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合成和自组装的新合成苝四甲酸二酰亚胺

D′克鲁斯ASC和Sankaran KR*

Annamalai大学化学系Annamalainagar,泰米尔纳德邦,印度

*通讯作者:
Sankaran基米-雷克南
化学系
annamalainagar Annamalai大学,002 - 608
印度泰米尔纳德邦,
电话:+ 919443665919
电子邮件: (电子邮件保护)

收到日期:11/04/2016;接受日期:08/09/2016;发表日期:13/09/2016

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文摘

在这篇文章中,两个新合成的合成苝四甲酸二酰亚胺(PTCDIs)即N, N′双(2,5-diethoxyphenyl) perylene-3, 4、9日10-tetracarboxylic二酰亚胺和N, N′双(4-butoxyphenyl) perylene-3, 4、9日10-tetracarboxylic报告二酰亚胺和分别表示为化合物DE-PTCDI和BA-PTCDI。合成化合物的特点用不同的方法如傅立叶变换红外光谱、1 h NMR, 13 c核磁共振和质谱分析。这项工作的范围是合成新的PTCDIs并研究其光学和形态学特性。杆像形态学特征的合成化合物的特点是使用各种显微技术,如扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜、原子范围显微镜(AFM)和相衬显微技术。为了说明计算的研究也进行了这些化合物的结构。

关键字

PTCDI、SEM、AFM、相衬显微镜计算研究

介绍

近年来,许多研究人员感兴趣的转移他们的注意力已经存在的n型半导体,因为他们已经发现这一领域特别非常有趣和具有挑战性的开发实际应用在有机电子产业。广泛的研究了n型材料、苝四甲酸二酰亚胺(PTCDIs)是高度优先由于其低成本和可用性(1]。除此之外,这些化合物也表现出较高的摩尔吸光系数,显示出较高的电子亲和能,展示优秀的光化学和热稳定性,以及良好的电化学性能(2,3]。PTCDIs使它们的电化学性能表现出良好的电子受体和电子传输材料。他们因此广泛用于应用程序作为有机发光二极管(oled),有机薄膜晶体管(OTFTs),太阳能电池光伏电池、光学开关、激光、电子摄影术,荧光灯收藏家等等4- - - - - -7]。

与PTCDI另一方面,一个严重的缺点在于其在一个巨大的不溶性主要有机溶剂和静止的空气很难有机电子设备环境条件下操作。因此,研究人员发现这一领域作为科学领域一个具有挑战性的领域,努力必须找到新航线开发空气稳定的有机产品。两种方法被用来增加PTCDI的溶解度。第一种方法涉及到替换的酰亚胺位置使用强大的电子撤回组或长烷基链取代基获得燕子尾巴构象而,第二种方法是通常在海湾的替代位置的母体化合物。强电子撤回团体不仅改变氧化还原电位和染料的带隙能量,但也是影响半导体性质以及电子注入障碍到这些材料(8]。因此,二酰亚胺等小分子含有吸电子集团展示良好的电子传递性能(9]。然而,富勒烯是n型有机半导体的一个很好的例子,不包含任何额外的电子撤回团体而功能化富勒烯是发现合适的候选人solution-processed n沟道OTFTs [10,11]。

本文讨论的工作范围的合成和表征一些新的PTCDIs和其光学和形态学特性的研究,可以帮助在有机电子产业作为有用的应用程序。

材料和方法

材料

10-tetracarboxylic Perylene-3 4 9日二酐(PTCDA)和咪唑从西格玛奥德里奇,印度。而2 5-diethoxy苯胺4-butoxyaniline购自阿尔法蛇丘,印度。所有的化学物质被用作这种没有任何进一步的净化(方案1)。

chemistry-perylene-tetracarboxylic-diimide

方案1:5-diethoxyphenyl N, N ' bis (2) perylene-3, 4、9日10-tetracarboxylic二酰亚胺(DE-PTCDI)和N, N ' bis (4-butoxyphenyl) perylene-3、4、9、10 -四甲酸二酰亚胺(BA-PTCDI)。

