Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft Polyacetylene, die durch Umsetzen von

A) Acetylenen der allgemeinen Formel

:D

wobei R Wasserstoff, Ci bis Cio-Alkyl, wobei der Alkyl¬ rest mit Fluor und/oder Chlor substituiert sein kann, Ci bis Cχo-Alkoxy, C ₅ bis C -Cycloalkyl, F, Cl, CN, -CONH ₂ , -COOH, Heteroaryl mit 4 bis 5 Kohlenstoffatomen, Ci bis Cio-Alkylphenyl,

Phenyl, wobei die Phenylreste jeweils mit -N0 ₂ , Fluor oder Chlor substituiert sein können, mit

B) einem Katalysator, erhältlich durch Umsetzen von

Bi) Metall-Ci- bis Cio-alkoholaten, wobei das Metall aus der vierten bis achten Gruppe des Periodensystems ausgewählt ist, mit

B ₂ ) Metall-Ci- bis Cio-alkylen, wobei das Metall Alumi¬ nium, Magnesium oder Thallium ist, oder Metallace- tylacetonaten oder Metall-π-Komplexen, wobei je¬ weils die Metalle aus der vierten bis achten Gruppe des Periodensystems ausgewählt sind,

wobei die Temperatur in der ersten Reaktionsstufe im Be¬ reich von 20 bis 50°C und in der zweiten Reaktionsstufe im Bereich von 80 bis 170°C liegt, erhältlich sind.

Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Ver¬ fahren zur Herstellung dieser Polyacetylene sowie deren Ver¬ wendung zur Herstellung von Formkörpern, Folien oder Fasern.

Polyacetylene und auch substituierte Polyacetylene, bei¬ spielsweise Polymethylacetylen, sowie deren Synthese in Ge¬ genwart von Ziegler-Natter-Katalysatoren sind an sich be¬ kannt (siehe z.B. J.C.W. Chien : Polyacetylene, Academie Press, Orlando, 1984) . Die bislang bekannten Polyacetylene oder substituierten Polyacetylene weisen jedoch für einige Anwendungen entweder einen zu niedrigen Anteil an trans¬ ständigen Doppelbindungen oder an syndiotaktisch angeordne¬ ten Substituenten auf.

Läßt man intensive elektromagnetische Strahlung auf gewisse Materialien, die aus Molekülen mit konjugierten Doppelbin¬ dungen aufgebaut sind, einwirken, führt diese Wechselwirkung zu sogenannten nichtlinear optischen Effekten. Spezielle physikalische Phänomene können beobachtet werden. Bei NLO- Effekten zweiter Ordnung sind dies z. B. die Frequenzver¬ dreifachung des eingestrahlten Lichtes oder die Abhängigkeit des Brechungsindexes des bestrahlten Materials von der In¬ tensität des einfallenden Lichtes. Einige Materialien, die diese Effekte zeigen, wurden bereits auf ihre Eignung zum Aufbau optischer Schalter hin untersucht [P.N. Prasad, D.J. Williams "Introduction to Nonlinear Optical Effects in Mole- cules and Polymers", Wiley 1991]

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, Polyacetylene zur Verfügung zu stellen, die anisotrop sind und sich auch als nichtlinear optische Materialien eignen.

Demgemäß wurden die eingangs definierten Polyacetylene ge- funden. Als monomere Bausteine (A) können Acetylen selbst, (d.h. R bedeutet in der allgemeinen Formel (I) Wasserstoff oder monosubstituierte Acetylene verwendet werden. Als Sub- stituent R kommt z.B. eine Cι~ bis Cιo-Alkylgruppe in Be¬ tracht. Beispiele hierfür sind Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl oder Pentyl. Dabei werden Methyl, Ethyl oder unverzweigte Alkylketten bevorzugt. Die Alkylgruppe kann auch mit Fluor und/oder Chlor substituiert sein, worunter die -CF ₃ -Gruppe bevorzugt wird. R kann auch eine Cι~ bis Cio-Alkoxygruppe sein. Beispielsweise kann Ethoxyacetylen verwendet werden. Daneben ist es möglich, C ₅ - bis C -Cycloalkylacetylene, wie Cyclohexylacetylen, einzusetzen. Als Substituenten R kommen auch Fluor, Chlor, Cyano, -CONH oder eine Säuregruppe in Betracht. Beispielsweise kann Chloracetylen eingesetzt wer-

den. Zu den geeigneten Substituenten R zählen ferner Cι~ bis C; ₀ ^_ Alkylphenyle, ^■ .nsbesondere Benzyl, Phenyl oder deren substituierte Derivate, wobei als Substituenten -N0 ₂ , Fluor oder Chlor zu nennen sind. Beispiele sind 4-Chlorbenzyl oder 4-Nitrophenyl. Darüber hinaus kann R ein C - bis Cs-He- teroarylrest sein. Geeignete Heteroarylreste sind z.B. Pyr- rol, Thiophen oder Pyridin.

