1,3-Bis(trifluoromethyl)benzene: A Versatile Building Block for the Synthesis of New Boron-Containing Conjugated Systems

1,3-Bis(trifluoromethyl)benzol: Ein vielseitiger Baustein für die Synthese neuer borhaltiger konjugierter Systeme

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  • Chapter 1 Thermally activated delayed fluorescence (TADF) materials provide a strategy to improve external quantum efficiencies of organic light emitting diodes (OLEDs). Because of spin-statistics, 25% singlet and 75% triplet excitons are generated in an electronic device. Conventional organic emitters cannot harvest the triplet excitons, due to low spin orbit coupling, and exhibit low external quantum efficiencies. TADF materials have to be designed in such a way, that the energy gap between the lowest singlet and triplet states (ΔES-T) isChapter 1 Thermally activated delayed fluorescence (TADF) materials provide a strategy to improve external quantum efficiencies of organic light emitting diodes (OLEDs). Because of spin-statistics, 25% singlet and 75% triplet excitons are generated in an electronic device. Conventional organic emitters cannot harvest the triplet excitons, due to low spin orbit coupling, and exhibit low external quantum efficiencies. TADF materials have to be designed in such a way, that the energy gap between the lowest singlet and triplet states (ΔES-T) is sufficiently small to allow reverse intersystem crossing (rISC) in organic systems. An established structure property relationship for the generation of TADF materials is the spatial separation of HOMO and LUMO via an orthogonal arrangement of donor and acceptor in donor-π-acceptor (D-π-A) compounds. This is achieved by increasing the steric bulk of the π-bridge. However, this is not always the most efficient method and electronic parameters have to be considered. In a combined experimental and theoretical study, a computational protocol to predict the excited states in D-π-A compounds containing the B(FXyl)2 (FXyl = 2,6-bis(trifluoromethyl)phenyl) acceptor group for the design of new TADF emitters is presented. To this end, the effect of different donor and π-bridge moieties on the energy gaps between local and charge-transfer singlet and triplet states was examined. To prove the computationally aided design concept, the D-π-B(FXyl)2 compounds Cbz-π (1), Cbz-Meπ (2), Phox-Meπ (3), Phox-MeOπ (4), and MeO₃Ph-FMeπ (5) were synthesized and fully characterized. The photophysical properties of these compounds in various solvents, polymeric film and in a frozen matrix were investigated in detail and show excellent agreement with the computationally obtained data (Figure 5.1). A simple structure-property relationship based on the molecular fragment orbitals of the donor and the π-bridge which minimize the relevant singlet-triplet gaps to achieve efficient TADF emitters is presented.   Chapter 2 Three-coordinate boron is widely used as an acceptor in conjugated materials. In recent years the employment of trifluoromethylated aryls was shown to improve the acceptor properties of such boranes. Astonishingly, the use of ortho-trifluoromethylated aryls in boron containing systems also improves the stability of those systems in regard to their inherent reactivity towards nucleophiles. Borafluorenes are stronger acceptors than their non-annulated triarylborane derivatives. In previous studies, the effect of trifluoromethylated aryls as the exo-aryl moieties in borafluorenes, as well as the effect of fluorination on the backbone, were examined. As the latter suffers from a very low stability, systems using trifluoromethyl groups, both on the exo-aryl as well as the borafluorene backbone were designed in order to maximize both the stability as well as the acceptor strength. Three different perfluoroalkylated borafluorenes were prepared and their electronic and photophysical properties were investigated. The systems have four trifluoromethyl moieties on the borafluorene moiety as well as two trifluoromethyl groups at the ortho positions of their exo-aryl moieties. They differ with regard to the para-substituents on their exo-aryl moieties, being a proton (FXylFBf), a trifluoromethyl group (FMesFBf) or a dimethylamino group (p NMe2-FXylFBf), respectively. Furthermore, an acetonitrile adduct of FMesFBf was obtained and characterized. All derivatives exhibit extraordinarily low reduction potentials, comparable to those of perylenediimides. The most electron deficient derivative FMesFBf was also chemically reduced and its radical anion isolated and characterized. Furthermore, the photophysical properties of all compounds were investigated. All compounds exhibit weakly allowed lowest energy absorptions and very long fluorescent lifetimes of ca. 250 ns up to 1.6 μs; however, the underlying mechanisms differ. The donor substituted derivative p-NMe2-FXylFBf exhibits thermally activated delayed fluorescence from a charge transfer (CT) state, while the FMesFBf and FXylFBf borafluorenes exhibit only weakly allowed locally excited (LE) transitions due to their symmetry and low transition dipole moments, as suggested by DFT and TD-DFT calculations.   Chapter 3 Conjugated dendrimers find wide application in various fields, such as charge transport/storage or emitter materials in organic solar cells or OLEDs. Previous studies on boron containing conjugated dendrimers are scarce and mostly employ a convergent synthesis approach, lacking a simple, generally applicable synthetic access. A new divergent approach was designed and conjugated triarylborane dendrimers were synthesized up to the 2nd generation. The synthetic strategy consists of three steps: 1) functionalization, via iridium catalyzed C–H borylation; 2) activation, via fluorination of the generated boronate ester with K[HF2] or [N(nBu)4][HF2]; and 3) expansion, via reaction of the trifluoroborate salts with aryl Grignard reagents. The concept was also shown to be viable for a convergent approach. All but one of the conjugated borane dendrimers exhibit multiple, distinct and reversible reduction potentials, making them potentially interesting materials for applications in molecular accumulators (Figure 5.7). Based on their photophysical properties, the 1st generation dendrimers exhibit good conjugation over the whole system. The conjugation does not further increase upon expansion to the 2nd generation, but the molar extinction coefficients increase linearly with the number of triarylborane sub-units, suggesting a potential application as photonic antennas.   Chapter 4 A surprisingly high electronically-driven regioselectivity for the iridium-catalyzed C–H borylation using [Ir(COD)OMe]2 (COD = 1,5-cyclooctadiene) as the precatalytic species, bis(pinacolato)diboron (B2pin2) as the boron source and 4,4’-ditertbutyl-2,2’-bipyridin (dtbpy) as the ligand of D-π-A systems with diphenylamino (1) or carbazolyl (2) moieties as the donor, bis(2,6-bis(trifluoromethyl)phenyl)boryl (B(FXyl)2) as the acceptor, and 1,4-phenylene as the π-bridge was observed. Under these conditions, borylation was observed only at the sterically least encumbered para-positions of the acceptor groups. As boronate esters are versatile building blocks for organic synthesis (C–C coupling, functional group transformations), the C–H borylation represents a simple potential method for post-functionalization by which electronic or other properties of D-π-A systems can be fine-tuned for specific applications. The photophysical and electrochemical properties of the borylated (1-(Bpin)2) and unborylated (1) diphenylamino-substituted D-π-A systems were investigated. Interestingly, the borylated derivative exhibits coordination of THF to the boronate ester moieties, influencing the photophysical properties and exemplifying the non-innocence of boronate esters.show moreshow less
