CN112920229A - 一种Fe-N无机有机杂核分子导线及其构建方法和应用 - Google Patents

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张倩
庾江喜
朱小明
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Abstract

本发明公开了一种Fe‑N无机有机杂核分子导线及其构建方法和应用，属于光电材料技术领域。该Fe‑N无机有机杂核分子导线的结构式为：
Figure DDA0002927912070000011
式中，R为H、CH3或OCH3；Ar为
Figure DDA0002927912070000012
Figure DDA0002927912070000013
中的一种。其构建方法，以溴取代的三芳胺、乙炔基二茂铁为反应物，碘化亚铜、四(三苯基膦)钯为催化剂，四氢呋喃、三乙胺为反应所需溶剂，构建芳环桥联的二芳胺及乙炔基二茂铁分子导线。并使得到的分子导线具有电子耦合作用，实现在增大分子导线长度前提下，有效实现分子导线的远程传输，为今后合成该类更加复杂且共轭长度更长的分子导线提供了新的设计思路。

Description

一种Fe-N无机有机杂核分子导线及其构建方法和应用
技术领域
本发明涉及光电材料技术领域，特别是涉及一种Fe-N无机有机杂核分子导线及其构建方法和应用。
背景技术
混价化合物被广泛应用于分子电子器件的研究，特别是在分子导线领域，主要通过简单的电化学技术判别连接两个氧化还原活性端基之间桥联的电荷传输能力。最初的研究主要集中在合成同核即相同氧化还原活性端基分子导线，如以相同的金属钌，二茂铁或者有机的三芳胺等作为氧化还原活性端基。近年来，通过研究的深入，发现异核氧化还原活性端基之间也存在不同程度的电子相互作用，如Fe-Ru，Ru-N等。也有文献报道将二茂铁与三芳胺通过C-C单键连在一起，探索其电子耦合作用。其中，合成策略是通过二茂铁硼酸与溴代的三芳胺发生Suzuki偶联反应得到。然而，该策略仅仅适合于合成距离较短的Fe-N类分子导线，不适合分子导线的远程传输。
为了实现分子导线的远程传输性能，本申请创设一种新的Fe-N无机有机杂核分子导线及其构建方法和应用，使其通过增大共轭桥链的长度，提高分子导线的远程传输性能，为进一步探索更优良的分子导线提供新的研究思路。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种Fe-N无机有机杂核分子导线，使其通过增大共轭桥链的长度，提高分子导线的远程传输性能，为进一步探索更优良的分子导线提供新的研究思路。
为解决上述技术问题，本发明提供一种Fe-N无机有机杂核分子导线，所述分子导线化合物的结构式为：
Figure BDA0002927912050000021
式中，R为H、CH3或OCH3；
Ar为
Figure BDA0002927912050000022
中的一种。
本发明还提供所述Fe-N无机有机杂核分子导线的构建方法，包括如下步骤：
在氮气保护下，向反应容器中依次加入溴取代的三芳胺、乙炔基二茂铁、碘化亚铜、四(三苯基膦)钯、四氢呋喃及三乙胺，在搅拌回流条件下，反应12～24小时，冷却，混合体系用二氯甲烷溶剂萃取，所得有机相用饱和NaCl溶液洗涤，然后用无水Na2SO4干燥，过滤，在压强为0.005～0.01Kpa，温度为25～40℃条件下，用旋转蒸发仪旋干滤液，经柱色谱分离，采用二氯甲烷和正己烷的混合液作为洗脱剂，得红色固体，即为所述Fe-N无机有机杂核分子导线；
其中，溴取代的三芳胺、乙炔基二茂铁为反应物，碘化亚铜、四(三苯基膦)钯为催化剂，四氢呋喃、三乙胺为反应所需溶剂。
进一步改进，所述溴取代的三芳胺与乙炔基二茂铁的摩尔比为1:1～1:1.2，所述碘化亚铜的加入摩尔量占原料溴取代的三芳胺量的3％～5％，所述四(三苯基膦)钯的加入摩尔量占原料溴取代的三芳胺量的10％～15％，溶剂四氢呋喃的用量为每毫摩尔溴取代的三芳胺加50～80mL四氢呋喃，溶剂三乙胺的用量为每毫摩尔溴取代的三芳胺加30～40mL三乙胺，其四氢呋喃和三乙胺的体积比为1.5:1～2:1。
