CN114149458B - 一种b/n类有机电致发光材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种B/N类有机电致发光材料及其制备方法与应用，本发明还涉及所述有机电致发光器件本身。本发明所涉及的新型B/N类有机电致发光材料DBTN‑1和DBTN‑2在溶液中和掺杂薄膜状态下表现具有极高的荧光量子产率及高效的热激活延迟荧光的窄谱带绿光发光性质。特别是以上述荧光染料制备成的有机电致发光器件具有高效率以及高色纯度的超纯绿光发光的优点，可应用于面向超高清显示技术等用途。
Description
技术领域
本发明属于有机发光染料技术领域，尤其是一种B/N类有机电致发光材料及其制备方法与应用。
背景技术
有机发光染料在电子器件中具有广泛的应用价值。例如在有机电致发光器件(OLED)中，通过在阴极(Al)和阳极(ITO)两端接上电压，分别注入载流子电子和空穴，其中电子和空穴分别经电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL)到达含有有机发光染料的发光层(EML)，在发光层(EML)中，电子和空穴发生复合，产生激子以荧光或磷光过程向外发射光子的器件。OLED技术具有宽视角、超薄、响应快、发光效率高、可实现柔性显示等优点，同时由于具有可大面积成膜、功耗低等特性，其还是一种理想的平面光源,在未来的节能环保型照明领域具有广阔的应用前景。
近年来，热活化延迟机制荧光(TADF)材料由于可以有效利用三重态激子被广泛开发并应用于电子器件中。特别是OLED领域，这类染料可以同时利用电致激发生成概率25％的单重态激子和生成概率为75％的三重态激子从而获得高的发光效率。截止目前，在OLED器件中引入TADF材料作为发光染料虽然可以实现高效率，但多数情况下色纯度很差，无法满足超高清全彩显示技术高色纯度的技术需求(Rec.2020标准)，具有高效率、高色纯度的新型材料体系亟待开发。近年来，虽然具有多重共振效应(MR)的新型TADF材料被报道可以实现高色纯度发光，(Adv.Mater.,28,2777-2781(2016)；Nat.Photonics(2019)DOI:10.1038/s41566-019-0476-5；Angew.Chem.Int.Ed.,57,11316-11320(2018)；Adv.Opt.Mater.,1801536(2019)；ACS Appl.Mater.Interfaces 11,13472-13480(2019))，但对于绿光OLED器件而言，目前报道的最高质量的绿光OLED器件CIE仅为(0.16,0.71)(Angew.Chem.Int.Ed.,60，23142-23147)，仍远低于Rec.2020绿光标准(CIE为(0.20,0.80)，其中CIEy代表发光中绿光占比，越高绿色越纯)。因此，对面向超高清显示技术的超纯绿光OLED器件而言，发展新型的高效、高色纯度发光材料是必须的。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种B/N类有机电致发光材料及其制备方法与应用。
一种B/N类有机电致发光材料，所述B/N类有机电致发光材料为DBTN-1和/或DBTN-2，其中DBTN-1和DBTN-2结构式为：
一种B/N类有机电致发光材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)在有机溶剂中，将2-氟-6-溴氯苯、3,6-二叔丁基咔唑与碱混合进行碳氮偶联反应生成
(2)将步骤(1)中所述
和4-叔丁基苯胺在金属催化剂和碱的作用下，发生碳氮偶联反应得到
(3)在锂试剂和超干试剂中，将
与BBr3进行合环反应，得到所述B/N类有机电致发光材料。
