CN101659664A - 一类苝双酰亚胺衍生物及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一类以苝双酰亚胺为核的新型结构衍生物及其在有机电致发光器件中的应用,属于有机电致发光材料的制备领域。这些苝双酰亚胺衍生物的结构特征是在苝双酰亚胺的1,6,7,12-四个港湾位通过氧基苯基连接不同结构类型、不同共轭程度的电荷传输功能基团。这些衍生物通过以下方法合成:首先由1,6,7,12-四卤代苝双酰亚胺合成外围带有端乙炔活性基团的苝双酰亚胺核,然后再与外围带有功能取代基的环戊二烯酮或者芳胺等发生Diels-Alder环加成或者C-N、C-C偶联等反应制得目标衍生物。这些化合物具有良好的热稳定性、形态稳定性、溶解性和独特的光电性质。以这些材料为发光层兼电荷传输层制备非掺杂型电致发光器件,表明这些材料有望成为优良的主体型红色电致发光材料。
Description
技术领域
本发明涉及有机电致发光材料领域的一类苝双酰亚胺衍生物及其制备方法和应用。
背景技术
二十世纪微电子技术的辉煌成就和二十一世纪光电子技术的迅猛发展使信息技术正面临着一场激动人心的革命。国际互联网的发展,信息产业的崛起都正在改变着人类传统的生活方式和社会面貌。
信息技术包括信息的采集、处理、存储、传输与显示。信息数据的高效准确采集,快速处理,高密度存储,大容量传输和高清晰度的显示构成了信息技术的主体。其中作为信息系统输出端的显示技术占有举足轻重的地位。它是人们从信息系统获取信息的必要手段。当前,应用广泛、已形成生产体系的显示器件有阴极射线管(CathodeRayTube,CRT)、液晶显示器(LiquidCrystalDisplay,LCD)和等离子体显示器(PlasmaDisplayPanel,PDP)。由于存在不同程度的缺陷,上述显示器件的应用均受到一定的限制。如:CRT体积大,驱动电压高,辐射严重;LCD响应速度慢,视角窄,对比度小,制作工艺复杂,属于被动发光;PDP以三维空间结构向各个方向发光而形成像素交叉效应,而且造价昂贵。
相比之下,有机电致发光器件(OrganicLight-emittingDiodes,OLEDs)具有可与集成电路相匹配的低直流电压驱动、主动发光、体积小、无视角限制、响应速度快等优点;而且同无机电致发光相比具有色彩全、制作工艺简单、加工性能好、成本低廉等多项优点,在手机、数码相机、车载显示、笔记本电脑、电视等领域显示出广阔的应用前景,成为二十一世纪光电信息技术发展中倍受瞩目的前沿课题之一。
有机电致发光三基色材料中,绿光和蓝光的发展迅速,甚至已达到实用化水平,而红光材料进展明显落后。红色发光材料由于存在发光自淬灭效应、电荷传输性能相对较弱等缺点,多采用掺杂技术制备其发光器件。在掺杂型发光器件中,经常由于能量传递不充分等原因导致主、客体同时发光,严重影响红光的色纯度;另外,掺杂型发光器件是通过共蒸镀或者混合溶液旋转涂膜方法制备的,因此,器件制备工艺远比非掺杂型器件复杂得多;同时,掺杂体系中主客体分子之间的相分离也是导致器件不稳定的主要原因。如果红色发光材料在保证高量子效率的前提下,同时具备电荷传输功能,就可以作为发光层兼电荷传输层制备非掺杂型器件,不但避免了掺杂型器件的主客体同时发光、相分离等弊端,也最大限度简化了器件制备工艺。2000年Toguchi等人报道了第一个主体型红色电致发光材料(PPA)(PSA)Pe及其非掺杂型红光器件(Synth.Met.,2000,111-112,57.)。近年来,更多的主体型红光材料纷纷面世,例如Lin等人于2002年报道的噻吩并吡嗪系列星状衍生物(Adv.Mater.,2002,14,822.),Chen等人也几乎同时报道了NPAMLMI等(Adv.Mater.,2002,14,1072.),最近,朱道本院士的研究组又报道了另一组具有D-π-A型结构的主体红光材料CAPP和CAPQ(Adv.Func.Mater.,2005,15(9),1541.)目前,主体型红光材料和非掺杂型器件已成为红色电致发光的最新研究趋势。
