DE102016106103B4 - Organic molecules with two non-conjugated bridges between donor and acceptor, their use to emit light, and opto-electronic devices and their manufacture - Google Patents
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Abstract
Organisches Molekül zur Emission von Licht, insbesondere zur Verwendung als Emitter in einer optoelektronischen Vorrichtung, umfassend eine oder bestehend aus einer Struktur nach Formel XVIIImit:Q1 bis Q6 sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, CH3, C2H5, C3H7, C4H9, C5H11, C6H13, Phenyl-, Tolyl-, Xylyl-, Benzyl-, Thienyl-, Azolyl-, Diazolyl-, Triazolyl-, Tetrazolyl-, Oxazolyl-, Oxadiazolyl-, Furanyl- und Carbazolyl-Gruppe;wobei Q1 und Q2, Q3 und Q4, sowie Q5 und Q6 optional miteinander verknüpft sind und dadurch ein Cykloalkyl- oder ein aromatisches Spiro-System gebildet wird;Alk1 bis Alk10 sind unabhängig voneinander H oder eine unverzweigte oder verzweigte aliphatische Gruppe oder eine Cykloalkyl-Gruppe.Organic molecule for emitting light, in particular for use as an emitter in an optoelectronic device, comprising or consisting of a structure according to formula XVIII with:Q1 to Q6 are independently selected from the group consisting of H, CH3, C2H5, C3H7, C4H9, C5H11, C6H13, phenyl, tolyl, xylyl, benzyl, thienyl, azolyl, diazolyl, triazolyl, tetrazolyl, oxazolyl, oxadiazolyl, furanyl and carbazolyl group; where Q1 and Q2, Q3 and Q4, and Q5 and Q6 are optionally linked to form a cycloalkyl or an aromatic spiro system;Alk1 to Alk10 are independently H or a straight or branched aliphatic group or a cycloalkyl group.
Description
Die Erfindung betrifft organische Moleküle für opto-elektronische Vorrichtungen sowie opto-elektronische Vorrichtungen enthaltend derartige organische Moleküle. Diese organischen Moleküle weisen eine Donator- und eine Akzeptoreinheit auf, deren räumliche Positionen zueinander durch zwei organische nicht-konjugierte Brücken verbunden sind. Die organischen Moleküle weisen kleine Triplett-Singulett-Energieabstände für eine effektive verzögerte Fluoreszenz auf, die die Moleküle zur Anwendung in opto-elektronischen Vorrichtungen besonders geeignet machen.The invention relates to organic molecules for optoelectronic devices and optoelectronic devices containing such organic molecules. These organic molecules have a donor and an acceptor unit, the spatial positions of which are connected to one another by two organic non-conjugated bridges. The organic molecules exhibit small triplet-singlet energy gaps for effective delayed fluorescence, making the molecules particularly suitable for application in opto-electronic devices.
Hintergrundbackground
Für viele opto-elektronische Anwendungen sind lumineszierende Moleküle (= Emitter-Moleküle) einzusetzen, die eine möglichst kurze Emissions-Abklingzeit τ und eine hohe Photolumineszenz-Quantenausbeute ϕPL aufweisen. Darüber hinaus ist es für derartige Anwendungen mit rein organischen Emitter-Molekülen, also mit Molekülen, die keine Metall-Komplex-Verbindungen darstellen, von Bedeutung, die elektronische Besetzung des untersten angeregten Triplett-Zustandes T1 in den Emissionsprozess einzubeziehen. Diese Anforderung kann dadurch erfüllt werden, dass zwischen dem Ti-Zustand und dem darüber liegenden Singulett-Zustand Si eine ausreichend kleine Energiedifferenz ΔE(S1 - T1) eingestellt wird, um eine thermisch aktivierte verzögerte (delayed) Fluoreszenz (TADF) bei Raumtemperatur zu ermöglichen (
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass bei vielen Molekülen mit einem intra-molekularen Charge-Transfer(CT)-Übergang zwischen einem Donator(D)-Segment und einem Akzeptor(A)-Segment eine TADF auftreten kann. Allerdings sind die bisher gefundenen Energiedifferenzen ΔE(S1 - T1) noch deutlich zu groß, und damit sind die für viele Anwendungen gewünschten photophysikalischen Eigenschaften wie eine kurze Abklingzeit τ(TADF) nicht erreichbar.It is known from the prior art that a TADF can occur in many molecules with an intramolecular charge transfer (CT) transition between a donor (D) segment and an acceptor (A) segment. However, the energy differences ΔE(S 1 - T 1 ) found so far are still far too large, and thus the photophysical properties desired for many applications, such as a short decay time τ(TADF), cannot be achieved.
Beschreibungdescription
Überraschenderweise ist es nun gelungen, ein Verfahren (molekulares Aufbauprinzip) zu finden, dass es gestattet, die Energiedifferenz ΔE(S1 - T1) gezielt zu verkleinern, um entsprechende rein organische Moleküle bereitzustellen. Diese Energiedifferenz ist näherungsweise proportional zum quantenmechanischen Austauschintegral gemäß Gleichung (1)
Hierin sind r1 und r2 die Elektronenkoordinaten und r12 der Abstand zwischen Elektron 1 und Elektron 2. ΨD ist die Wellenfunktion des HOMO (highest occupied molecular orbital), die sich für den erfindungsgemäßen Molekültyp vorwiegend über den Donatorteil D des Moleküls erstreckt, während ΨA* das LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) repräsentiert und sich vorwiegend über den Akzeptorteil A des Moleküls erstreckt. Anhand der Gleichung (1) ist erkennbar, dass ΔE(S1 - T1) klein wird, wenn das Produkt der Wellenfunktionen [ΨD(r1)ΨA*(r2)] klein wird. Diese Anforderung ist für eine Vielzahl von Molekülen mit intra-molekularen CT-Übergängen nicht erreichbar, weil räumliche Ausdehnungen der Wellenfunktionen ΨD(r1) als auch ΨA*(r2) zu ausgeprägten Überlagerungen und damit zu zu großen ΔE(S1 - T1)-Werten führen. Erfindungsgemäß werden Molekülstrukturen vorgeschlagen, die deutlich verminderte Überlagerungen der Wellenfunktionen aufweisen. Das gelingt durch einen Molekülaufbau, in dem die Donator- bzw. Akzeptor-Molekülteile durch nicht-konjugierte, kleine chemische Gruppen (Brücken) voneinander getrennt werden. Dadurch wird die Ausdehnung des HOMO in den Akzeptor-Bereich und des LUMO in den Donator-Bereich stark vermindert.Here r 1 and r 2 are the electron coordinates and r 12 is the distance between
Die Formel I zeigt den Molekülaufbau der erfindungsgemäßen organischen Moleküle mit zwei organischen Brücken zwischen dem Donator- und dem Akzeptor-Segment. Durch geeignete Wahl dieser Brücken kann die räumliche Überlagerung von HOMO (vorwiegend auf dem Donator liegend) und LUMO (vorwiegend auf dem Akzeptor liegend) deutlich reduziert werden. Eine geringfügige Überlappung der Orbitale ist sinnvoll, um die Übergangswahrscheinlichkeit zwischen dem elektronischen Grundzustand So und dem angeregten Si-Zustand nicht zu klein werden zu lassen. Darüber hinaus führt die Zweifach-Verbrückung zu einer Versteifung des Moleküls. Damit werden eine Erhöhung der Emissionsquantenausbeute sowie eine Reduktion der Emissionshalbwertsbreite erreicht. Letzteres ist in vielen Fällen zur Erzielung einer definierten Emissionsfarbe (Farbreinheit) für die Lichterzeugung z. B. in OLEDs sinnvoll.Formula I shows the molecular structure of the organic molecules according to the invention with two organic bridges between the donor segment and the acceptor segment. By choosing these bridges appropriately, the spatial overlapping of HOMO (mainly located on the donor) and LUMO (mainly located on the acceptor) can be significantly reduced. A slight overlap of the orbitals makes sense in order not to let the transition probability between the electronic ground state So and the excited Si state become too small. In addition, the double bridging leads to a stiffening of the molecule. This achieves an increase in the emission quantum yield and a reduction in the emission half-width. The latter is in many cases to achieve a defined emission color (color purity) for light generation z. B. useful in OLEDs.
Formel I zeigt den Molekülaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen organischen Moleküle mit zwei chemischen Brücken. Durch diese Brücken wird die Konjugation zwischen D und A bzw. die Überlappung von HOMO und LUMO deutlich reduziert und die Molekülstruktur stabilisiert.
Formel I: zeigt den Molekülaufbau der erfindungsgemäßen organischen Moleküle bestehend aus einem aromatischen oder einem hetero-aromatischen Donator-Segment D und einem über zwei nicht-konjugierte Brücken B1 und B2 gebundenen aromatischen oder einem hetero-aromatischen Akzeptor-Segment A. Die Brücken vermindern eine ausgeprägte Überlappung vom Donator-HOMO und vom Akzeptor-LUMO.Formula I shows the molecular structure of the organic molecules according to the invention consisting of an aromatic or a heteroaromatic donor segment D and an aromatic or a heteroaromatic acceptor segment A bonded via two non-conjugated bridges B1 and B2 pronounced overlap of the donor HOMO and the acceptor LUMO.
