本发明专利技术涉及基于多元芳香环的酰亚胺类共轭小分子及其制备方法与在有机光电器件中的应用。所述材料为稠环苝二酰亚胺为中心核端基为吸电子单元，稠环苝二酰亚胺是由苝二酰亚胺与共轭芳香环单元通过氧化关环反应而成，吸电子端基连接在中心核两端。该类小分子具有较宽的光谱吸收与较高的摩尔吸收系数，可以作为电子受体用于有机光伏器件中，能够获得高效率的有机太阳电池器件。
Imide conjugated small molecules based on polyaromatic rings and their preparation and application in organic optoelectronic devices
【技术实现步骤摘要】
基于多元芳香环的酰亚胺类共轭小分子及其制备方法与在有机光电器件中的应用
本专利技术涉及有机光电材料领域，具体涉及一类基于多元芳香环的酰亚胺类共轭小分子及其制备方法与在有机光电器件中的应用。
技术介绍
能源短缺、环境污染是我国经济可持续发展面临的重大问题。发展新型绿色能源技术是解决上述问题的重要途径之一，而太阳能发电(光伏发电)是众多绿色、可再生能源中的佼佼者，对于降低污染和减少二氧化碳排放，实现低碳经济的发展具有重要意义。有机/聚合物太阳电池因其具有成本低廉、可采用溶液加工制备大面积器件、以及可制成柔性器件等突出优点引起研究学者的广泛关注。伴随近年来材料体系和器件工艺上的创新突破，基于富勒烯衍生物受体型的单节太阳电池的器件效率已经超过11％。但是富勒烯衍生物自身存在的可见光区吸光弱、能级调控范围窄、光化学不稳定、形貌稳定性差等缺点，使得科学家不得不寻找替代它们的受体材料(Acc.Chem.Res.2012,45,723-733)。非富勒烯小分子材料因为其宽的吸收光谱，可以调控的电子能级以及合成简单等优点收到了广泛的关注和研究(Mater.Horiz.,2014,1,470；Acc.Chem.Res,2016,11,2424)。其中A-D-A-D-A型的非富勒烯小分子展现了卓越的器件性能(Joule,2019,3,1140-1151)，自从报道以来，基于A-D-A-D-A型小分子受体的器件性能不断突破，效率已经超过16％(SciChinaChem,2019,62,746-752；Joule,2019,doi.org/10.1016/j.joule.2019.09.010；NatureCommunications,2019,10,1–8.)，这表明，设计合成此类高效的小分子受体材料对有机太阳能光伏器件的广泛应用具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于设计并合成基于多元芳香环的酰亚胺类共轭小分子用于有机光电器件中。基于多元芳香环的酰亚胺类共轭小分子，所述共轭小分子具有以下结构通式:其中，R1为烷基链；Ar为共轭芳香环及其衍生物单元；EG为吸电子单元。进一步地，所述的R1为氢原子、卤素原子或者R1为选自C1～C60的直链、支链或者环状烷基链，其中一个或多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、甲基、乙基、甲氧基、硝基取代；或者所述直链、支链或者环状烷基链中的氢原子被氟原子或上述官能团取代。3、根据权利要求1所述基于多元芳香环的酰亚胺类共轭小分子，其特征在于，所述的Ar单元选自如下结构中的任一种：其中，R2为氢原子、卤素原子或者R2为选自C1～C60的直链、支链或者环状烷基链，其中一个或多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、甲基、乙基、甲氧基、硝基取代；或者所述直链、支链或者环状烷基链中的氢原子被氟原子或上述官能团取代。进一步地，所述的EG单元选自如下结构中的任一种：其中，X、Y选自氢原子、卤素原子、C1～C60的直链、支链或环状烷基、C1～C60的烷氧基或C1～C60的烷硫基、羰基、酯基或氰基。一种基于多元芳香环的酰亚胺类共轭小分子的制备方法，包括以下步骤：1)、将化合物A与化合物和化合物B通过stille偶联反应得到化合物C:2)、化合物C通过Vilsmeier-Haack反应得到化合物D：3)、化合物D通过氧化关环反应得到化合物E：4)、化合物E与EG通过Knoevenagel反应，得到最终多元芳香环的酰亚胺类共轭小分子；其中EG为以下结构中的任意一种：其中，X、Y选自氢原子、卤素原子、C1～C60的直链、支链或环状烷基、C1～C60的烷氧基或C1～C60的烷硫基、羰基、酯基或氰基。上述方法中，所述stille偶联反应为：溶剂为甲苯，催化剂为四三苯基膦钯，催化剂加入量为化合物B的摩尔量的1％～10％；化合物A与化合物B的摩尔量比为3:1～4:1；在100-120℃温度下回流反应12～24h。上述方法中，所述的Vilsmeier-Haack反应条件为：N,N二甲基甲酰胺为溶剂，三氯氧磷为甲酰化试剂，化合物C与三氯氧磷的摩尔量比为15～25，在80-105℃回流反应12～24h。