СИНТЕЗ И СВОЙСТВА НОВЫХ 3,4-ФЕНИЛЕНДИОКСИТИОФЕНОВ, ФУНКЦИОНАЛИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОНОАКЦЕПТОРНЫМИ ГРУППАМИ, А ТАКЖЕ ОЛИГОМЕРОВ И ПОЛИМЕРОВ НА ИХ ОСНОВЕ, КАК МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
|
Введение 5
1. Аналитический обзор литературы 10
1.1 Сопряженные полимеры 10
1.2 Сопряжённые олигомеры 11
1.3 Принцип работы органических полевых транзисторов и органических
светоизлучательных диодов 11
1.4 Необходимые характеристики для органических полупроводников 14
1.5 Политиофены 15
1.5.1 Поли(3-гексилтиофен), РЗНТ 18
1.6 Олиготиофены 18
1.7 Поли-3,4-этилендиокситиофен (РЕПОТ) 20
1.7.1 Синтез производных ЕПОТ 21
1.7.2 Синтез олигомеров донорно-акцепторного типа на основе ЕПОТ 23
1.8 3,4-(1,2-Фенилендиокси)тиофен (РйеПОТ) 24
1.9 Гидрофобные и супергидрофобные свойства поверхностей 29
1.9.1 Поверхностное смачивание и контактный угол (КУ) 30
1.9.2 Классификация и определение смачивания поверхности 32
1.9.3 Супергидрофобные свойства растений 32
1.9.4 Формирование супергидрофобных поверхностей на примере производных РйеПОТ . 33
1.10 Электролюминесцентные полимеры для светоизлучающих устройств 35
1.11 Заключение 36
2. Обсуждение результатов 38
2.1 Синтез 3,4-(1,2-фенилендиокси)тиофенов, функционализованных
электроноакцепторными фрагментами 43
2.1.1 Синтез новых представителей РйеПОТ 43
2.1.2 ПБТ-расчёты 54
2.1.3 Электрохимические характеристики и данные УФ-ВО спектроскопии 68
2.2 Влияние структурных изменений в функционализированных производных 3,4-фенилендиокситиофена и условий электрополимеризации на наноструктуру поверхности ипарагидрофобные свойства их электрополимеризованных пленок 72
2.2.1 Синтез функционализированных производных 3,4-фенилендиокситиофена 72
2.2.2 Электрополимеризация функционализированных производных 3,4-
фенилендиокситиофена 80
2.2.3 Влияние электроноакцепторных групп производных 3,4-фенилендиокситиофена нананоструктуру поверхности и гидрофобные свойства их электрополимеризованных пленок
85
2.2.4 Влияние условий электрополимеризации и структурных изменений вфункционализированных производных 3,4-фенилендиокситиофена на наноструктуруповерхности и парагидрофобные свойства их электрополимеризованных пленок 91
2.3 Синтез и свойства плоских сопряжённых олигомеров на основе 3,4-(1,2-
фенилендиокси)тиофена 103
2.3.1 Синтез мономера 3,4-(1,2-фенилендиокси)тиофена (PheDOT) (1a) 104
2.3.3 Синтез симметричного тетрамера PheDOT (82) с концевыми н-гексаноильными
группами 106
2.3.4 Синтез симметричного димера PheDOT (10) с концевыми н-гексаноильными группами 109
2.3.5 Исследование спектров УФ- и фотолюминесценции синтезированных производных
PheDOT 110
2.4 Синтез тримеров и сополимера тиофен-флуорена с акцепторными группами и изучение
влияния структуры на электрические и оптические свойства 112
2.4.1 Синтез тиофен-флуореновых тримеров 113
2.4.2 DFT исследования флуорен-тиофеновых тримеров 113
2.4.3 Циклическая вольтамперометрия тримеров 115
2.4.4 Фотофизические исследования тримеров в растворе 117
2.4.5 Фотофизические исследования тримеров в твёрдом состоянии 119
2.4.6 Спектроэлектрохимические исследования тримеров (12 и 13) 121
2.4.7 Синтез и характеризация PheDOT-сополимера (14)
2.4.8 Фотофизические изучения PheDOT-сополимера p[P-F8] (14) в растворе 124
2.4.9 Фотофизические изучения PheDOT-сополимера p[P-F8] (14) в твёрдом состоянии .. 125
2.4.10 Спектроэлектрохимические исследования сополимера p[P-F8] (14) 126
3. Экспериментальная часть 128
3.1 Микроволновый синтез PheDOT и его аналогов 129
3.2 Синтез 1Naph-PheDOT (4) и 2Naph-PheDOT (6) 135
3.3 Синтез 9Ant-PheDOT (5) 140
3.4 Синтез димера (2Naph-PheDOT)2 (7) [107] 147
3.5 Синтез тримера (2Naph-PheDOT)3 (8) 149
3.6 Синтез несимметричного гексаноил-замещенного димера PheDOT (9) 151
3.7 Синтез симметричного тетрамера PheDOT с гексаноильными группами (11) 156
