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Diese Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von organolöslichen Thiophen und Benzodithiophen basierten Materialien und ihrer Anwendung als aktive lochleitende Halbleiterschichten in Feldeffekttransistoren. Im ersten Teil der Arbeit wird durch eine gezielte Modifikation des Thiophengrundgerüstes eine neue Comonomer-Einheit für die Synthese von Thiophen basierten Copolymeren erfolgreich dargestellt. Die hydrophoben Hexylgruppen in der 3-Position des Thiophens werden teilweise durch hydrophile 3,6-Dioxaheptylgruppen ersetzt. Über die Grignard-Metathese nach McCullough werden statistische Copolymere mit unterschiedlichen molaren Anteilen vom hydrophoben Hexyl- und hydrophilem 3,6-Dioxaheptylgruppen 1:1 (P-1), 1:2 (P-2) und 2:1 (P-3) erfolgreich hergestellt. Auch die Synthese eines definierten Blockcopolymers BP-1 durch sequentielle Addition der Comonomere wird realisiert. Optische und elektrochemische Eigenschaften der neuartigen Copolymere sind vergleichbar mit P3HT. Mit allen Copolymeren wird ein charakteristisches Transistorverhalten in einem Top-Gate/Bottom-Kontakt-Aufbau erhalten. Dabei werden mit P-1 als die aktive Halbleiterschicht im Bauteil, PMMA als Dielektrikum und Silber als Gate-Elektrode Mobilitäten von bis zu 10-2 cm2/Vs erzielt. Als Folge der optimierten Grenzfläche zwischen Dielektrikum und Halbleiter wird eine Verbesserung der Luftstabilität der Transistoren über mehrere Monate festgestellt. Im zweiten Teil der Arbeit werden Benzodithiophen basierte organische Materialien hergestellt. Für die Synthese der neuartigen Benzodithiophen-Derivate wird die Schlüsselverbindung TIPS-BDT in guter Ausbeute dargestellt. Die Difunktionalisierung von TIPS-BDT in den 2,6-Positionen über eine elektrophile Substitution liefert die gewünschten Dibrom- und Distannylmonomere. Zunächst werden über die Stille-Reaktion alternierende Copolymere mit alkylierten Fluoren- und Chinoxalin-Einheiten realisiert. Alle Copolymere zeichnen sich durch eine gute Löslichkeit in gängigen organischen Lösungsmitteln, hohe thermische Stabilität und durch gute Filmbildungseigenschaften aus. Des Weiteren sind alle Copolymere mit HOMO Lagen höher als -6.3 eV, verglichen mit den Thiophen basierten Copolymeren (P-1 bis P-3), sehr oxidationsstabil. Diese Copolymere zeigen amorphes Verhalten in den Halbleiterschichten in OFETs auf und es werden Mobilitäten bis zu 10-4 cm2/Vs erreicht. Eine Abhängigkeit der Bauteil-Leistung von dem Zinngehalt-Rest im Polymer wird nachgewiesen. Ein Zinngehalt von über 0.6 % kann enormen Einfluss auf die Mobilität ausüben, da die funktionellen SnMe3-Gruppen als Fallenzustände wirken können. Alternativ wird das alternierende TIPS-BDT/Fluoren-Copolymer P-5-Stille nach der Suzuki-Methode polymerisiert. Mit P-5-Suzuki als die aktive organische Halbleiterschicht im OFET wird die höchste Mobilität von 10-2 cm2/Vs erzielt. Diese Mobilität ist somit um zwei Größenordnungen höher als bei P-5-Stille, da die Fallenzustände in diesem Fall minimiert werden und folglich der Ladungstransport verbessert wird. Sowohl das Homopolymer P-12 als auch das Copolymer mit dem aromatischen Akzeptor Benzothiadiazol P-9 führen zu schwerlöslichen Polymeren. Aus diesem Grund werden einerseits Terpolymere aus TIPS-BDT/Fluoren/BTD-Einheiten P-10 und P-11 aufgebaut und andererseits wird versucht die TIPS-BDT-Einheit in die Seitenkette des Styrols einzubringen. Mit der Einführung von BTD in die Hauptpolymerkette werden insbesondere die Absorptions- und die elektrochemischen Eigenschaften beeinflusst. Im Vergleich zu dem TIPS-BDT/Fluoren-Copolymer reicht die Absorption bis in den sichtbaren Bereich und die LUMO Lage wird zu niederen Werten verschoben. Eine Verbesserung der Leistung in den Bauteilen wird jedoch nicht festgestellt. Die erfolgreiche erstmalige Synthese von TIPS-BDT als Seitenkettenpolymer an Styrol P-13 führt zu einem löslichen und amorphen Polymer mit vergleichbaren Mobilitäten von Styrol basierten Polymeren (µ = 10-5 cm2/Vs) im OFET. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist die Synthese von niedermolekularen organolöslichen Benzodithiophen-Derivaten. Über Suzuki- und Stille-Reaktionen ist es erstmals möglich, verschiedenartige Aromaten über eine σ-Bindung an TIPS-BDT in den 2,6-Positionen zu knüpfen. Die UV/VIS-Untersuchungen zeigen, dass die Absorption durch die Verlängerung der π-Konjugationslänge zu höheren Wellenlängen verschoben wird. Darüber hinaus ist es möglich, thermisch vernetzbare Gruppen wie Allyloxy in das Molekülgerüst einzubauen. Das Einführen von F-Atomen in das Molekülgerüst resultiert in einer verstärkten Packungsordnung im Fluorbenzen funktionalisiertem TIPS-BDT (SM-4) im Festkörper mit sehr guten elektronischen Eigenschaften im OFET, wobei Mobilitäten bis zu 0.09 cm2/Vs erreicht werden.
