title: Effiziente Strategie zur Herstellung von engverteilten Polyfluorenen und monodispersen, diskreten Oligofluorenen durch präparative GPC
Creators: name: Wollmann, Julia
Publisher: name: University of Bayreuth
Year: 2020
Subjects: subject: conjugated polymers
subject: size exclusion chromatography
subject: narrowly distributed polymers
subject: discrete oligomers
subject: beta phase
subject: endgroup controlled
subject: 540

description: Konjugierte Polymere werden als organische Halbleiter typischerweise in organisch Solarzel-le, Leuchtdioden (OLED) und Feldeffekttransistoren (OFET) angewendet. Ihre elektrischen und optischen Eigenschaften sind von Molekulargewicht, Molekulargewichtsverteilung und Endgruppen abhängig. Um diese Struktur-Eigenschafts-Beziehungen untersuchen zu können, sind eng verteilte Polymere mit verschiedenen Molekulargewichten und diskrete, monodis-perse Oligomere als Modellsubstanzen notwendig. Poly(9,9-di-n-octylfluoren) (PFO) ist ein etabliertes konjugiertes Polymer mit einer Bandbrei-te an attraktiven Eigenschaften, wie einer effizienten blauen Photo- und Elektrolumineszenz und einem interessanten Phasenverhalten. Das strukturell sehr ähnliche Poly(2,7-heptadecan-9-yl)-9H-carbazol (PCz) ist bisher weit weniger erforscht, jedoch aufgrund seiner hohen Ladungsträgerbeweglichkeit, seiner Stabilität und hinsichtlich zu untersuchender Ge-meinsamkeiten zu Polyfluoren sehr vielversprechend. Um hierfür entsprechende Proben zu erhalten, wurden zwei Synthesestrategien angewendet. Einerseits eine kontrollierte Polykondensation (Catalyst-Transfer Condensation Polymerizati-on - CTCP) und zum anderen eine klassische Polykondensation mit anschließender Separation durch präparative Gelpermeationschromatographie (prepGPC). Ein Teil der engverteilten Polymere und diskreten Oligomere der PFO-Proben wurden anschließend spektroskopisch auf ihre temperaturabhängige Absorption und Emission sowie ihr Aggregationsverhalten untersucht. CTCP basiert, verglichen zu einer klassischen Polykondensation, auf dem intramolekularen Transfer des Katalysators tBu3PPd(Ph)Br zum wachsenden Kettenende und dem daraus resul-tierenden Kettenwachstumsmechanismus. Diese Polymerisation wurde bereits für die Ge-winnung engverteilter PFOs angewendet.[1–6] Das gewählte System liefert ausgezeichnete Werte hinsichtlich der Erreichung eines hohen Molekulargewichts mit enger Verteilung (Mn 17,7 kDa, ÐM 1,33) für PFOs.[2] Zuerst wurde der Katalysator tBu3PPd(Ph)Br entsprechend der Literatur synthetisiert.[7] Der erfolgreiche Umsatz wurde durch 1H-NMR Messungen bestätigt. Für die Polymerisation wird das AB-Monomer 9,9-Dioctyl-2-brom-7-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolan-2-yl-fluoren benötigt. Die Bromierungen des monobromierten Fluorende-rivates 2,7-Bis(4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-doxaborolan-2-yl)-9,9-di-n-octylfluoren mit N Bromsuccinimid (NBS) und elementaren Brom konnten keine zufriedenstellende Umset-zung des Edukts vorweisen. Daher wurde das Fluorenderivat 2,7-Dibromdioctyfluoren mit 2-Isopropoxy-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolan boryliert und anschließend mit zwei auf-einander folgenden Flüssigchromatographien (sowohl mit Reversed Phase als auch mit nor-malem Kieselgel) gereinigt. Dabei wurde der Anstieg der Reinheit von 52,0 % auf 98,9 % mittels HPLC-Messungen nachgewiesen. Des Weiteren erfolgte die kontrollierte Suzuki Kupplung. Die Polymerisation fand aufgrund der Sauerstoffsensitivität des Katalysators unter Schutzgas statt und wurde durch die Zugabe von Salzsäure abgebrochen.[2] Das hellgelbe Polymer wurde in einer Ausbeute von 94 % mit einem Molekulargewicht Mn von 6,5 kDa und einer Dispersität von 2,6 gewonnen. Dies lässt durch den Vergleich mit Literaturwerten (Mn 17,7 kDa, Ð 1,33)[2] die Schlussfolgerung zu, dass die Polymerisation nicht oder nicht nur nach dem vorgeschlagenen Mechanismus ab-läuft und daher kein engverteiltes Polymer erreicht wird. Die Endgruppenanalyse mittels MALDI-ToF Messungen zeigt neben der erwarteten Hauptse-rie Ph/H, auch Ph/Ph und H/Ph als Nebenserien. Dies deutet auf einen weiteren Mechanis-mus hin. Bisher hat der CTCP-Mechanismus vor allem bei Polythiophenen (P3HT) zu sehr gut definierten Polymeren mit geringer Dispersität und definierten Endgruppen geführt (Mn 17,6 kDa, Ð 1,28).