dizertační práce

Modifikace organických vysoce výkonných pigmentů pro aplikace v organické elektronice

Text práce 3.08 MB Teze 1.03 MB

Autor práce: Ing. Martin Cigánek

Ak. rok: 2020/2021

Vedoucí: doc. Ing. Jozef Krajčovič, Ph.D.

Oponenti: doc. Ing. Aleš Imramovský, Ph.D., Ing. Jan Vyňuchal, Ph.D.

Abstrakt:

Dizertační práce pojednává o studiu, syntéze a chemické derivatizaci molekul spadajících do skupiny organických vysoce výkonných pigmentů a jejich potenciálním uplatnění v oblastech organické elektroniky. Teoretická část práce je zaměřena na nejnovější trendy v dané oblasti, a to jak z aplikačního potenciálu konkrétních derivátů, tak z pohledu syntetických možností a jejich strukturálních derivatizací. V experimentální části je pak podrobně popsána příprava pestré škály intermediátů a výsledných produktů, zahrnujících deriváty diketopyrrolopyrrolů (DPP), benzodifuranonu (BDF), epindolidionu (EP), naphthyridinedionu (NTD) a polymeru na bázi thiofenu (PT). Celkově bylo nasyntetizováno 103 molekul, přičemž 49 tvořily výsledné produkty, z nichž 27 bylo zcela nových, dosud nepublikovaných. Hlavním motivem derivatizace molekul pigmentů je zde inkorporace derivátů adamantanu do finálních struktur. V další části práce jsou blíže diskutovány jednotlivé chemické modifikace vedoucí k výsledným produktům. Na sérii N,N'-; N,O'- a O,O'-substituovaných derivátů DPP je popsána komplexní studie vlivu charakteru alkylových řetězců a také pozice jejich navázání v molekule DPP, a to nejen na selektivitu reakce, ale rovněž na optické i termické vlastnosti syntetizovaných produktů.

Klíčová slova:

Organická elektronika, Pigment, Diketopyrrolopyrrol, Benzodifuranon, Epindolidion, Naphthyridinedion, Alkylace, Adamantan, Adamantyl, Asymetrická substituce

Termín obhajoby

4.11.2020

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znakmkaPznamka

Průběh obhajoby

Z důvodu nouzového stavu proběhla obhajoba Ing. Martina Cigánka kombinovaným způsobem - doktorand a fakultní zaměstnanci, tj. předseda komise a školitel (který není členem komise) byli přítomni při obhajobě prezenčně. Část mimofakultních členů komise byla připojena formou videokonference, část byla přítomna osobně v budově fakulty. Průběh obhajoby byl nahráván. Hlasování proběhlo tajně online formou. Předseda komise představil doktoranda, Ing. Cigánek má poměrně rozsáhlou pedagogickou praxi, kterou absolvoval v letech 2017-2019, kromě vedení praktických cvičení a výpočtů také konzultoval a oponoval několik bakalářských prací. Je rovněž spoluautorem 2 článků v impaktovaných časopisech. Ve své powerpointové prezentaci doktorand představil podstatné výsledky své disertační práce. Oponenti přečetli své posudky. Téma disertační práce je aktuální a práce je inovativní. Lze konstatovat, že zadání práce bylo splněno. Je zřejmé, že oponenti práci ohodnotili pozitivně, nicméně posudky obsahovaly řadu připomínek a dotazů, na které doktorand uspokojivým způsobem odpověděl. Posléze se rozproudila diskuze, přičemž Ing. Cigánek dobře zodpověděl i dotazy vzešlé z diskuze.

Jazyk práce

angličtina

Fakulta

Ústav

Studijní program

Chemie, technologie a vlastnosti materiálů (DPCP_CHM_4)

Studijní obor

Chemie, technologie a vlastnosti materiálů (DPCO_CHM_4)

Složení komise

prof. Ing. Martin Weiter, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Aleš Imramovský, Ph.D., oponent (člen)
Ing. Jan Vyňuchal, Ph.D., oponent (člen)
prof. RNDr. Milan Potáček, CSc. (člen)
doc. Ing. Klára Částková, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Martin Vala, Ph.D. (člen)