在本发明的一个实施例中，步骤(1)或步骤(2)中，所述碱为叔丁醇钾、叔丁醇钠和碳酸铯中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，步骤(1)中，所述有机溶剂为二甲基甲酰胺、甲苯和间二甲苯中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，步骤(1)中，所述碱与3,6-二叔丁基咔唑的摩尔比1.5-2.5:1。
在本发明的一个实施例中，步骤(2)中，所述金属催化剂与
的摩尔比为1:10-12。
在本发明的一个实施例中，步骤(2)中，所述金属催化剂为氯化钯、醋酸钯、三二亚苄基丙酮二钯和配体2-二环己基膦基-2′,4′,6′-三异丙基联苯中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，步骤(3)中，所述锂试剂为叔丁基锂、正丁基锂和仲丁基锂中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，步骤(3)中，所述超干试剂为叔丁基苯、邻二甲苯和间三甲苯中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，步骤(3)中，所述锂试剂与
的摩尔比为5-6:1。
在本发明的一个实施例中，步骤(3)中，反应得到的所述B/N类有机电致发光材料为DBTN-1和DBTN-2的混合物，通过硅胶色谱方法进一步将两者进行分离，得到纯化的DBTN-1和DBTN-2。
一种有机电致发光器件，所述有机电致发光器件包括所述的B/N类有机电致发光材料。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明提供的B/N类有机电致发光材料DBTN-1和DBTN-2在溶液/掺杂薄膜中表现出窄半峰宽发光光谱和极高的荧光量子产率及高效的热激活延迟荧光的性质，因此可用于有机电致发光器件中。特别是以DBTN-1和DBTN-2作为掺杂荧光材料构成的有机电致发光器件可实现高效、高色纯度、低效率滚降的超纯绿光电致发光等特点。因此，本发明的DBTN-1和DBTN-2可用作高效、高色纯度的超纯绿光有机电致发光器件的构成成分。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明的B/N类有机电致发光材料DBTN-1和DBTN-2应用于有机电致发光器件的剖面结构示意图，其中，1、玻璃基板；2、空穴传输层；3、电子阻挡层；4、发光层；5、电子传输层；6、阴极层；
图2是试验例1中2wt％的DBTN-2掺杂SF3-TRZ的薄膜的变温瞬态衰减曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1：DBTN-1与DBTN-2的合成
1，中间体1的合成：
在氮气保护下，往250mL两口烧瓶中依次加入3,6-二叔丁基咔唑5.6g(20mmol)，2-氟-6-溴氯苯4.2g(20mmol)，碳酸铯9.8g(30mmol)以及200mL超干N,N-二甲基甲酰胺溶剂。氮气置换后，将所得反应液加热至150℃并搅拌反应24小时。待反应冷却至室温，缓慢倒入500mL去离子水中，搅拌并过滤得到白色滤饼。以PE：DCM(6:1)作为洗脱剂，通过硅胶柱色谱进一步纯化，得到纯白色固体9.0g，产率为96％。
产物表征：1H NMR(600MHz,CDCl3-d)δ8.16(dd,J＝3.5,1.8Hz,2H),7.80(dt,J＝8.1,1.2Hz,1H),7.45(ddt,J＝8.2,6.1,1.7Hz,3H),7.31(t,J＝8.0Hz,1H),7.00(dd,J＝8.5,2.0Hz,2H),1.47(d,J＝2.6Hz,18H).13C NMR(151MHz,CDCl3-d)δ143.13,139.11,137.28,134.52,133.58,129.69,128.31,124.53,123.70,123.37,116.37,109.38,34.75,32.02.MS(MALDI-TOF).Calcd for C26H27BrClN:468.86；Found:468.69.