发明内容
本发明的目的是通过在3,4,9,10-苝双酰亚胺母体上引入不同载流子传输功能的基团,以合成具有优良性能的红色主体型发光材料,同时显著提高其在有机溶剂中的溶解性。
本发明的技术方案首先由1,6,7,12-四卤代苝双酰亚胺合成外围带有端乙炔、或者卤素等活性基团的苝酰亚胺核,然后再与外围带有功能取代基的环戊二烯酮或者芳胺等发生Diels-Alder环加成或者C-N、C-C偶联等反应制得苝双酰亚胺衍生物。结构通式如下:
其中:R选自咔唑基、3,6-二叔丁基咔唑基、3,6-二(3,6-二叔丁基咔唑基)咔唑基、萘基、蒽基、菲基、芘基、N-苯基-1-萘胺基、噻吩基、吡嗪基、苯并噻二唑基或结构通式如下的基团:
R1~R4全部为五氟苯基或R1=R4=苯基,R2=R3=除A、B以外的R基取代的苯基。所述的一类苝双酰亚胺衍生物的制备方法包括以下步骤:
(1)将四溴代的3,4,9,10-苝双酰亚胺、对碘苯酚和无水碳酸钾按摩尔比1∶4.4∶4.4混合在一起,加入氮甲基吡咯烷酮做溶剂,90℃,在氮气保护和搅拌下,反应10h,得1,6,7,12-四对碘苯基氧基取代的苝双酰亚胺;
(2)将三甲基硅乙炔与步骤(1)的产物,与[PdCl2(PPh3)2]、碘化亚铜和三苯基磷按摩尔比4.8∶1∶0.2∶0.5∶0.5混合,在体积比为2∶1的三乙胺和四氢呋喃溶液中,氮气保护25℃下反应24h,生成1,6,7,12-四(三甲基硅乙炔基)苯氧基取代的苝双酰亚胺,随后产物在摩尔比为1∶100的氟化铵和四正丁基氟化铵作用下,室温反应6h脱去保护基得外围带有四个乙炔基活性基团的苝双酰亚胺;
(3)将二苯丙酮与4,4’-二溴二苯乙二酮在无水乙醇溶液中,氢氧化钾作用下回流反应半小时,得到二溴代的环戊二烯酮,接着将其与3,6-二叔丁基咔唑或N-苯基-1-萘胺、铜粉或碘化亚铜、18-冠-6、无水碳酸钾按摩尔比1∶3∶2∶0.2∶6混合,在硝基苯中氮气保护下,150~200℃反应5~72h得到含有不同取代基的环戊二烯酮;
(4)将步骤(1)的产物与3,6-二叔丁基咔唑或N-苯基-1-萘胺、碘化亚铜、18-冠-6、无水碳酸钾按摩尔比1∶6∶4∶0.4∶12混合,在硝基苯中氮气保护下反应5~35h得到相应的苝双酰亚胺衍生物;或将步骤(1)的产物与萘硼酸、噻吩硼酸或苯并噻二唑硼酸通过Suzuki反应得到相应的苝双酰亚胺衍生物;或将步骤(2)的产物与步骤(3)的产物按摩尔比1∶4.8~12混合,在邻二甲苯中,150~170℃下反应1~5天,得到相应的苝双酰亚胺衍生物。
所述的一类苝双酰亚胺衍生物的应用是:所述苝双酰亚胺衍生物(如当R为3,6-二叔丁基咔唑基、3,6-二(3,6-二叔丁基咔唑基)咔唑基、萘基、N-苯基-1-萘胺基或R1~R4全部为五氟苯基时的苝双酰亚胺衍生物)可以通过溶液旋涂方法制备薄膜,并作为发光层兼电荷传输层制备非掺杂型电致发光器件,器件结构为:ITO/40nm的PEDOT:PSS/80nm的苝双酰亚胺衍生物/50nm的Ca/Al,器件制备过程如下:首先在洗净、干燥、并用紫外线-臭氧处理的ITO玻璃基片上,将PEDOT:PSS的水溶液旋涂成膜,然后在120℃下烘1h,然后在PEDOT:PSS薄膜上旋涂苝双酰亚胺衍生物的甲苯溶液,随后将片基转入真空蒸镀室内蒸镀Ca/Al阴极。
本发明的苝双酰亚胺衍生物具有良好的溶解性、光热稳定性和形态稳定性以及荧光量子产率高等优点,可作为主体型红光材料制备非掺杂型有机电致发光器件。
附图说明
图1是使用本发明所述的一类苝双酰亚胺衍生物作为发光材料兼载流子传输材料制成的有机电致发光器件的结构图。其中:1、玻璃基质;2、ITO阳极;3、PEDOT:PSS空穴注入层;4、苝双酰亚胺衍生物发光层;5、钙阴极;6、铝保护层。
具体实施方式
下面通过实例对本发明做进一步的阐述,目的在于更好理解本发明的内容。因此所举实例并不限制本发明的保护范围。
实施例1化合物4的制备
