Iridiumkomplexe auf Basis von 2-Methyl-3-phenylchinoxalinen – Hocheffiziente und stabile Triplett-Emitter für Organische Leuchtdioden

Ammermann, Sven

Organische Leuchtdioden (OLEDs) haben sich seit den achtziger Jahren zu einem interessanten Forschungsgebiet sowohl für Beleuchtungs- als auch Bildschirmanwendungen entwickelt. Die Emission bei OLEDs beruht auf dem Prinzip der Elektrolumineszenz, die im Gegensatz zu den anorganischen LEDs durch organische bzw. metallorganische Materialien entsteht. Diese Materialien werden als wenige Nanometer dicke Schichten zwischen zwei Elektroden eingebettet und emittieren durch Anlegen eines Potentials Licht. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Darstellung von neuen stabilen Farbstoffen auf Basis von Triplett-Emittern mit Iridium als Zentralatom, die im roten Spektralbereich emittieren und zukünftig zur Darstellung weiß emittierender OLEDs eingesetzt werden können. Als geeignete Liganden für derartige Komplexe wurden die in Veröffentlichungen bisher nicht verwendeten 2 Methyl-3-phenylchinoxaline ausgewählt. Diese besitzen eine hohe Ähnlichkeit zu dem in der Literatur dominierenden und als effizient bewiesenen Ligandenkonzept von 2 Phenylpyridin und bilden mit dem Metallzentrum in der Cyclometallierung einen Fünfring aus. Aufgrund des größeren aromatischen Systems und dem zusätzlich eingeführten elektronegativeren Stickstoffatom emittieren Iridiumkomplexe mit Chinoxalin-Liganden jedoch bathochromer. Insgesamt konnten im Rahmen dieser Arbeit 17 neue, bisher nicht beschriebene heteroleptische Chinoxalin-Komplexe mit Ausbeuten von bis zu 96 % hergestellt werden. Diese wurden aus sechs ebenfalls in der Literatur nicht beschriebenen cyclometallierten Vorstufen hergestellt, die aus den synthetisierten Chinoxalinen in Ausbeuten von bis zu 80 % erhalten wurden. Homoleptische Komplexe mit den Chinoxalin-Liganden konnten, vermutlich aus sterischen Gründen, nicht erhalten werden. Die Umsetzung führte zur effizienten Bildung von Pyrrolo[1,2-a]chinoxalinen. Die Entstehung dieses und auch anderer Nebenprodukte wurde eingehender untersucht. Die neuen heteroleptischen Komplexe wurden vollständig charakterisiert und untereinander verglichen. Die Strukturbestimmungen wiesen eine meridionale Geometrie meist mit einer bevorzugten stereochemischen Konfiguration auf. Ebenso zeigten die NMR-Spektren bei den Chinoxalin-Komplexen deutlich das Vorliegen der meridionalen Konfiguration in Lösung. In den ESI-Massenspektren der cyclometallierten Vorstufen konnte das Vorliegen von Radikalkationen, die einem Iridiumzentrum mit zwei umgebenden cyclometallierten Liganden entsprachen, beobachtet werden. Die Emissionsmaxima der Chinoxalin-Komplexe konnten durch Substitution der Liganden in einem Bereich von 605 bis 664 nm eingestellt werden. Eine Reihe ausgewählter Metallkomplexe wurde äußerst erfolgreich in OLEDs eingesetzt und zeigte hohe Effizienzen und eine beachtliche Stabilität.

Organic light-emitting diodes (OLEDs) have emerged to an interesting area of research for lighting and display applications since the 1980s. The emission of OLEDs is based on the principle of electroluminescence and contrary to inorganic LEDs originates from organic or organometallic compounds. These compounds are embedded in a few nanometer thick layer between two electrodes and emit light on application of a potential. The aim of the present work was to design new stable dyes on the basis of triplet emitters with an iridium core emitting light in the red spectrum and the capability to be used in white OLEDs in the future. As suitable ligands for these complexes the literature unseen 2-methyl-3-phenylquinoxalines were chosen. They possess a high similarity to the well-known and proven to be efficient ligands based on 2-phenylpyridines and also form a five-membered ring during cyclometalation. Due to the enlarged aromatic system and the additionally introduced electronegative nitrogen atom these iridium complexes comparably emit bathochromic. Within the scope of this work 17 new, yet literature unknown heteroleptic quinoxaline-based complexes with yields up to 96 % were synthesized. They have been synthesized from six likewise literature unknown cyclometalated precursors which were obtained from prepared quinoxalines in yields up to 80 %. Propably owing to steric interactions homoleptic complexes with quinoxalines could not be obtained. Cyclometalation attempts lead to the efficient formation of pyrrolo[1,2-a]quinoxalines. The formation of this and other byproducts was investigated in more detail. The new and herein described heteroleptic complexes were fully characterized and compared among each other. In all examined cases crystallographic studies showed a meridional geometry mostly with a preferred stereochemical configuration. NMR analysis also clearly showed the meridional geometry in solution. Radical cations of the type of one iridium center cyclometalated with two ligands were observed to be typical in ESI-mass spectrometry. The emission maxima of the complexes could be varied in the range of 605 to 664 nm by the substitution pattern of the ligands. A selection of metal complexes was inserted with outmost success in OLEDs and showed a high efficiency and a remarkable stability.

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Ammermann, Sven: Iridiumkomplexe auf Basis von 2-Methyl-3-phenylchinoxalinen – Hocheffiziente und stabile Triplett-Emitter für Organische Leuchtdioden. 2009.

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