2，中间体2的合成：
在氮气保护下，往250mL两口反应瓶中依次加入5.2g中间体1(11mmol)，4-叔丁基苯胺746mg(5mmol)，三二亚苄基丙酮二钯458mg(0.5mmol)，四氟硼酸三叔丁基膦290mg(1mmol)，叔丁醇钠2.0g(30mmol)以及150mL超干甲苯溶剂。将反应液置换三次氮气后，加热至回流温度并搅拌反应24小时。待反应冷却至室温，用二氯甲烷和去离子水进行萃取，收集下层有机相，无水硫酸钠干燥，用旋转蒸发仪进行真空浓缩。以PE：EA(4:1)作为洗脱剂，通过硅胶柱色谱进一步纯化，得到白色固体3.8g，产率82％。
产物表征：1H NMR(600MHz,CDCl3-d)δ8.13(t,J＝1.7Hz,4H),7.44–7.38(m,8H),7.31(ddt,J＝16.5,7.0,2.2Hz,4H),7.00(d,J＝8.6Hz,4H),6.92(dd,J＝8.6,1.5Hz,2H),1.45(d,J＝1.5Hz,36H),1.33(s,9H).13C NMR(151MHz,CDCl3-d)δ146.39,145.60,144.57,142.76,139.22,137.62,131.17,128.20,127.71,126.65,126.09,123.55,123.26,121.13,116.27,109.43,34.72,34.28,32.02,31.44.MS(MALDI-TOF).Calcd for C62H67Cl2N3:925.14；Found:925.03.
3，化合物DBTN-2和化合物DBTN-1的合成：在氮气保护下，往100mL两口反应瓶中依次加入1.9g中间体2(2mmol)和60mL超干叔丁基苯溶剂。氮气置换后，将所得反应液降温冷却至-40℃，缓慢滴加3.1mL(5mmol)叔丁基锂的正戊烷溶液(1.6mol/L)。在60℃下搅拌反应6小时后，再次将反应液降温冷却至-40℃，逐滴加入0.5mL三溴化硼(5mmol)，并缓慢升至室温搅拌反应6小时。接着，在冰水浴条件下，缓慢加入0.8mL N，N-二异丙基乙胺，然后将反应液加热至120℃继续反应12小时。待反应冷却至室温，缓慢加入甲醇淬灭，然后用大量二氯甲烷和去离子水进行萃取，收集下层有机相，无水硫酸钠干燥，用旋转蒸发仪进行真空浓缩。以PE作为洗脱剂，通过硅胶柱色谱进一步纯化，分别得到化合物DBTN-2和化合物DBTN-1，其中化合物DBTN-2橘色固体80mg，产率为5％；得到化合物DBTN-1橘色固体10mg，产率为1％。
化合物DBTN-2的表征：1H NMR(600MHz,CDCl3-d)δ9.17(dd,J＝8.5,1.6Hz,1H),9.07(d,J＝1.8Hz,1H),8.88(d,J＝1.8Hz,1H),8.84(d,J＝2.4Hz,1H),8.60(dd,J＝8.6,2.2Hz,1H),8.57-8.52(m,2H),8.48(d,J＝1.8Hz,1H),8.38(d,J＝8.6Hz,1H),8.29(d,J＝2.0Hz,2H),8.26(dd,J＝8.1,2.0Hz,1H),8.21-8.17(m,1H),7.94(d,J＝8.3Hz,1H),7.76-7.65(m,3H),7.56(dd,J＝8.9,2.5Hz,1H),1.70(s,18H),1.54(s,18H),1.52(s,9H).13C NMR(151MHz,CDCl3-d)δ148.34,147.54,146.11,145.90,145.42,145.11,144.96,144.89,142.15,141.46,141.23,138.54,138.29,131.59,130.60,129.78,129.60,127.55,126.92,124.54,124.35,124.09,123.58,122.64,120.51,120.19,117.40,117.18,115.51,114.73,113.78,108.76,108.32,35.29,35.24,34.83,34.78,34.62,32.32,32.25,31.86,31.81,31.50.MS(MALDI-TOF).Calcd for C62H63B2N3:871.83；Found:871.48.