在50ml两口瓶中加入1.2g(3.26mmol)4,4’-二溴二苯乙二酮,0.68g(3.26mmol)二苯丙酮,200mg(3.59mmol)氢氧化钾固体和20ml无水乙醇,回流30分钟,抽滤得1(1.5g,产率80%)。1HNMR(400MHz,CDCl3)δ6.80(d,4H,3J=8.4Hz),7.1-7.3(m,10H),7.35(d,4H,3J=8.4Hz).MS:m/z:542([M+2]+)。
向50ml两口瓶中加入200mg(0.369mmol)1,178mg(0.811mmol)N-苯基-1-萘胺,118mg(1.84mmol)铜粉,24.4mg(0.09mmol)18-冠-6,357mg(2.58mmol)碳酸钾和5ml硝基苯,氮气保护回流状态下反应72h,减压除去溶剂,柱层析分离得2(257mg,,产率85%)。MS:m/z::819([M+H]+)。
135mg(0.115mmol)的中间体3和565mg(0.69mol)的2在邻二甲苯中回流;两天。然后冷却至室温,减压除去溶剂,柱层析分离得目标化合物400mg(80%),MS(MALDI-TOF):m/z:4336([M+H]+)。
实施例2化合物6的制备
108mg(0.09mmol)的3和548mg(0.73mmol)的5氮气保护下在邻二甲苯中回流5天。然后冷却至室温,减压除去溶剂,柱层析分离得目标化合物6(300mg,81%)。Mp.413℃.1HNMR(CD2Cl2):8.17(s,4H),7.78(s,4H),7.44-7.38(t,2H),7.26-7.23(d,4H),7.09-7.05(d,8H),6.77-6.73(d,8H),2.66-2.55(m,4H),1.03-1.00(s,24H).19FNMR(CD2Cl2):δ=-136.932~-138.826(m),-148.818~-149.007(d),-149.628(s),-150.527(s),-158.745~-159.332(m).MS(MALDI-TOF):m/z:4039([M+H]+).Elemental analysis calcd.(%)for C192H58F80N2O8:C,57.07,H,1.45,N,0.69.Found:C,57.01,H,1.38,N,0.73。
实施例3化合物8的制备
向50ml两口瓶中加入45mg(0.038mmol)中间体3和215mg(0.228mmol)7,氮气保护下在邻二甲苯中回流四天,然后冷却至室温,减压除去溶剂,柱层析分离得8(120mg,产率65%)。MS(MALDI-TOF):m/z:4817([M+H]+)。
实施例4化合物11的制备
向50ml两口瓶中加入100mg(0.06mmol)的中间体8,100.4mg(0.36mmol)9,4.8mg(0.025mmol)碘化亚铜,16mg(0.06mmol)18-冠-6,115.9mg(0.84mmol)无水碳酸钾和5ml硝基苯,氮气保护下180℃反应5h。然后冷却到室温,减压除去溶剂,柱层析分离得11(115mg,产率85%)。MS(MALDI-TOF):m/z:2188([M+H]+)。
实施例5化合物13的制备
向50ml两口瓶中加入100mg(0.06mmol)的中间体9,273.5mg(0.38mmol)12,4.8mg(0.025mmol)碘化亚铜,16mg(0.06mmol)18-冠-6,115.9mg(0.84mmol)无水碳酸钾和5ml硝基苯,氮气保护下180℃反应28h。然后冷却到室温,减压除去溶剂,柱层析分得13(190mg,产率80%)。MS(MALDI-TOF):m/z:3954.88([M+H]+)。
实施例6化合物15的制备
向50ml两口瓶中加入100mg(0.036mmol)中间体14和321mg(0.432mmol)5,氮气保护下在邻二甲苯中回流五天,然后冷却至室温,减压除去溶剂,柱层析分离得15(274.5mg,产率90%)。MS(MALDI-TOF):m/z:8519([M+H]+).
