CN104387566A - 一种以吡啶并杂环为受体的d-a-d型电致变色聚合物 - Google Patents
一种以吡啶并杂环为受体的d-a-d型电致变色聚合物 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种以吡啶并杂环为受体的D-A-D型电致变色聚合物,其中,吡啶并杂环为受体(A),呋喃基、噻吩基、硒吩基、吡咯基、吡咯基衍生物或噻吩基衍生物为供体(D);该聚合物由活性前驱体通过电化学氧化方法聚合得到。该聚合物中由于吡啶并杂环强的接受电子能力,使该类聚合物具有较低的带宽,更宽的吸光范围,并且具有颜色丰富,响应时间快,稳定性好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及电致变色材料,尤其是涉及一种以吡啶并杂环为受体(A),呋喃基、噻吩基、硒吩基、吡咯基、吡咯基衍生物或噻吩基衍生物为供体(D)的D-A-D型聚合物及其制备方法。
背景技术
电致变色是指材料的光学属性(主要是指反射率、透过率、吸收率等)在外加电场的作用下发生可逆的颜色变化的现象,在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。电致变色材料可应用于轻型且便携的显示装置例如电子纸、以及使用透光率的装置例如智能窗。用电致变色材料制备的自动防眩目后视镜,可以通过电子感应系统,根据外来光的强度调节反射光的强度,达到防眩目的作用,使驾驶更加安全。
相比无机材料,有机电致变色材料具有许多优势,主要有:1)制备工艺简单,可采用滴涂、旋涂等;2)在器件制备上,加工容易,制作成本低。无机电致变色材料常用是一些过渡金属氧化物,这类金属由于资源稀少,往往制作成本很高;3)有机电致变色材料(导电聚合物材料)展现出更高的光学对比度,快的响应时间,使用寿命更长;4)颜色丰富,种类繁多,并且可以通过结构的改变实现对颜色的控制。
在众多的有机电致变色材料中,D-A-D型聚合物由于其良好的光学性能成为人们研究的焦点,D-A-D型结构不仅能够较容易的调节聚合物的吸收波长,而且可以改变其带宽;吡啶并杂环作为一种较强的电子接受基团,在D-A-D电致变色材料扮演着重要角色。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题,本发明提供一种基于吡啶并杂环为受体的D-A-D型电致变色聚合物。该聚合物具有带宽低,颜色丰富,响应时间快,稳定性好的特点。
本发明的技术方案如下:
一种以吡啶并杂环为受体的D-A-D型电致变色聚合物,其分子结构为下列结构通式中的任何一种:
所述结构通式1、2、3、4所示的分子链中,位于中间部位的基团称为受体部分,位于左右两端的基团称为供体部分。
所述受体部分中X为O、S、Se或N-R,R为H或C1~C12的烷基;所述供体部分为呋喃基、噻吩基、硒吩基、吡咯基、吡咯基衍生物或噻吩基衍生物。
所述结构通式1中,供体部分中Y为O、S、Se或N-R,R为H或C1~C12的烷基。
所述结构通式2中,供体部分中R为C1~C12的烷基。
所述结构通式3中,供体部分中A、B分别为O或S元素,A和B可以相同,也可以不同。
所述结构通式4中,供体部分中R为H或C1~C12的烷基。
一种以吡啶并杂环为受体的D-A-D型电致变色聚合物的制备方法,所述制备方法为活性前驱体的电化学氧化方法,具体流程为:
其中:受体部分中X为O、S、Se或N-R,R为H或C1~C12的烷基;供体1中Y为O、S、Se、N-R,R为H或C1~C12的烷基;供体2中R为H或C1~C12的烷基;供体3中A、B分别为O或S元素,A和B可以相同,也可以不同;供体4中R为H或C1~C12的烷基。
所述电化学氧化方法具体步骤如下:
(1)电化学聚合在一室三电极体系中进行,工作电极为ITO导电玻璃,对电极为铂片,参比电极为Ag/AgCl电极,在保护气体氛围下,将溶剂、活性前驱体和支持电解质加入三电极电解池中组成电解液;活性前驱体的浓度为1~10mmol·L-1;支持电解质的浓度为0.1mol·L-1;
