Master of Science Wasim Alhalasah

Electrochemical Materials Science: Calculation vs. Experiment as Predictive Tools in Tailoring Intrinsically Conducting Polythiophenes

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Kurzfassung in Deutsch

Eine Reihe 3-(p-X-phenyl)-Thiophenmonomeren (X = -H, -CH3, -OCH3, -COCH3, -COOC2H5, -NO2) wurde elektrochemisch polymerisiert, um Filme zu erhalten, die umkehrbar reduziert und oxidiert werden konnten (n-und p-dotiert wurden). Die Oxidationspotentiale der Monomere und die formalen Potentiale der n und p-Dotierprozesse der Polymere wurden mit Resonanz- und induktiven Effekten der Substituenten (Hammett konstanten) am Phenylring sowie semiempirisch errechneten Bildungswärmen der Monomereradikalkationen korreliert. Außerdem wurden die Oxidationspotentiale mit den Ionisierungspotentialen der Monomere verglichen, die über die Dichtefunktionialtheorie (DFT) errechnet wurden, die der Energie für das Erzeugen der Radikalkationen entsprechen.
Um theoretische Grundlagen für die Einstufen-Bildung regioregulär -konjungierter Oligo- und Polythiophene zu erhalten, wurden die elektronischen Zustände von 3-Phenylthiophen-Derivaten anhand von Molekülorbitalberechnungen auf Grundlage der Dichtefunktionaltheorie mit Becke’s Drei-Parameter-Funktion (B3LYP), sowie mit den Basissätzen 6-31G(d) und 3-21G(d) erklärt. Die Reaktivität der Verknüpfung von mono- und oligo-3-Phenylthiophenen wurde von den berechneten ungepaarten Elektronenspindichten der entsprechenden Radikal-Anionen abgeleitet. Die Ionisierungspotentiale, die den Energien zur Erzeugung der Radikal-Anionen während der Oxidation entsprechen, wurden abgeschätzt. Die aus den 3-Phenylthiophenen entstandenen regioselektiven Hauptprodukte können gut durch die Größe der Spindichten erklärt werden. Da die Verknüpfungsreaktion an der zwei-Position des Thiophnrings (C-2) sterisch durch die Phenylgruppe und den Thiophenring gehindert ist, startet die Initiierung der 3-Phenylthiophene über die Bildung eines Kopf-Schwanz-Dimers. Folglich spielt das Kopf-Schwanz-Dimer eine wichtige Rolle bei den Wachstumsreaktionen der 3-Phenylthiophene. Die Ursache dafür liegt darin, dass das Kopf-Schwanz-Dimer in 5-Position die höchste Spin-Dichte besitzt und die Wahrscheinlichkeit einer Kopf-Kopf-Verknüpfung aufgrund der sterischen Hinderung zwischen dem Thiophenring und der Phenylgruppe gering ist.
Polymerfilme von 3-Phenylthiophenderivaten, die durch elektrochemische Polymerisation synthetisiert wurden, sind in situ und ex situ durch Resonanz-Raman-Spektroskopie bei verschiedenen Anregungswellenlängen, sowie durch in situ und ex situ UV-Vis Spektroskopie analysiert wurden.
Die Entwicklung der in situ UV-Vis-Spektren der Polymer von 3-Phenylthiophene nach der Dotierung wird durch ähnliche Eigenschaften gekennzeichnet, wie für viele Polythiophene mit einem hohen Grad der Konjugation beobachtet. Während der schrittweisen Oxidation der Poly-3-phenylthiophen Filme verringert sich die Intensität der Absorption wegen des Überganges bei 450-566 nm und ein neues ausgedehntes Absorptionsband, das auf (bi)polaron Zustände bezogen wird erscheint bei ungefähr 730-890 nm. Andererseits wird während der Oxidation (p-Dotierung) des Poly3-phenylthiophen Filmes eine blau/hypsochrome Verschiebung für beide Absorptionsbänder beobachtet . Es wird durch die Tatsache erklärt, dass ein Polymer eine Verteilung der Kettenlängen enthält und die längste Polymer kette (dessen Absorption bei niedriger Energie auftritt), bei niedrigeren Potentialen zu oxidieren beginnt.
Die elektrochemischen Bandlücken der Derivate von 3-Phenylthiophen sind durch zyklische Voltametrie gemessen worden. Der Effekt der Substituenten auf den Oxidations-/Reduktions- potentiale wird besprochen. Bei Bandlücken, die durch zyklische Voltammetrie erhalten wurden, hat sich herausgestellt, dass sie im Allgemeinen höher liegen als optische Bandlücken.
Erste Resultate der in situ Resonanz-Raman-Spektroskopie, von dem elektrochemisch erzeugten Polymerderivate von 3-Phenylthiophen Filmen auf einer Platinelektrode, in einer organischen Elektrolytlösung, werden berichtet. Beobachtete Raman Banden werden zugewiesen; gegründet auf diesen Resultaten werden die zuvor angenommenen molekularen Strukturen diskutiert.