3.8 Синтез симметричного гексаноил-замещенного димера PheDOT (10) 157
3.9 Синтез тримеров F-P-F (12) и F-QxDOT-F (13) 158
3.10 Синтез сополимера p[P-F8] (14) 160
Заключение 161
Список используемых сокращений 163
Список литературы 165
Приложение. SEM-изображения полимерных поверхностей 183
1. Аналитический обзор литературы 10
1.1 Сопряженные полимеры 10
1.2 Сопряжённые олигомеры 11
1.3 Принцип работы органических полевых транзисторов и органических
светоизлучательных диодов 11
1.4 Необходимые характеристики для органических полупроводников 14
1.5 Политиофены 15
1.5.1 Поли(3-гексилтиофен), РЗНТ 18
1.6 Олиготиофены 18
1.7 Поли-3,4-этилендиокситиофен (РЕПОТ) 20
1.7.1 Синтез производных ЕПОТ 21
1.7.2 Синтез олигомеров донорно-акцепторного типа на основе ЕПОТ 23
1.8 3,4-(1,2-Фенилендиокси)тиофен (РйеПОТ) 24
1.9 Гидрофобные и супергидрофобные свойства поверхностей 29
1.9.1 Поверхностное смачивание и контактный угол (КУ) 30
1.9.2 Классификация и определение смачивания поверхности 32
1.9.3 Супергидрофобные свойства растений 32
1.9.4 Формирование супергидрофобных поверхностей на примере производных РйеПОТ . 33
1.10 Электролюминесцентные полимеры для светоизлучающих устройств 35
1.11 Заключение 36
2. Обсуждение результатов 38
2.1 Синтез 3,4-(1,2-фенилендиокси)тиофенов, функционализованных
электроноакцепторными фрагментами 43
2.1.1 Синтез новых представителей РйеПОТ 43
2.1.2 ПБТ-расчёты 54
2.1.3 Электрохимические характеристики и данные УФ-ВО спектроскопии 68
2.2 Влияние структурных изменений в функционализированных производных 3,4-фенилендиокситиофена и условий электрополимеризации на наноструктуру поверхности ипарагидрофобные свойства их электрополимеризованных пленок 72
2.2.1 Синтез функционализированных производных 3,4-фенилендиокситиофена 72
2.2.2 Электрополимеризация функционализированных производных 3,4-
фенилендиокситиофена 80
2.2.3 Влияние электроноакцепторных групп производных 3,4-фенилендиокситиофена нананоструктуру поверхности и гидрофобные свойства их электрополимеризованных пленок
85
2.2.4 Влияние условий электрополимеризации и структурных изменений вфункционализированных производных 3,4-фенилендиокситиофена на наноструктуруповерхности и парагидрофобные свойства их электрополимеризованных пленок 91
2.3 Синтез и свойства плоских сопряжённых олигомеров на основе 3,4-(1,2-
фенилендиокси)тиофена 103
2.3.1 Синтез мономера 3,4-(1,2-фенилендиокси)тиофена (PheDOT) (1a) 104
2.3.3 Синтез симметричного тетрамера PheDOT (82) с концевыми н-гексаноильными
группами 106
2.3.4 Синтез симметричного димера PheDOT (10) с концевыми н-гексаноильными группами 109
2.3.5 Исследование спектров УФ- и фотолюминесценции синтезированных производных
PheDOT 110
2.4 Синтез тримеров и сополимера тиофен-флуорена с акцепторными группами и изучение
влияния структуры на электрические и оптические свойства 112
2.4.1 Синтез тиофен-флуореновых тримеров 113
2.4.2 DFT исследования флуорен-тиофеновых тримеров 113
2.4.3 Циклическая вольтамперометрия тримеров 115
2.4.4 Фотофизические исследования тримеров в растворе 117
2.4.5 Фотофизические исследования тримеров в твёрдом состоянии 119
2.4.6 Спектроэлектрохимические исследования тримеров (12 и 13) 121
2.4.7 Синтез и характеризация PheDOT-сополимера (14)
2.4.8 Фотофизические изучения PheDOT-сополимера p[P-F8] (14) в растворе 124
2.4.9 Фотофизические изучения PheDOT-сополимера p[P-F8] (14) в твёрдом состоянии .. 125
2.4.10 Спектроэлектрохимические исследования сополимера p[P-F8] (14) 126
3. Экспериментальная часть 128
3.1 Микроволновый синтез PheDOT и его аналогов 129
3.2 Синтез 1Naph-PheDOT (4) и 2Naph-PheDOT (6) 135
3.3 Синтез 9Ant-PheDOT (5) 140
3.4 Синтез димера (2Naph-PheDOT)2 (7) [107] 147
3.5 Синтез тримера (2Naph-PheDOT)3 (8) 149
3.6 Синтез несимметричного гексаноил-замещенного димера PheDOT (9) 151