仪表

傅立叶变换红外光谱测量从4000年该地区的那些时光阿凡达360 - 400 cm - 1进行NICOLET仪器使用KBr颗粒。为1H NMR和13C NMR分析,少量的合成化合物溶解在大约0.5毫升的所需的溶剂(CDCl3),分别记录在力量400/100 MHz光谱仪。化学变化以ppm (ppm)。质量进行光谱分析JEOL GCMATE 11 GC质谱仪。SEM图像上得到JEOL印度经纪有限公司地产- 6610 lv的乐器。样本由铸造一滴selfassembly解决方案到一个干净的载玻片上,其次是退火烤箱大约半个小时。样本然后涂上了白金前扫描电镜测量。光学显微图像获得使用蒙牛特仑苏MLX模型,蒙牛特仑苏显微镜,而相衬显微图像获得使用尼康120 c型,尼康ECLIPSE TS 100显微镜。AFM进行安捷伦-5500 AFM测量仪器。这些照片是由非接触式方法记录。雷竞技网页版差示扫描量热法进行使用NETZSCH STA 449 f3的乐器。 The samples were recorded upto 350°C and heated at 5 K min1在氮。

实验

合成的化合物进行缩合反应的苝四羧酸二酐(PTCDA;0.395 g, 1更易)和2,5-diethoxy苯胺(0.362 g, 2更易)/ 4-butoxyaniline(0.327毫升,2更易)的熔融咪唑(~ 6 g)摄于50毫升圆底烧瓶和开展一段8 - 12 h在温度从140 - 160°C。氮气环境中创建复合BA-PTCDI的合成。反应完成的决心进行薄层色谱法。完成反应,反应混合物然后进一步处理100毫升乙醇和2 m 300毫升盐酸和被搅拌过夜。获得的沉淀是洗水量丰富的直到洗液中性。复合干燥,称重,然后特征进行进一步的研究。

然而,复合BA-PTCDI处理5%盐酸洗,去除杂质,净化应用大量的蒸馏水洗沉淀到洗涤液的pH值中性。化合物的纯度进一步确定进行薄层色谱使用己烷:乙酸乙酯(3:2)。原始产品后来干100°C ~ 12 h。

DE-PTCDI:1H NMR (CDCl3,400 MHz) (ppm): 8.64 - -8.76(苝醌类化合物d, 6 H, H), 8.47 - -8.49((苝醌类化合物d, 1 H, H), 6.87 - -7.0 ((d, 6 H,羧基苯基环),3.39 - -4.05 ((m, 8 H,羧基二组),1.34 - -1.42 ((m, 7 H,羧基甲基)],1.12 - 1.16 ((m, 6 H,羧基甲基)),13C NMR (CDCl3,100 MHz) (ppm): 163.0 (C = O), 123.0 - -134.5苝醌类化合物(C), 114.4 (Ar-C), 64.9和64.1(哟2),14.9 (CH3)、红外(KBr,厘米1):3114(芳香族碳氢键拉伸),2956 - 2856(脂肪族碳氢键拉伸),1694年和1658年(C = O拉伸),1594(芳香C = C拉伸),1353(碳氮拉伸),女士(EI): m / z计算的,为C44H34N2O8718.2;发现:718.7 [M+]。紫外可见(CHCl3):λ马克斯(nm) 526、489、459;荧光(CHCl3):λ马克斯(nm) 534、574(λexc= 460海里);收益率:70%,红色粉末。

BA-PTCDI:1H NMR (400 mhz, CDCl3):δ8.69 - -8.77((苝醌类化合物d、3 H, H, (H3)], 7.07 - -7.09 (d, 2 H, H4), 4.03 - -4.04 (t, 2 H, O-CH2),2.17 ((s, 3 h, H1)), 1.80 - -1.84 ((t, 2 h, H2)), 0.90 - -1.0 (t, 6 h, CH3);IR (KBr, cm - 1):υ3070 - 2879 (Ar和脂肪族碳氢键),1704年and1661 (C = O拉伸),1589(芳香C = C拉伸),1362(碳氮拉伸);质量度44H34N2O6:686.2(计算的),686.7(发现);紫外可见(CHCl3):λ马克斯(nm) 458、488、525;荧光(CHCl3):λ马克斯(nm) 543、576(λexc= 460海里);收益率:40%,棕色粉末。

结果与讨论

图1,我们可以清楚地看到井分布峰值对合成的化合物分别DE-PTCDI和BA-PTCDI。对于复合DE-PTCDI,羧甲基峰出现分别为1.12 - -1.16和1.34 - -1.42 ppm。复合BA-PTCDI定义良好的甲基峰出现作为一个三个一组分别为0.90 - -1.0 ppm。详细的1H NMR和13CNMR作业DE-PTCDI和BA-PTCDI如上所述。

chemistry-spectra-DE-PTCDI-BA-PTCDI

图1:1DE-PTCDI H NMR光谱(a) (b) BA-PTCDI。

由于自组装是强烈依赖于π-π*交互和在有机电子产业,突出重要理论3-21 NMR研究G *水平使用(Gauge-Including原子轨道)方法是为了有一个清晰的了解的测量由于中央π-system屏蔽。合成化合物的核磁共振屏蔽显示图2。从图2,它可以暗示由于π-stacking交互,苝醌类化合物的化学变化在核磁共振质子高度保护从红色和彩色区域的分化。

chemistry-NMR-shielding-DE-PTCDI

图2:核磁共振(a)的屏蔽DE-PTCDI BA-PTCDI (b)。

光学的研究

合成化合物的溶解度进行了在不同的溶剂如氯仿、二氯甲烷(DCM),乙醇,甲醇,乙腈,DMSO,丙酮和正己烷。合成化合物被发现是溶于氯仿和DCM溶剂由于其支化烷基侧链。

