具有宽吸收光谱的吲哚基氮杂氟硼荧类染料转让专利

申请号 : CN201710356574.6

文献号 : CN107189488B

文献日 :

基本信息:

PDF:

法律信息:

相似专利:

发明人 : 吴迪江汝泳游劲松

申请人 : 四川大学

摘要 :

本发明涉及一类具有宽吸收光谱的1,3,5,7‑四取代苯基‑2,6‑双(3‑取代吲哚基)氮杂氟硼荧衍生物的分子结构。通过在电子供体片段和电子受体片段交替排列成π‑共轭体系中引入具有优良光电性质的电子受体片段氮杂氟硼荧,合成得到新型吲哚‑氮杂氟硼荧衍生物染料。与吲哚、氮杂氟硼荧和其他常见染料相比具有显著优势:染料的吸收光谱变宽,从可见光区到达近红外光区,之间没有明显的光学窗口;具有较低的HOMO(‑5.2至‑5.5 eV)和LUMO(‑4.0至‑4.4 eV)能级,对水和氧具有更好的稳定性,或可在太阳能电池、光探测器和其他光电器件领域具有广泛用途。

权利要求 :

1.一种具有宽吸收光谱的1,3,5,7-四取代苯基-2,6-双(3-取代吲哚基)杂氟硼荧结构,其结构通式如下:R1选自氢、氟、氯、溴、碘、烷基、苄基、烷氧基、硫醚基、烯基、炔基、胺基、酰胺基、酰亚胺基、氰基、醛基、羰基、羧基、酯基;

R2选自氢、氟、氯、溴、碘、烷基、苄基、烷氧基、硫醚基、烯基、炔基、胺基、酰胺基、酰亚胺基、氰基、醛基、羰基、羧基、酯基;

R3选自氢、氟、氯、溴、碘、烷基、苄基、烷氧基、硫醚基、烯基、炔基、胺基、酰胺基、酰亚胺基、氰基、醛基、羰基、羧基、酯基;

其中,上述基团涉及碳链的为碳个数为1-40的直链或支链。

2.一种具有宽吸收光谱的1,3,5,7-四取代苯基-2,6-双(3-取代吲哚基)杂氟硼荧结构

1 2 3

为1,3,5,7-四苯基-2,6-双[3-(5-甲氧基)吲哚]氮杂氟硼荧,其中R、R均选自氢,R选自5-甲氧基,其结构式如下:

说明书 :

