CN106866671A - 一种齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物及其制备方法和应用 - Google Patents

一种齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及有机光伏材料领域，具体而言，涉及一种齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物及其制备方法和应用。所述的齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物的结构式如式(I)所示：其中，R1选自如下任意基团：C2-60的烷基、含取代基的烷基、烷氧基、含取代基的烷氧基、芳香基、含取代基的芳香基、烷基芳香基、含取代基的烷基芳香基、烷基杂芳香基、含取代基的烷基杂芳香基、烷基杂环基或含取代基的烷基杂环基；R1相同或不同。本发明的齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物明显地提高了光电转化效率，其设计思路合理有效，分子结构简单，合成步骤简短，是一种具有重要应用前景的有机太阳能电池材料。

Description

一种齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及有机光伏材料领域，具体而言，涉及齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物及其制备方法和应用。
背景技术
太阳能是人类最安全、最绿色、最理想的可再生洁净能源。有机光伏电池利用有机光伏材料制备器件以实现光电转换，可通过溶液加工技术制成柔性的大面积器件，具有重量轻、成本低、便携等优点。有机光伏电池是国际前沿交叉研究领域，具有广阔的应用前景。
有机光伏材料可分为电子给体和电子受体，富勒烯衍生物是目前最广泛使用、最成功的电子受体。但由于富勒烯受体存在可见区吸收弱、能级调控难、易聚集导致器件稳定性差等缺点，非富勒烯受体越来越受到人们的关注。然而非富勒烯受体的效率大大低于富勒烯受体，发展高性能的非富勒烯受体是有机太阳能电池领域的挑战性难题。
苝二酰亚胺(Perylene tetracarboxylic acid diimide，简称PDI)类衍生物是一类常见的工业颜料，广泛应用于燃料，涂料等工业领域。随着材料科学的不断发展，PDI类衍生物以其具有优异的热和光化学稳定性以及独特的光物理和光化学性质被赋予了新的性能和应用。因而其在有机光电领域有着重要的地位和应用前景，引起了工业界和学术界的广泛关注。苝二酰亚胺类衍生物在工业界的应用包括发光二极管、有机场效应晶体管、有机光伏。其在有机光伏领域内的应用主要是作为受体替代广泛应用的富勒烯衍生物(例如PCBM)。考虑到苝二酰亚胺衍生物具有与活性层中常用的富勒烯(PCBM)相匹配的能级以及其具有较高的电子迁移率的优点，因而其作为电子缓冲层材料具有潜在应用的价值。研究人员通过不同的合成方法，制备了一系列苝二酰亚胺衍生物，开发了大量性能优越的有机半导体材料。
CN104650083A公开了一种基于三苯胺-苝二酰亚胺的星型三维共轭分子及其制备方法，以及该类分子作为活性层材料在有机半导体器件如有机太阳能电池(OPV)中的应用。该发明的基于三苯胺-苝二酰亚胺的星型三维共轭分子具有较好的太阳光捕获能力和电子传输能力，并且具有很好的溶液加工性和热稳定性，为制作有机太阳能电池器件的理想材料。
CN103554106A公开了一种胺基/氧化胺修饰的苝二酰亚胺衍生物及其制备方法与应用。这类苝二酰亚胺材料合成路线具有简单高效、环境污染小、原料廉价、合成成本低、具有很好普适性和重复性等优点，所述胺基/氧化胺极性基团不含有对阴离子，显著提高器件的稳定性。
CN104447744A公开了一种苝二酰亚胺衍生物、及其在太阳能电池的应用及制备方法。该发明涉及一种1,6,7,12-四取代-苝二酰亚胺衍生物、及其制备方法，以及以苝二酰亚胺衍生物为受体型材料的太阳能电池及其制备方法，以解决苝二酰亚胺衍生物产率低，衍生产品少等问题。
CN103242312A公开了一种高效制备并二苝二酰亚胺衍生物的新方法。该发明提供的合成路线具有简单高效、环境污染小、原料廉价、合成成本低、具有普适性和重复性等优点，所述胺基/氧化胺极性基团不含有对阴离子，显著提高器件的稳定性。
