Schaalvergroting synthese van hoogefficiënte thermisch geactiveerd vertraagde fluorescentie vervuilers wordt beschreven in het voorgestelde artikel.
Methodenartikel
Schaalvergroting synthese van hoogefficiënte thermisch geactiveerd vertraagde fluorescentie vervuilers wordt beschreven in het voorgestelde artikel.
Wij rapporteren een procedure lineair schaal-up van de synthese van 2,8-bis (3,6-di-tert-butyl-9H-carbazol-9-yl) dibenzothiophene-S, S-dioxide (samengestelde 4) en 2,8-bis(10H-phenothiazin-10-yl)-dibenzothiophene-S, met behulp van de S-dioxide (samengestelde 5) Buchwald-Hartwig Kruis-koppeling reactie voorwaarden. Daarnaast tonen we een synthese van de schaal-up van alle niet-commercieel verkrijgbare grondstoffen die nodig voor de reactie van de Kruis-koppeling aminering zijn. In het onderhavige artikel geven wij de gedetailleerde synthetische procedures voor alle van de beschreven stoffen, naast hun spectrale karakterisering. Dit werk toont de mogelijkheid voor de productie van organische moleculen voor opto-elektronische toepassingen op grote schaal, dat de tenuitvoerlegging ervan in de echte wereld apparaten vergemakkelijkt.
In de afgelopen decennia, hebben de onderzoekers het gebruik van organische moleculen en hun derivaten in organische lichtgevende dioden (OLED) onderzocht sinds de eerste invoering in 1987. 1 de ontdekking van elektroluminescentie (EL) heeft geleid tot organische materialen vinden van een brede waaier van toepassingen in displays en verlichting. 2 enorme belangstelling voor het produceren van nieuwe organische stoffen en het bestuderen van hun fotofysische eigenschappen worden gedreven door de voordelen van OLED's ten opzichte van de bestaande technologieën; vooral als ze meer energie-efficiënt zijn en superieure Apparaatprestaties bieden met behoud van hoge flexibiliteit, kleine dikte, en een laag gewicht. Niettemin, in vergelijking met anorganische luminescentiedioden (LED's), OLED's nog steeds benadeeld die verhinderen deze technologie van grootschalige commerciële productie dat, met inbegrip van kortere levensduur en lage efficiëntie. Tot voor kort, de meeste onderzoek was gebaseerd op eerste generatie OLED en emissie vertrouwden op de fluorescentie van de organische materialen. Wijten aan het feit dat de fluorescentie kan optreden alleen uit de staat singlet, is de maximale theoretische interne quantum efficiency (IQE) van het apparaat slechts 25%. 3 , 4 , 5 door gebruik makend van zware metalen bevatten organische complexen (zoals Ir, Pt), kunnen onderzoekers de 25% efficiëntie barrière overwinnen door het oogsten van de elektronen uit singlet zowel de triplet Staten door een radiatieve overgangsproces. 6 , 7 , 8 dus de maximale theoretische efficiëntie van tweede generatie fosforescerende OLED (PHOLEDs) kunnen oplopen tot 100%. 9 , 10 Nowadays, veel commerciële OLED apparaten gebruik maken van groen en rood fosforescerende organometaal complexen op basis van iridium uitstoten. 11 , hoewel deze materialen hebben opgedaan wijdverbreide gebruik in mobiele displays en andere elektronische toepassingen, de kosten van de voorloper van de zware metalen zouten en hun korte levensduur hebben geduwd onderzoekers op zoek naar alternatieven.
Er zijn verschillende doelstellingen die moeten worden bereikt voor wijdverbreide commercialisering van OLED-technologie, zoals hoge stabiliteit, efficiënt energieverbruik en lage productiekosten van het apparaat. In de afgelopen jaren gebleken dat thermisch geactiveerd vertraagde fluorescentie (TADF) stralers een doeltreffende vervanging van PHOLED materialen kunnen te bereiken dezelfde IQE waarde, met deze materialen nu beschouwd als derde generatie OLED materialen. 12 , 13 , 14 puur biologische TADF uitstoters kunnen bereid worden in een paar stappen van gemakkelijk beschikbare grondstoffen, waardoor de algehele apparaat fabricage commercieel aantrekkelijk voor de markt. Tot op heden heeft er verschillende uitgebreide literatuurbesprekingen bestrijken alle aspecten van materiële synthese aan de fabricage van het apparaat. 15,16,,17,18 de belangrijkste kwestie met TADF materiële voorbereiding is het gebruik van Pd-bevattende katalysatoren voor de reacties van de Kruis-koppeling. Om aan te tonen het potentieel TADF materiële voorbereiding op een grotere schaal. We geschaald-up de synthese van TADF vervuilers van grondstoffen voor de gewenste producten 4 en 5 (Figuur 1). 22 , 23 deze gedetailleerde protocol is bedoeld om te helpen nieuwe beoefenaars in het veld om te begrijpen van de informatie in verband met de synthese van TADF materialen.