3.7 Синтез симметричного тетрамера PheDOT с гексаноильными группами (11) 156
3.8 Синтез симметричного гексаноил-замещенного димера PheDOT (10) 157
3.9 Синтез тримеров F-P-F (12) и F-QxDOT-F (13) 158
3.10 Синтез сополимера p[P-F8] (14) 160
Заключение 161
Список используемых сокращений 163
Список литературы 165
Приложение. SEM-изображения полимерных поверхностей 183
Актуальность и степень разработанности темы исследования. В последние десятилетия активно изучались проводящие полимеры на основе органических компонентов (так называемые синтетические металлы) на предмет применения в органической (опто)электронике и фотовольтаике. В результате этих исследований был получен поли(3,4- этилендиокситиофен), РЕВОТ, который имеет стабильную и высокую проводимость в легированной форме в смеси с другим иономером, полистиролсульфонатом, (РЕПОТ:Р88), и используется в качестве прозрачного проводящего полимера в различных устройствах [1, 2]. За счет внутримолекулярных взаимодействий 8—О между соседними мономерными звеньями ЕВОТ обладает плоской полимерной цепью, что обуславливает хорошие электронные свойства соединения. Согласно данным литературы, основным недостатком полимеров на основе ЕВОТ является то, что функционализация этиленового мостика в мономере практически не влияет на настройку электронных свойств полимера, так как заместители, присоединенные к зр3 углеродным атомам, не сопряжены с тиофеновым кольцом, выходят из плоскости полимера и негативным образом влияют на п-п укладку между полимерными цепями, нарушая ее.
Что касается бензоаннелированных аналогов ЕВОТ, например, недавно опубликованном 3,4-(1,2-фенилендиокси)тиофене, РЬеВОТ [3], то они способны образовывать олигомеры и/или полимеры (рРЬеВОТ) с повышенной жесткостью и плоской структурой основной цепи. А из-за несколько более высокого потенциала окисления (примерно на 0.3-0.4 В), чем у РЕВОТ, полимеры на основе рРЬеВОТ являются более стабильными в нелегированном состоянии. Кроме того, бензольное кольцо боковой цепи в РЬеВОТ способно подвергаться дополнительной модификации полимерной структуры без нарушения планарности, но с возможностью настройки электронных свойств. Помимо этого, в группе ученого Б. Ошйагй было обнаружено интересное свойство некоторых замещенных РЬеВОТ, когда при электрополимеризации они образуют хорошо упорядоченные нанотрубки полимеров р[РЬеВОТ] на поверхности, причем без какой-либо матрицы [4, 5]. При этом присутствующие на поверхности полимерных пленок нанотрубки придают этой поверхности парагидрофобные свойства с чрезвычайно высокими контактными углами воды (до 9w ~ 130-150°) и высокой адгезией воды, даже если нанотрубки образованы из внутренне гидрофильных полимеров (угол Юнга 9У ~ 60°). Материалы с парагидрофобными свойствами актуальны для создания
антикоррозионных, антиобледенительных, антибактериальных покрытий, для конструкции мембран и так далее.
Таким образом, синтез новых производных РИеБОТ, а также олигомеров и полимеров на их основе актуален для получения новых материалов с уникальными прикладными характеристиками.
Цель диссертационной работы. Целенаправленный синтез соединений с заданными электронными свойствами на основе производных РИеБОТ для возможного применения в качестве материалов для органической электроники, установление закономерностей «структура-свойство» и «структура-функции». Исследование фотофизических свойств полученных соединений. Установление влияния структуры РИеБОТ на электронные и поверхностные свойства их электрополимеризованных наноструктурированных полимерных плёнок.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать методику синтеза новых производных PheDOT с электроноакцепторными группами в бензольном кольце (EWG-PheDOT) и их аналогов с расширенной боковой п- ароматической и гетароматической системой (ArDOT).
