CN108117506A - 一种基于手性1,2-环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于手性1,2‑环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料及其制备方法与应用。它结构式如式1或式2所示:上式1和式2中,R1、R2、R3和R4为含至少一个氮的富电子芳香胺取代基,R中氨基氮与苯环相连。本发明具有热激活延迟性质、不易消旋、高的荧光量子产率、易衍生化的特点和稳定性好的优点;其合成方法简单、原料廉价、产物产率高、可大规模量制备;应用于制备有机电致圆偏振发光器件中。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于手性1,2-环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料及其制备方法与应用,属于有机电致发光器件领域。
背景技术
由于具有全固态、自发光、广视角、响应快、低驱动电压、低功耗等诸多优点,有机电致发光(OLED)器件在固态光源和平板显示等领域有着巨大的实际应用价值。目前,除了具有低发光效率的第一代荧光OLED发射材料和含有贵重金属的第二代磷光OLED发光材料,近年来,通过设计合成单线态(S1)和三线态(T1)之间能级差(ΔEST)小的热激活延迟荧光(TADF)材料,使其三重态(75%)激子可以通过逆系间穿越到S1态上在发射出荧光,这类TADF材料可以同时利用生成概率25%的单重态激子和75%的三重态激子从而获得高的发光效率,其IQE同样可到100%,有希望成为下一代OLED发光材料。
然而,截至目前,几乎所有的TADF材料都是非手性的。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于手性1,2-环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料及其制备方法与应用,本发明具有热激活延迟性质、不易消旋、高的荧光量子产率、易衍生化的特点和稳定性好的优点;其合成方法简单、原料廉价、产物产率高、可大规模量制备。
本发明提供的一种基于手性1,2-环己二胺的化合物,其结构式如式1或式2所示:
上式1和式2中,R1、R2、R3和R4为含至少一个氮的富电子芳香胺取代基,R中氨基氮与苯环相连。
上述的化合物中,所述R1、所述R2、所述R3和所述R4均选自咔唑-9-基、3,6-二叔丁基咔唑-9-基、5-苯基-5,10-二氢吩嗪-10-基、5-甲基-5,10-二氢吩嗪-10-基、5-叔丁基-5,10-二氢吩嗪-10-基、9,3’:6’,9”-三联咔唑-9’-基、9,9-二甲基吖啶-10-基、吩噻嗪-10-基、吩噁嗪-10-基和螺[吖啶-9,9-芴]-10-基中的至少一种。
本发明还提供了上述化合物的制备方法,包括如下步骤:
1)将式A所示化合物与(1S,2S)-1,2-环己二胺或(1R,2R)-1,2-环己二胺进行反应,分别得到式B1或B2所示化合物;
上式A、B1和B2中,X1、X2、X3和X4均为离去基团;
2)将所述式B1或B2所示化合物与含至少一个氮的富电子芳香胺进行反应,即得到式1或式2所示的所述化合物。
上述的制备方法中,所述式A所示化合物与所述(1S,2S)-1,2-环己二胺或(1R,2R)-1,2-环己二胺的摩尔比可为2~5:1,具体可为2.2:1;
X1、X2、X3和X4均为氟原子、氯原子、溴原子和碘原子中的至少一种。
上述的制备方法中,步骤1)中,所述反应在冰醋酸中进行;
步骤1)中,所述反应的温度可为120~140℃,所述反应的时间可为1~6小时,具体可在120℃的条件下反应4小时。
上述的制备方法中,步骤2)中,所述反应的反应方法:在氢化钠条件下,所述含至少一个氮的富电子芳香胺和所述式B1或B2所示化合物进行亲核取代反应;
所述氢化钠与所述至少一个氮的富电子芳香胺的摩尔比可为3~1:1,具体可为1:1;
所述式B1或B2所示化合物与所述至少一个氮的富电子芳香胺的摩尔比可为1:4~12,具体可为1:4.4、1:4~4.4、1:4.4~12或1:4~10;
所述反应的溶剂为甲苯、四氢呋喃、1,4-二氧六环、二甲亚砜和二甲基甲酰胺中的至少一种;
步骤2)中,所述反应的温度可为20~80℃,所述反应的时间可为4~6小时,具体可在40℃的条件下反应4小时;
上述的制备方法中,所述含至少一个氮的富电子芳香胺选自咔唑、3,6-二叔丁基咔唑、5-苯基-5,10-二氢吩嗪、5-甲基-5,10-二氢吩嗪、5-叔丁基-5,10-二氢吩嗪、9,3’:6’,9”-三联咔唑、9,9-二甲基吖啶、吩噻嗪、吩噁嗪和螺[吖啶-9,9-芴]中的至少一种;优选地,所述含至少一个氮的富电子芳香胺为咔唑;
所述步骤2)中还包括对所述基于手性1,2-环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料进行纯化的步骤;所述纯化的方法采用重结晶、柱色谱法和升华中的至少一种。
