DE102006061999A1 - Kathodisch schaltbarer elektrochromer Farbstoff elektrochrome Formulierung daraus und Verfahren zur Herstellung einer elektrochromen Zelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kathodischen elektrochromen Farbstoff, eine elektrochrome Formulierung daraus und ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochromen Zelle. Die Zellen dienen insbesondere zur Herstellung von Displays. Die Formulierung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der kathodisch schaltbare Farbstoff ein niedriges Oxidationspotential hat.

Description

• Die Erfindung betrifft einen kathodischen elektrochromen Farbstoff, eine elektrochrome Formulierung daraus und ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochromen Zelle. Die Zellen dienen insbesondere zur Herstellung von Displays.
• Elektrochrome Displays auf Basis organischer Materialien bestehen im Normalfall aus einer Schicht spezieller Zusammensetzung, die sich im Falle eines Displays zwischen senkrecht zueinander angeordneten Elektroden befindet. Es gibt elektrochrome Formulierungen, deren Farbstoff ein pH-Indikator ist und es gibt elektrochrome Formulierungen, deren wesentlicher Bestandteil ein redox-aktiver Farbstoff ist. Letztere sind beispielsweise aus der DE 10 2005 032 316.2 bekannt. Der Farbstoff befindet sich in der Regel in einer in einem Lösungsmittel dispergierten Weißpigment-Matrix. Ein typisches Lösungsmittel ist z. B. Diethylenglykol, das Weißpigment ist z. B. Titandioxid.
• Nachteilig an den bekannten Systemen ist deren geringe Lebensdauer. Bei den pH-Wert gesteuerten elektrochromen Systemen ist (z. B. aus der WO 02/075441 A2 bekannt) kann beispielsweise als Folge der Protonenaktivität der Abbau der transparenten Elektrode erfolgen. Bei den elektrochromen Systemen auf Basis reiner Redoxmaterialien, wie bei den so genannten viologen-basierten Systemen, erfolgt eine Farbkontrast-Verschlechterung wegen der Pimerisation der reduzierten Spezies (Bildung von Aromatenstapel durch die n-Elektronenebenen), was zu einer Farbverschiebung von blau nach violett (deshalb auch Viologene genannt) und zu Schwerlöslichkeit führt. In diesem Zustand lassen sich die pimeren Spezies nicht mehr vollständig elektrisch oxidieren (in den farblosen Zustand überführen), so dass der Kontrast zwischen geschalte tem, also unter Spannung stehendem und stromlosen Zustand immer geringer wird.
• Nach dem Stand der Technik werden Metallocene und Metallocen-Derivate eingesetzt, um die Langzeitstabilität elektrochrom aktiver Formulierungen auf der Basis reiner Redoxmaterialien mit kathodischen Elektrochromen zu erhöhen. Diese Verbindungsklasse hat sich dafür als geeignet erwiesen, weil sie die Elektroden, insbesondere die Anode, schützt, d. h. während das Elektrochrom an der Kathode in einen reduzierten farbigen Zustand übergeht, wird die Anode vor elektrochemischer Korrosion dadurch geschützt, dass das Metallocene stattdessen an der Anode oxidiert wird, ohne, dass diese im Kurzzeitversuch eine maßgebliche Veränderung der Farbe hervorrufen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Formulierungen für weitere elektrochrome Systeme zu schaffen, die eine verbesserte Langzeitstabilität aufweisen.
• Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein kathodisch schaltbarer Farbstoff KE oder KE'

  

  wobei
  R für eine Alkylgruppierung C₁-C₂₀, unverzweigt gesättigt oder verzweigt gesättigt sowie teilweise ungesättigt und/oder durch Hydroxygruppen substituiert oder Arylgruppierung durch Alkyl und/oder Hydroxygruppen substituiert steht, oder die Substituenten R sind bifunktionelle Alkylengruppierungen C₁-C₂₀, unverzweigt gesättigt oder verzweigt gesättigt sowie teilweise ungesättigt bzw. und/oder durch Hydroxygruppen substituiert, so dass sie beim Alkykierungsschritt Polymere KE bzw. KE' bilden.
• Außerdem ist Gegenstand der Erfindung eine elektrochrom aktive Formulierung mit mindestens einem kathodisch schaltbaren Elektrochrom der Formel KE bzw. KE' (Oxidationsmittel) die mindestens ein anodisch reagierendes Stabilisierung-Material als Pendant enthält,

  

  wobei
  R für eine Alkylgruppierung C₁-C₂₀, unverzweigt gesättigt oder verzweigt gesättigt sowie teilweise ungesättigt und/oder durch Hydroxygruppen substituiert oder Arylgruppierung durch Alkyl und/oder Hydroxygruppen substituiert steht, oder die Substituenten R sind bifunktionelle Alkylengruppierungen C₁-C₂₀, unverzweigt gesättigt oder verzweigt gesättigt sowie teilweise ungesättigt bzw. und/oder durch Hydroxygruppen substituiert, so dass sie beim Alkykierungsschritt Polymere KE bzw. KE' bilden.
• Schließlich ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochromen Zelle durch Einbringen einer Schicht aus einer elektrochromen Formulierung mit zumindest einem kathodisch schaltbaren Farbstoff KE oder KE' der allgemeinen Formel:

