CN104557856A - 一种9,9-二芳基噻杂蒽-10,10-二氧化物的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种9,9-二芳基噻杂蒽-10,10-二氧化物的制备方法,属于精细有机合成、有机半导体料制备领域。制备方法包括:以二苯砜为起始原料,四氢呋喃为溶剂,在-78至0℃的温度范围内,二苯砜在正丁基锂作用下发生临位金属化反应,得到相应的芳基锂盐;然后与加入芳基甲酸酯衍生物反应,水解得到相应的三级叔醇;将三级叔醇和富电子芳烃溶解于醋酸或二氯甲烷溶液中,以路易斯酸作为催化剂,经过傅克反应得到9,9-二芳基噻杂蒽-10,10-二氧化物。本制备方法具有反应易于控制且操作简单、成本低、重复性好、产率高且产品质量高,可以方便地构筑有机模块单元和有机功能半导体,在有机发光二极管、有机晶体管、有机激光和有机非线性光学等领域。
Description
技术领域
本发明属于精细有机合成、有机半导体材料制备领域,具体是涉及一种9,9-二芳基噻杂蒽-10,10-二氧化物的新的制备方法。
背景技术
信息显示和照明与人们的日常生活息息相关,不可或缺,因此人们提出越来越高的要求来满足日常生活中的需求。自从1987年美国柯达公司的邓青云研究小组首次报道了基于小分子8-羟基喹啉铝的高效的多层薄膜有机发光二极管[C.W.Tang and S.A.VanSlyke,Appl.Phys.Lett.1987,51,913-915],和1990年英国剑桥大学的Bradley小组报道溶液加工制备有机发光二极管以来[J.H.Burroughes,D.D.C.Bradley,A.R.Brown,R.N.Marks,K.Mackay,R.H.Friend,et al.,Nature,1990,347,539-541.],有机发光二极管得到了快速发展,目前报道的高效的有机发光二极管,其器件外量子效率已经超过了30%。有机发光二极管,由于其可主动发光且可调、厚度薄、重量轻、发光效率高、能耗低、响应速度快、视角宽及柔性等优势,可以应用于全彩平板显示和固体照明领域,作为有机光电技术的排头兵,已由基础的学术研究迈向产业发展,吸引了国内外众多研究机构及公司的关注和投入。
有机发光二极管走向产业,走向人们的日常生活,还面临着诸多挑战,其中一大挑战就是器件的稳定性。由于器件的稳定性差,器件效率衰减很快,造成器件寿命短,因此有机发光二极管的寿命远低于液晶显示技术。发光材料的稳定性对器件稳定性有着至关重要的决定作用。发光材料的稳定性主要包括以下方面:光谱的稳定性、热稳定性、电化学稳定性及薄膜的形貌稳定性,可以通过对材料化学结构的精细设计来提高材料的稳定性。目前,主要的设计策略是刚性基团修饰有机半导体的非平面化设计,这样可以提高材料的热稳定性同时,由于抑制分子间的相互作用而提高材料的光谱稳定性和薄膜的形貌稳定性。
1997年,Selback首次将非平面结构的螺二芴来功能化有机半导体[J.Salbeck,N.Yu,J.Bauer,F.andH.Bestgen,Synth.Met.1997,91,209-215],可以显著的提高材料的稳定性,螺二芴在有机发光二极管中各类功能层材料有着广泛的应用,如空穴传输材料,电子传输材料、荧光材料、磷光主客体材料等。虽然螺二芴在有机发光二极管的应用取得成功,但是由于其螺环骨架是由碳和氢元素构成,对电子和空穴都缺乏有效地亲和和传导能力,因此研究人员借助于引入杂原子到螺环骨架当中来提高材料的载流子传输性质,并希望以此来实现载流子传输平衡,从而提高器件的发光效率。