CN101928559B - 同时含三苯乙烯和四苯乙烯结构的聚集诱导发光材料及其合成方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有机发光材料技术领域,公开了一种同时含三苯乙烯和四苯乙烯结构的聚集诱导发光材料,合成时将含功能基的三苯乙烯和四苯乙烯中间体通过偶联反应连接在一起。本发明的合成方法工艺简单,纯化方便,所合成的同时含三苯乙烯和四苯乙烯结构的有机发光材料不仅具有明显的聚集诱导发光性能,而且具有高的热稳定性,高的玻璃化转变温度,高的发光强度,适用于制备有机电致发光材料器件中的发光层材料。
Description
技术领域
本发明属于有机发光材料技术领域,特别涉及一种同时含三苯乙烯和四苯乙烯结构的聚集诱导发光材料及其合成方法和应用。
背景技术
有机发光二极管(OLED)等有机发光器件由于其在柔性显示及照明等方面具有巨大的潜在应用,近年来受到科技界和产业界高度重视,是当前研究与开发的热点之一。
有机发光材料在有机发光器件技术具有举足轻重的地位,它直接影响到发光器件的发光效率和使用寿命。绝大多数有机发光材料在稀溶液状态具有高的荧光量子产率,但是在固体状态下则变得荧光很弱或根本不发光,这种现象被称为聚集荧光猝灭。而作为有机发光器件使用的发光材料,必须在固体薄膜状态下使用,因此随着固体薄膜的形成,聚集荧光猝灭现象就无可避免地发生,这似乎是一个很难解决的问题。倘若发光材料能够越是聚集,发光越强,荧光量子产率越高,那就有可能解决聚集荧光猝灭这个难题。这种材料被称为聚集诱导发光材料,即AIE材料。自从2001年唐本忠等报道了Silole衍生物具有AIE效应以来,AIE材料引起了人们高度重视(J.D.Luo,Z.L.Xie,J.W.Y.Lam,L.Cheng,H.Y.Chen,C.F.Qiu,H.S.Kwok,X.W.Zhan,Y.Q.Liu,D.B.Zhu,B.Z.Tang,Chem.Commun.2001,1740;Y.N.Hong,J.W.Y.Lam,B.Z.Tang,Chem.Commun.2009,29,4332.)。含三苯乙烯结构的AIE材料由我们实验室首先合成并研究,这类三苯乙烯衍生物不仅具有明显的AIE效应,而且具有高的热稳定性和发光性能(Bingjia Xu,Zhenguo Chi,et al.J.Mater.Chem.2010,20,4135;含有三苯乙烯结构的聚集诱导发光材料及其合成方法和应用,中国专利,申请号:200910192391.0)。另外,唐本忠等报道含四苯乙烯结构的化合物也具有AIE效应并可用于发光器件的制备(Wang Zhang Yuan,Ping Lu,Shuming Chen,et al.Adv.Mater.2010,22,2159;Zujin Zhao,Shuming Chen,et al.Chem.Commun.,2010,46,2221)。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时含三苯乙烯和四苯乙烯结构的新型的聚集诱导发光材料(AIE材料),这类新型AIE材料具有较高的玻璃化转变温度、高的热稳定性和优异的发光性能。
本发明的另一个目的是提供上述新型AIE材料的合成方法,其工艺简单,产率高,并可通过连接不同基团调节化合物的发光性能、热性能等。
本发明的再一个目的是提供上述材料新型AIE材料的应用于电致发光器件的制备。
本发明的目的是这样实现的:
一种同时含三苯乙烯和四苯乙烯结构的聚集诱导发光材料,其结构如通式(1)或通式(2)所示:
其中R1,R2,R3,R4中至少一个为含四苯乙烯结构的基团,余下的选自H、C18烷基、C14烷氧基、二芳香氨基、咔唑基、苯基或含取代基苯基、苯基以外的其它芳香基;Ar基团为共轭的芳香基或芳杂环基。
上述AIE材料的合成方法是将带功能基的三苯乙烯中间体和带功能基的四苯乙烯中间体通过Suzuki、Wittig或Wittig-Horner反应偶联在一起得到通式(1)所示结构产物;或者将含四苯乙烯结构的二苯酮衍生物和芳香膦叶立德试剂通过Wittig或Wittig-Horner反应,直接形成通式(2)所示结构产物。其步骤主要按如下进行:①合成带溴、硼酸、醛基或苄基等功能基的三苯乙烯中间体;②合成带溴、硼酸、醛基或苄基等功能基的四苯乙烯中间体;③将三苯乙烯中间体和四苯乙烯中间体利用Suzuki、Wittig或Wittig-Horner等反应合成终产物。上述三个步骤不一定是严格按顺序进行的,功能基团的转换是非常灵活的。另外,三苯乙烯结构的形成也不一定先做成带功能基的三苯乙烯中间体,只要一个中间体带有二苯酮结构,其和芳香膦叶立德试剂反应均可以直接生成三苯乙烯结构。
本发明合成工艺简单,纯化容易,所合成的同时含三苯乙烯和四苯乙烯结构的AIE材料具有高的热稳定性,高的玻璃化转变温度,高的发光强度,非常适用于制备有机电致发光材料器件中的发光层材料。
具体实施方式
本发明是一种同时含三苯乙烯和四苯乙烯结构的聚集诱导发光材料,即AIE材料,结构如通式(1)或(2)所示:
其中R1,R2,R3,R4等表示的基团中至少有一个含四苯乙烯结构,余下的其他基团选自H、C1~8烷基、C1~4烷氧基、二芳香氨基、咔唑基、苯基或含取代基苯基、除苯基外的其它芳香基。
含四苯乙烯结构的基团优选以下结构:
Ar基团优选以下结构:
上述发光材料的合成方法,包括以下步骤:
第一步:带功能基的三苯乙烯中间体合成
带功能基的三苯乙烯中间体的合成采用二苯酮及其卤代物和卤代苯膦酸酯叶立德试剂反应,形成卤代三苯乙烯中间体。本发明优选的二苯酮原料为4,4’-二溴二苯酮、4-溴二苯酮和二苯酮;优选的叶立德试剂为4-溴苯亚甲基膦酸二乙酯。上述优选原料合成三苯乙烯中间体的制备工艺简单,产率高,这是本发明的主要特征之一。对于取代基的合成,采用常规有机合成的方法实现,包括傅-克烷基化、胺烷基化、卤化、Suzuki反应、Heck反应、Wittig反应等。
其它功能基三苯乙烯中间体的合成,利用芳香溴进行功能基转换,例如,芳香溴在丁基锂等有机金属作用下加入三甲氧基硼可得到带硼酸功能基的三苯乙烯中间体。
X1,X2可以同时为H;也可以同时为卤素;也可以一个为H,另一个为卤素。X为卤素。
第二步:带功能基四苯乙烯中间体的合成
采用二步法合成带有卤素功能基的四苯乙烯中间体。二苯甲烷在0℃条件下滴加入正丁基锂(n-BuLi),再加入卤代二苯酮得到卤代四苯乙醇中间体。该中间体在对甲苯磺酸催化下甲苯中回流脱水,得到带卤素功能基的四苯乙烯中间体。本发明优选卤素为溴。
可将带卤素的四苯乙烯中间体按常规有机合成的方法转变成硼酸、羰基化合物(醛和酮)等中间体。
第三步:目标产物的合成
合成得到的上述带功能基的三苯乙烯和四苯乙烯中间体通过Suzuki、Wittig或Wittig-Horner等反应方法偶联在一起得到目标产物,或将含四苯乙烯结构的二苯酮衍生物和芳香膦叶立德试剂反应直接形成三苯乙烯结构。如通式(1)所示结构的产物主要由前一种方法合成,如通式(2)所示结构的产物则主要由后一种方法合成。
很显然,上述三个步骤不一定是严格按顺序进行的,功能基团的转换是非常灵活的。另外,三苯乙烯结构的形成也不一定先做成带功能基的三苯乙烯中间体,只要一个中间体带有二苯酮结构,其和芳香膦叶立德试剂反应均可以直接生成三苯乙烯结构。