  

  wobei
  R für eine Alkylgruppierung C₁-C₂₀, unverzweigt gesättigt oder verzweigt gesättigt sowie teilweise ungesättigt und/oder durch Hydroxygruppen substituiert oder Arylgruppierung durch Alkyl und/oder Hydroxygruppen substituiert steht, oder die Substituenten R sind bifunktionelle Alkylengruppierungen C₁-C₂₀, unverzweigt gesättigt oder verzweigt gesättigt sowie teilweise ungesättigt bzw. und/oder durch Hydroxygruppen substituiert, so dass sie beim Alkyklierungsschritt Polymere KE bzw. KE' bilden.
• Kathodisch schaltbarer elektrochromer Farbstoff (Elektrochrom) bedeutet, dass die gewünschte Farbstoffbildung (Farbstoffdarstellung) an der Kathode entsteht.
• Die erfindungsgemäßen kathodisch schaltbaren Farbstoffe erreichen lange Lebensdauern, wenn diese in einer Formulierung zusammen mit einem anodisch schaltbaren Pendant, also ein anodisch reagierendes Stabilisierungs-Material molar gemischt werden. Dies kann sowohl ein Metallocenderivat als auch die aus der 2006E24127 bekannte Materialklasse sein.
• Als anodisch schaltbares Material AM ist das aus der Patentliteratur bekannte Ferrocen, andere Metallocene oder die aus der 2006E24127 bekannt gewordene Materialklasse der aminothiazol-substituierten Ethylene und/oder Stilbene besonders geeignet.
• 
• Besonders attraktiv sind die kathodischen elektrochromen Materialien KE dadurch, dass sie sich durch ihre geringen Reduktionspotentiale unabhängig vom anodisch schaltenden Material schon < 1V beschalten lassen.
• Durch Kombination mit dem anodisch schaltenden Material AM, dass beim Umschalten (Oxidation) in die radikal-kationische Stufe vor allem stabil und farblos bleibt, werden so bei der Bildung der farbigen Spezies an der Kathode Farbvermischungen während des Schaltvorgangs vermieden. Es ist dadurch ein reiner Farbwechsel gegeben, der nur von den Farbeigenschaften des kathodisch schaltbaren Materials im oxidierten bzw. reduzierten Zustand abhängig ist.
• Vorrangig werden grüne, braune und bräunlich-schwarze Farbtöne erreicht.
• Die aus diesen Materialien herstellbaren elektrochromen Formulierungen bilden in einem daraus herstellbaren elektrochromen Bauelement stabile Schichten auch auf großen Flächen, was die Applikation z. B. durch „roll-to-roll"-Prozesse erlaubt.
• Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand ausgewählter Ausführungsbeispiele näher erläutert:
• a) Allgemeine Vorschriften zur Synthese der Materialien KE
• a1) 4-Pyridincarboxamidin Hydrochlorid 1
• In einem 500 ml Kolben wird 4-Cyanopyridin (50,0 g, 470 mmol, 1 Äquiv.) zusammen mit Natriummethanolat (3,0 g, 53 mmol, 0,11 Äquiv.) in ca. 230 ml trockenem Methanol für 1,5 h bei RT gerührt. Zu der weißlichen Suspension wird Ammoniumchlorid (27,7 g, 52 mmol, 1,1 Äquiv.) gegeben und man lässt für mind. 24 h weiterrühren. Der schöne, fein verteilte, weiße Niederschlag wird abgesaugt und die Mutterlauge bis zur Trockene am Rotationsverdampfer eingeengt. Der Filterkuchen wird mit dem Rückstand aus der Mutterlauge vereinigt und aus Wasser umkristallisiert. Nach dem Absaugen und Waschen mit Ether wird das Produkt im Vakuum bei RT getrocknet.
  Ausbeute: 70,5 g (95% d. Th.), weiße Kristalle,
  M = 157,6 g·mol^–1; Schmelzpunkt: 250°C
• a2) 1-(N,N-Dimethylamino)-2-pyrid-4'-yl-prop-1-en-3-(N,N-dimethyliminium)-chlorid-hydrochlorid 2
• In einer 500 ml 3-Hals Rührapparatur mit Tropftrichter und Kühler mit Gährrohr wird DMF (ca. 65 ml, 800 mmol, 6,5 Äquiv.) vorgelegt und mit einer Ethanol/Trockeneis Kühlmischung auf –50°C gebracht. Unter heftigem Rühren wird nun langsam bei dieser Temperatur Oxalylchlorid (38,1 g, 300 mmol, 2,5 Äquiv.) zugetropft. Es bildet sich ein weißer Niederschlag, der in DMF suspendiert ist. Nach vollständiger Zugabe des Oxalylchlorids lässt man das Reaktionsgemisch langsam auf –10°C erwärmen und rührt nochmals für ca. 15 min nach. Jetzt wird langsam das γ-Picolin (14,6 g, 125 mmol, 1 Äquiv.) zum suspendierten Vilsmeier-Komplex getropft. Nach vollendeter Zugabe wird das Gemisch auf RT erwärmt und man lässt über Nacht weiterrühren. Die Fällung des Produktes wird durch Zugabe von ca. 200 ml Aceton vervollständigt und der gelbliche Kristallbrei in einer Glove-Box unter Inertgasbedingungen abgesaugt. Der Filterkuchen wird in wenig Ethanol gelöst und erneut durch Zugabe von Aceton und eventuell Ether gefällt. Das gelb, kristalline Produkt wird abgesaugt, mit Ether gewaschen und im Vakuum bei RT getrocknet.
  Ausbeute: 29,5 g (75,6% d. Th.), gelbe Kristalle; M = 312,2 g·mol^–1; Schmelzpunkt: ab 105°C
  Analytik: ESI Massenspektrum:Kation:C₁₂H₁₈N₃ ⁺M = 204,3 g·mol^–1 (1)
• a3) 2,5-Di(pyridin-4-yl)pyrimidin 3
• In einem 250 ml Kolben wird das Amidin 1 (4,0 g, 25,6 mmol) zusammen mit dem Vinamidiniumsalz 2 (8,0 g, 25,6 mmol) in ca. 60 ml Pyridin für 8 h am Rückfluss erhitzt. Nach dem Abkühlen auf RT fällt aus der rötlichen Lösung ein Niederschlag aus, der abgesaugt, mit Methanol/Ether und reinem Ether gewaschen und im Vakuum bei RT getrocknet wird. Eine Umkristallisation kann aus Methanol erfolgen.
  Ausbeute: 3,1 g (52% d. Th.), weiße, nadelförmige Kristalle
  M = 234,3 g·mol^–1; Schmelzpunkt: 226–227°C (MeOH)
  DC: Kieselgel/THF, R_F = 0,58
  Analytik: ESI Massenspektrum, MH⁺ 235,3 (2)

