基于环八四噻吩的酰亚胺[8]环烯合成及光电性能研究

Hetero[8]circulenes, a class of conjugated polycyclic arenes with 8π electron systems, have received considerable attention, recently, due to their exotic chemical structures and anti-aromaticity. However, there are few types of hetero[8]circulenes reported to date and weak functionality endowed by heteroatoms limiting the applications of such polycyclic arenes. We are proposing here a series of imide-functionalized hetero[8]circulenes based on the “saddle-shaped” cyclooctatetrathiophene. The novel imide-functionalized hetero[8]circulenes should offer a remarkable platform for probing the effects of strong electron-withdrawing imide on the anti-aromaticity, molecular packing, and photophysical properties. In addition, their liquid crystal properties and potential applications in organic field-effect transistors will be explored. This work should greatly enrich the materials library of hetero[8]circulenes and provide theoretical and experimental basis for their applications as organic semiconductors and liquid crystal materials.

杂芳[8]环烯具有独特的结构和反芳香性，设计与合成这种8π电子体系的共轭多环芳烃近年来已经成为一个备受关注的研究领域。然而，已报道杂芳[8]环烯的种类较少，外围杂原子功能性较弱,一定程度上限制了这类多环芳烃的应用。本项目基于“马鞍型”环八四噻吩(COTh)为构筑模块，设计合成一系列含酰亚胺的杂芳[8]环烯，考察具有强拉电子性质的酰亚胺基团引入对杂芳[8]环烯反芳香性，分子间堆积及光物理性能的影响，探索酰亚胺[8]环烯这类反芳香性共轭体系在有机薄膜晶体管中潜在应用和液晶性能。本研究工作的实施将拓展杂芳[8]环烯类型，为其在有机电子学和液晶材料中的应用提供理论基础与实验依据。

酰亚胺功能化是实现高性能有机半导体材料的重要手段。在本项目中，我们利用酰亚胺功能化杂芳[8]环烯的基础上展开工作，通过设计合成新颖的噻吩衍生物，制备了氟取代的双噻吩酰亚胺(s-FBTI2和f-FBTI2)等新型构建单元并以此为基础发展了一系列新型的有机半导体材料，通过侧链工程和随机共聚策略调控有机半导体聚集态结构及在混合膜中的形貌，并且揭示了全聚合物有机太阳能电池运行过程中能量损失及电荷转移机理。 在有机电子器件应用中取得了优异性能。其中，我们利用氟取代的酰亚胺功能化半导体在有机场效应晶体管中得到2.7 cm2 V-1 s-1的单极性n-型电子迁移率;利用酰亚胺功能化窄带隙聚合物受体在全聚物太阳能电池中实现了超过了15%的能量转化效率。这些结果充分证明了酰亚胺功能化在设计高性能有机半导体方向的巨大潜力。我们也积极利用该项目的中间体发展了其他类型的给受体单元 。其中，基于氟和酯基取代的单噻吩基元的高分子给体在非富勒烯有机太阳能电池中可以实现高达17.5%的能量转化效率，本项目结果为后续设计性能更优的材料提供坚实基础和有力指导。