具有宽吸收光谱的吲哚基氮杂氟硼荧类染料

技术领域

[0001] 本发明涉及一类具有宽吸收光谱单分子结构:1,3,5,7-四取代苯基-2,6-双(3-取代吲哚基)氮杂氟硼荧衍生物。

背景技术

[0002] 在可见-近红外光区具有宽吸收光谱的光敏染料可提高太阳能电池、光探测器和其他光电器件性能的优势,因而受到高度关注[参见:(a)P. M. Beaujuge, C. M. Amb and J. R. Reynolds, Acc. Chem. Res., 2010, 43, 1396; (b)J. E. Coughlin, Z. B. Henson, G. C. Welch and G. C. Bazan, Acc. Chem. Res., 2014, 47, 257]。大多数有机物单个分子的吸收峰难以覆盖整个可见-近红外区,吸收峰窄,或有光学窗口。为充分利用可见-近红外区的光能,过去,人们常用“鸡尾酒策略”,混合两种或两种以上染料,加宽吸收峰,弥补光学窗口,但光电器件功能却意外的不升反降[参见:(a)H.-P. Lu, C.-Y. Tsai, W.-N. Yen, C.-P. Hsieh, C.-W. Lee, C.-Y. Yeh and E. W.-G. Diau, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 20990;(b)M. V. Martínez-Díaz, G. d. l. Torre and T. Torres, Chem. Commun.,2010, 46, 7090;(c)H.-P. Wu, Z.-W, Ou, T.-Y. Pan, C.-M. Lan, W.-K. Huang, H.-W. Lee, N. M. Reddy, C.-T. Chen, W.-S. Chao, C.-Y. Yeh and E. W.-G. Diau, Energy Environ. Sci., 2012, 5, 9843;(d)Y. Xie, Y. Tang, W. Wu, Y. Wang, J. Liu, X. Li, H. Tian and W.-H. Zhu, J. Am. Chem. Soc., 2015,137, 14055;(e)C. Li, L. Luo, D. Wu, R. Jiang, J. Lan, R. Wang, L. Huang, S. Yang and J. You, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 11829]。因此发展具有宽吸收光谱性质的单个分子具有特别的重要价值。
[0003] 文献报道过一些宽吸收的分子和聚合物,他们是通过电子供体片段和电子受体片段交替排列成π-共轭体系实现的[参见:(a) P. M. Beaujuge, C. M. Amb and J. R. Reynolds, Acc. Chem. Res., 2010,43, 1396; (b) J. E. Coughlin, Z. B. Henson, G. C. Welch and G. C. Bazan, Acc. Chem. Res.,2014,47,257]。然而与种类繁多的电子供体片段相比,电子受体片段的种类很少[参见:(a)C. Wang, H. Dong, W. Hu, Y. Liu and D. Zhu,Chem. Rev., 2012, 112, 2208;(b)X. Gao and Z. Zhao, Sci. China Chem., 2015, 58, 947]。另一方面,分子的前线轨道(如HOMO、LUMO)的能级主要取决于电子供体片段和电子受体片段本身的前线轨道能级。目前的分子前线轨道能级都较高,导致器件对空气中的水、氧高度敏感,因此许多光电器件的制备和检测只能在严格无水无氧环境中进行,缺乏实用性。研究发现,较低的HOMO (-5.2至-5.5 eV)和LUMO (-4.0至-4.4 eV)能级有利于提高器件的空气稳定性,从而推进光电器件实用化进程[参见:(a) H. Usta, A. Facchetti and T. J. Marks, Acc. Chem. Res., 2011,44, 501; (b) X. Gao and Y. Hu, J. Mater. Chem. C, 2014,2, 3099]。而前线轨道能级降低主要靠选择能级较低的电子受体片段,而符合要求的电子受体片段并不多见。因此寻找前线轨道能级较低的电子受体片段在材料学邻域具有广泛需求。