Die Acetylene (A) sind entweder bekannt oder nach bekannten Methoden erhältlich (siehe beispielsweise Handbook of Con- ducting Polymers, T.A. Skotheim, Marcel Dekker Verlag, New York, Band I, Seite 405 (1986) . Beispielsweise läßt sich Thiophenacetylen durch Umsetzen von 2-Bromthiophen mit Tri- methylsilylacetylen in Gegenwart von Kupferjodid und Pala- dium(II)triphenylphosphoniumchlorid und anschließender Me- thanolyse des Zwischenproduktes in Gegenwart von Kaliumcar- bonat herstellen.

Erfindungsgemäß sind die Polyacetylene dadurch erhältlich, daß man die Acetylene (A) in Gegenwart eines Katalysa¬ tors (B) umsetzt. Dieser Katalysator ist dadurch erhältlich, daß man in einer zweistufigen Reaktion Metall-Cχ- bis Cio-alkoholate (Bi) mit einer zweiten Metallverbindung (B ) zur Reaktion bringt. Das Metall der Alkoholatverbindung (Bi) ist dabei ausgewählt aus der vierten bis achten Gruppe des Periodensystems. Bevorzugt werden Titanalkoholate verwendet. Zu den geeigneten Titanalkoholaten (B*ι) zählen Titantetra- ethylat, Titantetrabutylat und Titantetrapentylat. Als be¬ sonders vorteilhaft hat sich Titantetra-n-butylat erwiesen. Als Komponente (B ₂ ) kommen Metall-Ci- bis Cio-alkyle in Be¬ tracht, wobei das Metall Aluminium, Magnesium oder Thallium sein kann. Bevorzugt werden Aluminiumtrialkyle wie Aluminum- triethyl, Aluminiumtripropyl und Aluminumtrihexyl verwendet. Ganz besonders bevorzugt wird Aluminiumtriethyl eingesetzt. Ebensogut können Metallacetylacetonate als Komponente (B ₂ ) eingesetzt werden. Auch kann die Komponente (B ₂ ) einen Me¬ tall-π-Komplex darstellen. Dabei können die Metalle jeweils aus der vierten bis achten Gruppe des Periodensystems ausge¬ wählt sein, also beispielsweise Titan, Chrom, Molybdän, Man- gan, Eisen, Ruthenium, Cobalt, Nickel oder Platin. In Be¬ tracht kommen z.B. Nickelacetylacetonat, Cobalt (II)acetyl- acetonat, Mangan(II)acetylacetonat oder Ferrocen. Besonders

bevorzugt werden Cobalt (II)- oder Mangan (II) acetylacetonat verwende .

Im ersten Reaktionsschritt werden die beiden Katalysatorkom- ponenten bei einer Temperatur von 20 bis 50°C zur Reaktion gebracht . Anschließend wird zur Vervollständigung der Reak¬ tion die Temperatur auf 80 bis 170°C erhöht. Vorzugsweise findet die Umsetzung im ersten Reaktionsschritt bei einer Temperatur von 25 bis 45°C und im zweiten Reaktionsschritt bei einer Temperatur von 90 bis 160°C statt. Besonders be¬ vorzugt wird die Reaktion in Gegenwart eines hochsiedenden Lösungsmittels durchgeführt. Zu diesen zählen beispielsweise Toluol, Dekalin, Silikonöl, Weißöl, sowie Öle wie sie bei¬ spielsweise durch Umsetzen von Olefinen wie Isobuten oder Butadien zu Oligomeren erhalten werden. Ganz besonders be¬ vorzugt wird Silikonöl eingesetzt. Zweckmäßigerweise wird der Katalysator in der Regel unter Schutzgas, insbesondere Reinst-Argon, hergestellt. Im allgemeinen wird nach 10 bis 30 Minuten die Reaktionstemperatur erhöht. Die Reaktionszeit der ersten Stufe kann aber auch länger sein, meist werden jedoch nicht mehr als 60 Minuten für die erste Stufe benö¬ tigt. Insgesamt ist die Umsetzung in der Regel nach 0,5 bis 1,5 Stunden beendet, sie kann jedoch auch bis zu 5 Stunden betragen.

