用于电子和光子应用的非富勒烯受体的噻吩端基制造技术

本文提供了含有噻吩端基的小分子受体化合物、它们的制备方法和其中所用的中间体、含有它们的制剂在有机电子器件中、尤其是在有机光伏和有机场效应晶体管器件中作为半导体的用途，以及由这些制剂制成的有机电子和有机光伏器件。

【技术实现步骤摘要】
用于电子和光子应用的非富勒烯受体的噻吩端基相关申请的交叉引用本申请要求2019年5月1日提交的美国临时申请号62/920,446的优先权的权益，该美国临时申请的内容出于所有目的在此以引用方式整体并入。
本公开涉及基于噻吩端基的n型有机半导体、它们的制备方法和其中所用的中间体、含有此类有机半导体的制剂在有机太阳能电池(OSC)或其他光电子(OE)器件中作为电子受体的用途以及由这些制剂制成的OSC器件。
技术介绍
有机太阳能电池(OSC)被认为是有前景的低成本和环境友好的太阳能技术，因为它可使用低成本印刷方法生产并且不含任何有毒组分。在开发新型供电子和吸电子构建单元方面的快速进展已经产生了具有可调的光学、电子和形态学性质的各种供体和受体材料，这已将非富勒烯(fullerene)OSC的功率转换效率(PCE)提高到超过15％。在这些成果中，富电子共轭核两侧为两个缺电子端基的受体-供体-受体(A-D-A)小分子受体(SMA)在OSC领域吸引了相当多的注意力，并且引起了从富勒烯器件向非富勒烯器件的“范式转变(paradigmshift)”。与富勒烯衍生物相比，A-D-ASMA具有合成的可及性、可调的吸收和能级、以及有利的分子堆积，这可通过中心核和端基之间的适当组合来实现。端基改造(engineering)在开发高性能SMA中起着关键作用。理论计算表明，端基可极大地影响A-D-ASMA的LUMO能级，并由此影响器件的开路电压(VOC)。另外，A-D-ASMA的分子堆积很大程度上依赖于端基的π-π堆叠，这意味着紧密堆叠的端基有利于电子传输。例如，两侧为基于噻吩的端基的A-D-ASMA展现出比两侧为基于苯的端基的对应类似物更短的π-π堆叠距离，使器件的电子迁移率和填充因数(FF)提高。而较富电子的噻吩环削弱了核和端基之间的分子内电荷转移(ICT)效应，这导致蓝移吸收和受体消光系数的降低，并因此导致较差的短路电流密度(JSC)。鉴于上述情况，存在对改善的A-D-ASMA以及具有改善的性能、寿命和效率的包含A-D-ASMA的光电子器件的需要。
技术实现思路
本专利技术提供了用于构建A-D-A受体的被取代的噻吩端基。使用未被取代的噻吩端基被广泛认为对A-D-A受体的光吸收有害，因此对OSC器件的JSC有害。关于可实现良好器件性能的未被取代噻吩端基有少量报道，这主要归因于噻吩环的富电子性质和未被取代噻吩端基诱导的弱ICT效应。如本文更详细描述的，惊讶地发现，当包含噻吩端基的A-D-A受体被例如一个或多个卤化原子烷基取代时，所得A-D-A受体在OSC器件中同时显示出增强的JSC和FF。不希望受理论束缚，假设对于器件性能的此类改善主要有两个原因。首先，卤素原子由于强电负性而赋予基于噻吩的端基相对于它们的非卤化对应物更强的吸电子能力，这扩展了吸收范围并提高了消光系数。另一方面，已证明卤化分子有助于由非共价相互作用诱导的分子堆积，这进一步促进有效的电子传输。在第一方面，本文提供式1化合物：其中Ar1选自由以下组成的组：其中R1、R2、R3和R4中的每一个独立地为选自由以下组成的组的烷基：C2-C40直链烷基、C3-C40支链烷基、C3-C40环烷基、C2-C40烷基芳基和C2-C40烷基杂芳基，其中所述烷基的一个或多个非相邻C原子任选地被-O-、-S-、-(C＝O)-、-C(＝O)O-、-OC(＝O)-、-O(C＝O)O-、-CR＝CR-或-C≡C-替代，并且其中所述烷基的一个或多个氢原子任选地被F、Cl、Br、I或CN替代，或表示具有4到30个环原子的芳基、杂芳基、芳氧基、杂芳氧基、芳基羰基、杂芳基羰基、芳基羰氧基、杂芳基羰氧基、芳氧基羰基或杂芳氧基羰基，其未被取代或被一个或多个非芳族基团取代；D1、D2和D3中的每一个独立地选自由以下组成的组：-O-、-S-、-Se-、-Te-、-(NR)-和-C(R)2-；J和G中的每一个在每次出现时独立地选自由以下组成的组：氢、F、Cl、Br、CN、OR、NHR、N(R)2和烷基，所述烷基选自由以下组成的组：C2-C40直链烷基、C3-C40支链烷基、C3-C40环烷基、C2-C40烷基芳基和C2-C40烷基杂芳基，其中所述烷基的一个或多个非相邻C原子任选地被-O-、-S-、-(C＝O)-、-C(＝O)O-、-OC(＝O)-、-O(C＝O)O-、-CR＝CR-或-C≡C-替代，并且其中所述烷基的一个或多个H原子任选地被F、Cl、Br、I或CN替代，或表示具有4到30个环原子的芳基、杂芳基、芳氧基、杂芳氧基、芳基羰基、杂芳基羰基、芳基羰氧基、杂芳基羰氧基、芳氧基羰基或杂芳氧基羰基，其未被取代或被一个或多个非芳族基团取代；Ar3选自由以下组成的组：Ar2选自由以下组成的组：其中A和B在每次出现时独立地选自由以下组成的组：X和Y在每次出现时独立地选自由氢、F、Cl、Br、I、CN、SCN和烷基组成的组；Z在每次出现时独立地选自由-O-、-S-、-Se-、-Te-和-(NR)-组成的组；并且R在每次出现时独立地为直链烷基、支链烷基或环烷基，条件是如果Ar2为：则X或Y中不超过1个实例为氢。在第一方面的第一实施方案中，本文提供第一方面的化合物，其中X为F、Cl、Br或甲基；Y为氢；并且Z为-S-；或X和Y中的每一个为F、Cl或Br并且Z为-S-；或X和Y中的每一个为氢并且Z为-S-。在第一方面的第二实施方案，本文提供第一方面的第一实施方案的化合物，其中D1、D2和D3中的每一个为-S-。在第一方面的第三实施方案中，本文提供第一方面的第二实施方案的化合物，其中Ar1选自由以下组成的组：在第一方面的第四实施方案中，本文提供第一方面的第三实施方案的化合物，其中J为氢或烷基；并且G为氢、F、Cl或甲基。在第一方面的第五实施方案中，本文提供第一方面的第四实施方案的化合物，其中A和B独立地选自：条件是A或B中的至少一个为在第一方面的第六实施方案中，本文提供第一方面的第五实施方案的化合物，其中R1、R2、R3和R4中的每一个为选自由以下组成的组的烷基：C2-C40直链烷基、C3-C40支链烷基、C3-C40环烷基、C2-C40烷基芳基和C2-C40烷基杂芳基。在第一方面的第七实施方案中，本文提供第一方面的化合物，其中A和B独立地选自由以下组成的组：条件是A或B中的至少一个为在第一方面的第八实施方案中，本文提供第一方面的化合物，其中A为：并且B为：在第一方面的第九实施方案，本文提供第一方面的第八实施方案的化合物，其中D1、D2和D3中的每一个为-S-。在第一方面的第十实施方案中，本文提供第一方面的第九实施方案的化合物，其中J为氢或烷基；G为氢、F、Cl或烷基；并且R1、R2、R3和R4中的每一个为选自由以下组成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种式1化合物：/n

