脱氢枞酸三芳胺基D-A结构化合物的合成及光物理性能研究
作者单位：中国林业科学研究院
学位级别：硕士
导师姓名：高宏
授予年度：2019年
学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 070303[理学-有机化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学]
摘 要：电子供体(D)-电子受体(A)结构化合物分子内部不同基团之间可以发生电荷转移反应,通过调节电子供体和电子受体的基团种类、数量等方法可以对化合物吸收光谱和分子能级进行调控,从而获得多种功能材料。本文以三芳胺为供体,芳烃为受体设计并合成了具有D-A结构的三个系列化合物,并对它们的光物理性能、电化学性能、轨道能级及空穴传输性能进行了研究,探讨结构对性能的影响,取得如下研究成果:1.以三芳胺为电子供体,苯、萘、蒽、菲、芘为电子受体,通过C-N偶联的方法合成了3个系列共15个D-A结构化合物,其中,系列1(1a～1e)以三苯胺为电子供体,系列2和系列3皆以脱氢枞酸三芳胺为电子供体,其中系列2(2a～2e)含一个电子受体,而系列3(3a～3e)含两个电子受体,通过H NMR、C NMR及MALDI-TOF MS等手段对化合物的结构进行表征。2.对三个系列D-A结构化合物的紫外吸收光谱、荧光发射光谱、量子产率和荧光寿命进行了详细研究,同时还研究了化合物在甲醇、二氧六环、四氢呋喃、二氯甲烷、环己烷五种不同极性溶剂中的紫外吸收光谱和荧光发射光谱特征。结果显示:(1)在环己烷中,对于紫外吸收光谱,电子受体种类对化合物的紫外吸收波长和吸光度均有较大影响,脱氢枞酸骨架的引入对化合物的吸收波长有影响,但是对不同化合物的影响效果不同,而多个受体的引入使得吸收波长发生红移,吸光度增大。在荧光发射光谱中,电子受体的种类对化合物的发射波长及荧光强度均有较大影响,在三个系列中都是以蒽为受体的化合物(1c～3c)的发射波长最大,而荧光强度最小,每个系列中的其它四种化合物的发射波长按照苯、萘、菲、芘的顺序依次发生红移,系列1及系列2中均是以芘为受体的化合物的荧光强度最大,而系列3中则是以苯为受体的化合物最大;电子受体相同时,化合物的荧光发射波长均是系列1系列2系列3,即脱氢枞酸骨架及多个受体的引入均使得化合物的发射波长发生红移,而系列3的荧光强度均大于系列2,即多个受体的引入使得荧光强度增大。(2)在五种不同极性溶剂中,化合物的紫外吸收光谱和荧光发射光谱均具有明显的溶致变色效应。在紫外吸收光谱中,从吸收波长来看,溶剂极性对化合物在长波长处的吸收波长基本没有影响,而对短波长处的吸收波长影响较大,从吸光度来看,溶剂极性对化合物的吸光度均有较大影响,且在长波长处,化合物均在环己烷中有最大吸光度。在荧光发射光谱中,三个系列化合物均在环己烷中发射波长最小,荧光强度最大,在甲醇中发射波长最大,在二氧六环、四氢呋喃、二氯甲烷中发射波长依次发生红移。(3)三个系列化合物具有较高的量子产率,在31.15～99.69%之间(化合物1d及2d的量子产率分别为136.44%和132.61%,可能是由于超辐射效应引起的),化合物具有较好的荧光寿命,在1.19～7.67 ns之间。3.利用Gaussian 09程序,采用密度泛函DFT/B3LYP方法,以6-31G*为基础,优化得到了三个系列化合物的分子构型,分子前线轨道HOMO、LUMO图,HOMO、LUMO能级和能隙值,分析了化合物的荧光性能与分子结构之间的关系。结果显示,三个系列化合物中都是以苯为受体的化合物(1a～3a)的能隙值最大,而以芘为受体的化合物(1c～3c)的最小,因此化合物1c～3c最易发生电子跃迁,可能具有更好的荧光性能,与实验所测得的荧光发射光谱的结果一致。4.测试了三个系列D-A结构化合物的热稳定性、电化学性能,并通过循环伏安法测得化合物的氧化还原电位,计算出HOMO、LUMO轨道能级及能隙值,结果显示,所合成的三个系列化合物均具有较好的热稳定性、合适的HOMO能级(-5.15～-4.93e V),可以作为多层OLED器件的空穴传输材料。将化合物作为空穴传输材料运用到OLED器件中,通过对器件的电压-亮度、电压-电流密度以及电流密度-发光效率特性的测试,发现器件1a、2a、1c、2d、3d具有较好的性能;发光效率高,分别为4.94 cd/A、4.00 cd/A、4.56 cd/A、5.07 cd/A、4.55 cd/A,最大亮度分别为21445 cd/m、14266 cd/m、8276cd/m、7987 cd/m、9821 cd/m,其中1a的性能最优,它的启动电压、最大亮度和最高效率分别为2.83 V、21445 cd/m、4.94 cd/A,而对照材料NPB(N,N’-二苯基-N,N’-(1-苯基)-1,1’-联苯-4,4’-二胺)的启动电压、最大亮度和最高效率分别为3.97 V、13217 cd/m、3.23 cd/A,即1a器件的性能优于对照的NPB器件。
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