Synteza i charakterystyka wiologenów jako materiałów funkcjonalnych do zastosowań w urządzeniach elektrochromowych

Abstract

Niniejsza praca obejmuje trzy publikacje z listy filadelfijskiej, które dotyczą związków typu wiologenów oraz soli pirydyniowych i ich pochodnych pirydynowych jako potencjalnych materiałów do zastosowań w urządzeniach elektrochromowych. Badania koncentrowały się na otrzymaniu grupy wiologenów zawierających różne grupy jako jednostki mostkujące N-podstawione pierścienie pirydynowe oraz zbadanie ich właściwości elektrochromowych. Zaprojektowano związki zarówno w kształcie gwiazdy (tzw. star-shaped) zawierające trzy N-podstawione pierścienie pirydynowe, jak i związki liniowe zawierające dwa N-podstawione pierścienie pirydynowe, a także monopodstawione sole pirydyniowe i ich pochodne pirydynowe. Oczekiwano, że wprowadzenie do cząsteczki wiologenu różnego rodzaju jednostek elektroaktywnych takich jak trifenyloamina, benzotiadiazol lub benzoselenadiazol spowoduje, że zaprojektowane związki będą wykazywać odwracalne zmiany koloru zarówno w procesie katodowym jak i anodowym. Pierwszą grupę wiologenów rozgałęzionych stanowiły związki zawierające 1,3,5-trójpodstawiony benzen oraz trifenyloaminę. Kolejną grupę stanowiły związki liniowe zawierające w swej budowie N-podstawione pierścienie pirydynowe połączone grupą mostkującą: 2,1,3-benzotiadiazolem (BTZ) oraz 2,1,3-benzoselenadiazolem (BSeZ). Modyfikacja pierścieni pirydynowych w wiologenach liniowych była również ukierunkowana na funkcjonalizacje grupami zawierającymi wiązania podwójne (grupy styrenowe) co umożliwiło przeprowadzanie fotopolimeryzacji i otrzymanie cienkich warstw liniowych poliwiologenów. Zbadane poliwiologeny zawierające w rdzeniu benzotiadiazol oraz benzoselenadiazol stanowią pierwszy przykład użycia pochodnych styrenu w fotopolimeryzacji materiałów elektrochromowych. Dokonano również syntezy i charakterystyki nowych niesymetrycznych monopodstawionych soli pirydyniowych, pirydynowych pochodnych oraz ich polimerów zawierających w rdzeniu BTZ i BSeZ połączonych z grupą trifenylaminową oraz łańcuchem heksylowym, które są przykładem związków donorowo-akceptorowych. Charakterystyka materiałów obejmowała różne metody spektroskopowe, elektrochemiczne, spektroelektrochemiczne oraz luminescencyjne (w przypadku wybranych związków). Badania mają stanowić rozszerzenie aktualnej wiedzy na temat wiologenów, soli pirydyniowych i pochodnych pirydyny oraz właściwości elektrochromowych. Otrzymane wyniki dotyczące nowych materiałów wpisują się w aktualny trend badań nad materiałami do zastosowań w elektronice i wskazują na potencjał aplikacyjny zastosowania otrzymanych i zbadanych związków w urządzeniach zmieniających kolor.

This work is based on three articles and focuses on viologens, pyridinium salts, and pyridine derivatives as potential materials for electrochromic applications. The research was aimed at obtaining a series of viologens containing various bridging units between N-substituted pyridine rings and investigating their electrochromic properties. Both star-shaped derivatives containing three N-substituted pyridine rings and linear compounds incorporating two N-substituted pyridine rings were designed, along with mono-substituted pyridinium salts and their pyridine derivatives. It was expected that the introduction of different redox-active units such as triphenylamine, benzothiadiazole (BTZ), or benzoselenadiazole (BSeZ) into the viologen structure would induce reversible color changes under both cathodic and anodic conditions, providing electrochromic behavior. The first group of star-shaped viologens consisted of derivatives containing a 1,3,5-trisubstituted benzene and triphenylamine core. The second group included linear viologens with N-substituted pyridine rings linked by BTZ or BSeZ bridging units. The modification of pyridine rings in linear viologens was also directed toward their functionalization with double-bond-containing groups (styrene units). The obtained BTZ- and BSeZ-based polyviologens represent the first reported example of using styrene-derived units for the photopolymerization of electrochromic materials. New non-symmetric mono-substituted pyridinium salts, pyridine derivatives, and their polymers containing BTZ or BSeZ cores connected to the triphenylamine and hexyl chains were also synthesized and characterized, representing donor–acceptor-type compounds. The characterization involved spectroscopic, electrochemical, spectroelectrochemical, and, for selected compounds also luminescence analysis. The studies expand the current knowledge of viologens, pyridinium salts, and pyridine derivatives in the context of electrochromism. The results obtained fit within the recent research trends in functional materials for electronics and indicate the potential application of the synthesized and studied compounds in color-changing devices.