端基对二噻吩和苯并噻吩类共轭桥化合物电子结构及载流子传输性能的影响

采用密度泛函理论(DFT, TDDFT) B3LYP/6-31G(d)和PBE0/6-31G(d)方法对苯乙烯/乙炔为端基, 二噻吩(2T)、苯并二噻吩(TPT)和二苯并噻吩(PTP)为共轭桥的12个化合物进行了系统地计算研究. 在分别优化中性态与离子态几何构型的基础上, 获得了前线轨道能级、电离能(IPs)、电子亲合能(EAs)、重组能(λ_h/λ_e)和电子吸收光谱等信息. 结果表明, 苯乙炔基取代苯乙烯基对LUMO能级影响很小, 但HOMO能级明显降低, 能级差?E和激发能E_v增大, 吸收光谱蓝移10～30 nm, 多数苯乙炔基化合物的重组能均有所降低|端基相同共轭桥分别为2T, TPT和PTP时, HOMO能级逐渐降低, LUMO能级逐渐升高, ?E和E_v依次增大, 吸收光谱依次蓝移30～45 nm. 研究结果还表明, TPT共轭桥化合物的重组能较小, 且λ_h与λ_e相近, 有利于载流子传输平衡, 提高传输速率. 本文设计的苯乙炔基苯并二噻吩(DPATPT)有望成为潜在的传输效率高、抗氧化能力强的载流子传输材料.     

6,12-二(三乙基硅乙炔基)二苯并苯并二噻吩的合成、表征及性能研究

合成了6,12-二(三乙基硅乙炔基)二苯并[d,d’]苯并[1,2-b;4,5-b’]二噻吩,并通过熔点测定、元素分析、核磁共振谱、质谱及X-单晶衍射分析对其进行了表征,同时对其作为有机场效应管(OFET)材料的性能进行了测试.结果表明,该材料在器件中载流子迁移率高达0.53 cm2/Vs,开关比为105.     

基于小分子噻吩单元的有机太阳能电池研究进展

噻吩及衍生物基团具有独特的光电性能,已广泛应用于有机太阳能电池的设计与合成中,并在有机光电领域发挥着重要的作用。本文综述了近几年来含有噻吩及其衍生物的有机小分子太阳能电池的研究进展。分别综述了含联噻吩、苯并二噻吩和二噻吩并噻咯单元的“给体 受体 给体”型有机供体小分子,并总结了其结构差异。从分子设计的角度出发,探讨分子骨架的共轭程度、链端基团、中心构筑单元数目等改变对材料的光学吸收、能级水平、迁移率等性能的影响,总结了设计高性能的小分子供体材料有效的途径。     

并三噻吩及其三种衍生物电子光谱的密度泛函理论研究

采用B3LYP/6-31G(d,p)方法优化得到了并三噻吩(DTT)及其三种衍生物苯基并三噻吩(PDTT)、萘基并三噻吩(TDTT)和噻吩基并三噻吩(NDTT)基态(S0)的稳定几何构型,并通过频率分析加以验证.在TD-B3LYP/cc-pVTZ水平下,计算了它们的电子吸收光谱,计算值与实验值符合得很好.计算结果表明:它们的吸收波长顺序为λNDTTλTDTTλPDTTλDTT.采用TD-B3LYP/6-31G(d,p)方法,优化得到了TDTT和NDTT第一激发态(S1)的几何结构,并在TD-B3LYP/cc-pVTZ水平下计算了它们的发射光谱.     

分子堆叠和器件性能:基于苯并二噻吩及其衍生物的高效小分子给体研究进展（英文）

有机全小分子太阳能电池由于具备结构精确和批次差异小的特点,有广阔的应用前景,近年来该领域的发展备受关注.本文回顾了基于苯并二噻吩(BDT)及其衍生物的小分子给体的发展.基于分子结构、堆叠特性和器件性能之间的关系,分析了小分子BDT系列的成功案例,旨在阐明分子结构、分子聚集和器件性能之间的联系,为未来高效分子的设计提供参考.     

