Beschreibung

Neue aromatische Aza-Heterocyclen, Herstellungsverfahren dazu und Verwendung des Materials in der organischen Elektronik

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Elektronentransportma- terial auf der Basis annellierter aromatischer Elektronenman- gelverbindungen .

Organische Halbleitermaterialien werden in Loch- und Elektro- nentransportmaterialien unterteilt. Diese werden beispielsweise zur Fertigung so genannter organischer elektronischer Bauelemente, wie Organische Leuchtdioden (OLEDs) , Organischer Feldeffekttransistoren (OFETs), organischer Solarzellen, ge- nerell organischer photovoltaischer Elemente, elektrochromer organischer Bauteile, organischer Magnetsensoren, organischer Speicherelemente und/oder organischer Photodetektoren benötigt.

Auf der Seite der Lochtransportmaterialien wurden in den letzten 15 Jahren sehr effiziente und stabile Strukturen entwickelt, die je nach Anwendung mit unterschiedlichsten Lochinjektionseigenschaften zur Verfügung stehen und im lochtransportierenden, oxidierten Zustand stabile Radikalkationen bilden.

Auf der Seite der Elektronentransportmaterialien gibt es bisher nur sehr wenige Vertreter dieser Materialeigenschaft, so ^¬ wohl in der Bandbreite der Elektroneninjektion als auch in der Stabilität dieser Materialien im elektronentransportie ^¬ renden, reduzierten Zustand, so dass insbesondere die Radi- kalanionen über einen längeren Zeitraum nicht reversibel gebildet werden können.

Als gute Elektronenleiter gelten zur Zeit die Derivate des

Phenanthrolin (BCP und BPhen) sowie Derivate des Oxadiazols. Die radikalanionschen Spezies, die während des Betriebes die ^¬ ser Bauelemente gebildet werden, führen in den heterocycli-

sehen Strukturen eine Geometrieänderung herbei, so dass die Elektronentransporteigenschaft als Folge der Ausbildung von Konjugationsunterbrechungen abnimmt .

Um dieses Problem zu beseitigen, war es Aufgabe dieser Erfindung effizientere Elektronenleiter zu entwickeln, die sich durch eine größere Injektionsbandbreite und vor allem durch die Fähigkeit zur Bildung reversibler Radikalanionen hoher Stabilität auszeichnen.

Gegenstand der Erfindung sind heteroaromatische Komponenten, eine der folgenden heteroeyclischen Stammstrukturen umfassend: Ein 1, 2, 4-Benzotriazin A und/oder B und/oder Pyrazolo- [ 1, 5-a] -benzimidazol C und/oder D,

worin die Substituenten R ¹ und R ² die unabhängige Bedeutung von Phenyl, 1-Naphthyl, 2-Naphthyl und beliebigen π-Unter- schussaromaten haben können. Insbesondere werden als π-Un- terschussaromaten anellierte und nicht anellierte aromatische Sechsring-azaheteroyclen mit einem oder mehreren Stickstoffatomen verstanden.

R3 hat die Bedeutung von Aryl, insbesondere Phenyl sowie Al- kyl, insbesondere Methyl.

Außerdem ist Gegenstand der Erfindung die Herstellung dieser Komponenten durch reduktive Cyclisierung von Nitroaromaten und schließlich ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung dieser Komponenten in organischen elektronischen Bauelementen, wie sie in der Einleitung oben beispielhaft aufgezählt sind.

Als π-Unterschussaromaten werden alle aromatischen Verbindun- gen bezeichnet, bei denen die Elektronendichte im aromati ^¬ schen Ring gegenüber dem Benzolring herabgesetzt ist.

Diese entstehen entweder durch Substitution eines Kohlenstoff-Atoms durch ein elektronegativeres Atom (z. B Stick- Stoff, Schwefel, Sauerstoff) bei entsprechender Geometrie des Systems und/oder durch entsprechende elektronegative Substi ^¬ tution eines Wasserstoffatoms an einem Kohlenstoff des Grund ^¬ gerüstes, wodurch die Elektronendichte im aromatischen Ring derart herabgesetzt wird, dass der aromatische Ring eine hohe Affinität zu einem weiteren Elektron hat. Insbesondere werden als π-Unterschussaromaten, anellierte und nicht anellierte aromatische Sechsring-azaheteroyclen mit einem oder mehreren Stickstoffatomen verstanden. Es gibt aber auch Fünfring π- Unterschussaromaten mit mindestens 3 Heteroatomen, insbeson- dere S, O und N, die beispielsweise an der Stelle eingesetzt werden können.

