CN102633734B - 三(4-三唑苯基)胺化合物及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三(4-三唑苯基)胺化合物、单晶及其三(4-三唑苯基)胺的制备方法,它是采用“一锅法”,即三(4-碘代苯)胺,三唑,碳酸钾和氧化铜加热来制备该有机化合物。本发明的制备方法具有工艺操作简单,生产成本低,环境污染小的特点,适合大规模的工业化生产。本发明制备的三(4-三唑苯基)胺单晶可以用在光电材料特别是染料及发光剂方面的应用。
Description
本发明得到天津市科委面上项目(11JCYBJC03600)、国家自然科学基金-中国青年基金(21001080)、天津师范大学引进人才项目(5RL090)及天津师范大学开发基金(52X09042)资助。
技术领域
本发明属于有机合成技术领域,涉及三(4-三唑苯基)胺化合物及其单晶以及他们的制备方法,三(4-三唑苯基)胺制备光电材料方面的应用。
背景技术
三苯胺类及其衍生物是一类性能优良的光电材料,它们是非平面的具有螺旋桨式空间结构的芳胺化合物,其特殊的空间结构使三苯胺基染料分子聚集程度减弱。1,2,4-三唑及其衍生物兼有吡唑和咪唑的配位特点,是配位能力较强的桥连配体,目前已合成并表征了大量的单核、多核和多维化合物。这些配体能够以1,2位上的氮原子与金属离子配位形成N1,N2-桥连模式,对于4位未取代的1,2,4-三唑衍生物能通过2,4位上的氮原子形成N2,N4-桥连模式,这种N2,N4-桥连模式同金属酶中咪唑的N1,N3-桥连模式类似。对于三唑类化合物的特殊用途还表现在分子器件化的设计上,合成具有不同维数的金属配合物乃是完成器件化至关重要的一步。
在已报道的染料敏化剂中,含贵金属的钌基敏化剂性能最好,但其成本较高。二不含贵金属的纯有机染料敏化剂具有结构多样性、易于设计、成本低廉和摩尔消光系数高等优点。所以,设计合成用于替代钌基染料的纯有机染料敏化剂已经成为一项非常重要的工作。基于此,本发明主要研究高效、低成本有机染料敏化剂的设计与合成。三苯胺及其衍生物是一类性能优良的光电材料,本发明即是选用三苯胺为基本骨架通过简单的有机反应,设计和合成新颖的三苯胺类有机物。迄今为止,尚未查到三(4-三唑苯基)胺这个化合物,更未检索到有关三(4-三唑苯基)胺合成方法的文献报道。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种三(4-三唑苯基)胺化合物及其制备方法。
本发明的另一个目的在于提供一种三(4-三唑苯基)胺单晶及其制备方法。
本发明的再一个目的在于提供三(4-三唑苯基)胺化合物及其单晶在制备光电材料方面的应用。特别是在制备染料及发光剂方面的应用。
染料敏化太阳电池(dye-sensitized solar cell, DSC)是由导电玻璃、TiO2多孔纳米膜、光敏染料、电解质以及镀Pt对电极构成的“三明治”式结构电池。其中,光敏染料的性能直接影响到DSC的光电转换效率,是DSC能够高效,长寿命工作的最重要的因素之一。与目前效率最高的贵金属钌基-多吡啶敏化剂相比,纯有机染料敏化剂由于具有成本低廉,合成和修饰简单,光物理性质丰富等优点而日益受到人们的广泛关注。纯有机染料从结构上分为供电子基团、π共轭桥和吸电子基团三部分。由于三苯胺及其衍生物具有高纯度、高效率、高亮度和足够的热稳定性,导致三苯胺的红光材料研究非常活跃,同时,绿光和蓝光的三苯胺类衍生物材料的研究也在进一步深入。三苯胺类化合物将用作空穴传输层材料的电致发光器件,具有高效率、高亮度的电致发光性能,可广泛应用于有机电致发光领域。
从2004年Kitamura等首次报道的三苯胺染料以来,有关的研究越来越多,其分子设计主要从三方面来考虑:一是将不同的取代集团嫁接到三苯胺供电子部分,例如Liang和Xu等将富电子的乙烯基引入三苯胺的供电子部分。光电转换效率达到5.84%;二是研究不同的π共轭体系,例如Hagberg和hwag等引入噻吩、苯环等基团,使光电转化效率得到明显的提升;三是改变吸电子基团的种类或数目,这方面的研究较少。