In a systematic approach we synthesized a new series of fluorescent probes incorporating donoracceptor (D-A) substituted 1,2,3-triazoles as conjugative -linkers between the alkali metal ion receptor N-phenylaza-[18]crown-6 and different fluorophoric groups with different electron-acceptor properties (4-naphthalimide, meso-phenyl-BODIPY and 9-anthracene) and investigated their performance in organic and aqueous environments (physiological conditions). In the charge-transfer (CT) type probes 1, 2 and 7, the fluorescence is almost completely quenched by intramolecular CT (ICT) processes involving charge-separated states. In the presence of Na+ and K+ ICT is interrupted, which resulted in a lighting-up of the fluorescence in acetonitrile. Among the investigated fluoroionophores, compound 7, which contains a 9-anthracenyl moiety as the electron-accepting fluorophore, is the only probe which retains light-up features in water and works as a highly K+/Na+-selective probe under simulated physiological conditions. Virtually decoupled BODIPY-based 6 and photoinduced electron transfer (PET) type probes 35, where the 10-substituted anthracen-9-yl fluorophores are connected to the 1,2,3-triazole through a methylene spacer, show strong ion-induced fluorescence enhancement in acetonitrile, but not under physiological conditions. Electrochemical studies and theoretical calculations were used to assess and support the underlying mechanisms for the new ICT and PET 1,2,3-triazole fluoroionophores.
This work presents two molecular fluorescent probes 1 and 2 for the selective determination of physiologically relevant K+ levels in water based on a highly K+/Na+ selective building block, the o-(2-methoxyethoxy)phenylaza-18-crown-6 lariat ether unit. Fluorescent probe 1 showed a high K+-induced fluorescence enhancement (FE) by a factor of 7.7 of the anthracenic emission and a dissociation constant (K-d) value of 38mm in water. Further, for 2+K+, we observed a dual emission behavior at 405 and 505nm. K+ increases the fluorescence intensity of 2 at 405nm by a factor of approximately 4.6 and K+ decreases the fluorescence intensity at 505nm by a factor of about 4.8. Fluorescent probe 2+K+ exhibited a K-d value of approximately 8mm in Na+-free solutions and in combined K+/Na+ solution a similar K-d value of about 9mm was found, reflecting the high K+/Na+ selectivity of 2 in water. Therefore, 2 is a promising fluorescent tool to measure ratiometrically and selectively physiologically relevant K+ levels.
In this paper, we report on the fluorescence behaviour of three regioisomers which consist of two 9-anthracenyl fluorophores and of differently substituted dithiodicyanoethene moieties. These isomeric fluorescent probes show different quantum yields (phi(f)). In these probes, an oxidative photoinduced electron transfer (PET) from the excited 9-anthracenyl fluorophore to the dithiodicyanoethene unit quenches the fluorescence. This quenching process is accelerated by an intramolecular charge transfer (ICT) of the push-pull pi-electron system of the dithiodicyanoethene group. The acceleration of the PET depends on the strength of the ICT unit. The higher the dipole moment of the ICT unit, the stronger the observed fluorescence quenching. To the best of our knowledge, this is the first report of a regioisomeric influence on an oxidative PET by an ICT.
Using hot charge carriers far from a plasmonic nanoparticle surface is very attractive for many applications in catalysis and nanomedicine and will lead to a better understanding of plasmon-induced processes, such as hot-charge-carrier- or heat-driven chemical reactions. Herein we show that DNA is able to transfer hot electrons generated by a silver nanoparticle over several nanometers to drive a chemical reaction in a molecule nonadsorbed on the surface. For this we use 8-bromo-adenosine introduced in different positions within a double-stranded DNA oligonucleotide. The DNA is also used to assemble the nanoparticles into nanoparticles ensembles enabling the use of surface-enhanced Raman scattering to track the decomposition reaction. To prove the DNA-mediated transfer, the probe molecule was insulated from the source of charge carriers, which hindered the reaction. The results indicate that DNA can be used to study the transfer of hot electrons and the mechanisms of advanced plasmonic catalysts.
Azobenzene-containing molecules may associate with each other in systems such as self-assembled monolayers or micelles. The interaction between azobenzene units leads to a formation of exciton states in these molecular assemblies. Apart from local excitations of monomers, the electronic transitions to the exciton states may involve charge transfer excitations. Here, we perform quantum chemical calculations and apply transition density matrix analysis to quantify local and charge transfer contributions to the lowest electronic transitions in azobenzene dimers of various arrangements. We find that the transitions to the lowest exciton states of the considered dimers are dominated by local excitations, but charge transfer contributions become sizable for some of the lowest pi pi* electronic transitions in stacked and slip-stacked dimers at short intermolecular distances. In addition, we assess different ways to partition the transition density matrix between fragments. In particular, we find that the inclusion of the atomic orbital overlap has a pronounced effect on quantifying charge transfer contributions if a large basis set is used.