本发明还提供了一种光学纯热激活延迟荧光材料,该材料为所述化合物。
本发明还提供了所述光学纯热激活延迟荧光材料在制备有机电致圆偏振发光器件中的应用。
本发明进一步提供了一种有机电致圆偏振发光器件,它包括阴极、阳极和有机薄膜层;
所述有机薄膜层是存在于阴极和阳极之间的含有发光材料的发光层;
所述发光层采用的发光材料为所述化合物。
本发明所述有机电致圆偏振发光器件结构的具体包括如下(1)-(4)中的任一种:
(1)阳极/发光层/阴极;
(2)阳极/空穴传输层/发光层/电子传输层/阴极
(3)阳极/空穴注入层/空穴传输层/电子阻挡层/发光层/电子传输层/电子注入层/阴极
(4)阳极/空穴注入层/空穴传输层/电子阻挡层/发光层/空穴阻挡层/电子传输层/电子注入层/阴极。
在上述结构中优选结构(3),但有机电致圆偏振发光器件的结构不局限于上面所述的这些实例。
对本发明的光学纯热激活延迟荧光材料所形成的有机电致圆偏振发光器件使用的发光层的制备方法没有特殊的限制。
本发明利用真空蒸镀法成膜,所述真空蒸镀法的成膜是在通用的真空蒸镀装置内进行,真空腔的真空度通过使用扩散泵和涡轮分子泵能达到1×10-2到1×10-5Pa。
上述方法蒸镀速度决定了所形成膜的厚度,蒸镀速度为0.05~1nm/s。
利用本发明所述基于手性1,2-环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料在二氯甲烷、氯仿、四氢呋喃和甲苯中溶解度高的性质,还可使用常规的装置通过旋转涂布法、喷墨法、浸渍法或浇铸法来成膜。
本发明所述光学纯热激活延迟荧光材料所形成的有机薄膜具有高表面光滑性、耐热性/水/氧性、抗氧化还原性、高发光效率和热激活延迟荧光性质,尤其是有机薄膜层可用作有机电致圆偏振发光器件的发光层。
本发明具有以下优点:
(1)本发明基于手性1,2-环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料具有热激活延迟性质、不易消旋、高的荧光量子产率、易衍生化的特点和稳定性好的优点;(2)合成方法简单、原料廉价、产物产率高、可大规模量制备;(3)由基于手性1,2-环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料形成的有机薄膜层作为发光层的有机电致圆偏振发光器件具有高效率、低驱动电压、长寿命、圆偏振发光的不对称因子高的优点;此类基于手性1,2-环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料和基于其的有机电致圆偏振发光器件具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制备所得化合物B1的核磁氢谱。
图2为本发明实施例1制备所得化合物B1的核磁碳谱。
图3为本发明实施例2制备所得化合物C1的核磁氢谱。
图4为本发明实施例2制备所得化合物C1的核磁碳谱。
图5为本发明实施例3制备所得化合物B2的核磁氢谱。
图6为本发明实施例3制备所得化合物B2的核磁碳谱。
图7为本发明实施例4制备所得化合物C2的核磁氢谱。
图8为本发明实施例4制备所得化合物C2的核磁碳谱。
图9为本发明应用例1和应用例2制备具有由本发明的基于手性1,2-环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料所形成的有机薄膜层的有机电致圆偏振发光器件的结构示意图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
实施例1、
反应式如下:
反应具体步骤如下:
在2000mL圆底烧瓶中依次加入200g(1.1mol)A、57g(0.5mol)(1S,2S)-1,2-环己二胺和1000mL冰醋酸,加热(加热的温度120℃)回流4小时,待反应体系冷却至室温后蒸馏除去500mL冰醋酸,然后把剩余反应体系置于4℃环境中进行低温重结晶,过滤得到粗产品,再用少量冰醋酸进行重结晶得到167g的白色针状晶体。所述白色晶体为化合物B1,产率为75%。
如图1和图2所示,该化合物B1的结构检测结果如下:
1H NMR(500MHz,CDCl3)δ7.59–7.48(m,4H),5.03–4.83(m,2H),2.44–2.36(m,2H),2.01–1.82(m,4H),1.57–1.47(m,2H).13C NMR(126MHz,CDCl3)δ165.9,155.5,155.4,153.4,153.3,128.7–127.7(m),113.3,113.2,51.4,29.2,24.9.19F NMR(565MHz,CDCl3)δ-125.32,-125.70.HR-MS(APCI):m/z calcd for C22H15F4N2O4 +[M+H]+447.0962,found447.0955.