[0004] 氮杂氟硼荧是具有优良光电性质的电子受体片段,经修饰的氮杂氟硼荧具有吸引人的光电性质和材料特性[参见:(a)A. Loudet and K. Burgess, Chem. Rev. 2007, 107, 4891; (b)H. Lu, J. Mack, Y. Yang and Z. Shen, Chem. Soc. Rev.,2014, 43, 
4778;(c)W. Zhao and E. M. Carreira, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 1677;(d)W. Zhao and E. M. Carreira, Chem. Eur. J., 2006, 12, 7254;(e)S. O. McDonnell and D. F. O’Shea, Org. Lett., 2006, 8, 3493;(f)V. Bandi, K. Ohkubo, S. Fukuzumi and F. D'Souza,Chem. Commun.,2013,49, 2867;(g)Y. Wu, C. Cheng, L. Jiao, C. Yu, S. Wang, Y. Wei, X. Mu and E. Hao, Org. Lett., 2014, 16, 748;(h)L. Jiao, Y. Wu, S. Wang, X. Hu, P. Zhang, C. Yu, K. Cong, Q. Meng, E. Hao and M. G. H. Vicente, J. Org. Chem., 2014, 79, 1830;(i)A. Díaz-Moscoso, E. Emond, D. L. Hughes, G. J. Tizzard, S. J. Coles and A. N. Cammidge, J. Org. Chem., 
2014,79, 8932;(j)H. Liu, H. Lu, J. Xu, Z. Liu, Z. Li, J. Mack and Z. Shen, Chem. Commun.,2014,50, 1074]。但是由于传统方法合成氮杂氟硼荧衍生物有许多劣势,操作繁杂、危险、低效:反应物需要多步预活化,可能生成当量的高毒、高危、高污染试剂,如有机锡试剂等;反应条件苛刻,需要严格的无水无氧操作,有的中间产物不稳定,导致目标产物无法合成,限制了氮杂氟硼荧分子库的多样性扩展进程[参见:(a)W. Senevirathna and G. Sauvé, J. Mater. Chem. C, 2013, 1, 6684;(b)W. Senevirathna, J.-y. Liao, Z. Mao, J. Gu, M. Porter, C. Wang, R. Fernando and G. Sauvé, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 4203]。因此发展新方法来修饰氮杂氟硼荧,从而将这一优秀的电子受体片段方便的安装进电子供体片段和电子受体片段交替排列成π-共轭体系,在合成上具有挑战性,在材料领域具有重要意义。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于开发一类在可见-近红外光区具有宽吸收光谱、前线轨道能级较低(HOMO 在-5.2至-5.5 eV且LUMO 在-4.0至-4.4 eV之间)的光敏染料。
[0006] 本发明解决该问题的技术方案:利用氮杂氟硼荧片段较低的前线轨道能级,将其安装进电子供体片段和电子受体片段交替排列成π-共轭体系,获得宽吸收光谱、低前线轨道能级的单分子化合物。