Für eine opto-elektronische Anwendung mit einer Anforderung an einen kleinen ΔE(S1 - T1)-Wert ist es darüber hinaus wichtig, dass die Segmente D bzw. A jeweils eine ausreichend hohe Donator- bzw. Akzeptorstärke aufweisen. (Diese Begriffe sind dem Fachmann bekannt.) Entsprechende Stärken sind durch die Stärken der elektronen-schiebenden (für die Donatorstärke) bzw. der elektronen-ziehenden (für die Akzeptorstärke) Wirkungen beschreibbar.For an opto-electronic application with a requirement for a small ΔE(S 1 -T 1 ) value, it is also important that the segments D and A each have a sufficiently high donor or acceptor strength. (These terms are known to those skilled in the art.) Corresponding strengths can be described by the strengths of the electron-pushing (for the donor strength) or the electron-withdrawing (for the acceptor strength) effects.
Durch geeignete Wahl des molekularen Aufbaus gelingt es, die Energiedifferenz auf ΔE(S1-T1)-Werte kleiner als 2.000 cm-1, insbesondere kleiner als 1.500 cm-1 oder besser kleiner als 800 cm-1 oder noch besser kleiner 400 cm-1 oder besonders kleiner als 200 cm-1 einzustellen. Der entsprechende Wert wird durch das individuelle Molekül festgelegt. Er lässt sich unter Anwendung verschiedener Methoden ermitteln:
- - ΔE(S1 - T1)-Werte resultieren aus quantenmechanischen Rechnungen, zum Beispiel unter Verwendung käuflich zu erwerbender TD-DFT-Programme (z. B. mit dem Gaussian 09-Programm) oder der frei verfügbaren NWChem Version (z. B. Version 6.1), der CC2-Methode (TURBOMOLE GmbH, Karlsruhe) oder einer CAS-Methode (Complete Active State Methode). [Siehe z. B. D. I. Lyakh, M. Musiaz, V. F. Lotrich, R. J. Bartlett, Chem. Rev. 2012, 112, 182-243 und P. G. Szalay, T. Muller, G. Gidofalvi, H. Lischka, R. Shepard, Chem. Rev. 2012, 112, 108-181] Rechenbeispiele sind zu den Beispielen angegeben.
- - Eine experimentelle Bestimmung des ΔE(S1 - T1)-Wertes ist ebenfalls möglich. Die erfindungsgemäßen organischen Moleküle zeigen neben der prompten (= spontanen) Fluoreszenz-Komponente (Abklingzeit einige bis einige zehn ns) eine im Abklingbereich von unter einer µs bis zu mehreren hundert µs liegende TADF-Abkling-Komponente. Die zugehörige Abklingzeit kann mit handelsüblichen Apparaturen als Funktion der Temperatur bestimmt werden. Unter Verwendung der Gleichung (2) lässt sich anhand des Temperaturverlaufs der Emissionsabklingzeit durch Fitten der experimentellen Kurve der ΔE(S1 - T1)-Wert bestimmen [siehe z. B. Czerwieniec R., Kowalski K., Yersin H.; Dalton Trans. 2013, 42, 9826]:
- - ΔE(S 1 - T 1 ) values result from quantum mechanical calculations, for example using commercially available TD-DFT programs (e.g. with the Gaussian 09 program) or the freely available NWChem version (e.g . Version 6.1), the CC2 method (TURBOMOLE GmbH, Karlsruhe) or a CAS method (Complete Active State Method). [See e.g. BDI Lyakh, M. Musiaz, VF Lotrich, RJ Bartlett, Chem. Rev. 2012, 112, 182-243 and PG Szalay, T. Muller, G. Gidofalvi, H. Lischka, R. Shepard, Chem. Rev. 2012, 112, 108-181] Calculation examples are given with the examples.
- - An experimental determination of the ΔE(S 1 - T 1 ) value is also possible. In addition to the prompt (=spontaneous) fluorescence component (decay time of a few to a few tens of ns), the organic molecules according to the invention also exhibit a TADF decay component in the decay range from less than one μs to several hundred μs. The associated decay time can be determined using commercially available equipment as a function of the temperature. Using equation (2), the ΔE(S 1 - T 1 ) value can be determined from the temperature profile of the emission decay time by fitting the experimental curve [see e.g. B. Czerwieniec R., Kowalski K., Yersin H.; Dalton Trans. 2013, 42, 9826]:
Hierin ist τ(T) die experimentell bestimmte, gegebenenfalls gemittelte Abklingzeit nach Abklingen der prompten Emission und dem Erreichen eines thermischen Gleichgewichtes (wenige 100 ns). τ(S1) ist die Abklingzeit der prompten Emission des Si-Zustandes. Die anderen Größen sind bereits oben definiert.Here τ(T) is the experimentally determined, optionally averaged, decay time after the prompt emission has decayed and thermal equilibrium has been reached (a few 100 ns). τ(S 1 ) is the decay time of the prompt emission of the Si state. The other sizes are already defined above.
Die Emissionsabklingzeit τ(TADF) (= τ(300 K)) sollte für viele Anwendungen möglichst klein sein (möglichst kleiner als einige 100 µs). Um das zu erreichen, kann es neben der Einstellung eines kleinen ΔE(S1 - T1)-Wertes zusätzlich sinnvoll sein, die Wirksamkeit der Spin-Bahn-Kopplung (SBK) zwischen dem Ti-Zustand und höheren Molekül-Energiezuständen zu erhöhen, und zwar um eine größere Inter-System-Crossing(ISC) -Rate zu erhalten. Hierfür eignet sich zum Beispiel eine Substitution des Donator-Segments D und/oder des Akzeptor-Segments A mit einem Halogen Cl, Br und/oder I.The emission decay time τ(TADF) (= τ(300 K)) should be as short as possible for many applications (if possible less than a few 100 µs). In order to achieve this, in addition to setting a small ΔE(S 1 - T 1 ) value, it can also be useful to increase the effectiveness of the spin-orbit coupling (SBC) between the Ti state and higher molecular energy states, namely, to obtain a greater inter-system crossing (ISC) rate. A suitable example for this is a substitution of the donor segment D and/or the acceptor segment A with a halogen Cl, Br and/or I.
Eine Erhöhung der ISC-Rate ist für die erfindungsgemäßen Moleküle auch erreichbar, die zu den CT-Zuständen energetisch eng benachbarte auf Donator D und/oder Akzeptor A liegende lokalisierte Zustände aufweisen. Die Erhöhung ergibt sich durch eine Verstärkung der SBK aufgrund quantenmechanischer Mischungen zwischen diesen Zuständen. Die Ziel-Moleküle werden unter Verwendung bekannter Rechenprogramme bzw. quantenmechanischer Methoden (z. B. Gaussian 09 oder CC2-Methode) ermittelt. Die Energieabstände zwischen den oben genannten Zuständen sind kleiner 2000 cm-1, insbesondere kleiner 1500 cm-1, besser kleiner 1000 cm-1, noch besser kleiner 400 cm-1 und am besten kleiner 200 cm-1. Eine gegenseitige energetische Verschiebung lässt sich über Veränderungen der Donator- und/oder der Akzeptorstärken sowie über Veränderungen der elektronenschiebenden Substitutionen am Donator und/oder über Veränderungen der elektronenziehenden Substitutionen am Akzeptor erreichen. Auch durch eine Verwendung von mehr als einer elektronen-schiebenden und/oder-ziehenden Substitutionen kann eine energetische Verschiebung erreicht werden. Eine Verschiebung der CT-Zustände kann auch durch eine Veränderung der Polarität der Umgebung (z. B. der Polymer-Matrix) erfolgen.An increase in the ISC rate can also be achieved for the molecules according to the invention which have localized states lying on donor D and/or acceptor A that are energetically close to the CT states. The increase results from an increase in the SBK due to quantum mechanical mixing between these states. The target molecules are determined using known computer programs or quantum mechanical methods (e.g. Gaussian 09 or CC2 method). The energy gaps between the states mentioned above are less than 2000 cm -1 , in particular less than 1500 cm -1 , better less than 1000 cm -1 , even better less than 400 cm -1 and most preferably less than 200 cm -1 . A mutual energetic shift can be achieved via changes in the donor and/or acceptor strengths and via changes in the electron-donating substitutions on the donor and/or via changes in the electron-withdrawing substitutions on the acceptor. An energetic shift can also be achieved by using more than one electron-donating and/or electron-withdrawing substitution. The CT states can also be shifted by changing the polarity of the environment (e.g. the polymer matrix).
Die chemischen Brücken B1 und B2 zwischen den Segmenten D und A haben nicht nur den Effekt einer Versteifung des Moleküls, sondern führen überraschender Weise auch zu einer Erhöhung der Emissions-Quantenausbeute ϕPL.The chemical bridges B1 and B2 between the segments D and A not only have the effect of stiffening the molecule, but surprisingly also lead to an increase in the emission quantum yield φ PL .