Um die bei Normaldruck und Raumtemperatur im allgemeinen gasförmig oder flüssig vorliegenden Acetylene (A) zu den er¬ findungsgemäßen Polyacetylenen zu polymerisieren werden, diese mit dem Katalysator (B) in Kontakt gebracht. Dies kann beispielsweise durch Rühren des Katalysators im flüssigen

Monomeren (A) geschehen oder durch Begasen des Katalysators. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, die sich insbesondere zum Herstellen von Folien eignet, wird der Ka¬ talysator in einer definierten Schichtdicke auf eine Ober- fläche aufgebracht. Diese Oberflächen können beispielsweise ebene Platten sein, können aber auch eine andere Form haben. Geeignet sind dementsprechend auch zylinderförmige Oberflä¬ chen. Um eine Katalysatorschicht definierter Dicke zu erzeu¬ gen, kann der auf die Oberfläche aufgetragene Katalysator z.B. im Fall plattenförmiger Oberflächen durch ein Rakel oder im Fall zylinderförmiger Oberflächen durch einen wand¬ gängigen Rotor verteilt bzw. überschüssige Katalysatormengen entfernt werden. Als Oberfläche können alle Materialien ver-

wendet werden, die unter den Reaktionsbedingungen inert sind. Bevorzugt dienen Glas oder Kunststofffolien wie Poly- ethylenfolien als Oberflächenmaterial. Es ist auch möglich Reaktionsgefäße, wie Zylinder, mit herausnehmbaren Kunst- stofffolien oder Glaseinsätzen auszukleiden.

Die Polymerisation der Acetylene (A) in Gegenwart des Kata¬ lysators (B) zu den erfindungsgemäßen Polyacetylenen findet im allgemeinen im Bereich von -100°C bis +100°C statt. Vor- zugsweise liegt die Polymerisationstemperatur im Bereich von 0 bis 60°C, insbesondere von 20 bis 50°C. In der Regel wird die Reaktion unter Schutzgas, z.B. Reinst-Stickstoff oder, wie es bevorzugt wird unter Reinst-Argon durchgeführt. Die meisten Umsetzungen sind nach 0,1 bis nach 0,5 Stunden been- det. Die Reaktionszeit kann jedoch auch länger sein, beträgt im allgemeinen aber nicht mehr als 1 Stunde. Die Reaktion kann bei Normaldruck oder bei Drucken, die in der Regel 10 bar nicht wesentlich überschreiten, durchgeführt werden.

Die erfindungsgemäßen Polyacetylene fallen in hoher Reinheit an, werden im allgemeinen aber von Restmonomeren oder Oligo- meren bzw. geringen Mengen Benzolderivaten durch Waschen oder Entgasen befreit. Die Polyacetylene sind durch einen Anteil von 20 bis 30 % trans-transoider und 70 bis 80 % ci- soider Doppelbindungen charakterisiert. Der Anteil an trans¬ Doppelbindungen beträgt im allgemeinen mindestens 10 % aller Doppelbindungen, kann aber auch bis zu 30 % betragen. Bevor- zugt werden substituierte Polyacetylene mit mehr als 30 %, insbesondere bis zu 50 % oder mehr syndiotaktisch angeordne- ten Resten R.

Die so erhältlichen erfindungsgemäßen Polyacetylene eignen sich zum Herstellen von Formkörpern, Folien oder Fasern. Sie weisen nichtlinear optische Eigenschaften auf.

Beispiele

Allgemeine Arbeitsvorschrift zum Herstellen des Katalysa¬ tors (B)

30 ml Silikonöl (z.B. Silikonöl AV 1000 der Firma Gold¬ schmidt) wurden vorgelegt, das Reaktionsgefäß evakuiert und das Vakuum mit Reinstargon aufgehoben. Anschließend wurde

die unten angegebene Menge der Katalysatorkomponente (B ) unter Argon zugegeben. Innerhalb von etwa 25 Minuten wurden 25 ml (0,1 Mol) Titantetrabutylat zugetropft, wobei die Re¬ aktionstemperatur bei 30 bis 40°C gehalten wurde. Nachdem die Zugabe des Titantetrabutylat beendet war, wurde 1 Stunde bei 0,2 mbar entgast und danach 2 Stunden lang bei 150°C weiter reagiert. Abschließend wurde 1 Stunde unter Argonfluß evakuiert.

Herstellung der Polyacetylene Beispiele 1 bis 7 Allgemeine Arbeitsvorschrift

Die Polymerisationsreaktion wurde unter Argonschutzgas in einer Glovebox durchgeführt. Dazu wurde die jeweilige Träge¬ roberfläche (siehe unten) 30 x 20 cm mit der unten angegebe¬ nen Menge des jeweiligen Katalysators belegt und dieser mit¬ tels eines Rakels blasenfrei auf der Oberfläche verstrichen, wobei eine 10 μm dicke Katalysatorschicht erhalten wurde. Ein die so behandelte Oberfläche umschließendes Behältnis wurde zunächst evakuiert und dann mit 600 ml hochreinem Ace- tylen beschickt. Nach einer Verweilzeit von 10 Minuten hatte sich ein Film gebildet, der wie nachstehend beschrieben weiterverarbeitet wurde.