我们课题组将氧原子引入,并设计了母体螺环结构螺芴氧杂蒽,并基于此母体开发了大量的不同功能的有机发光半导体材料;另外,有学者将氮原子引入螺环,同时由于氮原子的不同价态,可以对有机半导体前线轨道的调控,实现对电子传输和空穴传输调节。对于硫原子高价态的砜不仅没有淬灭发光,还可以增强材料的电子传输能力,从而可以达到平衡载流子注入和传输,这对于有机发光半导体非常重要,因此我们设计将具有吸电子能力的砜结构引入到噻杂蒽骨架中,合成并构筑了一系列的非平面的噻杂蒽-10,10-二氧化物分子模块和有机半导体,可以利用该模块功能化有机发光材料,实现高效的有机发光二极管。
9,9-二芳基噻杂蒽-10,10-二氧化物在目前鲜有报道,没有有效的合成策略和手段。有人报道了其中一种9,9-二芳基噻杂蒽-10,10-二氧化物,即2,7-二溴螺芴噻杂蒽-10,10-二氧化物[Chin-Yiu Chan,Yi-Chun Wong,Mei-Yee Chan,Sin-Hang Cheung,Shu-Kong So,Vivian Wing-WahYam,Chem.Mater.,2014,26,6585-6594],采用以下合成路线:
该方法合成路线较长,并且使用了毒性较大的苯硫酚,对人、环境都具有危害性,在合成过程中需要严格控制,同时也使用价格较高的临溴碘苯底物,生产成本较高。
发明内容
技术问题:本发明是给出一种9,9-二芳基噻杂蒽-10,10-二氧化物的合成方法。而本合成方法可以价格低廉和无毒的二苯砜为原料,可以方便快捷地合成一系列的螺噻杂蒽-10,10-二氧化物,具有广泛的适用性和实用性,
技术方案:本发明以2-溴螺芴噻杂蒽-10,10-二氧化物的合成为例来说明,其合成路线如下:
本合成方法易于控制且操作简单快速成本低、重复性好、产率高且产品质量高,很好地克服先前技术存在的一些不足之处。
本发明的9,9-二芳基噻杂蒽-10,10-二氧化物的制备方法具体为:在氮气保护下,反应底物以二苯砜为起始原料,在-78至0℃的温度范围内,将正丁基锂溶液滴加到二苯砜的四氢呋喃溶液中,滴加完毕后继续反应1-3小时;然后加入芳基甲酸酯,维持反应2-24小时,用饱和氯化铵溶液水解得到相应的三级叔醇;用溶剂将得到三级叔醇和富电子芳烃溶解,加入路易斯酸催化剂,在0-120℃温度下反应2-24小时;反应结束后,将反应液倒入大量的水,用二氯甲烷萃取,合并有机相,干燥,抽滤,蒸出有机溶剂,通过重结晶和硅胶层析柱过柱分离得到9,9-二芳基噻杂蒽-10,10-二氧化物及其衍生物,其反应通式如下:
所述的芳基甲酸酯的通式为:
通式中Ar为芳基,芳基甲酸酯优选结构为如下之一:
其中R为甲基、乙基、丙基或异丙基;X1和X2相同或不同,为氢、卤素,苯基、萘基、蒽基和碳个数小于22的直链、支链和环状的烷基或烷氧基。
所述的芳基甲酸酯结构还包括其同分异构体。
所述的用于溶解三级叔醇的溶剂为冰醋酸或二氯甲烷。
所述的富电子芳烃Ar1包括以下结构及其同分异构体:
其中X为氢、卤素和碳个数小于22的直链、支链和环状的烷基或烷氧基。
所述的路易斯酸催化剂为浓硫酸、浓盐酸、甲烷磺酸、三氟甲磺酸或三氟化硼乙醚。
所述反应底物的投料摩尔比为:正丁基锂:二苯砜为2-3:1;芳基甲酸酯:二苯砜为0.9-1.5:1;富电子芳烃:二苯砜为0-3:1,当所述的芳基甲酸酯的芳基Ar具有联苯基、2-(2-蒽基)苯基等联芳基结构,以及投入富电子芳烃与二苯砜摩尔比为0:1,即没有加入富电子芳烃时,可以发生分子内傅克合环反应,得到噻杂蒽-10,10-二氧化物的螺环产物。
