CN112225899A - 温度调控单质硫与活泼内炔聚合制备聚1,4-二噻烯和聚噻吩的方法、相互转化以及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于含硫聚合物制备的技术领域,公开了一种温度调控单质硫与活泼内炔聚合制备聚1,4‑二噻烯和聚噻吩的方法、相互转化以及应用。本方法在惰性气体的保护下,在碱诱导的条件下,较低温度下合成聚1,4‑二噻烯,在较高温度下,实现聚噻吩的合成。本方法反应条件温和,操作简单、绿色经济、节能环保,具有高反应效率、高原子经济性、高区域选择性的特点。合成的聚1,4‑二噻烯可以向聚噻吩转化。并且合成聚1,4‑二噻烯及聚噻吩具有较高的热稳定性。聚1,4‑二噻烯可应用于氧化物的检测方面,聚噻吩可应用于光电器件等领域。
Description
技术领域
本发明属于高分子化学和材料学领域,具体涉及一种温度调控单质硫与活泼内炔聚合制备聚1,4-二噻烯和聚噻吩的方法、相互转化以及应用。
背景技术
含硫聚合物在光电材料以及热电材料等方面有着广泛的应用。聚1,4-二噻烯由于其结构单元1,4-二噻烯是船型结构,含两个硫原子,容易发生氧化,易脱硫生成噻吩,现有的关于聚1,4-二噻烯的合成报道鲜有报道。聚噻吩也是一类有用的聚合物,在有机太阳能电池、发光二极管、荧光检测以及生物传感中起着重要的作用,而聚噻吩的合成反应步骤繁琐,试剂毒性大,操作复杂,从而限制了这两种材料在工业中的广泛应用。因此,开发经济、绿色高效、操作简便的聚合方法,用于含硫的功能聚合物材料制备势在必行(Chem.Rev.2019,119, 11442-11509;Progress in Polymer Science 2013,38,2053-2069.)。
发明内容
为了解决现有技术的缺点和不足之处,本发明的首要目的在于提供聚1,4- 二噻烯以及聚噻吩两类聚合物。
本发明的另一目的为提供上述聚1,4-二噻烯以及聚噻吩两种聚合物的制备方法。
本发明的再一目的为提供聚1,4-二噻烯向聚噻吩转化的方法并提供上述聚 1,4-二噻烯的应用。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一、一种聚1,4-二噻烯类聚合物,具有如下通式所述的结构:
其中,n为2~300之间的整数;m为0~5之间的整数;R1为芳基或烷基,例如上面所列1-19的取代基团,R2、R3以及R4为芳基或烷基,例如上面所列 20-38的取代基团。
一种聚1,4-二噻烯类聚合物的制备方法,包括如下步骤:
(1)在保护气体下,加入单质硫、炔酮以及碱,再加入有机溶剂,升温至 0-60℃,保持温度并搅拌进行聚合反应;
(2)待步骤(1)反应完全后,将反应母液溶解于有机溶剂中,然后将其加入到一定沉淀剂中进行沉淀,收集沉淀物并室温干燥至恒重,即制得所述的聚1,4-二噻烯类聚合物。
优选的,步骤(1)所述的单质硫为升华硫。
优选的,步骤(1)所述有机溶剂为二甲基亚砜。
优选地,步骤(1)所述的碱为三乙胺,碳酸钾,碳酸钠,氢氧化钠,氢氧化钾,叔丁醇钾,乙醇钠、氟化铯或碳酸铯。
优选地,步骤(1)所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺,N,N-二甲基乙酰胺,二甲基亚砜,甲苯,1,4-二氧六环,1,2-二氯甲烷,1,2-二氯乙烷,乙腈,四氢呋喃或者其混合溶液。
优选的,步骤(1)所述活化炔:单质硫:碱的摩尔比为1:2~6:0.5~3。
优选的,步骤(1)所述炔酮化合物在有机溶液的浓度为0.1~1.5mol/L。
优选的,步骤(1)所述搅拌的转速为200~800rpm,所述聚合反应的时间为0.1~3h。
优选的,步骤(1)所述的保护气体为氮气或稀有气体。
优选的,步骤(2)所述有机溶剂为四氢呋喃。
优选的,步骤(2)所述沉淀剂为甲醇。
优选的,步骤(2)所述的室温干燥的温度为20~30℃。