2. Изучить геометрию и электронную структуру олигомеров и полимеров, полученных из синтезированных мономеров EWG-PheDOT и ArDOT, в том числе методом теории функционала плотности (ИТТ) на теоретическом уровне Б3Е¥Р/6-3Ю(й) в газовой фазе.
3. Сравнить данные теоретических ИТТ-расчётов с таковыми, полученными экспериментальным путем при помощи циклической вольтамперомерии.
4. Синтезировать мономеры PheDOT и их электрополимеризованные полимеры, исследовать поверхностные свойства последних для оценки факторов, влияющих на формирование морфологии поверхности.
5. Разработать методику синтеза плоских сопряжённых олигомеров на основе производных PheDOT, а также тримеров и сополимеров на основе тиофен-флуоренов с акцепторными группами и изучить влияние структуры соединений на электрические и оптические свойства.
Научная новизна и теоретическая значимость работы. Предложен удобный однореакторный метод синтеза новых производных РИеБОТ с электроноакцепторными группами в бензольном кольце (EWG-PheDOT) и их аналогов с расширенной боковой п- системой или с гетероароматическими кольцами АгБОТ.
Посредством электрополимеризации производных РИеБОТ синтезированы новые полимерные материалы, обладающие супер -гидрофобными поверхностными свойствами, которые были детально изучены.
Синтезированы и охарактеризованы новые олигомеры на основе PheDOT как перспективные материалы для n-типа органических полевых транзисторов (OFET).
Синтезированы и охарактеризованы новые серии донорно-акцепторных тримеров и сополимеров на основе флуорен/PheDOT как перспективные материалы для органических светоизлучательных диодов (OLED).
Практическая значимость работы. Разработан препаративный метод синтеза новой серии производных EWG-PheDOT и их аналогов (с расширенной боковой п-системой и с гетероароматическими кольцами ArDOT), а также была продемонстрирована возможность настройки пограничных орбиталей (ВЗМО, НСМО) полимеров на основе синтезированных соединений засчет их функционализации, что актуально для разработки органических электронных материалов (OFET, OLED).
Изучена взаимосвязь структуры мономеров на основе PheDOT с электронными и поверхностными свойствами наноструктурированных электрополимеризованных полимеров на их основе, что является актуальным для создания материалов для конструкции мембран.
С использованием метода циклической вольтамперометрии, расчётов DFT, УФ- спектроскопии и фотолюминесценции была продемонстрирована возможность точной настройки оптоэлектронных свойств материалов на основе донорно-акцепторных флуорен/PheDOT тримеров и сополимеров путем функционализации боковых цепей и улучшения квантового выхода, что можно использовать для конструирования светоизлучательных диодов.
Методология и методы диссертационного исследования основаны на анализе литературных данных, квантово-химическом моделировании структуры новых соединений, направленном органическом синтезе, использовании катализаторов при проведении синтеза органических соединений. Все вновь полученные соединения охарактеризованы необходимым набором физико-химических и спектральных данных (спектры ЯМР, масс-спектры электронного удара, УФ-спектры). Для ряда соединений строение доказано методом рентгеноструктурного анализа. Свойства синтезированных молекул исследовались такими методами, как УФ-вид. спектроскопия, вольтамперометрия, квантовохимические расчеты, сканирующая электронная микроскопия. Для анализа геометрии и электронной структуры основного и возбужденного состояния молекулы и теоретического расчета электронных спектров поглощения и испускания использовали теорию функционала плотности. Расчеты выполнены методом DFT в приближении B3LYP в сочетании с базисом 6-31G(d).
Достоверность полученных данных обеспечена использованием современных и стандартных методов исследования, применением сертифицированного оборудования, хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов. Полученные закономерности подтверждаются отсутствием противоречий с ранее известными сведениями.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Новый метод синтеза серии производных PheDOT с электроноакцепторными группами в бензольном кольце (EWG-PheDOT) и их аналогов (с расширенной боковой п- системой или с гетероароматическими кольцами ArDOT).
2. Изучение влияния структурных изменений в функционализированных 3,4- фенилендиокситиофенах на наноструктуру поверхности и парагидрофобные свойства их электрополимеризованных пленок.
3. Синтез и свойства плоских сопряжённых олигомеров на основе 3,4-(1,2- фенилендиокси)тиофена.
4. Синтез тримеров и сополимера на основе тиофен-флуорена с акцепторными группами и изучение влияния структуры на электрические и оптические свойства.