  
• a4) Allgemeine Arbeitsvorschrift für Quartärsalzbildung KE
• In einem 100 ml Kolben mit Rückflusskühler wird das entsprechende Edukt vorgelegt und soweit erwärmt, bis alles in Lösung geht. Je nach Ausgangsmaterial und Alkylierungsmittel sind entweder Acetonitril, Nitrobenzol oder eine Mischung aus Beiden als Lösemittel geeignet. Nach 6–24 h Reaktionszeit liegt das alkylierte Produkt als feinverteilter Niederschlag vor und kann über eine feinporige Glasfritte abgesaugt werden.
• Die jeweiligen Molmengenverhältnisse, Temperaturen und Aufreinigungsmöglichkeiten sind im Einzelnen aufgeführt.
• a41) Di-(heptyl)-substituiertes Quartärsalz des 2,5-Di(pyridin-4-yl)pyrimidin KE1
• aus (0,4 g, 1,7 mmol, 1 Äquiv.) und Heptylbromid (6 ml, 34 mmol, 20 Äquiv.). In 20 ml Acetonitril für 6 h am RF kochen. Verbindung 3Notfalls mit Ether fällen. Umkristallisation aus Ethanol/Essigester möglich.
  Ausbeute: 0,4 g (43% d. Th.), neongelbe Kristalle
  M = 592,5 g·mol^–1; Schmelzpunkt: 230–235°C
  Analytik: ESI Massenspektrum: Dikation (C₂₈H₄₀N₄ ²⁺) m/z = 216,3
  Monoalkyl-Kation (C₂₁H₂₅N₄ ⁺) M = 333,4 g·mol^–1 (3)
• a42) Di-(dodecyl)-substituiertes Quartärsalz des 2,5-Di(pyridin-4-yl)pyrimidin KE2
• aus Verbindung 3 (1,0 g, 4,3 mmol, 1 Äquiv.) und Dodecylbromid (15 ml, 60 mmol, 14 Äquiv.). In 10 ml Nitrobenzol für mind. 6 h bei ca. 90°C rühren. Zur Beseitigung der Nitrobenzolreste das abgesaugte Produkt mit Toluol auskochen und aus Ethanol/Essigester umkristallisieren.
  Ausbeute: 1,3 g (41% d. Th.), schwach grün-beiges Pulver;
  M = 732,7 g·mol^–1; Schmelzpunkt: 263–265°C
  Analytik: ESI Massenspektrum M^{2 +}(C₃₈H₆₀N₄ ²⁺) = 286,5; M⁺ = 572,9
• a43) Di-(1-ethylacet-2yl)-substituiertes Quartärsalz des 2,5-Di(pyridin-4-yl)pyrimidin KE3
• aus Verbindung 3 (1,0 g, 4,3 mmol, 1 Äquiv.) und Bromessigsäureethylester (2,4 ml, 21,3 mmol, 5 Äquiv.). In 20 ml Acetonitril für 6 h bei ca. 60°C rühren. Umkristallisation aus Ethanol/Essigester möglich.
  Ausbeute: 2,0 g (82% d. Th.), schwach orange Kristalle
  M = 568,3 g·mol^–1; Schmelzpunkt: 200–206°C
  Analytik: ESI Massenspektrum M²⁺(C₂₂H₂₄N₄O₄ ²⁺) = 204,3; M⁺ = 408,5
• a44) Di-(undecan-11-ol-1-yl)-substituiertes Quartärsalz des 2,5-Di(pyridin-4-yl)pyrimidin KE4
• aus Verbindung 3 (0,75 g, 3,2 mmol, 1 Äquiv.) und 1-Bromundecanol (4,1 g, 16,0 mmol, 5 Äquiv.). In 10 ml Acetonitril und 10 ml Nitrobenzol für mind. 6 h am RF kochen. Umkristallisation aus Ethanol/Essigester.
  Ausbeute: 0,8 g (33% d. Th.) hellgelbliches Pulver
  M = 736,7 g·mol^–1; Schmelzpunkt: ab 195°C
  Analytik: ESI Massenspektrum M²⁺ (C₃₆H₅₆N₄O₂ ^{2 +}) = 288,5; M⁺ = 576,9
• a45) Di-(ethan-2-ol-1-yl)-substituiertes Quartärsalz des 2,5-Di(pyridin-4-yl)pyrimidin KE5
• aus Verbindung 3 (1,0 g, 4,3 mmol, 1 Äquiv.) und 1-Bromethanol (1,6 ml, 21,3 mmol, 5 Äquiv.). In ca. 40 ml Acetonitril für mind. 6 h am RF kochen. Umkristallisation aus Ethanol/Essigester.
  Ausbeute: 1,2 g (58% d. Th.), schwach ockerfarbenes Pulver
  M = 484,2 g·mol^–1; Schmelzpunkt: 220–227°C
  Analytik: ESI Massenspektrum M²⁺ (C₁₈H₂₀N₄O₂ ²⁺) = 162,3; M⁺ = 324,4
• a46) Oligomeres Dodecylensubstituiertes Quartärsalz des 2,5-Di(pyridin-4-yl)pyrimidin 4f
• aus Verbindung 3 (1,0 g, 4,3 mmol, 1 Äquiv.) und 1,10-Di-bromdodecan (1,4 g, 4,3 mmol, 1 Äquiv.). In 70 ml Acetonitril für 24 h am RF kochen. Abgesaugtes Produkt in THF auskochen um Reste von 3 zu entfernen.
  Ausbeute: 0,4 g (17% d. Th.), hellbräunliches Pulver
  M(Monomer) = 563,4 g·mol^–1; Schmelzpunkt: 205–210°C
• a5) Bis(1,4- phenylen)-2-(3-dimethylamino-2-propen-dimethyliminium)-di-perchlorat 5
• In einem 1000 ml Dreihaiskolben mit Thermometer, Tropftrichter und Rückflusskühler mit aufgesetztem Trockenrohr wird DMF (200 ml, 2,5 mol, 30 Äquiv.) vorgelegt und mittels einer Eis/Salz-Kühlmischung auf ca. 0°C abgekühlt. Unter Rühren wird langsam Phosphoroxychlorid (46 ml, 0,5 mol, 6 Äquiv.) zugetropft, wobei die Temperatur nicht über 0°C steigen darf. Man lässt 10 min. nachrühren und gibt 1,4-Phenylendiessigsäure (16,3 g, 0,08 mol, 1 Äquiv.) zum Reaktionsgemisch. Anschließend wird die Lösung für 6 h auf 90°C erhitzt, abgekühlt und auf 1 kg Eis gegossen. Zur Fällung des Produktes wird Natriumperchlorat (30,8 g, 0,25 mol, 3 Äquiv.), gelöst in etwas Wasser, unter Rühren zur wässrigen Lösung gegeben. Der Niederschlag wird abgesaugt, mit Methanol/Ether und reinem Ether gewaschen und anschließend im Vakuum getrocknet.
  Ausbeute: 31,5 g (71% d. Th.), weiße Kristalle
  M = 527,4 g·mol^–1; Schmelzpunkt: 292–296°C
• a6) 1,4-Phenylen-bis-2,2'-(4-pyridyl)-5,5'-pyrimidin 6
• In einem 250 ml Kolben wird 4-Pyridincarboxamidin Hydrochlorid 1 (5,5 g, 35 mmol, 2,2 Äquiv.) zusammen mit dem Phenylenbisvinamidiniumsalz 5 (8,3 g, 18 mmol, 1 Äquiv.) in Pyridin für 8 h am RF erhitzt. Der entstandene braun-gelbe Niederschlag wird abgesaugt, mit Methanol, Methanol/Ether und reinem Ether gewaschen und im Vakuum bei RT getrocknet. Eine Umkristallisation kann aus DMSO erfolgen.
  Ausbeute: 4,5 g (74 d. Th.), blassgelbe, nadelförmige Kristalle M = 388,4 g·mol^–1; Schmelzpunkt: > 310°C;
  DC: Kieselgel/THF, RF = 0,81
  Analytik: ESI Massenspektrum, ¹H-NMR, ¹³C-NMR siehe Seite 33

