TY - THES
A1 - Riensch, Nicolas Alexander
T1 - Silicon/Boron Exchange Routes to Novel Inorganic-Organic Hybrid Molecules, Oligomers, Polymers and Macrocycles
T1 - Silizium/Bor Austauschrouten zu Neuartigen Anorganisch-Organischen Hybridmolekülen, Oligomeren, Polymeren und Makrozyklen
N2 - Industrially used semiconducting materials, building blocks of modern electronics and computer industry, are mostly based on inorganic, crystalline solids, which have the drawback of relatively high production costs. As an alternative, organic pi-conjugated systems show enhanced flexibility and processability as well as the opportunity to obtain light-weight materials. They have emerged as attractive candidates, especially since elements beyond hydrogen and carbon can be used to create pi-conjugated frameworks. In recent years, pi-conjugated oligomers and polymers with tricoordinate boron centers incorporated into the main chain of such organic polymers have attracted considerable attention as the interaction of the vacant p orbital on boron with an adjacent pi system of the chain leads to extended conjugated materials. These materials show intriguing optical and electronic properties and potential applications in organic electronics and optoelectronics (OLEDs, OFETs, photovoltaics) or as sensory materials.
In this thesis, a catalytic Si/B exchange reaction protocol is used as a facile and highly effective B-C bond formation method to synthesize organoboron molecules, oligomers, polymers and macrocycles. This reaction is applied to synthesize a series of thienyl- and furylborane based materials. Special focus is on furylborane based materials, which, in general, have been only scarcely explored so far. This is mainly due to synthetic challenges since furan decomposes readily in the presence of light and oxygen. Our mild and highly selective reaction protocol in combination with sufficient kinetic protection of the boron centers gives access to a series of extended organoboranes featuring furylborane units in the main chain. Furthermore, kinetically stabilized furylboranes are established as highly robust and versatile building blocks for pi conjugated materials. The obtained materials reveal remarkable luminescence properties. The scope of potential starting materials was investigated by a catalyst screening, demonstrating that the Si/B exchange reaction can also be performed for less reactive aryldichloroboranes. Furthermore, borazine-based hybrid cyclomatrix microspheres have been synthesized via a Si/B exchange condensation reaction under precipitation polymerization conditions. Finally, synthetic routes to tetrabora- and diboraporphyrinogens were attempted in a multi-step reaction procedure. In the case for tetraboraporphyrinogens, the final macrocyclization reaction under pseudo high-dilution conditions afforded a mixture of macrocycles with different ring sizes. UV-vis and fluorescence spectroscopic analysis indicated significant differences in comparison to their linear congeners.
N2 - Industriell eingesetzte Halbleitermaterialien können als Bausteine der modernen Elektronik- und Computerindustrie beschrieben werden und basieren meist auf anorganischen, kristallinen Festkörpern, die relativ hohe Herstellungskosten als Nachteil haben. Als Alternative bieten pi-konjugierte Systeme eine höhere Flexibilität und Verarbeitbarkeit sowie die Möglichkeit, leichte Materialien zu erhalten. Sie haben sich als attraktive Kandidaten erwiesen, zumal auch Elemente jenseits von Wasserstoff und Kohlenstoff zur Herstellung von pi konjugierten Gerüsten verwendet werden können. In den letzten Jahren haben pi-konjugierte Oligomere und Polymere mit dreifach koordinierten Bor-Zentren, die in der Hauptkette solcher organischen Polymere eingebaut sind, große Aufmerksamkeit erregt, da die Wechselwirkung des vakanten p-Orbitals am Bor mit einem benachbarten pi-System der Kette zu ausgedehnten konjugierten Materialien führt. Diese Materialien zeigen faszinierende optische und elektronische Eigenschaften und potenzielle Anwendungen in der organischen Elektronik und Optoelektronik (OLEDs, OFETs, Photovoltaik) oder als Sensormaterialien.