虽然苝酰亚胺是一类在可见区具有强吸收的n-型有机半导体材料，具有化学、热和光稳定性好，吸收光谱范围较广以及荧光量子产率较高的特点，被广泛地应用于有机太阳电池材料。但是由于苝二酰亚胺类化合物的分子聚集非常严重，严重制约了器件的的效率。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物，以解决传统的苝酰亚胺类分子在固态下，分子之间极强的作用力导致的分子聚集，有效地改善了器件的效率。
本发明的第二目的在于提供所述的齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物的制备方法。
本发明的第三目的在于提供所述的齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物的应用。
为实现本发明的第一目的，本发明采用如下技术方案：
一种齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物，其中，所述的齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物的结构式如式(I)所示：
其中，R1选自如下任意一种基团：C2-60的烷基、含取代基的烷基、烷氧基、含取代基的烷氧基、芳香基、含取代基的芳香基、烷基芳香基、含取代基的烷基芳香基、烷基杂芳香基、含取代基的烷基杂芳香基、烷基杂环基或含取代基的烷基杂环基；
式(I)中各位置上的R1相同或不同。
苝酰亚胺类受体材料已得到广泛的研究，但是电池的效率仍然非常低。这主要是由于传统的苝酰亚胺类分子在固态下，分子之间极强的作用力导致分子聚集产生，从而严重制约了器件的效率。
本发明研究人员针对分子的结构，设计并合成了一类齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物，限制了薄膜状态下分子的聚集。一方面通过强的共轭作用，使得材料表现出较低的LUMO能级和相对较窄的能隙，有助于获得较高的开路电压和较高的光吸收效率；另一方面，由于分子的强烈扭曲，有效地防止了分子间的紧密堆积，有效地抑制材料的结晶性，提高无定型性能，从而改善器件的效率。
进一步的，
所述取代基选自：甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、羟基、巯基、氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、氰基、醛基、脂基、磺基、亚磺基、硝基、氨基、亚氨基、羧基或肼基中的至少一种；
所述烷氧基选自：甲氧基、乙氧基、丙氧基、异丙氧基、正丁氧基、仲丁氧基、异丁氧基、叔丁氧基、戊氧基、己氧基、庚氧基、辛氧基、壬氧基、癸氧基、十一碳烷氧基、十二碳烷氧基、十三碳烷氧基、十四碳烷氧基、十五碳烷氧基、十六碳烷氧基、十七碳烷氧基、十八碳烷氧基、十九碳烷氧基或二十碳烷氧基的任一种；
所述芳香基选自：苯基、萘基、蒽基、菲基、并四苯基、并五苯基、三苯胺基、芘基、茚基、联苯基或芴基中的至少一种；
所述杂环基、杂芳基均选自：噻吩、苯并噻吩、吡喃、苯并吡喃、呋喃、苯并呋喃、咪唑、苯并咪唑、吡唑、苯并吡唑、吡咯、苯并吡咯、吡啶、苯并吡啶、吡嗪、苯并吡嗪、吲哚、异吲哚、苯并吲哚、嘧啶、苯并嘧啶、萘啶、苯并萘啶、哒嗪、苯并哒嗪、吲唑、苯并吲唑、嘌呤、苯并嘌呤、喹嗪、苯并喹嗪、喹啉、苯并喹啉、吲嗪、苯并吲嗪、酞嗪、苯并酞嗪、喹喔啉、苯并喹喔啉、噻唑、苯并噻唑、咔啉、苯并咔啉、菲啶、苯并菲啶、菲咯啉、苯并菲咯啉、吖啶、苯并吖啶、吩嗪、苯并吩嗪、吩噻嗪、苯并吩噻嗪、咔唑、苯并咔唑、二并噻吩、二噻吩并吡咯、三并噻吩、四并噻吩或五并噻吩的任一种。
作为本发明的一种优选方案，所述R1选自C2-60的烷基或含取代基的烷基，所述烷基为直链或支链烷基。
作为本发明的一种更优选方案，所述R1选自R2选自C3-12的烷基，R2相同或不同。
此类齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物不但实现了分子的扭曲，抑制了分子间极强的作用力，从而防止了分子自聚集作用过强，影响器件性能；同时，此衍生物通过自身的共轭程度的增加，使得材料表现出较低的LUMO能级和相对较窄的能隙，有助于获得较高的开路电压和较高的光吸收效率，从而改善了器件性能。
作为本发明的一种最优选方案，所述R2为——C5H11。
为实现本发明的第二目的，本发明采用如下技术方案：
一种本发明所述的齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物的制备方法，该方法包括如下步骤：
