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A′-π-A-π-A′型有机小分子及其制备方法与应用技术

技术编号:20855045 阅读:38 留言:0更新日期:2019-04-13 10:47
本发明专利技术提供了一种A′‑π‑A‑π‑A′型有机小分子及其制备方法与应用。A′‑π‑A‑π‑A′型有机小分子,以弱吸电子的TPTI单元为中心核A,3‑己基噻吩、3,3″‑二辛基‑(2,2':5',2″‑三噻吩)为π共轭桥,1,3‑茚满二酮、3‑乙基绕丹宁为吸电子末端A′。其制备方法由中间体M1和A′在溶剂和催化剂的作用下,进行Knoevenagel缩合反应得到。A′‑π‑A‑π‑A′型有机小分子通过改变π桥和不同吸电子末端(A′)能够实现对小分子结构、吸收光谱、带隙、前线分子轨道能级等光电性能的调控,可制备出优异光电性能的小分子光电功能材料,可应用于制备太阳能电池。

【技术实现步骤摘要】
A′-π-A-π-A′型有机小分子及其制备方法与应用
本专利技术涉及太阳能电池
,特别涉及基于噻吩并[2′,3′:5.6]吡啶并[3,4-g]噻吩并[3,2-c]-异喹啉-5,11(4H,10H)-二酮(简称TPTI)结构单元的A′-π-A-π-A′型有机小分子及其制备方法与应用。
技术介绍
有机小分子太阳能电池是一种基于有机小分子的利用光生伏特效应直接实现把太阳能转换为电能的装置。其具有质量轻、价格便宜、制备工艺简单、材料的化学结构可调控性好等优点,在未来的应用上有明显的优势。自上世纪90年代以来,经过近三十年的不懈努力,有机太阳能电池的能量转换效率(PCE)稳步提高,显示出广阔的应用和研发前景。目前,基于引达省单元的受体-给体-受体(A-D-A)型有机小分子叠层太阳能电池的PCE已经超过17%(MengL,ZhangY,WanX,etal.Organicandsolution-processedtandemsolarcellswith17.3%efficiency.Science,2018,361,1094-1098)。而基于小分子给体材料的有机太阳能电池的PCE也已经超过10%(ZhangH,LiuY,SunY,etal.Developinghigh-performancesmallmoleculeorganicsolarcellsviaalargeplanarstructureandanelectron-withdrawingcentralunit.ChemicalCommunications,2016,53,451-454)。但是有机小分子太阳能电池目前仍然存在载流子迁移率低、合成步骤复杂和稳定性较差等问题,需要开发新的光电性能优异的有机小分子给体材料。噻吩并[2′,3′:5.6]吡啶并[3,4-g]噻吩并[3,2-c]-异喹啉-5,11(4H,10H)-二酮(TPTI)是一个含有酰胺键的共轭五环稠环体系,具有良好的平面性和弱吸电子性能。以含TPTI单元的共轭聚合物为给体,富勒烯衍生物(如PCBM)为受体构筑的本体异质结有机太阳能电池显示出良好的光伏性能,其PCE已经超过8%(CaoJ,ChenS,QiZ,etal.Anefficientselenophene-containingconjugatedcopolymerfororganicsolarcells.RSCAdvances,2014,4,5085-5087),这表明TPTI单元在构筑高效有机太阳能电池材料方面有较大的开发潜力。然而,目前基于TPTI单元的有机小分子太阳能电池给体材料还少有报道,尤其是以弱吸电子的TPTI单元为中心核(A),吸电子单元(如1.3-茚满二酮或3-乙基绕丹宁等)为末端(A′),芳杂环类单元为π共轭桥的A′-π-A-π-A′型有机小分子给体材料及其制备方法与光伏应用还尚未见报道。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术中针对TPTI类有机小分子太阳能电池材料种类少,应用领域窄等不足,提供一种基于TPTI的A′-π-A-π-A′型有机小分子,通过改变π桥和不同吸电子末端(A′)能够实现对小分子结构、吸收光谱、带隙、前线分子轨道能级等光电性能的调控,达到制备出优异光电性能的小分子光电功能材料的目的。其制备方法简回收率高,可应用于制备太阳能电池。为解决上述技术问题,本专利技术提供了一种A′-π-A-π-A′型有机小分子,所述A′-π-A-π-A′型有机小分子具有以下式I的结构式:所述式I中:R选自以下基团中的任意一种:R1选自以下基团中的任意一种:-C6H13、-C8H17、-C12H25、-C16H33、A′选自以下基团中的任意一种:做为一个总的技术构思,本专利技术还提供了一种上述的A′-π-A-π-A′型有机小分子的制备方法,所述的A′-π-A-π-A′型有机小分子由中间体M1和A′在溶剂和催化剂的作用下,进行Knoevenagel缩合反应得到,所述中间体M1具有以下式III的结构式:所述式III中:R选自以下基团中的任意一种:R1选自以下基团中的任意一种:-C6H13、-C8H17、-C12H25、-C16H33、上述的制备方法,优选的,所述中间体M1和A′的摩尔比1︰3~4。上述的制备方法,优选的,所述催化剂与所述中间体M1的摩尔比为11~14︰1。上述的制备方法,优选的,所述催化剂为吡啶、哌啶和三乙胺中的一种。上述的制备方法,优选的,所述溶剂为三氯甲烷、乙腈中的一种。上述的制备方法,优选的,所述中间体M1采用以下方法制备得到:S1-1、将化合物1与化合物2反应得到化合物3;S1-2、将化合物3、醋酸钯,碳酸铯,三环己基磷氟硼酸盐和N,N-二甲基乙酰胺(DMF)加热反应得到化合物4;S1-3、将化合物4与溴代琥珀酰亚胺(NBS)进行避光反应得到化合物5;S1-4、将化合物5、3-烷基噻吩锡试剂和四三苯基磷钯混合,加热反应得到化合物6;S1-5、将化合物6、N,N-二甲基乙酰胺和POCl3反应得到中间体M1;所述化合物1为所述化合物2为所述化合物3为:所述化合物4为:所述化合物5为:所述化合物6为:中间体M1的反应路线为:上述的制备方法,优选的,所述S1-1中,所述化合物1和化合物2的摩尔比为2~3︰1。上述的制备方法,优选的,所述S1-2中,所述化合物3、醋酸钯、碳酸铯和三环己基磷氟硼酸盐的摩尔比为1︰0.6~0.8︰12~16︰1~2。上述的制备方法,优选的,所述S1-3中,所述化合物4和NBS的摩尔比为1︰2~3。上述的制备方法,优选的,所述S1-4中,所述化合物5、3-烷基噻吩锡和四三苯基磷钯的摩尔比为1︰3~4︰0.04~0.06。上述的制备方法,优选的,所述S1-5中,所述化合物6、DMF和POCl3的摩尔比为1︰2~3︰3~5。做为一个总的技术构思,本专利技术还提供了一种A′-π-A-π-A′型有机小分子,所述A′-π-A-π-A′型有机小分子具有以下式II的结构式:所述式II中:R选自以下基团中的任意一种:R1选自以下基团中的任意一种:-C6H13、-C8H17、-C12H25、-C16H33、A′选自以下基团中的任意一种:做为一个总的技术构思,本专利技术还提供了一种上述的A′-π-A-π-A′型有机小分子的制备方法,所述的A′-π-A-π-A′型有机小分子由中间体M2和中间体M3在溶剂和催化剂的作用下进行Stille偶联反应得到;所述中间体M2具有以下示IV的结构式:所述中间体M3具有以下式V的结构式:上述的制备方法,优选的,所述中间体M2采用以下方法制备得到:S2-1、将化合物4、四氢呋喃(THF)和二异丙基氨基锂(LDA)在-78℃进行反应,S2-2、继续添加三甲基氯化锡(Me3SnCl)在室温下进行反应得到中间体M2,所述化合物4为:中间体M2的反应路线为:上述的制备方法,优选的,所述中间体M3采用以下方法制备得到:S3-1、将化合物7和A′在溶剂和催化剂的作用下,加热反应得到化合物M3;所述化合物7为中间体M3的反应路线为:上述的制备方法,优选的,所述催化剂为四三苯基磷钯。上述的制备方法,优选的,所述溶剂为甲苯或氯苯。上述的制备方法,优选的,所述中间体M2和中间体M3的摩尔比本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种A′‑π‑A‑π‑A′型有机小分子,其特征在于,所述A′‑π‑A‑π‑A′型有机小分子具有以下式I的结构式:

【技术特征摘要】
1.一种A′-π-A-π-A′型有机小分子,其特征在于,所述A′-π-A-π-A′型有机小分子具有以下式I的结构式:所述式I中:R选自以下基团中的任意一种:R1选自以下基团中的任意一种:-C6H13、-C8H17、-C12H25、-C16H33、A′选自以下基团中的任意一种:2.一种权利要求1所述的A′-π-A-π-A′型有机小分子的制备方法,其特征在于,所述的A′-π-A-π-A′型有机小分子由中间体M1和A′在溶剂和催化剂的作用下,进行Knoevenagel缩合反应得到,所述中间体M1具有以下式III的结构式:所述式III中:R选自以下基团中的任意一种:R1选自以下基团中的任意一种:-C6H13、-C8H17、-C12H25、-C16H33、3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述中间体M1和A′的摩尔比1︰3~4;和/或,所述催化剂与所述中间体M1的摩尔比为15~22︰1;和/或,所述催化剂为吡啶、哌啶和三乙胺中的一种;和/或,所述溶剂为三氯甲烷、乙腈中的一种。4.根据权利要求2或3所述的制备方法,其特征在于,所述中间体M1采用以下方法制备得到:S1-1、将化合物1与化合物2反应得到化合物3;S1-2、将化合物3、醋酸钯,碳酸铯,三环己基磷氟硼酸盐和N,N-二甲基乙酰胺加热反应得到化合物4;S1-3、将化合物4与溴代琥珀酰亚胺进行避光反应得到化合物5;S1-4、将化合物5、3-烷基噻吩锡试剂和四三苯基磷钯混合,加热反应得到化合物6;S1-5、将化合物6、N,N-二甲基乙酰胺和POCl3反应得到中间体M1;所述化合物1为所述化合物2为所述化合物3为:所述化合物4为:所述化合物5为:所述化合物6为:5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述S1-1中,所述化合物1和化合物2的摩尔比为2~3︰1;和/或,所述S1-2中,所述化合物3、醋酸钯、碳酸铯和三环己基磷氟硼酸盐的摩尔比为1︰0.6~0.8︰12~16︰1~2。和/或,所述S1-3中,所述化合物4和溴代琥珀酰亚胺的摩尔比为1︰2~3;和/或,所述S1-4中,所述化合物5、3-烷基噻吩...

【专利技术属性】
技术研发人员:沈平陈龙尹攀曾小英
申请(专利权)人:湘潭大学
类型:发明
国别省市:湖南,43

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