  • Kapitel 1 Materialien mit thermisch aktivierter verzögerter Fluoreszenz (TADF) eröffnen einen Weg zur Verbesserung der externen Quanteneffizienz von organischen Leuchtdioden (OLEDs). Aufgrund der Spin-Statistik werden in einem elektronischen Bauelement 25% Singulett- und 75% Triplett-Exzitonen erzeugt. Konventionelle organische Emitter können Triplett-Exzitonen aufgrund ihrer geringen Spin-Bahnkopplung nicht nutzen und weisen niedrige externe Quanteneffizienzen auf. TADF-Materialien müssen so entworfen werden, dass die Energielücke zwischenKapitel 1 Materialien mit thermisch aktivierter verzögerter Fluoreszenz (TADF) eröffnen einen Weg zur Verbesserung der externen Quanteneffizienz von organischen Leuchtdioden (OLEDs). Aufgrund der Spin-Statistik werden in einem elektronischen Bauelement 25% Singulett- und 75% Triplett-Exzitonen erzeugt. Konventionelle organische Emitter können Triplett-Exzitonen aufgrund ihrer geringen Spin-Bahnkopplung nicht nutzen und weisen niedrige externe Quanteneffizienzen auf. TADF-Materialien müssen so entworfen werden, dass die Energielücke zwischen dem niedrigsten Singulett- und dem niedrigsten Triplett-Zustand (ΔES T) ausreichend klein ist, um Rück-Interkombination (rISC) in organischen Systemen zu ermöglichen (Schema 5.1). Eine etablierte Struktur-Eigenschafts-Beziehung für die Erzeugung von TADF-Materialien ist die räumliche Trennung von HOMO und LUMO über eine orthogonale Anordnung von Donor und Akzeptor in Donor-π-Akzeptor-Verbindungen (D-π-A). Dies wird durch eine Vergrößerung des sterischen Anspruchs der π-Brücke erreicht. Dies ist jedoch nicht immer die effizienteste Methode und elektronische Parameter müssen berücksichtigt werden. In einer kombinierten experimentellen und theoretischen Studie wird ein Berechnungsprotokoll zur Vorhersage der angeregten Zustände in D-π-A-Verbindungen, die die Akzeptorgruppe B(FXyl)2 (FXyl = 2,6-Bis(trifluoromethyl)phenyl) enthalten, für das Design neuer TADF-Emitter vorgestellt. Zu diesem Zweck wurde die Wirkung verschiedener Donor- und π-Brückeneinheiten auf die Energielücken zwischen lokalen und ladungsübertragenden Singulett- und Triplett-Zuständen untersucht. Um das durch quantenchemische Rechnungen gestützte Designkonzept zu beweisen, wurden die D-π-B(FXyl)2-Verbindungen Cbz-π (1), Cbz-Meπ (2), Phox-Meπ (3), Phox-MeOπ (4) und MeO₃Ph-FMeπ (5) synthetisiert und vollständig charakterisiert. Die photophysikalischen Eigenschaften dieser Verbindungen in verschiedenen Lösungsmitteln, im Polymerfilm und in einer gefrorenen Glas-Matrix wurden im Detail untersucht und zeigen eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit den berechneten Daten. Eine einfache Struktur-Eigenschafts-Beziehung wird vorgestellt, die auf den molekularen Fragment-Orbitalen des Donors und der π-Brücke basiert, welche die relevanten Singulett-Triplett-Lücken minimieren, um effiziente TADF-Emitter zu erhalten.   Kaptiel 2 Dreifach koordiniertes Bor ist als Akzeptor in konjugierten Materialien weit verbreitet. In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass der Einsatz trifluoromethylierter Aromaten die Akzeptoreigenschaften solcher Borane verbessert. Erstaunlicherweise verbessert die Verwendung von ortho-trifluormethylierten Aromaten in borhaltigen Systemen auch die Stabilität dieser Systeme hinsichtlich ihrer inhärenten Reaktivität gegenüber Nukleophilen. Borafluorene sind von Natur aus stärkere Akzeptoren als ihre nicht benzannulierten Triarylboran-Derivate. In frühere Studien wurde bereits die Wirkung trifluormethylierter Aryle als exo-Aryl-Einheiten in Borfluororenen sowie die Auswirkung der Fluorierung auf das Rückgrat untersucht. Da letztere unter einer sehr geringen Stabilität leiden, wurden Systeme mit Trifluoromethylgruppen sowohl auf dem exo-Aromaten- als auch auf dem Borafluoren-Gerüst entwickelt, um sowohl die Stabilität als auch die Akzeptorstärke zu maximieren. Es wurden drei verschiedene perfluoralkylierte Borfluorene hergestellt und ihre elektronischen und photophysikalischen Eigenschaften untersucht. Die Systeme haben vier Trifluoromethylgruppen am Borafluoren-Gerüst sowie zwei Trifluoromethylgruppen an den ortho-Positionen ihrer exo-Aromaten. Sie unterscheiden sich in Bezug auf die para-Substituenten an ihren exo-Aromaten, die jeweils ein Proton (FXylFBf), eine Trifluormethylgruppe (FMesFBf) oder eine Dimethylaminogruppe (p NMe2 FXylFBf) sind. Des Weiteren wurde ein Acetonitril Addukt von FMesFBf isoliert und charakterisiert. Alle Derivate weisen außergewöhnlich niedrige Reduktionspotenziale auf, die mit denen von Perylendiimiden vergleichbar sind. Das elektronenärmste Derivat FMesFBf wurde ebenfalls chemisch reduziert und das korrespondierende radikalische Anion isoliert und charakterisiert. Eigenschaften aller Verbindungen untersucht. Alle Verbindungen weisen schwach erlaubte niederenergetischste Absorptionsmaxima, sowie sehr lange Fluoreszenzlebensdauern von ca. 250 ns bis zu 1,6 μs auf; die zugrunde liegenden Mechanismen, unterscheiden sich jedoch. Das donorsubstituierte Derivat p-NMe2-FXylFBf zeigt thermisch aktivierte verzögerte Fluoreszenz aus einem Ladungstransfer-(CT-)Zustand, während die Borafluorene FMesFBf und FXylFBf aufgrund ihrer Symmetrie und niedriger Übergangsdipolmomente nur schwach erlaubte lokal angeregte (LE-)Übergänge aufweisen, wie aus DFT- und TD-DFT-Berechnungen hervorgeht.   