【技术特征摘要】
20190501 US 62/920,4461.一种式1化合物：



其中Ar1选自由以下组成的组：



其中R1、R2、R3和R4中的每一个独立地为选自由以下组成的组的烷基：C2-C40直链烷基、C3-C40支链烷基、C3-C40环烷基、C2-C40烷基芳基和C2-C40烷基杂芳基，其中所述烷基的一个或多个非相邻C原子任选地被-O-、-S-、-(C＝O)-、-C(＝O)O-、-OC(＝O)-、-O(C＝O)O-、-CR＝CR-或-C≡C-替代，并且其中所述烷基的一个或多个氢原子任选地被F、Cl、Br、I或CN替代，或表示具有4到30个环原子的芳基、杂芳基、芳氧基、杂芳氧基、芳基羰基、杂芳基羰基、芳基羰氧基、杂芳基羰氧基、芳氧基羰基或杂芳氧基羰基，其未被取代或被一个或多个非芳族基团取代；
D1、D2和D3中的每一个独立地选自由以下组成的组：-O-、-S-、-Se-、-Te-、-(NR)-和-C(R)2-；
J和G中的每一个在每次出现时独立地选自由以下组成的组：氢、F、Cl、Br、CN、OR、NHR、N(R)2和烷基，所述烷基选自由以下组成的组：C2-C40直链烷基、C3-C40支链烷基、C3-C40环烷基、C2-C40烷基芳基和C2-C40烷基杂芳基，其中所述烷基的一个或多个非相邻C原子任选地被-O-、-S-、-(C＝O)-、-C(＝O)O-、-OC(＝O)-、-O(C＝O)O-、-CR＝CR-或-C≡C-替代，并且其中所述烷基的一个或多个H原子任选地被F、Cl、Br、I或CN替代，或表示具有4到30个环原子的芳基、杂芳基、芳氧基、杂芳氧基、芳基羰基、杂芳基羰基、芳基羰氧基、杂芳基羰氧基、芳氧基羰基或杂芳氧基羰基，其未被取代或被一个或多个非芳族基团取代；
Ar3选自由以下组成的组：



Ar2选自由以下组成的组：



其中A和B在每次出现时独立地选自由以下组成的组：



X和Y在每次出现时独立地选自由氢、F、Cl、Br、I、CN、SCN和烷基组成的组；
Z在每次出现时独立地选自由-O-、-S-、-Se-、-Te-和-(NR)-组成的组；并且
R在每次出现时独立地为直链烷基、支链烷基或环烷基，条件是如果Ar2为：



则X或Y的实例中不超过1个为氢。


2.根据权利要求1所述的化合物，其中X为F、Cl、Br或甲基；Y为氢；并且Z为-S-；或X和Y中的每一个为F、Cl或Br并且Z为-S-；或X和Y中的每一个为氢并且Z为-S-。


3.根据权利要求2所述的化合物，其中D1、D2和D3中的每一个为-S-。


4.根据权利要求3所述的化合物，其中Ar1选自由以下组成的组：





5.根据权利要求4所述的化合物，其中J为氢或烷基；并且G为氢、F、Cl或甲基。

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【专利技术属性】
技术研发人员：颜河，张健全，
申请(专利权)人：香港科技大学，
类型：发明
国别省市：中国香港;81