CN102766033A - 一种含乙酰基的新型螺二芴化合物2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴及其制备方法与用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含乙酰基的新型螺二芴化合物2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴，其制备方法是以对溴甲苯为原料，通过偶联反应、溴化、格氏反应、脱水成环得到2,7-二甲基螺二芴，再与乙酰氯反应得到目标产物。本发明原料廉价易得、合成路线简单，且产率较高，适于放大生产。该化合物在具有三维刚性结构的螺二芴结构中引入了强吸电子基团乙酰基，不仅增大了分子的共轭程度，同时也增大了分子内的电荷转移程度，因此，具有高的荧光量子产率和荧光强度，而且溶解性、热稳定性较好。该化合物是一种性能优良的荧光材料，可应用于电致发光材料、非线性光学材料以及其它光电功能材料。具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电致发光、非线性光学材料等光电功能材料领域，特别是一种在电致发光器件中能发蓝光的新型螺二芴化合物及其制备方法。
背景技术
早在1930年Clarkson和Gomberg等就合成了9,9’-螺二芴。1997年Salbeck等将螺二芴用在电致发光材料方面，从而引发了螺二芴在有机光电功能材料领域研究的广泛开展。由于螺二芴呈三维的正交空间结构，可以避免分子中发色团的紧密堆积，改善材料的热稳定性及溶解性能；而通过sp3杂化的螺碳原子又可以实现分子共轭长度的控制或产生特殊的螺共轭效应。近年来，螺二芴已经成为光电材料领域的“明星分子”，其研究领域已经从最初的电致发光，延伸至有机太阳能电池、有机非线性材料以及荧光探针等领域。
乙酰基是一种具有较强吸电子能力的基团。由于其具有C=O双键结构，当其与具有三维刚性结构的螺二芴结合在一起时，不仅能够增加分子的共轭程度，而且还能够增大分子中共轭体系的电荷转移程度。因此，该化合物具有高的荧光量子产率和荧光强度，而且溶解性、热稳定性较好。其制备方法简单易行，通过傅-克酰基化反应可以方便地在芴环上引入乙酰基。
本发明以便宜易得的对溴甲苯为原料，通过偶联反应、溴化、格氏反应、脱水成环反应、傅克酰基化反应得到2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴。原料廉价易得，合成路线简单且产率较高，适于放大生产。该化合物具有高的荧光量子产率和荧光强度，而且溶解性、热稳定性较好。用于电致发光领域，将其作为发光层制备成电致发光器件，可得到蓝光。在非线性光学材料等其它光电功能材料领域也具有很好的应用前景。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种含乙酰基和螺二芴结构的单分子蓝光材料及其制备方法。
本发明的另一目的是提供一种非线性光学材料。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种含乙酰基的新型螺二芴化合物，其化学式为C31H24O2，结构式如（I）所示：
上述含乙酰基的新型螺二芴化合物，即2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴的制备方法，包括以下步骤：
（1）将无水AlCl3和乙酰氯的CS2溶液于80-85℃油浴回流1-2h，滴加2,7-二甲基螺二芴的CS2溶液，滴加完成后继续反应3-4h，停止反应，冷却至室温，2,7-二甲基螺二芴、乙酰氯与AlCl3的摩尔比为1:2-2.5:6.3-7.5，优选1:2:6.9；
（2）向反应液中加入与反应液体积比为1~1.2:1的质量浓度为5~7%的盐酸溶液，并不断搅拌，待溶液分层后，收集有机层干燥，除去有机溶剂，将所得固体柱层析，得2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴。
2,7-二甲基螺二芴、乙酰氯与AlCl3的摩尔比为1:2:6.9。反应中需要将2,7-二甲基螺二芴的CS2溶液缓慢滴加到乙酰氯的CS2溶液中。
所述2,7-二甲基螺二芴的制备方法包括以下步骤：
a）4,4’-二甲基联苯的合成