(2)采用恒电位法,恒电流法或循环伏安法在工作电极上电沉积得到聚合物薄膜,电沉积得到的聚合物薄膜用乙腈浸泡、冲洗,以除去聚合物中的电解质溶液及产生的低聚物。
所述步骤(1)中参比电极-Ag/AgCl电极的制备方法为将Ag丝在6mol·L-1 HCl溶液中恒电位1.5V、电解100s,电极表面生成AgCl覆层。
所述步骤(2)中溶剂为二氯甲烷即CH2Cl2、三氯甲烷即CHCl3或乙腈即MeCN;支持电解质为四丁基六氟磷酸铵即PF6、四丁基四氟硼酸铵即BF4或高氯酸锂。
所述活性前驱体由化合物5和化合物6,通过Stille偶合反应制得,具体流程为:
其中:X为O、S、Se或N-R,R为H或C1~C12的烷基;催化剂为四三苯基膦钯即Pd(PPh3)4或双三苯基磷二氯化钯即Pd(PPh3)2Cl2;溶剂为四氢呋喃即THF、甲苯、N,N-二甲基甲酰胺即DMF中的一种或多种;
所述化合物5与化合物6的摩尔比为2.5:1~6:1;反应温度为90℃~110℃,反应时间为24h~48h;粗产物用硅胶柱色谱分离纯化后得到含吡啶并杂环的D-A-D型活性前驱体。
本发明有益的技术效果在于:
1、本发明聚合物具有基于吡啶并杂环为受体的D-A-D型结构,由于吡啶并杂环强的接受电子能力,使该类聚合物具有较低的带宽,更宽的吸光范围,因此具有较宽的应用范围;
2、本发明聚合物具有D-A-D型结构,可以通过改变受体或供体,调节聚合物吸收光谱,进而改变聚合物的颜色;
3、本发明聚合物具有良好的电致变色性能(响应时间快、光学透过率高及稳定性好)。
附图说明
图1以吡啶并杂环为受体的D-A-D型聚合物结构式。
图2为P(EDOT-PT)在MeCN-Bu4NPF6(0.1mol·L-1)体系中的光谱电化学图。
图中:施加电压(a)-1.1V,(b)-1.0V,(c)-0.9V,(d)-0.8V,(e)-0.7V,(f)-0.6V,(g)-0.5V,(h)-0.3V,(i)-0.2V,(j)0V,(k)0.1V,(l)0.3V,(m)0.4V,(n)0.5V,(o)0.6V,(p)0.7V,(q)0.8V,(r)0.9V,(s)1.1V。
图3为P(EDOT-PT)在431nm,746nm和1337nm的透过率-时间曲线。
图4为P(EDOT-PSe)在MeCN-Bu4NPF6(0.1mol·L-1)体系中的光谱电化学图。
图中:施加电压(a)-0.7V,(b)-0.5V,(c)-0.3V,(d)-0.1V,(e)0V,(f)0.1V,(g)0.3V,(h)0.5V,(i)0.7V,(j)0.9V,(k)1.1V。
图5为P(EDOT-PSe)在433nm和1200nm的透过率-时间曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明进行具体描述。
实施例1:P(EDOT-PT)聚合物的电化学合成
(1)EDOT-PT活性前驱体的合成
氮气保护条件下,于50mL三口烧瓶中加入2,5-二溴吡啶并噻二唑(1.01g,3.42mmol),2-锡丁基-3,4-乙撑二氧噻吩(5.28g,12.26mmol),以及催化剂Pd(PPh3)4(0.38g,0.33mmol),加入DMF(20mL)搅拌均匀,100℃冷凝回流反应24h;反应结束后将产物倒入100mL饱和食盐水中,用二氯甲烷萃取三次,再加入少量水洗涤有机层,将得到的溶液转移到锥形瓶中,加入少量无水硫酸镁干燥24h,然后减压蒸馏除去溶剂,用硅胶层析柱进行分离,纯化得到深红色晶体产物,产率为70%。
(2)P(EDOT-PT)聚合物的合成
电化学聚合在一室三电极体系中进行,工作电极为ITO导电玻璃,对电极为铂片,参比电极为Ag/AgCl电极(Ag丝在6mol·L-1 HCl溶液恒电位1.5V、100s电解表面生成AgCl覆层);
