一种马鞍型苝酰亚胺四聚体及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种马鞍型苝酰亚胺四聚体及其制备方法与应用，马鞍型苝酰亚胺四聚体以环辛四烯作为构筑单元，在环辛四烯的碳碳双键处稠和杂环基，然后以该结构作为母核，在杂环基的活泼位点偶联四个苝酰亚胺，形成新型的苝酰亚胺四聚体，并进一步提供经光化学氧化关环的苝酰亚胺四聚体。本发明专利技术的马鞍型苝酰亚胺四聚体解决了现有苝酰亚胺衍生物容易聚集，光电转化效率低的技术问题，可以将其作为受体材料应用在有机太阳能电池中。

【技术实现步骤摘要】
一种马鞍型苝酰亚胺四聚体及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种马鞍型苝酰亚胺四聚体及其制备方法与应用，属于有机光伏材料

技术介绍
为了减轻当前能源危机所带来的压力，世界各国广泛重视清洁能源的利用，其中，有机太阳能电池因具有成本低、质量轻、柔韧性好、可大面积印刷制备等优点引起关注，并随着有机太阳能电池的能量转换效率逐步提高，昭示了有机太阳能电池商业化的美好前景。有机光伏材料分为给体材料和受体材料，其中，富勒烯衍生物由于其独特的结构和高性能被广泛用作电子受体，但是其成本较高，吸收光谱和能级难以调制，共混膜形貌不稳定，而非富勒烯受体能克服相关问题并且具有易于调整的化学结构，易于合成，纯化等潜在的优势，因此受到人们的广泛关注。目前有许多缺电子单元，如萘二酰亚胺(NDI)、苝二酰亚胺(PDI)、苯并噻唑(BT)等，可用于合成非富勒烯受体。其中，基于苝酰亚胺的非富勒烯受体材料具有很多优点：如化学、热力学和光学稳定性好，在可见光范围内具有强且宽的吸收，具有强的电子接受能力、电子迁移率高，而且可以通过化学修饰来调节其能级，因此，基于苝酰亚胺的非富勒烯受体材料受到广泛关注和研究。但是，由于苝酰亚胺自身所具有的较高平面性，分子间极强的作用力导致较为严重的分子聚集，造成较大的结晶区域，导致相分离尺度增大、激子分离和扩散的效率降低，进而制约了器件的载流子传输及光电转化效率的提升。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：为解决现有苝酰亚胺衍生物容易聚集，光电转化效率低的技术问题，提供一种马鞍型苝酰亚胺四聚体及其制备方法与应用。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种马鞍型苝酰亚胺四聚体，其结构由式Ⅰ所示：本专利技术还提供一种马鞍型苝酰亚胺四聚体，其结构由式Ⅱ所示：其中，------表示有连接键或无连接键，当有连接键时，R2为O、S、Se、Te、CH2、SiH2、GeH2、NH中的任意一种，不同位置的R2相同或者不同；X为O、S、Se、Te、CH2、SiH2、GeH2、NH中的任意一种，不同位置的X相同或不同；R1为CHR4R4，R4选自C3-12的烷基，不同位置的R4相同或不同。本专利技术还提供一种式Ⅰ所示的马鞍型苝酰亚胺四聚体的制备方法，包括以下步骤：将式Ⅲ所示结构的化合物在惰性气体保护下加入惰性有机溶剂，在-90℃～-60℃的温度下加入正丁基锂或特丁基锂，升温至50℃-70℃下反应，之后降温至-90℃～-60℃下加入Sn(C4H9)3Cl，再升至室温反应，最后在-90℃～-60℃下加入淬灭剂淬灭反应，反应液经后处理得式Ⅳ所示结构的化合物；将式Ⅳ所示结构的化合物中加入式Ⅴ所示结构的化合物、四三苯基磷钯或醋酸钯、三(邻甲基苯基)磷，在惰性气体保护下加入惰性有机溶剂，加热至100-120℃反应，反应液经后处理得式Ⅰ所示的马鞍型苝酰亚胺四聚体；其中，------表示有连接键或无连接键，当有连接键时，R2为O、S、Se、Te、CH2、SiH2、GeH2、NH中的任意一种，不同位置的R2相同或者不同；X为O、S、Se、Te、CH2、SiH2、GeH2、NH中的任意一种，不同位置的X相同或不同；R1为CHR4R4，R4选自C3-12的烷基，不同位置的R4相同或不同。