基于苯并二噻吩和吡咯并吡咯二酮共聚物的有机太阳能电池给体材料光伏性质理论研究

设计和合成结构新颖的聚合物太阳能电池给体材料是有机电子学的热点研究领域. 首先利用二噻吩取代的苯并二噻吩(DBDT)作为富电子结构单元, 吡咯并吡咯二酮(DPP)作为缺电子单元构筑了一种新的聚合物太阳能电池电子给体材料(PDBDTDPP), 然后以[6,6]-苯基-C₆₁-丁酸甲酯(PC₆₁BM)作为电子受体, 借助密度泛函理论(DFT)方法结合不相干的Marcus-Hush电荷传输模型, 系统研究了PC₆₁BM-DBDTDPP_n=1,2,3,∞体系的分子结构、电子性质、光吸收性质、电荷转移的内重组能和外重组能、激子结合能、电荷传输积分、给体-受体界面上激子分离和电荷复合速率等性质, 并利用线性回归方法分析了聚合物重复单元与其光伏性质的关系. 结果表明, 该聚合物具有较好的平面结构, 低的最高占据分子轨道(HOMO)能级, 在紫外-可见区具有宽且强的光学吸收、较大的激子束缚能(1.365 eV), 小的激子分离内重组能(0.152 eV)和电荷复合内重组能(0.314 eV). 在给体-受体界面上, 激子分离速率高达1.073×10¹⁴ s^-1, 而电荷复合速率仅为1.797×10⁸ s^-1. 相比较而言, 激子分离速率比电荷复合速率高约6个数量级, 表明在给体-受体界面上, 光生激子具有很高的分离效率. 总之, 研究证明PDBDTDPP是一个非常有前途的聚合物太阳能电池给体材料, 值得实验上进一步合成及器件化研究. 理论研究不仅有助于更深入理解有机化合物结构与其光学、电子性质之间的关系, 还可以为合理设计聚合物太阳能电池给体材料提供有价值的参考.     

两个噻吩并萘并吡喃类化合物的合成及结构表征

以2,7-萘二酚为原料分别经六步反应合成了两个新的角型噻吩并萘并吡喃化合物6和8。两个目标化合物及所有新中间体的结构均经^1HNMR、MS、IR、元素分析充分表征。测定了化合物6的单晶分子结构,其特殊的分子平面刚性和α-吡喃与噻吩部分的活泼双键间的空间结构使之成为更有效的单官能团DNA嵌入剂。     

新型含苯并二噻吩与苯并二吡咯酮基元的 D-A共聚物的合成及性质

采用苯并二吡咯酮作电子受体单元，在钯催化下，与不同取代基修饰的电子给体单元苯并二噻吩进行Stille偶联聚合反应，合成了两种新型的电子给受体（D-A）聚合物(P1和P2)，其结构和性能经UV-Vis, ¹H NMR, ¹³C NMR,元素分析，GPC, CV和TGA表征。结果表明：薄膜态P1和P2在300~800 nm表现出较强吸。P1和P2的低能端吸收峰值分别位于621 nm和616 nm。氧化峰分别位于0.41 V和0.46 V，能隙分别为1.41 eV和1.36 eV。     

新型苯并二吡咯酮与苯并二噻吩衍生物的共聚及性能研究

以苯并二吡咯酮（BDP）类衍生物为电子受体单元,噻（硒）吩修饰的苯并二噻吩（BDT）类作为电子给体单元,通过钯催化Stille缩聚反应合成了3种新型的给体-受体（D-A）共聚物PBDP-BDT(T), PBDP-BDT(Se), PBDP-BDTT(T),并采用核磁共振、凝胶渗透色谱、紫外-可见分光光度计、循环伏安法,热重分析对3种聚合物的结构和性能进行了表征。结果表明：3种聚合物紫外可见吸收范围为250～1200 nm,其能量最低的吸收峰分别位于680 nm, 722nm, 744 nm;起始氧化电位分别为0.90 eV, 0.73 eV, 0.75 eV,由此估算出其电化学能隙分别为1.72eV,1.47 eV,1.40 eV,显示出较窄的能隙特征。此外,聚合物还具有较好的热稳定性。      

