CN104119516B - 一种三噻吩并苯基星形含硅聚合物及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及有机半导体材料技术领域，为解决有机半导体材料存在的低溶解性、低电学性能等问题，本发明提出了一种以三噻吩并苯为核心的星形含硅聚合物及其制备方法与应用，本发明引入的三噻吩并苯基有较大的共平面π‑共轭结构，有利于扩大电荷离域范围，从而有利于获得较高的电学性能。此外，星型构型的引入也有利于提高化合物的溶解性，从而得到溶解度较高的聚合物。所述的三噻吩并苯基星形含硅聚合物具有如（I）式所示的结构式：
Description
技术领域
本发明涉及有机半导体材料技术领域，具体地说涉及一种星形含硅聚合物及其制备方法。
背景技术
近几年来，有机半导体材料的发展极为迅速，有机半导体材料在有机光电器件如场效应晶体管（OFETs），有机发光二级管（OLED）,有机太阳能光伏电池（OPV）等有机光电器件中有着重要的潜在应用价值。
有机场效应晶体管(OFETs)以其低成本且可大批量生产、制作工艺简单、机械柔性、重量轻、可大面积化及化学稳定性等优点,使得它在开关、智能卡、传感器、环形振荡器、平板显示、鉴别标签及集成电路等领域具有潜力的应用,引起了极大的关注。经过二十几年的发展,OFETs已经取得了巨大的进展,成为重要的电子器件之一。
在OFETs器件中起关键作用的是有机半导体材料。目前，有机半导体材料的研究主要集中于小分子材料和聚合物材料。其中，小分子材料主要以并苯化合物为代表，而聚合物主要以聚噻吩为代表。聚合物材料由于其良好的加工性及机械性能，易于工艺化，从而成为新的合成热点。但是目前具有高性能的聚合物有机半导体材料还不多，发展高性能的聚合物半导体材料是促进有机场效应晶体管发展及实用化的重要途径。
申请号为201180019788.5的中国专利公开了一种苯并二噻吩的聚合物及其作为有机半导体的用途，该专利的聚合物为线性聚合物，溶解性存在一定的问题。
发明内容
为解决有机半导体材料存在的低溶解性、低电学性能等问题，本发明提出了一种以三噻吩并苯为核心的星形含硅聚合物及其制备方法与应用，本发明引入的三噻吩并苯基有较大的共平面π-共轭结构，有利于扩大电荷离域范围，从而有利于获得较高的电学性能。此外，星型构型的引入也有利于提高化合物的溶解性，从而得到溶解度较高的聚合物。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种三噻吩并苯基星形含硅聚合物，其特征在于，所述的三噻吩并苯基星形含硅聚合物具有如（I）式所示的结构式：
（I）。
所述的一种三噻吩并苯基星形含硅聚合物的制备方法为以下步骤：
（1）在无水无氧的条件下，在容器中加入苯并[1，2-B:
3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩，然后在氮气保护下加入溶剂A，然后再-78~-50℃、30~60分钟内滴入丁基锂，再在室温下反应30~90分钟，再将温度降至-78~-50℃后加入三丁基氯化锡，再在室温下反应时间为12~36小时，后处理后得到2，5，8-三（三丁基锡基）苯并[1，2-B:
3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩；
整个实验过程都在氮气的保护下进行，得到棕黑色溶液，后处理方法：用石油醚萃取，水洗数遍，用无水硫酸镁干燥6h，选二氯甲烷作为淋洗液过个减压柱，再用石油醚作为淋洗液过个减压柱后，旋去溶剂后得到棕黄色粘稠液体，产率60-90%。
反应结构式如下所示：
，
所述的溶剂A为四氢呋喃，溶剂的用量为是溶质溶解的量；
所述的苯并[1，2-B: 3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩、丁基锂与三丁基氯化锡的摩尔比为1：3~7：3~7，作为优选，摩尔比为1：5：5。
（2）将步骤（1）制得的所得2，5，8-三（三丁基锡基）苯并[1，2-B:
3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩与2，6-二溴-4，4-双（2-乙基己基）-4H-硅杂环戊二烯并[3，2-B: 4，5-B’]二噻吩在无氧的条件下，催化剂作用下进行偶联反应，后处理后得到一种三噻吩并苯基星形含硅聚合物。
作为优选，后处理为将偶联反应的产物亮红色溶液缓慢滴加入200ml的甲醇中，析出大量的血红色固体，过滤得到固体后用甲醇洗数遍，再将固体用石油醚溶解，仍含有大量固体，过滤得到红色固体，真空干燥，得到固体即为一种三噻吩并苯基星形含硅聚合物。
反应结构式如下所示：
，
所述的偶联反应是在溶剂中B进行，反应温度为100~120℃，时间为2~4天。偶联反应的溶剂B为甲苯，溶剂的用量为是溶质溶解的量。
作为优选，2，5，8-三（三丁基锡基）苯并[1，2-B:
3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩与2，6-二溴-4，4-双（2-乙基己基）-4H-硅杂环戊二烯并[3，2-B: 4，5-B’]二噻吩的摩尔比为1：1~1.5，更优选摩尔比为1：1.5。
作为优选，在氮气的保护下加入催化剂四三苯基磷化钯，催化剂的用量与2，5，8-三（三丁基锡基）苯并[1，2-B:
3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩的摩尔比为1：10~30。
上述的室温为在一个标准大气下20~25℃。
三噻吩并苯具有良好的共平面、大共轭结构，有利于扩大电荷离域范围，引入聚合物可以有效提高聚合物的电学性能。
所述的一种三噻吩并苯基星形含硅聚合物在有机半导体材料中的应用。特别是本发明在有机场效应晶体管等有机半导体器件中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明的核心基团三噻吩并苯有利于提高化合物的电学性能；
（2）本发明的星型结构有利于提高化合物的溶解性，从而得到溶解度较高的聚合物，有利于适用低成本的溶液法器件制备工艺；
（3）本发明可以商业化生产，合成路线简单高效，具有普适性；可以推广应用到以三噻吩并苯基为核心的多种不同的星形聚合物的合成。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
实施例1
（1）用加热枪加热250ml的单口圆底烧瓶同时对烧瓶抽气，加热抽气20分钟后，停止加热和抽气，待烧瓶冷却后往烧瓶中加入苯并[1，2-B: 3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩（1.23g，5mmol），然后对烧瓶进行抽气充气（氮气）10次，往烧瓶中加入100ml的四氢呋喃，将烧瓶放到液氮槽中将反映温度降至-78℃后往烧瓶中缓慢滴加丁基锂溶液（25mmol，10.42 ml），滴加过程要在45分钟内完成，滴加完成后撤去液氮槽，使体系的温度升至室温后反应1h，在将温度降至-78℃后加入三丁基氯化锡（25mmol，6.78ml），滴加完毕后撤去液氮槽，体系温度升至室温后反应24小时，整个实验过程都在氮气的保护下进行，得到棕黑色溶液。处理方法：用石油醚萃取，水洗数遍，用无水硫酸镁干燥6h，选二氯甲烷作为淋洗液过个减压柱，再用石油醚作为淋洗液过个减压柱后，旋去溶剂后得到棕黄色粘稠液体2，5，8-三（三丁基锡基）苯并[1，2-B:
3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩4.822g，产率90%。
（2）将（1mmol，512mg）2，6-二溴-4，4-双（2-乙基己基）-4H-硅杂环戊二烯并[3，2-B: 4，5-B’]二噻吩加入到步骤（1）制备的化合物（1mmol，1.185g）中，再加入除去水的甲苯（50ml），使粘性液体完全溶解，氮气的保护下，迅速加入四三苯基磷化钯（0.05mmol，57.7mg），温度升至120℃甲苯回流下搅拌72小时。将亮红色溶液缓慢滴加入200ml的甲醇中，析出大量的血红色固体，过滤得到固体后用甲醇洗数遍，再将固体用石油醚溶解，过滤得到红色固体，真空干燥，得固体一种三噻吩并苯基星形含硅聚合物721mg。
