1、基于咔唑的有机光电材料的设计、合成及性能刍议摘 要：有机光电材料具有电子与光子的产生、传输及转换的特点，可以用于有机半导体材料。根据功能可分为太阳能电池材料、有机电致发光材料、光敏材料、光折变材料、能量转换材料等。具有结构多样、材料性能便于调控、存储密度高、速度快、加工方便等优点。所以，在很多领域都得到了广泛应用。 关键词：咔唑 有机光电材料 设计 合成 性能 咔唑是一种重要的含氮芳杂环化合物，成本较低，具有特殊的生物特性与光电特性，与有机光电功能材料的性能比较符合。其本身具有较强的分子内电子转移功能，同时其热稳定性也比较突出。近些年，随着有机光电子学的成熟，对有机光电材料的研究与创新也取得了
2、较大的成绩，催生出有机光电子产业的发展，促进了社会的发展和人们生活的改善。 一、卡唑类有机光电材料 有机光电材料通常含有氢、碳元素，再以氮、硫以及金属元素进行修饰的材料，从分子结构来看，具有大共轭体系。因此从结构可分为聚合物与小分子两种类型。和无机材料相比，其优点在于分子结构多样，可通过分子设计对材料的性能进行调控，满足了生活中对材料功能的需求；从材料性质上，光电反应速度快，存储的密度较高，便于加工。因其具有较多的优势，所以有机光电材料在有机场效应管、有机发光二极管、有机存储器及有机太阳能电池等领域有着广泛的应用。而咔唑类有机光电材料的优势更大，具有原料易得、成本较低的特点，在结构上属于刚性稠
3、环，具有特殊的光电性能与生物性能。可以合成多种咔唑衍生物，满足多种功能材料需求的制备。咔唑分子的共轭体系较大，其衍生物及本本都具有较好的光电性质与热稳定性，因此在材料、医药、生物、农药、染料等领域的应用前景非常广阔。尤其是作为有机光电材料的功能性更强。 二、咔唑衍生物的合成及性能研究 聚集诱导发光效应是一种在溶液中呈现微弱荧光或不发光的分析，在出现聚集态或固态够，出现强烈发光的现象。有机化合物材料在诱导发光中是通过改变分子组成、刚性结构、堆积形态及扭曲构象等方面来实现对固态或集聚态下荧光的强度与波长的。例如，不同的堆积方式，可以对分子间相互作用进行改变，并对分子聚集态的转动进行限制，实现化合物
4、聚集态或固态下的强烈荧光的发出。一般诱导发光材料包含环状多烯化合物、腈取代二苯乙烯型化合物、取代乙烯类化合物、联苯型、吡喃型及其它小分子聚合物及化合物等类型。 （一）试验 1.实验仪器与试剂 用 Na 对四氢呋喃进行除水处理，使用前，用二苯甲酮与钠循环蒸馏进行二次除水。溶剂包含分析纯与高效液相色谱纯度，均为直接使用。仪器选择 500W 高压汞灯作为光源，选择 300 型核磁共振谱仪对目标产物进行测定，对元素分析采用 VarioELIII 元素分析仪测定，对傅里叶红外变换光谱数据用 NEXUS670 光谱仪测定，对紫外-可见光吸收光谱数据采用 TU-1800 紫外光谱仪测试，对荧光发射光谱数据采
5、用 HitachiF-4500荧光光谱仪测试。对荧光性质进行测试时，溶液浓度为 10-5M，在计算荧光量子产量时以 0.1M 的硫酸奎宁溶液作为残壁溶液。 2.合成 将装置中的空气除去，加入 500ml 色谱纯试剂苯及 0.5mmol 化合物，通入氩气搅拌半个小时到完全溶解。在搅拌过程中，快速加入 20ml 环氧丙烷及 0.52mmol 的 I2。然后透过石英玻璃反应器，用高压汞灯对反应液进行照射，持续 12 分钟，反应结束。利用真空旋转蒸发仪将溶剂旋蒸出，得到的产物用二氯甲烷溶剂转移至锥形瓶，分别用质量分数均为 50%的蒸馏水、硫代硫酸钠溶液、饱和氯化钠水溶液进行洗涤。将得到的产物用无水硫酸