Darüber hinaus bewirken die Brücken eine starke Einschränkung der freien Beweglichkeit des Donator-Molekülsegments D gegenüber dem Akzeptor-Molekülsegment A. Dadurch wird die Variation des ΔE(S1 -T1)-Wertes eines in einer Polymer-Matrix eingebauten gegebenen Emitter-Moleküls stark eingeschränkt. Das bedeutet, dass die Inhomogenität der ΔE(S1 - T1)-Werte deutlich vermindert wird. Ferner wird eine Verbesserung der Farbreinheit der Emission durch eine Verringerung der Halbwertsbreite der Emissionsbande erreicht.In addition, the bridges cause a severe restriction of the free mobility of the donor molecule segment D compared to the acceptor molecule segment A. As a result, the variation of the ΔE(S 1 -T 1 ) value of a given emitter molecule built into a polymer matrix becomes large restricted. This means that the inhomogeneity of the ΔE(S 1 - T 1 ) values is significantly reduced. Furthermore, an improvement in the color purity of the emission is achieved by reducing the half-width of the emission band.
Beschreibung von Akzeptor A und Donator D der Formel IDescription of acceptor A and donor D of formula I
Die Emittermoleküle der Formel I bestehen aus zwei über zwei Brücken B1, B2 kovalent verbundene Segmente, und zwar aus einem Donator-Segment D und einem Akzeptor-Segment A. Die Donator- und Akzeptor-Segmente bestehen aus aromatischen oder heteroaromatischen Gruppen, die weitere Substitutionen aufweisen können. Die Brücken B1, B2 sind kurze aliphatische oder heteroaliphatische Fragmente, die die Konjugation (Delokalisation) zwischen den aromatischen Segmenten A und D stark vermindern. Der chemische Aufbau der Molekülsegmente A und D wird anhand der Formeln II (nicht erfindungsgemäß) und III (erfindungsgemäß) erläutert.
Formeln II und III: Aufbau der D- bzw. A-Molekülsegmente. Die Donator- und Akzeptorsegmente bestehen aus unterschiedlichen aromatischen/heteroaromatischen Fragmenten, die unabhängig voneinander ein Fünf- oder Sechsringsystem sein können und Substitutionen bzw. Erweiterungen (auch mit kondensierten Ringsystemen) aufweisen. Je nach individuellem Aufbau ergibt sich ein Donator- oder ein Akzeptor-Segment.Formulas II and III: structure of the D and A molecule segments. The donor and acceptor segments consist of different aromatic/heteroaromatic fragments which, independently of one another, can be a five- or six-membered ring system and have substitutions or extensions (also with fused ring systems). Depending on the individual structure, there is a donor or an acceptor segment.
# markiert die Stellen, über die der Donatorteil D bzw. der Akzeptorteil A an die Brücken B1 und B2 gebunden sind. Die Bedeutung der Gruppen X1 bis X7 und Y1 bis Y4 ist so gewählt, dass die Definitionen der Patentansprüche erfüllt sind.# marks the points at which the donor part D and the acceptor part A are connected to the bridges B1 and B2. The meaning of the groups X1 to X7 and Y1 to Y4 is chosen such that the definitions of the patent claims are fulfilled.
Die Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Moleküle weisen zwei Ringsysteme der Formel III auf. Die Ringsysteme weisen ein unterschiedliches Substitutionsmuster auf.The embodiments of the molecules according to the invention have two ring systems of the formula III. The ring systems show a different substitution pattern.
Die durch zwei Brücken B1, B2 verbundenen aromatischen oder heteroaromatischen Ringe, die zu den Donator- bzw. Akzeptor-Fragmenten gehören, sind nicht mit weiteren aromatischen oder heteroaromatischen Ringen anelliert; das Donator-Segment D und das Akzeptor-Segment A weisen also jeweils nur einen aromatischen oder heteroaromatischen Ring auf.The aromatic or heteroaromatic rings connected by two bridges B1, B2 belonging to the donor or acceptor fragments are not fused to other aromatic or heteroaromatic rings; the donor segment D and the acceptor segment A thus each have only one aromatic or heteroaromatic ring.
Zur Erhöhung der Spin-Bahn-Kopplung kann in einer Ausführungsform der Erfindung auch eine Substitution der aromatischen und/oder der hetero-aromatischen Ringsysteme oder der Brücken der organischen Moleküle mit einem Halogen (Cl, Br oder I) erfolgen.In one embodiment of the invention, the aromatic and/or heteroaromatic ring systems or the bridges of the organic molecules can also be substituted with a halogen (Cl, Br or I) to increase the spin-orbit coupling.
Die Molekülsysteme gemäß der Formel II (Fünfringsystem) und der Formel III (Sechsringsystem) können als Donator oder Akzeptor wirksam sein. Um eine spezifische Donator-Wirkung zu erzielen, muss das HOMO einen elektronenreichen Bereich repräsentieren und weitgehend auf dem Donatorteil lokalisiert sein. Um eine spezifische Akzeptor-Wirkung zu erzielen, muss das LUMO einen elektronenarmen Bereich repräsentieren und weitgehend auf dem Akzeptorteil lokalisiert sein. Das in
Die HOMO- und LUMO-Energien der getrennten Donator- und Akzeptor-Segmente lassen sich in der Regel elektro-chemisch bestimmen. Um eine Substanz mit den in
Elektronenreiche Donator- bzw. elektronenarme Akzeptor-Segmente lassen sich durch Einführung bestimmter Heteroatome in das kondensierte Ringsystem und/oder durch bestimmte Substitutionen mit elektronen-schiebenden bzw. elektronen-ziehenden Funktionsgruppen realisieren. So bewirkt z. B. eine Einführung eines Heteroatoms, typischerweise Stickstoff (es ergeben sich Aza-Aromate), in das aromatische Sechsringsystem - aufgrund des dem Fachmann bekannten mesomeren Effektes - eine Stabilisierung der π- und π*-Orbitale. Als Folge dessen sind die Potentiale der Ein-Elektron-Reduktion und -Oxidation der Aza-Aromaten höher als die Redoxpotentiale der entsprechenden rein aromatischen (ohne Heteroatome) Kohlenwasserstoffe. In aromatischen Fünfringsystemen führt die Einführung eines Heteroatoms, typischerweise Stickstoff, über den mesomeren Effekt hingegen zu einer Destabilisierung der π- und π*-Orbitale, was zu geringeren Oxidations- und Reduktionspotentialen führt. Weitere Anpassungen der Orbitalenergien erfolgen durch Substitutionen mit elektronenziehenden (EWG = electron withdrawing group) bzw. -schiebenden (EDG = electron donating group) Funktionsgruppen. Substitutionen mit EWGs führen in der Regel zu niedrigeren HOMO- und LUMOEnergien, während Substitutionen mit EDGs in der Regel zu höheren HOMO- und LUMO-Lagen führen. Typischerweise werden folgende EWGs bzw. EDGs eingesetzt: [M. Smith, J. March; March's Advanced Organic Chemistry, Reaction, Mechanism and Structure, 6th ed. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2007].Electron-rich donor or electron-poor acceptor segments can be realized by introducing certain heteroatoms into the fused ring system and/or by certain substitutions with electron-donating or electron-withdrawing functional groups. So causes z. B. an introduction of a heteroatom, typically nitrogen (there are aza-aromatics), in the aromatic six-membered ring system - due to the mesomeric effect known to the person skilled in the art - a stabilization of the π and π* orbitals. As a result, the one-electron reduction and oxidation potentials of the aza-aromatics are higher than the redox potentials of the corresponding purely aromatic (non-heteroatomic) hydrocarbons. In contrast, in aromatic five-membered rings, the introduction of a heteroatom, typically nitrogen, leads to a destabilization of the π and π* orbitals via the mesomeric effect, leading to lower oxidation and reduction potentials. Further adaptations of the orbital energies are made by substitutions with electron-withdrawing (EWG = electron withdrawing group) or -pushing (EDG = electron donating group) functional groups. Substitutions with EWGs typically result in lower HOMO and LUMO energies, while substitutions with EDGs typically result in higher HOMO and LUMO locations. The following EWGs or EDGs are typically used: [M. Smith, J. March; March's Advanced Organic Chemistry, Reaction, Mechanism and Structure, 6th ed. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2007].
In einer Ausführungsform weist das erfindungsgemäße organische Molekül eine Struktur nach Formel XVIII oder XIX auf.
Im Donator-Bereich weist das Emitter-Molekül eine aromatische Aminogruppe auf. Der Akzeptor-Teil ist eine Dicyanobenzol-Gruppe, wobei die beiden CN-Substituenten in einer ortho-, meta- oder para-Position zueinander sowie zu den verbrückenden aliphatischen Gruppen stehen dürfen.In the donor area, the emitter molecule has an aromatic amino group. The acceptor moiety is a dicyanobenzene group, where the two CN substituents may be in an ortho, meta, or para position to each other and to the bridging aliphatic groups.
Q1 bis Q6 sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, CH3, C2H5, C3H7, C4H9, C5H11, C6H13, Phenyl-, Tolyl-, Xylyl-, Benzyl-, Thienyl-, Azolyl-, Diazolyl-, Triazolyl-, Tetrazolyl-, Oxazolyl-, Oxadiazolyl-, Furanyl- und Carbazolyl-Gruppe.Q1 through Q6 are independently selected from the group consisting of H, CH 3 , C 2 H 5 , C 3 H 7 , C 4 H 9 , C 5 H 11 , C 6 H 13 , phenyl, tolyl, xylyl , benzyl, thienyl, azolyl, diazolyl, triazolyl, tetrazolyl, oxazolyl, oxadiazolyl, furanyl and carbazolyl group.
