CN106543215A - 一种二萘并噻咯有机光电功能材料及其合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二萘并噻咯有机光电功能材料，其合成的步骤主要包括以双取代内炔为原料，利用金属茂锆类配合物的催化作用，通过无水无氧反应，合成一种锆杂环；在氯化亚铜的催化下，与四碘苯生成二碘萘；进而利用正丁基锂的锂化作用，合成一种联萘；最后在叔丁基锂的锂化作用下，合成二萘并噻咯类光电材料。在合成工艺中，杂环戊二烯和多芳基碘的偶联反应制得二碘萘方法简单，收率高；通过正丁基锂的活化作用，联萘可以高效率地由两分子二碘萘来合成；使用金属茂锆类配合物作为均相烯烃聚合催化剂，催化活性和对烯烃聚合的立体选择性都很高。合成出的二萘并噻咯在导电高分子材料、液晶材料和生物活性物质领域均有重要用途。
Description
技术领域
本发明涉及有机光电功能材料领域，具体涉及一种二萘并噻咯有机光电功能材料及其合成方法。
背景技术
随着有机光电功能材料在发光二极管、太阳能电池、场效应晶体管、电存储、生化传感器等各个领域的应用，有机光电功能材料在近年来呈现出了迅猛的发展趋势。而随着有机光电功能材料发展的进一步深入，研究的难点主要在于π-共轭分子的发现与合成。近年以来，含硅有机光电功能材料受到了广泛的关注，有相关的研究报导了许多新颖的、性能优异的有机光电功能材料的合成。其中，噻咯即硅杂环戊二烯，其硅原子环外σ*轨道与丁二烯的π*轨道可形成σ*-π*共轭，有效降低了体系的LUMO能级，提高了电子亲合势，从而利于电子注入和传输；并且由于硅原子半径较大,形成的键容易极化,键能低,在合成上很容易引入其它的具有特定载流子传输性质的官能团来调节化合物载流子的注入和传输性质。因此，含硅桥联并苯梯形π-共轭分子的合成研究对研发具有独特的电子结构和光、电性质的有机光电功能材料具有重要意义。
含硅桥联并苯梯形π-共轭分子包含苯环与噻咯两类结构，该类分子可能兼具有发光效率、载流子迁移率高等优点。目前关于含硅桥联并苯梯形π-共轭分子特别是硅桥联并苯联苯的研究报道有限，并且含硅物质的相关合成条件一般比较苛刻，这类物质的合成是较大的挑战和艰巨的任务。
发明内容
本发明公开了一种有机光电材料及其合成方法，该发明以双取代内炔为原料，利用金属茂锆类配合物的催化作用，通过无水无氧反应，合成一种锆杂环；然后在氯化亚铜的催化下，与四碘苯生成二碘萘；进而利用正丁基锂的锂化作用，通过无水无氧反应，合成一种联萘；最后在叔丁基锂的锂化作用下，与二氯二甲基硅烷反应，合成一种二萘并噻咯类光电材料。本材料能有效降低体系的LUMO能级，提高电子亲合势，利于电子注入和传输，具有独特的电子结构和光、电性质。同时，该合成方法简洁、高效，反应的原料易得、中间体的制备过程工艺稳定、产物易于修饰和官能团化。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种二萘并噻咯有机光电功能材料，通式如下：
式中，R1代表丙基或丁基，R2代表甲基或苯基,所述化合物是一种对称型二萘并噻咯有机光电材料。
上述二萘并噻咯型有机光电材料的合成方法，包括以下步骤：
步骤一、1,2,4,5-四碘苯的合成：以苯为底物，以高碘酸和碘化钾为碘化试剂，浓硫酸为溶剂，在0℃下反应24h，得到1,2,4,5-四碘苯的粗产物；过滤洗涤后用2-甲氧基乙醇重结晶，得到1,2,4,5-四碘苯；
步骤二、锆杂环戊二烯的合成：无水无氧的条件下，二氯二茂锆和正丁基锂，-78℃条件下，反应1h生成二丁基二茂锆，然后室温下和炔烃反应3h，生成锆杂环戊二烯；
步骤三、二碘萘的合成：向锆杂环戊二烯中，加入氯化亚铜、1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮和1,2,4,5-四碘苯，在50℃下反应1h，用盐酸洗涤，再用乙醚萃取，除酸，干燥，过滤，有机相除去溶剂，再以纯正己烷为洗脱剂柱层析分离，得二碘萘；