化合物DBTN-1的表征：1H NMR(600MHz,CDCl3-d)δ8.33(d,J＝2.4Hz,1H),7.94-7.90(m,1H),7.61(d,J＝7.7Hz,1H),7.48(dd,J＝13.6,7.1Hz,2H),7.28-7.17(m,3H),7.04(dd,J＝6.4,1.3Hz,1H),1.35(s,9H).13C NMR(151MHz,CDCl3-d)δ151.22,150.94,150.93,148.05,146.77,146.39,144.83,144.04,136.87,133.91,133.78,130.88,130.82,130.51,130.34,130.25,127.90,127.00,124.22,122.55,122.52,121.61,121.14,118.87,116.15,115.57,111.96,35.99,34.93,31.34,31.32,31.28,31.08.MS(MALDI-TOF).Calcd forC62H63B2N3:871.83；Found:871.54.
实施例2
1，中间体1的合成：
在氮气保护下，往250mL两口烧瓶中依次加入3,6-二叔丁基咔唑5.6g(20mmol)，2-氟-6-溴氯苯4.2g(20mmol)，叔丁醇钾(30mmol)以及200mL超干N,N-二甲基甲酰胺溶剂。氮气置换后，将所得反应液加热至150℃并搅拌反应24小时。待反应冷却至室温，缓慢倒入500mL去离子水中，搅拌并过滤得到白色滤饼。以PE：DCM(6:1)作为洗脱剂，通过硅胶柱色谱进一步纯化，得到纯白色固体9.6g。
2，中间体2的合成：
在氮气保护下，往250mL两口反应瓶中依次加入5.2g中间体1(11mmol)，4-叔丁基苯胺746mg(5mmol)，醋酸钯(0.5mmol)，四氟硼酸三叔丁基膦290mg(1mmol)，叔丁醇钠2.0g(30mmol)以及150mL超干甲苯溶剂。将反应液置换三次氮气后，加热至回流温度并搅拌反应24小时。待反应冷却至室温，用二氯甲烷和去离子水进行萃取，收集下层有机相，无水硫酸钠干燥，用旋转蒸发仪进行真空浓缩。以PE：EA(4:1)作为洗脱剂，通过硅胶柱色谱进一步纯化，得到白色固体4.2g。
3，化合物DBTN-2和化合物DBTN-1的合成：在氮气保护下，往100mL两口反应瓶中依次加入1.9g中间体2(2mmol)和60mL超干叔丁基苯溶剂。氮气置换后，将所得反应液降温冷却至-40℃，缓慢滴加3.1mL(5mmol)正丁基锂的正戊烷溶液(1.6mol/L)。在60℃下搅拌反应6小时后，再次将反应液降温冷却至-40℃，逐滴加入0.5mL三溴化硼(5mmol)，并缓慢升至室温搅拌反应6小时。接着，在冰水浴条件下，缓慢加入0.8mLN，N-二异丙基乙胺，然后将反应液加热至120℃继续反应12小时。待反应冷却至室温，缓慢加入甲醇淬灭，然后用大量二氯甲烷和去离子水进行萃取，收集下层有机相，无水硫酸钠干燥，用旋转蒸发仪进行真空浓缩。以PE作为洗脱剂，通过硅胶柱色谱进一步纯化，分别得到化合物DBTN-2和化合物DBTN-1，其中化合物DBTN-2橘色固体75mg；得到化合物DBTN-1橘色固体8.5mg。
实施例3
1，中间体1的合成：
在氮气保护下，往250mL两口烧瓶中依次加入3,6-二叔丁基咔唑5.6g(20mmol)，2-氟-6-溴氯苯4.2g(20mmol)，叔丁醇钠(30mmol)以及200mL超干间二甲苯溶剂。氮气置换后，将所得反应液加热至150℃并搅拌反应24小时。待反应冷却至室温，缓慢倒入500mL去离子水中，搅拌并过滤得到白色滤饼。以PE：DCM(6:1)作为洗脱剂，通过硅胶柱色谱进一步纯化，得到纯白色固体8.5g。
2，中间体2的合成：
