[发明专利]茚满二酮封端的吡咯并吡咯二酮醌式化合物及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种吡咯并吡咯二酮醌式化合物及其制备方法与应用，属于有机半导体材料技术领域。所述醌式化合物的化学结构如式(1)所示，其制备方法包括如下步骤：1,3‑茚满二酮、式(2)所示的溴代化合物在钯催化剂和碱的作用下发生取代反应，随后在空气氧化下得到式(1)所示的醌式化合物。本方法具有合成产率高和不需要采用强氧化剂的优点。所述醌式化合物具有最低未占据分子轨道(LUMO)能级低以及分子骨架平面性好的特点，从而赋予其好的电子传输能力，以所述醌式化合物制备的有机场效应晶体管显示出纯n型传输特性，器件的电子迁移率能够达到0.53cm²·V^‑1·s^‑1。

技术领域

本发明属于有机半导体材料技术领域，具体涉及一种吡咯并吡咯二酮醌式化合物及其制备方法与应用。

背景技术

醌式化合物具有独特的光、电、磁特性，在诸多领域有着广泛的应用。该类化合物通常具有最低未占有轨道(LUMO)能级低、分子平面性好和分子间作用力强等特点，是一类优异的电子传输材料。此外，该类化合物具有双自由基特征，可用于磁性半导体材料。

目前常见的醌式化合物大多以双氰基亚甲基封端，其合成步骤主要包括两步：1)采用钯催化的Takahashi反应合成两端带叔碳端基的芳香中间体；2)采用强氧化剂将此芳香中间体氧化成醌式化合物。然而这一方法面临以下几个问题：1)反应产率低，一般小于50％，导致反应原料的浪费，不符合合成原子经济的要求；2)需要采用过量的强氧化剂，例如溴水和2,3-二氯-5,6-二氰基对苯醌，而强的氧化剂对人体和环境会产生较大的危害；3)以溴水作为氧化剂时会生成难以分离的溴代副产物，需要经过多步提纯，造成合成时间和提纯试剂的浪费。以双氰基亚甲基封端制备醌式化合物存在的上述问题严重影响了醌式化合物的应用。因此开发一种高效且不需要使用强氧化剂就能制得的醌式化合物，具有重大意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种高效且不需要使用强氧化剂就能制得的醌式化合物及其制备方法与应用。

为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：

本发明的技术方案之一，一种吡咯并吡咯二酮醌式化合物，其结构通式如式(1)所示：

其中R₁和R₂为烷基链，X₁和X₂为氧原子、硫原子或硒原子。

进一步地，所述烷基链为C₁₀-C₄₀的直链或支化烷基链。

本发明的技术方案之二，一种上述的吡咯并吡咯二酮醌式化合物的制备方法，以1,3-茚满二酮、溴代化合物为原料，在催化剂和碱的作用下发生取代反应，然后在空气中进行氧化反应，得到所述吡咯并吡咯二酮醌式化合物；所述溴代化合物的结构通式如式(2)所示：

其中，R₁和R₂为C₁₀-C₄₀的直链或支化烷基链，X₁和X₂为氧原子、硫原子或硒原子。

S、Se、O这3个原子的原子半径不一样，最后会导致化合物在薄膜的堆积和结晶程度不一样，进而影响化合物的性能。

进一步地，所述催化剂为甲烷磺酸(2-二叔丁基膦基-2',4',6'-三异丙基-1,1'-联苯基)(2'-氨基-1,1'-联苯-2-基)钯(II)、醋酸钯(II)、三(二亚苄基丙酮)二钯(0)和四(三苯基膦)钯(0)中的一种。

进一步地，所述碱为氢化钠、磷酸钾、碳酸钾和氢氧化钠中的一种。

制备所述吡咯并吡咯二酮醌式化合物的反应路线如下：