3,4-亚乙基二氧噻吩—四硫代富瓦烯组装物和聚合物的合成

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3,4-亚乙基二氧噻吩(EDOT)具有较低的氧化电位、较低的HOME-LUMO能隙以及独特的电化学性质,利用它可以构建一系列功能性聚合物。另一方面,四硫代富瓦烯(TTF)具有富电子结构以及可逆的氧化还原特性,在构建有机功能材料的研究中有着广泛的应用。本文的目的是将这两个分子进行组装,进而研究组装物(或聚合物)的光谱和电化学性能,主要的内容如下:采用改良的“五步合成法”,在3,4-亚乙基二氧噻吩(EDOT)分子中引进了羟基,结果发现:得到的产物是一个由同分异构体组成的混合物,其中一个是含伯羟基的六元环化合物;另一个是含仲羟基的七元环化合物,两者用常规的手段难以分离。这两类羟基可以与脂肪酸或芳香酸进行酯化反应,因用由月桂酸和苯甲酸分别与该混合物反应获得了两个EDOT的组装物(EDOT-1和EDOT-2),反应产物仍然是混合物,用常规的方法难以分离。但是这两个异构体在与TTF-羧酸衍生物进行酯化反应时,只有含伯羟基的六元环化合物可与之反应,因而通过这个方法,得到了结构单一的EDOT-TTF组装物(TTF-4)。对TTF-4、EDOT-1、EDOT-2用多层循环伏安法进行了电化学聚合,研究发现,TTF-4的聚合反应在进行了一段时间后,产物在电极上的吸附与脱附可以达到平衡;分子中含有长碳链烷基侧链的EDOT-1,在进行同样的聚合反应时,产物因在介质中的溶解度较高而无法在电极上得到聚合物;EDOT-2的反应结果同TTF-4。对TTF-4、 EDOT-1、EDOT-2进行恒电压聚合和恒电流聚合,情况与此相似,TTF-4和EDOT-2的聚合均获得了期望的产物(P1和P3)。对单体进行了恒电压聚合和恒电流聚合,其中TTF-4, EDOT-2均得到了预期产物(P1,P3),测试了两种恒电流反应产物的导电率,结果分别为6S·cm-1与11S·cm-1恒电压反应产物的导电率为2.0×10-3S·cm-1和3.5×10-3S·cm-1,结果表明其具有良好的导电率。对含TTF的聚合物P1的恒电压聚合产物来说,对其用TCNQ进行化学掺杂,导电率有大幅度的提升(从2.0×10-3S·cm-1变为4.8×10-2S·cm-1),与TTF-4单体相比,聚合物在掺杂后导电率有大幅度的提升,可见导电维度的增加,对提高TTF聚合物的导电性能有着重要的意义。通过Sonogashira反应合成了5个EDOT-炔基-芳环聚合物5-P1-P5, TGA测试结果表明:该类聚合物具有良好的热稳定性,其中具有侧链烷基和TTF取代的聚芴化合物在常见的有机溶剂中有良好的溶解性能。循环伏安和紫外-可见吸收光谱的测试结果表明,侧链TTF对受体芴之间有较强的分子内相互作用,而主链上的EDOT基团对芴基团也存在较弱的分子相互作用。EDOT的存在使得分子的吸收光谱整体发生红移。荧光分析结果表明,主链上共聚基团的共轭度和分子内相互作用对芴的荧光发射位移产生了主要影响,而侧链的TTF基团的PET作用对芴的荧光发生强度产生了主要的影响。受到光引发电子转移相互作用(PET)的影响,TTF猝灭了芴基团的荧光,猝灭率达98%(聚合物),而随着氧化剂Fe(C104)3的定量加入,荧光可以被恢复,因此该聚合物具有荧光分子开关性能。对5-P4,P5用碘掺杂后它们的导电率分别为1.4×10-2S·cm-1和3.5×10-2S·cm-1,说明对于主链含有EDOT的中性共轭聚合物,可以通过掺杂使其获得导电能力。P5含有的TTF侧链也能被碘掺杂,从而增加了导电维度,因此具有比5-P4更高的导电率。5-P5用TCNQ掺杂后获得的导电率为1.3×10-3S·cm-1而且导电状态稳定,与掺杂前5-P5的导电率相比(1.8×10-6S·cm-1)掺杂后导电率提高了103倍,因此对侧链型聚合物上悬挂TTF的聚合物来说,对TTF进行掺杂是得到具有稳定导电率的导电聚合物的有效手段。
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