以5mL精制的二氯甲烷为电解液,EDOT-PT(0.0104g,0.025mmol)为聚合单体,六氟化磷四丁基胺(0.1937g,0.5mmol)为支持电解质;采用恒电位法进行聚合,聚合电位为0.95V,聚合时间为500s,电沉积得到的聚合物薄膜用乙腈浸泡、冲洗,以除去聚合物中的电解质溶液及产生的低聚物。
实施例2:P(EDOT-PSe)聚合物的电化学合成
(1)EDOT-PSe活性前驱体的合成
氮气保护条件下,于50mL三口烧瓶中加入2,5-二溴吡啶并硒二唑(0.53g,1.55mmol),2-锡丁基-3,4-乙烯二氧噻吩(3.63g,8.42mmol),以及催化剂Pd(PPh3)4(0.179g,0.155mmol),加入DMF(20mL)搅拌均匀,100℃冷凝回流反应24h;反应后将产物倒入100mL饱和食盐水中,用二氯甲烷萃取三次,再加入少量水洗涤有机层,将得到的有机层溶液转移到锥形瓶中,加入少量无水硫酸镁干燥24h,然后减压蒸馏除去溶剂用硅胶层析柱进行分离,纯化得到紫色晶体产物,产率为78%。
(2)P(EDOT-PSe)聚合物的合成
电化学聚合在一室三电极体系中进行,工作电极为ITO导电玻璃,对电极为铂片,参比电极为Ag/AgCl电极(Ag丝在6mol·L-1 HCl溶液恒电位1.5V、100s电解表面生成AgCl覆层);
以5mL精制的二氯甲烷为电解液,EDOT-PSe(0.0116g,0.025mmol)为共聚前驱体,六氟化磷四丁基胺(0.1937g,0.5mmol)为支持电解质;采用恒电位法进行聚合,聚合电位为0.95V,聚合时间为500s,电沉积得到的聚合物薄膜用乙腈浸泡、冲洗,以除去聚合物中的电解质溶液及产生的低聚物。
实施例3:P(Th-PT)聚合物的电化学合成
(1)Th-PT共聚前驱体的合成
氮气保护条件下,于50mL三口烧瓶中加入2,5-二溴吡啶并噻二唑(0.50g,1.69mmol),2-锡丁基噻吩(2.00g,6.76mmol),以及催化剂Pd(PPh3)2Cl2(0.12g,0.169mmol),加入DMF(20mL)搅拌均匀,100℃冷凝回流反应24h;反应结束后将产物倒入100mL饱和食盐水中,用二氯甲烷萃取三次,再加入少量水洗涤有机层,将得到的溶液转移到锥形瓶中,加入少量无水硫酸镁干燥24h,然后减压蒸馏除去溶剂,用硅胶层析柱进行分离,纯化得到红色晶体产物,产率为85%。
(2)P(Th-PT)聚合物的合成
电化学聚合在一室三电极体系中进行,工作电极为ITO导电玻璃,对电极为铂片,参比电极为Ag/AgCl电极(Ag丝在6mol·L-1 HCl溶液恒电位1.5V、100s电解表面生成AgCl覆层);
以5mL精制的二氯甲烷为电解液,Th-PT(0.0075g,0.025mmol)为活性前驱体,六氟化磷四丁基胺(0.1937g,0.5mmol)为支持电解质;采用恒电位法进行聚合,聚合电位为1.4V,聚合时间为50s,电沉积得到的聚合物薄膜用乙腈浸泡、冲洗,以除去聚合物中的电解质溶液及产生的低聚物。
实施例4:P(MeTh-PT)聚合物的电化学合成
(1)MeTh-PT活性前驱体的合成
氮气保护条件下,于50mL三口烧瓶中加入2,5-二溴吡啶并噻二唑(0.60g,2.03mmol),2-锡丁基-3-甲基噻吩(3.15g,8.12mmol),以及催化剂Pd(PPh3)2Cl2(0.14g,0.20mmol),加入DMF(20mL)搅拌均匀,100℃冷凝回流反应24h;反应结束后将产物倒入100mL饱和食盐水中,用二氯甲烷萃取三次,再加入少量水洗涤有机层,将得到的溶液转移到锥形瓶中,加入少量无水硫酸镁干燥24h,然后减压蒸馏除去溶剂,用硅胶层析柱进行分离,纯化得到红色晶体产物,产率为82%。
(2)P(MeTh-PT)聚合物的合成
电化学聚合在一室三电极体系中进行,工作电极为ITO导电玻璃,对电极为铂片,参比电极为Ag/AgCl电极(Ag丝在6mol·L-1HCl溶液恒电位1.5V、100s电解表面生成AgCl覆层);