氮气或惰性气体保护下，将干燥的镁粉和三氯化铁与无水THF混合搅拌，再滴加对溴甲苯，滴加完毕后继续反应20~40min；停止反应，冷却后抽滤取滤液，去除溶剂后加入二氯甲烷和水的混合液，产生絮状物后加入盐酸至絮状物消失；分液，取有机相干燥后过滤取滤液，去除溶剂后加入无水乙醇，抽滤取固体，得到4,4’-二甲基联苯；对溴甲苯、镁粉和三氯化铁的摩尔比为1:1.6~2:0.015~0.02，优选1:1.9:0.019；
b）2-溴-4,4’-二甲基联苯的合成
将4,4’-二甲基联苯、碘及干燥的二氯甲烷混合后，滴加液溴后0~5℃下反应2~5h；加入饱和亚硫酸钠水溶液终止反应，搅拌至棕色褪去；4,4’-二甲基联苯与碘、液溴的摩尔比为1:0.012~0.02:1.1~1.2，优选1:0.02:1.2；分液，取有机相干燥后抽滤取滤液，去除溶剂后得到2-溴-4,4’-二甲基联苯；
c)2,7-二甲基螺二芴的合成
在氮气或惰性气体保护下，将2-溴-4,4’-二甲基联苯、碘及干燥的镁与无水THF混合；2-溴-4,4’-二甲基联苯与THF用量比为0.6~0.7mol/L；回流，反应10~20min待大部分镁消失后，注入含9-芴酮的THF溶液，回流反应14~20h；停止反应，除去溶剂THF，依次加入乙酸及盐酸，回流反应3~6h；停止反应，溶液冷却至室温，析出固体，抽滤取固体洗涤，得到产物2,7-二甲基螺二芴；
2-溴-4,4’-二甲基联苯、碘、镁与9-芴酮的摩尔比为1:0.012~0.016:1~1.5:0.8~0.9，优选1:0.014:1.2:0.85；含9-芴酮的THF溶液中9-芴酮的含量为0.3~0.4mol/L；
加入的盐酸质量分数为30%~37%，与乙酸体积比为1:12~15；总的THF的体积与乙酸体积比为3~4:1。
优选的，所加入的盐酸质量分数为37%，与乙酸的体积比为1:15。
脱水成环反应时除去THF以提高产率。
上述螺二芴类化合物（I）是一种性能优良的荧光材料，在电致发光器件中发出浅蓝色的光。并在非线性光学材料领域具有一定的应用价值。
本发明的要点是：以对溴甲苯为原料，通过偶联反应、溴化、格氏反应、脱水成环反应、傅-克酰基化反应得到2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴化合物（I），合成路线表示如下：
本发明提供使用上述含乙酰基的新型螺二芴化合物制备电致发光器件的方法：以真空蒸镀的方法，按以下结构制作成电致发光器件：ITO/MoO3(6nm)/NPB(80nm)/Eml(30nm)/TPBI(40nm)/LiF(1nm)/Al(100nm)，其中新型螺二芴化合物作为器件的发光层。
本发明的优点是：
（1）由于引入了螺二芴的三维刚性结构，可以降低材料的荧光淬灭，使化合物（I）具有高的荧光量子产率，同时具有高的荧光强度。
（2）化合物（I）由于引入了螺二芴的三维刚性结构，提高了其在普通有机溶剂中的溶解性，同时提高了热稳定性，并且还具有优良的透明性。
（3）在电致发光方面，以该化合物为发光层的器件发出蓝色光。
（4）化合物（I）具有较好的非线性光学性能。
附图说明
图1是2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴的1H NMR。
图2是2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴的13C NMR。
图3是2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴在不同极性溶剂中的吸收光谱，其浓度为1×10-5M。
图4是2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴在不同极性溶剂中的荧光光谱，其浓度为1×10-5M。
图5是2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴的热重分析图。
图6是2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴的差热分析图。
图7是电致发光器件电流密度-电压和器件亮度-电压关系图。
图8是电致发光器件的发光光谱图。
图9是电致发光器件发光颜色的色坐标图。
具体实施方式
实施例1：
1）4,4’-二甲基联苯的合成