苯-噻吩低聚物电子结构及载流子传输性质的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP/6-31G(d)方法对以低聚噻吩为端基、 苯并二噻吩(TPT)和并三噻吩(TTT)为共轭桥、 炔键为连接臂的20个模型化合物进行了计算研究. 在优化中性与离子态几何构型基础上, 获得了前线轨道能级、 电离能(IPs)、 电子亲和势(EAs)、 空穴/电子重组能(λ_h/λ_e)、 载流子迁移率(μ_h/μ_e)及吸收光谱等信息. 结果表明, 炔键的引入及端基低聚噻吩的增加对LUMO能级的调控作用较为显著, 而共轭桥的类型对HOMO能级影响较大; 合理选择端基、 共轭桥和连接臂等结构单元可对该类材料吸光波段及强度进行有效调节. 一维电荷传输模型结果表明, 所设计的化合物均是潜在的双极性有机半导体材料, 其中2,7-二([2,2':5',2'-三噻吩]-5-基)苯并[1,2-b:6,5-b']二噻吩(A3)和2,7-二(二噻吩并噻吩-2-基乙炔基)苯并[1,2-b:6,5-b']二噻吩(a-3)具有较高的电子迁移率, 值得进一步的实验探索研究.     

含五氟苯的噻吩并吡咯二酮苯并二噻吩共轭聚合物的合成及其性能

以3,4-噻吩二甲酸和五氟苯胺为起始原料,经酰化、缩合和NBS溴代反应制得2,5-二溴-5-五氟苯基噻吩［3,4-c］吡咯-4,6-二酮(2); 2经两步反应制得2-溴-2,5-二噻吩-5-五氟苯基噻吩［3,4-c］吡咯-4,6-二酮(4);以苯并二噻吩衍生物（BDT-1和BDT-2）为给体单元,2或4为受体单元,分别经Stille偶联缩聚反应合成了3个含五氟苯的噻吩并吡咯二酮-苯并二噻吩共轭共聚物(5a~5c),其结构和性能经¹H NMR, ¹³C NMR, UV-Vis, TGA和循环伏安法表征。结果表明：5a, 5b和5c的最大吸收峰分别位于559 nm, 559 nm和547 nm,光学带隙分别为1.70 eV, 1.73 eV, 1.68 eV(薄膜)和1.84 eV, 1.83 eV, 1.81 eV(甲苯);失重5%的温度为307～325 ℃; 5a~5c的起始氧化电位和起始还原电位分别为1.14 V, 1.18 V, 1.03 V和-0.67 V, -0.67 V, -0.70 V; HOMO和LUMO能级分别为-5.54 eV, -5.58 eV, -5.43 eV和-3.73 eV, -3.73 eV, -3.70 eV。     

基于苯并[b]萘并[1,2-d]噻吩的可见光驱动光环化荧光turn-on型二芳基乙烯的合成与性能研究

可见光驱动光环化的荧光turn-on型二芳基乙烯分子开关是超分辨显微成像的理想材料, 但目前关于该类型分子的报道仍较少. 本工作合成了一种基于苯并[b]萘并[1,2-d]噻吩(BNTP)的405 nm可见光驱动光环化的荧光turn-on型二芳基乙烯分子BNTP-BTTO4, 同时系统研究了该分子的光物理性能与稳定性, 并借助密度泛函理论(DFT)计算厘清了分子实现可见光驱动光环化及荧光turn-on原因. 另外, 本研究发现BNTP引入后分子表现出比参比分子Ph-BTTO4更优异的抗疲劳性、热稳定性和光稳定性, 尤其是在历经200 min 405 nm可见光照射后, BNTP-BTTO4(c)吸收强度只下降4%, 光稳定性大幅提升. 本研究为设计开发性能优异的可见光驱动光环化的荧光turn-on型二芳基乙烯提供了新的思路.     

4,7-二(2-噻吩基)苯并噻二唑-3-辛基噻吩二炔的合成机理和电子结构的理论研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似(DFT/GGA)方法, 在PW91/DNP 水平上研究了4,7-二(2-噻吩基)苯并噻二唑-3-辛基噻吩二炔在PdCl₂(PPh₃)₂ 催化下的合成机理. 优化了反应过程中的反应物、中间体、过渡态和产物, 通过能量分析结果证实了中间体和过渡态的真实. 在同样的方法和精度研究了4,7-二(2-噻吩基)苯并噻二唑-3-辛基噻吩二炔在没有催化剂下的合成机理. 通过计算结果得到此反应在有PdCl₂(PPh₃)₂ 催化情况下的活化能小于没有催化剂情况下的活化能, 从而证明了PdCl₂(PPh₃)₂ 催化剂的催化活性. 采用密度泛函理论与周期性平板模型相结合的方法, 研究了产物P 在TiO₂(100)表面的吸附, 通过Mulliken charge 和前线轨道分析表明: 当P 吸附在TiO₂(100)表面时, P 向TiO₂(100)表面转移0.692 e 电荷, 前线轨道能隙变窄. 理论预测的结果与实验值吻合.     

