基于卟啉的A-D-A型小分子材料设计与合成

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有机太阳能电池领域有关非富勒烯受体材料的研究是当今国际上的热点。得益于A-D-A(受体-给体-受体)型小分子受体材料的发展,当前电池的能量转换效率不断被快速刷新,也进一步激励人们去更深入地开展这类小分子受体的分子设计及其结构性能之间关系的研究。卟啉具有富电子的平面刚性共轭大π环结构,光电性能独特,在自然界能量转换过程中占有重要地位,基于卟啉构筑的小分子受体材料也展现出令人鼓舞的性能。本论文主要围绕设计和合成卟啉基A-D-A型小分子化合物开展工作,以提高卟啉单体的合成收率,弄清A-D-A型卟啉小分子光伏材料吸收光谱的调控规律作为出发点,以富电子的卟啉衍生物为核中心D单元,通过与具有不同吸电子能力的A单元—吡咯并吡咯二酮(DPP)、异靛蓝(ISO)和1,1-二氰基亚甲基-3-茚满酮(DCI)组合,设计合成几种不同的A-D-A型卟啉小分子材料,并深入研究卟啉单体的合成规律以及这类材料的分子结构与其吸收光谱和能级结构之间的关系。首先,设计合成了卟啉衍生物核单元—5,15-双-(4-异辛氧基-苯)卟啉,研究提高卟啉衍生物单体产率的有效合成路线与条件,成功将其产率提高到48%。随后在其meso位键入炔桥,并通过Sonogashira偶联反应与吡咯并吡咯二酮和异靛蓝构建了两种A-D-A型的卟啉小分子光伏材料DPP-P(Zn)-DPP和Iso-P(Zn)-ISO。通过表征发现,这两个小分子均具有优异的热稳定性和良好的光学吸收特性,其热分解温度分别为330℃和380℃,光学带隙分别为1.34 eV和1.36 eV,为典型的窄带隙化合物。DPP单元因较强的吸电子能力,使得材料在近红外区域的吸收更加充分,与ISO-P(Zn)-Iso相比,DPP-P(Zn)-DPP的吸收光谱显著红移20nm左右,LUMO能级也更低。DFT模拟计算结果也表明,端基单元的强吸电性能够使电子云更多的向端基位置靠拢,有利于增强分子间的ICT效应,降低材料的能级水平。对端基单元的设计和选择可以有效地调节材料的分子排列和光电性质。我们将吸电子能力更强的1,1-二氰基亚甲基-3-茚满酮及其氟代衍生物与上述卟啉核单元组合,设计合成A-D-A型小分子ICT-P-ICT及其星形化合物Por-TIC和Por-TICF,主要通过密度泛函理论计算(DFT)研究了它们的几何结构和分子轨道电子云分布。结果表明,ICT-P-ICT具有更低的能级水平和更强的分子间作用力,更有利于提高材料在近红外区域的吸收。星形化合物由于四个乙炔桥的平面化效应,端基单元与卟啉核形成的二面角仅有19°,这比其他报道的含有卟啉单元的小分子受体的二面角更小,有利于分子间的π-π堆积,提高载流子的传输能力。此外,相比于小分子Por-TIC,Por-TICF的LUMO能级明显更低,这都归结于氟原子具有较强的吸电性,这种端基氟化作用能够整体降低材料的能级。
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