合成化合物的紫外可见吸收光谱被记录在氯仿在不同的浓度和所示图3。吸收带的电子振动的结构对应于π-π*电子跃迁苝醌类化合物的发色团。紫外可见吸收光谱显示典型的单体的π-π过渡乐队三个明显的峰值约为526/525,489/488和459/458 nm分别为化合物DE-PTCDI和BA-PTCDI。根据弗兰克-康登原则,紫外可见光谱中的最大吸收峰对应的垂直激励(12]。这些峰值对应于0 - 0,0 - 1和0 - 2电子转换的苝二酰亚胺的核心在单体的状态(13]。没有λ的变化马克斯位置增加化合物的浓度。换句话说,它可以清楚地说,最大值的位置未被改变的烷基链长不同的取代基结合的苝酰亚胺位置的一部分。它可以观察到两个合成化合物显示定义良好的年代0- s1吸收带的可见区域,这是一个显著的特征芳香二萘嵌苯核心和偶极矩是平行于长轴的分子14]。

chemistry-UV-Vis-spectra-DE-PTCDI

图3:紫外可见光谱(a) DE-PTCDI BA-PTCDI (b)。

据研究由γ射线激光器等人的“重叠区”程度连续π-conjugated苝醌仅仅半个决定吸收最大的转变15,16]。

合成化合物的荧光光谱被记录在氯仿在不同浓度使用励磁460海里。复合DE-PTCDI,两好排放峰值分别出现在534和574海里。然而,两个特征发射峰出现在543年和576年分别纳米复合BA-PTCDI。荧光光谱描述吸收的镜像(17)由于两个氮的位置在π轨道的节点(8,18]。合成的化合物显示出类似的斯托克斯位移值~ 9 - 10纳米。这是相同的数量级的苝二酰亚胺所文学。斯托克斯位移一般也取决于骨料粒度和无序强度的化合物。因此它可以观察到,侧链的替换不会改变PTCDI分子的电子结构。合成化合物的荧光光谱所示图45

chemistry-Fluorescence-spectra-DE-PTCDI

图4:荧光光谱(a) DE-PTCDI BA-PTCDI (b)。

chemistry-Self-assembly-images

图5:自组装的图片(a) DE-PTCDI BA-PTCDI (b)。

自组装

分子的自组装成秩序井然的和结构化的一维超分子体系结构是高度依赖于热力学过程和动力学稳定的化合物19]。因此,合成分子的自组装成一维超分子结构表示的热力学过程20.]。此外,自组装的苝醌染料及其衍生物也很大程度上依赖于分子堆积和溶解度21]。因此,选择使用的溶剂被广泛认为是自组装形成。通常使用甲醇溶剂由于其弱solventmolecule互动有助于使自组装形成。PTCDI也有强烈的倾向去形式很快就聚集在氯仿/甲醇溶液由于其π-π相互作用导致减少荧光量子产率。立即轻微漩涡的玻璃小瓶,在很短的时间内引起超分子自组装。这种自组装方法需要很强的分子间π-π交互的优势,这是增强在溶剂solvophobic交互是最大化22]。

分子自组装的SEM图像记录到一个干净的载玻片显示分子杆结构对合成化合物(图6)。图7表现出杆像从光学显微镜形态学特征。红色发光特别适合或者说闻名π-stacked PTCDIs和co-facial苝醌化合物(17,23]。这些棒像形态学特征被发现是类似于图片所示图8。强烈的亮橙色分子棒是由荧光显微镜观察复合BA-PTCDI甚至肉眼所看到的图9。合成化合物的杆状的形态被发现符合扭曲π-π堆积,这会阻止分子组装在一维(24]。

