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C–H键直接芳基化反应合成共轭有机光电寡聚物及其性质研究认领

作者：

张小凤

学位授予单位：

江西理工大学

摘要：

共轭有机光电寡聚物由于其具有明确的分子结构和分子量,高结晶度和有序堆积的特性,可有效克服聚合物分子合成和纯化过程中的可重复性差以及分子量分布过宽等不足,从而改善光电器件性能。新型共轭有机光电寡聚物材料的设计和合成是本体异质结太阳能电池器件性能的关键和决定因素,尽管用于高性能器件的寡聚物仍然非常有限,但寡聚物具有更好的化学结构,更容易纯化,确保器件性能更好的重现性,更适合建立结构-性能-器件性能的关系。然而目前为止有关于寡聚物的合成方法依然是以传统的Stille,Suzuki偶联为主,然而Stille和Suzuki偶联均存在着官能团兼容性不好以及需要对反应底物进行预官能团化等问题,因此发展简单高效的合成方法具有重要意义。本论文通过C–H键直接芳基化法（C–H Direct Arylation）,选用吡咯并吡咯二酮（DPP）、2,7-二溴-9,9-二己基芴（DBFL）、异靛蓝（IID）、环戊双噻吩（CPDT）和咔唑（Cz）为单体,合成了24个共轭有机光电寡聚物以及其母体聚合物,并对其光电性质做了详细的研究。本论文的研究内容主要包括:（1）通过噻吩侧基的DPP与DBFL之间的两个C–H键直接芳基化反应,一步合成了分别由C–H和C–Br键链终止的两个系列的十二个供体-受体（D-A）型DPP-Fl寡聚物。通过核磁,高分辨质谱及元素分析确定了其结构。通过紫外-可见光谱,循环伏安法和DFT计算,详细研究了12种寡聚物及其母体聚合物之间的结构性质关系之间的变化寡聚物。利用一步法合成策略将为长链D-A型π-共轭寡聚物材料的快速和原子经济合成开辟新的方向。（2）通过反应条件优化,进一步证实C–H键直接芳基化法实验条件的普适性,控制CPDT和IID的投料比分别为1.5:1、1:1.5和1:1,经三锅C–H键直接芳基化反应,获得两个系列基于CPDT和IID的D-A型的窄带隙（1.42-1.58 e V）的新型寡聚物及其母体聚合物。并对上述窄带隙寡聚物和聚合物的光电性能进行详细研究,研究表明,光电性质与其相应的分子结构演变具有良好的相关性。该项工作为窄带隙单分散长链D-A型寡聚物提供了有效的合成策略,并且对于有机光电材料精确构效关系的研究及其器件应用将具有重要意义。（3）以DPP与Cz为构筑单元,通过一锅法C–H键直接芳基化法合成了一系列重复单元逐步递增的单分散共轭有机光电寡聚物,并对其光电性质以及器件性能与链长的依赖性做了详细研究。太阳电池器件的研究结果表明,寡聚物/PC61BM异质结器件的能量转换效率（PCE）随着链长的增长提高,链长最长的寡聚物O5与母体聚合物的PCE非常接近,寡聚物O4的所获得的填充因子是所有器件中最高的。本研究表明寡聚物是建立结构-性能-器件性能关系的良好选择,通过C–H键直接芳基化法合成的共轭有机光电寡聚物有望获得高的光电流的同时得到优于其母体聚合物的填充因子。上述研究表明,有机光电寡聚物分子具有进一步提升有机太阳能电池的器件效率的巨大潜力。

摘要译文

关键词：

C–H键直接芳基化; 有机共轭寡聚物; 二酮基吡咯并吡咯(DPP); 异靛蓝(IID); 咔唑(Cz); 有机太阳电池器件

学位年度：

2021

学位类型：

硕士

学科专业：

化学工程（专业学位）

导师：

刘诗咏

中图分类号：

O621.251;O631.5[聚合反应、缩聚反应]

学科分类号：

070305[高分子化学与物理];080502[材料物理与化学];080506[纳米材料技术];081704[应用化学]

D O I：

10.27176/d.cnki.gnfyc.2021.000314