Q1 und Q2, Q3 und Q4, sowie Q5 und Q6 können miteinander verknüpft sein, wodurch ein Cykloalkyl oder ein aromatisches Spiro-System (z. B. zu einer Stabilisierung der Molekularstruktur) entsteht.Q1 and Q2, Q3 and Q4, and Q5 and Q6 can be linked to one another, resulting in a cycloalkyl or an aromatic spiro system (e.g. to stabilize the molecular structure).
Alk1 bis Alk10 sind unabhängig voneinander H oder eine aliphatische, normale oder verzweigte, (CnH2n+1; n = 1, 2, 3, 4, 5, oder 6) oder Cykloalkyl- (CnH2n+1; n = 5 oder 6) Gruppe.Alk1 through Alk10 are independently H or aliphatic, normal or branched, (C n H 2n+1 ; n = 1, 2, 3, 4, 5, or 6) or cycloalkyl (C n H 2n+1 ; n = 5 or 6) group.
Alternativ weist das erfindungsgemäße organische Molekül eine Struktur nach einer der nachfolgenden Formeln 1-7, 9, 12-28, 30-33 oder 36-38 auf:
Beispieleexamples
Die unten beispielhaft angegebenen, erfindungsgemäßen Moleküle und Vergleichsmoleküle können zur Erhöhung der Spin-Bahn-Kopplung (SBK) auch mindestens eine Cl-, Br- und/oder I-Substitution aufweisen. Die geeignete Position für eine derartige Substitution kann mittels quantenmechanischer Rechnungen bestimmt werden, indem Rechenprogramme, die die SBK mit erfassen (z. B. ADF-, ORCA-Programm), verwendet werden. Zur Erfassung des Trends lassen sich auch DFT- oder CC2-Rechnungen durchführen. Die Position der Halogen-Substitution wird dann dadurch festgelegt, dass Halogen-Atomorbitale mit deutlichem Anteil z. B. im HOMO, HOMO-1, HOMO-2 und/oder z. B. im LUMO, LUMO+1, LUMO+2 enthalten sind. Für die derart ermittelten Substitutionsmuster muss auch beachtet werden, und zwar z. B. unter Verwendung von TDDFT- oder CC2-Rechnungen, dass die Energiedifferenz ΔE(S1 - T1) zwischen dem untersten angeregten Singulett (S1)- und dem darunter liegenden Triplett (T1)-Zustand des organischen Moleküls kleiner als 2.000 cm-1, insbesondere kleiner als 1.500 cm-1, bevorzugt kleiner als 800 cm-1, besonders bevorzugt kleiner 400 cm-1 und am meisten bevorzugt kleiner 200 cm-1 ist.The molecules according to the invention and comparison molecules given below by way of example can also have at least one Cl, Br and/or I substitution in order to increase the spin-orbit coupling (SBC). The suitable position for such a substitution can be determined by means of quantum mechanical calculations by using computer programs that also record the SBK (e.g. ADF, ORCA program). DFT or CC2 calculations can also be carried out to record the trend. The position of the halogen substitution is then determined by the fact that halogen atomic orbitals with a significant proportion z. B. in HOMO, HOMO-1, HOMO-2 and / or z. B. contained in LUMO, LUMO+1, LUMO+2. The substitution pattern determined in this way must also be taken into account, namely e.g. For example, using TDDFT or CC2 calculations, the energy difference ΔE(S 1 - T 1 ) between the lowest excited singlet (S 1 ) and underlying triplet (T 1 ) states of the organic molecule is less than 2,000 cm -1 , in particular less than 1500 cm -1 , preferably less than 800 cm -1 , particularly preferably less than 400 cm -1 and most preferably less than 200 cm -1 .
Die Materialien können unter Verwendung von dem Fachmann bekannten katalytischen Kupplungsreaktionen (z. B. Suzuki-Kupplungsreaktion, Buchwald-Hartwig-Kreuzkupplungsreaktion) bzw. durch diverse Kondensationsreaktionen synthetisiert werden.The materials can be synthesized using catalytic coupling reactions known to those skilled in the art (e.g. Suzuki coupling reaction, Buchwald-Hartwig cross-coupling reaction) or by various condensation reactions.
Beispiel 1example 1
Die chemische Synthese des Beispielmoleküls 1 ist im folgenden Reaktionsschema erläutert:
Reaktanden und Reaktionsbedingungen:Reactants and reaction conditions:
- (1) (t-C4H9- C6H5)2NH, Pd(CH3COO)2, P[(C(CH3)3]3, (CH3)3CONa, 90 °C, 19 h.(1) (tC 4 H 9 - C 6 H 5 ) 2 NH, Pd(CH 3 COO) 2 , P[(C(CH 3 ) 3 ] 3 , (CH 3 ) 3 CONa, 90 °C, 19 h .
- (2) K4[Fe(CN)6], Pd(CH3COO)2, P[(C(CH3)3]3, Na2CO3, (CH3)2NCHO, 140 °C, 12 h.(2) K 4 [Fe(CN) 6 ], Pd(CH 3 COO) 2 , P[(C(CH 3 ) 3 ] 3 , Na 2 CO 3 , (CH 3 ) 2 NCHO, 140 °C, 12 H.
Die Synthese kann auch nach folgendem ausführlicheren Reaktionsschema erfolgen:
Reaktanden und Reaktionsbedingungen:
- (1) CH3CO2Na, 230°C, 3 h.
- (2) HPO2, I2, roter P, CH3COOH, 80 °C, 24 h.
- (3) (H3PO4)n, 175 °C, 5 h.
- (4) Al[OCH(CH3)2]3, 275 °C, 3 h.
- (5) (t-C4H9- C6H5)2NH, Pd(CH3COO)2, P[(C(CH3)3]3, (CH3)3CONa, 90 °C, 19 h.
- (6) K4[Fe(CN)6], Pd(CH3COO)2, P[(C(CH3)3]3, Na2CO3, (CH3)2NCHO, 140 °C, 12 h.
- (1) CH3 CO2 Na, 230°C, 3 h.
- (2) HPO 2 , I 2 , red P, CH 3 COOH, 80 °C, 24 h.
- (3) (H 3 PO 4 ) n , 175 °C, 5 h.
- (4) Al[OCH(CH 3 ) 2 ] 3 , 275 °C, 3 h.
- (5) (tC 4 H 9 - C 6 H 5 ) 2 NH, Pd(CH 3 COO) 2 , P[(C(CH 3 ) 3 ] 3 , (CH 3 ) 3 CONa, 90 °C, 19 h .
- (6) K 4 [Fe(CN) 6 ], Pd(CH 3 COO) 2 , P[(C(CH 3 ) 3 ] 3 , Na 2 CO 3 , (CH 3 ) 2 NCHO, 140 °C, 12 H.
Chemische Analysen:Chemical analyzes:
Rf(Hexan/Ethylacetat 10:1): 0.52. 1H NMR (CDCl3, 300 MHz, δ ppm): 1.31 (s, 18 H), 3.13 (m, 4H), 4.05 (s, 2H), 6.84 (dd, J = 3.6 Hz, J = 12.0 Hz, 1H), 6.90 (s, 1H), 6.95 (s, 1H), 6.95 (d, J = 9 Hz, 5H), 7.22 (d, J = 9 Hz, 4H), 7.55 (s, 2H). 13C-NMR (300 MHz CDCl3, δ ppm): 30.72 (CH2), 31.46 (CH3), 32.80 (CH2), 34.31 (CH2), 40.56 (Cquat), 113.16 (Cquat), 113.73 (Cquat), 115.59 (Cquat), 122.35 (Cquat), 123.48 (CH), 123.78 (Cquat), 126.03 (CH), 130.57 (Cquat), 130.94 (CH), 133.86 (CH), 134.48 (CH), 136.63 (Cquat), 144.91 (Cquat), 145.40 (Cquat), 145.69 (Cquat), 146.31 (Cquat).R f (hexane/ethyl acetate 10:1): 0.52. 1 H NMR (CDCl 3 , 300 MHz, δ ppm): 1.31 (s, 18 H), 3.13 (m, 4H), 4.05 (s, 2H), 6.84 (dd, J=3.6 Hz, J=12.0 Hz, 1H), 6.90 (s, 1H), 6.95 (s, 1H), 6.95 (d, J=9Hz, 5H), 7.22 (d, J=9Hz, 4H), 7.55 (s, 2H). 13 C-NMR (300MHz CDCl3 , δppm): 30.72 (CH2), 31.46 (CH3), 32.80 (CH2), 34.31 (CH2), 40.56 (Cquat), 113.16 (Cquat), 113.73 (Cquat), 115.59 (Cquat), 122.35 (Cquat), 123.48 (CH), 123.78 (Cquat), 126.03 (CH), 130.57 (Cquat), 130.94 (CH), 133.86 (CH), 134.48 (CH), 136.63 (Cquat), 144.91 (Cquat), 145.40 (Cquat), 145.69 (Cquat), 146.31 (Cquat).