本发明人在试验中惊奇地发现:以三(4-碘代苯)胺,三唑,碳酸钾和氧化铜为主要原材料,反应中以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,控制温度在80-200℃时,可以得到收率高的三(4-三唑苯基)胺及其单晶。
为此本发明人提供了如下的技术方案:
三(4-三唑苯基)胺化合物具有如下的结构:
本发明进一步公开了三(4-三唑苯基)胺单晶,其特征在于该单晶结构采用APEX
II CCD area detector,使用经过石墨单色化的Mokα射线(l = 0.71073 Å)为入射辐射,以 w - 2q 扫描方式收集衍射点,经过最小二乘法修正得到晶胞参数,从差值Fourier电子密度图利用SHELXL-97直接法解得单晶数据:
本发明所述三(4-三唑苯基)胺单晶的制备方法,其特征在采用“一锅法”, 在极性溶剂中,将三(4-碘代苯)胺,三唑,碳酸钾和氧化铜在加热条件下制备该有机化合物;其中三(4-碘代苯)胺:三唑:碳酸钾:氧化铜的摩尔比为2:10:30:1;
本发明优选三(4-碘代苯)胺:三唑:碳酸钾:氧化铜的摩尔比为2:10:30:1;反应温度80-200℃,反应时间12-120小时。
本发明更加详细的制备方法如下:
一种三(4-三唑苯基)胺的制备方法其特征在于,在极性溶剂中,采用“一锅法”,将三(4-碘代苯)胺,三唑,碳酸钾和氧化铜在加热条件下制备该有机化合物;
本发明所述的极性溶剂为DMF。
其中三(4-碘代苯)胺:三唑:碳酸钾:氧化铜的摩尔比为2:10-15:30:1;
本发明公开的三(4-三唑苯基)胺化合物所具有的优点和特点在于:
(1)反应操作简便易行。
(2)反应收率高,所得产品的纯度高。
(3)本发明所制备的三(4-三唑苯基)胺可以用于染料及发光剂,其生产成本低,利润空间大,更适合大规模的工业化生产。
附图说明
图1:三(4-三唑苯基)胺单元的晶体结构图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明,实施例仅为解释性的,决不意味着它以任何方式限制本发明的范围。所有的原料都是从国内外的化学试剂公司进行购买,没有经过继续提纯而是直接使用的。产物的熔点是在型号为X4
Micro的熔点仪上进行测量的。实施例1
三(4-碘代苯)胺:三唑:碳酸钾:氧化铜的摩尔比为2:10:30:1
在装有磁子、回流冷凝器和温度计的50 mL三口圆底烧瓶内分别加入CuO(0.0398 mg,0.5 mmol),碳酸钾(2.0731g, 15mmol),三唑(0.345mg,
5mmol),三(4-碘代苯)胺(0.6230g,
1mmol),20 mL DMF。开动搅拌在100oC,反应24小时。反应结束后,将反应液降至室温,过滤,滤液加入100mL水,析出大量沉淀,抽滤,收集滤饼,收率78.3%。Anal.
Calcd for C24H20N10O: C, 62.06; H, 4.34; N,
30.16. Found: C, 62.31; H, 4.64; N, 30.23。
实施例2
制备方法:
三(4-碘代苯)胺:三唑:碳酸钾:氧化铜的摩尔比为2:15:30:1
在装有磁子、回流冷凝器和温度计的50 mL三口圆底烧瓶内分别加入CuO(0.0398 mg,0.5 mmol),碳酸钾(2.0731g, 15mmol),三唑(0.345mg,
5mmol),三(4-碘代苯)胺(0.6230g,
1mmol),20mL DMF。开动搅拌在150oC反应60小时。反应结束后,将反应液降至室温,过滤,滤液加入100
mL水,析出大量沉淀,抽滤,收集滤饼,用水重结晶得到三(4-三唑苯基)胺单晶收率78.3%。
Anal.
