Synthesis of phenothiazine derivatives as small molecular acceptors for organic photovoltaics

Abstract

For å oppnå de Forente Nasjoners 17 bærekraftsmål som ble vedtatt i 2015 må en økning i bærekraftig energiproduksjon til. Veksten i solenergimarkedet er hurtig, og utviklingen av alternativer til silisiumbaserte solceller har gitt mer miljøvennlige og billigere løsninger i senere år. Bulk-heterojunction solceller tilbyr fordeler som delvis gjennomsiktighet, lav produksjonskostnad, lav vekt, enkel produksjon og fleksibilitet. Bruken av fullerenebaserte akseptorer hindrer noe av dette potensialet grunnet ufravikelige energinivåer, begrenset absorbsjon i den synlige delen av det elektromagnetiske spekteret der bestrålingen fra sola er sterkest, vanskeligheter med renhet og morfologi samt høy fremstillingskostnad. I senere år har forskning delvis gått over til å studere ikke-fullerenbaserte akseptorer for å unngå de ovennevnte begrensningene. Ikke-fullerenbaserte akseptorer kan modifiseres på mange måter inkludert å justere energinivåene, absorbsjonsbredde, morfologiske egenskaper, løselighet m.m. Denne forskningen har ført til et bredt spekter av akseptorer for å matche det økende spekteret av donorer, enklere syntese og rensing og økte optiske og elektrokjemiske egenskaper. Vår forksningsgruppe har studert fenotiasinbaserte fargestoffer for bruk i fargestoff sensitiviserte solceller, og den økende interessen for fargestoffbaserte akseptormolekyler for bruk i bulk-heterojunction solceller førte til målet med denne oppgaven, syntese og karakterisering av målmolekylene T1 og T2, se Figur 1. Denne oppgaven beskriver syntesen av målmolekylene gjennom 4 og 5 steg. Det første steget er bromering av fenotiasin, etterfulgt av alkylering som gir hovedbyggesteinen 3 i et samlet utbytte på 59 %. Forbindelse 3 ble videre koblet gjennom en Two-Step One-Pot reaksjon med et arylhalid, borylert og deretter Suzuki krysskoblet med et arylhalid eller direkte Suzuki krysskoblet med en borsyre for å danne forløpere og målmolekyler. Målmolekyl T1 ble dannet ved å koble 3 og 6 ifølge NMR-, og IR-analyse, men ble ikke isolert. T2 ble syntetisert fra 8 og den rhodanine flankende gruppen via en Knoevenagel kondensasjonsreaksjon i et utbytte på 87 %. Det samlede utbyttet av denne firestegs reaksjonen var 46 %. Ukjente forbindelser ble karakterisert ved NMR, HRMS og IR, og deres smeltepunkter ble funnet. Målmolekyl T2 ble analysert ved UV-vis spektroskopi.

To achieve the 17 sustainable development goals set by the United Nations in 2015, the increase in energy production from sustainable resources is a must. The growth in solar photovoltaics is rapid, and the development of alternatives to silicon solar cells have given more environmentally friendly, low-cost alternatives in recent years. The bulk-heterojunction solar cell offers advantages including semi-transparency, low manufacturing cost, light weight, easy fabrication and flexibility. The use of fullerene acceptors hamper some of this potential due to invariable energy levels, limited absorption in the visible spectrum where the solar irradiation is strongest, difficulties with purity and morphology and high production cost. In recent years, the research has in part been shifted towards studying non-fullerene acceptors to overcome these disadvantageous limits. Non-fullerene acceptors can be tuned in several aspects, including energy levels, absorption ranges, morphological properties, solubility and more. This research has led to a wider pool of acceptors to match the also increasing pool of donors, simpler synthesis and purification and improved optical and electrochemical performance. Our research group has studied phenothiazine based dyes extensively, and the emerging interest in dye-based acceptors for bulk-heterojunction application led to the aim of this master's thesis, the synthesis and characterisation of two target molecules, T1 and T2. This study describes the synthesis of the target molecules through 4 and 5 steps. The first step is the bromination of phenothiazine, followed by an alkylation giving the main building block 3 in an overall yield of 59 %. Compound 3 was coupled via a Two-Step One-Pot reaction with an aryl halide, borylated and subsequently Suzuki cross-coupled with an aryl halide or Suzuki cross-coupled with a boronic acid to give precursors and target molecules. Target molecule T1 was formed by coupling 3 with 6 according to NMR and IR analysis, but was not isolated. T2 was synthesized from 8 and the rhodanine flanking group by a Knoevenagel condensation in 87 % yield. The overall yield of the 4 step reaction was 46 %. The unknown intermediates and target molecules were characterized by NMR, HRMS and IR, and melting points were determined. Target molecule T2 was analyzed with UV-vis spectroscopy.