Design and Synthesis of Blue Emissive Imidazo[1,5-a]pyridine-based Materials for Potential Application in Optoelectronic Devices

Negli ultimi anni, il cambiamento climatico, la sostenibilità e la crescente domanda globale di energia sono diventati temi centrali. In questo contesto, lo sviluppo di nuovi materiali e tecnologie capaci di ridurre il consumo energetico è essenziale. Le tecnologie di illuminazione e di visualizzazione rappresentano una parte significativa di questa domanda. Tra le soluzioni emergenti, i diodi organici a emissione di luce (OLED) sono considerati tecnologie promettenti, energeticamente efficienti e sostenibili per i display di nuova generazione. Una delle principali sfide nella ricerca sugli OLED riguarda lo sviluppo di materiali a emissione blu efficienti e stabili, che spesso soffrono di una ridotta durata operativa e di basse efficienze. Inoltre, molti emettitori ad alte prestazioni si basano su metalli rari e costosi, sollevando problematiche legate ai costi, alla disponibilità e all’impatto ambientale. In questo scenario, questo progetto esplora il potenziale dei composti basati su imidazo[1,5-a]piridina come luminofori per applicazioni optoelettroniche. Questi materiali possiedono proprietà favorevoli, tra cui buona fotostabilità, alte rese quantiche di fotoluminescenza e un ampio intervallo di emissione, con un comportamento promettente nella regione del blu. Nonostante questi vantaggi, l’applicazione delle imidazo[1,5-a]piridine nei dispositivi optoelettronici è ancora relativamente poco esplorata, con un numero limitato di esempi riportati in letteratura. Durante il progetto, è stata posta particolare attenzione all’allineamento delle strategie sintetiche e degli approcci sperimentali con i principi della chimica verde, minimizzando i rifiuti e massimizzando l’economia atomica. Il lavoro combina chimica sintetica, chimica di coordinazione e fotofisica, con l’obiettivo di comprendere come la struttura molecolare e la coordinazione metallica influenzino il comportamento emissivo. La ricerca è stata condotta in diverse fasi. Inizialmente, sono state progettate e sintetizzate diverse classi di leganti imidazo[1,5-a]piridinici, includendo sistemi mono- e bis-sostituiti e architetture donatore–accettore. Questi leganti sono stati successivamente coordinati a centri quali B(III), Zn(II), Ag(I) e Re(I), per studiare come le variazioni dell’ambiente elettronico e della struttura influenzino le proprietà di emissione. Tutti i composti sono stati caratterizzati mediante spettroscopia allo stato stazionario e risolta nel tempo, sia in soluzione sia allo stato solido. I risultati forniscono un quadro completo di come l’architettura molecolare e l’ambiente di coordinazione governino il comportamento emissivo dei sistemi basati su imidazo[1,5-a]piridina. Sebbene diverse classi di leganti e composti di coordinazione mostrino emissione blu e buone efficienze di fotoluminescenza in soluzione, l’efficacia della modulazione dell’emissione dipende dal design molecolare. Alcuni degli emettitori più promettenti sono stati integrati in dispositivi OLED, dove hanno mostrato un’elettroluminescenza blu stabile, dal celeste al blu profondo, confermando che le proprietà osservate a livello molecolare possono essere trasferite alle prestazioni del dispositivo. Inoltre, la capacità di alcuni composti di generare ossigeno singoletto evidenzia la natura multifunzionale di questi materiali e suggerisce possibili applicazioni oltre le tecnologie a emissione di luce.

In recent years, climate change, sustainability and the growing global demand for energy have become central concerns. In this context, the development of new materials and technologies capable of reducing energy consumption is essential. Lighting and display technologies represent a significant part of this demand. Among the emerging solutions, Organic Light Emitting Diodes (OLEDs) are considered promising energy-efficient and sustainable technologies for next-generation displays. A major challenge in OLED research concerns the development of efficient and stable blue-emitting materials, which often suffer from reduced operational lifetime and low efficiencies. Moreover, many high-performance emitters rely on rare and expensive metals, raising issues of cost, availability and environmental impact. In this scenario, this project explores the potential of imidazo[1,5-a]pyridine-based compounds as luminophores for optoelectronic applications. These materials possess favourable properties, including good photostability, high photoluminescence quantum yields and a wide emission range, with promising behaviour in the blue region. Despite these advantages, the application of imidazo[1,5-a]pyridines in optoelectronic devices is still relatively unexplored, with only a limited number of examples reported in the literature. Throughout the project, attention was given to aligning synthetic strategies and experimental approaches with the principles of green chemistry, by minimising waste and maximising atom economy. The work combines synthetic chemistry, coordination chemistry and photophysics, with the aim of understanding how molecular structure and metal coordination influence emissive behaviour. The research was carried out in several stages. Initially, different classes of imidazo[1,5-a]pyridine ligands were designed and synthesised, including mono- and bis-substituted systems and donor–acceptor architectures. These ligands were then coordinated to centres such as B(III), Zn(II), Ag(I) and Re(I), to study how changes in electronic environment and structure influence emission properties. All compounds were characterised by steady-state and time-resolved spectroscopy in solution and in the solid state. The results provide a comprehensive picture of how molecular architecture and coordination environment govern the emissive behaviour of imidazo[1,5-a]pyridine-based systems. While several classes of ligands and coordination compounds exhibit blue emission and good photoluminescence efficiencies in solution, the effectiveness of emission tuning depends on the molecular design. Some of the most promising emitters were incorporated into OLED devices, where they showed stable blue electroluminescence from sky blue to deep blue, confirming that the properties observed at the molecular level can be transferred into device performance. In addition, the ability of certain compounds to generate singlet oxygen highlights the multifunctional nature of these materials and suggests possible applications beyond light-emitting technologies.