  
• a47) Di-(heptyl)-substituiertes Quartärsalz des 1,4-Phenylen-bis-2,2'-(4-pyridyl)-5,5'-pyrimidin KE'1
• In einem 100 ml Kolben wird das Hexaazaquinquephenyl 6 (0,8 g, 2 mmol, 1 Aquiv.) in ca. 30 ml Nitrobenzol in der Hitze gelöst und mit Heptylbromid (6,3 ml, 40 mmol, 20 Äquiv.) versetzt. Nach mind. 6 h bei etwa 130°C kann der entstandene, sehr feine Niederschlag über eine feinporige Glasfritte abgesaugt und mit Toluol gewaschen werden. Der Rückstand wird nochmals in Toluol ausgekocht, abgesaugt und mit Ether gewaschen. Eine zusätzliche Umkristallisation ist aus Ethanol/Essigester möglich.
  Ausbeute: 1,2 g (75% d. Th.), hellgelbe Kristalle
  M = 746,6 g·mol^–1; Schmelzpunkt: 257–261°C
  Analytik: ESI Massenspektrum M²⁺(C₃₈H₄₆N₆ ^{2 +}) = 293,4; M⁺ = 586,8
• a48) Di-(dodecyl)-substituiertes Quartärsalz des 1,4-Phenylen-bis-2,2'-(4-pyridyl)-5,5'-pyrimidin KE'2
• In einem 100 ml Kolben wird das Hexaazaquinquephenyl 6 (0,8 g, 2 mmol, 1 Äquiv.) in ca. 20 ml Nitrobenzol in der Hitze gelöst und mit Dodecylbromid (15 ml, 60 mmol, 30 Äquiv.) versetzt. Nach mind. 6 h bei etwa 150°C kann die entstandene, grünliche Suspension über eine feinporige Glasfritte abgesaugt und mit Toluol gewaschen werden. Der Rückstand wird in Ethanol/Essigester ausgekocht, abgesaugt und mit Ether gewaschen.
  Ausbeute: 0,88 g (48% d. Th.), grünliches Pulver
  M = 886,9 g·mol^–1; Schmelzpunkt: > 310°C
  Analytik: ESI Massenspektrum = M²⁺ (C₄₈H₆₆N₆2⁺) 363,5; M⁺ = 727,1
• aA49) Di-(1-ethylacet-2y1)-substituiertes Quartärsalz des 1,4-Phenylen-bis-2,2'-(4-pyridyl)-5,5'-pyrimidin KE'3
• In einem 100 ml Kolben wird das Hexaazaquinquephenyl 6 (0,8 g, 2 mmol, 1 Äquiv.) in ca. 15 ml Nitrobenzol und 15 ml Acetonitril in der Hitze suspendiert und mit Bromessigsäureethylester (1,7 g, 10 mmol, 5 Äquiv.) versetzt. Nach mind. 6 h kochen am RF kann der entstandene, gelbliche Niederschlag über eine feinporige Glasfritte abgesaugt und mit Acetonitril und Ether gewaschen werden. Eine zusätzliche Umkristallisation ist aus Ethanol/Essigester möglich.
  Ausbeute: 1,2 g(81% d. Th.), gelbes Pulver; M = 722,4 g·mol^–1;
  Schmelzpunkt: ab 210°C
  Analytik: ESI Massenspektrum M²⁺ (C₃₂H₃₀N₆O₄ ^{2 +}) = 281,3; M⁺ = 562,6
• b) Beispiel Vorschriften zur Synthese der Materialien AM bzw. AM'
• b1) N,N-Diphenylthioharnstoff 1
• In einem 2 l Dreihalskolben mit Rückflusskühler, Inertgaszufuhr, Tropftrichter und Magnetrührer wird Kaliumthiocyanat (1 mol; 97,2 g) zusammen mit 500 ml absolutem Aceton vorgelegt. Unter Rühren wird Pivalinsäurechlorid (1 mol; 123 ml) zugetropft, wobei eine quarkartige Suspension entsteht. Es wird 1 h refluxiert und anschließend Diphenylamin (1 mol; 169,2 g), gelöst in 300 ml Aceton, zugetropft. Erneut für 2 h am Rückfluss erhitzen. Nach dem Abkühlen auf RT wird der Kolbeninhalt in einem Becherglas in 2 1 verdünnte Salzsäure eingerührt. Die wässrige Phase wird abdekantiert und verworfen. Die organische Phase mit 400 ml konz. HCl versetzen und unter Rühren so lange erhitzen, bis die Gasentwicklung beendet ist. Nach ca. 1 h entsteht eine klare, rötliche Lösung, die auf Eis abgegossen und gerührt wird, bis ein weiß-pulvriges Produkt ausfällt. Es wird über eine Glasfritte abgesaugt, mit Wasser gewaschen und anschließend aus Ethanol umkristallisiert.