实施例2
（1）用加热枪加热250ml的单口圆底烧瓶同时对烧瓶抽气，加热抽气20分钟后，停止加热和抽气，待烧瓶冷却后往烧瓶中加入苯并[1，2-B: 3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩（1.23g，5mmol），然后对烧瓶进行抽气充气（氮气）10次，往烧瓶中加入100ml的四氢呋喃，将烧瓶放到液氮槽中将反映温度降至-50℃后往烧瓶中缓慢滴加丁基锂溶液（15mmol，6.252ml），滴加过程要在60分钟内完成，滴加完成后撤去液氮槽，使体系的温度升至室温后反应90分钟，在将温度降至-50℃后加入三丁基氯化锡（15mmol，4.068ml），滴加完毕后撤去液氮槽，体系温度升至室温后反应12小时，整个实验过程都在氮气的保护下进行，得到棕黑色溶液。处理方法：用石油醚萃取，水洗数遍，用无水硫酸镁干燥6h，选二氯甲烷作为淋洗液过个减压柱，再用石油醚作为淋洗液过个减压柱后，旋去溶剂后得到棕黄色粘稠液体2，5，8-三（三丁基锡基）苯并[1，2-B:
3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩2.89g，产率80%。
（2）将（1mmol，512mg）2，6-二溴-4，4-双（2-乙基己基）-4H-硅杂环戊二烯并[3，2-B: 4，5-B’]二噻吩加入到实施例1制备所得式I所示中间步骤的化合物（1.5mmol，1.778g）中，再加入除去水的甲苯（50ml），使粘性液体完全溶解，氮气的保护下，迅速加入四三苯基磷化钯（0.1mmol，115.4mg），温度升至100℃甲苯回流下搅拌48小时。将亮红色溶液缓慢滴加入200ml的甲醇中，析出大量的血红色固体，过滤得到固体后用甲醇洗数遍，再将固体用石油醚溶解，过滤得到红色固体，真空干燥，得到固体一种三噻吩并苯基星形含硅聚合物1081.5mg。
实施例3
（1）用加热枪加热250ml的单口圆底烧瓶同时对烧瓶抽气，加热抽气20分钟后，停止加热和抽气，待烧瓶冷却后往烧瓶中加入苯并[1，2-B: 3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩（1.23g，5mmol），然后对烧瓶进行抽气充气（氮气）10次，往烧瓶中加入100ml的四氢呋喃，将烧瓶放到液氮槽中将反映温度降至-60℃后往烧瓶中缓慢滴加丁基锂溶液（35mmol，14.588ml），滴加过程要在30分钟内完成，滴加完成后撤去液氮槽，使体系的温度升至室温后反应30分钟，在将温度降至-60℃后加入三丁基氯化锡（35mmol，9.492ml），滴加完毕后撤去液氮槽，体系温度升至室温后反应36小时，整个实验过程都在氮气的保护下进行，得到棕黑色溶液。处理方法：用石油醚萃取，水洗数遍，用无水硫酸镁干燥6h，选二氯甲烷作为淋洗液过个减压柱，再用石油醚作为淋洗液过个减压柱后，旋去溶剂后得到棕黄色粘稠液体2，5，8-三（三丁基锡基）苯并[1，2-B:
3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩6.75g，产率85%。
（2）将（1mmol，512mg）2，6-二溴-4，4-双（2-乙基己基）-4H-硅杂环戊二烯并[3，2-B: 4，5-B’]二噻吩加入到实施例1制备所得式I所示中间步骤的化合物（1.2mmol，1.422g）中，再加入除去水的甲苯（50ml），使粘性液体完全溶解，氮气的保护下，迅速加入四三苯基磷化钯（0.05mmol，57.7mg），温度升至120℃甲苯回流下搅拌96小时。将亮红色溶液缓慢滴加入200ml的甲醇中，析出大量的血红色固体，过滤得到固体后用甲醇洗数遍，再将固体用石油醚溶解，过滤得到红色固体，真空干燥，得固体一种三噻吩并苯基星形含硅聚合物865.2mg。
实施例1~3制备得到的一种三噻吩并苯基星形含硅聚合物具有较好的溶解性和电学性能。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种三噻吩并苯基星形含硅聚合物，其特征在于，所述的三噻吩并苯基星形含硅聚合物具有如（I）式所示的结构式：