[0007] 其中,一类具有宽吸收光谱的1,3,5,7-四取代苯基-2,6-双(3-取代吲哚基)氮杂氟硼荧衍生物结构,其结构通式如下:
[0008] R1、R2 和R3分别为氢、氟、氯、溴、碘、烷基、苄基、烷氧基、硫醚基、取代芳基、取代杂芳基、烯基、炔基、胺基、酰胺基、酰亚胺基、氰基、醛基、羰基、羧基、酯基中的一种或一种以上,上述基团中涉及的碳链为碳个数为1 40的直链或支链。~
[0009] 本发明中1,3,5,7-四取代苯基-2,6-双(3-取代吲哚基)氮杂氟硼荧的制备采用以下路线(如附图1):
[0010] (1)向干燥的反应器中加入1,3,5,7-四取代芳基氮杂氟硼荧衍生物、吲哚衍生物、添加剂、催化剂和溶剂,在氮气保护下,在-40 120 ℃下反应0.1 48小时;~ ~
[0011] (2)反应完成后将反应管冷却至室温,加入二氯甲烷将反应体系稀释,经硅藻土过滤,用二氯甲烷洗涤,合并滤液,减压移去溶剂,剩余物用柱层析分离纯化,真空干燥。
[0012] 本发明中1,3,5,7-四取代芳基氮杂氟硼荧衍生物的结构通式为:
[0013] R1和R2分别为为氢、氟、氯、溴、碘、烷基、苄基、烷氧基、硫醚基、取代芳基、取代杂芳基、烯基、炔基、胺基、酰胺基、酰亚胺基、氰基、醛基、羰基、羧基、酯基中的一种或一种以上,上述基团中涉及的碳链为碳个数为1 40的直链或支链。~
[0014] 本发明中吲哚衍生物的结构通式如下:
[0015] R3为氢、氟、氯、溴、碘、烷基、苄基、烷氧基、硫醚基、取代芳基、取代杂芳基、烯基、炔基、胺基、酰胺基、酰亚胺基、氰基、醛基、羰基、羧基、酯基中的一种或一种以上,上述基团中涉及的碳链为碳个数为1 40的直链或支链。~
[0016] 步骤(1)中催化剂为氢氧化钯、醋酸钯、氯化钯、三氟乙酸钯、醋酸铜、氯化铜、碘化铜、碱式碳酸铜、氯化亚铜、碘化亚铜中的一种或一种以上。
[0017] 步骤(1)中添加剂为特戊酸、碳酸银、硝酸银、氯化锂、碳酸铯、醋酸铯、特戊酸铯、醋酸钠、碳酸钾、四丁基氟化铵、四丁基氯化铵、四丁基溴化铵、四丁基碘化铵吡啶、2,2'-联吡啶、1,10-邻菲咯啉、三苯基膦、三叔丁基膦四氟硼酸盐、三环己基膦四氟硼酸盐中的一种或一种以上。
[0018] 步骤(1)中的溶剂为甲醇、乙醇、乙腈、四氢呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷、乙醚、二甲基亚砜、苯、邻二氯苯、氯苯、甲苯、1,4-二氧六环、1,2-二氯乙烷、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中的一种或一种以上。
[0019] 步骤(1)中1,3,5,7-四芳基氮杂氟硼荧的反应浓度为0.001 1 mol/L。~
[0020] 本发明中1,3,5,7-四取代苯基-2,6-双(3-取代吲哚基)氮杂氟硼荧衍生物的结构用核磁共振氢谱(1H NMR)和高分辨质谱证实。检测所用仪器分别为Agilent 400-MR DD2型核磁共振仪,其中TMS为内标,氘代CDCl3和氘代CDCN为溶剂和Waters-Q-TOF-Premier ESI型高分辨质谱仪。
[0021] 本发明中1,3,5,7-四取代苯基-2,6-双(3-取代吲哚基)氮杂氟硼荧衍生物在溶液和膜中均具有从可见光到近红外区的宽吸收光谱,且溶液中摩尔消光系数大于104 cm-1 M-1。
[0022] 光谱表征所用仪器为:HITACHI U-2910型紫外-可见分光光度计(扫描范围250~1100 nm)。
[0023] 本发明中1,3,5,7-四取代苯基-2,6-双(3-取代吲哚基)氮杂氟硼荧衍生物具有较一般有机化合物低得前线轨道能级较低, HOMO 在-5.2至-5.5 eV之间,且LUMO 在-4.0至-4.4 eV之间。
[0024] 电化学特性表征所用仪器为LK2005A型电化学工作站,扫描速度为50 mV∙s-1,乙腈做溶剂,0.10 M的四丁基六氟磷酸铵 做电解质,Ag/Ag+(0.01 M AgNO3的乙腈溶液)做参比+电极,铂丝做对电极,铂盘做工作电极,二茂铁做外标,Ag/Ag参比电极,铂丝对电极均为市售。