In dieser Arbeit wird ein katalytisches Si/B-Austauschreaktionsprotokoll als einfache und hocheffektive Methode zur Bildung von B-C-Bindungen verwendet, um Organobor-Moleküle, Oligomere, Polymere und Makrozyklen zu synthetisieren. Diese Reaktion wird zur Synthese einer Reihe von Materialien auf Thienyl- und Furylboranbasis eingesetzt. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf furylboranbasierten Materialien, die im Allgemeinen bisher nur wenig erforscht sind. Dies ist vor allem auf synthetische Herausforderungen zurückzuführen, da Furan in Gegenwart von Licht und Sauerstoff leicht zersetzt wird. Unser mildes und hochselektives Reaktionsprotokoll in Kombination mit einem ausreichenden kinetischen Schutz der Bor-Zentren ermöglicht den Zugang zu einer Reihe von ausgedehnten Organoboranen, die Furylboran-Einheiten in der Hauptkette besitzen. Darüber hinaus werden kinetisch stabilisierte Furylborane als sehr robuste und vielseitige Bausteine für konjugierte Materialien etabliert. Die erhaltenen Materialien weisen bemerkenswerte Lumineszenz-eigenschaften auf. Die Bandbreite möglicher Ausgangsmaterialien wurde durch ein Katalysator-Screening untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Si/B-Austauschreaktion auch für weniger reaktive Aryldichlorborane durchgeführt werden kann. Weiterhin wurden Borazin-basierte Hybrid-Cyclomatrix-Mikrokugel über eine Si/B-Austauschkondensationsreaktion unter Fällungspolymerisationsbedingungen synthetisiert. Abschließend wurden Synthesewege zu Tetrabora- und Diboraporphyrinogenen in einem mehrstufigen Reaktionsverfahren untersucht. Im Falle der Tetraboraporphyrinogene ergab die abschließende Makrozyklisierungsreaktion unter Pseudo-Hochverdünnungsbedingungen ein Gemisch von Makrozyklen mit unterschiedlichen Ringgrößen. Die UV-Vis- und fluoreszenzspektroskopische Analyse zeigte signifikante Unterschiede im Vergleich zu ihren linearen Verwandten.
KW - Bororganische Verbindungen
KW - Konjugierte Polymere
KW - Borazin
KW - Silizium-Boraustausch
KW - Silicon-Boron Exchange
KW - Furylborane
KW - Organoboron
Y1 - 2021
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-238657
ER -
TY - THES
A1 - Lorenz, Thomas
T1 - Conjugated Polymers with BN Units in the Main Chain
T1 - Konjugierte Polymere mit BN-Einheiten in der Hauptkette
N2 - In recent years PI-conjugated organoboron polymers and BN-doped polycyclic aromatic hydrocarbons have attracted a lot of interest due to their great potential in organic electronics. However, there are only few known examples of conjugated polymers with BN units in their main chain. Within this work silazane cleavage with silicon-boron (Si/B) exchange for the synthesis of a novel class of inorganic-organic hybrid polymers is demonstrated. These polymers consist of alternating NBN and para-phenylene units in the main chain. Photophysical studies and TD-DFT calculations for the polymer and molecular model systems were carried out, revealing a low extent of PI-conjugation across the NBN units. The new polymers can be used as macromolecular polyligands by a cross-linking reaction with a ZrIV compound. In the next chapter the synthesis and characterization of the first poly(p-phenylene iminoborane) is presented. This novel inorganic–organic hybrid polymer can be described as a BN analogue of the well-known poly(p-phenylene vinylene) (PPV) and is also accessible using the previously described Si/B exchange as synthetic strategy. Photophysical investigations and TD-DFT calculations on the polymer and corresponding model oligomers provide clear evidence for PI-conjugation across the B=N units and extension of the conjugation path with increasing chain length. Furthermore, a possible application of Si/B exchange for the synthesis of polysulfoximines was explored. Herein, diaryl sulfoximines and a p-phenylene bisborane serve as building blocks for new BN- and BO-doped alternating inorganic–organic hybrid copolymers. While the BN-linked polymers were accessible by a facile silicon/boron exchange protocol, the synthesis of polymers with B–O linkages in the main chain is achieved by salt elimination. In the last chapter the concept of Si/B exchange was investigated for the synthesis of BP-linked oligomers. Herein oligomers with sterically less demanding substituents (substituents: 2,4,6-trimethylphenyl or 2,4,6-tri-iso-propylphenyl) at the phosphorus are accessible using Si/B exchange, but the oligomer with Mes* (2,4,6-tri-tert-butylphenyl) as substituent needed a salt elimination pathway to give the desired product. Experimental data and theoretical investigations indicate, that the P-substituent has a high influence on the geometry of the phosphorus center and therefore on the possible conjugation over the BP units.
