3. Ergebnisse und Diskussion
3.2 Wässrige Sonogashira-Emulsionspolymerisation
3.2.5 Copolymerisation von Farbstoffen
Neben der kovalenten Bindung von Monomeren mit Donor- und Akzeptorgruppen wurde hier der kovalente Einbau von organischen Farbstoffen mit funktionellen Seitengruppen in die Polymerkette durchgeführt, um deren Einfluß auf die Verschiebung der Emissionswellenlänge des Polymers zu untersuchen. Es wurde erwartet, dass die Polymerkette Licht absorbiert und die Energie auf das kovalent gebundene, energetisch tiefer liegende Farbstoffmolekül überträgt, welches wiederum emittieren sollte. Der kovalente Einbau von Farbstoffen hat gegenüber dem einfachen Beimischen von nicht-funktionalisierten Farbstoffen zur organischen Phase zahlreiche Vorteile. So können Probleme wie Mikrophasentrennung oder ein Ausdiffundieren des Farbstoffs aus den Partikeln vermieden werden. Letzteres ist vor allem bei einem späteren Einsatz der Partikel in bildgebenden Verfahren wie der Zweiphotonenspektroskopie in lebenden Zellen von Bedeutung. In diesem Kapitel wird daher untersucht, welchen Einfluss der kovalente Einbau von Farbstoffen in die Polymerkette auf Emissionswellenlänge, Quantenausbeute und Molekulargewicht hat. Bei der Sonogashira-Kupplung besteht die Möglichkeit, sowohl diethinylsubstituierte Farbstoffe wie auch dibromosubstituierte Farbstoffe zu verwenden. Da letztere einfacher zugänglich sind, wurden hier ausschließlich bromosubstituierte Farbstoffe untersucht.
Copolymerisation mit Farbstoff 41
Pyrrolopyrrolfarbstoffe lassen sich in einfacher Weise aus Bernsteinsäurediethylester und einem aromatischen Nitril kondensieren. Dies macht sie für die Copolymerisation mittels der Sonogashira-Kupplung besonders interessant, da durch die Verwendung von bromosubstituierten Nitrilen eine Dibromsubstitution des resultierenden Farbstoffs erreicht werden
kann. Durch Alkylierung der Stickstoffatome lässt sich zudem die für die Sonogashira-Polymerisation geforderte Löslichkeit verbessern. Es wurden Polymerisationen mit den Monomeren 26 und 28 als Hauptkette durchgeführt, wobei ein variabler Anteil von 0-0.5% der Bromokomponente 28 durch den Pyrrolopyrrol-Farbstoff 41 ersetzt wurde (Abb. 54). Eine Farbänderung der Emulsion deutete schon während der Polymerisation auf einen kovalenten Einbau des Farbstoffs hin: Während die Monomeremulsion hellgelb erschien, färbte sich die Emulsion während des Polymerisationsvorgangs innerhalb weniger Stunden intensiv orange. Dies wird vermutlich durch durch den Austausch der elektronenziehenden Bromogruppen des Farbstoffs durch die relativ dazu elektronschiebenden Ethinylgruppen des Polymerrückgrats und damit die Zunahme der Elektronendichte im Farbstoffmolekül verursacht.
Abb. 54: Polymer mit copolymerisiertem Farbstoff 41
Bei der Polymerisation wurden stabile Latices ohne Koagulat erhalten, die per DLS bestimmte Partikelgröße bewegte sich im Bereich von 123-151 nm (Tabelle 12), was bei einem Gesamtvolumen von 50 ml einen typischen Wert darstellt und auch gut mit den TEM-Aufnahmen übereinstimmt. Die Form der Partikel war weitgehend rund, es waren jedoch auch einige eliptische Partikel vorhanden (Abb. 56). In den TEM-Aufnahmen waren die Partikel oft in größeren Ansammlungen abgebildet. Da die Partikel untereinander jedoch scharf abgegrenzt waren, wurde vermutet, dass dies nicht auf Koagulate innerhalb des Latex hindeutet, sondern vielmehr auf Kapillareffekte bei der Probenvorbereitung zurückzuführen ist. Die Molekulargewichte der Polymere lagen unabhängig vom Farbstoffgehalt bei relativ hohen 7.7×104 - 8.5×104 g/mol, die Schwankungen sind vermutlich auf unvermeidbare geringe Abweichungen beim Einwiegen der Monomere zurückzuführen.
