含5,6-二氟苯并三氮唑单元的D-A型共轭聚合物合成及光电性质研究

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含5,6-二氟苯并三氮唑(FBTz)单元的给受体(D-A)型共轭聚合物在有机太阳能电池、有机场效应晶体管、有机发光二极管等领域有广泛应用。这类D-A型共轭聚合物的优势在于苯并三氮唑具有良好的平面性、芳香性,氟原子的原子半径小,电负性大,吸电子能力强,可以有效调控共轭聚合物的HOMO、LUMO能级,进而提高器件性能。目前D-A型共轭聚合物主要通过过渡金属催化的交叉偶联反应制备,如Suzuki偶联、Stille偶联,直接芳基化聚合(DAr P)等。这些聚合方法需要对起始单体进行预功能化,制备出相应的金属有机化合物和卤化物,这一过程不仅增加了反应步骤,而且有些功能化单体稳定性较差,纯化困难。针对这些问题,本论文采用过渡金属催化的直接C-H/C-H交叉偶联缩聚,以FBTz为受体单元,以噻吩衍生物为给体单元,合成了一系列D-A型共轭聚合物。优化了缩聚反应条件,系统考察了给体单元结构对缩聚反应及共聚物结构、分子量及其分布的影响,探究了所制备共聚物的结构与其光学性质、电化学性质、结晶性、热稳定性的关系。主要研究内容如下:1.直接C-H/C-H交叉偶联缩聚制备5,6-二氟苯并三氮唑-三联噻吩共聚物及光电性质研究。以FBTz为受体单元,三联噻吩为给体单元,Pd(OAc)2为催化剂,制备了共轭聚合物P1。1)系统研究了聚合反应条件如溶剂、反应温度、反应时间和催化剂种类及用量等对缩聚反应的影响,筛选出了最佳聚合条件。2)采用两种DAr P途径制备了同样的目标共聚物P1#和P1*,并与产物P1进行了结构和性质的对比。利用1H NMR、19F NMR、HSQC及HMBC等核磁手段,确认了在优化条件下合成的P1具有规则的D-A交替结构,其结构规整性明显优于DAr P产物P1#和P1*。P1的光学性质、电化学性质和热稳定性与DAr P产物P1#和P1*类似,证实了直接C-H/C-H交叉偶联缩聚是合成含FBTz单元D-A型共轭聚合物的一种高效、简便、原子及步骤经济的新方法。2.直接C-H/C-H交叉偶联缩聚制备5,6-二氟苯并三氮唑-联二噻吩共聚物及光电性质研究。以FBTz为受体单元,联二噻吩为给体单元,Pd(OAc)2为催化剂,制备了共轭聚合物P2。采用Stille偶联和两种途径的DAr P,分别制备了P2的结构参照聚合物P2’,P2*和P2#。Stille偶联作为可靠的D-A交替结构共轭聚合物合成方法,对比P2’与P2的1H NMR、19F NMR谱图,证实了P2具有与P2’相同的规则D-A交替结构。详细比较了P2、P2’、P2*和P2#的光学性质、电化学性质和热稳定性,结果表明三种途径制备的所有聚合物性质类似。因此,直接C-H/C-H交叉偶联缩聚在制备此类聚合物方面可以完全媲美于其它两种聚合方法,即Stille偶联和DAr P,同时具有高效、合成步骤少,原子经济的优势。3.直接C-H/C-H交叉偶联缩聚制备其它含5,6-二氟苯并三氮唑单元的D-A型共轭聚合物及光电性质研究。以FBTz为受体单元,Pd(OAc)2为催化剂,以3-辛基噻吩、3,3’-二辛基-2,2’-并噻吩、3,4-乙撑二氧噻吩(EDOT)、4,4-二辛基-二噻吩并噻咯和苯并二噻吩(BDT)作为给体单元,制备了一系列共轭聚合物P3-P7。1H NMR分析表明所制备的P3-P7具有规则的D-A交替结构。UV-Vis吸收光谱结果表明随着共轭主链刚性增加,有效共轭长度增加,P6在CHCl3溶液中和薄膜态的最大紫外吸收峰比其它聚合物明显红移,分别为506 nm和523nm。所有聚合物的氯仿溶液均表现为弱的绿色荧光。循环伏安法(CV)测定结果表明P3-P7的能级Egcv分别为2.41 e V、1.95 e V、1.97 e V、2.07 e V和1.95 e V,与文献报道结果类似。热重分析(TG)结果表明P3-P7均具有良好的热稳定性,热分解温度(Td)分别为317℃、397℃、256℃、392℃和312℃。
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