MS (ES - MS = Electrospray-Massenspektrometrie) m/z: 523 (M+). MS (HR - ES - MS = hochauflösende Electrospray Massenspektrometrie) m/z: C37H37N3 ergibt: 523.2979, gefunden: 523.2980 (M+). C37H37N3 ergibt: C 84.86, H 7.12, N 8.02 %, gefunden: C 84.54, H 7.36, N 7.90 %.MS (ES - MS = Electrospray Mass Spectrometry) m/z: 523 (M + ). MS (HR - ES - MS = high resolution electrospray mass spectrometry) m/z: C37 H37 N3 yields: 523.2979 , found: 523.2980 (M + ). C 37 H 37 N 3 yields: C 84.86, H 7.12, N 8.02%, found: C 84.54, H 7.36, N 7.90%.
Das Beispielmolekül 1 läßt sich in vielen organischen Lösungsmitteln lösen, z. B. in Dichlormethan (CH2Cl2), Toluol, n-Hexan, n-Octan, Tetrahydrofuran (THF), Aceton, Dimethylformamid (DMF), Acetonitril, Ethanol, Methanol, Xylen oder Benzol. Die gute Löslichkeit in Dichlormethan ermöglicht auch ein Eindotieren in Polymethylmethacrylat (PMMA) bzw. Polystyrol (PS).
Das Emitter-Material nach Beispiel 1 ist sublimierbar (Temperatur 170 °C; Druck 10-3 mbar.)The emitter material according to example 1 can be sublimated (temperature 170 °C; pressure 10 -3 mbar.)
Photophysikalische Messungen des Beispielmoleküls 1 in PMMA bzw. PS (mit einer Dotierungskonzentration von c ≈ 1 Gew.%) belegen das Auftreten einer TADF und günstige Emissionseigenschaften. Bei sehr tiefer Temperatur, z. B. bei T = 2 K, ist eine thermische Aktivierung nicht möglich. So zeigt die Emission zwei stark unterschiedliche Abklingzeiten, und zwar eine sehr kurze Komponente, die dem S1 → S0 - Fluoreszenz-Übergang entspricht mit etwa 4 ns in PMMA und 25 ns in PS und eine sehr lange Komponente, die der Phosphoreszenz gemäß dem T1 → S0 Übergang zugeordnet wird mit τ(phos) ≈ 550 ms in PMMA und τ(phos) ≈ 450 ms in PS. (Hinweis: Die Probe wurde mit Stickstoff gespült.).Photophysical measurements of
In
Eine Temperaturerhöhung auf T = 300 K führt zu einer drastischen Änderung der Spektren und des Abklingverhaltens, was das Auftreten einer TADF bereits stützt.
Aussagekräftig ist ein Vergleich der Emissionsquantenausbeuten bei T = 300 K unter Stickstoffspülung (der in PMMA dotierten Probe) mit dem Wert, der unter Umgebungsluft gefunden wird. Die Werte betragen ΦPL(Stickstoff) = 40 % bzw. ΦPL(Luft) = 25 %. Diese Abnahme zeigt, dass der Triplett-Zustand im Emissionsprozess involviert ist, weil der Luftsauerstoff in der Regel nur die Löschung eines langlebigen Triplett-Zustandes bewirkt (siehe A. M. Prokhorov et al., J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 9637). Da eine Triplett-Besetzung eine Voraussetzung für das Auftreten einer TADF ist, deutet dieses Verhalten wieder darauf hin, dass das Beispielmolekül 1 die gewünschte TADF-Eigenschaft aufweist. Hinweis: Das Emissionsmaximum in PMMA liegt bei T = 300 K im blau-weißen Bereich bei A(max) = 475 nm (CIE x: 0.198; y: 0.287) und in PS liegt bei T = 300 K im blauen Bereich bei A(max) = 450 nm (CIE x: 0.174; y: 0.154).A comparison of the emission quantum yields at T = 300 K under nitrogen flushing (of the sample doped in PMMA) with the value found under ambient air is meaningful. The values are Φ PL (nitrogen) = 40% and Φ PL (air) = 25%. This decrease shows that the triplet state is involved in the emission process because atmospheric oxygen usually only causes the quenching of a long-lived triplet state (see AM Prokhorov et al., J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 9637 ). Since triplet occupancy is a prerequisite for the occurrence of a TADF, this behavior again suggests that
Die thermische Aktivierungsenergie ΔE(S1 - T1) kann ebenfalls gut bestimmt werden, wenn die Emission in flüssiger Phase photophysikalisch analysiert wird. Daher wurden Untersuchungen am Beispielmolekül 1, gelöst in Toluol (mit einer Konzentration von c ≈ 10-5 mol/l) durchgeführt. Hier sei darauf hingewiesen, dass die einfachen Messungen der Emissionsquantenausbeuten wieder-wie oben erläutert - ein TADF-Auftreten auch für das in Toluol gelöste Molekül erwarten lassen, weil sich die Emissionsquantenausbeuten unter Luft deutlich verringern. Die entsprechenden Meßwerte betragen ΦPL(Stickstoff) = 30 % bzw. ΦPL(Luft) = 5 %.The thermal activation energy ΔE(S 1 - T 1 ) can also be determined well if the emission in the liquid phase is analyzed photophysically. Therefore, investigations were carried out on the
Die Untersuchungen wurden in einem Temperaturbereich durchgeführt, in dem für Toluol keine Phasenumwandlung auftritt und die Probe flüssig bleibt. So ist der Temperaturbereich von etwa 200 K bis 300 K gut geeignet.The investigations were carried out in a temperature range in which no phase change occurs for toluene and the sample remains liquid. The temperature range of about 200 K to 300 K is well suited.
Das Abklingverhalten der langlebigen Komponente der Emission des in Toluol gelösten Beispielmoleküls 1 läßt sich für verschiedene Temperaturen meßtechnisch gut erfassen. Es wird ein weitgehend monoexponentielles Abklingen beobachtet. Die entsprechenden Meßwerte sind in
Hierin ist A eine Konstante.Here A is a constant.
Unter Anwendung von Gleichung 3 lassen sich die Meßpunkte durch eine Gerade fitten. Aus der Geradensteigung ergibt sich eine Aktivierungsenergie von ΔE(S1 - T1) = 85 cm-1. Damit ist das Auftreten einer TADF für das Beispielmolekül 1 experimentell nachgewiesen. Entsprechende Resultate ergeben sich auch für das TADF-Verhalten des in PMMA gelösten Beispielmoleküls 1.Using Equation 3, the measurement points can be fitted by a straight line. The slope of the straight line gives an activation energy of ΔE(S 1 - T 1 ) = 85 cm -1 . Thus, the occurrence of a TADF for
Es sei hervorgehoben, daß hiermit auch gezeigt ist, daß die errechnete Energiedifferenz mit ΔE(S1-T1) = 75 cm-1 (siehe Bildunterschrift zu
Beispiel 2example 2
Im Folgenden wird das Beispielmolekül 2 detaillierter diskutiert. Die in
Die chemische Synthese des Beispielmoleküls 2 ist im folgenden Reaktionsschema erläutert.
Reaktanden und Reaktionsbedingungen:
- (1) CH3CO2Na, 230 °C, 3 h.
- (2) HPO2, I2, roter P, CH3COOH, 80 °C, 24 h.
- (3) (H3PO4)n, 175 °C, 5 h.
- (4) Al[OCH(CH3)2]3, 275 °C, 3 h.
- (5) (t-C4H9- C6H5)2NH, Pd(CH3COO)2, P[(C(CH3)3]3, (CH3)3CONa, 90 °C, 19 h.
- (6) K4[Fe(CN)6], Pd(CH3COO)2, P[(C(CH3)3]3, Na2CO3, (CH3)2NCHO, 140 °C, 12 h.
- (1) CH 3 CO 2 Na, 230 °C, 3 h.
- (2) HPO 2 , I 2 , red P, CH 3 COOH, 80 °C, 24 h.
- (3) (H 3 PO 4 ) n , 175 °C, 5 h.
- (4) Al[OCH(CH 3 ) 2 ] 3 , 275 °C, 3 h.
- (5) (tC 4 H 9 - C 6 H 5 ) 2 NH, Pd(CH 3 COO) 2 , P[(C(CH 3 ) 3 ] 3 , (CH 3 ) 3 CONa, 90 °C, 19 h .
- (6) K 4 [Fe(CN) 6 ], Pd(CH 3 COO) 2 , P[(C(CH 3 ) 3 ] 3 , Na 2 CO 3 , (CH 3 ) 2 NCHO, 140 °C, 12 H.
Beispiel 3Example 3
Im Folgenden wird das unter Beispiel 3 gezeigte Molekül detaillierter diskutiert. Die in
Die chemische Synthese des Beispielmoleküls 3 ist im folgenden Reaktionsschema erläutert.
Reaktanden und Reaktionsbedingungen:
- (1) CH3CO2Na, 230 °C, 3 h.
- (2) HPO2, I2, roter P, CH3COOH, 80 °C, 24 h.
- (3) (H3PO4)n, 175 C, 5 h.
- (4) (C2H5)2O, 30 °C, 24 h. NH4Cl, H2O.; F3CCO2H, 3 h, 50 °C.