有益效果:本方法是一种操作简单、收率高、成本低、高产率制备9,9-二芳基噻杂蒽-10,10-二氧化物,可以克服以前以前使用高毒和高价格底物的问题,极大的减少的环境问题及生产成本,可以根据底物不同,快速灵活的设计出所需的分子模块和有机半导体,不仅适合于实验室的小量制备,也易于实现工业化,应用前景广阔。
附图说明
图1:是螺芴噻杂蒽-10,10-二氧化物1H-NMR谱图。
图2:是2-溴螺芴噻杂蒽-10,10-二氧化物的1H-NMR谱图。
图3:是2,7-溴螺芴噻杂蒽-10,10-二氧化物的1H-NMR谱图。
图4:是螺芴噻杂蒽-10,10-二氧化物椭球图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明内容,下面结合具体实例来进一步说明本发明内容的技术方案,这些实施实例并不是对本发明范围或精神进行限制。
实例1:螺芴噻杂蒽-10,10-二氧化物的制备
称取二苯砜(4.75g,0.022mol,1.05eq)及2-联苯甲酸甲酯(4.4g,0.021mol,1eq)分别放入二口烧瓶内和恒压滴液漏斗内,并用干燥的四氢呋喃120mL将二苯砜溶解。在氮气保护及干冰-乙醇浴下,缓慢滴加1.6M的正丁基锂己烷溶液(28.5mL,0.045mol,2.2eq),维持低温反应3h,快速加入2-联苯甲酸甲酯的四氢呋喃溶液;在室温下反应24h,反应结束后,加入饱和氯化铵溶液水解,二氯甲烷萃取、干燥、除去溶剂;将得到的叔醇放入二口烧瓶内,加入100mL的冰醋酸,并加热回流溶解,取浓硫酸0.5mL加入到反应液中,反应几分钟后,有大量的固体析出,继续反应4h,停止加热,冷却至室温;将反应液倒入500mL水中,抽滤并用水洗涤滤饼、用二氯甲烷溶解、无水硫酸镁干燥、抽滤、旋蒸除去溶剂、过硅胶柱分离得到白色固体产物螺芴噻杂蒽-10,10-二氧化物6.2g,收率78%,1H-NMR(400Mz,CDCl3)δ8.24(dd,J=8.0,1.2Hz,2H),7.85(d,J=7.6Hz,2H),7.46(td,J=7.6,0.8Hz,2H),7.43(dd,J=7.6,0.8Hz,2H),7.32(d,J=7.6Hz,2H),7.26-7.21(m,4H),6.57(d,J=8.4Hz,2H).13C-NMR(100Mz,CDCl3)δ152.4,140.5,139.9,136.7,132.8,129.04,128.99,128.6,128.3,125.8,123.4,120.4,58.0
实例2:2-溴螺芴噻杂蒽-10,10-二氧化物的制备
称取二苯砜(3.93g,0.018mol,1.1eq)及2-(4’-溴联苯)甲酸乙酯(5.0g,0.0164mol,1eq)分别放入二口烧瓶内和恒压滴液漏斗内,并用干燥的四氢呋喃80mL将二苯砜溶解。在氮气保护及干冰-乙醇浴下,缓慢滴加1.6M的正丁基锂己烷溶液(22.5mL,0.036mol,2.2eq),维持低温反应3h,快速加入2-(4’-溴联苯)甲酸乙酯的四氢呋喃溶液;在室温下反应20h,反应结束后,加入饱和氯化铵溶液水解,二氯甲烷萃取、干燥、除去溶剂;将得到的叔醇放入二口烧瓶内,加入80mL的冰醋酸,并加热回流溶解,取浓硫酸0.5mL加入到反应液中,继续反应12h,停止加热,冷却至室温;将反应液倒入500mL水中,抽滤并用水洗涤滤饼、用二氯甲