步骤四、联萘的合成：在氮气保护下取二碘萘，低温下，取正丁基锂滴加到二碘萘中，室温反应15h，淬灭，乙酸乙酯萃取有机相，干燥，过滤，除掉溶剂，以纯正己烷为洗脱剂柱层析分离，得联萘；
步骤五、二萘并噻咯的合成：在氮气保护下加入联萘，低温下，取叔丁基锂滴加，室温反应，然后滴入二氯二甲基硅烷的体系中,反应1天，淬灭，萃取有机相，干燥，过滤，除走溶剂，再以纯正己烷为洗脱剂柱层析分离，得二萘并噻咯；
其中，R22代表有两个R2取代基。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明以双取代内炔为原料，利用金属茂锆类配合物的催化作用，通过无水无氧反应，合成一种锆杂环；在氯化亚铜的催化下，与四碘苯生成二碘萘；进而利用正丁基锂的锂化作用，通过无水无氧反应，合成一种联萘；最后在叔丁基锂的锂化作用下，合成二萘并噻咯类光电材料。在合成工艺中，杂环戊二烯和多芳基碘的偶联反应制得二碘萘方法简单，收率高；通过正丁基锂的活化作用，联萘可以高效率地由两分子二碘萘来合成；使用金属茂锆类配合物作为均相烯烃聚合催化剂，催化活性和对烯烃聚合的立体选择性都很高。合成出的二萘并噻咯在导电高分子材料、液晶材料和生物活性物质领域均有重要用途；这种线性π共轭的物质，可用作先进的电子和光子材料。目标产物中的R基可以是不同的烷基，此外，产物可以进一步衍生化，例如苯环上带有Br或COOEt基团的，可以继续进行反应使产物多样化。进一步结构修饰，以合成多种功能化合物，可以在有机光电功能材料领域进一步应用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
实施例1、一种二萘并噻咯有机光电功能材料的制备，步骤如下：
步骤一、1,2,4,5-四碘苯的合成：将2.56g(11.2mmol)高碘酸放入250mL两口瓶中，边搅拌边加入60mL浓硫酸，再缓慢加入5.58g(33.6mmol)KI，30min后，将温度降至0℃，向其中缓慢加入1mL(11.2mmol)苯，室温下反应24小时。将瓶内反应液倒在冰上，过滤，并用甲醇洗涤，得粗品。用2-甲氧基乙醇重结晶，得1,2,4,5-四碘苯，收率71％。
步骤二、锆杂环戊二烯的合成：在氮气保护下，向200mL反应管中加入3.79g(13mmol)CpZr2Cl2，再加入50mL四氢呋喃，降温至-78℃，加入10mL(25mmol)正丁基锂，-78℃反应1小时。加入3.59mL(20mmol)5-癸炔，恢复至室温，搅拌3小时，得锆杂环戊二烯。
步骤三、二碘萘a的合成：将上述锆杂环戊二烯降温至0℃，加入1.18g(12mmol)氯化亚铜，2.5ml(15mmol)1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮(DMPU)和5.28g(10mmol)1,2,4,5-四碘苯升温至50℃反应1小时后，加入稀盐酸洗涤，加入乙醚萃取，有机相用饱和碳酸氢钠溶液洗涤，干燥，过滤，旋蒸除溶剂。柱层析分离纯化，洗脱剂为纯正己烷，得结构式如下的二碘萘a(3.5g,58.3％)。
步骤四、联萘a的合成：在氮气保护下，向50mL反应管中加入0.906g(1.5mmol)二碘萘a，再加入四氢呋喃5mL。降温至-78℃，用三小时滴加0.3mL(0.75mmol)正丁基锂，升至室温，反应15小时。用稀盐酸洗涤，乙酸乙酯萃取，有机相干燥，旋蒸除溶剂。柱层析分析纯化，洗脱剂为纯正己烷，得0.534g(收率74.6％)联萘a，该联萘a的结构式如下的。