在氮气保护下，依次称取3g（125mmol）干燥的镁粉，0.2g（1.2mmol）三氯化铁于100mL干燥的三颈烧瓶中，再称取11g（64.3mmol）对溴甲苯于50mL干燥的恒压滴液漏斗中。向三颈烧瓶中注入无水THF60mL，在室温下剧烈搅拌。先快速滴加5%的对溴甲苯，反应引发后，再缓慢滴加。滴加完成后，继续反应30min，停止反应，冷却至室温，抽滤，得黑色滤液，除去溶剂，得黑色糊状物。依次加入50mL二氯甲烷和30mL水，剧烈振动，溶液中出现大量絮状物。向溶液中缓慢滴加稀盐酸溶液并不断震荡，直至絮状物消失。分液，收集有机层，水层用二氯甲烷萃取3次（10mL×3），合并有机层，加入无水硫酸钠干燥。过滤得黄色液体，除去溶剂得黄色糊状物，加入无水乙醇，立即析出大量的无色透明针状固体，抽滤，得产物4,4-二甲基联苯3g，产率51.3%。测其熔点为120~122℃。
2）2-溴-4,4’-二甲基联苯的合成
称取1.2g（6.6mmol）的4,4’-二甲基联苯于50mL单颈烧瓶中，注入8mL干燥的二氯甲烷，加入34mg（0.134mmol）碘，在冰水浴中搅拌30min后，将0.46mL（7.92mmol）液溴注入到50mL恒压滴液漏斗中，缓慢滴加。滴加完成后，继续反应3h。停止反应，向烧瓶中加入饱和亚硫酸钠水溶液，搅拌至棕色褪去。用分液漏斗分液，收集有机层，水层用二氯甲烷洗涤3次（5mL×3）。向有机层中加入无水硫酸钠干燥。抽滤，得干燥的淡黄色溶液，除去溶剂后得1.61g棕色油状物，即2-溴-4,4’-二甲基联苯，产率94%。
3）2,7-二甲基螺二芴的合成
氮气保护下，依次向100mL三颈烧瓶中加入1.61g（6.5mmol）的2-溴-4,4’-二甲基联苯，23mg（0.091mmol）碘，0.19g（7.9mmol）干燥的镁粉，再注入10mL无水THF。油浴回流，反应引发后，溶液颜色由棕色变为淡黄色，黏度明显增加。待大部分镁粉消失后，将1.0g（5.5mmol）9-芴酮溶于15mL无水THF中，并用注射器在15分钟内缓慢注入三颈烧瓶中。继续回流反应14h。停止反应，除去烧瓶中的溶剂，得淡黄色糊状物，向烧瓶中依次加入8mL冰乙酸和0.6mL浓盐酸，回流反应4h。停止反应，溶液冷却至室温，析出大量固体，抽滤得灰白色固体，用乙醇洗涤2次，得白色固体1.2g，产率60.7%。mp:232℃~235℃。
4)2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴的合成
称取1.33g无水AlCl3（10mmol）于50mL三颈烧瓶中，依次注入10mLCS2，0.205mL（2.9mmol）乙酰氯。再称取0.5g2,7-二甲基螺二芴（1.45mmol）于干燥的50mL恒压滴液漏斗中，注入4mLCS2。连接装置，油浴升温至80℃回流，缓慢滴加2,7-二甲基螺二芴的CS2溶液。3h后停止反应，冷却至室温，缓慢加入约15mL质量浓度5%的冰盐酸溶液，不断搅拌，溶液分为两层，上层为水层，下层为有机层。收集有机层，水层用CH2Cl2萃取（10mL×3），合并有机层，加入适量的无水Na2SO4干燥，过夜。抽滤，得到有机溶液，除去溶剂，得褐色固体。柱层析得白色固体0.15g，产率24.2%。
检测显示本发明制备的2-甲基-7-苯并咪唑螺二芴的1H NMR和13C NMR数据如下：1H NMR(400MHz，CDCl3，δ)：2.17（s，3H），2.21（s，3H），2.47（s，3H），2.79（s，3H），6.44（s，1H），6.54（s，1H），6.76（d，1H，J=7.6），7.12（d，1H，J=8），7.21（t，1H，J=7.6），7.32（s，1H），7.37（s，1H），7.42（t，1H，J=7.6），7.90-7.93（m，2H），8.02-8.06（m，2H）.13C NMR（400MHz，CDCl3，δ）：21.4，21.6，27.0，30.3，65.4，120.1，121.2，124.3，124.4，124.6，127.70，128.3，129.1，129.2，129.5，135.4，137.0，137.2，138.0，138.6，140.5，146.8，148.6，149.6，150.1，150.6，197.9，202.9
实施例2：本发明新型螺二芴化合物的吸收光谱
将2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴配制成1×10-5M，分别在甲苯、二氯甲烷、四氢呋喃和二甲亚砜中测试其吸收光谱。测试结果如图3。从图3中可以明显看出，其有两个明显的吸收峰，分别是300nm和330nm，说明其具有良好的透明性。
实施例3：本发明新型螺二芴化合物的荧光光谱