实施例7化合物16的制备
向50ml两口瓶中加入100mg(0.036mmol)中间体14和351mg(0.432mmol)2,氮气保护下在邻二甲苯中回流五天,然后冷却至室温,减压除去溶剂,柱层析分离得16(277.5mg,产率85%)。MS(MALDI-TOF):m/z:9114([M+H]+)。
实施例8化合物17的制备
向50ml两口瓶中加入100mg(0.036mmol)中间体14和405.4mg(0.432mmol)7,氮气保护下在邻二甲苯中回流五天,然后冷却至室温,减压除去溶剂,柱层析分离得17(306mg,产率85%)。MS(MALDI-TOF):m/z:10076([M+H]+)。
实施例9化合物19的制备
向50ml两口瓶中加入100mg(0.085mmol)中间体3和119.6mg(0.51mmol)18,氮气保护下在邻二甲苯中回流五天,然后冷却至室温,减压除去溶剂,柱层析分离得19(144mg,产率85%)。MS(MALDI-TOF):m/z:1999.76([M+H]+)。
实施例10化合物20的制备
向50ml两口瓶中加入500mg(0.3mmol)中间体9和310mg(1.8mmol)2-萘硼酸,636mg(6mmol)碳酸钠,0.4ml水和44.8mg(0.036mmol)四三苯基磷钯,氮气保护下在甲苯中90℃反应24h,然后冷却至室温,减压除去溶剂,柱层析分离得20(356mg,产率75%)。MS:m/z:1583.6([M+H]+)。
实施例11化合物21的制备
向50ml两口瓶中加入500mg(0.3mmol)中间体9和242.7mg(1.8mmol)2-噻吩硼酸,636mg(6mmol)碳酸钠,0.4ml水和44.8mg(0.036mmol)四三苯基磷钯,氮气保护下在甲苯中90℃反应36h,然后冷却至室温,减压除去溶剂,柱层析分离得21(337.4mg,产率80%)。MS:m/z:1406([M]+)。
实施例12化合物23的制备
向50ml两口瓶中加入500mg(0.3mmol)中间体9和324mg(1.8mmol)22,636mg(6mmol)碳酸钠,0.4ml水和44.8mg(0.036mmol)四三苯基磷钯,氮气保护下在甲苯中90℃反应48h,然后冷却至室温,减压除去溶剂,柱层析分离得23(384mg,产率80%)。MS:m/z:1615.4([M+H]+)。
实施例13苝双酰亚胺衍生物的有机电致发光器件
图1示出了将本发明所述的苝双酰亚胺衍生物(如化合物4、化合物6、化合物8、化合物11、化合物13、化合物15等)作为发光层和电荷传输层制备的非掺杂有机电致发光器件,器件结构如下:ITO/PEDOT:PSS(40nm)/苝双酰亚胺衍生物(80nm)/Ca(50nm)/Al。其中ITO为氧化铟锡玻璃电极,作为阳极;PEDOT:PSS作为空穴注入材料;Ca作为阴极材料,外面蒸一层Al作为保护层,以免Ca被氧化。