步骤五、目标化合物a的合成：在氮气保护下，向50mL反应管中加入0.7635g(0.8mmol)联萘a，再加入5mL四氢呋喃。降温至-78℃，滴加2.5mL(3.28mmol)叔丁基锂。升至室温，反应18小时。在氮气保护下，将反应液转移至100mL反应管中。事先在该反应管加入50mL四氢呋喃和0.115mL(0.95mmol)二氯二甲基硅烷。室温反应24小时，用水洗涤，氯仿萃取。有机相干燥，旋蒸除溶剂。柱层析分离纯化，洗脱剂为纯正己烷，得0.39g(收率58.3％)结构式如下的目标化合物a，该目标化合物a即为二萘并噻咯有机光电功能材料。
实施例2、一种二萘并噻咯有机光电功能材料的制备，步骤如下：
步骤一、1,2,4,5-四碘苯的合成方法与实施例1相同。
步骤二、锆杂环戊二烯的合成：在氮气保护下，向200mL反应管中加入3.79g(13mmol)CpZr2Cl2，再加入50mL四氢呋喃，降温至-78℃，加入10mL(25mmol)正丁基锂，-78℃反应1小时。加入2.88mL(20mmol)4-辛炔，恢复至室温，搅拌3小时，得锆杂环戊二烯。
步骤三、二碘萘b的合成：将锆杂环戊二烯降温至0℃，加入1.18g(12mmol)氯化亚铜，3.0ml(18mmol)DMPU和10.56g(20mmol)1,2,4,5-四碘苯，升温至50℃，反应1小时后，加入稀盐酸洗涤，加入乙醚萃取，有机相用饱和碳酸氢钠溶液洗涤，干燥，过滤，旋蒸除溶剂。柱层析分离纯化，洗脱剂为纯正己烷，得3.94g(收率65.6％)结构式如下的二碘萘b。
步骤四、联萘b的合成：在氮气保护下，向50mL反应管中加入1.644g(3mmol)二碘萘b，再加入10mL四氢呋喃。降温至-78℃，用1小时滴加0.6mL(1.5mmol)正丁基锂，升至室温，反应15小时。用稀盐酸洗涤，乙酸乙酯萃取，有机相干燥，旋蒸除溶剂。柱层析分析纯化，洗脱剂为纯正己烷，得0.439g(收率34.7％)结构式如下的联萘b。
步骤五、目标化合物b的合成：在氮气保护下，向100mL反应管中加入3.369g(4mmol)联萘b，再加入20mL四氢呋喃。降温至-78℃，滴加12.5mL(16.4mmol)叔丁基锂。升至室温，反应24小时。在氮气保护下，将反应液转移至200mL反应管中。该反应管事先加入了100mL四氢呋喃和0.575mL(4.75mmol)二氯二甲基硅烷。室温反应30小时，用水洗涤，氯仿萃取。有机相干燥，旋蒸除溶剂。柱层析分离纯化，洗脱剂为纯正己烷，得1.542g(收率54.1％)结构式如下的目标化合物b，该目标化合物b即为二萘并噻咯有机光电功能材料。
实施例3、一种二萘并噻咯有机光电功能材料的制备，步骤如下：
步骤一、合成1,2,4,5-四碘苯，其合成方法与实施例1相同。
步骤二、合成锆杂环戊二烯，其合成方法与实施例2相同。
步骤三、二碘萘b的合成：将锆杂环戊二烯降温至0℃，加入1.18g(12mmol)氯化亚铜，6.336g(12mmol)DMPU，1,2,4,5-四碘苯，升温至50℃，反应1小时后，加入稀盐酸洗涤，加入乙醚萃取，有机相用饱和碳酸氢钠溶液洗涤，干燥，过滤，旋蒸除溶剂。柱层析分离纯化，洗脱剂为纯正己烷，得1.83g(收率33.6％)二碘萘b。
步骤四、联萘b的合成：在氮气保护下，向100mL反应管中加入3.29g(6mmol)二碘萘b，再加入25mL四氢呋喃。降温至-78℃，用3小时滴加1.2mL(3mmol)正丁基锂，升至室温，反应20小时。用稀盐酸洗涤，乙酸乙酯萃取，有机相干燥，旋蒸除溶剂。柱层析分析纯化，洗脱剂为纯正己烷，得1.68g(收率66.7％)联萘b。
步骤五、目标化合物c的合成：在氮气保护下，向100mL反应管中加入3.369g(4mmol)联萘b，再加入20mL四氢呋喃。降温至-78℃，滴加12.5mL(16.4mmol)叔丁基锂。升至室温，反应14小时。在氮气保护下，将反应液转移至200mL反应管中。该反应管事先加入了100mL四氢呋喃和0.986mL(4.75mmol)二氯二苯基硅烷。室温反应20小时，用水洗涤，氯仿萃取。有机相干燥，旋蒸除溶剂。柱层析分离纯化，洗脱剂为纯正己烷，得0.954g(收率33.5％)目标化合物c，所得目标化合物即为二萘并噻咯有机光电功能材料。