N2 - In den letzten Jahren haben PI-konjugierte Organoborpolymere und BN-dotierte polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe aufgrund ihres großen Potenzials in organischer Elektronik großes Interesse auf sich gezogen. In der Literatur sind jedoch nur wenige Beispiele für konjugierte Polymere mit BN-Einheiten in ihrer Hauptkette bekannt. In dieser Arbeit wird die Silazanspaltung mit Silizium-Bor (Si/B)-Austausch zur Synthese einer neuen Klasse von anorganisch-organischen Hybridpolymeren vorgestellt. Diese Polymere bestehen aus alternierenden NBN- und para-Phenylen-Einheiten in der Hauptkette. Es wurden photophysikalische Untersuchungen und TD-DFT-Berechnungen für das Polymer und molekulare Modellsysteme durchgeführt, welche auf ein geringes Ausmaß an PI-Konjugation über die NBN-Einheiten deuten. Durch eine Vernetzungsreaktion über ZrIV-Verbindungen besteht die Möglichkeit diese neuen Polymere als makromolekulare Polyliganden einzusetzen. Im nächsten Kapitel wird die Synthese und Charakterisierung des ersten Poly(p-phenyleniminoborans) vorgestellt. Dieses neue anorganisch-organische Hybridpolymer kann als ein BN-Analogon des bekannten Poly(p-phenylenvinylen) (PPV) beschrieben werden und ist auch über den zuvor beschriebenen Si/B-Austausch als Synthesestrategie zugänglich. Photophysikalische Untersuchungen und TD-DFT-Berechnungen an dem Polymer und an entsprechenden Oligomeren als Modellsystem liefern deutliche Hinweise auf eine PI-Konjugation über die B=N-Einheiten und eine Erweiterung der Konjugationslänge mit wachsender Kettenlänge. Weiterhin wurde die Anwendungsmöglichkeit des Si/B-Austausches für die Synthese von Polysulfoximinen untersucht. Dabei dienen Diarylsulfoximine und p-Phenylenbisboran als Bausteine für neue BN- und BO-dotierte alternierende anorganisch-organische Hybridkopolymere. Während die BN-verknüpften Polymere über den Silizium/Bor-Austausch als Synthesestrategie zugänglich waren, wird die Synthese der Polymere mit B-O-Bindungen in der Hauptkette durch eine Salzeliminierung erreicht. Im letzten Kapitel wurde das Konzept des Si/B-Austausches für die Synthese von BP-verknüpften Oligomeren untersucht. Dabei sind Oligomere mit sterisch weniger anspruchsvollen Substituenten (Substituenten: 2,4,6-trimethylphenyl oder 2,4,6-tri-iso-propylphenyl) am Phosphor mittels Si/B-Austausch zugänglich, während für die Synthese des Oligomers mit Mes* (2,4,6-tri-tert-Butylphenyl) als Substituent eine Salzeliminierung notwendig war um das gewünschte Produkt zu erhalten. Experimentelle Daten und theoretische Untersuchungen deuten darauf hin, dass der P-Substituent einen großen Einfluss auf die Geometrie des Phosphorzentrums und damit auf die mögliche Konjugation über die BP-Einheit hat.
KW - Polyphenylenvinylenanaloga
KW - Iminoborane
KW - Sulfoximin
KW - Konjugierte Polymere
KW - Silizium-Boraustausch
KW - silicon-boron exchange
KW - diimidoborane
Y1 - 2021
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-219230
ER -