[发明专利]一种5‑烷基‑2,3‑二氢苯并呋喃‑C60富勒烯双加成物及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于材料化学领域，涉及一种5-烷基-2,3-二氢苯并呋喃-C₆₀富勒烯双加成物，其制备方法，及其作为受体材料在制备光伏器件中的用途。

背景技术

C₆₀富勒烯具有三维的大π电子体系，由于其缺电子的特性，因此具有良好的接受电子的性质以及较高的电子迁移率，是一种良好的n-型半导体材料。另外，其非常容易发生加成反应，因此可以用于制备各种功能化衍生物。通过对C₆₀富勒烯进行衍生化，能够进一步调控其光学性质、电化学性质、在有机溶剂中的溶解度以及与其他材料的匹配性等方面。近年来，C₆₀富勒烯及其衍生物已被广泛应用于聚合物太阳能电池、场效应晶体管等有机光电子器件，并表现出良好的性能及广阔的应用前景。

(6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯（简写为PC61BM或[60]PCBM，结构如上所示）是目前最为典型的一种基于C₆₀富勒烯的电子受体材料，最早由Fred Wudl等人合成，是在C₆₀富勒烯的6,6键上加成而生成的环丙烷型衍生物，目前已实现商品化。[60]PCBM在有机溶剂中有良好的溶解性，并且可以和多种聚合物给体材料共混溶并表现出良好的光电性能。但是，其合成过程比较繁琐且耗时较长，生产成本较高。

另外，由于通过提高受体材料的最低未占有轨道（LUMO）能级可以提高太阳能电池器件的开路电压，因此较高的LUMO能级能够带来更高的电池器件能量转换效率。取代基团的加入能够有效地减少C₆₀富勒烯的电子共轭体系，进而提高其LUMO能级，但取代基团引起的位阻效应却会使分子间的作用减小，影响分子的排布从而影响其载流子迁移率，进而影响其作为受体材料的作用。因此，研究并开发一种性能优良、合成方便、成本低廉且适合于作为受体材料的C₆₀富勒烯衍生物已成为当务之急。

发明内容

C₆₀富勒烯的双加成产物大多能够提高LUMO能级，同时产生较小的位阻影响，但是在溶解性及与高分子受体的共混性质等方面差异较大。由于这些性质上的差异主要与参与加成的基团有关，因此选取合适的加成基团并将其引入C₆₀富勒烯的结构中，就可以得到性能接近或者优于[60]PCBM的C₆₀富勒烯受体材料。

为此，本发明设计并成功制备一系列含氧的环加成C₆₀富勒烯衍生物（BFCBA1，BFCBA2和BFCBA3），其合成路线简单，反应条件相对温和，后续分离工作相对简单，并且能够较大程度地提高LUMO能级且不会因为位阻等原因影响其光电性能，其中BFCBA2的光伏性能与[60]PCBM非常接近，BFCBA1和BFCBA3也表现出良好的光伏性能，适合于开发成受体材料，进而用于制备各种光伏器件。

具体而言，本发明提供了一种如通式（I）所示的5-烷基-2,3-二氢苯并呋喃-C₆₀富勒烯双加成物：

其中：表示C₆₀富勒烯母核，R基团选自甲基、乙基、异丙基、叔丁基、叔戊基中的任意一种，优选异丙基、叔丁基或叔戊基，更优选叔丁基。

由于C₆₀富勒烯通过D-A反应制备双加成产物的过程没有明显的立体选择性，因此两个加成基团在C₆₀表面可以有多种分布可能。另外，由于单个异构体的分离过程较为困难，因此本发明的双加成物为多种异构体的混合物。

另外，本发明还提供了一种上述如通式（I）所示的5-烷基-2,3-二氢苯并呋喃-C₆₀富勒烯双加成物的制备方法，其包括如下步骤：

1）制备对甲基苯磺酰亚胺碘苯：在惰性气体气氛中，向无水溶剂中加入碱、对甲基苯磺酰胺，搅拌后于10℃以下加入二乙酰氧基碘苯并继续搅拌0.5~1小时，其中所述碱、对甲基苯磺酰胺、二乙酰氧基碘苯之间的摩尔比为1.5~3.5:1~2:1~2，恢复至室温后再反应2~5小时，得到反应液，将反应液倒入冰水混合物中，过滤、重结晶并真空干燥，得到对甲基苯磺酰亚胺碘苯（TsN=IPh），充入惰性气体后于10℃以下保存待用；

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