Beispiel 1

Trägeroberfläche: 20 μm starke Polyethylenfolie Katalysator: bl (7 ml)

Die Trägerfolie wurde nach Beendigung der Reaktion in Strei¬ fen geschnitten (1 x 10 cm), die bei einer Zuggeschwindig¬ keit von 2 mm pro Minute gestreckt wurden. Nach einer Strek- kung von 400 % wurden die Streifen mit Methanol und 0,1 %iger Salzsäure gewaschen mit Toluol gespült und im Va¬ kuum bei 20°C und 0,1 mbar 10 Stunden getrocknet. Die Trä-

gerfolien mit den 400 nm dicken Polyacetylenfilmen wurden anschließend wie unten beschrieben vermessen.

Beispiel 2

Entspricht Beispiel 1, jedoch wurde als Katalysator b2 ver¬ wendet .

Beispiel 3

Entspricht Beispiel 1, jedoch wurde als Katalysator b3 ver¬ wendet.

Beispiel 4

Entspricht Beispiel 1, jedoch wurde der Polyacethylenfilm nach dem Verstrecken von der Trägerfolie gelöst und an¬ schließend vermessen.

Beispiel 5

Trägeroberfläche: Glas Katalysator: bl (3 ml)

Nach Beendigung der Reaktion wurde die mit dem Polyacetylen- film beschichtete Glasplatte mit Methanol, 0,1 %iger Salz¬ säure und mit Toluol gewaschen und anschließend im Vakuum bei 20°C und 0,1 mbar 10 Stunden getrocknet. Die mit dem 100 nm dicken Polyacetylenfilm beschichteten Glasplatten wurden anschließend vermessen.

Elektronenmikroskopische Aufnahmen der so erhaltenen Filme zeigten, daß diese eine deutliche Vorzugsrichtung aufwiesen.

Beispiel 6

Entspricht Beispiel 5, jedoch wurde während der Polymerisa¬ tionsreaktion mittels eines Rakels der sich bildende Poly¬ merfilm auf der Glasplatte orientiert.

Beispiel 7

Entspricht Beispiel 1, jedoch wurde ein Rotationszylinder mit der Polyethylenträgeroberflache ausgekleidet und mit dem Katalysator beschichtet, wobei der wandgängige Rotor während der Reakton eine Umdrehungszahl von 500 U/min hatte. So wur¬ den Polyacetylenfilme mit einer Dicke von 75 nm erhalten.

Messungen der Freguenzverdreifachung

Zur Messung der Frequenzverdreifachung, ausgedrückt durch die nichtlinear optische Suszeptibilität χ ³ [esu] , wurde je¬ weils eine Probe in einer Vakuumkammer, die mit für das ein- und ausfallende Licht durchlässigen Fenstern versehen war, auf eine von außen drehbare Halterung, montiert. Die Vakuumkammer wurde verschlossen und auf ca. mbar evakuiert. Mittels eines optischen Aufbaus, bestehend aus mehreren Spiegeln und Linsen, wurde ein IR-Puls, dessen Frequenz von 0,8 bis 2,2 μm variiert werden konnte, auf die Probe fokus- siert. Der IR-Puls wurde von einem parametrischen Oszillator erzeugt, der von einem frequenzverdreifachten Nd-YAG-Laser gepumpt wurde. Ein Anteil des Lichtes trat nach dem Durch¬ gang durch die Probe mit einer verdreifachten Frequenz aus. Um zu verhindern, daß sich das Licht der beim Durchgang durch die Probe erzeugten verdreifachten Wellen durch des¬ truktive Interferenz auslöschen, wurde die Strecke die das Licht durch die Probe zurücklegt, d. h. Probendicke, so op¬ timiert, daß der Anteil des frequenzverdreifachten Lichtes ein Intensitätsmaximum zeigte. Dies wurde durch Drehen der Probe bewerkstelligt.

Der Anteil des Lichtes, dessen Frequenz nach dem Durchgang durch die Probe verdreifacht worden war, wurde mittels eines Doppelmonochromators von dem Restlicht abgetrennt. Die In- tensität des frequenzverdreifachten Lichtes wurde mit Hilfe eines Photomultipliers mit nachgeschaltetem Digitaloszillo- skop gemessen. Anschließend wurde die so erhaltene relative Intensität mit der Intensität eines Quarzsubsrates, dessen χ ⁽³ '-Wert bekannt war, unter Berücksichtigung von Schicht- dicke und Absorptionsverhalten der Probe verglichen. Damit konnte der Meßwert in einen absoluten χ< ³ '-Wert umgerechnet werden.

Die Ergebnisse der Messungen sind in der folgenden Tabelle aufgeführ .