Zwar wurde schon vielfach versucht, Systeme zur Stabilisie ^¬ rung von Radikalanionen zu schaffen, was besonders durch Ein- führung von Lewissäuerederivaten ermöglicht wurde, jedoch sind diese Systeme, die im Grunde nur über die Methode der reduktiven Cyclisierung von Nitroaromaten zugänglich sind, bisher noch unerforscht geblieben.

Da in diesen Materialien konjugierte Anordnungen mit extrem starken π-Elektronenunterschussaromaten verknüpft wurden, sind diese auch in der Lage ein zusätzliches Elektron im π- System zu stabilisieren. Durch die Möglichkeit der Anordnung

unterschiedlicher π-Unterschussheterocyclen in den Strukturtypen B und D kann die Injektionsbandbreite stark variiert werden .

Im Folgenden wird ein beispielhaftes Syntheseschema zur Her ^¬ stellung der Verbindungen näher erläutert:

a) Synthese des Bis- (1, 2, 4-benzotriazin-3-yl) -methan- systems : (reduktive Cyclisierung)

(EtOH) H ₂ (Pt)

b) Synthese 3-substituierter Pyrazolo- [1, 5-a] - benzimidazole : (reduktive Cyclisierung)

(EtOH)

(EtOH) H ₂ (Pt)

c) Synthese des Tetra- ( 1 , 2 , 4-benzotriaz in-3-yl ) -ethylen A :

d) Synthese 3, 3 '-substituierter 4, 4 'Bis- (pyrazolyleno- [ 1, 5-a] -benzimidazole C:

e) Synthese von 1, l-Diaryl-2, 2-di- (1, 2, 4-benzotriazin-3- yl) -ethylenen B:

f) Synthese von 4-diarylmethylen-substituierten Pyrazolo- [ 1 , 5-a] -benzimidazolen D:

Ausführungsbeispiele :

a) Synthese des Bis-amidrazon 3: 0,lmol o-Nitrophenylhydrazin 1_ und 0,05mol Diiminomalonsäure- diethylester 2 werden in 200ml Ethanol 4h am Rückfluss erhitzt. Nach Abkühlung wird das kristallisierte Bisamidrazon _3 abgesaugt, m.p.= ⁰ C, Ausbeute 70%d.T.

b) Synthese des Bis- (1, 2, 4-benzotriazin-3yl) -methan 4: In einer Hydrierapperatur werden 5g des Bisamidrazon 3 in 200ml Ethanol vorgelegt, mit einer Spatelspitze PtC>2 versetzt und anschließend bei Raumtemperatur unter Wasserstoffatmo- sphäre hydriert bis kein Wasserstoff mehr aufgenommen wird. Die entstandene gelbe Lösung wird vom Platinkontakt unter Luftausschluss getrennt und 2h unter Inertgas am Rückfluss erwärmt bis die Ammoniakabspaltung abgeschlossen ist. Danach wird die Lösung 2h mit Luftsauerstoff oxidiert . Die Lösung wird am Rotationsverdampfer eingeengt und zur Kristallisation gebracht.

c) Synthese der 1- (o-Nitrophenyl) pyrazolone 6:

0,lmol o-Nitrophenylhydrazin 1_ und 0,12mol eines ß-Ketoesters 4 werden in 200ml Ethanol 2h am Rückfluss erhitzt. Nach Ab ^¬ kühlung wird am Rotationsverdampfer um 2/3 eingeengt und das Pyrazolon 6 zur Kristallisation gebracht, m.p.= ⁰ C, Ausbeute 65% d.T.

d) Synthese der Pyrazolo- [ 1, 5-a] -benzimidazole 7: In einer Hydrierapperatur werden 5g des Pyrazolon 6 in 200ml Ethanol vorgelegt, mit einer Spatelspitze PtO ₂ versetzt und anschließend bei Raumtemperatur unter Wasserstoffatmosphäre hydriert bis kein Wasserstoff mehr aufgenommen wird. Die ent-

standene farblose Lösung wird vom Platinkontakt unter Luft- ausschluss getrennt und anschließend zur vollständigen Kon ^¬ densation von 7 Ih am Rückfluss erwärmt. Die Lösung wird am Rotationsverdampfer eingeengt und zur Kristallisation ge- bracht. Das Produkt ist ein farbloses amorphes Pulver, m.p.= ⁰ C, Ausbeute 55% d.T.