Calcd for C24H20N10O: C, 62.06; H, 4.34; N,
30.16. Found: C, 62.31; H, 4.64; N, 30.23.
晶体结构测定采用APEX II CCD area detector,使用经过石墨单色化的Mokα射线(l = 0.71073 Å)为入射辐射,以 w - 2q 扫描方式收集衍射点,经过最小二乘法修正得到晶胞参数,从差值Fourier电子密度图利用SHELXL-97直接法解得晶体结构,并经Lorentz和极化效应修正。所有的H原子由差值Fourier合成并经理想位置计算确定。详细的晶体测定数据见表1。结构见图1。
表1 三(4-三唑苯基)胺的晶体学数据
实施例3
染料或发光剂使用的实际例子
方法:染料溶液的微分脉冲伏安(DPV)曲线通过美国普林斯顿应用研究所研制的PARSTAT 2273电化学工作站测量。溶液的DPV测试采用三电极体系,玻碳电极为工作电极,辅助电极为铂片电极,自制的Ag/AgNO3电极为参比电极;电解液为0.1mol·L-1TBAP的乙腈溶液。以二茂铁氧化还原可逆点对为内标,得到测试体系与标准氢电极体系之间的校正值。
单色入射光光电转换效率(IPCE)描述DSCs在单色光作用下的光电转换效率,是转移到外电路的电子数与入射光子数之比。测量时,使用500 W氙灯作为光源,入射光经过WDS-5型组合式多功能光栅光谱仪得到不同波长λ下的单色光;单色光照射于电池的光阳极,由Keithley2400数字源表读取电流值I。单色光的福照度由USB4000 plug-and-play微型光线光谱仪测量。
步骤:为了确切了解染料在TiO2膜上的吸附量,将染料敏化TiO2纳米晶膜(几何面积约为1 cm2)浸泡在10 mL 0.01 mol·L-1的氢氧化钠的甲醇溶液中过夜,待染料完全解附后测定溶液的吸光度。根据吸光度和摩尔吸光洗漱可以计算出单位面积纳米晶膜上染料的吸附量。该三苯氨基化合物的吸附量为7.2×10-5mol/cm2,
结果:与染料的甲醇溶液相比,染料在TiO2膜上的吸收光谱均明显变宽和红移。这表明染料分子在TiO2形成了首并尾的J-聚集体。从DSCs的工作原理讲,染料聚集引起的光谱宽化和红移对于染料的光电响应范围的拓宽是十分有利的。但与此同时,染料聚集体会大大降低其电子注入效率,从而导致DSCs的性能低下。所以,通常在染料溶液中加入共吸附剂来抑制染料的聚集。三苯胺基染料在甲醇溶液中及其在TiO2膜电极上的紫溶液的荧光测试采用2.5×10-5
mol/L的甲醇溶液,最大荧光发射波长位于640 nm。
在详细说明的较佳实施例之后,熟悉该项技术人士可清楚地了解,在不脱离上述申请专利范围与精神下可进行各种变化与修改,凡依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均属于本发明技术方案的范围。且本发明亦不受说明书中所举实例实施方式的限制。
Claims (7)
4.权利要求2所述三(4-三唑苯基)胺化合物的单晶的制备方法,其特征在于在极性溶剂中将三(4-碘代苯)胺,三唑,碳酸钾和氧化铜在加热条件下制备该单晶;其中三(4-碘代苯)胺:三唑:碳酸钾:氧化铜的摩尔比为2:10:30:1;反应温度80-200℃,反应时间12-120小时。
5.权利要求3或4所述的制备方法,其中所述的极性溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。
6.权利要求2所述三(4-三唑苯基)胺化合物的单晶在制备光电材料方面的应用。
7.权利要求2所述三(4-三唑苯基)胺化合物的单晶在制备染料及发光剂方面的应用。
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