进一步改进，所述柱色谱分离采用的洗脱剂为二氯甲烷：正己烷体积比为1:3～1:1的混合液。
进一步改进，所述溴取代的三芳胺为：
Figure BDA0002927912050000031
中的一种。
本发明还提供采用上述的Fe-N无机有机杂核分子导线作为分子导线材料的应用。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
本发明Fe-N无机有机杂核分子导线通过增大共轭桥链的长度，提高分子导线的远程传输性能，为进一步探索更优良的远程传输分子导线提供新的研究思路。其构建方法简单，合成率高。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明实施例1化合物I-1的核磁共振氢谱图；
图2是本发明实施例1化合物I-1的核磁共振碳谱图；
图3是本发明实施例2化合物I-2的核磁共振氢谱图；
图4是本发明实施例2化合物I-2的核磁共振碳谱图。
图5是本发明实施例3化合物I-3的核磁共振氢谱图。
图6是本发明实施例3化合物I-3的核磁共振碳谱图。
具体实施方式
本发明一方面通过在桥中间引入碳碳三键，增大共轭长度，实现分子导线的更远程传输；另一方面通过在三芳胺上改变桥芳环的类型，如苯基、萘基及蒽基，以及改变端位苯环上的取代基类型，如-H、-CH3-、-OCH3，能良好的解决该类分子导线的多样性问题。
本发明构建的Fe-N无机有机杂核分子导线的结构式如下：
Figure BDA0002927912050000041
式中，R为H、CH3或OCH3；
Ar为
Figure BDA0002927912050000042
中的一种。
该Fe-N无机有机杂核分子导线的具体制备构建方法如下：
实施例1：制备苯基桥联的二芳胺及乙炔基二茂铁分子导线
本实施例以溴取代的三芳胺I-1a、乙炔基二茂铁I-b为反应物，碘化亚铜、四(三苯基膦)钯为催化剂，四氢呋喃、三乙胺为反应所需溶剂，且以R为OCH3作为具体实例，进行苯基桥联的二芳胺及乙炔基二茂铁分子导线的构建。具体步骤为：
在圆底烧瓶中依次加入溴取代的三芳胺I-1a 0.2g(0.52mmol)、乙炔基二茂铁I-b0.120g(0.57mmol)、碘化亚铜0.0038g(0.02mmol)、四(三苯基膦)钯0.058g(0.05mmol)、20mL三乙胺及30mL四氢呋喃，该混合体系搅拌下加热回流24h，冷却；然后该混合体系用CH2Cl2溶剂萃取，所得有机相用饱和NaCl溶液洗涤，然后用无水Na2SO4干燥，过滤，在压强为0.01Kpa，温度为25℃下，用旋转蒸发仪旋干滤液，经柱色谱分离，洗脱剂采用二氯甲烷/正己烷(V/V＝1:1)混合液，得213mg的红色固体I-1，产率：80％。
该实施例的化学反应式为：
Figure BDA0002927912050000051
对得到的苯基桥联的二芳胺及乙炔基二茂铁分子导线(C32H27FeNO2)I-1进行元素分析：理论值：C 74.86,H 5.30；测定值：C 74.89,H 5.29。
该苯基桥联的二芳胺及乙炔基二茂铁分子导线的核磁共振氢谱：1H NMR(500MHz,CDCl3):δ3.79(s,6H,OCH3),4.20(s,2H,Fc),4.22(s,5H,Fc),4.46(s,2H,Fc),6.82-6.84(m,6H,Ph),7.05(d,J(HH)＝5.0Hz,4H),7.26(d,J(HH)＝5.0Hz,2H)。如附图1所示。
该苯基桥联的二芳胺及乙炔基二茂铁分子导线的核磁共振碳谱：13C NMR(125MHz,CDCl3):δ55.47(OCH3),66.02(Fc),68.54(Fc),69.89(Fc),71.22(Fc),86.10(Fc-C≡C),86.54(TAA-C≡C),114.76,114.92,119.61,126.85,132.15,140.41,148.26,156.14。如附图2所示。
实施例2：制备萘基桥联的二芳胺及乙炔基二茂铁分子导线
本实施例以溴取代的三芳胺I-2a、乙炔基二茂铁I-b为反应物，碘化亚铜、四(三苯基膦)钯为催化剂，四氢呋喃、三乙胺为反应所需溶剂，且以R为OCH3作为具体实例，进行苯基桥联的二芳胺及乙炔基二茂铁分子导线的构建。具体步骤为：