Ing. Martin Cigánek se ve své disertační práci věnoval aktuální a atraktívní problematice, využití organických vysoce výkonných pigmentů v oblastech organické elektroniky a fotoniky. Jeho výzkum se profiloval v několika základních směrech, no dominantní část z nich tvořila problematika diletopyrolopyrrolů (DPP). Zde rozvíjel platformu výzkumu zaměřenou hlavně na objevování nových fundamentů v problematice DPP, jako byla především studie nesymetrických substitucí alkylových fragmentů na DPP skelet, jednalo se o N,N´-, N,O- případně O,O´- produkty alkylačních reakcí, zavedení objemných adamantylovych skupin v podobě N,N’-subtituovaných DPP derivátů a v neposlední řadě syntéza a studium vlastností vysoce perspektivních thioketo analogů dithioketopyrrolopyrrolů. Právě v posledně zmíněné problematice je zaznamená malá publikační aktivita, což v mnoha ohledech může umožnit celé portfolio hodnotných výsledků. Dalším výzkumným směrem byla syntéza nových derivátů benzodifuranonu (BDF), epindolidionu (EP), quinacridonu (QA) a nových specifických oligothiofenových derivátů na bázi sexithiofenu. V řešené problematice student prokázal velmi dobrou orientaci ve studiu odborné literatury, tak v syntéze organických molekul s využitím moderních syntetických přístupů a také ve schopnosti precizně finalizovat reakční směsi za použití různorodých purifikačních postupů. V rámci práce student syntetizoval a charakterizoval celou řadu nových doposud nepublikovaných molekul, které jsou předmětem dalšího studia a budou sloužit jako seriózní podklad pro sepsání několika nových odborných publikací.
Martin Cigánek plnil během doktorandského studia své úkoly svědomitě a veškeré zkoušky úspěšně složil. Od počátku studia se stal platným členem týmu Organické chemie.
Ke studované problematice přistupoval s brilantní přesností a pečlivostí, jemu vlastní. Vedení záznamu o experimentech, preciznost ve finalizaci výsledků a příprava odborných prezentací byla v jeho podání realizovaná na velmi vysoké úrovni, což považuji za známku vyzrálého mladého vědce.
Neméně důležitý je taky přístup Martina Cigánka k pedagogickým aktivitám, kde prokázal ochotu, trpělivost a schopnost nadchnout studenty pro Organickou chemii a výzkum v tomto vědním oboru. Až do konce svého studia se aktivně podílel na výuce předmětů Organická Chemie I a II (seminář) a předmětu Praktikum z Organické Chemie, ve kterém se zapojil i do tvorby výukových materiálů v podobě nových laboratorních úloh. Rovněž se podílel na konzultacích 2 bakalářských prací a vedení laboratorní práce tří výměnných studentů v programu Erasmus. Vedle toho byl také oponentem 2 bakalářských prací.
K výraznému osobnímu a odbornému rozvoji Martina Cigánka přispělo také výzkumné zapojení do řešení mezinárodních a tuzemských grantových projektů, také intenzívní bilaterální spolupráce s pracovištěm Linz Institute for Organic Solar Cells, (Linz, AT) pod vedením renomovaného prof. Sariciftciho.
Martin Cigánek se účastnil řady odborných a vzdělávacích akcí. Své výsledky prezentoval na 4 tuzemských a mezinárodních konferencích a na zahraničních pracovištích v rámci spoluprací. V roce 2017 a 2019 získal Cenu vědecké komise za prezentaci na studentské konferenci „Chemistry is Life“ a v roce 2018 získal Cenu pro mladé vědecké talenty v doktorandské sekci mezinárodní konference „Chemistry & Life“.
Dosažené výsledky Martina Cigánka jsou podrobně popsány v disertační práci, doložené dvěma prvoautorskými publikacemi z kterých jedna se nachází v impaktovaném periodiku a jedna v indexovaném sborníku, další publikací v impaktovaném periodiku a dvěma publikacemi odeslanými do renomovaných odborných časopisů, které se aktuálně nachází ve statusu „under review“. Zde oceňuji celkový přínos a podíl studenta na vypracování těchto publikací.

Celkově hodnotím výsledky studenta dosažené v rámci dizertační práce za hodnotné, originální a dále využitelné. Oceňuji taky jeho píli a pracovitost a systematický přístup studenta k řešení vytyčených úkolů.

Martin Cigánek jednoznačně prokázal tvůrčí schopnosti, odborné znalosti a dovednosti samostatně vědecky pracovat. Naplněny byly i všechny další podmínky pro úspěšné ukončení studia.

Disertační práce splňuje všechna kritéria kladená na daný typ práce, a proto ji doporučuji k obhajobě.
Soubor vložený oponentem Velikost
Posudek oponenta [.pdf] 299.77 kB

Posudek oponenta
Ing. Jan Vyňuchal, Ph.D.