以下通过具体的实施例子对本发明作进一步的阐述,但本发明并不限于此特定例子。
实施例1
三苯乙烯-四苯乙烯[VP3-(TPE)1]的合成:
(1)溴代三苯乙烯(VP3-Br)的合成
把二苯甲酮(13.59g,74.6mmol)和4-溴苯亚甲基膦酸二乙酯(27.49g,89.5mmol)溶解于250mL四氢呋喃中,加入叔丁醇钾(10.01g,89.5mmol),在氩气保护下常温搅拌反应4h。减压蒸去溶剂,样品利用硅胶柱层析的方法进行提纯,淋洗液为正己烷,得23.20g白色晶体,产率为93%。
(2)溴代四苯乙烯(TPE-Br)的合成:
把二苯甲烷(4.00g,23.8mmol)溶解于50mL四氢呋喃中,在0℃氩气保护下搅拌30min,慢慢滴入2.2M正丁基锂的正己烷溶液(13.0mL,28.6mmol),搅拌反应1h。然后加入4-溴二苯甲酮(4.97g,19.0mmol),慢慢升温至室温,继续搅拌反应10h,用饱和氯化铵溶液调节反应液pH值至中性。反应液用二氯甲烷萃取三次,有机层用无水硫酸钠干燥,抽滤,减压蒸去溶剂,所得固体真空干燥过夜后用甲苯(100mL)溶解,加入对甲基苯磺酸(1.00g,5.8mmol),加热回流,搅拌反应8h。反应液冷却至室温,减压蒸去溶剂,粗产物以正己烷为流动相硅胶为固定相作柱色谱提纯,得6.49g浅黄色固体,产率为83%。
(3)四苯乙烯硼酸(TPEB)的合成:
把TPE-Br(3.29g,8.0mmol)溶解于50mL四氢呋喃中,在-78℃氩气保护下搅拌30min,慢慢滴入2.2M正丁基锂的正己烷溶液(5.5mL,12.0mmol),搅拌反应3h。然后加入硼酸三甲酯(1.66g,16.0mmol),慢慢升温至室温,继续搅拌反应10h,用2M盐酸溶液调节反应液pH值至酸性。反应液用二氯甲烷萃取三次,有机层用无水硫酸钠干燥,抽滤,减压蒸去溶剂,粗产物以丙酮∶二氯甲烷=1∶15(体积比)为流动相硅胶为固定相作柱色谱提纯,得3.01g浅黄色固体,产率为60%。
(4)三苯乙烯-四苯乙烯[VP3-(TPE)1]的合成:
把VP3-Br(0.29g,0.86mmol)和TPEB(0.36g,0.95mmol)溶解在30mL甲苯中,加入2M碳酸钾的水溶液(0.5mL)和5滴Aliquat 336,通氩气40min后,加入催化量的Pd(PPh3)4,加热至85℃,搅拌反应过夜。减压蒸去溶剂,粗产物以二氯甲烷∶正己烷=1∶10(体积比)为流动相硅胶为固定相作柱色谱提纯,得浅黄绿色固体0.31g,产率为61%。
实施例2
三苯乙烯-二(四苯乙烯)[VP3-(TPE)2]的合成:
(1)二溴代三苯乙烯(VP3-Br2)的合成:
把4,4’-二溴二苯甲酮(2.00g,5.8mmol)和苯亚甲基膦酸二乙酯(1.98g,8.7mmol)溶解于40mL四氢呋喃中,加入叔丁醇钾(0.98g,8.7mmol),在氩气保护下常温搅拌反应4h。减压蒸去溶剂,样品以正己烷为流动相硅胶为固定相作柱色谱提纯,得2.10g白色晶体,产率为88%。
(2)三苯乙烯-二(四苯乙烯)[VP3-(TPE)2]的合成:
把VP3-Br2(0.22g,0.53mmol)和TPEB(0.48g,1.3mmol)溶解在30mL甲苯中,加入2M碳酸钾的水溶液(0.7mL)和5滴Aliquat336,通氩气40min后,加入催化量的Pd(PPh3)4,加热至85℃,搅拌反应过夜。减压蒸去溶剂,粗产物以二氯甲烷∶正己烷=1∶8(体积比)为流动相硅胶为固定相作柱色谱提纯,得浅黄绿色固体0.30g,产率为60%。