  Ausbeute: 112 g (49% d. Th.), weißes Pulver
  M = 228,3 g·mol^–1; Schmelzpunkt: 212–214°C
  DC: Kieselgel/(Toluol/Essigester, 3:1), R_F = 0,27
• b2) 2-Aza-3-morpholinothioacrylsäurediphenylamid 2
• In einem 1 l Einhalskolben mit Rückflusskühler und Wasserabscheider wird 1 (111 g; 0,49 mol; 1 Äquiv.) zusammen mit Morpholin (129,6 g; 1,46 mol; 3 Äquiv) und Ortho-ameisensäuretriethylester (294,1 g; 1,95 mol; 4 Äquiv.) ohne weiteres Lösungsmittel zum Sieden erhitzt. Nach ca. 5 h ist die Abtrennung des entstandenen Alkohols beendet und das Reaktionsgemisch wird auf RT abgekühlt. Durch Zugabe von etwas Ethanol während des Abkühlens wird ein Verklumpen verhindert. Der entstandene Kristallbrei wird abgesaugt und aus Ethanol umkristallisiert.
  Ausbeute: 121,1 g (77% d. Th.), gelblich-weiße Kristalle
  M = 325,4 g·mol^–1; Schmelzpunkt: 235–236°C
  DC: Kieselgel/(Toluol/Essigester, 3:1), R_F = 0,34
• b3) Bis-(2-N,N-diphenylamino-5-thiazolyl)-keton 3
• In einem 250 ml Kolben wird 2 (20,5 g; 63 mmol; 1 Äquiv.) zusammen mit 1,3-Dichloraceton (4,2 g; 32 mmol; 0,5 Äquiv) in 170 ml Acetonitril aufgeschlämmt und zum Rückfluss erhitzt. Dabei entsteht zunächst eine klare, rötliche Lösung, aus der nach wenigen Minuten ein gelblicher Niederschlag ausfällt. Die Reaktion ist nach ca. 2 h beendet, wenn dünnschichtchromatographisch kein Edukt mehr nachweisbar ist. Nach der Zugabe von Triethylamin (8,8 ml; 63 mmol; 1 Äquiv.) lässt man die Suspension auf RT abkühlen. Der entstandene Niederschlag wird abgesaugt, je einmal mit Acetonitril, Acetonitril/Ether und reinem Ether gewaschen und im Vakuum bei RT getrocknet. Ausbeute: 14,2 g (85% d. Th.), gelblich-orange Kristalle
  M = 530,7 g·mol^–1; Schmelzpunkt: 231–33°C
  DC: Kieselgel/(Toluol/Essigester, 1:4), RF = 0,45
  Analytik: ESI-Massenspektrum: MH⁺ = 531,4
• b4) Tetra-(2-diphenylamino-thiazol-5-yl)-ethylen AM
• Die Synthese erfolgt in einer Glove-Box unter Inertgasatmosphäre.
• In einem 250 ml Kolben wird Titan(III)chlorid (85%iger THF Komplex) (20,2 g, 45,2 mmol, 2,5 Äquiv.) eingewogen und mit trockenem THF aufgeschlämmt. Es erfolgt die Zugabe von Lithiumaluminiumhydrid (0,7 g, 18,5 mmol, 1 Äquiv.), worauf nach kurzem Rühren eine Schwarzfärbung eintritt. Zu dieser Suspension wird in THF gelöstes Keton 3 (9,81 g, 18,5 mmol, 1 Äquiv.) gegeben und die Reaktionsmischung für 4 h am Rückfluss erhitzt. Durch Zugabe von etwas Methanol werden die Lithiumaluminiumhydridreste vernichtet und die Reaktionslösung kann an normaler Atmosphäre über eine Glasfritte mit Kieselgel filtriert werden, um die Feststoffe abzutrennen. Das Filtrat wird einrotiert, der ölige Rückstand in Methylenchlorid gelöst und in einem Scheidetrichter mit Wasser ausgeschüttelt. Man trennt die orange-braune organische Phase ab und engt sie am Rotationsverdampfer bis zur Trockene ein. Der verbleibende Rückstand wird in wenig THF gelöst und mit Methanol versetzt. Der dadurch entstandene Niederschlag wird abgesaugt, mit Methanol gewaschen und im Vakuum bei RT getrocknet.
  Ausbeute: 2,8 g (30% d. Th.), hellgelbe Kristalle
  M = 1029,3 g·mol^–1; Schmelzpunkt: 144–146°C
  DC: Kieselgel/(Toluol/Essigester, 1:5), RF = 0,58
  Analytik: ESI-Massenspektrum: MH⁺ = 1030,1 MH₂ ²⁺= 515,4 (4)