苯基取代苯并二噻吩二酮构建新型聚合物及其光伏性能研究

随着材料和器件的不断发展,有机光伏(OPV)的器件效率不断提升,但制备仍存在较多额外加工工艺,不利于其大规模生产.如何合理调控活性层材料的溶解性、结晶性和两相形貌来简化器件制备工艺,实现高性能的as-cast器件将十分具有科学意义.本工作通过设计合成苯基取代的苯并二噻吩二酮单元(二维BDD)作为共聚单元,制备了三种新型聚合物材料.当二维BDD单元摩尔分数为10%时, FBDT-m10能实现良好的聚集性能和加工性能,与Y6-BO共混制备的as-cast器件就可以得到良好的活性层形貌,最终实现了71.14%的填充因子及16.06%的器件效率.     

8-5’新木脂素类化合物的合成方法研究

对羟基桂皮酸甲酯和阿魏酸甲酯分别在氧化银催化下发生自由基仿生氧化偶联反应, 合成得苯并二氢呋喃环结构化合物1, 1经甲基化反应得2. 1a和1和2分别在无水碳酸钾、10%氢氧化钠水溶液等不同的碱性条件下进行反应, 获得了11个苯并二氢呋喃环开环产物, 即8-5’新木脂素类化合物3a～9b, 实现了由苯并二氢呋喃新木脂素向8-5’新木脂素的转变, 也为合成芪类化合物提供了一种新方法. C-8位上的吸电子基团如酯基的影响使苯并二氢呋喃环易在碱性条件下开环形成8-5’新木脂素类化合物．所合成化合物的结构由MS, IR, 1H NMR和13C NMR进行了表征.     

噻吩并[2,3-b]吡啶类化合物的合成及生物活性

用邻氨基噻吩腈与不同结构的二羰基化合物反应,合成了新的多取代噻吩并吡啶类衍生物4-氨基-5-取代羰基噻吩并[2,3-b]吡啶-6-酮。用元素分析、红外光谱、核磁共振氢谱和质谱等测试技术对所合成化合物的结构进行了表征。初步生物活性测试表明,该类化合物有较好的杀菌活性和一定的除草活性。     

8-5′新木脂素类化合物的合成方法研究

对羟基桂皮酸甲酯和阿魏酸甲酯分别在氧化银催化下发生自由基仿生氧化偶联反应,合成得苯并二氢呋喃环结构化合物1,1经甲基化反应得2．1和2分别在无水碳酸钾、10％氢氧化钠水溶液等不同的碱性条件下进行反应,获得了11个苯并二氢呋喃环开环产物,即8—5′新木脂素类化合物3a～9b,实现了由苯并二氢呋喃新木脂素向8—5′新木脂素的转变,也为合成芪类化合物提供了一种新方法．C-8位上的吸电子基团如酯基的影响使苯并二氢呋喃环易在碱性条件下开环形成8-5′新木脂素类化合物．所合成化合物的结构由MS,IR,^1H NMR和^13C NMR进行了表征．     

两种四噻吩并萘分子晶体电荷传输性质的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)方法结合不相干的电荷跳跃模型和随机Monte Carlo模拟,研究了2种四噻吩并萘晶体(AT1和AT2)的分子结构、电子性质及电荷载流子传输参数,并预测了这2种晶体室温下空穴和电子迁移率的各向异性.结果表明标题化合物具有近似平面的刚性骨架结构,电荷传输过程中分子的结构弛豫相当小.基于绝热势能面法计算的AT1和AT2分子空穴/电子传输内重组能分别为9.300×10~(-2)/1.100×10~(-1)eV和1.020×10~(-1)/1.290×10~(-1) eV,外重组能分别为1.835×10~(-2)/1.711×10~(-2) eV和1.857×10~(-2)/1.747×10~(-2) eV.利用Monte Carlo随机模拟方法预测的2种分子晶体室温(300K)下空穴/电子迁移率平均值分别为4.976×10~(-3)/2.766×10~(-2) cm~2 V~(-1)s~(-1)和3.857×10~(-3)/1.478×10~(-2)cm~2 V~(-1)s~(-1).此外,迁移率的角度依赖性研究表明2种载流子在AT1和AT2晶体aob平面传输时表现出显著的各向异性,其最大值均沿着电荷传输积分最大的方向,为制备高性能场效应晶体管器件提供了参考.     