Let op: Controleer alle relevante veiligheidsinformatiebladen (MSDS) voorafgaand aan het gebruik. Verscheidene van de chemicaliën die worden gebruikt in de synthese zijn zeer giftig en kankerverwekkend. Wanneer u werkt met silica gel, moet een beschermende respiratoire masker gedragen worden om te voorkomen dat deeltje inhalation. Houd u aan alle passende veiligheidsvoorschriften bij het uitvoeren van een chemische reactie, met inbegrip van het gebruik van technische controles (zuurkast) en persoonlijke beschermingsmiddelen (veiligheidsbril, handschoenen, laboratoriumjas, volledige lengte broek, gesloten-teen schoenen).
alle reagentia en de oplosmiddelen commercieel werden aangekocht en werden gebruikt zonder enige verdere zuivering. 1 H en 13 C-NMR-spectra werden opgenomen op een 400 MHz NMR spectrometer CDCl 3 gebruiken als het oplosmiddel. Proton NMR chemische shifts zijn gerapporteerd als δ waarden in ppm ten opzichte van Halfzwaar oplosmiddelen: CDCl 3 (7,26). Gegevens als volgt worden gepresenteerd: chemische verschuiving, multipliciteit en het koppelen van constant(s) (J) zijn in Hz. flavorgroep worden gerapporteerd over het bereik (in ppm) zij verscheen. Koolstof NMR-gegevens werden verzameld ten opzichte van het desbetreffende oplosmiddel signalen CDCl 3 (77.16). Smeltpunten werden gemeten met behulp van een apparaat smeltpunt. Matrix geassisteerde laser desorptie ionisatie-time-of-flight (MALDI-TOF) massaspectrometrie werden uitgevoerd op een Shimadzu Axima-CFR spectrometer (massa bereik 1-150 000 bijvangsten Da).
1. synthese van de gemelde stoffen
De chemische structuur van de definitieve TADF stralers (Figuur 1) zijn gemarkeerd blauw voor het doneren van elektron groepen en rood voor de intrekking van de elektron kern. Een derivaat Gealkyleerde carbazole en een dibrominated dibenzothiopene-S, S-dioxide acceptor molecuul kan worden bereid uit goedkope grondstoffen (Figuur 2). De eindproducten kunnen bereid worden door een grote versie van de Pd-gekatalyseerde aminering Kruis-koppeling reactie (Figuur 3).

Figuur 1 . Chemische structuren van thermisch geactiveerd vertraagde fluorescentie vervuilers gebaseerd op de 2,8-dibenzothiophene-5-dioxide elektron acceptor kern (aangegeven in rood) rekening houdend met 3,6-di-tert-butyl-9H-carbazol-9-yl en 10H-phenothiazin-10-yl donor wordt van samengestelde 4 en 5 respectievelijk samengestelde. Elektron-doneren groepen worden weergegeven in het blauw. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 2 . Chemische reactie emissieroutes naar 3,6-di-tert-butyl-9H-carbazole (samengestelde 1) bereid door alkylatie van 9-H-carbazole en 2,8-dibromodibenzothiophene-5-dioxide (samengestelde 3) in twee stappen vanaf verkrijgbare dibenzothiophene. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 3 . Buchwald-Hartwig Kruis koppeling reacties tussen 2,8-dibromodibenzothiophene-5-dioxide (samengestelde 3) en een bijbehorende secundaire amine tot verbindingen 4 en 5. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Het doel van deze paper is te laten zien van de grootschalige synthese van hoogefficiënte organische materialen (figuur 1) voor OLED toepassingen van verkrijgbare grondstoffen. Wijten aan het feit dat vorige verslagen alleen de laatste reactiestap van de Kruis-koppeling beschrijven en naar enkele van de verouderde publicaties verwijzen, rapporteren we de gedetailleerde stapsgewijze synthese van alle materialen die samen met hun volledige NMR en massa-spectrometrie karakterisatie voor betere reproduceerbaarheid van de experimenten.
Beide vervuilers dragen dezelfde dibenzothiophene-5-dioxide elektron acceptor kern. De eerste stap in de voorbereiding van samengestelde 3 (figuur 2) is de Bromering van het molecuul verkrijgbare dibenzothiophene. 20 de grotere schaal reactie treedt 's nachts op met een rendement van 83%. De resulterende dibrominated samengestelde 2 kan verder worden geoxideerd met een oplossing van waterstofperoxide in ijsazijn, opbrengst van 19.3 g een wit poeder na filtratie en wassen. 21 samengestelde 3 werd gebruikt in de reactie van de Kruis-koppeling zonder enige verdere zuivering.
