Kimyasal polimerizasyon

Tiyofen belli koşullar altında demir klorür, molibden klorür, demir klorür hidrat, bakır perklorat, demir perklorat gibi yükseltgenleri kullanıp polimerleşme reaksiyonuna sokularak oksidatif polimerizasyonu kolaylıkla gerçekleşebilmektedir ( Freund ve Bhavana, 2007; Wallace ve Ark., 2009). Tiyofenin polimerizasyonu ancak susuz çevrede gerçekleşmelidir. Bu durum tiyofenin çözünürlüğünün düşük olmasından kaynaklanmaktadır. Bu amaçla polimerizasyon, kloroform, asetonitril, karbon tetraklorür gibi ortamlarda gerçekleşir. Reaksiyon sırasında oluşan polimerlerin mol kütlesinin düşük olması, tetrahidrofuran veya başka birçok yaygın organik çözücüde çözünmemesi ve işlenemez olması, araştırmacıları farklı yöntemlerde farklı sübstütientlere sahip politiyofenlerin sentezlenmesine yöneltmiştir.

(Sato ve Ark., 1986) Bu yüzden alkil ve alkoksil grupları içeren sübstüte politiyofenler kullanılarak, politiyofenin çözünürlüğü veya erime ile işlenebilir hale gelmesi sağlanmıştır.

Tiyofenin oksidatif polimerizasyonu ile sentezlenen politiyofenin verim ve kalitesinin yüksek bir biçimde artırılması amacıyla birçok çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Örneğin demir (III) klorür gibi bir yükseltgenin polimerleşme sırasında çöktürülmesi, yükseltgenin yüzey alanının artırılması sağlar. Bu etkiden monomerin doğrudan katı yükseltgene eklenmesine göre polimer verimi ve monomer dönüşümü önemli bir miktarda artmış olur (Olinga ve Francois, 1995). Tiyofenin oksidatif polimerizasyonunda yükseltgen maddesi olarak ilave edilen FeCl3

kompleksi kloroformlu ortamda çözünmemesinden dolayı polimerizasyonun FeCl3

kristali yüzeyinde gerçekleştiğini ve FeCl3/tiyofen oranı 2 den büyük olduğunda elde edilen polimer miktarının kantitatif olduğunu bildirilmiştir. Seçilen iyi bir katalizörün düşük sıcaklıkta yavaş yavaş eklenmesiyle, elde edilen politiyofenlerin

38

yüksek molekül ağırlığına sahip olduğu rapor edilmiştir (Gallazzi, 2002; Laakso ve Ark., 1993). Polimerizasyon süresi ve yükseltgen / monomer oranının yüksek olmasıyla polimerin veriminin de arttığını bildirilmiştir. Demir (III) klorür kullanılarak gerçekleşen oksidatif polimerizasyon mekanizması oldukça tartışmalıdır.

(Niemi ve Ark., 1992) Şekil 1.33 te görülen mekanizma önerilmiştir:

Radikal oluşumu:

Karbokatyon oluşumu:

Şekil 1.33. Tiyofenin demir (III) klorür ile oksidatif polimerizasyon mekanizması (Niemi. V ve Arkadaşları. 1992).

39 Katyon radikal oluşumu:

Şekil 1.33. (devam)

Tiyofenin polimerizasyon mekanizmasında iki çeşit kabul yapılmaktadır:

Birincisinde eğer polimerizasyon kloroform, toluen, karbon tetraklorür gibi demir- (III) klorürün kısmen veya tam olarak çözünmediği çözücüler kullanılarak tepkime gerçekleşiyorsa, polimerik aktif merkezler katı demir (III) klorür yüzeyinde olduğundan iki katyon radikalinin birbirleriyle reaksiyona girme fırsatı azalır. Çünkü katı yüzeyindeki klorür iyonları radikallerin ya da katyon radikallerin dimerleşme için uygun pozisyon almasını engeller. Diğer bir çeşit kabul ise monomer olarak 3-metil tiyofen kullanılsa, yapılan kuantum mekaniksel hesaplamalara göre halkadaki en negatif yüklü, katyon radikalin en yüksek elektron popülasyonuna sahip karbonu 2 nolu karbon olduğundan nötral türlerde en kararlı radikaller, baş-kuyruk eşleşmesi şeklinde oluşur (Şekil 1.33’deki en üst kısım).