烷溶解、无水硫酸镁干燥、抽滤、旋蒸除去溶剂、过硅胶柱分离得到白色固体产物螺芴噻杂蒽-10,10-二氧化物5.6g,收率74.6%,1H-NMR(400Mz,CDCl3)δ8.25(dd,J=8.0,1.2Hz,2H),7.82(d,J=7.6Hz,1H),7.71(d,J=8.0Hz,1H),7.56(dd,J=8.0,1.6Hz,1H),7.49(td,J=7.6,0.8Hz,2H),7.48(s,1H),7.43(td,J=7.6,1.2Hz,1H),7.31-7.23(m,4H),6.57(d,J=8.0Hz,2H).13C-NMR(100Mz,CDCl3)δ154.03,152.19,139.56,139.36,139.08,136.75,136.74,132.91,131.97,129.47,129.09,128.89,128.81,128.61,125.88,123.53,122.51,121.72,120.46,57.87
实例3:2,7-二溴螺芴噻杂蒽-10,10-二氧化物的制备
2,7-二溴螺芴噻杂蒽-10,10-二氧化物的合成有多种方案,其中最为经济方便的合成方案如下:
其中螺芴噻杂蒽-10,10-二氧化物的具体过程如实例1。取螺芴砜杂蒽(1.9g,0.005mol)及催化量的铁粉(0.036g)放入二口烧瓶中,用氯仿50mL将其溶解;取液溴(1.84g,0.0115mol)注入烧瓶内,在回流条件下反应14h;反应结束后,向反应瓶中加入亚硫酸氢钠溶液,并搅拌30min,用二氯甲烷萃取,合并有机相,无水硫酸镁干燥、抽滤、旋干过柱分离,得到白色固体产物2,7-二溴螺芴砜杂蒽2.5g,收率92.6%。1H-NMR(400Mz,CDCl3)δ8.26(dd,J=8.0,1.2Hz,2H),7.69(d,J=8.0Hz,2H),7.57(dd,J=8.0,1.6Hz,2H),7.52(t,J=7.6Hz,2H),7.46(d,J=1.6Hz,2H),7.32(td,J=8.8Hz,2H),6.56(d,J=8.0Hz,2H).13C-NMR(100Mz,CDCl3)δ153.81,138.42,138.28,136.79,133.07,132.20,129.13,128.91,128.79,123.71,123.01,121.79,57.75.
实例4:9,9-二(4-二苯胺基苯基)噻杂蒽-10,10-二氧化物的制备
称取二苯砜(2.62g,0.012mol,1.2eq)及4-二苯胺基苯甲酸甲酯(3.0g,0.01mol,1eq)分别放入二口烧瓶内和恒压滴液漏斗内,并用干燥的四氢呋喃70mL将二苯砜溶解。在氮气保护及干冰-乙醇浴下,缓慢滴加1.6M的正丁基锂己烷溶液(18.8mL,0.03mol,2.5eq),维持低温反应2h,快速加入4-二苯胺基苯甲酸甲酯的四氢呋喃溶液;在室温下反应25h,反应结束后,加入饱和氯化铵溶液水解,二氯甲烷萃取、干燥、除去溶剂;将得到的叔醇放入二口烧瓶内,加入150mL的二氯甲烷,同时称取三苯胺(7.4g,0.03mol,3eq)加入到烧瓶;取三氟化硼乙醚0.2mL加入到反应液中,继续反应12h,停止加热,冷却至室温;将反应液倒入100mL水中,用二氯甲烷萃取、无水硫酸镁干燥、抽滤、旋蒸除去溶剂、过硅胶柱分离得到灰绿色固体产物9,9-二(4-二苯胺基苯基)噻杂蒽-10,10-二氧化物4.7g,收率65%,MALDI-TOF MS(m/z):M+716.87。