以5mL精制的二氯甲烷为电解液,MeTh-PT(0.0082g,0.025mmol)为共聚前驱体,六氟化磷四丁基胺(0.1937g,0.5mmol)为支持电解质;采用恒电位法进行聚合,聚合电位为1.2V,聚合时间为50s,电沉积得到的聚合物薄膜用乙腈浸泡、冲洗,以除去聚合物中的电解质溶液及产生的低聚物。
实施例5:ProDOT-PT活性前驱体的合成
氮气保护条件下,于50mL三口烧瓶中加入2,5-二溴吡啶并噻二唑(0.60g,2.03mmol),2-锡丁基-3,3-二乙基-3,4-丙烯二氧噻吩2-锡丁基-3-甲基噻吩(4.08g,8.12mmol),以及催化剂Pd(PPh3)2Cl2(0.14g,0.20mmol),加入DMF(20mL)搅拌均匀,100℃冷凝回流反应24h;反应结束后将产物倒入100mL饱和食盐水中,用二氯甲烷萃取三次,再加入少量水洗涤有机层,将得到的溶液转移到锥形瓶中,加入少量无水硫酸镁干燥24h,然后减压蒸馏除去溶剂,用硅胶层析柱进行分离,纯化得到红色晶体产物,产率为82%。
测试例:聚合物在乙腈中的电致变色性能
(1)光谱电化学
将制备的沉积在ITO导电玻璃上的聚合物薄膜,放在三电极电解池中,电解池中为0.1mol·L-1的六氟化磷四丁基胺乙腈溶液,其中工作电极为附有聚合物薄膜的ITO导电玻璃,对电极为铂片,参比电极为Ag/AgCl电极,利用恒电位方法,通过电化学工作站调节施加在工作电极上的电压,同时用紫外可见光谱仪记录聚合物在不同电压下吸收光谱的变化趋势,即得到了聚合物的光谱电化学图谱。
实施例1、2所得的沉积在ITO导电玻璃上的聚合物薄膜的光谱电化学谱图分别如图2、4所示。
结合图2,通过肉眼观察聚合物的颜色变化可以看出,随着电位的升高,聚合物的颜色由绿色变为天蓝色,这是由于中性态的聚合物在蓝光区和红光区各有一个吸收峰,中性态的聚合物颜色表现为绿色;聚合物被氧化以后,蓝光区的吸收峰消失,红光区吸收峰减弱;因此,掺杂态的聚合物表现为天蓝色。
结合图4,通过肉眼观察聚合物的颜色变化可以看出,随着电位的升高,聚合物的颜色由由浅绿色变为透明的浅蓝色,这是由于中性态的聚合物在蓝光区和红光区各有一个吸收峰,并且聚合物的吸光度较小,中性态的聚合物颜色表现为浅绿色;聚合物被氧化以后,两个吸收峰同时减弱,但没有完全消失;因此,掺杂态的聚合物表现为透明的浅蓝色。
(2)聚合物膜的动力学研究
利用紫外可见分光光度计来测定方波电位下,聚合物膜在特定波长下,掺杂态和中性态的透过率,从而计算出光学对比度,响应时间等;紫外可见分光光度计记录的为时间-透过率曲线,电化学工作站记录的为时间-电流曲线,根据这两条曲线还可计算出着色效率。
实施例1、2所得的沉积在ITO导电玻璃上的聚合物薄膜的时间-透过率曲线分别如图3、5所示。由两条时间-透过率曲线计算得的响应时间、着色效率分别见表1、2。
在431nm、746nm及1337nm波长下对P(EDOT-PT)进行了计时吸收法研究,实验过程中,电势阶跃变化的时间间隔为5s,如图3所示。在三个波长下,聚合物都表现出了一定的光学对比度和良好的光学稳定性;此外,光学透过率对聚合物的颜色变化有很大的影响,所述聚合物能够从绿色中性态向天蓝色掺杂态转变。
在433nm及1200nm波长下对P(EDOT-PSe)进行了计时吸收法研究,实验过程中,电势阶跃变化的时间间隔为5s,如图5所示。在两个波长下,聚合物都表现出了一定的光学对比度,所述聚合物能够从浅绿色中性态向浅蓝色掺杂态转变。
表1
表2
注:着色效率:指电致变色材料在给定的波长下,吸光度的改变与导致全部电子注入或抽出时的比值。
对于一种电致变色材料来说,着色效率是评价材料性能的一个重要参数。着色效率研究导电聚合物的着色效率要结合电致变色膜的电化学与光谱变化过程,其计算公式如下:
CE=ΔOD/Qd (1)
其中,光对比度的改变(ΔOD)是指在一个特定波长λmax下,电化学氧化和还原聚合物膜时,相应的透过率值(聚合物膜掺杂态时的透过率Tox和中性态时的透过率Tred)的比值,通过以下公式来计算:
ΔOD=log(Tox/Tred) (2)