实施例3
三苯乙烯-三(四苯乙烯)[VP3-(TPE)3]的合成:
(1)三溴代三苯乙烯(VP3-Br3)的合成:
把4,4’-二溴二苯甲酮(2.90g,8.6mmol)和4-溴苯亚甲基膦酸二乙酯(3.96g,12.9mmol)溶解于40mL四氢呋喃中,加入叔丁醇钾(1.44g,12.9mmol),在氩气保护下常温搅拌反应4h。减压蒸去溶剂,样品以正己烷为流动相硅胶为固定相作柱色谱分离提纯,得3.69g白色晶体,产率为87%。
(2)三苯乙烯-三(四苯乙烯)[VP3-(TPE)3]的合成:
把VP3-Br3(0.20g,0.40mmol)和TPEB(0.69g,1.8mmol)溶解在30mL甲苯中,加入2M碳酸钾的水溶液(1.0mL)和5滴Aliquat336,通氩气40min后,加入催化量的Pd(PPh3)4,加热至85℃,搅拌反应过夜。减压蒸去溶剂,粗产物以二氯甲烷∶正己烷=1∶4(体积比)为流动相硅胶为固定相作柱色谱分离,得浅黄绿色固体0.27g,产率为54%。
实施例4
乙烯-三(四苯乙烯)或三苯乙烯-三(三苯乙烯)[VP3-(TPE)3]的合成:
(1)三苯乙烯基硼酸(TPVB)的合成:
把TPV-Br(2.68g,8.0mmol)溶解于50mL四氢呋喃中,在-78℃氩气保护下搅拌30min,慢慢滴入2.2M正丁基锂的正己烷溶液(5.5mL,12.0mmol),搅拌反应3h。然后加入硼酸三甲酯(1.66g,16.0mmol),慢慢升温至室温,继续搅拌反应10h,用2M盐酸溶液调节反应液pH值至酸性。反应液用二氯甲烷萃取三次,有机层用无水硫酸钠干燥,抽滤,减压蒸去溶剂,粗产物以丙酮∶二氯甲烷=1∶15(体积比)为流动相硅胶为固定相作柱色谱提纯,得1.92g浅黄色固体,产率为80%。
(2)乙烯-三(四苯乙烯)或三苯乙烯-三(三苯乙烯)[VP3-(TPE)3]的合成:
把VP3-Br3(0.29g,0.59mmol)和TPVB(0.79g,2.6mmol)溶解在30mL甲苯中,加入2M碳酸钾的水溶液(1.5mL)和5滴Aliquat336,通氩气40min后,加入催化量的Pd(PPh3)4,加热至85℃,搅拌反应过夜。减压蒸去溶剂,粗产物以二氯甲烷∶正己烷=1∶6(体积比)为流动相硅胶为固定相作柱色谱提纯,得黄绿色固体0.28g,产率为47%。
实施例5
三苯乙烯-三(苯基四苯乙烯)[VP3-(TPEP)3]的合成:
(1)溴苯基四苯乙烯[TPE-PBr]的合成:
把二苯甲烷(4.00g,23.8mmol)溶解于50mL四氢呋喃中,在0℃氩气保护下搅拌30min,慢慢滴入2.2M正丁基锂的正己烷溶液(10.8mL,23.8mmol),搅拌反应1h。然后加入4-苯甲酰-4’-溴联苯(6.41g,19.0mmol),慢慢升温至室温,继续搅拌反应10h,用饱和氯化铵溶液调节反应液pH值至中性。反应液用二氯甲烷萃取三次,有机层用无水硫酸钠干燥,抽滤,减压蒸去溶剂,所得固体真空干燥过夜后用100mL甲苯溶解,加入对甲基苯磺酸(1.00g,5.8mmol),加热回流,搅拌反应8h。反应液冷却至室温,减压蒸去溶剂,粗产物以正己烷为流动相硅胶为固定相作柱色谱提纯,得4.15g浅黄色固体,产率为45%。
(2)苯基四苯乙烯硼酸[TPE-PB]的合成:
把TPE-PBr(3.90g,8.0mmol)溶解于50mL四氢呋喃中,在-78℃氩气保护下搅拌30min,慢慢滴入2.2M正丁基锂的正己烷溶液(5.5mL,12.0mmol),搅拌反应3h。然后加入硼酸三甲酯(1.66g,16.0mmol),慢慢升温至室温,继续搅拌反应10h,用2M盐酸溶液调节反应液pH值至酸性。反应液用二氯甲烷萃取三次,有机层用无水硫酸钠干燥,抽滤,减压蒸去溶剂,粗产物以丙酮∶二氯甲烷=1∶15(体积比)为流动相硅胶为固定相作柱色谱提纯,得2.18g浅黄色固体,产率为60%。