由上述检测结果确证,化合物B1的结构正确。
实施例2、
反应式如下:
反应具体步骤如下:
在氩气保护下,向装有回流装置的200mL的反应器中加入3.52g(88mmol)的质量分数为60%氢化钠和20mL无水四氢呋喃,得到第一混合液;将14.7g(88mmol)咔唑溶于20mL无水四氢呋喃,得第二混合液;将8.92g(20mmol)B1溶于20mL无水四氢呋喃中,得第三混合液;将所述第一混合液缓慢加入到所述第二混合液中,搅拌至无气泡后加入所述第三混合液,然后升温至40℃并搅拌4小时,得第四混合液;将所述第四混合液泠却至室温,并向其加入大量水和二氯甲烷进行萃取,萃取后的有机相用无水硫酸钠干燥、过滤,然后蒸馏除去有机液相,得粗产品。所述粗产品用柱层析色谱进行纯化,得到11.0g的黄色粉末,即为本发明基于手性1,2-环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料。所述黄色粉末为C1,收率为53%
如图3和图4所示,该化合物C1的结构检测结果如下:
1H NMR(500MHz,CDCl3)δ8.33(s,4H),7.89–7.62(m,8H),7.20–7.18(m,4H),7.13–7.06(m,8H),7.06–6.78(m,12H),5.36–5.25(m,2H),2.57–2.43(m,2H),2.15–1.93(m,4H),1.73–1.59(m,2H).13C NMR(126MHz,CDCl3)δ166.7,139.0,138.8,138.6,131.3,130.6,125.9,125.7,125.5,124.0,123.9,121.0,120.9,120.14,120.07,109.43,109.37,51.5,29.8,25.0.HR-MS(APCI):m/z calcd for C70H47N6O4 +[M+H]+1035.3653,found 1035.3650.
由上述检测结果确证,得到手性化合物C1结构正确。
实施例3、
反应式如下:
反应具体步骤如下:
在2000mL圆底烧瓶中依次加入200g A、57g(1R,2R)-1,2-环己二胺和1000mL冰醋酸,加热(加热的具体温度120℃)回流4小时,待反应体系冷却至室温后蒸馏除去500mL冰醋酸,然后把剩余反应体系置于4℃环境中进行低温重结晶,过滤得到粗产品,再用少量冰醋酸进行重结晶得到158g的白色针状晶体。所述白色晶体为化合物B2,产率为71%。
如图5和图6所示,该化合物B2的结构检测结果如下:
1H NMR(500MHz,CDCl3)δ7.59–7.50(m,4H),4.97–4.89(m,2H),2.44–2.35(m,2H),1.96–1.87(m,4H),1.57–1.48(m,2H).13C NMR(126MHz,CDCl3)δ165.9,155.5,155.4,153.4,153.3,128.7–127.7(m),113.3,113.2,51.4,29.2,24.9.19F NMR(565MHz,CDCl3)δ-125.37,-125.76.HR-MS(APCI):m/z calcd for C22H15F4N2O4 +[M+H]+447.0962,found447.0952.
由上述检测结果确证,化合物B2的结构正确。
实施例4、
反应式如下:
在氩气保护下,向装有回流装置的200mL的反应器中加入3.52g(88mmol)的质量分数为60%氢化钠和20mL无水四氢呋喃,得到第一混合液;将14.7g(88mmol)咔唑溶于20mL无水四氢呋喃,得第二混合液;将8.92g(20mmol)B2溶于20mL无水四氢呋喃中,得第三混合液;将所述第一混合液缓慢加入到所述第二混合液中,搅拌至无气泡后加入所述第三混合液,然后升温至40℃并搅拌4小时,得第四混合液;将所述第四混合液泠却至室温,并向其加入大量水和二氯甲烷进行萃取,萃取后的有机相用无水硫酸钠干燥、过滤,然后蒸馏除去有机液相,得粗产品。所述粗产品用柱层析色谱进行纯化,得到11.58g的黄色粉末,即为本发明基于手性1,2-环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料。所述黄色粉末为C2,收率为56%
如图7和图8所示,该化合物的结构检测结果如下:
1H NMR(500MHz,CDCl3)δ8.33(s,4H),7.85–7.65(m,8H),7.23–7.13(m,4H),7.10–7.07(m,8H),7.03–6.91(m,12H),5.35–5.26(m,2H),2.53–2.46(m,2H),2.13–1.93(m,4H),1.70–1.60(m,2H).13C NMR(126MHz,CDCl3)δ166.7,139.0,138.8,138.6,131.3,130.6,125.9,125.7,125.5,124.0,123.9,121.0,120.9,120.14,120.07,109.43,109.37,51.5,29.8,25.0.HR-MS(APCI):m/z calcd for C70H47N6O4 +[M+H]+1035.3653,found 1035.3643.