Kurzfassung in Englisch

A series of 3-(p-X-phenyl) thiophene monomers (X= –H, –CH3, –OCH3, –COCH3, –COOC2H5, –NO2) was electrochemically polymerized to furnish polymer films that could be reversibly reduced and oxidized (n- and p-doped). The oxidation potentials of the monomers and formal potentials of the n- and p-doping processes of polymers were correlated with resonance and inductive effects (Hammett constants) of the substituents on the phenyl ring as well as the semiempirically calculated heats of formation of the monomer radical cations. Moreover, the oxidation potentials of the monomers were correlated with the ionization potentials of the monomers calculated via density functional theory (DFT), which correspond to the energies for generating radical cations during oxidative processes.
For obtaining a theoretical basis for the one-step formation of regioregular –conjugated oligo-and polythiophenes, the electronic states of 3-phenylthiophene derivatives were elucidated by molecular orbital calculations using density functional theory with the Becke-type three parameters functional (B3LYP), the 6-31G(d), and 3-21G(d) basis sets. The reactivity for coupling reaction of mono- and oligo-3-phenylthiophenes are inferred from the calculated unpaired electron spin densities of the respective radical cations, and the ionization potentials which correspond to the energies for generating radical cations during oxidative processes were estimated. The major regioselective products of the oligomerization of 3-phenylthiophene can be well understood in terms of the magnitude of spin densities. Since the steric hindrance between the phenyl group and thiophene ring interferes with the coupling reaction occurring between 2-postions (C–2) of thiophene rings, the initiating reaction of 3-phenylthiophene is generaton of a head-to-tail (HT) dimer. Thus, the head-to-tail (HT) dimer plays an important role in the propagation reactions of 3-phenylthiophene. This originates from the highest spin density at the 5- position of the HT dimer and low probability of the HH coupling due to the steric hindrance between thiophene ring and phenyl group.
Polymer films of the 3-phenylthiophene derivatives prepared by electrochemical polymerization were analyzed, in situ and ex situ, with resonance Raman spectroscopy using several excitation wavelengths as well as in situ and ex situ UV-Vis-spectroscopy.
The evolution of the in situ UV-Vis-spectra of poly 3-phenylthiophene derivatives upon doping is characterized by similar features as observed for many polythiophenes with high degree of conjugation. During stepwise oxidation of the poly-3-phenylthiophene films the intensity of the absorption due to the transition around 450–566 nm decreases and a new broad absorption band related to (bi)polaron states appears around 730-890 nm. On the other hand, during the oxidation (p-doping) of the poly-3-phenylthiophene films a blue/hypsochromic shift is observed for both absorption bands. It is explained by the fact that a polymer contains a distribution of chain lengths, and the longest polymer chains (the absorption of which occurs at lower energies) start to oxidize at lower potentials.
The electrochemical bandgaps of 3-phenylthiophene derivatives have been measured by cyclic voltammetry. The effect of substituents on the oxidation / reduction potentials is discussed. Bandgaps obtained by cyclic voltammetry have been found to be in general higher than optical bandgaps.
Preliminary results of in situ resonance Raman spectroscopy of electrochemically generated poly-3-phenylthiophene derivatives films on a platinum electrode exposed to an organic electrolyte solution are reported. Observed Raman bands are assigned; based on these results previously suggested molecular structures are discussed.

weitere Metadaten

Schlagwörter
DFT
Schlagwörter
Hammett constant
Schlagwörter
bandgap
Schlagwörter
cyclic voltammetry
SWD SchlagwortePolythiophene
SWD SchlagworteUV-VIS-Spektroskopie
DDC Klassifikation540
Institution(en) 
HochschuleTU Chemnitz
FakultätFakultät für Naturwissenschaften
GutachterProf. Dr. Rudolf Holze
Prof. Dr. Klaus Banert
Prof. Dr. Lothar Dunsch
DokumententypDissertation
SpracheEnglisch
Tag d. Einreichung (bei der Fakultät)18.08.2006
Tag d. Verteidigung / Kolloquiums / Prüfung01.03.2007
Veröffentlichungsdatum (online)19.03.2007
persistente URNurn:nbn:de:swb:ch1-200700375

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