Autor: Ing. Martin Cigánek, Fakulta chemická, VUT v Brně
Oponent: Ing. Jan Vyňuchal, Ph.D, Synthesia, a.s. Pardubice

Oponent měl pro sepsání posudku k dispozici elektronickou verzi práce s názvem „Modification
of Organic High Performance Pigments for Applications in  Organic Electronic“ sepsanou v anglickém jazyce.

Úvod teoretické části této práce je věnován vývoji organické elektroniky jako perspektivního oboru. Dále jsou popsány základní předpoklady organických látek pro jejich potencionální použití v organické elektronice. Práce je zaměřena na organické sloučeniny odvozené především od organických kolorantů - deriváty diketo-pyrrolo-pyrrolu (DPP), benzodifuranonu (BDF), epindolidionu (EP) a dalších.

Derivátům DPP je v práci systematicky věnována hlavní pozornost. Autor přistupuje k syntéze vybraných DPP sloučenin dle základní a dnes průmyslově používané syntetické cesty, která vychází z příslušného derivátu nitrilu a diesteru kyseliny jantarové. Tato syntetická cesta umožňuje připravit především jednoduché, základní, nealkylované deriváty DPP. Použití této syntetické cesty je však limitováno rozpustností a reaktivitou vstupních látek. Druhou popsanou a v práci experimentálně ověřenou cestou je substituce základního již alkylovaného derivátu DPP. Tato druhá syntetická cesta umožňuje připravit složité deriváty DPP. Její nevýhodou je však nemožnost připravit nealkylované deriváty DPP. Obecně existuje ještě třetí syntetická cesta, která nebyla v práci popsána. Jedná se o přístup, ve kterém je nejdříve připravena tzv. latentní (rozpustná) forma základního derivátu DPP (Nature 338, 131 (1997)) a následně je provedena požadovaná substituce, resp. coupling. Poté je možné latentní formu tepelně převést opět na nealkylovaný derivát DPP. Tímto postupem je tedy možné připravit složitější nealkylované deriváty DPP, které jsou schopné tvořit vodíkovou vazbu (souvislost s výsledky prezentované v práci Głowacki – odkaz v disertační práci č. 188)

Autor práce v teoretické části popisuje a následně opět experimentálně ověřuje substituci DPP kruhu elektron-akceptorními i elektron-donorními skupinami. V práci je také popsána náhrada kyslíkových atomů v molekule DPP za atomy síry. Tyto sirné sloučeniny mohou představovat velmi zajímavý potenciál.

Samostatnou kapitolu tvoří alkylace vybraných sloučenin. K alkylaci bylo přistoupeno s  pečlivostí, což umožnilo izolovat N,N´-, N,O- případně O,O´- produkty alkylačních reakcí. Podrobný popis alkylační reakce a izolace jednotlivých produktů s jejich charakterizací považuji za přínosné. Novostí je alkylace vybraných DPP skeletů deriváty adamantanu a studium vztahu sterického bránění alkylačních substituentů na výtěžky jednotlivých reakcí a dalších souvislostí.

V případě syntézy derivátů BDF se bohužel nepodařilo připravit odpovídající symetrické i nesymetrické thiofenové analogy.


Téma předkládané disertační práce je v současné době aktuální a práce vykazuje novost. Zadání práce bylo splněno. Autor k práci přistupoval systematicky. Řada syntéz byla prováděna více syntetickými cestami. Při experimentech byly použity mimo běžné syntetické techniky i nové techniky jako je např. mikrovlnná syntéza. Připravené produkty byly vždy charakterizovány.
Uvedené jednoznačně obohatí a rozšíří obor s určitým přesahem do průmyslového využití.
Z formálního pohledu bych měl připomínku k dělení kapitol. Některé kapitoly se překrývají a informace uvedené v experimentální části a následně v části diskuse a výsledky se opakují, což vede k zbytečnému rozsahu práce a menší přehlednosti.
Autor práce prokázal tvůrčí schopnost ve výzkumu. Disertační práce navazuje na předchozí diplomovou práci autora. Tato kontinuita umožnila připravit ucelenou práci na vysoké úrovni. O kvalitě svědčí také dva publikační výstupy autora, které byly k dnešnímu dni vyhledány v databázi Web of Science a souvisí s řešenou problematikou.


Předkládaná práce splňuje veškeré náležitosti a práci doporučuji k obhajobě.