e) Synthese des Tetra- (1, 2, 4-benzotriazin-3-yl) -ethylen A: 2g Bis- (1, 2, 4-benzotriazin-3-yl) -methan 4 werden in 100ml trockenem THF in einer inerten Apperatur gelöst und mit der doppelten äquivalenten Menge LDA versetzt. Die dunkel gefärb ^¬ te Lösung wird nun mit trockenem Kupfer (II) chlorid versetzt. Nach 30min Erwärmung wird das Gemisch am Rotationsverdampfer eingeengt, mit Wasser und verdünnter Salzsäure versetzt und schließlich mit Chloroform ausgeschüttelt. Die Chloroformpha ^¬ se wird nach dem trocknen eingeengt und das Produkt A mit E- thanol und Ether gefällt.

f) Synthese 3, 3 '-substituierter 4, 4 'Bis- (pyrazolyleno- [ 1, 5-a] -benzimidazole C:

2g Pyrazolo- [ 1, 5-a] -benzimidazol 7 werden in 100ml trockenem THF in einer inerten Apperatur gelöst und mit der doppelten äquivalenten Menge LDA versetzt. Die dunkel gefärbte Lösung wird nun mit trockenem Kupfer (II) chlorid versetzt. Nach 30min Erwärmung wird das Gemisch am Rotationsverdampfer eingeengt, mit Wasser und verdünnter Salzsäure versetzt und schließlich mit Chloroform ausgeschüttelt. Die Chloroformphase wird nach dem trocknen eingeengt und das Produkt C mit Ethanol und E- ther gefällt.

g) Synthese von 1, l-Diaryl-2, 2-di- (1, 2, 4-benzotriazin-3- yl) -ethylenen B:

0,01mol Bis- (1, 2, 4-benzotriazin-3-yl) -methan 4 wird in 50ml Tetra gelöst und mit der äquivalenten Menge NBS versetzt. Nach 6h erhitzen der Lösung am Rückfluss wird bei ca. 4O ⁰ C abgesaugt und das Filtrat zur trockene eingeengt. Man ver ^¬ setzt den Rückstand mit äquivalenter Menge Triethylphosphit , 50ml Toluol und 1,5 äquivalenten des gewünschten Diarylketon.

Danach erhitzt man die Reaktionsmischung bei ca. 100 ⁰ C im ölbad und setzt der Lösung nach Erreichen der ölbadtemperatur 2 äqivalente Kaliumtert . -butylat zu. Nach weiteren 2h wird auf ^¬ gearbeitet, indem die Mischung am Rotationsverdampfer vom Lö- semittel befreit wird und durch Zusatz von Wasser, verdünnter Salzsäure und Chloroform das Produkt B extrahiert wird. Nach dem trocknen der Chloroformphase wird wiederum eingeengt und das Rohprodukt aus einer Mischung von Ethanol und Ether ge ^¬ fällt.

h) Synthese von 4-diarylmethylen-substituierten Pyrazolo-

[ 1 , 5-a] -benzimidazolen D:

0,01mol Pyrazolo- [ 1, 5-a] -benzimidazol 7 wird in 50ml Tetra gelöst und mit der äquivalenten Menge NBS versetzt. Nach 6h erhitzen der Lösung am Rückfluss wird bei ca. 4O ⁰ C abgesaugt und das Filtrat zur trockene eingeengt. Man versetzt den Rückstand mit äquivalenter Menge Triethylphosphit , 50ml ToIu- ol und 1,5 äquivalenten des gewünschten Diarylketon. Danach erhitzt man die Reaktionsmischung bei ca. 100 ⁰ C im ölbad und setzt der Lösung nach Erreichen der ölbadtemperatur 2 äquivalente Kaliumtert . -butylat zu. Nach weiteren 2h wird aufgear ^¬ beitet, indem die Mischung am Rotationsverdampfer vom Lösemittel befreit wird und durch Zusatz von Wasser, verdünnter Salzsäure und Chloroform das Produkt D extrahiert wird. Nach dem trocknen der Chloroformphase wird wiederum eingeengt und das Rohprodukt aus einer Mischung von Ethanol und Ether ge ^¬ fällt.

Durch die hohe Radikalionenstabilität der Verbindungen nach der Erfindung wird erreicht, dass sich daraus hergestellte Materialien bestens als Elektronenleiter für organische e- lektronische Bauelemente einsetzen lassen. Die Substanzen sind in gängigen Lösungsmitteln löslich und lassen sich in druckfähige Pasten oder Dispersionen einbringen, so dass sie sich massenfertigungstauglich verarbeiten lassen.

Die Erfindung betrifft ein neues Elektronentransportmaterial auf der Basis annellierter aromatischer Elektronenmangelver-

bindungen. Durch die Anhäufung aromatischer Ringe mit Elekt- ronenunterschuss lassen sich Radikalanionen in diesen Systemen bestens stabilisieren.