实施例4、一种二萘并噻咯有机光电功能材料的制备，步骤如下：
步骤一、1,2,4,5-四碘苯的合成方法与实施例1相同。
步骤二、合成锆杂环戊二烯，其合成方法与实施例1相同。
步骤三、二碘萘a的合成，其合成方法与实施例1相同。
步骤四、联萘a的合成，其合成方法与实施例1相同。
步骤五、目标化合物a的合成：在氮气保护下，向50mL反应管中加入0.7635g(0.8mmol)联萘a，再加入5mL四氢呋喃。降温至-78℃，滴加2.5mL(3.28mmol)叔丁基锂。升至室温，反应18小时。在氮气保护下，将反应液转移至100mL反应管中。事先在该反应管加入50mL四氢呋喃和0.197mL(0.95mmol)二氯二苯基硅烷。室温反应24小时，用水洗涤，氯仿萃取。有机相干燥，旋蒸除溶剂。柱层析分离纯化，洗脱剂为纯正己烷，得0.26g(收率45.4％)结构式如下的目标化合物d，该目标化合物d即为二萘并噻咯有机光电功能材料。
上述各实施例的结构式中，Pr为丙基，Bu为丁基，Me为甲基，Ph为苯基。
综上，本发明中，在联萘锂化的过程中，反应时间控制在14-24小时，其中反应18h左右较佳，由于叔丁基锂的锂化作用很强，延长反应时间对收率并没有太大的影响。和氯硅烷反应时，反应时间为20-30h，其中反应24h左右较佳，同样延长反应时间收率没有太大的变化。反应加入的叔丁基锂的量为联萘的4倍当量，这是由于叔丁基锂和联萘反应后，生成的丁基碘会和溶剂中的叔丁基锂反应，加入稍微过量的叔丁基锂是为了让联萘锂化更彻底，从而提高反应的收率。
本发明中，由二碘萘生成联萘的过程中，滴加完正丁基锂后室温反应15-20小时，其中反应时间15h左右最佳，延长反应时间，反应收率并没有较大变化。滴加正丁基锂的时间为3h时收率较佳，可能是正丁基锂滴加速度过快时，部分二碘萘分子上两个碘同时被锂化，所以同时又有一部分二碘萘没有被锂化，因此生成联萘的量大幅度减少。同时，逐滴滴加正丁基锂时反应体系的温度应控制在-78℃，因为温度升高时正丁基锂会和溶剂THF发生反应。
尽管上面对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (2)
1.一种二萘并噻咯有机光电功能材料,其特征在于：是通式如下的化合物，
式中，R1代表丙基或丁基，R2代表甲基或苯基,所述化合物是一种对称型二萘并噻咯有机光电材料。
2.一种如权利要求1所述二萘并噻咯型有机光电材料的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
1,2,4,5-四碘苯的合成：以苯为底物，以高碘酸和碘化钾为碘化试剂，浓硫酸为溶剂，在0℃下反应24h，得到1,2,4,5-四碘苯的粗产物；过滤洗涤后用2-甲氧基乙醇重结晶，得到1,2,4,5-四碘苯；
锆杂环戊二烯的合成：无水无氧的条件下，二氯二茂锆和正丁基锂，-78℃条件下，反应1h生成二丁基二茂锆，然后室温下和炔烃反应3h，生成锆杂环戊二烯；
二碘萘的合成：向锆杂环戊二烯中，加入氯化亚铜、1,3-二甲基-3,4,5,6-四氢-2-嘧啶酮和1,2,4,5-四碘苯，在50℃下反应1h，用盐酸洗涤，再用乙醚萃取，除酸，干燥，过滤，有机相除去溶剂，再以纯正己烷为洗脱剂柱层析分离，得二碘萘；
联萘的合成：在氮气保护下取二碘萘，低温下，取正丁基锂滴加到二碘萘中，室温反应15h，淬灭，乙酸乙酯萃取有机相，干燥，过滤，除掉溶剂，以纯正己烷为洗脱剂柱层析分离，得联萘；
二萘并噻咯的合成：在氮气保护下加入联萘，低温下，取叔丁基锂滴加，室温反应，然后滴入二氯二甲基硅烷的体系中,反应1天，淬灭，萃取有机相，干燥，过滤，除走溶剂，再以纯正己烷为洗脱剂柱层析分离，得二萘并噻咯；
其中，R22代表有两个R2取代基。
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