Личный вклад автора состоял в сборе, систематизации и анализе литературных данных по синтезу и свойствам производных 3,4-этилендиокситиофена, планировании и проведении экспериментальных исследований, анализе экспериментальных и спектральных данных, обработке и обобщению результатов, подготовке основных публикаций по теме диссертации.
Апробация. Результаты работы доложены на III Международной научной конференции “Химия в федеральных университетах” (Екатеринбург, 2015), WSOC 2016 зимней конференции молодых учёных по органической химии (Красновидово, 2016), международной конференции по науке и технологии синтетических металлов «ICSM-2016», (Гуанчжоу, Китай, 2016), 13-й Международном симпозиуме по функциональным п-электронным системам (Fn13) (Гонг-Конг, 2017), III Международной конференции “Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов” MOSM 2019 (Екатеринбург, 2019).
Публикации. По материалам работы опубликовано 4 статьи в международных научных журналах, входящих в перечень ВАК, а также 5 тезисов докладов на международных и российских конференциях.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из четырёх разделов: введения, аналитического обзора литературы, результатов и обсуждения, экспериментальной части и заключения. Полное содержание работы изложено на 185 страницах и содержит 26 схем, 18 таблиц, 71 рисунок. Библиографический список цитируемых документов состоит из 191 наименований.
Благодарности. Автор выражает сердечную благодарность и глубочайшую признательность за поддержку, наставничество и возможность заниматься научной деятельностью д.х.н., профессору Ю. Ю. Моржерину| (УрФУ, г. Екатеринбург), научному руководителю диссертационной работы д.х.н., профессору РАН Г. В. Зырянову; профессору И. Ф. Перепичка (Северо-Западный политехнический университет, Китай) - за помощь и возможность проведения исследований в Бангорском университете (Англия); M. P. Krompiec, S. N. Baxter и И. Ф. Перепичка (Бангорский университет, Англия) - за проведение квантово-химических расчётов и выполнение части синтетической работы первого раздела диссертации; D. S. Yufit (Даремский университет, Англия) - за выполнение РСА; I. Schewtschenko, D. Congrave, R. Hurst, T. K. Britten, C. Milne (Бангорский университет, Англия) - за помощь в проведении исследования; T. Darmanin, F. Guittard и G. Godeau (Université Côte d’Azur, Франция) - за исследование морфологии и смачиваемости поверхности полимеров; Z. Wang (Бангорский университет, Англия) - за помощь в проведении спектроэлектрохимических исследований; к.х.н. П. Е. Прохоровой и к.х.н. К. Л. Обыденнову - за неоценимую моральную и физическую поддержку. Также автор выражает искреннюю признательность за помощь и поддержку заведующему кафедрой ТОС ХТИ д.х.н., профессору В.А. Бакулеву, профессору кафедры ОиБХ ХТИ чл.-корр. РАН В. Л. Русинову, директору ХТИ М. В. Вараксину, а также научным сотрудникам и преподавателям обеих кафедр. Работа была выполнена в рамках проекта Совета Президента РФ по грантам (грант № НШ-2700.2020.3).
Что касается бензоаннелированных аналогов ЕВОТ, например, недавно опубликованном 3,4-(1,2-фенилендиокси)тиофене, РЬеВОТ [3], то они способны образовывать олигомеры и/или полимеры (рРЬеВОТ) с повышенной жесткостью и плоской структурой основной цепи. А из-за несколько более высокого потенциала окисления (примерно на 0.3-0.4 В), чем у РЕВОТ, полимеры на основе рРЬеВОТ являются более стабильными в нелегированном состоянии. Кроме того, бензольное кольцо боковой цепи в РЬеВОТ способно подвергаться дополнительной модификации полимерной структуры без нарушения планарности, но с возможностью настройки электронных свойств. Помимо этого, в группе ученого Б. Ошйагй было обнаружено интересное свойство некоторых замещенных РЬеВОТ, когда при электрополимеризации они образуют хорошо упорядоченные нанотрубки полимеров р[РЬеВОТ] на поверхности, причем без какой-либо матрицы [4, 5]. При этом присутствующие на поверхности полимерных пленок нанотрубки придают этой поверхности парагидрофобные свойства с чрезвычайно высокими контактными углами воды (до 9w ~ 130-150°) и высокой адгезией воды, даже если нанотрубки образованы из внутренне гидрофильных полимеров (угол Юнга 9У ~ 60°). Материалы с парагидрофобными свойствами актуальны для создания
антикоррозионных, антиобледенительных, антибактериальных покрытий, для конструкции мембран и так далее.