[0025] 四、附图说明
[0026] 图1为1,3,5,7-四芳基-2,6-双(3-吲哚基)氮杂氟硼荧类染料的合成步骤;
[0027] 图2为本发明实施例1所合成的1,3,5,7-四苯基-2,6-双[3-(5-甲氧基)吲哚]氮杂氟硼荧的分子结构和核磁氢谱图;
[0028] 图3为本发明实施例1所合成的1,3,5,7-四苯基-2,6-双[3-(5-甲氧基)吲哚]氮杂氟硼荧在四氢呋喃作溶液中的紫外-可见-近红外吸收光谱;
[0029] 图4为1,3,5,7-四苯基-2,6-双[3-(5-甲氧基)吲哚]氮杂氟硼荧在膜中的紫外-可见-近红外吸收光谱;
[0030] 图5为本发明实施例1所合成的1,3,5,7-四苯基-2,6-双[3-(5-甲氧基)吲哚]氮杂氟硼荧在乙腈溶液中的氧化还原电势图。
[0031] 五、具体实施方式
[0032] 下面结合具体实施案例对本发明作进一步描述,将有助于对本发明的理解。但并不能以此来限制本发明的权利范围,而本发明的权利范围应以权利要求书阐述的为准。
[0033] 实施例1:1,3,5,7-四苯基-2,6-双[3-(5-甲氧基)吲哚]氮杂氟硼荧的合成。向干燥的反应器中加入1,3,5,7-四苯基氮杂氟硼荧(99.4 mg, 0.20 mmol), 5-甲氧基吲哚(88.3 mg, 0.60 mmol),醋酸铜(109.0 mg, 0.60 mmol),2,2-联吡啶(15.6 mg, 50 mol%),四丁基氟化铵(104.6 mg,0.40 mmol),1,2-二氯乙烷(0.5 mL),乙腈(0.5 mL),氮气保护下,在120  °C条件下反应2小时。反应完成后冷至室温,加入10 mL二氯甲烷稀释,再经硅藻土过滤并用10 20 mL的二氯甲烷洗涤,减压移去溶剂,剩余物经硅胶柱层析(洗脱剂:~
梯度洗脱:乙酸乙酯/石油醚/二氯甲烷 = 1/10/1   1/4/1, v/v)分离纯化,真空干燥后得~
1 2 3
具有金属光泽的棕色固体目标产物R 和R 为氢,R 为5-甲氧基取代吲哚的目标产物75.6 mg,产率48 %。
[0034] 实施例2:1,7,-二(4-氰基)苯基-3,5-二(4-二苯氨基)苯基-2,6-双[3-(5,7-二甲基-6-羧基)吲哚]氮杂氟硼荧的合成。向干燥的反应器中加入1,7-二(4-氰基)苯基-3,5-二(4-二苯氨基)苯基氮杂氟硼荧(173.7 mg, 0.20 mmol), 3-(5,7-二甲基-6-羧基)吲哚(113.5 mg, 0.60 mmol),醋酸铜(109.0 mg, 0.60 mmol),2,2-联吡啶(15.6 mg, 50 mol%),四丁基氟化铵(104.6 mg, 0.40 mmol),1,2-二氯乙烷(0.5 mL),乙腈(0.5 mL),氮气保护下,在120  °C条件下反应2小时。反应完成后冷至室温,加入10 mL二氯甲烷稀释,再经硅藻土过滤并用10 20 mL的二氯甲烷洗涤,减压移去溶剂,剩余物经硅胶柱层析(洗脱~剂:梯度洗脱:乙酸乙酯/石油醚/二氯甲烷 = 1/10/1   1/2/1, v/v)分离纯化,真空干燥~
后得具有金属光泽的棕色固体目标产物R1为4-二甲氨基,R2为5-氰基,R3为5,7-二甲-7羧基取代吲哚的目标产物92.9 mg,产率37 %。
[0035] 实施例3:1,3,5,7-四(2,6-二甲基-4-甲硫基)苯基-2-[3-(5,6-二氟-4-甲基-7-甲酰基)吲哚]-6-[3-(5,6-二氟-4-甲基-7-甲酸甲酯)吲哚]氮杂氟硼荧的合成。向干燥的反应器中加入1,3,5,7-四(2,6-二甲基-4-甲硫基)苯基氮杂氟硼荧(158.7 mg, 0.20 mmol),3-(5,6-二氟-4-甲基-7-甲酰基)吲哚(58.5 mg, 0.30 mmol),3-(5,6-二氟-4-甲基-7-甲酸甲酯)吲哚(67.5 mg, 0.30 mmol),醋酸铜(109.0 mg, 0.60 mmol),2,2-联吡啶(15.6 mg, 50 mol%),四丁基氟化铵(104.6 mg, 0.40 mmol),1,2-二氯乙烷(0.5 mL),乙腈(0.5 mL),氮气保护下,在120  °C条件下反应2小时。反应完成后冷至室温,加入10 mL二氯甲烷稀释,再经硅藻土过滤并用10 20 mL的二氯甲烷洗涤,减压移去溶剂,剩余物经硅胶~柱层析(洗脱剂:梯度洗脱:乙酸乙酯/石油醚/二氯甲烷 = 1/10/1   1/2/1, v/v)分离纯~