实例5:N-苯基-螺吖啶-9,9-噻杂蒽-10,10-二氧化物的制备
称取二苯砜(2.62g,0.012mol,1.2eq)及2-二苯胺基苯甲酸甲酯(3.0g,0.01mol,1eq)分别放入二口烧瓶内和恒压滴液漏斗内,并用干燥的四氢呋喃70mL将二苯砜溶解。在氮气保护及干冰-乙醇浴下,缓慢滴加1.6M的正丁基锂己烷溶液(18.8mL,0.03mol,2.5eq),维持低温反应2h,快速加入2-二苯胺基苯甲酸甲酯的四氢呋喃溶液;在室温下反应25h,反应结束后,加入饱和氯化铵溶液水解,二氯甲烷萃取、干燥、除去溶剂;将得到的叔醇放入二口烧瓶内,加入100mL的冰醋酸,并加热回流溶解,加入0.4mL浓硫酸到反应液中,继续反应8h,停止加热,冷却至室温;将反应液倒入100mL水中,用二氯甲烷萃取、无水硫酸镁干燥、抽滤、旋蒸除去溶剂、过硅胶柱分离得到灰绿色固体产物N-苯基-螺[吖啶-9,9-噻杂蒽]-10,10-二氧化物4.0g,收率61%,GC-MS(m/z):M+471.5。
Claims (7)
1.一种9,9-二芳基噻杂蒽-10,10-二氧化物的制备方法,其特征在于:在氮气保护下,反应底物以二苯砜为起始原料,在-78至0℃的温度范围内,将正丁基锂溶液滴加到二苯砜的四氢呋喃溶液中,滴加完毕后继续反应1-3小时;然后加入芳基甲酸酯,维持反应2-24小时,用饱和氯化铵溶液水解得到相应的三级叔醇;用溶剂将得到三级叔醇和富电子芳烃溶解,加入路易斯酸催化剂,在0-120℃温度下反应2-24小时;反应结束后,将反应液倒入大量的水,用二氯甲烷萃取,合并有机相,干燥,抽滤,蒸出有机溶剂,通过重结晶和硅胶层析柱过柱分离得到9,9-二芳基噻杂蒽-10,10-二氧化物及其衍生物,其反应通式如下:
2.根据权利要求1所述的一种9,9-二芳基噻杂蒽-10,10-二氧化物的制备方法,其特征在于所述的芳基甲酸酯的通式为:
通式中Ar为芳基,芳基甲酸酯优选结构为如下之一:
其中R为甲基、乙基、丙基或异丙基;X1和X2相同或不同,为氢、卤素,苯基、萘基、蒽基和碳个数小于22的直链、支链和环状的烷基或烷氧基。
3.根据权利要求3所述的一种9,9-二芳基噻杂蒽-10,10-二氧化物的制备方法,其特征在于所述的芳基甲酸酯结构还包括其同分异构体。
4.根据权利要求1所述的9,9-二芳基噻杂蒽-10,10-二氧化物的制备方法,其特征在于所述的用于溶解三级叔醇的溶剂为冰醋酸或二氯甲烷。
5.根据权利要求1所述的9,9-二芳基噻杂蒽-10,10-二氧化物的制备方法,其特征在于所述的富电子芳烃Ar1包括以下结构及其同分异构体:
其中X为氢、卤素和碳个数小于22的直链、支链和环状的烷基或烷氧基。
6.根据权利要求1所述的9,9-二芳基噻杂蒽-10,10-二氧化物的制备方法,其特征在于所述的路易斯酸催化剂为浓硫酸、浓盐酸、甲烷磺酸、三氟甲磺酸或三氟化硼乙醚。
7.根据权利要求1所述的一种9,9-二芳基噻杂蒽-10,10-二氧化物的制备方法,其特征在于所述反应底物的投料摩尔比为:正丁基锂:二苯砜为2-3:1;芳基甲酸酯:二苯砜为0.9-1.5:1;富电子芳烃:二苯砜为0-3:1,当所述的芳基甲酸酯的芳基Ar具有联苯基、2-(2-蒽基)苯基等联芳基结构,以及投入富电子芳烃与二苯砜摩尔比为0:1,即没有加入富电子芳烃时,可以发生分子内傅克合环反应,得到噻杂蒽-10,10-二氧化物的螺环产物。
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