Таким образом, синтез новых производных РИеБОТ, а также олигомеров и полимеров на их основе актуален для получения новых материалов с уникальными прикладными характеристиками.
Цель диссертационной работы. Целенаправленный синтез соединений с заданными электронными свойствами на основе производных РИеБОТ для возможного применения в качестве материалов для органической электроники, установление закономерностей «структура-свойство» и «структура-функции». Исследование фотофизических свойств полученных соединений. Установление влияния структуры РИеБОТ на электронные и поверхностные свойства их электрополимеризованных наноструктурированных полимерных плёнок.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать методику синтеза новых производных PheDOT с электроноакцепторными группами в бензольном кольце (EWG-PheDOT) и их аналогов с расширенной боковой п- ароматической и гетароматической системой (ArDOT).
2. Изучить геометрию и электронную структуру олигомеров и полимеров, полученных из синтезированных мономеров EWG-PheDOT и ArDOT, в том числе методом теории функционала плотности (ИТТ) на теоретическом уровне Б3Е¥Р/6-3Ю(й) в газовой фазе.
3. Сравнить данные теоретических ИТТ-расчётов с таковыми, полученными экспериментальным путем при помощи циклической вольтамперомерии.
4. Синтезировать мономеры PheDOT и их электрополимеризованные полимеры, исследовать поверхностные свойства последних для оценки факторов, влияющих на формирование морфологии поверхности.
5. Разработать методику синтеза плоских сопряжённых олигомеров на основе производных PheDOT, а также тримеров и сополимеров на основе тиофен-флуоренов с акцепторными группами и изучить влияние структуры соединений на электрические и оптические свойства.
Научная новизна и теоретическая значимость работы. Предложен удобный однореакторный метод синтеза новых производных РИеБОТ с электроноакцепторными группами в бензольном кольце (EWG-PheDOT) и их аналогов с расширенной боковой п- системой или с гетероароматическими кольцами АгБОТ.
Посредством электрополимеризации производных РИеБОТ синтезированы новые полимерные материалы, обладающие супер -гидрофобными поверхностными свойствами, которые были детально изучены.
Синтезированы и охарактеризованы новые олигомеры на основе PheDOT как перспективные материалы для n-типа органических полевых транзисторов (OFET).
Синтезированы и охарактеризованы новые серии донорно-акцепторных тримеров и сополимеров на основе флуорен/PheDOT как перспективные материалы для органических светоизлучательных диодов (OLED).
Практическая значимость работы. Разработан препаративный метод синтеза новой серии производных EWG-PheDOT и их аналогов (с расширенной боковой п-системой и с гетероароматическими кольцами ArDOT), а также была продемонстрирована возможность настройки пограничных орбиталей (ВЗМО, НСМО) полимеров на основе синтезированных соединений засчет их функционализации, что актуально для разработки органических электронных материалов (OFET, OLED).
Изучена взаимосвязь структуры мономеров на основе PheDOT с электронными и поверхностными свойствами наноструктурированных электрополимеризованных полимеров на их основе, что является актуальным для создания материалов для конструкции мембран.
С использованием метода циклической вольтамперометрии, расчётов DFT, УФ- спектроскопии и фотолюминесценции была продемонстрирована возможность точной настройки оптоэлектронных свойств материалов на основе донорно-акцепторных флуорен/PheDOT тримеров и сополимеров путем функционализации боковых цепей и улучшения квантового выхода, что можно использовать для конструирования светоизлучательных диодов.
Методология и методы диссертационного исследования основаны на анализе литературных данных, квантово-химическом моделировании структуры новых соединений, направленном органическом синтезе, использовании катализаторов при проведении синтеза органических соединений. Все вновь полученные соединения охарактеризованы необходимым набором физико-химических и спектральных данных (спектры ЯМР, масс-спектры электронного удара, УФ-спектры). Для ряда соединений строение доказано методом рентгеноструктурного анализа. Свойства синтезированных молекул исследовались такими методами, как УФ-вид. спектроскопия, вольтамперометрия, квантовохимические расчеты, сканирующая электронная микроскопия. Для анализа геометрии и электронной структуры основного и возбужденного состояния молекулы и теоретического расчета электронных спектров поглощения и испускания использовали теорию функционала плотности. Расчеты выполнены методом DFT в приближении B3LYP в сочетании с базисом 6-31G(d).