上述的聚1,4-二噻烯类聚合物在氧化物检测以及特异性识别中的应用。
二、一种聚噻吩类聚合物,具有如下通式所述的结构:
其中,n为2~300之间的整数;m为0~5之间的整数;R1为芳基或烷基,例如上面所列1-19的取代基团,R2、R3以及R4为芳基或烷基,例如上面所列 20-38的取代基团。
一种聚噻吩类聚合物的制备方法,包括如下步骤:
(1)在保护气体下,加入单质硫、炔酮以及碱,再加入有机溶剂,升温至 61-150℃,保持温度并搅拌进行聚合反应;
(2)待步骤(1)反应完全后,将反应母液溶解于有机溶剂中,然后将其加入到一定沉淀剂中进行沉淀,收集沉淀物并室温干燥至恒重,即制得所述的聚噻吩类聚合物。
优选的,步骤(1)所述的单质硫为升华硫。
优选地,步骤(1)所述的碱为三乙胺,碳酸钾,碳酸钠,氢氧化钠,氢氧化钾,叔丁醇钾,乙醇钠、氟化铯或碳酸铯。
优选地,步骤(1)所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺,N,N-二甲基乙酰胺,二甲基亚砜,甲苯,1,4-二氧六环,1,2-二氯甲烷,1,2-二氯乙烷,乙腈,四氢呋喃或者其混合溶液。
优选的,步骤(1)所述活化炔:单质硫:碱的摩尔比为1:2~6:0.5~3。
优选的,步骤(1)所述炔酮化合物在有机溶液的浓度为0.1~1.5mol/L。
优选的,步骤(1)所述搅拌的转速为200~800rpm,所述聚合反应的时间为0.1~3h。
优选的,步骤(1)所述的保护气体为氮气或稀有气体。
优选的,步骤(2)所述有机溶剂为四氢呋喃。
优选的,步骤(2)所述沉淀剂为甲醇。
优选的,步骤(2)所述的室温干燥的温度为20-30℃。
三、一种聚1,4-二噻烯向聚噻吩转化的方法:
其中,n为2~300之间的整数;m为0~5之间的整数;R1为芳基或烷基,例如上面所列1-19的取代基团,R2、R3以及R4为芳基或烷基,例如上面所列 20-38的取代基团。
一种聚1,4-二噻烯向聚噻吩转化的方法,包括如下步骤:
(1)在聚合管中,加入聚1,4-二噻烯,再加入有机溶剂,升温至40~150℃,保持温度并搅拌进行聚合反应;
(2)待步骤(1)反应完全后,将反应母液溶解于有机溶剂中,然后将其加入到一定沉淀剂中进行沉淀,收集沉淀物并室温干燥至恒重,即制得所述的聚噻吩类聚合物。
优选地,步骤(1)所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺,N,N-二甲基乙酰胺,二甲基亚砜,甲苯,1,4-二氧六环,1,2-二氯甲烷,1,2-二氯乙烷,乙腈,四氢呋喃或者其混合溶液。
优选的,步骤(1)所述炔酮化合物在有机溶液的浓度为0.1~1.5mol/L。
优选的,步骤(1)所述搅拌的转速为200~800rpm,所述聚合加热转化的时间为0.1~5h。
优选的,步骤(2)所述有机溶剂为四氢呋喃。
优选的,步骤(2)所述沉淀剂为甲醇。
优选的,步骤(2)所述的室温干燥的温度为20~30℃。
单质硫由于其来源广泛、价格低廉、化学性质丰富,受到化学家的广泛关注。
本发明选取单质硫与活泼内炔作为底物,在碱的诱导下,在较低温度下即可高效生成聚1,4-二噻烯,在较高温度下可得到另一类聚合物聚噻吩。而且室温下得到的聚1,4-二噻烯在加热条件下,即可高效转变为聚噻吩。本发明仅通过碱诱导就将单质硫转化为两种含硫聚合物,不仅解决了工业副产物硫的大量堆积问题,而且反应条件温和,操作简单、绿色经济、节能环保,具有高反应效率、高原子经济性、高区域选择性的特点。合成的聚1,4-二噻烯和聚噻吩具有较高的热稳定性,并且聚1,4-二噻烯在氧化物的检测方面,聚噻吩在光电器件等领域具有一定的应用前景。
与现有技术相比,本发明具有如下优点和有益效果:
(1)本发明的聚合条件温和、绿色经济、工艺简单、聚合效率高、原子利用率高、区域选择性好。