- (5) Carbazol, Pd(CH3COO)2, P[(C(CH3)3]3, (CH3)3CONa, 90 °C, 19 h.
- (6) K4[Fe(CN)6], Pd(CH3COO)2, P[(C(CH3)3]3, Na2CO3, (CH3)2NCHO, 140 °C, 12 h.
- (1) CH 3 CO 2 Na, 230 °C, 3 h.
- (2) HPO 2 , I 2 , red P, CH 3 COOH, 80 °C, 24 h.
- (3) (H 3 PO 4 ) n , 175 C, 5 h.
- (4) (C2 H5 )2 O , 30°C, 24 h. NH 4 Cl, H 2 O.; F3CCO2H , 3 h, 50°C.
- (5) Carbazole, Pd(CH 3 COO) 2 , P[(C(CH 3 ) 3 ] 3 , (CH 3 ) 3 CONa, 90 °C, 19 h.
- (6) K 4 [Fe(CN) 6 ], Pd(CH 3 COO) 2 , P[(C(CH 3 ) 3 ] 3 , Na 2 CO 3 , (CH 3 ) 2 NCHO, 140 °C, 12 H.
Beispiel 4example 4
Im Folgenden wird das gezeigte Beispielmolekül 4 detaillierter diskutiert. Die in
Die chemische Synthese des Beispielmoleküls 4 ist im folgenden Reaktionsschema erläutert.
Reaktanden und Reaktionsbedingungen:
- (1) CH3CO2Na, 230 °C, 3 h.
- (2) HPO2, I2, roter P, CH3COOH, 80 °C, 24 h.
- (3) (H3PO4)n, 175 °C, 5 h.
- (4) Al[OCH(CH3)2]3, 275 °C, 3 h.
- (5) (t-C4H9- C6H5)2NH, Pd(CH3COO)2, P[(C(CH3)3]3, (CH3)3CONa, 90 °C, 19 h.
- (6) K4[Fe(CN)6], Pd(CH3COO)2, P[(C(CH3)3]3, Na2CO3, (CH3)2NCHO, 140 °C, 12 h.
- (1) CH 3 CO 2 Na, 230 °C, 3 h.
- (2) HPO 2 , I 2 , red P, CH 3 COOH, 80 °C, 24 h.
- (3) (H 3 PO 4 ) n , 175 °C, 5 h.
- (4) Al[OCH(CH 3 ) 2 ] 3 , 275 °C, 3 h.
- (5) (t-C4H 9 - C 6 H 5 ) 2 NH, Pd(CH 3 COO) 2 , P[(C(CH 3 ) 3 ] 3 , (CH 3 ) 3 CONa, 90 °C, 19 h .
- (6) K 4 [Fe(CN) 6 ], Pd(CH 3 COO) 2 , P[(C(CH 3 ) 3 ] 3 , Na 2 CO 3 , (CH 3 ) 2 NCHO, 140 °C, 12 H.
Beispiel 5Example 5
Im Folgenden wird das gezeigte Beispielmolekül 5 detaillierter diskutiert. Die in
Die chemische Synthese des Beispielmoleküls 5 ist im folgenden Reaktionsschema erläutert.
Reaktanden und Reaktionsbedingungen:
- (1) CH3CO2Na, 230 °C, 3 h.
- (2) HPO2, I2, roter P, CH3COOH, 80 °C, 24 h.
- (3) (H3PO4)n, 175 °C, 5 h.
- (4) Al[OCH(CH3)2]3, 275 °C, 3 h.
- (5) (t-C4H9- C6H5)2NH, Pd(CH3COO)2, P[(C(CH3)3]3, (CH3)3CONa, 90 °C, 19 h.
- (6) K4[Fe(CN)6], Pd(CH3COO)2, P[(C(CH3)3]3, Na2CO3, (CH3)2NCHO, 140 °C, 12 h.
- (1) CH 3 CO 2 Na, 230 °C, 3 h.
- (2) HPO 2 , I 2 , red P, CH 3 COOH, 80 °C, 24 h.
- (3) (H 3 PO 4 ) n , 175 °C, 5 h.
- (4) Al[OCH(CH 3 ) 2 ] 3 , 275 °C, 3 h.
- (5) (tC 4 H 9 - C 6 H 5 ) 2 NH, Pd(CH 3 COO) 2 , P[(C(CH 3 ) 3 ] 3 , (CH 3 ) 3 CONa, 90 °C, 19 h .
- (6) K 4 [Fe(CN) 6 ], Pd(CH 3 COO) 2 , P[(C(CH 3 ) 3 ] 3 , Na 2 CO 3 , (CH 3 ) 2 NCHO, 140 °C, 12 H.
Beispiel 6Example 6
Im Folgenden wird das gezeigte Beispielmolekül 6 detaillierter diskutiert. Die in
Beispiel 7Example 7
In
Die chemische Synthese des Beispielmoleküls 7 ist im folgenden Reaktionsschema erläutert:
Reaktanden und Reaktionsbedingungen:
- (1) CH3CO2Na, 230 °C, 3 h.
- (2) HI (57 prozentige Wasserlösung), roter P, 80 °C, 24 h.
- (3) (H3PO4)n, 175 °C, 5 h.
- (4) Al[OCH(CH3)2]3, 275 °C, 3 h.
- (5) (CH3)2NH, Pd(CH3COO)2, P[(C(CH3)3]3, (CH3)3CONa, 90 °C, 19 h.
Beispiel 8 (Vergleichsbeispiel)
- (1) CH 3 CO 2 Na, 230 °C, 3 h.
- (2) HI (57% water solution), red P, 80 °C, 24 h.
- (3) (H 3 PO 4 ) n , 175 °C, 5 h.
- (4) Al[OCH(CH 3 ) 2 ] 3 , 275 °C, 3 h.
- (5) (CH 3 ) 2 NH, Pd(CH 3 COO) 2 , P[(C(CH 3 ) 3 ] 3 , (CH 3 ) 3 CONa, 90 °C, 19 h.
Example 8 (comparative example)
Die in
Die chemische Synthese des Beispielmoleküls 8 ist im folgenden Reaktionsschema erläutert.
Reaktanden und Reaktionsbedingungen:
- (1) CH3CO2Na, 230 °C, 3 h.
- (2) HI (57 prozentige Wasserlösung), roter P, 80 °C, 24 h.
- (3) CH2N2, SO2Cl2, 80 °C, 2 h; (CH3)3COH, C6H5COOAg, Et3N, 90 °C, 2 h.
- (4) (H3PO4)n, 175 °C, 5 h.
- (5) Al[OCH(CH3)2]3, 275 °C, 3 h.
- (6) (CH3)2NH, Pd(CH3COO)2, P[(C(CH3)3]3, (CH3)3CONa, 90 °C, 19 h.
- (7) K4[Fe(CN)6], Pd(CH3COO)2, P[(C(CH3)3]3, Na2CO3, (CH3)2NCHO, 140 °C, 12 h.
- (1) CH 3 CO 2 Na, 230 °C, 3 h.
- (2) HI (57% water solution), red P, 80 °C, 24 h.
- (3) CH 2 N 2 , SO 2 Cl 2 , 80 °C, 2 h; (CH 3 ) 3 COH, C 6 H 5 COOAg, Et 3 N, 90 °C, 2 h.
- (4) (H 3 PO 4 ) n , 175 °C, 5 h.
- (5) Al[OCH(CH 3 ) 2 ] 3 , 275 °C, 3 h.
- (6) (CH 3 ) 2 NH, Pd(CH 3 COO) 2 , P[(C(CH 3 ) 3 ] 3 , (CH 3 ) 3 CONa, 90 °C, 19 h.
- (7) K 4 [Fe(CN) 6 ], Pd(CH 3 COO) 2 , P[(C(CH 3 ) 3 ] 3 , Na 2 CO 3 , (CH 3 ) 2 NCHO, 140 °C, 12 H.
