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苝二酰亚胺衍生物的合成和量子化学研究

王德楼  
【摘要】: 苝二酰亚胺(Perylene tetracarboxylic acid diimide.简称PDI)是一种重要的具备良好的光、热和化学稳定性的功能染料,对可见区到红外区的光有着较强的吸收,是一种具有独特的光化学和光物理性质的有机光电材料。在有机发光二极管(OLED),有机场效应晶体管(OFET),太阳能转化,以及生物荧光探针等领域有着广泛的应用前景。近二十年来,引起了化学和物理科学工作者们的极大兴趣。 为了满足PDI化合物在不同领域的应用,往往通过对其结构进行修饰,以获得具有新颖的光电性质的PDI新材料。用相同取代基接在PDI的不同位置或不同取代基接在PDI的相同位置都将对其性质产生巨大的影响。PDI分子的结构修饰通常有两种,一种是在PDI的N原子上引入不同的取代基,这种方法可以大大提高PDI化合物在有机溶剂中的溶解度,但是对PDI衍生物的光物理性质影响很小。第二种方法是在PDI的湾位置,1,6,7,12位引入不同的取代基,这样既可以促进PDI衍生物的溶解度,有能大幅度的改变PDI的光物理性质及电化学性质,使PDI衍生物可以应用于各种领域。本文工作主要集中在以下几个方面: 第一章:概述了PDI及其衍生物的基本性质、研究背景、合成方法以及应用领域。 第二章:合成了湾位置1,6-及1,7位含有哌啶基和吡咯烷基的四种PDI衍生物,对比了四种具有相似结构的PDI衍生物的多种性质,包括化合物的稳态吸收和荧光光谱,荧光量子产率和荧光寿命,电化学性质,单晶结构以及DFT计算数据。结果表明,吡咯烷基和哌啶基取代的单晶结构的微小差别导致了化合物之间性质存在较大的差别,吡咯烷基取代的苝核,其上面的C1-N3键长更短一些,氮原子具有更多的SP2杂化轨道性质与哌啶基取代相比。因此,吡咯烷基氮原子上面的孤电子对和花核之间具有更加强烈的共轭相互作用。这些研究结果可以为新型的苝二酰亚胺衍生物的设计提供了更好的思路。 第三章:通过密度泛函理论计算了一系列1,7-位含有苯基及乙炔基共轭取代基PDI衍生物。取代基对PDI分子光化学和光物理性质造成了较大的影响,使PDI化合物的吸收和发射波长往长波区移动。 第四章:利用密度泛函理论计算了一系列PDI衍生物的电荷传输效率得到了这些PDI衍生物的电离能和电子亲和能、前线分了轨道HOMO和LUMO的能级、空穴和电子重组能、以及最终的空穴和电子迁移率大小。CN取代的PDI具有较高的电子亲和能,并且其对应的化合物A-CN和B-CN具有较小的电子重组能和空穴重组能。化合物A具有最高的电子迁移率,而化合物B具有最高的空穴迁移率。


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