基于C-H键活化方法的新型有机共轭分子的设计合成及其光电性能研究

The design and synthesis of organic conjugated molecules is the basis of the development of organic opto-electronic materials. Until now, the structures with outstanding properties are limited and the synthetic methods are relatively complicated. Here, we tend to synthesize new material molecules in a more simple, effecient, safe and economic way via C-H bond activation. Through C-H activation, we can synthesize novel structures which are not available with other methods. Based on our understanding of the structrue-property relationships of materials and the speciality of C-H activation, we designed three types of novel structures: thiophene-rich conjugated molecules, imide-rich conjugated molecules, and hetero-atom-rich conjugated molecules. During the synthesis, C-H bond arylation, C-H bond alkynylation and C-H bond carbonylation were adopted. In addition , we also innovated in methodology from the view point of material property: Introduction of thiopehne group as C-H activation directing group to avoid the installation and removal of other auxiliary groups to the material molecule; and the development of new methods to activate multiple C-H bonds at the same time, further increasing the synthetic efficiency. Based on these developed methods and novel structures, we will investigate their application in fluorescence sensing, organic field effect transistors, organic solar cells, and so on, expecting promising properties.

有机共轭分子的设计合成是有机光电材料发展的基础。目前，优秀的材料骨架仍然有限，合成方法相对复杂。本项目拟利用碳氢键活化的方法，简单、高效、无毒、经济地合成有机光电材料分子。通过C-H键活化的方法，我们可以合成用其他方法难以合成的新颖结构。在该项目中，我们结合材料的构效关系和C-H键活化的优势，设计了富含噻吩的共轭分子、富含酰亚胺的共轭分子、以及含有多个杂原子的共轭分子三类新颖的结构体系。在这些骨架的合成中，我们使用了C-H键芳基化反应，炔基化反应，羰基化反应等新方法。着眼于材料分子的特征，我们还提出了策略创新：使用材料体系中固有的基团噻吩作为C-H键活化的导向基，以避免额外的导向基的引入；发展分子中多个C-H键同时发生反应的方法，进一步提高合成的效率。在这些新颖的结构合成的基础上，我们将研究其在荧光传感、有机场效应晶体管、有机太阳能电池等方面的应用，以期获得良好的性能。

在该项目资助下，我们主要开展了三方面的研究内容：1）基于苯并二噻唑的C-H键芳基化反应的小分子及其大分子的设计合成与n-型半导体性能研究；2）基于羧基及其衍生物（如酰胺）导向的C-H键活化反应合成新型酰亚胺单元及其n-型半导体性能研究；3）基于高效氧化反应的含有5/7环系的新型二维石墨烯片段的设计合成及其p-型半导体性能研究。其中第一和第二部分的研究目前仍在进行当中，第二部分已经有了重要的突破，不久将会有文章发表。这这两部分我们发展了2类碳氢键活化反应，合成了多种结构多样的n-型半导体骨架，为较为滞后的n-型半导体的发展起到推动作用。第三部分内容已经有完整的工作完成,并整理结果将文章发表于《德国应用化学》。我们以2步反应，总产量大于70%的高效过程宏量制备了含有两个5/7环系（奥单元）的大共轭石墨烯片段，二环庚三烯并玉红省，并首次报道了该类材料的半导体性能。设计合成新型含有非6圆环的多环共轭芳烃是最近两年刚刚兴起的新领域，这类材料中的5/7环系可以调控分子的氧化还原特性和电子结构。我们作为该领域的最早探索者之一目前已经取得了阶段性的成果，为后续获得更佳优异的材料奠定了一定的基础。