Project

Back to overview

Enhancing the Red Emission of Perylene Diimide in Solid or Aggregated State by Simple Polymerization

English title Enhancing the Red Emission of Perylene Diimide in Solid or Aggregated State by Simple Polymerization
Applicant Bao Yinyin
Number 190313
Funding scheme Spark
Research institution Institut für Pharmazeutische Wissenschaften ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Physical Chemistry
Start/End 01.02.2020 - 30.04.2021
Approved amount 99'992.00
Show all

All Disciplines (3)

Discipline
Physical Chemistry
Organic Chemistry
Material Sciences

Keywords (5)

solid-state emission; polymerization; fluorescence bioimaging; perylene diimide; near-infrared

Lay Summary (German)

Lead
Perylendiimide (PDIs), haben aufgrund ihrer hohen Fluoreszenzquantenausbeute, hervorragende thermische und photophysikalische Stabilität als funktionelle Farbstoffe viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. In festen oder aggregierten Zuständen wird ihre Fluoreszenz jedoch aufgrund der starken Pi-Pi-Stapelung normalerweise dramatisch gelöscht. In diesem Projekt werden wir eine innovative und dennoch einfache Methode entwickeln, die auf eine starke Rot-Emission von PDI in festem / aggregiertem Zustand abzielt und zwar durch einfache Synthese von PDI-konjugierten Polymeren durch kontrollierte radikale Polymerisation. Durch dieses Verfahren können die Polymerketten an der Imidposition den Raum zwischen zwei PDI-Einheiten effizient erweitern, wodurch die Pi-Pi-Stapelung geschwächt wird.
Lay summary

Die vorgeschlagene Methodik beruht auf dem kontrollierten Wachstum von Polymerketten aus PDI unter kontrollierten / lebenden radikalen Polymerisationsbedingungen. Als die drei wichtigsten Methoden werden derzeit die Nitroxid-vermittelte Polymerisation, die reversible Additionsfragmentierungs-Kettenübertragungspolymerisation und die Atomübertragungs-Radikalpolymerisation eingesetzt, um maßgeschneiderte Polymere und komplexe makromolekulare Architekturen unter milden Bedingungen zu synthetisieren. Um die PDI-konjugierten Polymere zu synthetisieren, wird das PDI-Gerüst mit verschiedenen Initiationsgruppen funktionalisiert, mit denen die Polymerisation von im Handel erhältlichen Monomeren ausgelöst wird.

Der Forschungsplan umfasst: (i) Synthese von funktionalisierten PDIs mit Initiierungsgruppen zur Durchführung von kontrollierten / lebenden radikalen Polymerisationen und den entsprechenden Polymeren; (ii) Charakterisierung der PDI-Polymer-Konjugate; iii) Voruntersuchung auf mögliche Anträge.

Um eine kleine Bibliothek von PDI-konjugierten Polymeren mit unterschiedlichen topologischen Strukturen und Kettenlängen zu generieren, werden funktionalisierte PDIs mit unterschiedlicher Anzahl von Initiierungsgruppen synthetisiert. Dementsprechend wird eine Reihe von PDI-konjugierten Polymeren mit unterschiedlicher Anzahl von Armen erhalten. Anschließend werden die Mikrostrukturen und photophysikalischen Eigenschaften von PDI-konjugierten Polymeren sowie die funktionalisierten PDIs untersucht. Um tiefere Einblicke in die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zu erhalten und unsere Hypothese weiter zu bestätigen, werden theoretische Berechnungen durchgeführt, um die spektroskopischen Eigenschaften verwandter PDIs und Polymere zu simulieren. Als Proof-of-Concept werden vorläufige Anwendungen für In-vitro-Bioimaging und Phototherapie der erhaltenen Polymere evaluiert, die von der tiefroten bis NIR-Emission der PDI-Polymere in aggregiertem Zustand profitieren.

In diesem Projekt sind keine speziellen chemischen Reagenzien während der Syntheseverfahren beteiligt, was bedeutet, dass alle Reaktanzen zu geringen Kosten im Handel erhältlich sind. In der Zwischenzeit beginnt die Konjugation an der Imidposition des PDI-Gerüsts. Daher ist keine Derivatisierung an der Buchtposition erforderlich, wodurch die Schritte der Chlorierung oder Bromierung vermieden werden, die eine mühsame Reinigung und toxische Halogenierungsreagenzien erfordern und somit umweltfreundlicher sind. Basierend auf einer beispiellosen praktischen Methode können mit dieser Strategie die Kosten für stark rot-emittierende PDIs erheblich gesenkt und der Einsatz toxischer Chemikalien gesenkt werden. Darüber hinaus bieten sie ein breites Anwendungspotential nicht nur für feste lichtemittierende Materialien für optoelektronische Bauelemente, sondern auch für andere Produkte in fluoreszierenden Nanoanordnungen für Bioimaging und Phototherapie.

Direct link to Lay Summary Last update: 05.12.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

Fluorescent organic/polymeric materials with deep red to near-infrared emission color have recently drawn intensive attention due to their great potential for optoelectronic devices, notably OLEDs, as well as for biomedical applications, such as in vivo fluorescence imaging. As one of the most significant scaffolds for synthesizing such functional materials, perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic acid diimide (PDI) exhibits high fluorescence quantum yield, outstanding thermal and photophysical stability. Unfortunately, poor solubility in organic solvents and solid-state quenching present two major drawbacks limiting PDI’s extensive potential for broad applications. Great efforts have been made to overcome these limitations, however these strategies mostly require highly toxic chemicals (e.g., the popular “bay-area” derivatization approach involving bromination or chlorination) or tedious organic syntheses and purifications, which come at high cost. In the research proposed herein, it is hypothesized that the solid emission of PDI can be enhanced by manipulation of the polymer chain on the imide position, using simple polymerization techniques. In order to investigate the impact of polymer topological structure and chain length, three types of PDI-conjugated polymers with linear, 4-armed, and 6-armed structure will be synthesized by atom transfer radical polymerization (ATRP), respectively. The oligomers or polymers of different shape and chain length will be fully characterized with respect to their molecular packing, photophysical properties, and the energy levels. Their preliminary applications testing in bioimaging and phototherapy will also be conducted. This proposed project may yield an unprecedentedly simple method for the design and synthesis of functional PDI-based materials with strong red emission in solid or aggregated states, while avoiding the use of expensive reagents or highly toxic chemicals.
-