Synthesis of nitrogen-incorporated indolo[3,2,1-jk]carbazole derivatives

Abstract

In the last decades a lot of research was focused on the field of organic electronics, especially on organic light emitting diodes (OLEDs). Organic materials based on -conjugated small molecules, like triphenylamine or anthracene derivatives are commonly used in OLED applications like smartphone displays or TV screens. The development of phosphorescent OLEDs (PhOLEDs) overcame the limitation of fluorescent based devices, which could only harvest singlet excitons and therefore were limited by 25% internal quantum yield. PhOLEDs can use both singlet and triplet excitons through intersystem crossing and therefore reach theoretically 100% internal quantum efficiency. To prevent quenching effects triggered by a high concentration of triplet excitons, host materials are required in PhOLED devices, which must fulfill certain criteria, for example suitable HOMO/LUMO levels and balanced charge transport properties, which is realized by bipolar host materials. Our research group recently introduced indolo[3,2,1-jk]carbazole (ICz) as donor moiety in bipolar host materials. With increased planarization from triphenylamine to phenylcarbazole and ICz the donor strength decreases to the point where also weak acceptor properties were observed for ICz. To further increase the acceptor strength, electron-withdrawing pyridine-like nitrogen atoms were incorporated into the ICz scaffold (NICz). It was observed that incorporation of pyridine-like nitrogen into the ICz scaffold lowers the energy of HOMO and LUMO compared to ICz. Additionally, this study unveiled that both amount and position of the nitrogen atoms influences photophysical and electrochemical properties. Also, changing the position of the nitrogen atoms leads to different orientation and packing in the crystalline state due to non-classical C-HN hydrogen bonds. With this knowledge in mind, the main focus of this thesis was to incorporate the NICz scaffold into larger conjugated systems. Furthermore, alternative strategies towards different NICzs together with a new NICz building block, which was previously not investigated, were targets of this work. Special focus of this thesis was the investigation and evaluation of different synthetic strategies towards these systems. The insight on the practicability of the strategies represents a helpful tool for the design of other NICzs or similar systems. The effect of the introduction of nitrogen atoms on the materials properties should be compared to the previous results.

In den letzten Jahren wurde intensive Forschung in der organischen Elektronik betrieben, insbesondere in der Entwicklung von organischen Leuchtdioden (OLEDs). Organische Materialien basierend auf -konjugierten Systemen, wie zum Beispiel Triphenylamin oder Anthracen Derivaten, werden in OLEDs für Smartphone-Displays oder Fernseher bereits eingesetzt. Mit der Entwicklung von OLEDs basierend auf Phosphoreszenz (PhOLEDs), die im Vergleich zu fluoreszierenden OLEDs sowohl Singulett- als auch Triplett-Exzitons zur Emission verwenden und somit theoretisch eine interne Quantenausbeute von 100% erreichen können, sind besonders effiziente Devices möglich. Um Quenching Effekte zu verhindern, die durch eine hohe Konzentration von Triplett-Exzitons hervorgerufen werden, müssen die Emitter in ein Hostmaterial eingebettet werden. Für effiziente OLED Devices müssen Hostmaterialien bestimmte Anforderungen erfüllen, wie passende HOMO/LUMO Levels und ein ausgeglichener Ladungstransport, was durch bipolare Hostmaterialien erreicht wird. Indolo[3,2,1-jk]carbazol (ICz) wurde in unserer Arbeitsgruppe als Donor-Einheit für bipolare Hostmaterialien eingeführt. Durch die Planarisierung von Triphenylamin zu Phenylcarbazol und ICz konnte die Donorstärke gesenkt werden. Für ICz wurden auch schwache Akzeptor-Eigenschaften beobachtet, die durch den Einbau von Stickstoff-Atomen in den ICz-Baustein (NICz) verstärkt werden konnten. Durch den Stickstoffeinbau wurde im Vergleich zu ICz eine Erniedrigung der HOMO und LUMO Energielevels erreicht. Zusätzlich wurde herausgefunden, dass die Stickstoffposition und -anzahl die photophysikalischen und elektrochemischen Eigenschaften sowie, aufgrund nicht-klassischer C-HN Wasserstoffbrücken, die Kristallpackung beeinflusst. Der Fokus dieser Arbeit lag beim Einbau von NICz-Einheiten in größere, konjugierte Systeme. Zusätzlich sollten alternative Syntheserouten für verschieden NICzs und auch ein neuer NICz-Baustein entwickelt werden. Das Hauptziel war die Entwicklung und Evaluierung verschiedener, synthetischer Strategien. Die Erfahrungen der Anwendbarkeit der Synthesen bringt Nutzen für die Entwicklung anderer NICzs oder ähnlichen Systemen. Die durch den Stickstoffeinbau hervorgerufenen Effekte sollen mit den vorherigen Ergebnissen verglichen werden.