优选地，所述式Ⅲ所示结构的化合物、正丁基锂或特丁基锂、Sn(C4H9)3Cl的摩尔比为1:8-12:6-10，所述Ⅳ所示结构的化合物、式Ⅴ所示结构的化合物、四三苯基磷钯或醋酸钯、三(邻甲基苯基)磷的摩尔比为1:3-7:0.3-1:1.5-5。优选地，制备式Ⅳ所示结构的化合物时，正丁基锂或特丁基锂的加入方式为逐滴加入正丁基锂或特丁基锂溶液，反应液的后处理方式为：用CH2Cl2或CHCl3萃取反应液，有机相经干燥、过滤、除去溶剂，得式Ⅳ所示结构的化合物。优选地，制备式Ⅰ所示的马鞍型苝酰亚胺四聚体时，反应液的后处理方式为：将反应液加入CH3OH，搅拌至固体全部析出，过滤，滤饼用CH3OH索提，索提剩余固体用CH2Cl2或CHCl3溶解，旋出溶剂后得粗品，之后将粗品经柱层析分离得式Ⅰ所示的马鞍型苝酰亚胺四聚体。优选地，柱层析分离的硅胶为300-400目，淋洗液为石油醚与二氯甲烷的混合溶液。本专利技术还提供一种式Ⅱ所示的马鞍型苝酰亚胺四聚体的制备方法，包括以下步骤：将式Ⅰ-1所示的马鞍型苝酰亚胺四聚体和I2溶于惰性有机溶剂中，经光化学氧化关环，将反应液后处理得式Ⅱ所示的马鞍型苝酰亚胺四聚体；其中，------表示有连接键或无连接键，当有连接键时，R2为O、S、Se、Te、CH2、SiH2、GeH2、NH中的任意一种，不同位置的R2相同或者不同；X为O、S、Se、Te、CH2、SiH2、GeH2、NH中的任意一种，不同位置的X相同或不同；R1为CHR4R4，R4选自C3-12的烷基，不同位置的R4相同或不同。优选地，所述式Ⅰ-1所示的马鞍型苝酰亚胺四聚体和I2的摩尔比为1:2-2.5。优选地，所述反应液的后处理方式为：用CH2Cl2或CHCl3萃取反应液，有机相经干燥、过滤、除去溶剂得粗品，然后将粗品经柱层析分离得式Ⅱ所示的马鞍型苝酰亚胺四聚体，所述柱层析分离的硅胶为300-400目，淋洗液先用CH2Cl2或CHCl3，再用CH2Cl2与CH3OH的混合溶液。优选地，所述惰性有机溶剂为甲苯、四氢呋喃、乙醚、三氯甲烷、二氯甲烷中的至少一种。优选地，所述淬灭剂为甲醇、水、饱和碳酸氢钠溶液、饱和亚硫酸氢钠溶液、饱和硫代硫酸钠溶液中的至少一种。本专利技术还提供一种马鞍型苝酰亚胺四聚体作为受体材料在有机太阳能电池中的应用。本专利技术的有益效果是：本专利技术的马鞍型苝酰亚胺四聚体以环辛四烯作为构筑单元，在环辛四烯的碳碳双键处稠和杂环基，然后以该结构作为母核，在杂环基的活泼位点偶联四个苝酰亚胺，形成新型的苝酰亚胺四聚体，并进一步提供经光化学氧化关环的苝酰亚胺四聚体，这种扭曲的三维几何结构，有效地防止了分子间的紧密堆积，抑制了材料的结晶性，从而改善了其作为太阳能电池受体材料的性能。本专利技术的新型苝酰亚胺四聚体用作有机光伏材料中的电子受体时，短路电流为14.81-16.02mA/cm2，开路电压为0.91-0.94V，填充因子为47.63-52.03％，光电转换效率为6.43-9.0％。