在氮气保护下，往250mL两口反应瓶中依次加入5.2g中间体1(11mmol)，4-叔丁基苯胺746mg(5mmol)，氯化钯(0.5mmol)，四氟硼酸三叔丁基膦290mg(1mmol)，叔丁醇钠2.0g(30mmol)以及150mL超干甲苯溶剂。将反应液置换三次氮气后，加热至回流温度并搅拌反应24小时。待反应冷却至室温，用二氯甲烷和去离子水进行萃取，收集下层有机相，无水硫酸钠干燥，用旋转蒸发仪进行真空浓缩。以PE：EA(4:1)作为洗脱剂，通过硅胶柱色谱进一步纯化，得到白色固体4.0g。
3，化合物DBTN-2和化合物DBTN-1的合成：在氮气保护下，往100mL两口反应瓶中依次加入1.9g中间体2(2mmol)和60mL超干邻二甲苯溶剂。氮气置换后，将所得反应液降温冷却至-40℃，缓慢滴加3.1mL(5mmol)仲丁基锂的正戊烷溶液(1.6mol/L)。在60℃下搅拌反应6小时后，再次将反应液降温冷却至-40℃，逐滴加入0.5mL三溴化硼(5mmol)，并缓慢升至室温搅拌反应6小时。接着，在冰水浴条件下，缓慢加入0.8mLN，N-二异丙基乙胺，然后将反应液加热至120℃继续反应12小时。待反应冷却至室温，缓慢加入甲醇淬灭，然后用大量二氯甲烷和去离子水进行萃取，收集下层有机相，无水硫酸钠干燥，用旋转蒸发仪进行真空浓缩。以PE作为洗脱剂，通过硅胶柱色谱进一步纯化，分别得到化合物DBTN-2和化合物DBTN-1，其中化合物DBTN-2橘色固体85mg；得到化合物DBTN-1橘色固体8.5mg。
试验例1
将实施例1得到的荧光掺杂材料DBTN-2在甲苯溶液和以2.5wt％浓度掺杂在2-(9,9'-螺环[芴]-3-基)-4,6-二苯基-1,3,5-三嗪(SF3-TRZ)薄膜中进行光物理性质表征，结果如表1所示：
表1
其中λabs、λem、Stokes shift、FWHM、Es、ET、ΔEST、PLQY分别代表吸收光谱峰位置、发光光谱峰位置、斯托克斯位移、发光光谱半峰宽、最低激发单重态、最低激发三重态、最低激发单重态与最低激发三重态的能级差以及荧光量子产率。由上述结果可以产出，材料在稀溶液和掺杂薄膜条件下的发光光谱处于绿光区域，具有极小的斯托克斯位移、发光谱带很窄，发光效率极高。
进一步的对2wt％的DBTN-2掺杂SF3-TRZ的薄膜进行变温瞬态衰减曲线测试，结果见图2，由图可以看出，其包含明显的瞬时荧光和延迟荧光组分，且延迟荧光组分强度随着环境温度的提升表现出明显的增强，证明了DBTN-2具有显著的热活化延迟荧光特性，可以高效利用三重态激子。
试验例2
以实施例1荧光掺杂材料的有机电致发光器件的制作与性能评价。
使用3mm宽的氧化铟锡(ITO)膜图案的成条纹状的、带有ITO透明电极的玻璃板作为基板。用ITO清洁剂将玻璃基板洗涤后，通过臭氧紫外线进行表面处理15min。将基板放入真空蒸镀腔内用真空蒸镀法进行各层的真空蒸镀，制作剖面图如图1所示的发光面积10mm2的有机电致发光器件。
首先，将前述玻璃基板放入真空蒸镀腔内，降压至1×10-4Pa。然后在图1中所示的玻璃基板1上，作为有机化合物层依次成膜成空穴传输层2、电子阻挡层3、发光层4和电子传输层5，然后成膜阴极层6。以35nm厚的膜厚真空蒸镀的4,4'-环己基二[N,N-二(4-甲基苯基)苯胺](TAPC)作为空穴传输层2，以10nm厚的膜厚真空蒸镀的三(4-咔唑基-9-基苯基)胺(TCTA)为电子阻挡层3，以20nm厚的膜厚真空蒸镀比例为97.5:2.5(质量％)的SF3-TRZ与本发明实施实例1中合成的TADF发光材料DBTN-2作为发光层4，以40nm厚的膜厚真空蒸镀的3,3'-[5'-[3-(3-吡啶基)苯基][1,1':3',1”-三联苯]-3,3”-二基]二吡啶(TmPyPb)作为电子传输层5。其中各个有机材料通过热电阻加热方式成膜。加热化合物以0.1-0.2nm/s的成膜速率真空蒸镀。最后以与ITO条纹正交的方式配置金属掩膜，构成膜阴极6。阴极层6是分别以1nm和100nm的膜厚真空蒸镀氟化锂和铝而形成的两层结构。各个膜厚用触针式膜厚测定器(DEKTAK)测定。进而，将器件密封在水和氧分浓度1ppm以下的氮气氛手套箱内。密封使用玻璃质的密封盖和前述成膜基板环氧性紫外线固化树脂(Nagase ChemteX Corporation制造)。