  
• b5) Phenyl-(2-N,N-diphenylamino-5-thiazolyl)-keton 4
• In einem 250 ml Kolben wird 2 (10 g; 30,7 mmol; 1 Äquiv.) zusammen mit Phenacylchlorid (5,3 g; 34 mmol; 1,1 Äquiv.) in 100 ml Acetonitril aufgeschlämmt und zum Rückfluss erhitzt. Dabei entsteht zunächst eine klare, gelbliche Lösung, aus der nach wenigen Minuten ein gelblicher Niederschlag ausfällt. Die Reaktion ist nach ca. 2 h beendet. Wenn dünnschichtchromatographisch kein Edukt mehr nachweisbar ist lässt man die Suspension auf RT abkühlen. Der entstandene weiße Niederschlag wird abgesaugt, je einmal mit Acetonitril, Acetonitril/Ether und reinem Ether gewaschen und im Vakuum bei RT getrocknet.
  Ausbeute: 14,2 g (85% d. Th.), weiße Kristalle
  M = 556,5 g·mol^–1; Schmelzpunkt: 162–164°C
  Analytik: ESI-Massenspektrum: MH⁺ = 557,3
• b6) 1,2-Diphenyl-1,2-di-(2-diphenylamino-thiazol-5-yl)ethylen AM'
• Die Synthese erfolgt in einer Glove-Box unter Inertgasatmosphäre.
• In einem 250 ml Kolben wird Titan(III)chlorid (85%iger THF Komplex) (12,2 g, 28,1 mmol, 2,5 Äquiv.) eingewogen und mit trockenem THF aufgeschlämmt. Es erfolgt die Zugabe von Lithiumaluminiumhydrid (0,5 g, 12,3 mmol, 1,1 Äquiv.), worauf nach kurzem Rühren eine Schwarzfärbung eintritt. Zu dieser Suspension wird in THF gelöstes Keton 4 (4,0 g, 11,22 mmol, 1 Aquiv.) gegeben und die Reaktionsmischung für 4 h am Rückfluss erhitzt. Durch Zugabe von etwas Methanol werden die Lithiumaluminiumhydridreste vernichtet und die Reaktions-lösung kann an normaler Atmosphäre über eine Glasfritte mit Kieselgel filtriert werden, um die Feststoffe abzutrennen. Das Filtrat wird einrotiert, der ölige Rückstand in Methylenchlorid gelöst und in einem Scheidetrichter mit Wasser ausgeschüttelt. Man trennt die grünlich-braune organische Phase ab und engt sie am Rotationsverdampfer bis zur Trockene ein. Der verbleibende Rückstand wird in wenig THF gelöst und mit Methanol versetzt. Der dadurch entstandene Niederschlag wird abgesaugt, mit Methanol gewaschen und im Vakuum bei RT getrocknet. Umkristallisation aus Ethanol.
  Ausbeute: 3,0 g (40% d. Th.), gelblich weiße Kristalle
  M = 681 g·mol^–1; Schmelzpunkt: 133–135°C
  Analytik: ESI-Massenspektrum: MH+ = 681,9 MH₂ ²⁺ = 341,4