(3)三苯乙烯-三(苯基四苯乙烯)[VP3-(TPEP)3]的合成:
把VP3-Br3(0.17g,0.34mmol)和TPE-PB(0.70g,1.6mmol)溶解在30mL甲苯中,加入2M碳酸钾的水溶液(1.0mL)和5滴Aliquat 336,通氩气40min后,加入催化量的Pd(PPh3)4,加热至85℃,搅拌反应过夜。减压蒸去溶剂,粗产物以二氯甲烷∶正己烷=1∶3(体积比)为流动相硅胶为固定相作柱色谱提纯,得浅黄绿色固体0.27g,产率为54%。
实施例6
二(三苯乙烯)-四(四苯乙烯)BVP3-(TPE)4的合成:
(1)四溴代二(三苯乙烯)[DPVBiBr4]的合成:
把4,4’-二溴二苯甲酮(3.37g,9.9mmol)和4,4’-二亚甲基联苯膦酸二乙酯(2.20g,4.8mmol)溶解于50mL四氢呋喃中,加入叔丁醇钾(1.10g,10mmol),在氩气保护下常温搅拌反应4h。减压蒸去溶剂,粗产物用乙醇洗三次,再用丙酮洗三次,得3.82g浅绿色固体,产率为96%。
(2)二(三苯乙烯)-四(四苯乙烯)BVP3-(TPE)4的合成:
把DPVBiBr4(0.23g,0.28mmol)和TPE-PB(1.01g,2.2mmol)溶解在40mL四氢呋喃中,加入2M碳酸钾的水溶液(1.1mL)和5滴Aliquat 336,通氩气40min后,加入催化量的Pd(PPh3)4,加热至85℃,搅拌反应过夜。减压蒸去溶剂,粗产物以二氯甲烷∶正己烷=1∶2(体积比)为流动相硅胶为固定相作柱色谱提纯,得黄绿色固体0.24g,产率为46%。
实施例7
三苯乙烯-苯乙烯-四苯乙烯VP3-TPEE的合成:
(1)苯甲醛基四苯乙烯[TPE-PA]的合成:
将TPE-Br(4.11g,10.0mmol)和4-甲酰基苯硼酸(1.49g,10.0mmol)加入到三口瓶中,加入60mL甲苯、2M K2CO3水溶液15mL,5滴Aliquat 336,通氩气40min后,加入催化剂量Pd(PPh3)4,油浴加热到85℃反应24h。结束反应,用水进行萃取,有机相用无水硫酸钠干燥后,旋转蒸发仪中减压旋干,得粗产物。利用硅胶柱层析的方法进行提纯,淋洗液为体积比10∶1和1∶1的正己烷和二氯甲烷混合溶剂。纯产物为米色固体,3.3g(产率76%)。
(2)甲基三苯乙烯[VP3-M]的合成:
把二苯甲酮(9.11g,50.0mmol)和4-甲基苯亚甲基膦酸二乙酯(12.11g,50.0mmol)溶解于250mL四氢呋喃中,加入叔丁醇钾(5.55g,50.0mmol),在氩气保护下常温搅拌反应4h。减压蒸去溶剂,样品利用硅胶柱层析的方法进行提纯,淋洗液为正己烷,得12.8g白色晶体,产率为95%。
(3)三苯乙烯苯甲基膦酸二乙酯[VP3-MP]的合成:
VP3-M(5.40g,20.0mmol)、NBS(3.57g,20.0mmol)、CCl4(30ml)加入三颈瓶,通入氩气并搅拌10分钟。加入BPO(0.01g),并加热至65℃反应4小时。加入水和CH2Cl2,分液。有机相用无水硫酸钠干燥后蒸干得灰色固体VP3-MB进行下一步反应。上述VP3-MP中加入亚磷酸三乙酯(6.64g,40.0mmol),加热至100℃,反应8h。将过量的亚磷酸三乙酯蒸干,样品利用硅胶柱层析的方法进行提纯,淋洗液为体积比1∶1的正己烷和二氯甲烷混合溶剂。得白色固体VP3-MP 6.65g。产率82%。
