Synteza na dużą skalę wysoce wydajnych termicznie aktywowanych emiterów opóźnionej fluorescencji jest opisana w prezentowanym artykule.
Artykuł metodologiczny
Synteza na dużą skalę wysoce wydajnych termicznie aktywowanych emiterów opóźnionej fluorescencji jest opisana w prezentowanym artykule.
Opisujemy procedurę liniowego zwiększania syntezy 2,8-bis(3,6-di-tert-butyl-9H-karbazol-9-ylo)dibenzotiofen-S,S-ditlenek (związek 4) i 2,8-bis(10H-fenotiazyna-10-ylo)dibenzotiofen-S,S-ditlenek (związek 5) przy użyciu warunków reakcji sprzęgania krzyżowego Buchwalda-Hartwiga. Ponadto demonstrujemy zwiększaną syntezę wszystkich niedostępnych na rynku materiałów wyjściowych, które są wymagane w reakcji sprzęgania krzyżowego aminacji. W niniejszym artykule przedstawiamy szczegółowe procedury syntezy dla wszystkich opisanych związków, wraz z ich charakterystyką spektralną. Praca ta pokazuje możliwość wytwarzania cząsteczek organicznych do zastosowań optoelektronicznych na dużą skalę, co ułatwia ich implementację do urządzeń w świecie rzeczywistym.
W ciągu ostatnich kilku dekad badacze badali wykorzystanie organicznych cząsteczek i ich pochodnych w organicznych diodach elektroluminescencyjnych (OLED) od czasu ich pierwszego wprowadzenia w 1987 roku. 1 Odkrycie elektroluminescencji (EL) sprawiło, że materiały organiczne znalazły szeroki zakres zastosowań w wyświetlaczach i oświetleniu. 2 Ogromne zainteresowanie produkcją nowych związków organicznych i badaniem ich właściwości fotofizycznych wynika z przewagi OLED-ów nad istniejącymi technologiami; Przede wszystkim dlatego, że są bardziej energooszczędne i mogą oferować doskonałą wydajność urządzenia przy zachowaniu wysokiej elastyczności, małej grubości i niskiej wagi. Niemniej jednak, w porównaniu z nieorganicznymi diodami elektroluminescencyjnymi (LED), diody OLED nadal mają wady, które uniemożliwiają tę technologię produkcję komercyjną na dużą skalę, w tym krótszą żywotność i niską wydajność. Do niedawna większość badań opierała się na diodach OLED pierwszej generacji, a emisja opierała się na fluorescencji materiałów organicznych. Ze względu na fakt, że fluorescencja może zachodzić tylko ze stanu singletowego, maksymalna teoretyczna wewnętrzna wydajność kwantowa (IQE) urządzenia wynosi tylko 25%. 3,4,5 Wykorzystując kompleksy organiczne zawierające metale ciężkie (takie jak Ir, Pt), naukowcy mogli pokonać barierę 25% wydajności, zbierając elektrony zarówno ze stanu singletowego, jak i trypletowego w procesie przejścia radiacyjnego. 6,7,8 Tak więc maksymalna teoretyczna wydajność fosforyzujących diod OLED drugiej generacji (PHOLEDs) może wynosić nawet 100%. 9,10 Obecnie wiele komercyjnych urządzeń OLED wykorzystuje zielone i czerwone fosforyzujące kompleksy metaloorganiczne na bazie irydu. 11 Chociaż materiały te zyskały szerokie zastosowanie w wyświetlaczach mobilnych i innych aplikacjach elektronicznych, koszt soli prekursorów metali ciężkich i ich krótki czas życia skłoniły badaczy do poszukiwania alternatyw.
Istnieje kilka celów, które muszą zostać osiągnięte dla szerokiej komercjalizacji technologii OLED, takich jak wysoka stabilność, efektywne zużycie energii i niski koszt produkcji urządzenia. W ostatnich latach wykazano, że emitery aktywowanej termicznie opóźnionej fluorescencji (TADF) mogą być skutecznym substytutem materiałów PHOLED w celu osiągnięcia tej samej wartości IQE, przy czym materiały te są obecnie uważane za materiały OLED trzeciej generacji. 12,13,14 Czysto organiczne emitery TADF można przygotować w kilku krokach z łatwo dostępnych materiałów wyjściowych, dzięki czemu cała produkcja urządzenia jest komercyjnie atrakcyjna dla rynku. Do tej pory opublikowano kilka obszernych przeglądów literatury obejmujących wszystkie aspekty, od syntezy materiałów po produkcję urządzenia. 15,16,17,18 Głównym problemem związanym z przygotowaniem materiału TADF jest użycie katalizatorów zawierających Pd do reakcji sprzęgania krzyżowego. W celu pokazania potencjału przygotowania materiału TADF na większą skalę. zwiększyliśmy skalę syntezy emiterów TADF z materiałów wyjściowych do pożądanych produktów 4 i 5 (Rysunek 1). 22,23 Ten szczegółowy protokół ma na celu pomóc nowym praktykom w tej dziedzinie zrozumieć informacje związane z syntezą materiałów TADF.
