• Keine Ergebnisse gefunden

The focus of investigation was directed towards designing tailor‐made liquid crystalline  perylene  bisimides  and  to  elucidate  a  structure‐property  relationship  with  respect  to  thermotropic  behaviour  in  N‐substituted  derivatives  of  PBIs.  Therefore,  symmetrically  and  unsymmetrically N‐substituted PBIs have been synthesized successfully by two different synthetic  strategies (Route A and B in Scheme 2). The PBIs were classified into three different types of   N‐substitution  patterns,  involving  swallow‐tail  and  linear  alkyl‐  or  oligooxyethylene  (OEG)  substituents respectively (Scheme 2). Several PBIs exhibiting columnar hexagonal liquid crystalline  (Colh)  packing  with  broad  liquid  crystalline  temperature‐widths  were  obtained  via  these  approaches. 

  Scheme 2. Overview of symmetrically and unsymmetrically N‐substituted perylene bisimides (PBIs) classified  according to the nature of respective N‐substituents. Type I: symmetrically N‐substituted PBIs (2 x swallow‐

tail),  Type  II:  unsymmetrically  N‐substituted  PBIs  (2  swallow‐tail)  and  Type  III:  unsymmetrically   N‐substituted PBIs (swallow‐tail + linear). PBIs exhibiting columnar hexagonal liquid crystalline (Colh packing  are  labeled  by  an  asterisk.  Main  synthetic  pathways  for  symmetrical  and  unsymmetrical   N‐substitution of PBIs. i) imidazole, Zn(OAc)2, 2‐4 h, 160 °C; ii) KOH, t‐BuOH, 90°C 1‐1.5 h; iii) DMAc,  Zn(OAc)2, 20 Min, 160 °C, 200 Watt; iv) 1. KOH, 2. AcOH; v) NH4OH, K2CO3; vi) DMF, K2CO3, KI, 80 °C, 3‐5 d; 

vii) DMF, NaH, 80 °C, 48 h. Route A: 1‐4 and 6‐9; Route B: 5, 10 and 11. 

The  standard  procedure  for  the  synthesis  of  symmetrically  N‐substituted  PBIs  is  the  condensation of perylenetetracarboxylic acid dianhydride (PTCDA) with primary amines (Route A). 

The synthesis of unsymmetrically substituted PBIs is more challenging and there exist two  different synthetic strategies suitable for asymmetric N‐substitution of PBIs. The common method  therefore follows a partial saponification of symmetrically N‐substituted PBIs to afford key  intermediates 12. Subsequent condensation of these monoimide‐monoanhydrides 12 with a  second amine results in unsymmetrically N‐substituted PBIs (Route A). We also developed a  microwave‐assisted  method  for  the  second  condensation  reaction  of  monoimide‐

monoanhydrides 12 with amines. An alternative synthetic strategy (Route B) makes use of imide  anhydride 13 as asymmetric building block. The anhydride moiety allows for condensation  reactions with amines in a first step, whereas  the imide moiety offers the possibility  for  introduction of a second N‐substituent via nucleophilic substitution SN2 under basic conditions  with alkylhalides in a second step. PBIs can be regarded as a closed chromophoric system due to  nodes of the HOMO and LUMO orbitals at the imide nitrogens and accordingly, show identical  absorption behaviour. Hence, the UV/Vis spectra of these compounds in very dilute CHCl3  solutions exhibit the characteristic finger‐print vibronic fine structure of PBI with peaks at about  525, 490, 460 and 430 nm respectively. Due to the electronic decoupling of the perylene bisimide  core and the imide substituents, also the electronic properties are similar, with LUMO energy  levels of about ‐3.8 eV and HOMO energy values of ‐6.0 eV with respect to the zero energy level. 

In the following,  the  three different  N‐substitution patterns  with  respect  to  thermotropic  behaviour are outlined in brief.  

Type I with a symmetric N‐substitution pattern, utilized different alkyl or OEG swallow‐tail  substituents to study the influence of sidechains with different spatial requirements or polarity on  thermotropic behaviour. It could be shown here, that the symmetrical molecule 1 carrying alkyl  substituents (R1 = ‐C7H15) exhibits a narrow monotropic hexagonal columnar Colh mesophase upon  cooling from the isotropic melt with a phase‐width of only 8 °C. A simple increase in substituent  length for symmetrical analogue 2 (R1 =  ‐C11H23) does not expand the mesophase temperature‐

width, but surprisingly implicates crystalline behaviour. On the other hand, a change from alkyl  swallow‐tail to OEG swallow‐tail side groups in case of PBIs 3 and 4, results in much broader liquid  crystalline phases which are not monotropic. This can be attributed to the higher conformational  freedom of the C‐O bond as compared to C‐C bond allowing for a better space filling around the  discotic mesogens.  