附图说明图1为本专利技术所涉及化合物式(Ⅰ-A)的核磁共振氢谱图；图2为本专利技术所涉及化合物式(Ⅰ-A)的核磁共振碳谱图；图3为本专利技术所涉及化合物式(Ⅰ-A)的紫外可见吸收图；图4为本专利技术所涉及化合物式(Ⅰ-B)的核磁共振氢谱图；图5为本专利技术所涉及化合物式(Ⅰ-B)的紫外可见吸收图；图6为本专利技术所涉及化合物式(Ⅱ-A)的核磁共振氢谱图；图7为本专利技术所涉及化合物式(Ⅱ-A)的紫外可见吸收图；图8为本专利技术所涉及化合物式(Ⅱ-B)的核磁共振氢谱图；图9为本专利技术所涉及化合物式(Ⅱ-B)的紫外可见吸收图；图10为本专利技术所涉及化合物式(Ⅰ-C)的核磁共振氢谱图；图11为本专利技术所涉及化合物式(Ⅰ-C)的紫外可见吸收图。具体实施方式现在对本专利技术作进一步详细的说明。实施例1(1)中间体化合物(Ⅳ)的制备将式Ⅲ所示结构的化合物(225mg,0.34mmol,1.0eq)加入到100mLSchlenk中，抽真空干燥0.5h，期间换氩气3次，加入30mL四本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种马鞍型苝酰亚胺四聚体，其特征在于，其结构由式Ⅰ所示：

【技术特征摘要】
1.一种马鞍型苝酰亚胺四聚体，其特征在于，其结构由式Ⅰ所示：其中，表示有连接键或无连接键，当有连接键时，R2为O、S、Se、Te、CH2、SiH2、GeH2、NH中的任意一种，不同位置的R2相同或者不同；X为O、S、Se、Te、CH2、SiH2、GeH2、NH中的任意一种，不同位置的X相同或不同；R1为CHR4R4，R4选自C3-12的烷基，不同位置的R4相同或不同。2.根据权利要求1所述的马鞍型苝酰亚胺四聚体，其特征在于，其结构由式Ⅱ所示：其中，表示有连接键或无连接键，当有连接键时，R2为O、S、Se、Te、CH2、SiH2、GeH2、NH中的任意一种，不同位置的R2相同或者不同；X为O、S、Se、Te、CH2、SiH2、GeH2、NH中的任意一种，不同位置的X相同或不同；R1为CHR4R4，R4选自C3-12的烷基，不同位置的R4相同或不同。3.一种式Ⅰ所示的马鞍型苝酰亚胺四聚体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将式Ⅲ所示结构的化合物在惰性气体保护下加入惰性有机溶剂，在-90℃～-60℃的温度下加入正丁基锂或特丁基锂，升温至50℃-70℃下反应，之后降温至-90℃～-60℃下加入Sn(C4H9)3Cl，再升至室温反应，最后在-90℃～-60℃下加入淬灭剂淬灭反应，反应液经后处理得式Ⅳ所示结构的化合物；将式Ⅳ所示结构的化合物中加入式Ⅴ所示结构的化合物、四三苯基磷钯或醋酸钯、三(邻甲基苯基)磷，在惰性气体保护下加入惰性有机溶剂，加热至100-120℃反应，反应液经后处理得式Ⅰ所示的马鞍型苝酰亚胺四聚体；其中，表示有连接键或无连接键，当有连接键时，R2为O、S、Se、Te、CH2、SiH2、GeH2、NH中的任意一种，不同位置的R2相同或者不同；X为O、S、Se、Te、CH2、SiH2、GeH2、NH中的任意一种，不同位置的X相同或不同；R1为CHR4R4，R4选自C3-12的烷基，不同位置的R4相同或不同。4.根据权利要求3所述的马鞍型苝酰亚胺四聚体的制备方法，其特征在于，所述式Ⅲ所示结构的化合物、正丁基锂或特丁基锂、Sn(C4H9)3Cl的摩尔比为1:8-12:6-10，所述Ⅳ所示结构的化合物、式Ⅴ所示结构的化合...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋金生，杨丽思，王华，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：河南,41