一种噻吩并苯并噻二唑二酮有机化合物、其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种噻吩并苯并噻二唑二酮有机化合物，其结构式如下：

A thiophene benzothiadiazole organic compound, its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种噻吩并苯并噻二唑二酮有机化合物、其制备方法与应用
本专利技术属于有机化合物
，具体涉及一种噻吩并苯并噻二唑二酮有机化合物、其制备方法与应用。
技术介绍
有机太阳能电池由于其在低成本、易于大面积、柔性器件制备等上的巨大潜力，近几十年来备受关注。经过二十多年的发展，目前单层本体异质结的有机太阳能电池的效率已经达到16％以上，在未来将有更广大的前景。
技术实现思路
本专利技术提供一种噻吩并苯并噻二唑二酮有机化合物，具有带隙窄、平面性好，以及刚性强等特点，通过聚合反应可作为有机光电活性给体材料。该有机化合物的结构式如下：其中，R1为C1-C20烷基以及C1-C20的烷氧基中的一种；Ar为以下基团之一：噻吩基团、噻吩衍生物基团、并二噻吩基团、并二噻吩衍生物基团、并三噻吩基、并三噻吩衍生物基团、苯并二噻吩基团、苯并二噻吩衍生物基团、吡咯并二噻吩基团、吡咯并二噻吩衍生物基团、戊烷并二噻吩基团、戊烷并二噻吩衍生物基团。上述衍生物基团包括但不限于如下结构式(虚线为连接位置)：上述各结构式中，R2为C1-C20的烷基，C1-C20的烷氧基、羰基、酯基、苯基、取代苯基、噻吩基、或取代噻吩基(C1-C20中含有羰基、酯基、苯基、取代苯基、噻吩基、取代噻吩基)。本专利技术还提供一种制备上述苯并噻二唑二酮聚合物的方法，包括如下步骤：(1)采用2,1,3-苯并噻二唑-4,7-二硼酸频那醇酯A和化合物B通过Suzuki偶联反应，得到中间体C，反应路线如下所示：(2)中间体C与NBS反应，得到如下化合物D：(3)化合物D和化合物E通过Stille偶联反应得到化合物F，反应路线如下所示：(4)化合物F先进行水解反应，提纯后再和NBS(N-溴代丁二酰亚胺)反应得到如下化合物G：(5)化合物G通过Friedel-Crafts反应得到如下所示的噻吩并苯并噻二唑二酮聚合物：本专利技术在聚合物中引入醌式共轭结构单元，具有如下有益效果：(1)该有机化合物具有良好的溶解性，易于加工成膜，经提纯后具有高的化学纯度；(2)该有机化合物中引入二酮，增加了有机化合物分子的刚性和平面性；(3)该有机化合物可与含锡单体化合物，例如PDBT、PDBT-2F、PDBT-2Cl等发生锡溴偶联聚合反应得到聚合物，该聚合物可作为有机光电活性给体材料，通过增长给体单元的π-π共轭长度使π-电子更有利于沿整个聚合物骨架分布，有利于载流子的迁移，与常用受体材料，例如IDIC、ITIC、Y6等有较好的能级匹配。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。下述实施例中的所述试验方法，若无特殊说明，均为常规方法；所述材料和试剂，若无特殊说明，均可从商业途径获得。实施例1：本实施例中，噻吩并苯并噻二唑二酮SM1的化学结构如下：该噻吩并苯并噻二唑二酮SM1的制备方法包括如下步骤：(1)采用2,1,3-苯并噻二唑-4,7-二硼酸频那醇酯A和化合物B通过Suzuki偶联反应，得到中间体C，反应路线如下所示：具体过程是：在三口瓶中加入化合物A和化合物B，然后加入中和剂碳酸钾、少量水和催化剂，催化剂为四三苯基膦钯，催化剂的加入量为化合物A的摩尔量的5％，化合物A和化合物B的摩尔比为1:2.3；再置换三次氮气，最后加入甲苯，在回流下反应18小时；反应结束后用旋蒸仪抽走溶剂，然后用三氯甲烷和水萃取，萃取后用无水硫酸钠干燥；旋干后，用石油醚过硅胶柱得到黄色油状物化合物C。(2)中间体C与NBS反应，得到如下化合物D：具体过程是：先将化合物C和N-溴代丁二酰亚胺在冰浴下反应15小时，再用三氯甲烷和水萃取，萃取后用无水硫酸钠干燥，最后用石油醚过柱得到黄色固体化合物D。(3)化合物D和化合物E通过Stille偶联反应得到化合物F，反应路线如下所示：具体过程是：先在三口瓶中加入化合物D和化合物E，再加入四三苯基膦钯作为催化剂，然后抽真空换氮气三次，最后加入甲苯，在回流下反应18小时；反应结束后用旋蒸仪抽走溶剂，然后用三氯甲烷和水萃取，萃取后用无水硫酸钠干燥；旋干后用石油醚过硅胶柱得到化合物F。(4)化合物F先水解提纯后再和NBS得到如下化合物G：具体过程是：先将化合物F和氢氧化钠按照摩尔比为1:10加入三口烧瓶中，然后加入少量乙醇，在70℃下反应15小时；反应结束后用三氯甲烷和水萃取，萃取后用无水硫酸钠干燥；旋干后后再投入到三口烧瓶中加入NBS冰浴反应12小时得到化合物G。(5)通过Friedel-Crafts反应得到噻吩并苯并噻二唑二酮SM1：将化合物G和二氯亚砜溶剂(摩尔比为1:5)加入三口烧瓶中，在80℃反应12小时；反应结束后旋干溶剂，再准备一个将三口烧瓶和恒压滴液漏斗烘干，然后将旋干溶剂的化合物用超干二氯溶解倒入到三口烧瓶中，然后把恒压滴液漏斗组装在三口烧瓶上加入FeCl3，使整个装置抽真空换氮气三次，在三口烧瓶和恒压滴液漏斗中加入少许超干二氯溶剂，然后打开恒压滴液漏斗逐渐滴加到三口烧瓶中，在冰浴下反应15小时；反应结束后用三氯甲烷和水萃取，萃取后用无水硫酸钠干燥；旋干后过硅胶柱，用石油醚过柱，既得到噻吩并苯并噻二唑二酮的单体SM1。将上述制得的单体SM1与含锡单体PDBT-2F发生锡溴偶联聚合反应得到聚合物，反应路线如下：具体过程是：在25mL的两口瓶中，单体SM1和采用商业化材料PDBT-2F单体按照摩尔比1:1溶解在超干燥的氯苯(10mL)中，在氦气氛围循环抽放气除氧后，加入四三苯基磷钯并将混合物在120℃下避光搅拌12小时，反应结束后冷却至室温，加入到色谱纯甲醇中析出絮状物，收集固体在索氏提取器中。随后依次用甲醇，正己烷，氯仿抽提至无色。通过旋转蒸发仪旋干大部分溶剂后，再用色谱纯甲醇沉降，收集固体后真空干燥得到黑色聚合物SM2，产率85％。将该聚合物SM2应用于太阳能电池。采用商业化的IDIC受体材料，按照ITO/PEDOT:PSS/SM2:IDIC/PDINO/Al制作太阳能电池。其中，活性层材料为SM2与IDIC，按照质量比SM2:IDIC为1:0.7混合在溶剂中，溶剂可以选用甲苯、氯苯、二氯苯和氯仿等，再加入添加剂，添加剂可以选用氯萘、1，8-二碘辛烷等，制得活性层溶液。使用匀胶机在ITO表面旋涂界面修饰层(PEDOT:PSS)，然后将活性层溶液旋涂在界面修饰层表面，旋涂需要在无水无氧的手套箱中，通过控制旋涂的转速调节活性层的厚度，厚度对于器件的性能有很大影响，一般控制活性层厚度为100nm左右。在活性层表面涂覆PDINO之后放在加热台上，以一定的温度加热，然后进行蒸镀电极Al，最后取出做好的电池。其中IDIC结构如下所示：实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种噻吩并苯并噻二唑二酮有机化合物，其结构式如下：/n