将2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴配制成1×10-5M，分别在甲苯、二氯甲烷、四氢呋喃和二甲亚砜中测试其荧光光谱。测试结果如图4。从图4中可以明显看出，其最大发射峰在350nm，且具有较大的强度。
实施例4：本发明新型螺二芴化合物的荧光量子产率
荧光量子产率是表征荧光材料的重要参数，2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴荧光量子产率的测试以罗丹明B作为参比物质。在不同溶剂中，2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴的荧光量子产率如下：
| 甲苯 | 二氯甲烷 | 四氢呋喃 | 二甲亚砜 | |
| 化合物（I) | 0.285 | 0.297 | 0.528 | 0.348 |
可以明显的看出，2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴具有较高的荧光量子效率，在四氢呋喃中量子产率最大，达到了0.528，说明其具有很好的发光性能。
实施例5：本发明新型螺二芴化合物的热稳定性研究
将2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴在Shimadzu DT-40型热重分析仪上进行DTA和TGA测试，测试条件为：陶瓷坩锅(无盖)，氮气氛围，气流速率为30mL/min，加热速率为10.0℃/min。测试结果见图5和图6。
从图5和图6可以看出，2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴具有良好的热稳定性，其分解温度Td为204℃。
实施例6：一种含乙酰基的新型螺二芴化合物的非线性性能的测试
利用溶致变色法，以介电常数差异较大的乙睛和甲苯为溶剂，测得相关数据后代入溶致变色方程，计算得到2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴的βCTμg为57×10-30esu.D。
实施例7：本发明新型螺二芴化合物在电致发光器件中的应用
通过真空蒸镀的方法，将2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴作为发光层(Eml)，制备成电致发光器件。器件结构如下（器件结构未优化）：ITO/MoO3(6nm)/NPB(80nm)/Eml(30nm)/TPBI(40nm)/LiF(1nm)/Al(100nm)。器件电流密度-电压、发光亮度-电压关系，见图7。器件在不同电压下的发光光谱见图8。器件的发光颜色见图9。
从图7可知，器件电流密度随着电压升高而增大，器件发光亮度也随着电压的升高而越来越亮，最大亮度达到391cd/m2，而且器件的启动电压只有7.8V。从图8可知，器件在不同电压下的发光光谱较稳定，说明器件具有较稳定的发光色彩。从图9可以看到，器件发光颜色是浅蓝色。
Claims (11)
1.一种含乙酰基的新型螺二芴化合物2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴，其特征在于，其化学式为C31H24O2，具有如（I）所示结构：
2.权利要求1所述含乙酰基的新型螺二芴化合物2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将无水AlCl3和乙酰氯的CS2溶液于80-85℃油浴回流1-2h，滴加2,7-二甲基螺二芴的CS2溶液，滴加完成后继续反应3-4h，停止反应，冷却至室温，2,7-二甲基螺二芴、乙酰氯与AlCl3的摩尔比为1:2-2.5:6.3-7.5；
（2）向反应液中加入与反应液体积比为1～1.2:1的质量浓度为5～7%的盐酸溶液，并不断搅拌，待溶液分层后，收集有机层干燥，除去有机溶剂，将所得固体柱层析，得2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴。
3.权利要求2所述含乙酰基的新型螺二芴化合物2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴的制备方法，其特征在于，步骤（1）中2,7-二甲基螺二芴、乙酰氯与AlCl3的摩尔比为1:2:6.9。
4.权利要求2或3所述含乙酰基的新型螺二芴化合物2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴的制备方法，其特征在于，所述2,7-二甲基螺二芴的制备方法包括以下步骤：