Tabelle 12: Polymerisationen 26-alt-(28-co-41) Nr. 28
[µmol]
41 [µmol]
Partikel- größe [nm]1)
Mn2) Mw2) PD QY [%]
155 1000.0 - (0) 126 1.0×105 3.1×105 3.14 44 162 999.7 0.3 (0.015) 132 8.0×104 3.2×105 4.03 41 163 999.0 1.0 (0.05) 151 7.7×104 3.0×105 3.87 53 164 997.0 3.0 (0.15) 125 8.5×104 3.3×105 3.90 51 165 990.0 10 (0.5) 123 8.6×104 3.4×105 3.98 62
1.000 mmol 26, 2% SDS, Gesamtvolumen 50 ml, 1.0 g Toluol, 0.5 g (iPr)2NH, 1 mol%
[Pd(PPh3)4], 100 µg CuI, 2 min Ultraschall, 72h Polymerisation bei 50°C, 1) DLS, volumengemittelt, 2) GPC in THF vs. PS Standard
Wie erwartet, wurden bei zunehmendem Farbstoffgehalt ein zunehmender Energieübertrag mit einer Zunahme des Emissionsmaximums des Farbstoffs bei 574 nm bei gleichzeitiger Abnahme des Emissionsmaximums des Polymerrückgrats beobachtet. Bereits bei einem Anteil von 0,5 mol% des Farbstoffs 41 in der Polymerkette wurde ein nahezu vollständiger Energieübertrag auf das Farbstoffmolekül beobachtet (Abb. 55). Mit steigender Farbstoffkonzentration nahm auch die Fluoreszenzquantenausbeute der Polymerlatices von 44% für das Homopolymer 155 bis 62% für das Polymer 165 mit 0.5% kovalent gebundenem Farbstoff zu. Die Ursache könnte sein, dass vom angeregten Zustand der Fluoren-Wiederholeinheiten im Polymerrückgrat, welches bei Abwesenheit eines Farbstoffs in der Polymerkette teilweise strahlungslos desaktivieren würden, stattdessen ihre Energie auf das Farbstoffmolekül übertragen, welches mit einer höheren Ausbeute fluoresziert.
Abb. 55: Links: Fluoreszenzspektrum der Dispersionen 155 und 162-165 (Tabelle 12) mit unterschiedlichem Gehalt an kovalent gebundenem Farbstoff 41. Rechts oben: Optisches Erscheinungsbild der unverdünnten Dispersionen (von links nach rechts: 155, 163-165). Rechts unten: gleiche Dispersionen unter UV-Licht (366 nm).
Einen weiteren Einfluss auf die zunehmende Fluoreszenzquantenausbeute dürfte die verminderte Reabsorption haben, da nun die Emissionswellenlänge bathochrom verschoben ist und nicht mehr mit dem Absorptionspektrum überlappt. Ein Absorptionsspektrum des Homopolymers aus den Monomeren 26 und 28 ist mit 187 in Abb. 67 dargestellt.
Abb. 56: Latex 165 (Tabelle 12): links: DLS-Größenverteilung. Rechts: TEM-Aufnahme des dialysierten Latex.
Als ein Versuch zur Verringerung der Partikelgröße wurde eine ähnliche Polymerisationsreihe mit der halben Menge an Monomeren durchgeführt, ohne jedoch das Gesamtvolumen sowie die Anteile an Toluol und Diisopropylamin zu ändern (Tabelle 13).
Tabelle 13: Polymerisationen 26-alt-(28-co-41) (Halbierung der Monomermenge) Nr. 28
[µmol]
41 [µmol] (mol%)
Partikel-größe [nm]1)
Mn Mw PD QY
[%]
166 499.85 0.15 (0.015) 56 7.3×104 2.1×105 2.4 27%
167 499.50 0.5 (0.05) 54 6.4×104 1.8×105 2.9 30%
168 498.50 1.5 (0.15) 53 7.3×104 1.9×105 2.6 33%
169 495.00 5 (0.5) 48 6.8×104 2.0×105 2.9 37%
0.500 mmol 26, 2% SDS, Gesamtvolumen 50 ml, 1.0g Toluol, 0.5g (iPr)2NH, 1 mol% [Pd(PPh3)4], 100 µg CuI, 2 min Ultraschall, 72h Polymerisation bei 50°C, 1) DLS, volumengemittelt, 2) GPC in THF vs. PS Standard
Wie erwartet konnten Partikelgrößen von 48-56 nm erzielt werden, welche zu den kleinsten gehören, die sich durch Miniemulsionstechnik erzielen ließen. Ein Zusammenhang zwischen Partikelgröße und Farbstoffgehalt des Polymers ist aufgrund des geringen Farbstoffanteils nicht erkennbar. Wie bei Polymerisationen 162-165 konnte auch hier bei einem Farbstoffanteil von 0.5%
ein praktisch vollständiger Energieübertrag von der Polymerkette auf den Farbstoff erzielt werden, auch die übrigen Fluoreszenzspektren mit geringerem Farbstoffanteil waren in dieser Hinsicht vergleichbar (Abb. 57).