由上述检测结果可知,得到手性化合物C2结构正确。
应用例1、
以本发明实施例1中制备得到的基于手性1,2-环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料C1为发光层的有机电致圆偏振发光器件的制作与性能评价。
(一)以基于手性1,2-环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料C1为发光层的有机电致发光器件的制作步骤如下:
1)玻璃基片的预处理:选取带有3×3mm2氧化铟锡(ITO)膜图案作为透明电极的玻璃基板;用纯净水将所述玻璃基板洗净后放入乙醇中超声10分钟,再用等离子清洗机进行处理,得到预处理的玻璃基板。
2)真空蒸镀:在所述预处理的玻璃基板上用真空蒸镀法进行各层的真空蒸镀。首先,将处理后的玻璃基板放入真空蒸镀腔内,减压至1×10-4Pa;然后从图9中所示的带有ITO透明电极的玻璃基板开始,经过电阻加热的有机化合物以0.1~0.5nm/s的成膜速率进行真空蒸镀,依次(1:空穴注入层;2:空穴传输层;3:电子阻挡层;4:激子阻挡层;5:发光层;6:电子传输层;7:电子注入层;8:阴极)成膜。其中,带有ITO透明电极的玻璃基板作为阳极;膜厚10nm的HAT-CN(dipyrazino(2,3-f:2′,3′-h)-quinoxaline-2,3,6,7,10,11–hexacarbonitrile)作为空穴注入层;膜厚为20nm的TAPC(1,1-bis[4-[N,N-di(p-tolyl)-amino]phenyl]cyclohexane)作为空穴传输层;膜厚为5nm的TCTA(4,4’,4”-Tri(9-carbazoyl)triphenylamine)作为电子阻挡层;膜厚为10nm的mCBP(3,3'-di(9H-carbazol-9-yl)biphenyl)作为激子阻挡层;膜厚为20nm的mCBP(3,3'-di(9H-carbazol-9-yl)biphenyl)和光学纯热激活延迟荧光材料C1混合物(掺杂比为85:15)作为发光层;膜厚为45nm的TmPyPb(1,3,5-tri(m-pyrid-3-yl-phenyl)benzene)作为电子传输层;膜厚为1nm的8-羟基喹啉锂作为电子注入层;膜厚为100nm的铝以与ITO条纹正交的方式配置金属掩膜构成阴极,得到有机电致发光器件。所述膜厚用触针式膜厚测定仪进行测定。
3)器件封装:将制作好的有机电致发光器件密封在水氧浓度1ppm以下的氮气氛围手套箱内,然后使用带有环氧型紫外线固化树脂玻璃质的密封盖盖住上述成膜基板并用自挖下固化进行密封,其结构示意图如图9所示。
(二)以基于手性1,2-环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料C1为发光层的有机电致发光器件的性能评价:
对所制作的有机电致发光器件施加直流电流,使用Spectrascan PR670亮度计来评价发光性能;使用电脑控制的Keithley 2400数字源表测量电流-电压特性。所述有机电致发光器件的发光性质是在外加直流电压变化的情况下进行测定的。
所制作的有机电致发光器件的CIE色坐标值为(0.30,0.53),外量子效率为19.8%,电流效率为59.0Cd/A,功率效率为53.0lm/W,电致圆偏振发光的不对称因子为–10-3。
应用例2、
以本发明实施例2中制备得到的基于手性1,2-环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料C2为发光层的有机电致发光器件的制作与性能评价
(一)以基于手性1,2-环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料C2为发光层的有机电致发光器件的制作步骤如下:
除以真空蒸镀的膜厚为20nm的mCBP(3,3'-di(9H-carbazol-9-yl)biphenyl)和光学纯热激活延迟荧光材料C2混合物(掺杂比为85:15)作为发光层外,其它采用本发明应用例1同样的方法制作有机电致发光器件,其结构示意图如图9所示。
(二)以基于手性1,2-环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料C2为发光层的有机电致发光器件的性能评价:
所制备的有机电致发光器件的CIE色坐标值为(0.30,0.52),外量子效率为20.2%,电流效率为60.2Cd/A,功率效率为52.9lm/W,电致圆偏振发光的不对称因子为10-3。
本发明基于手性1,2-环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料除了可用于本应用例中的发光层中的掺杂客体,还可应用于发光主体层等;还可应用于荧光材料和磷光材料的各种有机电致发光器件;进而,除了平板显示等成像的用途外,还可应用于低功耗电力与高效率的照明用途等。
本发明的上述实施例仅是为了清楚说明本发明所作的举例,并非本发明的实施方式的限定。对于本领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动,在这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动应处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种化合物,其结构式如式1或式2所示:
上式1和式2中,R1、R2、R3和R4为含至少一个氮的富电子芳香胺取代基,R中氨基氮与苯环相连。
2.根据权利要求1所述的化合物,其特征在于:所述R1、所述R2、所述R3和所述R4均选自为咔唑-9-基、3,6-二叔丁基咔唑-9-基、5-苯基-5,10-二氢吩嗪-10-基、5-甲基-5,10-二氢吩嗪-10-基、5-叔丁基-5,10-二氢吩嗪-10-基、9,3’:6’,9”-三联咔唑-9’-基、9,9-二甲基吖啶-10-基、吩噻嗪-10-基、吩噁嗪-10-基和螺[吖啶-9,9-芴]-10-基中的至少一种。
3.权利要求1或2所述化合物的制备方法,包括如下步骤:
1)将式A所示化合物与(1S,2S)-1,2-环己二胺或(1R,2R)-1,2-环己二胺进行反应,分别得到式B1或B2所示化合物;
上式A、BB1和B2中,X1、X2、X3和X4均为离去基团;
2)将所述式B1或B2所示化合物与含至少一个氮的富电子芳香胺进行反应,即得到式1或式2所示的所述化合物。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述式A所示化合物与所述(1S,2S)-1,2-环己二胺或(1R,2R)-1,2-环己二胺的摩尔比为2~5:1;
X1、X2、X3和X4均为氟原子、氯原子、溴原子和碘原子中的至少一种。
5.根据权利要求3或4中所述的制备方法,其特征在于:步骤1)中,所述反应在冰醋酸中进行;
步骤1)中,所述反应的温度为120~140℃,所述反应的时间为1~6小时。
6.根据权利要求3-5中任一项中所述的制备方法,其特征在于:步骤2)中,所述反应的反应方法:在氢化钠条件下,所述含至少一个氮的富电子芳香胺和所述式B1或B2所示化合物进行亲核取代反应;
所述氢化钠与所述至少一个氮的富电子芳香胺的摩尔比为3~1:1;
所述式B1和B2所示化合物与所述至少一个氮的富电子芳香胺的摩尔比为1:4~12;
所述反应的溶剂为甲苯、四氢呋喃、1,4-二氧六环、二甲亚砜和二甲基甲酰胺中的至少一种;
步骤2)中,所述反应的温度为20~80℃,所述反应的时间为4~6小时。
7.根据权利要求3-6中任一项中所述的制备方法,其特征在于:所述含至少一个氮的富电子芳香胺选自咔唑、3,6-二叔丁基咔唑、5-苯基-5,10-二氢吩嗪、5-甲基-5,10-二氢吩嗪、5-叔丁基-5,10-二氢吩嗪、9,3’:6’,9”-三联咔唑、9,9-二甲基吖啶、吩噻嗪、吩噁嗪和螺[吖啶-9,9-芴]中的至少一种。
所述步骤2)中还包括对所述基于手性1,2-环己二胺的光学纯热激活延迟荧光材料进行纯化的步骤;所述纯化的方法采用重结晶、柱色谱法和升华中的至少一种。
8.一种光学纯热激活延迟荧光材料,其特征在于:该材料为权利要求1或2所述化合物。
9.权利要求8所述光学纯热激活延迟荧光材料在制备有机电致圆偏振发光器件中的应用。
10.一种有机电致圆偏振发光器件,其特征在于:它包括阴极、阳极和有机薄膜层;
所述有机薄膜层是存在于阴极和阳极之间的含有发光材料的发光层;
所述发光层采用的发光材料为权利要求1或2中所述化合物。
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