chemistry-SEM-image-DE-PTCDI

图6:自组装的图片(a) DE-PTCDI BA-PTCDI (b)。

chemistry-Optical-microscopic-images

图7:自组装的图片(a) DE-PTCDI BA-PTCDI (b)。

chemistry-Phase-contrast-microscopic

图8:自组装的图片(a) DE-PTCDI BA-PTCDI (b)。

chemistry-Fluorescence-microscopic-images

图9:自组装的图片(a) DE-PTCDI BA-PTCDI (b)。

AFM研究

合成化合物的形态DE-PTCDI原子力显微镜(AFM)研究了使用旋转涂布技术。图10 (a)描述一个典型的AFM DE-PTCDI的形象。相应的剖视图表明DE-PTCDI被发现的平均厚度约180海里。这些小尺寸粒子的存在复合DE-PTCDI更清楚地反映在三维(3 d) AFM图像图10 (b)显示,波型投影在Z方向,这对应于均匀细颗粒组装实体。也发现了大型聚合形成的数字10 ()10 (b)。因此,上述结果确认micro-texture DE-PTCDI as-synthesized化合物的表面。复合DE-PTCDI的粒度直方图所示图10 (c)。粒子大小的分布从60岁提高到150海里。一条线在突出显示图10 (a)(二维(2 d) AFM图像)和谱线轮廓线所示图10 (d),它可能揭示粗糙表面,粒子分布直方图显示,合成化合物DE-PTCDI显示高计数~ 250纳米(1纳米= 109米)。

chemistry-Fluorescence-microscopic-images

图10:原子力显微镜(AFM)形象的DE-PTCDI非接触式方法。雷竞技网页版

热的研究

差示扫描量热法(DSC)技术用于研究化合物的形态行为DE-PTCDI和氮气气氛下BA-PTCDI(升温速率5 K最低为1)。随着温度增加,四大吸热峰形成在~ 100°C, 220°C, 250°和310°C复合DE-PTCDI分别。前三个峰值可能对应于各种转换如crystalline-crystalline或crystalline-isotropic过渡而第四峰可能是由于熔点。另一方面,复合BA-PTCDI显示两个吸热转变分别~ 70°C和340°C。第一次峰值可能对应于crystalline-crystalline转变而第二高峰可能由于熔点。DSC温谱图所示图11

chemistry-DSC-thermograms-DE-PTCDI

图11:DE-PTCDI的DSC热分析图(a) (b) BA-PTCDI 5 K的升温速率最小1

计算研究

DFT B3LYP 6-31 * G (d, p)基组是一种使用最广泛的途径确认构象稳定性和大的分子几何尺寸的分子。优化合成化合物的分子结构图形视觉效果图12

chemistry-DSC-thermograms-DE-PTCDI

图12:优化分子结构(a) DE-PTCDI BA-PTCDI (b)。

前沿分子轨道

前线分子轨道(HOMO - LUMO)中扮演一个重要的角色在确定一个化合物的电子和光学性质。人类(电子基)表示最高占据分子轨道而LUMO(电子受体)代表了最低未占据分子轨道。芳香族二酰亚胺的LUMO展览一个有趣的特性产生的强吸电子的力量胺组。大共轭芳环有很强的聚集趋势通过π−π和/或疏水作用在水溶液中。PTCDIs已知良好的n型半导体材料,因此它是容易接受电子给阴离子自由基。因此PTCDIs可以很容易地减少在两个步骤,首先通过生成monoanion激进,其次通过形成一个二阶阴离子物种。聚合因此将防止减少自由基阴离子由于自旋配对(二阶阴离子25]。

也能隙中扮演重要角色的设计有机的设备。能源缺口被定义为地面和第一激发态之间的区别。PTCDIs显示直接带隙26),被广泛用于确定一个复合的动力学稳定性和化学反应。这种能量差距计算从HOMO-LUMO决定分子的电传输特性也很有用,因为它是衡量电子电导率。HOMO-LUMO能量差距越小,电荷转移的可能性(高27]。此外,侧链取代基集团也改变有机半导体的导电率。此外,引入共轭苝醌类化合物取代基在核心已知干扰或扰乱苝醌类化合物的轨道能量π-array通常会导致吸收最大的转变28]。除此之外,HOMO和LUMO计算揭示了分子内的电荷转移。

计算HOMO-LUMO轨道能量所示图13

chemistry-HOMO-LUMO-energy-gaps

图13:DE-PTCDI HOMO-LUMO能源缺口(a) (b) BA-PTCDI。

图13,我们观察到二萘嵌苯(中央)π系统是π电子离域的区域和取代基影响的终端。这是由π-π*表示转换。这些合成化合物的大带隙值表明这些化合物有很强的分子间π-π交互,因此适合用于发现新的电子设备的制造和设计。