1,2-苯并噻嗪类化合物的设计、合成及抗肿瘤活性研究

依据生物电子等排原理,设计合成了13个全新结构的1,2-苯并噻嗪类化合物,其结构均经IR,1H NMR,13C NMR和MS确证.以A431,A549,MDA-MB-468和HL60 4种细胞株为活性筛选对象,采用四甲基偶氮唑盐(MTT)法进行初步的体外抗肿瘤活性研究.结果表明,部分化合物对肿瘤细胞有一定的抑制活性,其中化合物5b对A431具有显著的抑制活性,IC50值为1.57μmol/L,化合物9a对A431,A549和MDA-MB-468 3种细胞株的抑制活性均强于阳性对照药gefitinib.并采用Moe软件对所合成的化合物与表皮生长因子受体(EGFR)结合位点进行对接,以进一步阐释所合成化合物的作用靶标.     

含萘并二噻吩小分子受体材料的带隙调控及其在非富勒烯太阳能电池中的应用

By using photovoltaic technology, ambient solar light can be directly converted to electricity. The photovoltaic technology has been regarded as one of the most important and promising strategies to resolve the worldwide energy and pollution problems. As one type of photovoltaic technology, polymer solar cells have attracted increasing interest due to their advantages of solution processing capability, low-cost, feasibility to be fabricated on flexible substrates etc. Not until a few years ago, the fullerene derivatives had been dominated the organic photovoltaic field as the most promising acceptor materials for polymer solar cells. However, fullerene-based polymer solar cells have a power conversion efficiency bottleneck due to the relatively fixed energy levels as well as the fixed bandgaps of fullerene derivatives. Therefore, researchers started to develop nonfullerene acceptors which can be used as alternatives to replace the traditional fullerene derivatives. Compared to the fullerene derivatives, nonfullerene acceptors offer several advantages such as stronger light absorption, tunable bandgaps and frontier molecular orbital energy levels. For nonfullerene acceptors, a ladder-type fused ring is usually used as the central core which is an essential building block to tailor the bandgaps and energy levels. Although many fused ring systems have been explored for efficient nonfullerene acceptors, ladder-type angular-shape dithienonaphthalene is seldom reported as the donor unit for nonfullerene acceptors. Furthermore, the impact of thiophene bridge on the optical and photovoltaic properties of the dithienonaphthalene-based nonfullerene acceptors has never been reported. In this context, we report on the design and synthesis of a dithienonaphthalene-based small-molecule acceptor which contains thiophene bridges in between the acceptor terminals and the fused-ring donor core. Compared to the dithienonaphthalene-based small-molecule without the thiophene bridges, the resulting acceptor (DTNIT) exhibits a reduced bandgap of 1.52 eV which makes it more suitable to be blended with the benchmark large bandgap copolymer, poly[(2, 6-(4, 8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)-benzo[1, 2-b: 4, 5-b']dithiophene))-alt-(5, 5-(1', 3'-di-2-thienyl-5', 7'-bis(2-ethylhexyl)benzo[1', 2'-c:4', 5'-c']dithiophene-4, 8-dione)] (PBDB-T). The reduced band-gap of the resulting nonfullerene acceptor can be attributed to its extended π-conjugation in comparison with the dithienonaphthalene-based acceptor without the thiophene bridges. Inverted polymer solar cells with a device configuration of indium tin oxide/ZnO/PBDB-T:DTNIT/MoO₃/Ag were fabricated and characterized. Polymer solar cells based on PBDB-T:DTNIT showed an open circuit voltage of 0.91 V, an enhanced short circuit current of 14.42 mA∙cm⁻², and a moderate PCE of 7.05% which is comparable to the PCE of 7.12% for the inverted device based on PBDB-T:PC₇₁BM. Our results not only provide a method to synthesize efficient nonfullerene acceptors with reduced bandgaps, but also offer a bandgap modulation strategy for nonfullerene acceptors.