在圆底烧瓶中依次加入溴取代的三芳胺I-2a 0.431g(1.00mmol)、乙炔基二茂铁0.252g(1.20mmol)、碘化亚铜0.0076g(0.04mmol)、四(三苯基膦)钯0.138g(0.12mmol)、35mL三乙胺及60mL四氢呋喃，混合体系搅拌下加热回流24h，冷却，混合体系用CH2Cl2溶剂萃取，所得有机相用饱和NaCl溶液洗涤，然后用无水Na2SO4干燥，过滤，在压强为0.01Kpa，温度为25℃下，用旋转蒸发仪旋干滤液，经柱色谱分离，洗脱剂采用二氯甲烷/正己烷(V/V＝1:1)混合液，得485mg红色固体I-2，产率：86％。
该实施例的化学反应式为：
Figure BDA0002927912050000061
对得到的萘基桥联的二芳胺及乙炔基二茂铁分子导线(C36H29FeNO2)I-2进行元素分析：理论值：C 76.74,H 5.19；测定值：C 76.71,H 5.21。
该萘基桥联的二芳胺及乙炔基二茂铁分子导线的核磁共振氢谱：1H NMR(500MHz,CDCl3):δ3.76(s,6H,OCH3),4.29(br,7H,including two proton from Fc),4.60(s,2H,Fc),6.76(d,J(HH)＝5.0Hz,4H,Ph),6.92(d,J(HH)＝10.0Hz,4H),7.12(d,J(HH)＝5.0Hz,1H),7.35(t,J(HH)＝10.0Hz,1H),7.54(t,J(HH)＝10.0Hz,1H),7.63(d,J(HH)＝10.0Hz,1H),7.97(d,J(HH)＝10.0Hz,1H),8.40(d,J(HH)＝5.0Hz,1H).如附图3所示。
该萘基桥联的二芳胺及乙炔基二茂铁分子导线的核磁共振碳谱：13C NMR(125MHz,CDCl3):δ55.49(OCH3),65.55(Fc),68.91(Fc),70.00(Fc),71.48(Fc),83.97(Fc-C≡C),93.25(TAA-C≡C),114.52,118.40,123.81,124.96,124.99,126.25,126.60,126.76,130.35,135.02,142.73,144.85,154.87.如附图4所示。
实施例3：制备蒽基桥联的二芳胺及乙炔基二茂铁分子导线
本实施例以溴取代的三芳胺I-3a、乙炔基二茂铁I-b为反应物，碘化亚铜、四(三苯基膦)钯为催化剂，四氢呋喃、三乙胺为反应所需溶剂，且以R为OCH3作为具体实例，进行苯基桥联的二芳胺及乙炔基二茂铁分子导线的构建。具体步骤为：
在圆底烧瓶中依次加入溴取代的三芳胺I-3a 0.508g(1.00mmol)、乙炔基二茂铁0.2521g(1.20mmol)、碘化亚铜0.0095g(0.05mmol)、四(三苯基膦)钯0.1732g(0.15mmol)、35mL三乙胺及70mL四氢呋喃，混合体系搅拌下加热回流24h，冷却，混合体系用CH2Cl2溶剂萃取，所得有机相用饱和NaCl溶液洗涤，然后用无水Na2SO4干燥，过滤，在压强为0.01Kpa，温度为25℃下，用旋转蒸发仪旋干滤液，经柱色谱分离(洗脱剂：二氯甲烷/正己烷(V/V＝1:1)，得509mg红色固体I-3，产率：83％。
该实施例的化学反应式为：
Figure BDA0002927912050000081
对得到的蒽基桥联的二芳胺及乙炔基二茂铁分子导线(C40H31FeNO2)I-3进行元素分析：理论值：C 78.31,H 5.09；测定值：C 78.28,H 5.11。
该蒽基桥联的二芳胺及乙炔基二茂铁分子导线的核磁共振氢谱：1H NMR(500MHz,CDCl3):δ3.71(s,6H,OCH3),4.34(s,5H,Fc),4.36(t,J(HH)＝5.0Hz,2H,Fc),4.72(t,J(HH)＝5.0Hz,2H,Fc),6.71(d,J(HH)＝10.0Hz,4H,Ph),6.97(d,J(HH)＝10.0Hz,4H),7.40(t,J(HH)＝5.0Hz,2H),7.54(t,J(HH)＝5.0Hz,2H),8.15(d,J(HH)＝10.0Hz,2H),8.87(d,J(HH)＝10.0Hz,2H).如附图5所示。