Abb. 57: Links: Fluoreszenzspektren der Dispersionen 155 und 166-169 (Tabelle 13) Rechts oben: Optisches Erscheinungsbild der unverdünnten Dispersionen (von links nach rechts: 155, 166-169). Rechts unten: gleiche Dispersionen unter UV-Licht (366 nm).
Die Molekulargewichte lagen hier mit 6.4×104 - 6.8×104 g/mol zwar etwas niedriger, was aber eventuell auf die engeren Platzverhältnisse in den sehr kleinen Partikeln bzw. Tröpfchen zurückgeführt werden kann. Hierdurch könnte die Beweglichkeit der starren Polymerketten eingeschränkt sein und die Wahrscheinlichkeit einer weiteren Reaktion abnehmen. Stark verschieden waren jedoch die Fluoreszenzquantenausbeuten. Diese stiegen zwar auch hier wie erwartet mit zunehmendem Farbstoffgehalt von 27% bis 37% an, erreichten jedoch bei weitem nicht die 62% von 165. Eine Ursache hierfür könnte die in Relation zur durchschnittlichen Polymerkettenlänge geringe Größe der Polymerpartikel sein, wodurch die Polymerkette stärker als bei großen Partikeln gebogen ist und somit eine strahlungslose Desaktivierung begünstigt ist.
Dennoch konnte hiermit gezeigt werden, dass mittels Sonogashira-Polymerisation mit copolymerisiertem Farbstoff unter Anwendung der Miniemulsionstechnik Partikelgrößen von unter 50 nm erzielt werden können.
Als eine weitere Möglichkeit zur Synthese kleinerer Partikel wurde auch die Verkleinerung des Gesamtvolumens in Betracht gezogen: Dabei würde die stets bei Maximalleistung betriebene Ultraschallsonotrode einen höherern mechanischen Energieeintrag pro Volumen erbringen, wodurch die Partikel bei gleichbleibendem Polymergehalt pro Volumen insgesamt kleiner werden sollten. Um eine Vergleichbarkeit mit den übrigen Reihen zu gewährleisten, wurden wieder vier Polymerisationen mit Monomergehalten von 0.015-5%
durchgeführt. (Tabelle 14).
Tabelle 14: Polymerisationen 26-alt-(28-co-41) (Verkleinerung des Gesamtvolumens) Nr. 28 1.000 mmol 26, 2% SDS, Gesamtvolumen 25 ml, 1.0g Toluol, 0.5g (iPr)2NH, 1 mol% [Pd(PPh3)4], 100 µg CuI, 2 min Ultraschall, 72h Polymerisation bei 50°C, 1) DLS, volumengemittelt, 2) GPC in THF vs. PS Standard
Die dabei erhaltenen Partikelgrößen waren mit 67-81 nm wie erwartet kleiner als bei den Polymerisationen mit einem Gesamtvolumen von 50 ml (Tabelle 13), erreichten jedoch - vermutlich aufgrund des nun höheren Polymergehalts - nicht die kleinen Partikelgrößen von 169 (Tabelle 13) mit 48 nm. TEM- und AFM-Aufnahmen bestätigten die per DLS ermittelten Partikelgrößen. Dabei wurde festgestellt, dass in Latex 173 neben vielen runden Partikeln auch stäbchenförmige Partikel erhalten waren (Abb. 59). Diese konnten sowohl per AFM, TEM und Cryo-TEM abgebildet werden und sind möglicherweise auf das starre Polymerrückgrat in Zusammenhang mit der vergleichsweise kleinen Partikelgröße zurückzuführen. Diese Partikelformen beeinträchtigten die Stabilität des Latex in keiner Weise, selbst in dialysierter Form war 173 nach mehr als einem Jahr absolut frei von Koagulaten. Per TEM- und Cryo-TEM gelang es, einzelne Partikel abzubilden, so dass angenommen werden kann, dass diese auch im Latex nicht aggregiert sind. In einem geschlossenen Film aus Latex 173 konnte die runde Form der Partikel und die per DLS gemessene Größenverteilung nochmals bestätigt werden (Abb. 59). Die Molekulargewichte der Polymere in Tabelle 14 lagen auch hier mit 8.3×104 - 1.1×105 g/mol in einem gewohnt hohen Bereich. Auch die Fluoreszenzspektren unterschieden sich kaum von den vorhergehenden Polymerisationsreihen in den Tabelle 13 und Tabelle 12, auch hier wurde bei 173 mit 0.5 mol% kovalent gebundenem Farbstoff ein nahezu vollständiger Energietransfer beobachtet (Abb. 58).