Uwaga: Proszę przejrzeć wszystkie istotne karty charakterystyki substancji niebezpiecznej (MSDS) przed użyciem. Kilka substancji chemicznych używanych w syntezie jest wysoce toksycznych i rakotwórczych. Podczas pracy z żelem krzemionkowym należy nosić ochronną maskę oddechową, aby zapobiec wdychaniu cząstek. Podczas przeprowadzania reakcji chemicznej należy przestrzegać wszystkich odpowiednich zasad bezpieczeństwa, w tym stosowania kontroli technicznej (dygestoria) i środków ochrony osobistej (okulary ochronne, rękawice, fartuch laboratoryjny, długie spodnie, buty z zakrytymi palcami).
Wszystkie odczynniki i rozpuszczalniki zostały zakupione komercyjnie i były używane bez dalszego oczyszczania. 1Widma H i 13C NMR zarejestrowano na spektrometrze NMR 400 MHz przy użyciu CDCl3 jako rozpuszczalnika. Przesunięcia chemiczne protonów NMR są podawane jako wartości δ w ppm w stosunku do rozpuszczalników deuterowanych: CDCl3 (7.26). Dane przedstawiono w następujący sposób: przesunięcie chemiczne, wielokrotność i stała sprzężenia (J) są podane w Hz. Mnożniki są podawane w zakresie (w ppm), w którym się pojawiły. Dane dotyczące NMR węgla zebrano w odniesieniu do odpowiednich sygnałów rozpuszczalnika CDCl3 (77.16). Temperatury topnienia mierzono za pomocą aparatu do pomiaru temperatury topnienia. Spektrometrię mas MALDI-TOF (Matrix assisted laser desorption-ionisation-time-of-flight) przeprowadzono na spektrometrze Shimadzu Axima-CFR (zakres mas 1-150 000 Da).
1. Synteza zgłoszonych związków
Struktury chemiczne końcowych emiterów TADF (Rysunek 1) są oznaczone kolorem niebieskim dla grup donujących elektrony i czerwonym dla rdzenia wyciągającego elektrony. Alkilowana pochodna karbazolu oraz dibromowana cząsteczka akceptora dwutlenku dibenzotiofenu-S,S można otrzymać z niedrogich materiałów wyjściowych (Rysunek 2). Produkty końcowe można przygotować za pomocą wielkoskalowej wersji reakcji sprzęgania krzyżowego poprzez aminowanie katalizowane Pd (Rysunek 3).

Rycina 1. Struktury chemiczne emiterów z termicznie aktywowaną opóźnioną fluorescencją opartych na rdzeniu akceptora elektronów 2,8-dibenzotiofen-5-dwutlenku (zaznaczonym na czerwono), zawierających odpowiednio grupy donorowe 3,6-di-tert-butylo-9H-karbazol-9-ylową w związku 4 oraz 10H-fenotiazin-10-ylową w związku 5. Grupy donorowe elektronów zaznaczono na niebiesko. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 2. Ścieżki reakcji chemicznych prowadzące do otrzymania 3,6-di-tert-butyl-9H-karbazolu (związek 1) poprzez alkilację 9-H-karbazolu oraz 2,8-dibromodibenzotiofenu-5-tlenku (związek 3) w dwóch etapach, zaczynając od komercyjnie dostępnego dibenzotiofenu. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 3. Reakcje sprzęgania krzyżowego Buchwalda-Hartwiga pomiędzy 2,8-dibromodibenzotiofenem-5-tlenkiem (związek 3) a odpowiednią aminą wtórną w celu otrzymania związków 4 i 5. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Celem tego artykułu jest pokazanie wielkoskalowej syntezy wysoce wydajnych materiałów organicznych (rysunek 1) do zastosowań OLED z dostępnych na rynku materiałów wyjściowych. Ze względu na fakt, że poprzednie raporty opisywały tylko końcowy etap reakcji sprzęgania krzyżowego i odnosiły się do niektórych nieaktualnych publikacji, przedstawiamy szczegółową syntezę wszystkich materiałów krok po kroku wraz z ich pełną charakterystyką NMR i spektrometrii mas w celu poprawy odtwarzalności eksperymentów.
Oba emitery mają ten sam rdzeń akceptora elektronów dibenzotiofeno-5-ditlenku di. Pierwszym etapem przygotowania związku 3 (ryc. 2) jest bromowanie dostępnej w handlu cząsteczki dibenzotiofenu. 20 Reakcja na większą skalę zachodzi w nocy z wydajnością 83%. Powstały dibromowany związek 2 można dodatkowo utlenić roztworem nadtlenku wodoru w lodowatym kwasie octowym, uzyskując 19,3 g białego proszku po filtracji i przemyciu. 21 Związek 3 został użyty w reakcji sprzęgania krzyżowego bez dalszego oczyszczania.