Достоверность полученных данных обеспечена использованием современных и стандартных методов исследования, применением сертифицированного оборудования, хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов. Полученные закономерности подтверждаются отсутствием противоречий с ранее известными сведениями.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Новый метод синтеза серии производных PheDOT с электроноакцепторными группами в бензольном кольце (EWG-PheDOT) и их аналогов (с расширенной боковой п- системой или с гетероароматическими кольцами ArDOT).
2. Изучение влияния структурных изменений в функционализированных 3,4- фенилендиокситиофенах на наноструктуру поверхности и парагидрофобные свойства их электрополимеризованных пленок.
3. Синтез и свойства плоских сопряжённых олигомеров на основе 3,4-(1,2- фенилендиокси)тиофена.
4. Синтез тримеров и сополимера на основе тиофен-флуорена с акцепторными группами и изучение влияния структуры на электрические и оптические свойства.
Личный вклад автора состоял в сборе, систематизации и анализе литературных данных по синтезу и свойствам производных 3,4-этилендиокситиофена, планировании и проведении экспериментальных исследований, анализе экспериментальных и спектральных данных, обработке и обобщению результатов, подготовке основных публикаций по теме диссертации.
Апробация. Результаты работы доложены на III Международной научной конференции “Химия в федеральных университетах” (Екатеринбург, 2015), WSOC 2016 зимней конференции молодых учёных по органической химии (Красновидово, 2016), международной конференции по науке и технологии синтетических металлов «ICSM-2016», (Гуанчжоу, Китай, 2016), 13-й Международном симпозиуме по функциональным п-электронным системам (Fn13) (Гонг-Конг, 2017), III Международной конференции “Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов” MOSM 2019 (Екатеринбург, 2019).
Публикации. По материалам работы опубликовано 4 статьи в международных научных журналах, входящих в перечень ВАК, а также 5 тезисов докладов на международных и российских конференциях.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из четырёх разделов: введения, аналитического обзора литературы, результатов и обсуждения, экспериментальной части и заключения. Полное содержание работы изложено на 185 страницах и содержит 26 схем, 18 таблиц, 71 рисунок. Библиографический список цитируемых документов состоит из 191 наименований.
Благодарности. Автор выражает сердечную благодарность и глубочайшую признательность за поддержку, наставничество и возможность заниматься научной деятельностью д.х.н., профессору Ю. Ю. Моржерину| (УрФУ, г. Екатеринбург), научному руководителю диссертационной работы д.х.н., профессору РАН Г. В. Зырянову; профессору И. Ф. Перепичка (Северо-Западный политехнический университет, Китай) - за помощь и возможность проведения исследований в Бангорском университете (Англия); M. P. Krompiec, S. N. Baxter и И. Ф. Перепичка (Бангорский университет, Англия) - за проведение квантово-химических расчётов и выполнение части синтетической работы первого раздела диссертации; D. S. Yufit (Даремский университет, Англия) - за выполнение РСА; I. Schewtschenko, D. Congrave, R. Hurst, T. K. Britten, C. Milne (Бангорский университет, Англия) - за помощь в проведении исследования; T. Darmanin, F. Guittard и G. Godeau (Université Côte d’Azur, Франция) - за исследование морфологии и смачиваемости поверхности полимеров; Z. Wang (Бангорский университет, Англия) - за помощь в проведении спектроэлектрохимических исследований; к.х.н. П. Е. Прохоровой и к.х.н. К. Л. Обыденнову - за неоценимую моральную и физическую поддержку. Также автор выражает искреннюю признательность за помощь и поддержку заведующему кафедрой ТОС ХТИ д.х.н., профессору В.А. Бакулеву, профессору кафедры ОиБХ ХТИ чл.-корр. РАН В. Л. Русинову, директору ХТИ М. В. Вараксину, а также научным сотрудникам и преподавателям обеих кафедр. Работа была выполнена в рамках проекта Совета Президента РФ по грантам (грант № НШ-2700.2020.3).
1. Разработан удобный одностадийный, микроволновый метод синтеза производных 3,4- фенилендиокситиофена (PheDOT) с электроноакцепторными группами (EWG-PheDOT) в бензольном кольце и их аналогов (ArDOT) как перспективных строительных блоков для материалов органической электроники.
2. Данными DFT расчетов и экспериментальными методами показано, что введение заместителей в бензольный фрагмент PheDOT позволяет изменять величину энергии ВЗМО/НСМО на более чем 1.6 эВ, при этом слабо влияя на ширину запрещённой зоны полимеров p[PheDOT], что является актуальным для конструкции органических материалов для OLED, OFET.