Het verschil in fotofysische eigenschappen tussen de samengestelde 4 en 5 ligt in het doneren van elektron eigenschappen van de amine-eenheden. Een van de verbindingen heeft perifere Gealkyleerde carbazole eenheden, terwijl de andere fenothiazinering groepen. Het molecuul fenothiazinering kan worden gekocht van chemische leveranciers en zonder wijzigingen gebruikt. Nochtans, in het geval van samengestelde 4 tert-butyl-groepen moeten worden ingevoerd op de aromatische ring van de carbazole eenheid teneinde oplosbaarheid in organische oplosmiddelen. Het was gemeld dat bij gebrek aan geschikte alkyl groepen, de oplosbaarheid van het product daalt, wat resulteert in een aanzienlijk lagere reactie opbrengst. 24 alkyl-groepen kunnen worden ingevoerd in elke fenyl-ring met behulp van een Friedel-Crafts reactie tussen tert-butyl chloride en 9-H-carbazole in aanwezigheid van zinkchloride (II) in nitromethaan gebaseerd op het mechanisme van de elektrofiele aromatische substitutie. 19 werd vastgesteld dat de puurheid van het resulterende product niet hoog genoeg is en enkele bijproducten aanwezig in het mengsel zijn; Daarom moet het ruwe grijze poeder bovendien gezuiverd worden door kolom-chromatografie resulterend in isolatie van 13.1 g van samengestelde 1 hersteld als een wit poeder.
De gewenste TADF stralers 4 en 5 waren gesynthetiseerd via palladium-gekatalyseerde koolstof-stikstof Kruis-koppeling reacties met behulp van de eerder beschreven literatuur procedures. 22 , 23 vonden we dat verhoging van de middelen van de grondstoffen niet negatief doet beïnvloeden het rendement van het gewenste product, wat suggereert dat verdere stijgingen op de schaal van de reactie mogelijk zijn. Verbindingen 4 en 5 kunnen worden verkregen in 63% en 55% rendement, respectievelijk.
Kortom, is een gedetailleerde Richtsnoer betreffende het voorbereiden van hoogefficiënte organische moleculen voor LED-toepassingen, vanaf gemakkelijk beschikbare materialen, met de mogelijkheid om aan schaal omhoog de hele synthetische procedure aangetoond. Door dit werk is de bedoeling dat grootschalige synthese van vele andere TADF stralers voor een snelle overgang van de technologie van de laboratorium-Bank voor industriële toepassingen zorgt.
Wij hebben niets te onthullen.
Dit onderzoek heeft ontvangen financiering vanuit de Europese Unie Horizon 2020 onderzoek en innovatie programma uit hoofde van het Marie Skłodowska-Curie-subsidieovereenkomst H2020-MSCA-ITN-2015/674990 project "EXCILIGHT". De Royal Society Bedankt PJS voor een Wolfson onderzoek Merit Award.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 2-Chloro-2-methylpropane, 99+% | Sigma Aldrich | 19780 | |
| 2-Dicyclohexylphosphino-2',4',6'-triisopropylbiphenyl (XPhos), 97% | Sigma Aldrich | 638064 | Luchtgevoelig |
| 9-H-carbazol, 95% | Alfa Aesar | A11448 | Luchtgevoelig |
| Broom, 99.5% | Fisher | 10452553 | Zeer giftig |
| Chloroform, watervrij, 99% | Sigma Aldrich | 288306 | |
| Dibenzothiofeen, 98% | Sigma Aldrich | D32202 | |
| Dichloormethaan, watervrij, 99.8% | Sigma Aldrich | 270997 | |
| Glazuurzuur, 99.7+% | Alfa Aesar | 36289 | Corrosieft voor de huid |
| Hexaan, watervrij, 95% | Sigma Aldrich | 296090 | |
| Waterstofperoxideoplossing (30 % (w/w) in H2O) | Sigma Aldrich | H1009 | Corrosieft voor de huid |
| Magnesiumsulfaat, 99.5% | Alfa Aesar | 33337 | |
| Nitromethaan, 98+% | Alfa Aesar | A11806 | Zeer explosief |
| Fenothiazine, 98+% | Alfa Aesar | A12517 | Luchtgevoelig |
| Natrium tert-butoxide, 97% | Sigma Aldrich | 359270 | |
| Tert-butanol, watervrij, 99.5% | Sigma Aldrich | 471712 | |
| Tolueen, watervrij, 99.8% | Sigma Aldrich | 244511 | |
| Tris(dibenzylideenaceton) dipalladium(0), Pd 21.5% min | Alfa Aesar | 12760-03 | Luchtgevoelig |
| Zink (II) chloride, watervrij, 98+% | Alfa Aesar | A16281 |