  
• c) Allgemeine Vorschrift zur Herstellung einer elektrochromen Formulierung
• 0,001 mol kathodisches Elektrochrom (z. B. KE1) werden mit 0,001 mol des anodischen Materials (z. B. Ferrocen, AM oder AM') und 8,6g Titandioxid sowie ca.3g Diethylenglykol in einem Speedmixer bei 2000U/min. für 5 Minuten intensiv vermischt, so dass eine pastöse Mischung entsteht. Die Diethylenglykolmenge variiert bei den unterschiedlichen Materialien geringfügig, so dass diese im speziellen Fall angepasst werden muss, so dass ein stabiler pastöser Zustand gebildet wird.
• d) Herstellung einer elektrochromen Zelle
• Die erhaltene pastöse Formulierung wird nach dem Stand der Technik zwischen sich kreuzenden Elektroden appliziert. Beim Anlegen einer Gleichspannung von maximal 1V wird an der Kathode ein Farbumschlag von weiß/(farblos) nach einer Farbe beobachtet, die das kathodische Elektrochrom bestimmt. In dieser Weise können kathodische Elektrochome mit einer Lebensdauer von mindestens 10⁶ Schaltcyclen beschaltet werden.
• c1) Auf diese Weise wird z. B. Di-(heptyl)-substituiertes Quartärsalz des 2,5-Di(pyridin-4-yl)pyrimidin KE1 als kathodisches Elektrochrom nach grün geschaltet.
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• c2) Auf diese Weise wird z. B. Di-(heptyl)-substituiertes Quartärsalz des 1,4-Phenylen-bis-2,2'-(4-pyridyl)-5,5'-pyrimidin KE'1 als kathodisches Elektrochrom nach violett geschaltet. Beim Anlegen einer Gleichspannung von maximal 1V wird an der Anode ein Farbumschlag von weiß/(farblos) nach bräunlich schwarz beobachtet.
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• Die Erfindung betrifft einen kathodischen elektrochromen Farbstoff, eine elektrochrome Formulierung daraus und ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochromen Zelle. Die Zellen dienen insbesondere zur Herstellung von Displays. Die Formulierung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der kathodisch schaltbare Farbstoff ein niedriges Oxidationspotential hat.