（I），
其制备方法为以下步骤：
（1）在无水无氧的条件下，在容器中加入苯并[1，2-B: 3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩，然后在氮气保护下加入溶剂A，然后再-78~-50℃、30~60分钟内滴入丁基锂，再在室温下反应30~90分钟，再将温度降至-78~-50℃后加入三丁基氯化锡，再在室温下反应时间为12~36小时，得到2，5，8-三（三丁基锡基）苯并[1，2-B: 3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩；所述的溶剂A为四氢呋喃，溶剂的用量为溶质溶解的量；
（2）将步骤（1）制得的所得2，5，8-三（三丁基锡基）苯并[1，2-B: 3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩与2，6-二溴-4，4-双（2-乙基己基）-4H-硅杂环戊二烯并[3，2-B: 4，5-B’]二噻吩在无氧的条件下，催化剂作用下进行偶联反应，得到一种三噻吩并苯基星形含硅聚合物。
2.一种如权利要求1所述的一种三噻吩并苯基星形含硅聚合物的制备方法，其特征在于，所述的制备方法为以下步骤：
（1）在无水无氧的条件下，在容器中加入苯并[1，2-B: 3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩，然后在氮气保护下加入溶剂A，然后再-78~-50℃、30~60分钟内滴入丁基锂，再在室温下反应30~90分钟，再将温度降至-78~-50℃后加入三丁基氯化锡，再在室温下反应时间为12~36小时，得到2，5，8-三（三丁基锡基）苯并[1，2-B: 3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩；所述的溶剂A为四氢呋喃，溶剂的用量为溶质溶解的量；
（2）将步骤（1）制得的所得2，5，8-三（三丁基锡基）苯并[1，2-B: 3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩与2，6-二溴-4，4-双（2-乙基己基）-4H-硅杂环戊二烯并[3，2-B: 4，5-B’]二噻吩在无氧的条件下，催化剂作用下进行偶联反应，得到一种三噻吩并苯基星形含硅聚合物。
3.根据权利要求2所述的一种三噻吩并苯基星形含硅聚合物的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的苯并[1，2-B: 3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩、丁基锂与三丁基氯化锡的摩尔比为1：3~7：3~7。
4.根据权利要求2所述的一种三噻吩并苯基星形含硅聚合物的制备方法，其特征在于，步骤（2）偶联反应是在溶剂中B进行，反应温度为100~120℃，时间为2~4天，偶联反应的溶剂B为甲苯，溶剂的用量为溶质溶解的量。
5.根据权利要求2或4所述的一种三噻吩并苯基星形含硅聚合物的制备方法，其特征在于，步骤（2）中2，5，8-三（三丁基锡基）苯并[1，2-B: 3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩与2，6-二溴-4，4-双（2-乙基己基）-4H-硅杂环戊二烯并[3，2-B: 4，5-B’]二噻吩的摩尔比为1：1~1.5。
6.根据权利要求2所述的一种三噻吩并苯基星形含硅聚合物的制备方法，其特征在于，步骤（2）中在氮气的保护下加入催化剂四三苯基磷化钯，催化剂的用量与2，5，8-三（三丁基锡基）苯并[1，2-B: 3，4-B’: 5，6-B’]三噻吩的摩尔比为1： 10~30。
7.一种如权利要求1所述的一种三噻吩并苯基星形含硅聚合物在有机半导体材料中的应用。
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