【技术特征摘要】
1.一种噻吩并苯并噻二唑二酮有机化合物，其结构式如下：



其中，R1为C1-C20烷基以及C1-C20的烷氧基中的一种；Ar为以下基团之一：
噻吩基团、噻吩衍生物基团、并二噻吩基团、并二噻吩衍生物基团、并三噻吩基、并三噻吩衍生物基团、苯并二噻吩基团、苯并二噻吩衍生物基团、吡咯并二噻吩基团、吡咯并二噻吩衍生物基团、戊烷并二噻吩基团、戊烷并二噻吩衍生物基团。


2.如权利要求1所述的噻吩并苯并噻二唑二酮有机化合物，其特征是：所述衍生物基团包括如下基团：



其中，R2为C1-C20的烷基，C1-C20的烷氧基、羰基、酯基、苯基、取代苯基、噻吩基、或取代噻吩基。


3.如权利要求1、2所述的噻吩并苯并噻二唑二酮有机化合物的制备方法，其特征是：包括如下步骤：
(1)采用2,1,3-苯并噻二唑-4,7-二硼酸频那醇酯A和化合物B通过Suzuki偶联反应，得到中间体C，反应路线如下所示：<...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛子义，陈三辉，彭瑞祥，韩寓芳，严婷婷，宋伟，魏强，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33