[8] Die Übertragung auf andere konjugierte Polymere, wie Polyfluorene, führt zu schlechteren Ergebnissen.[2] Als Alternative zur kontrollierten Polymerisation wurde ein neues Konzept entwickelt, wel-ches auf der Kombination aus klassischer Polykondensation unter Zugabe eines Endcappers und anschließender Separation der Reaktionsprodukte durch präparative Gelpermeations-chromatographie (prepGPC) beruht. Dadurch werden sowohl engverteilte Polymere als auch diskrete, monodisperse Oligomere zugänglich. Ein ähnliches Konzept wurde bisher nur ein-mal von Lawrence et al.[9] beschrieben. Hierbei wurden ausschließlich Oligo-9,9-di-n-fluoren bis zum Pentamer und keine engverteilten Polyfluorene gewonnen. Zunächst wurden in der entwickelten Methode eine klassische Suzuki-Polymerisationen mit Pd(PPh3)4 und verschiedenen Endcapperanteilen durchgeführt. Die Endgruppenanalyse zeig-te, dass es zu einem Aryl-Aryl-Austausch am Palladiumzentrum zwischen einer Monome-reinheit und einem Phenyl vom Phenylphosphinliganden kam und dadurch neben der durch die Endcapper erzeugten Endgruppenkombination (H/H) eine weitere (Ph/H) zu finden war. Deshalb wurde daraufhin eine Yamamoto-Polymerisation mit Ni(COD)2/COD als Katalysator durchgeführt.[10] Es konnte durch verschiedene Endcapperanteilen ein weites Spektrum an Polyfluorenen in verschiedenen Molekulargewichtsbereichen und mit einer einzigen End-gruppenkombination synthetisiert werden. Im finalen Schritt wurden engverteilte Polymere und diskrete, monodisperse Oligomere durch die prepGPC im Recyclemodus separiert. Der Recycle-Modus erlaubt aufgrund wie-derholender Zyklen der Probe über den Säulensatz eine hohe Separationsleistung. Es konnten sehr engverteilte (Ð 1,06 – 1,16) PFOs mit Molekulargewichten von 7,0 kDa bis 105,1 kDa, sowie Oligofluorene vom Trimer bis zum Oktamer und ein Oligomergemisch vom Oktamer bis zum Tridecamer gewonnen werden. Die in der Literatur bekannten engverteilten PFOs sind deutlich breiter verteilt (Mn 17,7 kDa, Ð 1,33).[2] Das entwickelte System wurde auf Poly(2,7-heptadecan-9-yl)-9H-carbazol übertragen, um dessen allgemeine Anwendbarkeit zu testen. Aus einer einzigen Yamamoto Polymerisation konnten engverteilte Polymere (Mn 5,5 kDa – 21,8 kDa, Ð 1,09 – 1,16) und diskrete, mono-disperse Oligomere vom Dimer bis zum Hexamer sowie eine Oligomergemisch vom Hepta- und Oktamer separiert werden. Die gewonnenen Polycarbazole zeigen deutlich engere Mo-lekulargewichtsverteilungen als die bisher mit kontrollierter Polymerisation synthetisierten Materialien (Mn 17,4 kDa, Ð 1,27).[11] In Kooperation mit dem Lehrstuhl Optoelektronik Weicher Materie der Universität Bayreuth wurden die optischen Eigenschaften untersucht. Dafür wurden temperaturabhängige spekt-roskopische Experimente mit diskreten und monodispersen Penta-, Hexa-, Hepta- und Oktafluoren und einem Oligomergemisch sowie mit engverteilten Polyfluorenen (14,5 kDa Ð 1,07, 105 kDa Ð 1,16) durchgeführt. Dabei wurde die Zunahme der kritischen Übergangs-temperatur von der amorphen zur hochgeordneten β-Phase in Abhängigkeit zur Anzahl der Wiederholungseinheiten mit dem Sanchez Modell bestätigt.[12] Zudem wurde im Gegensatz zu früheren Ergebnissen die β-Phase bereits im Heptamer beo-bachtet.[13] Präzise Bestimmungen der Phasenübergänge sind nur mit monodispersen Oligo-meren und engverteilten Polymeren möglich, da Phasenübergänge bei breiten Dispersitäten und des damit verbundenen Einflusses unterschiedlicher Kettenlängen verbreitert auftreten. Mit dem Konzept aus klassischer Polykondensation und anschließender Separation durch prepGPC wurde ein leistungsfähiges und allgemein anwendbares Werkzeug zur Gewinnung von engverteilten Polymeren und diskreten, monodispersen Oligomeren entwickelt. Die ge-wonnenen PFO-Proben konnten für grundlegende Studien der elektronischen Eigenschaften und des Aggregationsverhalten in Abhängigkeit vom Molekulargewicht und dessen Vertei-lung verwendet werden. Im Vergleich zu mehrstufigen Oligomersynthesen konnten in wenigen Arbeitsschritten aus einer einzigen Rohprobe mehrere Oligomerspezies und gleichzeitig Polymere mit engen Dispersitäten, wie sie in der Literatur noch nicht bekannt sind, gewonnen werden. Zudem beweist die Übertragung der entwickelten Methode auf Polycarbazole, dass sie mit großer Wahrscheinlichkeit für weitere Polymere geeignet ist.