(2)本发明的制备方法无需金属催化剂,仅用碱就能实现炔酮和单质硫的聚合反应。
(3)本发明的制备方法通过温度调控就能实现聚1,4-二噻烯以及聚噻吩两类聚合物的合成。
(4)本发明实现了制得的聚1,4-二噻烯向聚噻吩的转化。
(5)本发明制得的聚1,4-二噻烯以及聚噻吩两类聚合物具有较高的热稳定性能。
(6)本发明制得的聚1,4-二噻烯类聚合物可以实现对氧化物的检测。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的聚1,4-二噻烯、单体以及模型化合物在CDCl3中核磁共振氢谱对比图。
图2为本发明实施例1制备的聚1,4-二噻烯、单体以及模型化合物在CDCl3中核磁共振碳谱对比图。
图3为本发明实施例1制备的聚1,4-二噻烯、单体以及模型化合物的红外吸收光谱图。
图4为本发明实施例1制备的聚1,4-二噻烯的热失重曲线图。
图5为本发明实施例3制备的聚噻吩、单体以及模型化合物在CDCl3中核磁共振氢谱对比图。
图6为本发明实施例3制备的聚噻吩、单体以及模型化合物在CDCl3中核磁共振碳谱对比图。
图7为本发明实施例3制备的聚噻吩、单体以及模型化合物的红外吸收光谱图。
图8为本发明实施例3制备的聚噻吩的热失重曲线图。
图9为本发明实施例1制备的聚1,4-二噻烯加入氧化剂前后的荧光光谱图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明,但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是,以下若有未特别详细说明之过程,均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,视为可以通过市售购买得到的常规产品。
实施例1
一种聚1,4-二噻烯类聚合物,其结构式如P1所示:
所述聚1,4-二噻烯类聚合物通过炔酮和单质硫直接反应制备得到,反应方程式如式(一):
M1为升华硫,可由市场购得,本实例中购自广州牌化学试剂。M2为炔酮,其合成方法如文献所述(Macromolecules 2015,48,1941-1951);
所述聚1,4-二噻烯类聚合物的合成步骤如下:
在10毫升的聚合管中依次加入19.2mg(0.6mmol)单体M1和90.1mg(0.2 mmol)单体M2,再加入16.8mg(0.3mmol)氢氧化钾,然后抽真空换氮气3 次,用注射器注入0.67mL二甲基亚砜,室温反应,以300rpm的速率搅拌10min;反应结束后,将反应母液溶解于4mL四氢呋喃(THF)中,然后将其滴加到甲醇中,然后静置,过滤,洗涤、干燥,得到所述的聚1,4-二噻烯类P1。
经测定分析,聚1,4-二噻烯P1的产率为87%,重均分子量为45500,分子量分布为2.09。该1,4-二噻烯类与其相应单体的核磁共振谱氢谱对比图(*代表溶剂峰)见图1,其核磁共振碳谱对比图如图2。其中,图2中碳谱中化学位移 192.20ppm处对应聚1,4-二噻烯C=O上碳原子的特征峰,炔酮单体中,C=O上碳原子178.05ppm的特征峰消失,碳-碳三键93.82ppm、87.79ppm的特征峰消失,因此可以确定该聚合物为聚1,4-二噻烯。此外,图3为本发明实施例1制备的聚1,4-二噻烯及其相应单体以及模型化合物的红外吸收光谱图。从图3中也可以观测到碳-氧双键红外吸收峰由于其化学环境不同而发生波数的变化,碳-氧双键在单体中的红外吸收峰为1633cm-1,在聚合物中为1661cm-1,与模型化合物较为一致。并且在图3红外谱图中,可以明显观察到聚合物中并没有碳-碳三键的峰,说明其发生了转化。图4为P1的热失重曲线,从图4可以看出,其在失重5%处对应的温度为310℃,表明聚1,4-二噻烯P1具有良好的热稳定性。
实施例2
一种聚1,4-二噻烯类聚合物,其结构式如P1所示:
所述聚1,4-二噻烯类聚合物通过炔酮和单质硫直接反应制备得到,反应方程式如式(一):
M1为升华硫,可由市场购得,本实例中购自广州牌化学试剂。M2为炔酮,其合成方法如文献所述(Macromolecules 2015,48,1941-1951);
所述聚1,4-二噻烯类聚合物的合成步骤如下:
在10毫升的聚合管中依次加入19.2mg(0.6mmol)单体M1和90.1mg(0.2 mmol)单体M2,再加入22.4mg(0.4mmol)氢氧化钾,然后抽真空换氮气3 次,用注射器注入0.67mL二甲基亚砜,室温反应,以300rpm的速率搅拌30min;反应结束后,将反应母液溶解于4mL四氢呋喃(THF)中,然后将其滴加到甲醇中,然后静置,过滤,洗涤、干燥,得到所述的聚1,4-二噻烯P1。
经测定分析,聚1,4-二噻烯P1的产率为96%,重均分子量为47600,分子量分布为3.32。
实施例3
一种聚噻吩类聚合物,其结构式如P2所示:
所述聚噻吩类聚合物炔酮和单质硫直接反应制备得到,反应方程式如式 (二):
M1为升华硫,可由市场购得,本实例中购自广州牌化学试剂。M2为炔酮,其合成方法如文献所述(Macromolecules 2015,48,1941-1951);
所述聚噻吩类聚合物的合成步骤如下:
在10毫升的聚合管中依次加入19.2mg(0.6mmol)单体M1和90.1mg(0.2 mmol)单体M2,再加入16.8mg(0.3mmol)氢氧化钾,然后抽真空换氮气3 次,用注射器注入0.67mL二甲基亚砜,在80℃加热条件下,以300rpm的速率搅拌60min;反应结束后,将反应母液溶解于4mL四氢呋喃(THF)中,然后将其滴加到甲醇中,然后静置,过滤,洗涤、干燥,得到所述的聚噻吩P2。
经测定分析,聚噻吩P2的产率为93%,重均分子量为20400,分子量分布为2.26。
实施例4
一种聚噻吩类聚合物,其结构式如P2所示:
所述聚噻吩类聚合物炔酮和单质硫直接反应制备得到,反应方程式如式 (二):
M1为升华硫,可由市场购得,本实例中购自广州牌化学试剂。M2为炔酮,其合成方法如文献所述(Macromolecules 2015,48,1941-1951);
所述聚噻吩类聚合物的合成步骤如下:
在10毫升的聚合管中依次加入19.2mg(0.6mmol)单体M1和90.1mg(0.2 mmol)单体M2,再加入16.8mg(0.3mmol)氢氧化钾,然后抽真空换氮气3 次,用注射器注入0.67mL二甲基亚砜,在80℃加热条件下,以300rpm的速率搅拌30min;反应结束后,将反应母液溶解于4mL四氢呋喃(THF)中,然后将其滴加到甲醇中,然后静置,过滤,洗涤、干燥,得到所述的聚噻吩P2。
经测定分析,聚噻吩P2的产率为98%,重均分子量为61400,分子量分布为4.12。
该聚噻吩P2与其相应单体的核磁共振谱氢谱对比图(*代表溶剂峰)见图5,其核磁共振碳谱对比图如图6。其中,图6中碳谱中化学位移194.87ppm、190.07 ppm处对应聚噻吩C=O上碳原子的特征峰,并且与模型化合物中C=O双键 195.15ppm、190.40ppm相一致,炔酮单体中,C=O上碳原子178.05ppm的特征峰消失,碳-碳三键93.82ppm、87.79ppm的特征峰消失,因此可以确定该聚合物为聚噻吩。此外,图7为本发明实施例3制备的聚噻吩及其相应单体以及模型化合物的红外吸收光谱图。从图7中也可以观测到碳-氧双键红外吸收峰由于其化学环境不同而发生波数的变化,碳-氧双键在单体中的红外吸收峰为 1633cm-1,在聚合物中为1658cm-1,在模型化合物可以明显看到两个碳-氧双键的吸收峰1653cm-1和1624cm-1。并且在红外谱图中,可以明显观察到聚合物中并没有碳-碳三键的峰,说明其发生了转化。图8为聚噻吩P2的热失重曲线,从图8可以看出,其在失重5%处对应的温度为359℃,其热稳定性要稍优于聚 1,4-二噻烯P1。