对所制备的有机电致发光器件施加直流电流，使用Spectrascan PR655亮度计来评价发光性能，使用电脑控制的Keithley 2400数字源表测量电流-电压特性。作为发光特性，测定在随外加直流电压变化下的电致光谱、半峰宽、CIE色坐标值、最大亮度(cd/m2)、外量子效率(％)、功率效率(l m/W)。所制作的器件的测定值为光谱峰值为520nm，半峰宽为29nm，CIE色坐标值为(0.19，0.74)，最大外量子效率为35.2％、最大电流效率为132.9cd/A，最大功率效率为130.4lm/W。
综上所述，本发明提供的新型高效、高色纯度的窄谱带有机电致发光材料DBTN-1和DBTN-2可应用于高效、高色纯度超纯绿光有机电致发光器件中。本发明所涉及的DBTN-1和DBTN-2在稀溶液与掺杂薄膜中表现出具有极高的荧光量子产率及高效的热激活延迟荧光的窄谱带绿光发光性质。特别是以上述荧光染料制备成的有机电致发光器件具有高效率以及高色纯度的超纯绿光发光的优点，可应用于面向超高清显示技术等用途。由此延伸，本发明的新型高效、高色纯度的窄谱带有机电致发光材料还可应用于荧光发光材料、磷光发光材料等各种主客体有机电致发光器件，除了平板显示器等用途外，还可应用于节能照明用途等。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种B/N类有机电致发光材料，其特征在于，所述B/N类有机电致发光材料为DBTN-1和/或DBTN-2，其中DBTN-1和DBTN-2结构式为：
2.一种如权利要求1所述的B/N类有机电致发光材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在有机溶剂中，将2-氟-6-溴氯苯、3,6-二叔丁基咔唑与碱混合进行碳氮偶联反应生成
(2)将步骤(1)中所述
和4-叔丁基苯胺在金属催化剂和碱的作用下，发生碳氮偶联反应得到
(3)在锂试剂和超干试剂中，将
与BBr3进行合环反应，得到所述B/N类有机电致发光材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)或步骤(2)中，所述碱为叔丁醇钾、叔丁醇钠和碳酸铯中的一种或多种。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述有机溶剂为二甲基甲酰胺、甲苯和间二甲苯中的一种或多种。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述金属催化剂与
的摩尔比为1:10-12。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述金属催化剂为氯化钯、醋酸钯、三二亚苄基丙酮二钯和配体2-二环己基膦基-2′,4′,6′-三异丙基联苯中的一种或多种。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述锂试剂为叔丁基锂、正丁基锂和仲丁基锂中的一种或多种。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述超干试剂为叔丁基苯、邻二甲苯和间三甲苯中的一种或多种。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述锂试剂与
的摩尔比为5-6:1。
10.一种有机电致发光器件，其特征在于，所述有机电致发光器件包括权利要求1中所述的B/N类有机电致发光材料。
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