile der vorbereiteten Grignardverbindungen (D, E und F) gelöst in THF werden unter Argon und Feuch tigkeitsausschluß in einen Kolben überführt, der mit Tropftrichter, Rückflußkühler, Rührer und Argonatmosphäre ausgestattet ist. Über ein Septum wird Bortrifuoridetherat entsprechend der Summe der molaren Anteile der Grignardvervindungen in den Tropftrichter dosiert und bei 60°C innerhalb von 30 min zugetropft. Nach 2 h Reaktionszeit steht das nun gebildete Co-polyfluorarylenboran H der nächsten Reaktion zur Verfügung. Beispiel 18:
- Auf diese Art wird beispielsweise Poly-fluor-(9,9-diheptyl)-2,7-fluorenylen-boran aus 9,9-Diheptyl-2,7-fluorenylenmagnesium-bromid und Bortrifluoridetherat hergestellt.
- Synthese der Grignardverbindunqen I
- 0,15 mol frisch geätzte Magnesiumspäne werden unter Argonatmosphäre in trockenem Ether vorgelegt. Unter Rühren und Refluxieren werden 0,1 mol hochgereinigtes und getrocknetes Arylbromid gelöst in 150 ml THF so zugetropft, daß die Reaktionsmischung nach dem Reaktionsstart beim Sieden gehalten wird. Die Reaktion wird über Nacht fortgesetzt. Die auf diese Weise synthetisierte Grignardverbindung I sollte nach der Fertigstellung des Co-polyfluorarylenborans H zur Verfügung stehen. Beispiel 19:
- Auf diese Art wird beispielsweise die Mesityl-grignardverbindung aus Mesitylbromid und Magnesium hergestellt.
- Synthese der Co-Polyborane K
- Voraussetzung ist die Apparatur mit dem bereitgestellten Copolyfluorarylenboran H und eine Grignardverbindung I.
- Zuerst wird der Rückflußkühler der Apparatur durch eine Destillationsbrücke ersetzt und das Lösungsmittel THF abdestilliert. Gleichzeitig wird der Tropftrichter etwa volumengleich der Reaktionsmischung mit trockenem Toluol befüllt und als Lösungsmittel anstelle des THF zugetropft. Nach Abschluß des Lösungsmittelaustausches wird die gewünschte gelöste Grignardverbindung I unter Argonatmosphäre und Feuchtigkeitsausschluß in stöchiometrischem Verhältnis bezogen auf das Co-polyfluorarylenboran H in den Tropftrichter dosiert und bei leicht siedendem Toluol langsam zugetropft. Dabei destilliert man gleichzeitig das Lösungsmittel (THF) der zutropfenden Grignardverbindung I ab. Nach Abtrennung des THF tauscht man die Destillationsbrücke wieder gegen den Rückflußkühler und erhitzt noch weitere 5 h am Rückfluß.
- Die Reaktionsmischung wird nach Abkühlung auf Eis/HCl gegossen und die Toluolphase abgetrennt. Das Toluol wird am Rotationsverdampfer vollständig abdestilliert, danach der Rückstand in wenig THF gelöst und unter Rühren in Ethanol gefällt. Weitere Reinigung des Produktes erfolgt durch wiederholtes Lösen in THF und erneutes Ausfällen in Ethanol. Beispiel 20:
- Auf diese Art wird beispielsweise Poly-mesityl-(9,9-diheptyl)-2,7-fluorenylen-boran Tg: °C, Fp: °C aus Poly-fluor(9,9-diheptyl)-2,7-fluorenylen-boran und Mesityl-magnesiumbromid hergestellt.