6、镁进行一个小时的干燥，然后将混合液进行过滤，去除硫酸镁固体。再次利用真空旋转蒸发仪将溶剂进行旋蒸，得到粗产物，利用硅胶柱分离与提纯，最后对缓和溶剂进行重结晶。 3.实验结果 合成的步骤比较简单，但是各环节的产率都比较高，很容易即可获取目标产物。试剂与原谅的成本较低，适合商业化生产。产物在常温且反应时间较短的条件下，产率非常高，因此，该有机反应是成功的，为合成化合物提供了条件。目标产物在多数溶剂中的溶解性均较好，克服了具有刚性结构的大共轭体系难以溶解的问题，目标产物很容易进行调控和修饰，因此是合成优质光电材料的可靠原料。 （二）性质分析 1.热学性质分析 从重结晶中选取单晶目标化合物，对目标化合
7、物的热转变过程中及稳定性进行测试，结果发现，化合物的吸热峰为 133.06和 448.62，分解温度为 448.62。表明了该化合物的热稳定性较好。 2.电化学性质分析 利用循环伏安法，对化合物进行电化学表征测试，选择三点几系统，其中参比电极为 Ag/AgCl、工作电极为 Pt、辅助电极为纯银丝。对表征进行测试时先通过 Fc/Fc+的氧化还原体系，对 CH2Cl2 溶液中的 Ag/AgCl参比电极进行校正。经过测试，化合物具有两个峰位值，分别为 0.7V 和1.1V，对应目标分子中两个咔唑环上的氮原子的氧化。在氧化态下，化合物具有稳定的低氧化电势，在电化学试验测试中，过 Fc/Fc+相对Ag/
8、AgCl 的半波电位为 0.4V，通过氧化电势可计算 HOMO 能级。化合物中引入了 Br 基团，在空气中的稳定性较强，根据 HOMO 能级及紫外-可见图谱可计算出 LUMO 能级。 3.光学性质分析 对不同溶剂中化合物的紫外-可见吸收光谱与荧光发射光谱进行测试，由化合物在不同溶剂中的紫外-可见吸收光谱可知，存在多个特征吸收峰。在二氯甲烷溶剂中，化合物的吸收最大峰为 305nm 与 331nm，在 416nm与 442nm 处，存在两个最小吸收峰。由化合物在不同溶剂中的荧光发射光谱可知，发射峰位于 420nm-440nm 之间，而二氯甲烷溶剂中，326nm 的光激发下，化合物的发射峰位于 45
9、2nm 与 480nm。从图 1 中，可知化合物的吸收光谱及 PL 光谱，可得到不随溶剂极性的改变而发生移动的结论。荧光领子产率较低，因此液态基本不发光。主要是由于化合物中含有取代基 Br-元素的荧光淬灭作用引起的。 三、结论 本文主要以咔唑为原料，对目标分子尽心该设计，经过一系列的光化学反应及化学合成方式，合成咔唑螺烯化合物。通过对化合物的热学质、电化学性质及光学性质进行分析，确定该化合物的热稳定性较好。文章只针对一种合成化合物进行分析，结论略显单一，因此在以后的工作中，还需要对其它合成化合物进行分析和研究。 参考文献 1张飞飞，周成合，颜建平.咔唑类化合物研究新进展J.有机化学，2010（15）. 2耿凤华，王永祥，刘保霞，赵文献，郑昕.咔唑及其衍生物在光电材料中的应用研究J.应用化工，2011（28）. 作者简介：李战强，男，1985 年 3 月出生，新疆化工设计研究院。