a）4,4’-二甲基联苯的合成
氮气或惰性气体保护下，将干燥的镁粉和三氯化铁与无水THF混合搅拌，再滴加对溴甲苯，滴加完毕后继续反应20～40min；停止反应，冷却后抽滤取滤液，去除溶剂后加入二氯甲烷和水的混合液，产生絮状物后加入盐酸至絮状物消失；分液，取有机相干燥后过滤取滤液，去除溶剂后加入无水乙醇，抽滤取固体，得到4,4’-二甲基联苯；对溴甲苯、镁粉和三氯化铁的摩尔比为1:1.6～2:0.015～0.02；
b）2-溴-4,4’-二甲基联苯的合成
将4,4’-二甲基联苯、碘及干燥的二氯甲烷混合后，滴加液溴后0～5℃下反应2～5h；加入饱和亚硫酸钠水溶液终止反应，搅拌至棕色褪去；4,4’-二甲基联苯与碘、液溴的摩尔比为1:0.012～0.02:1.1～1.2；分液，取有机相干燥后抽滤取滤液，去除溶剂后得到2-溴-4,4’-二甲基联苯；
c)2,7-二甲基螺二芴的合成
在氮气或惰性气体保护下，将2-溴-4,4’-二甲基联苯、碘及干燥的镁与无水THF混合；2-溴-4,4’-二甲基联苯与THF用量比为0.6～0.7mol/L；回流，反应10～20min待大部分镁消失后，注入含9-芴酮的THF溶液，回流反应14～20h；停止反应，除去溶剂THF，依次加入乙酸及盐酸，回流反应3～6h；停止反应，溶液冷却至室温，析出固体，抽滤取固体洗涤，得到产物2,7-二甲基螺二芴；
2-溴-4,4’-二甲基联苯、碘、镁与9-芴酮的摩尔比为1:0.012～0.016:1～1.5:0.8～0.9；含9-芴酮的THF溶液中9-芴酮的含量为0.3～0.4mol/L；
加入的盐酸质量分数为30%～37%，与乙酸体积比为1:12～15；总的THF的体积与乙酸体积比为3～4:1。
5.权利要求4所述含乙酰基的新型螺二芴化合物2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴的制备方法，其特征在于，步骤（a）中对溴甲苯、镁粉和三氯化铁的摩尔比为1:1.9:0.019。
6.权利要求4所述含乙酰基的新型螺二芴化合物2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴的制备方法，其特征在于，步骤（b）中4,4’-二甲基联苯与碘、液溴的摩尔比为1:0.02:1.2。
7.权利要求4所述含乙酰基的新型螺二芴化合物2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴的制备方法，其特征在于，步骤（c）中2-溴-4,4’-二甲基联苯、碘、镁与9-芴酮的摩尔比为1:0.014:1.2:0.85。
8.权利要求4所述含乙酰基的新型螺二芴化合物2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴的制备方法，其特征在于，步骤（c）中所加入的盐酸质量分数为37%，与乙酸的体积比为1:15。
9.权利要求1所述含乙酰基的新型螺二芴化合物2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴作为电致发光材料的应用。
10.权利要求1所述含乙酰基的新型螺二芴化合物2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴作为非线性光学材料的应用。
11.权利要求1所述含乙酰基的新型螺二芴化合物2,7-二甲基-2’,4-二乙酰基螺二芴作为其它光电功能材料的应用。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103333204A (zh) * | 2013-07-12 | 2013-10-02 | 河南省科学院化学研究所有限公司 | 一类9,9’-螺二芴衍生物的合成方法 |
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| CN114669206A (zh) * | 2022-04-19 | 2022-06-28 | 南阳师范学院 | 一种聚酮、气体分离膜及其制备方法、应用 |
| CN114669206B (zh) * | 2022-04-19 | 2023-10-24 | 南阳师范学院 | 一种聚酮、气体分离膜及其制备方法、应用 |
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