Abb. 58: Links: Fluoreszenzspektren der Polymere 155 und 170-173 (Tabelle 14) mit einem Farbstoffanteil 41 von 0.015-0.5%. Rechts oben: Optisches Erscheinungsbild der unverdünnten Dispersionen (von links nach rechts: 155, 170-173). Rechts unten: gleiche Dispersionen unter UV-Licht (366 nm).
Als überraschend hoch erwies sich die unter diesen Bedingungen erzielbare Fluoreszenzquantenausbeute. So konnte mit Polymer 173 ein exzellenter Wert von 70% erzielt werden.
Abb. 59: Latex 173 (Tabelle 15). Oben (von links nach rechts): DLS-Größenverteilung, TEM-Aufnahme, Cryo-TEM-Aufnahme. Unten links: AFM-Aufnahme eines geschlossenen Films auf einer Glasoberfläche, rechts: vereinzelte Partikel auf einer Glimmer-Oberfläche
Copolymerisation von Kronenether 103
Als eine Möglichkeit zur nachträglichen Modulation der Absorptions- und Emissionseigenschaften von fertigen Polymeren wurde eine Copolymerisation des dibromosubstiuierten Monomers mit dem Kronenether 103 untersucht. Die zugrundeliegende Idee hierbei war, dass nach erfolgter Polymerisation durch nachträgliches Hinzufügen von Kaliumionen eine Änderung der Emissionswellenlänge erreicht werden könnte. Zu diesem Zweck wurden vier Polymerisationen mit unterschiedlichem Gehalt an Kronenether durchgeführt.
Tabelle 15: Polymerisationen 26-alt-(28-co-103) Nr. 28
[µmol]
103 [µmol]
Partikel-größe [nm]1)
Mn2) Mw2) PD QY [%]
174 990.0 10.0 80 6.1×104 2.0×105 3.2 33%
175 970.0 30.0 81 8.0×104 2.6×105 3.2 19%
176 900.0 100.0 74 7.2×104 1.4×105 2.0 26%
177 700.0 300.0 76 1.5×104 3.0×104 2.0 32%
1.00 mmol 26, 2 % SDS, Gesamtvolumen 25 ml, 1.0 g Toluol, 0.5 g (iPr)2NH, 1 mol% [Pd(PPh3)4], 100 µg CuI, 2 min Ultraschall, 72 h Polymerisation bei 50 °C, 1) DLS, volumengemittelt, 2) GPC in THF vs. PS Standard
Die so erhaltenen Dispersionen (Tabelle 15) zeigten unabhängig von der Konzentration des Kronenethers ein Emissionsspektrum ähnlich dem des Homopolymers 155. Jedoch konnte entgegen der Erwartung selbst durch Hinzufügen von hohen Konzentrationen im einstelligen Gewichtsprozentbereich an Kalium- und Natriumionen zu den Dispersionen keine messbare Änderung der Fluoreszenzwellenlänge beobachtet werden.
Abb. 60: Links: Fluoreszenzspektren der Polmyere 155, 174-177 mit 0-15% Anteil des Kronenethers 103. Rechts oben: Optisches Erscheinungsbild der unverdünnten Dispersionen (von links nach rechts: 155, 174-177). Rechts unten: gleiche Dispersionen unter UV-Licht (366 nm).