欧洲议会议员

议员研究静电势图的映射到常数表面电子密度(29日]。它是一个有用的工具在决定一种化合物的反应性网站。在议员中,红色象征的最大负区域主要是用作亲电子网站的一个指标,而蓝色的颜色区域表示的区域进行亲核攻击,因此作为积极的地区(30.- - - - - -32]。根据其颜色分级,议员揭示了重要的信息,比如分子大小、形状以及积极的、消极的和中性化合物的静电势区域,因此非常有利于阐明化合物的分子结构及其理化性质的关系(33]。图14透露,中央的核心地区芳香地区积极的比其他地区。红颜色的区域包含氧原子和发现影响邻近的原子与黄色的激进。除此之外它也有助于显示分子大小和形状分别为DE-PTCDI和BA-PTCDI。

chemistry-MEP-image-DE-PTCDI

图14:议员的形象(a) DE-PTCDI BA-PTCDI (b)。

马利肯电荷转移

马利肯原子电荷计算应用程序中起着非常重要的作用的量子化学计算的分子系统,因为原子偶极矩费用影响,分子极化率、电子结构和分子系统的很多属性(34]。马利肯电荷转移有助于提供信息关于原子的电荷分布表明供体和受体对的形成涉及分子中电荷转移(35]。图15显示了马利肯电荷转移化合物分别DE-PTCDI和BA-PTCDI。从上市费用值所示表1S3和S4,我们观察到不同阳性和原子的电负性。阳性的原子位于C21, C71和C21化合物分别DE-PTCDI和BA-PTCDI。然而,原子的电负性被发现位于C4和C8,碳的化合物分别DE-PTCDI和BA-PTCDI。

chemistry-Mulliken-charge-transfer

图15:马利肯的电荷转移(a) DE-PTCDI BA-PTCDI (b)。

复合 人类 LUMO
DE-PTCDI -5.44 -3.37 2.07
BA-PTCDI -5.88 -3.34 2.53

表1:计算HOMO-LUMO DE-PTCDI和BA-PTCDI轨道能量的化合物。

这表明,合成化合物DE-PTCDI和BA-PTCDI显示两亲电、亲核的存在。这个建议的存在在这些化合物分子间氢键的相互作用。

自然键轨道(NBO)分析

NBO分析是一种有效的工具在阐明立体电子交互反应性和动态行为的化合物(35]。NBO帮助我们分析内部之间的相互作用和分子间键以及提供了坚实的平台为研究电荷转移或共轭分子体系的相互作用36]。在NBO分析,hyperconjugativeσ→σ*互动发挥非常重要的作用。这些交互代表弱者偏离严格局部自然路易斯结构是主要的“非共价”效应。DE-PTCDI化合物92,强大的分子内超共轭作用π-electrons派生为π(C9-C10) kJmolπ* (C7-C8)是20.701π(C16-C18) kJmolπ* (C24-O25)是22.951π(C27-C36) kJmolπ* (C39-C40)是19.551π(C28-C32) kJmolπ* (C29-C68)是19.511π(C29-C68)π* (C30 - C31)是20.92 kJmol1π(C30-C31)π* (C28 - C32)是21.66 kJmol1π(C37-C38) kJmolπ* (C27-C36)是19.431π(C21 - O26) kJmolπ* (C2-C3)是115.671

在复合BA-PTCDI,强大的分子内超共轭作用π-electrons派生为π(c1) kJmolπ* (C3-C7)是22.241π(C3-C7) kJmolπ* (C8-C9)是22.181π(C4-C10) kJmolπ* (C3-C7)是21.181π(瘤)kJmolπ* (c1)是20.451π(C8-C9) kJmolπ* (C4-C10)是22.821π(C12-C13) kJmolπ* (C14-C15)是20.451π(C14-C15) kJmolπ* (C24-O28)是21.681。孤对电子的氧原子上可用O(43)和O(44)的反键轨道上离域(C34-C35)和(C40-C41)债券和能源被发现是31.49 kJmol移位1

NBO表中列出表S1和S2(补充材料)。

结论

在这篇文章中,我们报告的合成两个新合成PTCDIs,这为其光学和排放特性进行了研究。紫外吸收和荧光研究记录在溶液状态被发现彼此的镜像。杖等形态特征观察合成的化合物被发现与π-π叠加配置一致。几何参数优化的几何形状等阐明确定合成化合物的结构性质。HOMO-LUMO研究表明,分子内电荷转移是否发生。马利肯电荷分析显示确认分子中原子的电荷转移。从议员图,化学活跃的和不活跃的网站之间的差异观察比较他们反应的原子是有用的。NBO研究显示稳定的分子因hyper-conjugative交互和电荷离域。因此我们可以得出结论,这些化合物可以用于适当的应用程序在有机电子产业。

引用

全球技术峰会