Różnica w cechach fotofizycznych między związkiem 4 i 5 polega na właściwościach jednostek aminowych oddawania elektronów. Jeden ze związków ma obwodowe alkilowane jednostki karbazolu, podczas gdy drugi ma grupy fenotiazynowe. Cząsteczkę fenotiazyny można kupić od sprzedawców chemicznych i stosować bez żadnych modyfikacji. Jednakże w przypadku związku 4 grupy tert-butylowe muszą zostać wprowadzone do pierścienia aromatycznego jednostki karbazolu w celu zwiększenia rozpuszczalności w rozpuszczalnikach organicznych. Doniesiono, że przy braku odpowiednich grup alkilowych rozpuszczalność produktu spada, co skutkuje znacznie niższą wydajnością reakcji. 24 Grupy alkilowe można wprowadzić do każdego pierścienia fenylowego za pomocą reakcji Friedla-Craftsa między chlorkiem tert-butylu a 9-H-karbazolem w obecności chlorku (II) w nitrometanie w oparciu o elektrofilowy mechanizm substytucji aromatycznej. 19 Stwierdzono, że czystość otrzymanego produktu nie jest wystarczająco wysoka, a w mieszaninie występuje kilka produktów ubocznych; W związku z tym surowy szary proszek musi być dodatkowo oczyszczony metodą chromatografii kolumnowej, w wyniku czego wyizolowano 13,1 g związku 1 odzyskanego w postaci białego proszku.
Pożądane emitery TADF 4 i 5 zsyntetyzowano w reakcjach sprzężenia krzyżowego węgiel-azot katalizowanych palladem przy użyciu wcześniej opisanych procedur literaturowych. 22,23 Stwierdziliśmy, że zwiększenie ilości materiałów wyjściowych nie wpływa negatywnie na wydajność pożądanego produktu, co sugeruje, że możliwe są dalsze wzrosty skali reakcji. Związki 4 i 5 można uzyskać odpowiednio w 63% i 55% wydajności.
Podsumowując, zademonstrowano szczegółowe wytyczne dotyczące przygotowania wysoce wydajnych cząsteczek organicznych do zastosowań emitujących światło, zaczynając od łatwo dostępnych materiałów, z możliwością zwiększenia skali całej procedury syntezy. Dzięki tym pracom zakłada się, że wielkoskalowa synteza wielu innych emiterów TADF zapewni szybkie przejście technologii z laboratoriów do zastosowań przemysłowych.
Nie mamy nic do ujawnienia.
To badanie otrzymało finansowanie z programu Unii Europejskiej Horyzont 2020 w zakresie badań i innowacji w ramach umowy o grant Marie Skłodowska-Curie H2020-MSCA-ITN-2015/674990 projektu "EXCILIGHT". PJS dziękuje Towarzystwu Królewskiemu za przyznanie nagrody Wolfson Research Merit Award.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 2-Chloro-2-metylopropano, 99+% | Sigma Aldrich | 19780 | |
| 2-Dicykloheksylofosfino-2′,4′,6&-triisopropylobibenyl (XPhos), 97% | Sigma Aldrich | 638064 | Wrażliwy na powietrze |
| 9-H-karbazol, 95% | Alfa Aesar | A11448 | wrażliwy na powietrze |
| , 99,5% | Fisher | 10452553 | Wysoce toksyczny |
| Chloroform, bezwodny, 99% | Sigma Aldrich | 288306 | |
| Dibenzotiofen, 98% | Sigma Aldrich | D32202 | |
| Dichlorometan, bezwodny, 99,8% | Sigma Aldrich | 270997 | |
| Lodowaty kwas octowy, 99,7+% | Alfa Aesar | 36289 | Działa żrąco na skórę |
| Heksan, bezwodny, 95% | Sigma Aldrich | 296090 | |
| Nadtlenek wodoru roztwór (30 % (w/w) w H2O) | Sigma Aldrich | H1009 | Działa żrąco na skórę |
| Siarczan magnezu, 99,5% | Alfa Aesar | 33337 | |
| Nitrometan, 98+% | Alfa Aesar | A11806 | Wysoce wybuchowa |
| Fenotiazyna, 98+% | Alfa | Aesar A12517 | Wrażliwy na powietrze |
| Tert-butan sodu, 97% | Sigma Aldrich | 359270 | |
| Tert-butanol, bezwodny, 99,5% | Sigma Aldrich | 471712 | |
| Toluen, bezwodny, 99,8% | Sigma Aldrich | 244511 | |
| Tris(dibenzylideneaceton) dipallad(0), Pd 21,5% min | Alfa Aesar | 12760-03 | Wrażliwy na powietrze |
| chlorek (II), bezwodny, 98+% | Alfa Aesar | A16281 |