Offensichtlich wird die Elektronendichte in den Konjugationseinheiten durch die Bindung des Kronenethers an ein Metallion nicht in einem Maße geändert,
welche Auswirkungen auf das Emissionsspektrum hat. Dies ergibt sich aus der konzentrationsunabhängigen Ähnlichkeit der Spektren mit copolymerisiertem Kronenether untereinander, auch ist kaum ein Unterschied der Spektren der Copolymerisate zum reinen Homopolymer erkennbar. Die Vermutung liegt nahe, dass hier - elektronisch betrachtet - nur kurze Abschnitte des Homopolymers vorliegen, welche über den Kronenether nicht-konjugiert verknüpft sind. Die Partikelgrößen lagen mit 74-81 nm im typischen Bereich für 25 ml Gesamtvolumen.
Während die Molekulargewichte der Latices 174 bis 176 mit 6.1×104 - 8.0×104 im typischen Bereich lagen, wurde bei 177 mit 15 mol% des Kronenethers offenbar die Löslichkeitsgrenze überschritten, was zu einem Einbruch des Molekulargewichts führte. Dieser unvollständige Umsatz könnte auch erklären, warum Dispersion 177 in Abb. 60 sich innerhalb eines Jahres zwischen Herstellung und Aufnahme des Fotos bräunlich verfärbt hat, während alle anderen Dispersionen ihre mit dem Auge sichtbaren optischen Eigenschaften in Bezug auf Absorption und Fluoreszenz nicht veränderten.
Copolymerisation von Farbstoff 70
Ein weiterer mittels Sonogashira-Kupplung copolymerisierbarer Farbstoff ist der Perylen-Farbstoff 70. Dieser stellte eigentlich ein Zwischenprodukt auf dem Syntheseweg zum diethinylsubstituierten Farbstoff 71 dar, eignet sich jedoch durch seine zwei Bromosubstituenten potentiell für die Sonogashira-Kupplung.
Abb. 61: Poly-26-alt-28 mit kovalent gebundenem 70
Um auch hier die Möglichkeit eines Energieübertrags von der Polymerkette zum Farbstoffmolekül zu untersuchen, wurden fünf Polymerisationen mit unterschiedlichen Konzentrationen des Farbstoffs von 0-0.5 mol% durchgeführt (Tabelle 16). Dabei wurden Konzentrationen von 0.15-0.5% eingesetzt. Auch hier wurden mit 133-141 nm typische Partikelgrößen und mit 8.3×104 - 1.1×105 g/mol hohe Molekulargewichte erzielt.
Tabelle 16: Copolymerisationen von 26 und 28 mit 0-0.5 mol% des Farbstoffs 70 Nr. 28
[µmol]
70 [µmol]
Partikel- größe [nm]1)
Mn2) Mw2) PD QY [%]
155 1000.0 - 126 1.0×105 3.1×105 3.1 44
178 999.7 0.3 (0.015%) 133 8.3×104 3.1×105 3.8 34 179 999.0 1.0 (0.05%) 141 1.2×105 3.7×105 3.2 29 180 997.0 3.0 (0.15%) 141 1.1×105 3.4×105 3.0 29 181 990.0 10 (0.5%) 135 1.1×105 3.7×105 3.4 20 1,000 mmol 26, 2% SDS, Gesamtvolumen 50 ml, 1.0g Toluol, 0.5g (iPr)2NH, 1 mol% [Pd(PPh3)4], 100 µg CuI, 2 min Ultraschall, 72h Polymerisation bei 50°C, 1) DLS, volumengemittelt, 2) GPC in THF vs. PS Standard
Leider funktionierte bei diesem zweifach in Bay-Position substituierten Perylen der Energieübertrag nur sehr unvollständig, auch bei einem Farbstoffanteil von 0.5% wurden nur ca. 30% des emittierten Lichts bei der Emissionswellenlänge des Farbstoffs von 563 nm erhalten (Abb. 62).
Abb. 62: Links: Fluoreszenzspektren der Dispersionen 155 und 178-181 (Tabelle 16) mit einem 70-Anteil von 0-0.5 mol%. Rechts oben: Optisches Erscheinungsbild der unverdünnten
Dispersionen (von links nach rechts: 155, 178-181). Rechts unten: gleiche Dispersionen unter UV-Licht (366 nm).
Im Gegensatz zur Copolymerisation von Farbstoff 41 (Tabelle 14) nahmen hier die Fluoreszenzquantenausbeuten mit zunehmendem Farbstoffeinbau sogar ab, was auf eine Fluoreszenzquenchung hindeutet, möglicherweise durch Aggregatbildung aufgrund des ausgeprägten, flachen π-Systems des Perylenfarbstoffs. Eine Erhöhung der Konzentration war aufgrund der begrenzten Löslichkeit des Farbstoffs in Toluol nicht möglich.