(4)三苯乙烯-苯乙烯-四苯乙烯VP3-TPEE的合成:
把TPE-PA(0.44g,1.0mmol)和VP3-MP(0.41g,1.0mmol)溶解于20mL四氢呋喃中,加入叔丁醇钾(0.11g,1.0mmol),在氩气保护下常温搅拌反应4h。减压蒸去溶剂,粗产物以二氯甲烷∶正己烷=1∶10(体积比)为流动相硅胶为固定相作柱色谱提纯,得浅黄绿色固体0.63g,产率为91%。
对比实施例1
把二苯甲酮(2.00g,11.0mmol)和苯甲基膦酸二乙酯(3.00g,13.2mmol)溶解于四氢呋喃(30mL)中,加入叔丁醇钾(2.95g,26.3mmol),在氩气保护下常温搅拌反应4h。减压蒸去溶剂,样品以正己烷为流动相硅胶为固定相作柱色谱分离,得2.59g白色晶体,产率为92%。
对比实施例2
把二苯甲烷(4.00g,23.8mmol)溶解于50mL四氢呋喃中,在0℃氩气保护下搅拌30min,慢慢滴入2.2M正丁基锂的正己烷溶液(13.0mL,28.6mmol),搅拌反应1h。然后加入二苯甲酮(4.34g,23.8mmol),慢慢升温至室温,继续搅拌反应10h,用饱和氯化铵溶液调节反应液pH值至中性。反应液用二氯甲烷萃取三次,有机层用无水硫酸钠干燥,抽滤,减压蒸去溶剂,所得固体真空干燥过夜后用甲苯(100mL)溶解,加入对甲基苯磺酸(1.00g,5.8mmol),加热回流,搅拌反应8h。反应液冷却至室温,减压蒸去溶剂,粗产物以正己烷为流动相硅胶为固定相作柱色谱提纯,得6.73g白色晶体,产率为85%。
试验数据
检测实施例1-7中所得产物以及对比例1-2中所得的产物的玻璃化温度Tg,热失重温度Td,以及示样品溶液最大荧光发射波长数据见表1。从表中数据可以看到,单纯的三苯乙烯或四苯乙烯,它们的热稳定性比较低,但是把三苯乙烯和四苯乙烯连接在一起,可以大大提高产物的热稳定性,同时使绝大多数的产物发射波长出现在蓝光范围。
表1.VPx-(TPE)y的热性能和最大荧光发射波长
Claims (9)
4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的聚集诱导发光材料的合成方法,其特征是:将带功能基的三苯乙烯中间体和带功能基的四苯乙烯中间体通过Suzuki、Wittig或Wittig-Horner反应偶联在一起得到通式(1)所示结构产物;将含四苯乙烯结构的二苯酮衍生物和芳香膦叶立德试剂通过Wittig或Wittig-Horner反应,直接形成通式(2)所示结构产物。
5.根据权利要求4所述的聚集诱导发光材料的合成方法,其特征是:所述的三苯乙烯中间体的功能基为溴、醛基或苄基;所述的四苯乙烯中间体的功能基为溴、醛基或苄基。
6.根据权利要求5所述的聚集诱导发光材料的合成方法,其特征是:所述带功能基的三苯乙烯中间体是采用二苯酮及其卤代物与卤代苯膦酸酯叶立德试剂反应形成的卤代三苯乙烯中间体。
7.根据权利要求5所述的聚集诱导发光材料的合成方法,其特征是:所述带功能基的四苯乙烯中间体采用二步法合成:向二苯甲烷加入正丁基锂,再加入卤代二苯酮得到卤代四苯乙醇中间体;该中间体在对甲苯磺酸催化下甲苯中回流脱水,得到带功能基的四苯乙烯中间体。
8.权利要求1-3中任一权利要求所述的聚集诱导发光材料应用于电致发光器件的制备。
9.权利要求1-3中任一权利要求所述的聚集诱导发光材料应用于制备有机电致发光材料器件中的发光层材料。
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