Beispiel 9example 9
In
Beispiel 10 (Vergleichsbeispiel)
Example 10 (comparative example)
In
Beispiel 11 (Vergleichsbeispiel)Example 11 (comparative example)
In
Beispiel 12Example 12
In
In
Figurenlistecharacter list
-
1 . Energieniveauschema zur Veranschaulichung des Prozesses der thermisch aktivierten verzögerten (delayed) Fluoreszenz (TADF). kBT repräsentiert die thermische Energie mit kB der Boltzmannkonstanten und T der absoluten Temperatur. Das Diagramm zeigt den radiativen TADF-Prozess und die bei tiefer Temperatur beobachtbaren strahlenden und nicht-strahlenden (gewellt dargestellt) Desaktivierungsprozesse aus dem T1-Zustand. Der Prozess der spontanen S1 → S0 Fluoreszenz ist im Diagramm nicht eingezeichnet.1 . Energy level scheme illustrating the thermally activated delayed fluorescence (TADF) process. k B T represents the thermal energy with k B the Boltzmann constant and T the absolute temperature. The diagram shows the radiative TADF process and the radiative and non-radiative (corrugated) deactivation processes from the T 1 state observable at low temperature. The process of spontaneous S 1 → S 0 fluorescence is not shown in the diagram. -
2 . Schematische Darstellung der Orbitalenergien eines Moleküls aufweisend ein Donator- und ein Akzeptor-Segment (D-A-Molekül). Aufgrund der nicht-konjugierten Brücken sind die Wechselwirkungen zwischen den Donator- und Akzeptor-Orbitalen klein. Daher können die elektronischen Eigenschaften der D- und A-Segmente näherungsweise getrennt betrachtet werden, d. h. die D-Orbital-Energien sind annähernd gleich denen der entsprechenden freien (nicht verbunden) Donator-Moleküle und die A-Orbital-Energien sind annähernd gleich denen der entsprechenden freien (nicht verbunden) Akzeptor-Moleküle. Die HOMO-Energie des isolierten Donators (elektronenreich) ist energetisch wesentlich höher als die HOMO-Energie des isolierten Akzeptors (elektronenarm). Das LUMO des isolierten Donators liegt energetisch wesentlich höher als das LUMO des Akzeptors. Dementsprechend ist das HOMO des D-A Moleküls vorwiegend auf dem D-Segment und das LUMO des D-A Moleküls vorwiegend auf dem A-Segment lokalisiert.2 . Schematic representation of the orbital energies of a molecule having a donor and an acceptor segment (DA molecule). Because of the non-conjugated bridges, the interactions between the donor and acceptor orbitals are small. Therefore, the electronic properties of the D and A segments can be approximately considered separately, that is, the D orbital energies are approximately equal to those of the corresponding free (unconnected) donor molecules and the A orbital energies are approximately equal to those of the corresponding free (unlinked) acceptor molecules. The HOMO energy of the isolated donor (electron rich) is much higher in energy than the HOMO energy of the isolated acceptor (electron poor). The LUMO of the isolated donor is much higher in energy than the LUMO of the acceptor. Accordingly, the HOMO of the DA molecule is predominantly located on the D segment and the LUMO of the DA molecule is predominantly located on the A segment. -
3 : Isoflächen der Grenzorbitale für das Beispielmolekül 1 (s. Beispiel 1), HOMO: links, LUMO: rechts Es erfolgten Geometrie-Optimierungen für den elektronischen Grundzustand So. Rechnungsmethoden: DFT und TD-DFT, Funktional: B3LYP, Basissatz: 6-31G(d,p), Rechnungssoftware: Gaussian09. Die Rechnungen ergeben ΔE(S1 - T1) = 75 cm-1 (So-Geometrie). Dieser Wert zeigt, dass Beispiel 1 einen guten TADFEmitter repräsentiert.3 : Isosurfaces of the frontier orbitals for example molecule 1 (see Example 1), HOMO: left, LUMO: right Geometry optimizations for the electronic ground state were carried out. Calculation methods: DFT and TD-DFT, functional: B3LYP, basis set: 6-31G (d,p), calculation software: Gaussian09. The calculations result in ΔE(S 1 - T 1 ) = 75 cm -1 (So geometry). This value shows that example 1 represents a good TADFE emitter. -
4 : Zeitaufgelöste Emissionsspektren von Beispielmolekül 1 mit etwa 1 Gew. % dotiert in PS bei T = 2 K. Das Kurzzeitspektrum ist ohne Zeitverzögerung (t = 0 ns) mit einem Detektionszeitfenster von Δt = 100 ns und das Langzeitspektrum mit einer Zeitverzögerung von t = 500 µs (Zeitfenster Δt = 900 ms) aufgenommen. Anregung: Kurzzeitspektrum: 375 nm, Pulsbreite 70 ps; Langzeitspektrum, Anregung: 365 nm, Pulsbreite: 10 ns.4 : Time-resolved emission spectra ofexample molecule 1 doped with about 1 wt% in PS at T = 2 K. The short-term spectrum is without time delay (t = 0 ns) with a detection time window of Δt = 100 ns and the long-term spectrum with a time delay of t = 500 µs (time window Δt = 900 ms). Excitation: short-term spectrum: 375 nm, pulse width 70 ps; Long-term spectrum, excitation: 365 nm, pulse width: 10 ns. -
5 : Zeitaufgelöste Emissionsspektren und Abklinzeiten τ von Beispielmolekül 1 mit etwa 1 Gew. % dotiert in PS bei T = 300 K. Das Kurzzeitspektrum ist ohne Zeitverzögerung (t = 0 ns) mit einem Detektionszeitfenster von Δt = 100 ns und das Langzeitspektrum mit einer Zeitverzögerung von t = 1 µs (Zeitfenster Δt = 100 µs) aufgenommen. Anregung: Kurzzeitspektrum: 375 nm, Pulsbreite 70 ps; Langzeitspektrum, Anregung: 355 nm, Pulsbreite: 2.9 ns.5 : Time-resolved emission spectra and decay times τ ofexample molecule 1 doped with about 1 wt t = 1 µs (time window Δt = 100 µs). Excitation: short-term spectrum: 375 nm, pulse width 70 ps; Long-term spectrum, excitation: 355 nm, pulse width: 2.9 ns. -
6 : Zeitaufgelöste, normierte Emissionsspektren der in Toluol gelösten Beispielsubstanz 1 für den kurzlebigen Bereich (spontane Fluoreszenz) und den langlebigen Bereich. Da beide Spektren weitgehend die gleichen Peakpositionen aufweisen, lässt sich die langlebige Komponente als TADF-Emission deuten. Die Lösung wurde durch Einleiten von Stickstoff über 120 Minuten entgast. Anregung 355 nm mit einer Pulsdauer von 2.9 ns.6 : Time-resolved, normalized emission spectra ofexample substance 1 dissolved in toluene for the short-lived range (spontaneous fluorescence) and the long-lived range. Since both spectra have largely the same peak positions, the long-lived component can be interpreted as a TADF emission. The solution was degassed by introducing nitrogen over 120 minutes. Excitation 355 nm with a pulse duration of 2.9 ns. -
7 : Boltzmannplot gemäß Gleichung 3 für die langlebigen Komponenten der entsprechenden Abklingzeiten der Emission des in Toluol gelösten Beispielmoleküls 1. Der Fit führt zu einer Aktivierungsenergie ΔE(S1 - T1) = (85 ± 5) cm-1.7 : Boltzmann plot according to Equation 3 for the long-lived components of the corresponding decay times of the emission ofexample molecule 1 dissolved in toluene. The fit leads to an activation energy ΔE(S 1 - T 1 ) = (85 ± 5) cm -1 . -
8 : Isoflächen der Grenzorbitale für das Beispielmolekül 2 (s. Beispiel 2), HOMO: links, LUMO: rechts Es erfolgten Geometrie-Optimierungen für den niedrigsten Triplett-Zustand T1. Rechnungsmethoden: DFT und TD-DFT, Funktional: B3LYP, Basissatz: 6-31G(d,p), Rechnungssoftware: Gaussian09. Die Rechnungen ergeben ΔE(S1 - T1) = 85 cm-1. Beide Werte zeigen, dass Beispiel 2 einen guten TADF-Emitter repräsentiert.8th : Isosurfaces of the frontier orbitals for example molecule 2 (see example 2), HOMO: left, LUMO: right Geometry optimizations were carried out for the lowest triplet state T 1 . Calculation methods: DFT and TD-DFT, functional: B3LYP, basis set: 6-31G(d,p), calculation software: Gaussian09. The calculations result in ΔE(S 1 - T 1 ) = 85 cm -1 . Both values show that example 2 represents a good TADF emitter. -
9 : Isoflächen der Grenzorbitale für das Beispielmolekül 3 (s. Beispiel 3), HOMO: links, LUMO: rechts Es erfolgten Geometrie-Optimierungen für den niedrigsten Triplett-Zustand T1. Rechnungsmethoden: DFT und TD-DFT, Funktional: B3LYP, Basissatz: 6-31G(d,p), Rechnungssoftware: Gaussian09. Die Rechnungen ergeben ΔE(S1 - T1) = 55 cm-1. Dieser Wert zeigt, dass Beispiel 3 einen guten TADF-Emitter repräsentiert.9 : Isosurfaces of the frontier orbitals for the example molecule 3 (see Example 3), HOMO: left, LUMO: right Geometry optimizations were carried out for the lowest triplet state T 1 . Calculation methods: DFT and TD-DFT, functional: B3LYP, basis set: 6-31G(d,p), calculation software: Gaussian09. The calculations result in ΔE(S 1 - T 1 ) = 55 cm -1 . This value shows that Example 3 represents a good TADF emitter. -