聚合物的吸收位置决定聚合物的颜色,对于制备各种颜色电致变色聚合物具有重要意义,响应时间同样是电致变色材料的重要参数,它揭示了在掺杂过程中,掺杂离子进入聚合物主链的速度;由表1、2可以看出,该类聚合物响应时间非常快。
Claims (10)
1.一种以吡啶并杂环为受体的D-A-D型电致变色聚合物,其特征在于其分子结构为下列结构通式中的任何一种:
所述结构通式1、2、3、4所示的分子链中,位于中间部位的基团称为受体部分,位于左右两端的基团称为供体部分。
2.根据权利要求1所述的以吡啶并杂环为受体的D-A-D型电致变色聚合物,其特征在于所述受体部分中X为O、S、Se或N-R,R为H或C1~C12的烷基;所述供体部分为呋喃基、噻吩基、硒吩基、吡咯基、吡咯基衍生物或噻吩基衍生物。
3.根据权利要求1所述的以吡啶并杂环为受体的D-A-D型电致变色聚合物,其特征在于所述结构通式1中,供体部分中Y为O、S、Se或N-R,R为H或C1~C12的烷基。
4.根据权利要求1所述的以吡啶并杂环为受体的D-A-D型电致变色聚合物,其特征在于所述结构通式2中,供体部分中R为C1~C12的烷基。
5.根据权利要求1所述的以吡啶并杂环为受体的D-A-D型电致变色聚合物,其特征在于所述结构通式3中,供体部分中A、B分别为O或S元素,A和B可以相同,也可以不同。
6.根据权利要求1所述的以吡啶并杂环为受体的D-A-D型电致变色聚合物,其特征在于所述结构通式4中,供体部分中R为H或C1~C12的烷基。
7.一种权利要求1所述的以吡啶并杂环为受体的D-A-D型电致变色聚合物的制备方法,其特征在于所述电致变色聚合物由活性前驱体通过电化学氧化方法聚合得到,具体流程为:
其中:受体部分中X为O、S、Se或N-R,R为H或C1~C12的烷基;供体1中Y为O、S、Se、N-R,R为H或C1~C12的烷基;供体2中R为H或C1~C12的烷基;供体3中A、B分别为O或S元素,A和B可以相同,也可以不同;供体4中R为H或C1~C12的烷基。
所述电化学氧化方法具体步骤如下:
(1)电化学聚合在一室三电极体系中进行,工作电极为ITO导电玻璃,对电极为铂片,参比电极为Ag/AgCl电极,在保护气体氛围下,将溶剂、活性前驱体和支持电解质加入三电极电解池中组成电解液;活性前驱体的浓度为1~10mmol·L-1;支持电解质的浓度为0.1mol·L-1;
(2)采用恒电位法,恒电流法或循环伏安法在工作电极上电沉积得到聚合物薄膜,电沉积得到的聚合物薄膜用乙腈浸泡、冲洗,以除去聚合物中的电解质溶液及产生的低聚物。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于所述步骤(1)中参比电极-Ag/AgCl电极的制备方法为将Ag丝在6mol·L-1HCl溶液中恒电位1.5V、电解100s,电极表面生成AgCl覆层。
9.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于所述步骤(2)中溶剂为二氯甲烷即CH2Cl2、三氯甲烷即CHCl3或乙腈即MeCN;支持电解质为四丁基六氟磷酸铵即PF6、四丁基四氟硼酸铵即BF4或高氯酸锂。
10.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于所述活性前驱体由化合物5和化合物6,通过Stille偶合反应制得,具体流程为:
其中:X为O、S、Se或N-R,R为H或C1~C12的烷基;催化剂为四三苯基膦钯即Pd(PPh3)4或双三苯基磷二氯化钯即Pd(PPh3)2Cl2;溶剂为四氢呋喃即THF、甲苯、N,N-二甲基甲酰胺即DMF中的一种或多种;
所述化合物5与化合物6的摩尔比为2.5:1~6:1;反应温度为90℃~110℃,反应时间为24h~48h;粗产物用硅胶柱色谱分离纯化后得到含吡啶并杂环的D-A-D型活性前驱体。
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