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芴类聚合物是目前人类发现的光/电致发蓝光效率最高的共轭聚合物之一,但是,由于存在:1)在热和电的长时间作用下,易发生分子链之间π-π堆积形成激基缔合物;2)通常聚芴需要通过钯、镍等重金属催化的Suzuki、Stille等偶联反应合成,这些反应的温度高、时间长和需要严格的氮气保护,且产物中存在无法除尽的催化剂;3)长链聚合物通常带有无法完全封闭的端基;4)长链聚芴在热、光和电的氧化降解作用下,易产生酮基结构。这些缺陷都导致它们的光/电致荧光谱出现长波绿尾峰,影响所发蓝光的纯色性能。此外,需引入导电子材料或者导空穴材料的聚芴,来解决电子或空穴注入能垒高、发光效率低的缺陷。众多学者对上述不足进行了改进,例如通过聚芴的结构中引入:1)大的侧基或支链来增加分子链的空间位阻,2)接入供电子的三苯胺、咔唑等导空穴材料或者接入吸电子的嗯二唑等导电子材料,3)对聚合芴链的极性端基进行封端,或者接入可交联的基团后,进一步处理是使其交联成网等来克服上述缺陷。
近来,人们更多的将目光转向结构简单的齐聚芴。与高分子聚芴相比,分子量较小的齐聚物,特别是单分散的齐聚芴显示出,结构清晰无缺陷、共轭长度明确、无端基影响、易于纯化和表征等优点,被广泛用着理解同类多分散聚合物性质的结构模型、场效应管的设计、太阳能电池的吸光材料和有机发光二极管的制备,灵活而方便的合成路径设计,也可巧妙的在齐聚芴分子结构引入各类导电子/导空穴材料,在实现纯净蓝光发射的同时,提高发光效率。根据分子链的结构形态,可把它们简单分为:直链棒状齐聚芴;以螺旋芴为核的交叉结构:以三聚茚、磷或三苯胺为核的星型结构;以硅、笼型倍半硅(POSS)或三氮杂三聚茚为核的多爪型结构。总结性能较好的单分散齐聚芴,发现都是X型结构,合成方法基本都是采用钯、镍等重金属催化的Suzuki、Stille等偶联反应。
本文以酸催化Friedel-Krafts亲电取代的烷基化反应代替传统的Suzuki、Stille等偶联反应合成最终产物。在结构设计上,将三苯胺设计成环进入分子结构,三个发光芴基单元与环以垂直方式连接,并伸出到坏的两面构成多个H型(立体结构),导空穴的三苯胺与发光单体互不共轭,既有效降低材料的空穴注入能垒,又基本不影响电子的注入。
本文的主要研究内容通过取代反应、丁基锂反应和Suzuki逐步偶联反应设计了含双官能团中间体TPAF—Br2,再制备成环单体TPAF3和TPAFs。然后把Friedel-Krafts烷基化反应应用于单分散成环化合物的合成。得到两个三维空间结构的大环齐聚芴。在这个结构中,导空穴的三苯胺被设计成环进入分子结构中,有效的降低齐聚芴的EHOMO,使得空穴注入的能垒有大幅度的降低。同时,由于三苯胺没有破坏芴的共轭结构,不影响电子的注入,材料的ELUMO的没有明显的升高。发光的芴基链通过C—9上o键连接在三苯胺大环上,以垂直的方式伸出环的两侧构成空间结构。此化合物结构明确、没有端基效应、三维立体效果好、热稳定性高和易于纯化,有效抑制了分子结构间的π—π堆积,破坏激基缔合物的形成,不产生酮基缺陷,维持了器件稳定纯色蓝光发射。
本文的创新之处
1)首次方便地合成了具有反应活性的重要中间产物TPAF—Br2,继而在指定位置接上不同长度的发光芴基单元,制备了新颖结构的成环发光单体TPAF3和TPAF5。
2)成功地将Friedel-Krafis烷基化反应用于自缩聚,发现了一种新的成环反应。首次合成了新型三维立体结构发蓝光材料(TPAF3)3和(TPAF5)3。
3)以酸催化的Friedel-Krafts烷基化反应替代常规的Suzuki、Stille等偶联反应制备目标产物,反应温度低、时间短、方便且高效,由色谱柱分离就能得到高纯度的产物。
4)巧妙的将三苯胺与发光单元设计成互不共轭,使发蓝光材料(TPAF3)3和(TPAF5)3有效的降低自身的EHOMO的同时,不影响电子的注入,材料的ELUMO的没有明显的升高,实现了材料的纯净蓝光发射,以此材料制备的LED发光效率高,稳定性好。