1)以四氢呋喃和碳酸钠为溶液、四(三苯基膦)钯为催化剂，将单溴苝酰亚胺和1,3,5-苯三硼酸酯加热回流反应，得到中间体；
2)将中间体、I2和甲苯的混合物在汞灯下照射后用饱和亚硫酸钠水溶液萃取，再经洗涤、干燥、过滤、色谱柱提纯，得到目标产物齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物；
其中，步骤1)中，所述的单溴苝酰亚胺和1,3,5-苯三硼酸酯的摩尔比为3～3.5：1，优选3.2：1；所述的加热回流时间为45～50小时。
本发明中，所采用的1,3,5-苯三硼酸酯为市售的原料药，所采用的单溴苝酰亚胺参照文献(J.Org.Chem.2007,72,5973-5979)的方法合成得到。
步骤2)中，中间体与I2的质量比为1～3：1，优选2：1；中间体与甲苯的质量体积比为1g：1ml；照射时间为10～15h，优选12h。
在步骤1)的加热回流反应后还包括后处理的过程，所述的后处理为：冷却到室温，加入水，用二氯甲烷萃取，干燥，抽滤，色谱柱提纯。
为实现本发明的第三目的，本发明采用如下技术方案：
一种本发明所述的齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物在作为有机光伏材料的电子受体中的应用。
具体地说，所述的齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物在作为有机光伏材料的电子受体时，
开路电压为0.65～0.87V；短路电流Jsc为16.70～16.94mA/cm2；填充因子FF为51.05～51.23；光电转换效率为7.35～7.55％。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明的齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物明显地提高了光电转化效率，其设计思路合理有效，分子结构简单，合成步骤简短，是一种具有重要应用前景的有机太阳能电池材料。
具体实施方式
以下为本发明的具体实施方式，所述的实施例是为了进一步描述本发明，而不是限制本发明。
实施例1、目标产物1的制备
(1)中间体1的制备
在玻璃封管中，加入单溴苝酰亚胺(式a1化合物)(546mg，0.702mmol)，1,3,5-苯三硼酸酯(式b化合物)(100mg，0.219mmol)，四氢呋喃8ml和2M碳酸钠水溶液4ml。混合物用氩气鼓气30min。然后在氩气下，加入四(三苯基膦)钯(35mg，0.026mmol)。混合物加热回流48h，然后冷却到室温，加入25ml水，用二氯甲烷(2×25ml)萃取，无水硫酸镁干燥，抽滤，除去溶剂，粗产品通过色谱柱提纯，得到橙色的固体(367mg，80％)，即中间体1。反应方程式如下：
中间体1的结构确证数据如下：1H NMR(400MHz,CDCl3)δ＝8.67(m,21H),8.05(s,3H),5.12(m,6H),2.21(m,12H),1.87(m,12H),1.29(m,72H),0.84(m,36H)；13C NMR(100MHz,CDCl3):δ＝163.94,139.32,134.96,134.25,132.66,131.38,130.31,129.92,129.29,128.98,128.51,127.80,124.35,123.74,123.10,55.14,54.94,32.56,32.48,31.75,31.72,26.65,22.46,22.43,13.93,13.84；HRMS(MALDI,100％):C144H162N6O12理论值:2167.22562；实测值：2167.22519。
(2)目标产物1的制备
在玻璃试管中，加入中间体1(200mg，0.092mmol)、I2(100mg)和甲苯200ml，混合物在500W汞灯下照射12h，然后，混合物一次用饱和亚硫酸钠水溶液(2×200ml)萃取，卤水(200ml)洗涤，无水硫酸镁干燥，过滤，除去溶剂，得到粗产品，色谱柱提纯，得到暗红色固体(169mg，85％)，即目标产物1。反应方程式如下：
目标产物1的结构确证数据如下：1H NMR(400MHz,CDCl3)δ＝9.54(s,3H),9.49(d,9H),9.23(d,6H),5.05(m,6H),2.07(m,12H),1.87(m,12H),1.25(s,72H),0.77(d,36H)；13C NMR(100MHz,CDCl3):δ＝164.24,163.97,134.62,133.55,130.31,129.06,127.48,126.45,125.26,124.45,124.15,123.07,123.02,54.86,32.33,32.19,31.55,31.46,26.48,22.41,22.30,13.85,13.80；HRMS(MALDI,100％):C144H156N6O12理论值:2161.17867；实测值：2161.17738。