Kapitel 3 Konjugierte Dendrimere finden breite Anwendung in verschiedenen Bereichen, wie z.B. als Ladungstransport/-speicher- oder Emittermaterialien in organischen Solarzellen oder OLEDs. Bisherige Studien über borhaltige konjugierte Dendrimere sind rar gesät und verwenden meist einen konvergenten Syntheseansatz, dem ein einfacher, allgemein anwendbarer synthetischer Zugang fehlt. Ein neuer divergenter Ansatz wurde entwickelt und konjugierte Triarylboran-Dendrimere wurden bis einschließlich zur zweiten Generation synthetisiert. Die Synthesestrategie besteht aus drei Schritten: 1) Funktionalisierung durch Iridium-katalysierte C-H-Borylierung; 2) Aktivierung durch Fluorierung des erzeugten Boronatesters mit K[HF2] oder [N(nBu)4][HF2]; und 3) Expansion durch Reaktion der Trifluoroboratsalze mit Aryl-Grignard-Reagenzien. Das Konzept erwies sich auch auf einen konvergenten Ansatz übertragbar. Bis auf eine Ausnahme weisen alle konjugierten Boran-Dendrimere mehrere, isolierte und reversible Reduktionsprozesse auf, was sie zu potenziell interessanten Materialien für die Anwendung in molekularen Akkumulatoren macht. Basierend auf ihren photophysikalischen Eigenschaften zeigen die Dendrimere der 1. Generation eine gute Konjugation über das gesamte System. Bei der Erweiterung der Systeme zur zweiten Generation nimmt die Konjugation nicht weiter zu. Allerdings steigen die molaren Extinktionskoeffizienten linear mit der Anzahl der Triarylboran-Untereinheiten, was auf eine Möglichkeit für die Anwendung als photonische Antennen hindeutet.   Kapitel 4 Es wurde eine überraschend hohe, elektronisch gesteuerte Regioselektivität für die Iridium-katalysierte C-H-Borylierung mit [Ir(COD)OMe]2 (COD = 1,5-Cyclooctadien) als präkatalytische Spezies, Bis(pinacolato)diboran (B2pin2) als Borquelle und 4,4'-Di-tert-butyl-2,2'-bipyridin (dtbpy) als Ligand von D-π-A-Systemen mit Diphenylamin (1) oder Carbazolyl (Cbz-π (1)) als Donoren, Bis(2,6-bis(trifluoromethyl)phenyl)boryl (B(FXyl)2) als Akzeptor und 1,4-Phenylen als π-Brücke beobachtet. Unter diesen Bedingungen wurde die Borylierung nur an den sterisch am wenigsten gehinderten para-Positionen der Akzeptorgruppen beobachtet. Da Boronatester vielseitige Bausteine für die organische Synthese sind (C-C-Kupplung, funktionelle Gruppentransformationen), stellt die C–H-Borylierung eine einfache, potentielle Methode zur Funktionalisierung dar, mit der elektronische oder andere Eigenschaften von D-π-A-Systemen für spezifische Anwendungen fein abgestimmt werden können. Die photophysikalischen und elektrochemischen Eigenschaften der borylierten (1-(Bpin)2) und unborylierten (1) diphenylaminosubstituierten D-π-A-Systeme wurden untersucht. Interessanterweise weist das borylierte Derivat eine Koordination von THF an die Boronatester-Einheiten auf, was die photophysikalischen Eigenschaften beeinflusst und die Nicht-Unschuld der Boronatester veranschaulicht.show moreshow less

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Metadaten
Author: Florian Rauch
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-211478
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Chemie und Pharmazie
Faculties:Fakultät für Chemie und Pharmazie / Institut für Anorganische Chemie
Referee:Prof. Dr. Dr. h.c. Todd B. MarderORCiD
Date of final exam:2020/07/10
Language:English
Year of Completion:2020
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-21147
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 546 Anorganische Chemie
GND Keyword:Triarylborane; Fotophysik; Cyclovoltammetrie; Verzögerte Fluoreszenz; Trifluormethylphenylgruppe
Release Date:2020/09/11
Licence (German):License LogoCC BY: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung 4.0 International