CN108218870A - 一种四氮杂纳米石墨烯功能材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四氮杂纳米石墨烯功能材料及其制备方法。本发明从2，2''，6，6''‑四氟‑1，1':4'，1''‑三联苯和吲哚在碱性条件下发生四重的氮芳基化反应得到四重氮芳基化产物的中间体1，再将中间体1通过Scholl反应条件下得到四氮杂纳米石墨烯功能材料。本发明四氮杂纳米石墨烯功能材料具有良好的热稳定性、化学稳定性、特殊的物理化学性质以及较高的热稳定性，此外，该材料还具有规整的分子结构，可通过自身π‑π堆砌相互作用自组装构筑一维、二维和三维超分子结构，有望做为优良的自组装单元分子应用到有机半导体材料、电致发光材料、太阳能电池、光电二极管等分子器件的新型功能材料中。

Description

一种四氮杂纳米石墨烯功能材料及其制备方法
技术领域
本发明属于有机光电功能材料合成领域，尤其涉及一种四氮杂纳米石墨烯功能材料及其制备方法。
背景技术
纳米石墨烯微结构的多环芳烃（PAHs）由于其独特的物理化学性质及光电性能，可广泛应用于有机发光二极管、 场效应晶体管、 有机光伏电池以及太阳能电池等。新颖的纳米石墨烯分子的设计合成是有关光电子器件研究与应用的基础，向多环芳烃分子骨架中引入杂原子及扩大其π共轭体系是调节多环芳烃物理化学性质和光电性能的重要途径之一。 杂原子的引入可以在不改变多环芳烃几何结构的情况下影响其电子特性，从而改变其物理化学性质及超分子行为（（1）J. Am. Chem. Soc. 2014， 136， 5057；（2）Angew. Chem. Int. Ed. 2010， 49， 8209；（3）中国发明专利申请：CN 103242344 A））。因此，设计和合成结构新颖、 性能更好的氮杂纳米石墨烯分子成为该研究领域的热点问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种四氮杂纳米石墨烯功能材料。
本发明的另一目的在于提供上述四氮杂纳米石墨烯功能材料的制备方法。
本发明是这样实现的，一种四氮杂纳米石墨烯功能材料，该材料的化学结构式如下式（I）所示：
（I）
本发明进一步公开了上述四氮杂纳米石墨烯功能材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）将中间体1溶于二氯甲烷中，在氩气气氛下，以1～2秒/滴的速度向二氯甲烷中滴加含有无水三氯化铁的硝基甲烷溶液，滴加完毕后在0～40℃下反应2~24 h，得到反应液；其中，所述中间体1、二氯甲烷、无水三氯化铁、硝基甲烷溶液的摩尔体积比为0.5 mmol：（200～500）mL：（12～48）mmol：20 mL；
所述中间体1的化学结构式如下式（Ⅱ）所示：
（Ⅱ）
（2）往步骤（1）所得反应液中加入甲醇，搅拌1 h，水洗后干燥有机相，对有机相进行过滤、减压浓缩、重结晶，得到四氮杂纳米石墨烯功能材料；其中，所述中间体1与甲醇的摩尔体积比为0.5 mmol：（50～150）mL。
优选地，在步骤（1）中，所述中间体1、二氯甲烷、无水三氯化铁、硝基甲烷溶液的摩尔体积比为0.5 mmol：200 mL：12 mmol：20 mL。
优选地，在步骤（2）中，所述中间体1与甲醇的摩尔体积比为0.5 mmol：50 mL；所述干燥为用无水硫酸钠进行干燥，所述重结晶为用无水乙醇进行重结晶。
本发明添补现有技术的空白，提供一种结构新颖的四氮杂纳米石墨烯功能材料及其制备方法。本发明从2，2''，6，6''-四氟-1，1':4'，1''-三联苯和吲哚在碱性条件下发生四重的氮芳基化反应得到四重氮芳基化产物（中间体1），化学反应方程式如下所示：
中间体1（式Ⅱ）
再将中间体1通过Scholl反应条件下得到四氮杂纳米石墨烯功能材料，化学反应方程式如下所示：
中间体1（式Ⅱ） 式I
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明四氮杂纳米石墨烯功能材料不仅结构新颖，而且具有良好的热稳定性、化学稳定性、特殊的物理化学性质，此外，该材料还具有规整的分子结构，可通过自身π-π 堆砌相互作用自组装构筑一维、二维和三维超分子结构，有望做为优良的自组装单元分子应用到有机半导体材料、电致发光材料、太阳能电池、光电二极管等分子器件的新型功能材料中。
附图说明
图1是本发明实施例中四氮杂纳米石墨烯功能材料1的质谱图；
图2是本发明实施例中四氮杂纳米石墨烯功能材料1的热重分析图；
图3是本发明实施例中四氮杂纳米石墨烯功能材料1的激发光谱和发射光谱检测结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
（1）在250 mL三口烧瓶中，依次加入20 mmol吲哚、20 mmol氢化钠，磁力搅拌子，然后冷却至0℃，通入氮气5 min后，开始慢慢滴加40 mL N，N-二甲基甲酰胺，滴完后在0℃下搅拌30 min，然后慢慢加入20 mL含有2，2''，6，6''-四氟-1，1':4'，1''-三联苯（商品化试剂，南郑县绿叶材料科技有限公司）的DMF溶液，滴完后，继续搅拌30 min，然后升温至50℃反应72h。
（2）反应结束后，往反应液中加入50 mL食盐水，用二氯甲烷做萃取剂萃取3～4次，合并有机相，用无水硫酸钠干燥有机相、无水乙醇重结晶得到高纯度中间体1。
实施例2
（1）在500 mL烧瓶中将0.5mmol实施例1中所得到的中间体1溶于200 mL干燥的二氯甲烷中，通入氩气10 min，在氩气气氛下，以1～2秒/滴的速度向反应液中滴加20 mL的无水三氯化铁（12 mmol）的硝基甲烷溶液，滴加完后40℃反应2 h；
（2）往步骤（1）中所得到的反应液中加入50 mL甲醇，搅拌1 h，水洗3次，干燥有机相，过滤，减压浓缩溶剂，以乙醇重结晶得到产物，得到黄棕色固体，即四氮杂纳米石墨烯功能材料1，其产率为56%。
实施例3
（1）在500 mL烧瓶中将0.5mmol实施例1中所得到的中间体1溶于200 mL干燥的二氯甲烷中，通入氩气10 min，在氩气气氛下，以1～2秒/滴的速度向反应液中滴加20 mL的无水三氯化铁（48 mmol）的硝基甲烷溶液，滴加完后0 ℃反应24 h；
（2）往步骤（1）中所得到的反应液中加入150 mL甲醇，搅拌1 h，水洗3次，干燥有机相，过滤，减压浓缩溶剂，以乙醇重结晶得到产物，得到黄棕色固体，即四氮杂纳米石墨烯功能材料2，其产率为54%。
实施例4
（1）在500 mL烧瓶中将0.5 mmol实施例1中所得到的中间体1溶于300 mL干燥的二氯甲烷中，通入氩气10 min，在氩气气氛下，以1～2秒/滴的速度向反应液中滴加20 mL的无水三氯化铁（30 mmol）的硝基甲烷溶液，滴加完后20℃反应10 h；
（2）往步骤（1）中所得到的反应液中加入100 mL甲醇，搅拌1 h，水洗3次，干燥有机相，过滤，减压浓缩溶剂，以乙醇重结晶得到产物，得到黄棕色固体，即四氮杂纳米石墨烯功能材料3，其产率为52%。
效果实施例
对实施例1中得到的四氮杂纳米石墨烯功能材料1进行结构分析。
对材料进行质谱分析，结果如图1所示，MALDI-TOF质谱表征数据为：m/z C50H21N4[M] +理论值：678.18，实测值：678.38。（MALDI-TOF源，氯仿)，
对材料热重分析仪和荧光光谱仪进行表征，结果如图2和图3所示，从图2中可以看出，该化合物具有良好的热稳定性；从图3中可以看出，该材料熔点大于300 ℃，说明其具有良好的热稳定性之外，该材料的荧光发射光谱在400~500 nm范围内有较强的绿色荧光。
以上所述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 (4)