实施例2、目标产物2的制备
本实施例制得的目标产物2的结构式如下：
制备方法如下：
1)以四氢呋喃和碳酸钠水溶液为溶剂、四(三苯基膦)钯为催化剂，将单溴苝酰亚胺(式a2化合物)和1,3,5-苯三硼酸酯加热回流反应45小时，得到中间体2；其中，所述的单溴苝酰亚胺(式a2化合物)和1,3,5-苯三硼酸酯的摩尔比为3：1；
2)将中间体2、I2和甲苯的混合物在汞灯下照射10h后用饱和亚硫酸钠水溶液萃取，再经洗涤、干燥、过滤、色谱柱提纯，得到目标产物2；其中，中间体2与I2的质量比为1：1；中间体2与甲苯的质量体积比为1g：1ml。
实施例3、目标产物3的制备
本实施例制得的目标产物3的结构式如下：
制备方法如下：
1)以四氢呋喃和碳酸钠水溶液为溶剂、四(三苯基膦)钯为催化剂，将单溴苝酰亚胺(式a3化合物)和1,3,5-苯三硼酸酯加热回流反应50小时，得到中间体3；其中，所述的单溴苝酰亚胺(式a3化合物)和1,3,5-苯三硼酸酯的摩尔比为3.5：1；
2)将中间体3、I2和甲苯的混合物在汞灯下照射15h后用饱和亚硫酸钠水溶液萃取，再经洗涤、干燥、过滤、色谱柱提纯，得到目标产物3；其中，中间体3与I2的质量比为3：1；中间体3与甲苯的质量体积比为1g：1ml。
实施例4、目标产物4的制备
本实施例制得的目标产物4的结构式如下：
制备方法同实施例1，所不同的是，以式a4化合物为反应原料得到中间体4，再将中间体4按照实施例1的方法得到目标产物4。
实施例5、目标产物5的制备
本实施例制得的目标产物5的结构式如下：
制备方法同实施例1，所不同的是，以式a5化合物为反应原料得到中间体5，再将中间体5按照实施例1的方法得到目标产物5。
实施例6、目标产物6的制备
本实施例制得的目标产物6的结构式如下：
制备方法同实施例1，所不同的是，以式a6化合物为反应原料得到中间体6，再将中间体6按照实施例1的方法得到目标产物6。
实施例7、目标产物7的制备
本实施例制得的目标产物7的结构式如下：
制备方法同实施例1，所不同的是，以式a7化合物为反应原料得到中间体7，再将中间体7按照实施例1的方法得到目标产物7。
以下为目标产物8-17。
目标产物8-17的结构式如下：
R1为不同的基团对应的目标产物如下表1所示：
表1
各目标产物的制备方法参照实施例1。
试验例1、齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物(目标产物1)有机太阳能电池器件及其光电转换性能
ITO电极的修饰：ITO玻璃经过洗洁精水、去离子水、丙酮、异丙醇超声清后，紫外-臭氧发生装置进行UVO处理1h，再旋涂聚对苯乙烯磺酸/聚二氧乙基噻吩(PEDOT：PSS)水溶液，最后在150℃下烘30min。
有机太阳能电池器件的制备：按1：1的重量比称取PBDT-TS1(Chem.Mater.2014,26,3603-3605)和实施例1制备得到的不对称取代的齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物(目标产物1)，混合后加入超干的邻二氯苯溶剂溶解，制得10mg/mL的活性层混合溶液，60℃下搅拌过夜，通过旋涂方式在PEDOT:PSS修饰后的ITO玻璃上铺上PBDT-TS1/苝活性层薄膜，然后在真空度为5×10-5Pa的条件下，通过真空沉积的方式蒸镀厚度分别为20nm的钙和80nm的铝电极，制备面积为2mm×3mm的光伏电池。
该器件的光伏性能表现为：在模拟太阳光(AM1.5，100mw/cm2)照射下，产生光电转化，所测试的电池性能为：开路电压0.87V；短路电流Jsc＝16.94mA/cm2；填充因子FF＝51.23；光电转换效率为7.55％。
按照试验例1的方法考察了目标产物有机太阳能电池器件及其光电转换性能，所测试的电池性能如下表2所示：
表2

Claims (10)

1.一种齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物，其特征在于，所述的齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物的结构式如式(I)所示：