上述方法中，所述的氧化关环反应条件为：以氯苯为溶剂，碘单质为氧化剂，化合物D与碘单质的摩尔比为1:5％～1:10％，在紫外探照灯(波长365nm)的光照下，在140-160℃回流反应24～36h。上述方法中，所述的Knoevenagel反应条件为：以氯仿作溶剂，吡啶为缚酸剂，化合物E与EG的摩尔比为1:4～1:5，60～70℃回流反应24～48h。一种基于多元芳香环的酰亚胺类共轭小分子用于有机光电器件中。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、制备的基于多元芳香环的酰亚胺类共轭小分子在二氯甲烷、氯仿、四氢呋喃、甲苯、氯苯、二氯苯等常见有机溶剂中，可采用溶液加工方式加工(如旋涂)。2、制备的基于多元芳香环的酰亚胺类共轭小分子能够扩宽活性层的光谱吸收范围，提高摩尔吸光系数，实现太阳光的有效吸收和利用。3、制备的基于多元芳香环的酰亚胺类共轭小分子应用到有机太阳电池中的给体材料和受体材料，取得了出色的器件效率。附图说明图1为实施例4制备得到的化合物PPIC的1HNMR；图2为实施例4制备得到的化合物PPIC的13CNMR；图3为实施例4制备得到的化合物PPIC的MALDI-TOF；图4为实施例5制备得到的化合物PPCC的1HNMR；图5为实施例5制备得到的化合物PPCC的13CNMR；图6为实施例5制备得到的化合物PPCC的MALDI-TOF；图7为实施例4制备得到的化合物PPIC和实施例5制备得到化合物PPCC在氯仿溶液中的紫外-可见-近红外吸收光谱图，化合物PPIC和PPCC对应的溶液吸收系数分别为1.354*105cm-1和1.349*105cm-1；图8为实施例4制备得到的化合物PPIC和实施例5制备得到化合物PPCC在薄膜状态下的紫外-可见-近红外吸收光谱图，化合物PPIC和PPCC对应的薄膜吸收边都为784nm，对应的光学带隙为1.58eV；图9为实施例4制备得到的化合物PPIC和实施例5制备得到化合物PPCC的循环伏安(CV)曲线图，Ag/AgCl电极通过Fc/Fc+校正为0.38V，通过电化学计算的PPIC与PPCC的HOMO能级分别为-5.75eV与-5.73eV，LUMO能级分别-3.91eV与-3.95eV。图10为实施例4制备得到的化合物PPIC和实施例5制备得到化合物PPCC作为电子受体，与给体聚合物PBDB-T匹配制备的有机太阳电池器件电流-电压(J-V)曲线图。图11为实施例4制备得到的化合物PPIC和实施例5制备得到化合物P本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于多元芳香环的酰亚胺类共轭小分子，其特征在于，所述共轭小分子具有以下结构通式:/n
【技术特征摘要】
1.基于多元芳香环的酰亚胺类共轭小分子，其特征在于，所述共轭小分子具有以下结构通式:
其中，R1为烷基链；Ar为共轭芳香环及其衍生物单元；EG为吸电子单元。
2.根据权利要求1所述基于多元芳香环的酰亚胺类共轭小分子，其特征在于，所述的R1为氢原子、卤素原子或者R1为选自C1～C60的直链、支链或者环状烷基链，其中一个或多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、甲基、乙基、甲氧基、硝基取代；或者所述直链、支链或者环状烷基链中的氢原子被氟原子或上述官能团取代。
3.根据权利要求1所述基于多元芳香环的酰亚胺类共轭小分子，其特征在于，所述的Ar单元选自如下结构中的任一种：
其中，R2为氢原子、卤素原子或者R2为选自C1～C60的直链、支链或者环状烷基链，其中一个或多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、甲基、乙基、甲氧基、硝基取代；或者所述直链、支链或者环状烷基链中的氢原子被氟原子或上述官能团取代。
4.根据权利要求1所述的基于多元芳香环的酰亚胺类共轭小分子，其特征在于，所述的EG单元选自如下结构中的任一种：
其中，X、Y选自氢原子、卤素原子、C1～C60的直链、支链或环状烷基、C1～C60的烷氧基或C1～C60的烷硫基、羰基、酯基或氰基。
5.权利要求1～4任意项所述基于多元芳香环的酰亚胺类共轭小分子的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、将化合物A与化合物和化合物B通过stille偶联反应得到化合物C:
2)、化合物C通过Vilsmeier-Haack反应得到化合物D：
3)、化...
【专利技术属性】
技术研发人员：张杰，李力，黄飞，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44
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