该蒽基桥联的二芳胺及乙炔基二茂铁分子导线的核磁共振碳谱：13C NMR(125MHz,CDCl3):δ55.47(OCH3),65.42(Fc),69.22(Fc),70.10(Fc),71.64(Fc),82.61(Fc-C≡C),100.79(TAA-C≡C),114.58,118.18,121.23,124.95,126.31,126.66,127.53,130.51,133.64,138.07,142.01,153.98.如附图6所示。
针对上述实施例得到的Fe-N无机有机杂核分子导线，通过电化学方法检测其端基Fe-N无机有机之间的电子耦合性质，具体方法为：
测量方法：电化学测量采用的是电化学工作站CHI 660C(CH InstrumentsCompany,USA)。以玻碳电极作为工作电极，铂电极作对电极，Ag+|Ag电极为参比电极。以0.001mol L-1n-Bu4NPF6的CH2Cl2溶液为电解液，被测底物的浓度0.001mol L-1。循环伏安通常以扫描速率为100mV s-1测得，方波伏安在f＝10Hz条件下测得。
数据处理：通过OriginPro 8.0将数据处理成图片。
通过电化学方法对Fe-N无机有机杂核分子导线进行了循环伏安及方波伏安测试，得到了两次氧化还原的电位差值(ΔE)以及平衡常数Kc值，相应结果如下表1所示。
表1 Fe-N无机有机杂核分子导线的电化学数据
Figure BDA0002927912050000091
从上述表1可得出，三个Fe-N无机有机杂核分子导线均呈现了两次连续的单电子氧化还原过程，表明金属Fe与N氧化还原活性中心表现出较强的电子相互作用(耦合)。这说明通过在两个无机有机杂核端基之间插入乙炔基，在有效增大了分子导线的长度前提下，能有效实现分子导线的远程传输。这将为今后合成该类更加复杂且共轭长度更长的分子导线提供了新的设计思路。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种Fe-N无机有机杂核分子导线，其特征在于，所述分子导线化合物的结构式为：
Figure FDA0002927912040000011
式中，R为H、CH3或OCH3；
Ar为
Figure FDA0002927912040000012
中的一种。
2.一种权利要求1所述的Fe-N无机有机杂核分子导线的构建方法，其特征在于，所述构建方法包括如下步骤：
在氮气保护下，向反应容器中依次加入溴取代的三芳胺、乙炔基二茂铁、碘化亚铜、四(三苯基膦)钯、四氢呋喃及三乙胺，在搅拌回流条件下，反应12～24小时，冷却，混合体系用二氯甲烷溶剂萃取，所得有机相用饱和NaCl溶液洗涤，然后用无水Na2SO4干燥，过滤，在压强为0.005～0.01Kpa，温度为25～40℃条件下，用旋转蒸发仪旋干滤液，经柱色谱分离，采用二氯甲烷和正己烷的混合液作为洗脱剂，得红色固体，即为所述Fe-N无机有机杂核分子导线；
其中，溴取代的三芳胺、乙炔基二茂铁为反应物，碘化亚铜、四(三苯基膦)钯为催化剂，四氢呋喃、三乙胺为反应所需溶剂。
3.根据权利要求2所述的构建Fe-N无机有机杂核分子导线的方法，其特征在于，所述溴取代的三芳胺与乙炔基二茂铁的摩尔比为1:1～1:1.2，所述碘化亚铜的加入摩尔量占原料溴取代的三芳胺量的3％～5％，所述四(三苯基膦)钯的加入摩尔量占原料溴取代的三芳胺量的10％～15％，溶剂四氢呋喃的用量为每毫摩尔溴取代的三芳胺加50～80mL四氢呋喃，溶剂三乙胺的用量为每毫摩尔溴取代的三芳胺加30～40mL三乙胺，其四氢呋喃和三乙胺的体积比为1.5:1～2:1。
4.根据权利要求3所述的构建Fe-N无机有机杂核分子导线的方法，其特征在于，所述柱色谱分离采用的洗脱剂为二氯甲烷：正己烷体积比为1:3～1:1的混合液。
5.根据权利要求2至4任一项所述的构建Fe-N无机有机杂核分子导线的方法，其特征在于，所述溴取代的三芳胺为：
Figure FDA0002927912040000021
中的一种。
6.权利要求1所述的Fe-N无机有机杂核分子导线作为分子导线材料的应用。
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