器件制作程序如下:首先用洗涤剂清洗ITO玻璃的表面多次,然后用乙醇和氯仿超声以除去有机污染物,用自来水冲洗,再用超纯水冲洗多次。洗净的基片用氮气吹干,再用紫外线臭氧处理25分钟,保证表面干净、清洁。将PEDOT/PSS的水溶液旋涂在洗净的ITO基片上,然后在120℃下烘1h,随后旋涂苝双酰亚胺衍生物的甲苯溶液,最后在金属蒸镀室内蒸镀Ca作为阴极,并在金属Ca层外面蒸一层Al作为保护层,以免阴极被空气氧化。
上述器件的电致发光性能以化合物6作为发光层为例进行说明,器件结构为:ITO/PEDOT:PSS(40nm)/化合物6(80nm)/Ca(50nm)/Al,器件的启动电压为11V,在118mAcm-2的电流密度下亮度为300cdm-2,6.5mAcm-2电流密度下电流效率为0.5cd A-1。器件的发光峰在602nm,638nm和700nm,为红光器件。
Claims (3)
2.据权利要求1所述的一类苝双酰亚胺衍生物的制备方法,其特征是:该制备方法包括以下步骤:
(1)将四溴代的3,4,9,10-苝双酰亚胺、对碘苯酚和无水碳酸钾按摩尔比1∶4.4∶4.4混合在一起,加入氮甲基吡咯烷酮做溶剂,90℃,在氮气保护和搅拌下,反应10h,得1,6,7,12-四对碘苯基氧基取代的苝双酰亚胺;
(2)将三甲基硅乙炔与步骤(1)的产物,与[PdCl2(PPh3)2]、碘化亚铜和三苯基磷按摩尔比4.8∶1∶0.2∶0.5∶0.5混合,在体积比为2∶1的三乙胺和四氢呋喃溶液中,氮气保护25℃下反应24h,生成1,6,7,12-四(三甲基硅乙炔基)苯氧基取代的苝双酰亚胺,随后产物在摩尔比为1∶100的氟化铵和四正丁基氟化铵作用下,室温反应6h脱去保护基得外围带有四个乙炔基活性基团的苝双酰亚胺;
(3)将二苯丙酮与4,4’-二溴二苯乙二酮在无水乙醇溶液中,氢氧化钾作用下回流反应半小时,得到二溴代的环戊二烯酮,接着将其与3,6-二叔丁基咔唑或N-苯基-1-萘胺、铜粉或碘化亚铜、18-冠-6、无水碳酸钾按摩尔比1∶3∶2∶0.2∶6混合,在硝基苯中氮气保护下,150~200℃反应5~72h得到含有不同取代基的环戊二烯酮;
(4)将步骤(1)的产物与3,6-二叔丁基咔唑或N-苯基-1-萘胺、碘化亚铜、18-冠-6、无水碳酸钾按摩尔比1∶6∶4∶0.4∶12混合,在硝基苯中氮气保护下反应5~35h得到相应的苝双酰亚胺衍生物;或将步骤(1)的产物与萘硼酸、噻吩硼酸或苯并噻二唑硼酸通过Suzuki反应得到相应的苝双酰亚胺衍生物;或将步骤(2)的产物与步骤(3)的产物按摩尔比1∶4.8~12混合,在邻二甲苯中,150~170℃下反应1~5天,得到相应的苝双酰亚胺衍生物。
3.根据权利1所述的一类苝双酰亚胺衍生物的应用,其特征是:所述苝双酰亚胺衍生物可以通过溶液旋涂方法制备薄膜,并作为发光层兼电荷传输层制备非掺杂型电致发光器件,器件结构为:ITO/40nm的PEDOT∶PSS/80nm的苝双酰亚胺衍生物/50nm的Ca/Al,器件制备过程如下:首先在洗净、干燥、并用紫外线-臭氧处理的ITO玻璃基片上,将PEDOT∶PSS的水溶液旋涂成膜,然后在120℃下烘1h,然后在PEDOT∶PSS薄膜上旋涂苝双酰亚胺衍生物的甲苯溶液,随后将片基转入真空蒸镀室内蒸镀Ca/Al阴极。
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