新型硼氮掺杂的芘类化合物的设计、合成以及光物理性质研究

BN-doped polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) have attracted great attention recently due to its unique electronic properties and potential applications in optoelectronics. 1,2-azaborines containing polycylic aromatic hydrocarbons are well documented. In this project, we will design and synthesize BN-doped pyrenes, sepicifically, the 1,4-azaborines will be doped into pyrene motif (boron and nitrogen are not directly connected). The far sepration of boron and nitrogen atom will increase charge separation in the aromatic system, substantial charge-transfer character is expected upon photoexciation. And the electronic poroperties of these BN-doped pyrenes will be studied sysmatically, their potential application in optoelctronics will be studied as well. We will design and develop several straitforward methods to construct the BN-doped pyrenes, meanwhile, late-stage functionalization of the BN-doped pyrenes will be studied. Long alkyl substituents will be introduced to BN-doped pyrenes to improve the solubility for the further photophysical studies. We will enucleate the strutrue-property relationship using the absorption, emission and cyclic voltammetry studies. This project aims at providing experimental and academic foundation for the designing and synthesis of BN-doped optoelectronics.

设计合成新颖的硼氮掺杂多环芳香类化合物是有机光电材料的研究热点之一。文献中报道的硼氮掺杂的光电材料主要是硼和氮原子处于直接相连的位置，本项目拟设计合成将1,4-硼氮杂苯（硼氮原子非直接相连）嵌入到芘的共轭体系中，硼氮原子在芳香体系中的分离将增大共轭体系的电荷分离，在光响应下更易形成有效的电荷转移。本项目将对这类化合物的光电物理性质进行细致的研究，初步探索其在光电材料中的潜在应用。主要研究内容包括：发展高效的合成1,4-硼氮杂苯掺杂的芘的合成方法；并对硼氮掺杂的芘类化合物进行后期官能团化，使其结构易于调节；同时在硼氮掺杂芘类芳香环上引入长烷基链以增加其在有机溶液中的溶解度，以方便后期的光电性质测试；对1,4-硼氮掺杂的芘进行系统的光电性质研究，包括对其吸收、发射光谱和循环伏安曲线研究。揭示此类芳香化合物的结构与光电物理性质的关系，为设计合成新型的硼氮掺杂的有机光电材料提供实验和理论基础。

由于具有独特的光物理性质，多环芳烃在有机场效应晶体管、有机太阳能电池及有机发光二极管等有机光电材料领域有着广泛地应用。近期，将多环芳烃中非极性的碳碳双键结构单元（C=C）置换成极性的硼氮结构单元（B-N）引起了化学家和材料学家的研究兴趣，硼氮杂多环芳烃可以在不改变多环芳烃的基本骨架的前提下有效地调节多环芳烃的电子结构，从而调控多环芳烃的光电物理性质。我们成功地合成了几类硼氮杂多环芳烃，并对这些硼氮杂芳烃的光物理性质进行了详细地研究。具体研究进展体现在以下几个方面：. 1）第一部分，我们以氮原子导向的亲电硼化反应为关键反应合成了一系列硼氮杂的二氢芘类多环芳烃。单晶衍射表明这类硼氮杂二氢芘的主体芳香骨架具有较好的平面结构。研究发现不同的芳香基稠合可以有效地调控硼氮杂二氢芘的光物理性质。此外，研究表明不同芳香基稠合的硼氮杂二氢芘表现出了对于氟离子不同的响应。这类新型的芳基稠合的硼氮杂二氢芘有望应用在光电材料中。. 2）Ullazine是芘的等电子体和等结构体。第二部分，我们设计合成了一系列双硼氮掺杂的ullazine，其中包括硼和氮原子的都是氢取代的母体化合物。研究表明双硼掺杂的ullazine的稳定性取决于硼原子上的取代基。我们培养并获得了一系列双硼氮掺杂的ullazine的单晶结构，并系统地研究了双硼氮掺杂的ullazine的光物理性质。这一研究丰富了硼氮杂多环芳烃的种类。. 3）第三部分，我们成功地合成了两类硼氮杂菲，并用单晶结构对部分分子进行了表征。实验结果结合理论计算揭示了两类硼氮杂菲的不同的反应性能。我们利用溴化反应/偶联反应对硼氮杂菲进行了衍生化，得到了一系列硼氮杂菲的衍生物。同时，我们成功地合成了硼氮原子异位的两类硼氮杂双萘并噻吩。我们得到了两个代表性硼氮杂菲的单晶结构，并对这类硼氮杂菲的光物理性质进行了研究。这一研究结果为此类硼氮杂芳烃的进一步应用奠定了基础。