10 : Isoflächen der Grenzorbitale für das Beispielmolekül 4 (s. Beispiel 4), HOMO: links, LUMO: rechts Es erfolgten Geometrie-Optimierungen für den niedrigsten Triplett-Zustand T1. Rechnungsmethoden: DFT und TD-DFT, Funktional: B3LYP, Basissatz: 6-31G(d,p), Rechnungssoftware: Gaussian09. Die Rechnungen ergeben ΔE(S1 - T1) = 88 cm-1. Dieser Wert zeigt, dass Beispiel 4 einen guten TADF-Emitter repräsentiert.10 : Isosurfaces of the frontier orbitals for the example molecule 4 (see example 4), HOMO: left, LUMO: right Geometry optimizations were carried out for the lowest triplet state T 1 . Calculation methods: DFT and TD-DFT, functional: B3LYP, basis set: 6-31G(d,p), calculation software: Gaussian09. The calculations result in ΔE(S 1 - T 1 ) = 88 cm -1 . This value shows that Example 4 represents a good TADF emitter. -
11 : Isoflächen der Grenzorbitale für das Beispielmolekül 5 (s. Beispiel 5), HOMO: links, LUMO: rechts. Es erfolgten Geometrie-Optimierungen für den niedrigsten Triplett-Zustand T1. Rechnungsmethoden: DFT und TD-DFT, Funktional: B3LYP, Basissatz: 6-31G(d,p), Rechnungssoftware: Gaussian09. Die Rechnungen ergeben ΔE(S1 - T1) = 150 cm-1. Dieser Wert zeigt, dass Beispiel 5 einen guten TADF-Emitter repräsentiert.11 : Isosurfaces of the frontier orbitals for the example molecule 5 (see Example 5), HOMO: left, LUMO: right. Geometry optimizations were made for the lowest triplet state T 1 . Calculation methods: DFT and TD-DFT, functional: B3LYP, basis set: 6-31G(d,p), calculation software: Gaussian09. The calculations result in ΔE(S 1 - T 1 ) = 150 cm -1 . This value shows that Example 5 represents a good TADF emitter. -
12 : Isoflächen der Grenzorbitale für das Beispielmolekül 6 (s. Beispiel 6), HOMO: links, LUMO: rechts Es erfolgten Geometrie-Optimierungen für den elektronischen Grundzustand So und für den niedrigsten Triplett-Zustand T1. Rechnungsmethoden: DFT und TD-DFT, Funktional: B3LYP, Basissatz: 6-31G(d,p), Rechnungssoftware: Gaussian09. Die Rechnungen ergeben ΔE(S1 - T1) = 35 cm-1 (So-Geometrie) und 30 cm-1 (T1-Geometrie). Beide Werte zeigen, dass Beispiel 6 einen guten TADF-Emitter repräsentiert.12 : Isosurfaces of the frontier orbitals for the example molecule 6 (see example 6), HOMO: left, LUMO: right Geometry optimizations were carried out for the electronic ground state So and for the lowest triplet state T 1 . Calculation methods: DFT and TD-DFT, functional: B3LYP, basis set: 6-31G(d,p), calculation software: Gaussian09. The calculations result in ΔE(S 1 - T 1 ) = 35 cm -1 (So geometry) and 30 cm -1 (T 1 geometry). Both values show that Example 6 represents a good TADF emitter. -
13 : Isoflächen der Grenzorbitale für das Beispielmolekül 7 (s. Beispiel 7), HOMO: links, LUMO: rechts Es erfolgte eine Geometrie-Optimierung für den elektronischen Ti-Zustand. Rechnungsmethoden: DFT und TD-DFT, Funktional: B3LYP, Basissatz: 6-31G(d,p), Rechnungssoftware: Gaussian09. Die Rechnung ergibt ΔE(S1 - T1) = 550 cm-1, d. h. dass das Beispielmolekül 7 einen guten TADF-Emitter darstellt.13 : Isosurfaces of the frontier orbitals for the example molecule 7 (see example 7), HOMO: left, LUMO: right A geometry optimization for the electronic Ti state was carried out. Calculation methods: DFT and TD-DFT, functional: B3LYP, basis set: 6-31G(d,p), calculation software: Gaussian09. The calculation gives ΔE(S 1 - T 1 ) = 550 cm -1 , ie the example molecule 7 represents a good TADF emitter. -
14 : Isoflächen der Grenzorbitale für das Beispielmolekül 8 (s. Beispiel 8), HOMO: links, LUMO: rechts Es erfolgten Geometrie-Optimierungen für den niedrigsten Triplett-Zustand T1. Rechnungsmethoden: DFT und TD-DFT, Funktional: B3LYP, Basissatz: 6-31G(d,p), Rechnungssoftware: Gaussian09. Die Rechnungen ergeben ΔE(S1 - T1) = 540 cm-1 (T1-Geometrie). Dieser Wert zeigt, dass Beispiel 8 einen guten TADFEmitter repräsentiert.14 : Isosurfaces of the frontier orbitals for the example molecule 8 (see example 8), HOMO: left, LUMO: right Geometry optimizations were carried out for the lowest triplet state T 1 . Calculation methods: DFT and TD-DFT, functional: B3LYP, basis set: 6-31G(d,p), calculation software: Gaussian09. The calculations result in ΔE(S 1 - T 1 ) = 540 cm -1 (T 1 geometry). This value shows that example 8 represents a good TADFE emitter. -
15 : Isoflächen der Grenzorbitale für das Beispielmolekül 9 (s. Beispiel 9), HOMO: links, LUMO: rechts Es erfolgte Geometrie-Optimierung für den niedrigsten Triplett-Zustand T1. Rechnungsmethoden: DFT und TD-DFT, Funktional: B3LYP, Basissatz: 6-31G(d,p), Rechnungssoftware: Gaussian09. Die Rechnung ergibt ΔE(S1-T1) = 550 cm-1 (T1-Geometrie). Dieser Wert zeigt, dass Beispiel 9 einen guten TADF-Emitter repräsentiert.15 : Isosurfaces of the frontier orbitals for the example molecule 9 (see example 9), HOMO: left, LUMO: right The geometry was optimized for the lowest triplet state T 1 . Calculation methods: DFT and TD-DFT, functional: B3LYP, basis set: 6-31G(d,p), calculation software: Gaussian09. The calculation gives ΔE(S 1 -T 1 ) = 550 cm -1 (T 1 geometry). This value shows that Example 9 represents a good TADF emitter. -
16 : Isoflächen der Grenzorbitale für das Beispielmolekül 10 (s. Beispiel 10), HOMO: links, LUMO: rechts Es erfolgte eine Geometrie-Optimierung für den elektronischen Grundzustand So. Rechnungsmethoden: DFT und TD-DFT, Funktional: B3LYP, Basissatz: 6-31G(d,p), Rechnungssoftware: Gaussian09. Die Rechnung ergibt ΔE(S1 - T1) = 140 cm-1, d. h. dass das Beispielmolekül 10 einen guten TADF-Emitter darstellt.16 : Isosurfaces of the frontier orbitals for the example molecule 10 (see Example 10), HOMO: left, LUMO: right A geometry optimization for the electronic ground state was carried out. Calculation methods: DFT and TD-DFT, functional: B3LYP, basis set: 6- 31G(d,p), calculation software: Gaussian09. The calculation gives ΔE(S 1 -T 1 )=140 cm -1 , ie the example molecule 10 represents a good TADF emitter. -
17 : Isoflächen der Grenzorbitale für das Beispielmolekül 11 (s. Beispiel 11), HOMO: links, LUMO: rechts Es erfolgte eine Geometrie-Optimierung für den elektronischen Ti-Zustand. Rechnungsmethoden: DFT und TD-DFT, Funktional: B3LYP, Basissatz: 6-31G(d,p), Rechnungssoftware: Gaussian09. Die Rechnung ergibt ΔE(S1 - T1) = 420 cm-1, d. h. dass das Beispielmolekül 11 einen guten TADF-Emitter darstellt.17 : Isosurfaces of the frontier orbitals for the example molecule 11 (see Example 11), HOMO: left, LUMO: right A geometry optimization for the electronic Ti state was carried out. Calculation methods: DFT and TD-DFT, functional: B3LYP, basis set: 6-31G(d,p), calculation software: Gaussian09. The calculation gives ΔE(S 1 - T 1 ) = 420 cm -1 , which means that example molecule 11 is a good TADF emitter. -
18 : Isoflächen der Grenzorbitale für das Beispielmolekül 12 (s. Beispiel 12), HOMO: links, LUMO: rechts Es erfolgte Geometrie-Optimierung für den niedrigsten Triplett-Zustand T1. Rechnungsmethoden: DFT und TD-DFT, Funktional: B3LYP, Basissatz: 6-31G(d,p), Rechnungssoftware: Gaussian09. Die Rechnung ergibt ΔE(S1 - T1) = 1250 cm-1 (T1-Geometrie). Dieser Wert zeigt, dass Beispiel 12 einen guten TADF-Emitter repräsentiert.18 : Isosurfaces of the frontier orbitals for the example molecule 12 (see Example 12), HOMO: left, LUMO: right The geometry was optimized for the lowest triplet state T 1 . Calculation methods: DFT and TD-DFT, functional: B3LYP, basis set: 6-31G(d,p), calculation software: Gaussian09. The calculation gives ΔE(S 1 - T 1 ) = 1250 cm -1 (T 1 geometry). This value shows that Example 12 represents a good TADF emitter. -
19 : Darstellung von Strukturen weiterer erfindungsgemäßer Moleküle und Vergleichsmoleküle, wobei Formeln 13-28, 30-33 und 36-38 erfindungsgemäß sind, und wobei Formeln 29, 34-35 und 39-64 Vergleichsmoleküle sind.19 : Representation of structures of further molecules according to the invention and comparison molecules, where formulas 13-28, 30-33 and 36-38 are according to the invention, and whereformulas 29, 34-35 and 39-64 are comparison molecules.
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