Claims (9)

1. Kathodisch schaltbarer Farbstoff KE oder KE'

   

   wobei R für eine Alkylgruppierung C₁-C₂₀, unverzweigt gesättigt oder verzweigt gesättigt sowie teilweise ungesättigt und/oder durch Hydroxygruppen substituiert oder Arylgruppierung durch Alkyl und/oder Hydroxygruppen substituiert steht, oder die Substituenten R sind bifunktionelle Alkylengruppierungen C₁-C₂₀, unverzweigt gesättigt oder verzweigt gesättigt sowie teilweise ungesättigt bzw. und/oder durch Hydroxygruppen substituiert, so dass sie beim Alkykierungsschritt Polymere KE bzw. KE' bilden.
2. Elektrochrom aktive Formulierung mit mindestens einem kathodisch schaltbaren elektrochromen Farbstoff der Formel KE bzw. KE' als Oxidationsmittel die mindestens ein anodisch reagierendes Stabilisierungs-Material als Pendant enthält,

   

   wobei R für eine Alkylgruppierung C₁-C₂₀, unverzweigt gesättigt oder verzweigt gesättigt sowie teilweise ungesättigt und/oder durch Hydroxygruppen substituiert oder Arylgruppierung durch Alkyl und/oder Hydroxygruppen substituiert steht, oder die Substituenten R sind bifunktionelle Alkylengruppierungen C₁-C₂₀, unverzweigt gesättigt oder verzweigt gesättigt sowie teilweise ungesättigt bzw. und/oder durch Hydroxygruppen substituiert, so dass sie beim Alkykierungsschritt Polymere KE bzw. KE' bilden.
3. Elektrochrom aktive Formulierung nach Anspruch 2, wobei das anodisch schaltbare Material zumindest ein aminothiazolsubstituiertes Ethylen und/oder Stilben umfasst.
4. Elektrochrom aktive Formulierung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das anodisch schaltbare Material zumindest eine Verbindung der allgemeinen Formel:

   

   wobei R für eine Alkylgruppierung C₁-C₂₀, unverzweigt gesättigt oder verzweigt gesättigt sowie teilweise ungesättigt und/oder durch Hydroxygruppen substituiert oder Arylgruppierung durch Alkyl und/oder Hydroxygruppen substituiert steht, oder die Substituenten R sind bifunktionelle Alkylengruppierungen C₁-C₂₀, unverzweigt gesättigt oder verzweigt gesättigt sowie teilweise ungesättigt bzw. und/oder durch Hydroxygruppen substituiert, so dass sie beim Alkykierungsschritt Polymere KE bzw. KE' bilden, umfasst.
5. Elektrochrom aktive Formulierung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der kathodisch schaltbare Farbstoff mit dem anodisch schaltbaren Material ungefähr im molaren Verhältnis 1:1 gemischt vorliegt.
6. Verfahren zur Herstellung einer elektrochromen Zelle durch Einbringen einer Schicht aus einer elektrochromen Formulierung mit zumindest einem anodisch schaltbaren Farbstoff KE oder KE' der allgemeinen Formel:

   

   wobei R für eine Alkylgruppierung C₁-C₂₀, unverzweigt gesättigt oder verzweigt gesättigt sowie teilweise ungesättigt und/oder durch Hydroxygruppen substituiert oder Arylgruppierung durch Alkyl und/oder Hydroxygruppen substituiert steht, oder die Substituenten R sind bifunktionelle Alkylengruppierungen C₁-C₂₀, unverzweigt gesättigt oder verzweigt gesättigt sowie teilweise ungesättigt bzw. und/oder durch Hydroxygruppen substituiert, so dass sie beim Alkykierungsschritt Polymere KE bzw. KE' bilden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei zumindest eine der Schichten drucktechnisch herstellbar ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die elektrochrom aktive Schicht drucktechnisch herstellbar ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die elektrochrom aktive Schicht in einem „Rolle-zu-Rolle" Verfahren herstellbar ist.