其中，R1选自如下任意一种基团：C2-60的烷基、含取代基的烷基、烷氧基、含取代基的烷氧基、芳香基、含取代基的芳香基、烷基芳香基、含取代基的烷基芳香基、烷基杂芳香基、含取代基的烷基杂芳香基、烷基杂环基或含取代基的烷基杂环基；
式(I)中各位置上的R1相同或不同。
2.根据权利要求1所述的齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物，其特征在于，
所述取代基选自：甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、羟基、巯基、氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、氰基、醛基、脂基、磺基、亚磺基、硝基、氨基、亚氨基、羧基或肼基中的至少一种；
所述烷氧基选自：甲氧基、乙氧基、丙氧基、异丙氧基、正丁氧基、仲丁氧基、异丁氧基、叔丁氧基、戊氧基、己氧基、庚氧基、辛氧基、壬氧基、癸氧基、十一碳烷氧基、十二碳烷氧基、十三碳烷氧基、十四碳烷氧基、十五碳烷氧基、十六碳烷氧基、十七碳烷氧基、十八碳烷氧基、十九碳烷氧基或二十碳烷氧基的任一种；
所述芳香基选自：苯基、萘基、蒽基、菲基、并四苯基、并五苯基、三苯胺基、芘基、茚基、联苯基或芴基中的至少一种；
所述杂环基、杂芳基均选自：噻吩、苯并噻吩、吡喃、苯并吡喃、呋喃、苯并呋喃、咪唑、苯并咪唑、吡唑、苯并吡唑、吡咯、苯并吡咯、吡啶、苯并吡啶、吡嗪、苯并吡嗪、吲哚、异吲哚、苯并吲哚、嘧啶、苯并嘧啶、萘啶、苯并萘啶、哒嗪、苯并哒嗪、吲唑、苯并吲唑、嘌呤、苯并嘌呤、喹嗪、苯并喹嗪、喹啉、苯并喹啉、吲嗪、苯并吲嗪、酞嗪、苯并酞嗪、喹喔啉、苯并喹喔啉、噻唑、苯并噻唑、咔啉、苯并咔啉、菲啶、苯并菲啶、菲咯啉、苯并菲咯啉、吖啶、苯并吖啶、吩嗪、苯并吩嗪、吩噻嗪、苯并吩噻嗪、咔唑、苯并咔唑、二并噻吩、二噻吩并吡咯、三并噻吩、四并噻吩或五并噻吩的任一种。
3.根据权利要求2所述的齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物，其特征在于，所述R1选自C2-60的烷基或含取代基的烷基，所述烷基为直链或支链烷基。
4.根据权利要求3所述的齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物，其特征在于，所述R1选自R2选自C3-12的烷基，R2相同或不同；R2优选——C5H11。
5.一种权利要求1-4任意一项所述的齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：
1)以四氢呋喃和碳酸钠水溶液为溶剂、四(三苯基膦)钯为催化剂，将单溴苝酰亚胺和135-苯三硼酸酯加热回流反应，得到中间体；
2)将中间体、I2和甲苯的混合物在汞灯下照射后用饱和亚硫酸钠水溶液萃取，再经洗涤、干燥、过滤、色谱柱提纯，得到目标产物齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物；
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的单溴苝酰亚胺和1,3,5-苯三硼酸酯的摩尔比为3～3.5：1，优选3.2：1；所述的加热回流时间为45～50小时。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，中间体与I2的质量比为1～3：1，优选2：1；中间体与甲苯的质量体积比为1g：1ml；照射时间为10～15h，优选12h。
8.根据权利要求5-7任意一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)的加热回流反应后还包括后处理的过程，所述的后处理为：冷却到室温，加入水，用二氯甲烷萃取，干燥，抽滤，色谱柱提纯。
9.一种权利要求1-5任意一项所述的齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物在作为有机光伏材料的电子受体中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述的齿轮型三聚苝二酰亚胺化合物在作为有机光伏材料的电子受体时，开路电压为0.65～0.87V；短路电流Jsc为16.70～16.94mA/cm2；填充因子FF为51.05～51.23；光电转换效率为7.35～7.55％。
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