Type II uses an unsymmetrical N‐substitution pattern comprising different alkyl swallow‐tail  substituents in combination with OEG swallow‐tail or alkyl swallow‐tail substituents with distinct  spatial demands. Here an unsymmetrical N‐substitution is used to study the impact of asymmetry  of the substitution profile on thermotropic behavior. Generally, unsymmetrical PBIs with one OEG  swallow‐tail substituent and one alkyl swallow‐tail substituent (6‐9) exhibit thermotropic liquid  crystalline packing. Moreover, in the unsymmetrical molecules 6‐9, an increase in OEG length  decreases the clearing temperature considerably, whereas a corresponding increase in alkyl chain 

shown for these materials, that OEG sidechains pack more tightly than alkyl substituents. It is also  interesting to note that unsymmetrical PBI 5 carrying two different alkyl swallow‐tail chains  remains a crystalline material (Fig. 3b, d and e) with a melting point of 99 °C. Thus a comparison of  1, 2 and 5 clearly shows that the Colh‐phase observed for 1 could not be broadened for 2 or 5,  both  by  extending  the  length  of  alkyl‐substituents  or  by  introducing  unsymmetrical  alkyl   N‐substitution. 

  Figure 3. (a) Molecular structure of PBIs 5 and 6 with an identical number of sidechain atoms but different  flexibility of the R2‐N‐substituents. (b‐c) Polarization optical microscopy images of 5 and 6 (under crossed  polarizers). (b) Crystals of 5 formed upon annealing at 63 °C. (c) Dendritic texture of 6 at 153 °C in the Colh  phase. (d) DSC‐thermogramms of 5 and 6 measured at 2 Kmin‐1. (e) X‐ray diffraction patterns of 5 in the  crystalline phase (RT) and 6 in the Colh phase (120 °C).  

An insightful comparison can be drawn between PBIs 5 and 6, as both bear an identical  number of side chain atoms but differ in flexibility of the respective R2‐substituent (Fig. 3a).  

As described above, PBI 5 is a crystalline material but on the other hand 6 exhibits a Colh  mesophase which can only be attributed to the presence of an OEG‐substituent. Fig. 3e shows the  typical diffraction pattern of a 2D‐lattice with ahex = 21.23 nm and a  π‐π stacking distance   dππ= 3.48 Å for 6 in the Colh phase at 120 °C. The dendritic texture for 6 observed in POM is  consistent with a Colh‐packing in the mesophase as well (Fig. 3d). In short, the comparison of 5  and 6 clearly indicates the ability of OEG substituents to promote the liquid crystallinity of the  perylene bisimide moiety. 

The  influence  of  a  reduction  of  branched  swallow‐tail  substituents  to  linear  ones  is  investigated for PBIs of Type III, as it is of fundamental interest to design PBI semiconductors with  a  high  content  of the electronically active  perylene chromophore  for device  applications.  

Thus, unsymmetrical PBIs 10 and 11 with one swallow‐tail and one linear substituent were  synthesized. Both 10 and 11 are crystalline materials as can be seen from DSC‐thermograms and  POM textures. Both compounds recrystallize on cooling and do not exhibit any supercooling  effect. The absence of any mesophase indicates that the linear substituents are spatially less  demanding and may not be able to fill the space sufficiently around the columnar stacked PBI  molecules. 

In a nutshell, it could be shown that incorporation of flexible OEG swallow‐tail substituents  alone or in combination with alkyl swallow‐tail substituents, efficiently supports Colh packing  arising from  π‐π interactions between cofacially orientated perylene molecules. Thus, both   N‐substituents have to be branched in nature. A reduction to linear N‐substituents resulted in  strongly crystalline behaviour. This molecular design was crucial to obtain liquid crystallinity and  intracolumnar long‐range order. Additionally, the melting point to the liquid crystalline phase as  well  as  clearing  temperature  could  be  controlled  very  efficiently  by  an  unsymmetrical   N‐substitution pattern. Upon cooling the liquid crystalline phase, the crystallization process of  these liquid crystalline PBIs is strongly supercooled. The N‐substituents did not influence the  electronic energy levels and optical properties.  

   

SYNTHESIS AND STRUCTURE ELUCIDATION OF DISCOTIC LIQUID CRYSTALLINE PERYLENE