Şekil 1.34. 3-metil tiyofen

(Andersson ve Ark., 1994) 3-(4-oktilfenil tiyofen)’in demir (III) klorür varlığında gerçekleştirdikleri oksidatif polimerizasyon için başka bir çeşit polimerizasyon mekanizmasını önermiş ve polimerde yüksek derecede bölgesel düzenliliğin,

40

yükseltgenin monomer çözeltisine yavaş yavaş ilave edildiğinde elde edildiğini bildirmiştir. Çalışmada ayrıca eşleşmelerin seçiliğinin ve güçlü yükseltgenmenin, karbokatyon mekanizması (Şekil 1.33 ortadaki mekanizma) ile ilerlediği rapor edilmistir. Güçlü yükseltgenlerden zor karakterize olan polimerlerin elde edildiği heterojen sistemlerde çalışma zorluklarından dolayı oksidatif polimerizasyonun mekanizması net olarak aydınlatılamamaktadır. Ancak, Şekil 1.33’ te görülen katyon radikal mekanizması, politiyofen için en çok tercih edilen mekanizma olarak kabul edilmektedir.

Çizelge 1.3. Oksidatif polimerizasyon yöntemiyle sentezlenen politiyofenlerin iletk- nlik değerleri

Polimer İletkenlik (S/cm)

Politiyofen-FeCl3 0,3x10^-3 (Ballav ve Biswas, 2003) Politiyofen- FeCl3-I2 4x10^-4 (Ballav ve Biswas, 2003) Poli(tiyofen sülfit)- FeCl3 12,5x10^-4 (Chahma, 2005) Politiyofen-FeCl₃.6H₂O 4,3x10^-4 (Toshima, 1995)

Çizelge 1.2’de farklı araştırmacılar tarafından yapılan farklı oksidatif polimerizasyon ile sentezlenen dop haldeki politiyofenlerin iletkenlikleri gösterilmiştir. Çizelgede politiyofenin iletkenlik gücünün seçilen dopant türüne bağlı olarak 10^-4-10^-3 S/cm arasında değiştiği bilinmektedir. Politiyofenin kimyasal polimerizasyonu, elektrokimyasal yönteme kıyasla iki açıdan daha avantajlıdır:

- Monomerlerin seçimi daha çok sayıda mümkün olabilir.

- Daha düzgün yapılı sübstüte politiyofenlerin sentezine olanak sağlamak için doğru yükseltgenin kullanılmasıyla gerçekleşir.

41 1.5.4.2. Metal katalizli kimyasal polimerizasyon

1980 yılında farklı iki araştırma grubu birbirinden bağımsız olarak yaptığı deneysel çalışmaların sonucu ilk metal katalizli polimerizasyon yoluyla politiyofenin türevi 2,5-dibromotiyofeni sentezledi. (Yamamoto ve Ark., 1980) THF içinde magnezyum ve nikel(bipiridin) diklorür, ( Lin, Dudek ve Ark., 1980) paladyum, nikel, kobalt tuzlarının katalizörlüğünde THF ortamında magnezyum metalı kullanarak polimerizasyonu gerçekleştirdiler. İlk düzenli dizilim içeren poli alkil tiyofenler de metal katalizli polimerizasyon yöntemiyle Mccullough tarafından (1992) sentezlenmiştir. Şekil 1.35’te görüldüğü gibi McCullough yönteminde alkil tiyofen ilk olarak seçimli bromlama ile bromlanır, hemen ardından lityumlanır, metal değişim tepkimesine girer ve son olarak nikel katalizörü varlığında çapraz kenetleme ile % 100 oranında baş-kuyruk-baş-kuyruk şeklinde bağlanmış alkil politiyofenler sentezlenir. Rieke ve Arkadaşları (1993) tarafından yeni bir polimerizasyon yöntemi geliştilerek, 2,5-dibromo-3-alkiltiyofen oldukça reaktif Rieke çinkosu ile reaksiyona sokularak organometalik izomer karışımı elde edilmiştir. Çok az miktarda polimerizasyon sistemine ilave edilen paladyum katalizörü rastgele dizilimli alkil tiyofenleri oluştururken, nikel katalizörü ise bölgesel düzenliliğe sahip polimer oluşumunu sağlar (Chen ve Ark., 1992).

Mcculluough Yönteni:

Şekil 1.35. Alkil tiyofenlerin metal katalizli polimerizasyonu

42 Rieke Yöntemi:

Şekil 1.35. (devam)

Mccullough ve Rieke tarafından yapılan polimerizasyon yöntemleriyle yapısal olarak homojen politiyofenler elde edilse de, polimerizasyon sırasında, çok düşük sıcaklık gerekmesi, ortamdaki su ve oksijenin çok dikkatli bir şekilde uzaklaştırılması ve monomerlerin bromlama basamağının olması gibi olumsuzluklarla karşılaşılacaktır.

Diğer bir kimyasal polimerizasyon türü olan demir klorürlü oksidatif polimerizasyon ile daha ılımlı şartlarda polimerizasyon kolaylıkla gerçekleşebilmektedir.