1.一种四氮杂纳米石墨烯功能材料，其特征在于，该材料的化学结构式如下式（I）所示：
（I）。
2.权利要求1所述的四氮杂纳米石墨烯功能材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）将中间体1溶于二氯甲烷中，在氩气气氛下，以1～2秒/滴的速度向二氯甲烷中滴加含有无水三氯化铁的硝基甲烷溶液，滴加完毕后在0～40℃下反应2～24 h，得到反应液；其中，所述中间体1、二氯甲烷、无水三氯化铁、硝基甲烷溶液的摩尔体积比为0.5 mmol：（200～500）mL：（12～48）mmol：20 mL；
所述中间体1的化学结构式如下式（Ⅱ）所示：
（Ⅱ）
（2）往步骤（1）所得反应液中加入甲醇，搅拌1 h，水洗后干燥有机相，对有机相进行过滤、减压浓缩、重结晶，得到四氮杂纳米石墨烯功能材料；其中，所述中间体1与甲醇的摩尔体积比为0.5 mmol：（50～150）mL。
3.如权利要求2所述的四氮杂纳米石墨烯功能材料的制备方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述中间体1、二氯甲烷、无水三氯化铁、硝基甲烷溶液的摩尔体积比为0.5 mmol：200 mL：12 mmol：20 mL。
4.如权利要求3所述的四氮杂纳米石墨烯功能材料的制备方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述中间体1与甲醇的摩尔体积比为0.5 mmol：50 mL；所述干燥为用无水硫酸钠进行干燥，所述重结晶为用无水乙醇进行重结晶。
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