聚合物转化实验:
所述聚1,4-二噻烯向聚噻吩转化,反应方程式如式(三):
所述聚1,4-二噻烯向聚噻吩转化的步骤如下:
在10毫升的聚合管中依次加入102.8mg聚合物P1,然后加入3.0mL二甲基亚砜,在80℃加热条件下,以300rpm的速率搅拌6小时;反应结束后,将反应母液溶解于4mL四氢呋喃(THF)中,然后将其滴加到甲醇中,然后静置,过滤,洗涤、干燥,得到所述的聚噻吩P2。
氧化剂实验:
1,4-二噻烯其结构中含有两个硫原子,容易被氧化,从而影响其发光性质。因此,可以利用聚1,4-二噻烯在氧化剂存在的情况下,其结构变化从而导致发光性质的改变,由此可以用于氧化剂的特异性响应。
如图9所示,聚1,4-二噻烯P1并不发光,加入间氯过氧苯甲酸m-CPBA以后,发光性能显著增强。聚1,4-二噻烯类聚合物在氧化剂存在情况下,能被氧化剂点亮。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式,仅用于解释本发明,而非限制本发明,本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
2.一种制备权利要求1任一项所述的聚1,4-二噻烯类聚合物的方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)在保护气氛下,将单质硫、炔酮以及碱加入有机溶剂中,所述炔酮、单质硫及碱的摩尔比为1:2-6:0.5-3,得到混合液,在搅拌状态下升温进行聚合反应,得到反应母液;
(2)将步骤(1)所述反应母液溶解于有机溶剂中,然后加入到沉淀剂进行沉淀,收集沉淀物,干燥至恒重,得到所述聚1,4-二噻烯类聚合物。
3.根据权利要求1所述的聚1,4-二噻烯类聚合物的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述单质硫为升华硫;所述炔酮为双炔酯取代的芳烃、双炔酯取代的烷烃、双炔酮取代的芳烃、双炔酮取代的烷烃、双炔醛取代的芳烃、双炔醛取代的烷烃、芳基或烷基取代的苯二炔、芳基或烷基取代的环辛二炔、芳基或烷基取代的双乙炔基吡啶、芳基或烷基取代的吡啶二炔、芳基或烷基取代的连吡啶二炔、双三氟甲基取代的烷烃或芳烃、双硫三氟甲基取代的烷烃或芳烃中的一种以上;步骤(1)所述碱为三乙胺、碳酸钾、碳酸钠、氢氧化钠、氢氧化钾、叔丁醇钾、乙醇钠、氟化铯或碳酸铯;步骤(1)所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、甲苯、1,4-二氧六环、1,2-二氯甲烷、1,2-二氯乙烷、乙腈及四氢呋喃中的一种以上;步骤(1)所述混合液中,炔酮的浓度为0.1-1.5mol/L;所述保护气体为氮气或稀有气体;步骤(1)所述搅拌的转速为200-800rpm;步骤(1)所述聚合反应的温度为0-60℃,聚合反应的时间为0.1-3h;步骤(2)所述有机溶剂为四氢呋喃;步骤(2)所述沉淀剂为甲醇;步骤(2)所述干燥的温度为20-30℃。
4.权利要求1所述的聚1,4-二噻烯类聚合物作为氧化剂的特异性响应剂中的应用。
6.一种制备权利要求5任一项所述的聚噻吩类聚合物的方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)在保护气体下,将单质硫、炔酮以及碱加入有机溶剂中,步骤(1)所述炔酮、单质硫及碱的摩尔比为1:2-6:0.5-3,得到混合液,在搅拌状态下升温进行聚合反应,得到反应母液;
(2)将步骤(1)所述反应母液溶解于有机溶剂中,然后加入到沉淀剂中进行沉淀,收集沉淀物,干燥至恒重,得到所述聚噻吩类聚合物。