1 2 3
化,真空干燥后得具有金属光泽的棕色固体目标产物R 为4-二甲氨基,R 为5-氰基,R为5,
7-二甲-7羧基取代吲哚的目标产物99.2 mg,产率41 %。
[0036] 实施例4:1,3,5,7-四(3,5-二碘-4-辛氧基)苯基-2,6-[3-(2-碘)吲哚] 氮杂氟硼荧的合成。向干燥的反应器中加入1,3,5,7-四(3,5-二碘-4-辛氧基)苯基氮杂氟硼荧(403.4 mg, 0.20 mmol),3-(2-碘)吲哚(145.8 mg, 0.60 mmol),醋酸铜(109.0 mg, 0.60 mmol),2,2-联吡啶(15.6 mg, 50 mol%),四丁基氟化铵(104.6 mg,0.40 mmol),1,2-二氯乙烷(0.5 mL),乙腈(0.5 mL),氮气保护下,在120  °C 条件下反应2小时。反应完成后冷至室温,加入10 mL二氯甲烷稀释,再经硅藻土过滤并用10 20 mL的二氯甲烷洗涤,减压移去~溶剂,剩余物经硅胶柱层析(洗脱剂:梯度洗脱:乙酸乙酯/石油醚/二氯甲烷 = 1/10/1   ~
1/6/1, v/v)分离纯化,真空干燥后得具有金属光泽的棕色固体目标产物R1为4-二甲氨基,
2 3
R为5-氰基,R为5,7-二甲-7羧基取代吲哚的目标产物274.9 mg,产率55 %。
[0037] 实施例5:1,3,5,7-四苯基-2,6-双[3-(5-甲氧基)吲哚]氮杂氟硼荧的结构鉴定:1H NMR(400 MHz, CDCl3): δ= 3.43(s, 6H), 6.31(s, 2H), 6.62(s, 2H), 6.73(d, J= 
8.0 Hz, 2H), 7.16-7.24(m, 12H), 7.26-7.31(m, 2H), 7.51(d, J= 8.0 Hz, 4H), +
7.64(d, J= 8.0 Hz, 4H), 7.98(s, 2H) ppm, HRMS(ESI): calcd for C50H37BF2N5O2[M+H]+788.3008, found 788.3001.
[0038] 实施例6:溶液中1,3,5,7-四苯基-2,6-双[3-(5-甲氧基)吲哚]氮杂氟硼荧的紫外-可见-近红外吸收光谱如附图3。将1,3,5,7-四苯基-2,6-双[3-(5-甲氧基)吲哚]氮杂氟-5硼荧溶于四氢呋喃,配成2.0 × 10  mol/L溶液,取2.5 mL放入比色皿中,测定紫外-可见-近红外吸收光谱。1,3,5,7-四苯基-2,6-双[3-(5-甲氧基)吲哚]氮杂氟硼荧的吸收光谱最大吸收峰位于744 nm,摩尔消光系数达到2.2×104M-1cm-1。
[0039] 实施例7:1,3,5,7-四苯基-2,6-双[3-(5-甲氧基)吲哚]氮杂氟硼荧在膜中的紫外-可见-近红外吸收光谱图如附图4。将1,3,5,7-四苯基-2,6-双[3-(5-甲氧基)吲哚]氮杂氟硼荧配制成4.0 mg/mL的甲苯溶液,充分溶解后,滴加在高速旋转的石英玻璃上,旋涂机转速为1500 rp/min,旋转时间60 s。薄膜经100℃加热处理10 min,冷却后,测定紫外-可见-近红外吸收。
[0040] 实施例8:在乙腈溶液中氧化还原电势的测试。氮气氛围中,我们用乙腈做溶剂,配置1.0 g/L的1,3,5,7-四苯基-2,6-双[3-(5-甲氧基)吲哚]氮杂氟硼荧的溶液,在50 mV∙s-1的扫描速度下得到了氧化还原电势图,如附图5。由氧化还原电势可计算得到它们的HOMO和LUMO值分别为:-5.33 eV和-4.06 eV。