- OLED Charakteristik
- Beispiel 21:
- Eine OLED wurde durch folgende Schichtreihenfolge aufgebaut:
Anode: ITO (Indium-Zinnoxid)
80 nm Pedot
80 nm Emitter (Poly-mesityl-(9,9-di-heptyl)-2,7-fluorenylenboran) (nach Beispiel 20a)
Kathode 3 nm Ba, 300 nm Al - a) Stromdichte
- b) Effizienz
- c) CIE-Daten der OLED: 0,24 × 0,46 (bei 10V)
- Die neuen Materialien eignen sich zur Erzeugung von elektrolumineszierenden Dioden in den verschiedenen Farben des sichtbaren Spektralbereiches (blau bis rot). Ebenso lassen sich diese Materialien durch Poly-co-reaktionen in entsprechenden Verhältnissen in Materialien umwandeln, die am bzw. in der Nähe des Weißpunktes elektrolumineszieren.
- Diese polymeren Materialien lassen sich durch alle aus Lösung applizierbaren Verfahren verarbeiten (z.B. spin coating, Rakeln, Siebdrucken, Tintenstrahldrucken).
- Die Materialien sind präperativ in hohen Ausbeuten zugänglich und leiten sich von arylierten Boranen ab, wobei durch die Wahl der Arylenfragmente (Donor/Akzeptor-Struktur) die elektronischen Eigenschaften und damit die Farbe der jeweiligen Verbindung beeinflußt wird.
- Insbesondere ist hervorzuheben, dass zum Aufbau dieser polymeren Materialien keine wie sonst übliche metall-katalysebasierende Kupplungsreaktionen benötigt werden, (damit entfällt auch die aufwendige Abtrennung des Katalysators sowie die Gefahr der Verunreinigung des Polymers durch Quencherpartikel), was die Kosten für die Synthese, infolge der nicht benötigten teuren Palladiumkatalysatoren und deren Abtrennung, stark reduziert.
- Gerade weiß emittierende Materialien sind für die Herstellung von Leuchtquellen und vollfarbigen Displays, bei welchen die Vollfarbigkeit durch Filterung erreicht wird, von großem Interesse. Der Vorteil bei den Weißlicht getriebenen vollfarbigen Displays besteht in der farbunabhängigen Alterung des emittierenden Materials.
Claims (17)
- Co-polyarylborane des Typs K, wobei Folgendes gilt: x, y und z sind molare Teile von Komponenten und ergeben in Summe gleich 1, wobei zwei der Indizes x, y und z auch den Wert 0 haben können, an den Enden sind Wasserstoff-Atome gebunden, Arn steht für die jeweilige Arylenkomponente, -Ar1- und/oder -Ar2- und/oder -Ar3- im Copolymer, dabei stehen Ar1 und Ar2 für Komponenten mit einer bivalent konjugativ verbindenden ein- oder mehrkernigen, (homo-)aromatischen und/oder heteroaromatischen Arylenstruktur, wobei Ar1 für eine Komponente steht, deren n-Elektronendichte gleich oder größer als die von Benzol ist und Ar2 für eine Komponente, die lochtransportfähig ist, Ar3 steht für eine Komponente mit einer beliebigen bivalent konjugativ verbindenden ein- oder mehrkernigen heteroaromatischen Arylenstruktur geringer n-Elektronendichte, die gleich oder kleiner als die des Benzols ist, wobei die π-Elektronendichte von Ar3 in jedem Fall kleiner als die von Ar1 ist, und R steht für einen Rest mit Arylstruktur, der je nach beabsichtigter Konjugation des Polyborans K einen heteroaromatischen und/oder einen (homo)-aromatischen Arylrest umfasst, – der donorfrei ist, wobei eine Konjugation im Polyboran K durch Anlegen eines elektrischen Feldes ausgebildet werden kann, und/oder – bei dem mindestens eine zusätzliche Donorfunktion substituiert ist (intrinsische Konjugationsausbildung) und/oder – dessen Wasserstoffatome auch beliebig durch einen oder mehrere verzweigte oder unverzweigte Alkylreste oder Alkoxyreste R*, substituiert sein können.
- Co-polyarylboran nach Anspruch 1, bei dem die Arylenkomponente(n) Arn und/oder der Arylsubstituenten R eine oder beide ortho-Stellungen der Bor-Kohlenstoff-Bindungen substituiert hat.