7.根据权利要求6所述的聚噻吩类聚合物的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述单质硫为升华硫;步骤(1)所述碱为三乙胺、碳酸钾、碳酸钠、氢氧化钠、氢氧化钾、叔丁醇钾、乙醇钠、氟化铯或碳酸铯;步骤(1)所述炔酮为双炔酯取代的芳烃、双炔酯取代的烷烃、双炔酮取代的芳烃、双炔酮取代的烷烃、双炔醛取代的芳烃、双炔醛取代的烷烃、芳基或烷基取代的苯二炔、芳基或烷基取代的环辛二炔、芳基或烷基取代的双乙炔基吡啶、芳基或烷基取代的吡啶二炔、芳基或烷基取代的连吡啶二炔、双三氟甲基取代的烷烃或芳烃、双硫三氟甲基取代的烷烃或芳烃中的一种以上;步骤(1)所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、甲苯、1,4-二氧六环、1,2-二氯甲烷、1,2-二氯乙烷、乙腈及四氢呋喃中的一种以上;步骤(1)所述混合液中,炔酮的浓度为0.1-1.5mol/L;步骤(1)所述保护气体为氮气或稀有气体;步骤(1)所述搅拌的转速为200-800rpm;步骤(1)所述聚合反应的温度为61-150℃,聚合反应的时间为0.1-3h;步骤(2)所述有机溶剂为四氢呋喃;步骤(2)所述沉淀剂为甲醇;步骤(2)所述干燥的温度为20-30℃。
9.根据权利要求8所述的聚1,4-二噻烯类聚合物向聚噻吩类聚合物转化的方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)在聚合管中,加入聚1,4-二噻烯类聚合物,再加入有机溶剂,所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、甲苯,1,4-二氧六环、1,2-二氯甲烷、1,2-二氯乙烷、乙腈及四氢呋喃中的一种以上,在搅拌状态下升温进行聚合加热转化反应,得到反应母液;
(2)将步骤(1)所述反应母液溶解于有机溶剂中,然后加入沉淀剂中进行沉淀,收集沉淀物并室温干燥至恒重,即制得所述的聚噻吩类聚合物。
10.根据权利要求9所述的聚1,4-二噻烯类聚合物向聚噻吩类聚合物转化的方法,其特征在于,步骤(1)所述聚1,4-二噻烯在有机溶剂中的浓度为0.1-1.5mol/L;所述搅拌的转速为200-800rpm;所述聚合加热转化反应的时间为0.1-5h,所述聚合加热转化的温度为61-150℃。
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CN202011000697.4A Pending CN112225899A (zh) | 2020-09-22 | 2020-09-22 | 温度调控单质硫与活泼内炔聚合制备聚1,4-二噻烯和聚噻吩的方法、相互转化以及应用 |
Country Status (1)
Country | Link |
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CN (1) | CN112225899A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113429575A (zh) * | 2021-06-17 | 2021-09-24 | 华南理工大学 | 一种含硒/碲杂环类聚合物及其制备方法和转化方法 |
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CN105367584A (zh) * | 2015-09-22 | 2016-03-02 | 兰州交通大学 | 一种含硫的取代基取代的二噻吩衍生物及其共轭聚合物的制备方法及应用 |
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2020
- 2020-09-22 CN CN202011000697.4A patent/CN112225899A/zh active Pending
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