3. Разработан метод синтеза ряда функционализированных 3,4-фенилендиокситиофеновых мономеров с различными заместителями в бензольном кольце: 2Naph-PheDOT, 1Naph- PheDOT и 9Ant-PheDOT, а также димера (2Naph-PheDOT)2 и тримера (2Naph-PheDOT)3, а также показано, что природа заместителей, условия электрополимеризации, природа электролита и содержание воды в растворителе существенно влияют на наноструктуру поверхности и гидрофобные свойства электрополимеризованных плёнок образующихся полимеров.
4. Предложен метод синтеза димеров и тетрамера на основе PheDOT с солюбилизирующими группами. Показано влияние структуры олигомеров на растворимость в органических растворителях.
5. Синтезированы и охарактеризованы тримеры и сополимер на основе мономера флуорен- PheDOT, как основы для конструирования донорно-акцепторных молекул.
6. Данными DFT расчётов и абсорбционной и эмиссионной спектроскопии для флуорен-тиофеновых тримеров показано влияние природы функциональных групп на энергию НСМО, величину запрещенной зоны, а также фотофизические свойства. Результаты DFT расчетов хорошо коррелировали с экспериментальными результатами.
7. Методами спектроэлектрохимического анализа (SEC) была продемонстрирована более низкая стабильность или время жизни окисленных форм F-P-F тримеров функционализованных электроноакцепторными фрагментами по сравнению с нефункционализованными тримерами.
8. Синтезирован сополимер p[P-F8], который продемонстрировал высокий квантовый выход и батохромный сдвиг максимума фотолюминесценции в сравнении с тримером типа F-P- F.
Перспективы дальнейшей разработки темы диссертационного исследования основаны на модификации олигомеров PheDOT с более протяжёнными концевыми солюбилизирующими ацильными группами для повышения их растворимости (>012). А также в будущей работе над разработкой донорно-акцепторных флуореновых соолигомеров и сополимеров могут быть использованы другие акцепторные группы для улучшения оптоэлектронных свойств материалов, также можно варьировать длину цепи и состав сополимеров, регулировать желаемое появление флуоресценции и повышать квантовую эффективность.
2. Данными DFT расчетов и экспериментальными методами показано, что введение заместителей в бензольный фрагмент PheDOT позволяет изменять величину энергии ВЗМО/НСМО на более чем 1.6 эВ, при этом слабо влияя на ширину запрещённой зоны полимеров p[PheDOT], что является актуальным для конструкции органических материалов для OLED, OFET.
3. Разработан метод синтеза ряда функционализированных 3,4-фенилендиокситиофеновых мономеров с различными заместителями в бензольном кольце: 2Naph-PheDOT, 1Naph- PheDOT и 9Ant-PheDOT, а также димера (2Naph-PheDOT)2 и тримера (2Naph-PheDOT)3, а также показано, что природа заместителей, условия электрополимеризации, природа электролита и содержание воды в растворителе существенно влияют на наноструктуру поверхности и гидрофобные свойства электрополимеризованных плёнок образующихся полимеров.
4. Предложен метод синтеза димеров и тетрамера на основе PheDOT с солюбилизирующими группами. Показано влияние структуры олигомеров на растворимость в органических растворителях.
5. Синтезированы и охарактеризованы тримеры и сополимер на основе мономера флуорен- PheDOT, как основы для конструирования донорно-акцепторных молекул.
6. Данными DFT расчётов и абсорбционной и эмиссионной спектроскопии для флуорен-тиофеновых тримеров показано влияние природы функциональных групп на энергию НСМО, величину запрещенной зоны, а также фотофизические свойства. Результаты DFT расчетов хорошо коррелировали с экспериментальными результатами.
7. Методами спектроэлектрохимического анализа (SEC) была продемонстрирована более низкая стабильность или время жизни окисленных форм F-P-F тримеров функционализованных электроноакцепторными фрагментами по сравнению с нефункционализованными тримерами.
8. Синтезирован сополимер p[P-F8], который продемонстрировал высокий квантовый выход и батохромный сдвиг максимума фотолюминесценции в сравнении с тримером типа F-P- F.
Перспективы дальнейшей разработки темы диссертационного исследования основаны на модификации олигомеров PheDOT с более протяжёнными концевыми солюбилизирующими ацильными группами для повышения их растворимости (>012). А также в будущей работе над разработкой донорно-акцепторных флуореновых соолигомеров и сополимеров могут быть использованы другие акцепторные группы для улучшения оптоэлектронных свойств материалов, также можно варьировать длину цепи и состав сополимеров, регулировать желаемое появление флуоресценции и повышать квантовую эффективность.