- Co-polyarylboran nach Anspruch 2, bei dem zumindest ein orthoständiger Substituent ein Methylsubstituent und/oder zwischen Bor und einer Arylenkomponente ein 3,6 Durylensubstituent angeordnet ist.
- Co-polyarylborane nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Ar1 eine 2,7-Fluorenylenstruktur, die in 9-Position durch unverzweigte und/oder verzweigte Alkylreste substituiert sein kann, hat.
- Co-polyarylborane nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Ar2 über konjugativ verknüpfte perarylierte Aminsubstituenten verfügt.
- Co-polyarylborane nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Ar2 ausgewählt ist aus den in Tabelle 2 gezeigten Verbindungen der Typen Ar2(a-f), Tabelle 2 wobei die Substituenten R2, R3 und R4 Arylsubstituenten sind, dabei sind aber die Bedeutungen der Substituenten Rn mit gleichem Index n identisch und/oder die Bedeutung der Substituenten R1 gleichbedeutend mit der Substituentenauswahl für die Arylenkomponente Ar1, für Ar2(b) gilt außerdem, dass X gleich N oder C-R4 ist.
- Co-polyarylborane nach einem der vorstehenden Ansprüche wobei die Substituenten R2, R3 und R4 von Ar2 ausgewählt sind aus der Gruppe folgender Verbindungen: Phenyl, 1-Naphthyl und 2-Naphthyl.
- Co-polyarylborane nach einem der vorstehenden Ansprüche, deren Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln durch zusätzliche beliebige Anordnung von einem oder mehreren unverzweigten und/oder verzweigten Alkylsubstituenten und/oder Alkoxysubstituenten R* verbessert ist.
- Co-polyarylborane nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei einer oder mehrere der Alkyl- und/oder Alkoxyreste 1 bis 10 Kohlenstoffatome hat.
- Verfahren zur Herstellung der Co-polyarylborane des Typs R nach dem allgemeinen Herstellungsschema. Reaktionsschema: wobei von den Arenen A bis C bzw. von den bromsubstituierten Arylenstrukturen A* bis C* ausgegangen wird, diese werden entweder durch eine Grignardreaktion (D* bis F*) oder durch Lithiierung (D bis F) umgepolt, darauffolgend wird einer der Reaktionswege G oder G* zur Bildung der Copolyborane K genutzt wobei Y für zwei Halogenid-, zwei Alkoxy- oder eine Dioxyalkylenstruktur (mit 1 bis 3 C-Atomen) steht.
- Verfahren zur Herstellung von Co-polyarylenboranen K nach Anspruch 13, wobei nicht nur jeweils eine der Arylenkomponen ten Ar1 und/oder Ar2 und/oder Ar3 eingesetzt wird, sondern auch Arylenkomponenten aus mehreren Arylen-Copolymerkomponenten der drei Strukturtypen copolymerisiert mit einer und/oder mehreren Arylborverbindungen des Typs G/G* umgesetzt werden.
- Verwendung der Co-polyarylborane des Typs K in organischen halbleitenden Elementen wie Leuchtdioden und/oder Leuchtdiodendisplays, je nach ihrer Zusammensetzung, – als emittierende Schicht in verschiedenen Farben und weiss, – als Elektronen transportierende Schicht, – als Löcher blockierende Schicht und/oder – mit einem Überschuß an Komponenten des Typs Ar2 als lochtransportierende Schicht und/oder sowie als maßgeschneidertes Transportmaterial in den Funktionsschichten organischer Solarzellen, organischer Photodetektoren und/oder organischer Feldeffekttransistoren.
- Verwendung der Co-polyarylborane K als Blends von Einzelkomponentenpolymeren, also für den Fall, dass zwei der Verhältnisvariablen x, y und/oder z den Wert Null haben, in O-LEDs als emittierende und/oder Elektronen transportierende Schicht.
- Verwendung der polymeren Einzelkomponenten nach Anspruch 15 als Material für eine elektrolumineszierende Schicht und/oder organische Halbleiterschicht also Elektronen transportierend, Löcher blockierend oder Löcher transportierend.
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