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CN101348484A - 吡啶并[3,2-h]喹唑啉和/或其5,6-二氢衍生物、其制备方法和包含它们的掺杂有机半导体材料 - Google Patents

吡啶并[3,2-h]喹唑啉和/或其5,6-二氢衍生物、其制备方法和包含它们的掺杂有机半导体材料 Download PDF

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CN101348484A
CN101348484A CNA2008101258551A CN200810125855A CN101348484A CN 101348484 A CN101348484 A CN 101348484A CN A2008101258551 A CNA2008101258551 A CN A2008101258551A CN 200810125855 A CN200810125855 A CN 200810125855A CN 101348484 A CN101348484 A CN 101348484A
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Abstract

本发明涉及下述结构式8的吡啶并[3，2－h]喹唑啉和/或其5，6二氢衍生物：结构式8其中：R1和R2是取代或未取代的，为芳基、杂芳基、具有R＝C1－C20烷基的式CHR2的烷基、或具有R＝C1－C20烷基的式CR3的烷基；R3选自H，取代或未取代的C1－C20烷基、芳基和杂芳基；R4选自H，取代或未取代的C1－C20烷基、芳基和杂芳基、NH2、具有R＝C1－C20烷基的NHR、具有R＝C1－C20烷基的NR2、N－烷基芳基、N－芳基2、咔唑基、二苯并氮杂基和CN。本发明还涉及它们的制备方法和使用这些喹唑啉的掺杂的有机半导体材料。所述半导体材料显示改进的热稳定性和传导性。

Description

吡啶并[3，2-h]喹唑啉和/或其5，6-二氢衍生物、其制备方法和包含它们的掺杂有机半导体材料
本发明涉及吡啶并[3，2-h]喹唑啉和/或其5，6-二氢衍生物、其制备方法和其中使用这些喹唑啉的掺杂有机半导体材料。
自从1989年有机发光二极管和太阳能电池出现[C.W.Tang等人，Appl.Phys.Lett.51(21)，913，(1987)]，用有机薄膜制成的元件成为深入研究的主题。这些膜具有用于所述应用的有利性质，例如，用于有机发光二极管的高效电致发光、用于有机太阳能电池的可见光范围内的高吸光系数、用于最简单电子电路的元件的材料和制造的廉价生产。用于显示应用的有机发光二极管的使用已经具有商业化意义。
其中，(光电)电子多层元件的性能特征取决于所述的层传递电荷载流子的能力。就发光二极管来说，工作中电荷传输层中的电阻损失和传导性有关，一方面，该传导性直接影响所需工作电压，但在另一方面，也决定了元件的热负荷。而且，取决于有机层内的电荷载流子的浓度，金属触点附近带的弯曲使得电荷载流子的注入简化，因而可减少接触电阻。关于有机太阳能电池的类似考虑同样得到如下结论，即它们的效率也取决于电荷载流子的传输特性。
通过分别用合适的电子受体材料掺杂空穴传输层(p-掺杂)或用供体材料掺杂电子传输层(n-掺杂)，有机固体中的电荷载流子密度(和由此使得传导性)可大幅提高。此外，类似于无机半导体方面的经验，可预期那些严格基于元件中p-和n-掺杂层的使用和其他无法预期的应用。US 5,093,698中描述了掺杂的电荷-载流子传输层(通过混合类似受体分子的空穴传输层的p-掺杂，通过混合类似供体分子的电子传输层的n-掺杂)在有机发光二极管中的应用。
至今，下列用于提高有机气相沉积层的传导性的方法是已知的：
1.通过以下方式增大电荷载流子的迁移率：
a)使用由有机基组成的电子传递层(US 5,811,833)，
b)产生允许分子π轨道的最佳重叠的高度有序的层，
2.通过以下方式增大可移动电荷载流子的密度，
a)清洁和仔细处理材料以避免形成电荷载流子附着位，
b)用以下物质掺杂有机层，
aa)无机材料(碱金属：J.Kido等，US 6,013,384；J.Kido等，Appl.Phys.Lett.73，2866(1998)，氧化剂如碘、SbCl5等)
bb)有机材料(TNCQ：M.Maitrot等，J.Appl.Phys.，60(7)，2396-2400(1986)，F4TCNQ：M.Pfeiffer等，Appl.Phys.Lett.，73(22)3202(1998)，BEDT-TTF：A.Nollau等，J.Appl.Phys.，87(9)，4340(2000)，萘二甲酸酰胺：M.Thomson等，WO03088271，阳离子染料：A.G.Werner，Appl.Phys.Lett.82，4495(2003))
cc)有机金属化合物(茂金属：M.Thomson等，WO03088271)
dd)金属配合物((Ru0(terpy)3：K.Harada等，Phys.Rev.Lett.94，036601(2005).)
尽管足够稳定，已经存在有机掺杂物用于p-掺杂(F4TCNQ)，只有无机材料如铯可以用作n-掺杂。通过其使用，已经可以实现OLEDs的性能参数的改进。从而，通过用电子受体材料F4TCNQ掺杂空穴传输层达到发光二极管工作电压的显著减小(X.Zhou等人，Appl.Phys.Lett.，78(4)，410(2001))。通过用Cs或Li掺杂电子传输层，可以达到相似的成效(J.Kido等，Appl.Phys.Lett.，73(20)，2866(1998)；J.-S.Huang等，Appl.Phys.Lett，80，139(2002))。
长期以来，n-掺杂中主要的问题是只有无机材料可以用于该过程。然而，使用无机材料具有的缺陷是，由于所用的原子或分子的尺寸较小，所述原子或分子能容易地扩散到元件中，从而会妨碍例如限定的从p-掺杂区域到n-掺杂区域的急剧转变的产生。
相比之下，当使用大的空间填充有机分子作为掺杂剂时，扩散应该起次要作用，因为只有当克服较高能垒才可能发生电路交叉过程。
从WO2005/086251 A2可知，使用金属配合物作为n-掺杂剂用于掺杂有机半导体基体材料以改变其电性能，其中关于基体材料的连接代表n-掺杂剂。其中提出，使用富电子和具有中心原子的中性金属配合物作为掺杂剂化合物，所述中心原子优选为中性过渡金属原子或价电子数为至少16的带电过渡金属原子。
多年来已知，特别是在有机聚合半导体材料的情况下，只有当掺杂剂的HOMO能级(＝电离电位)和基体的LUMO能级(＝电子亲和势)之差尽可能小时，才可能发生从掺杂剂(如钠)向有机基体(如聚乙炔)的有效电子传输。
紫外光电子谱(UPS)是优选的测定电离电位的方法(如R.Schlaf等，J.Phys.Chem.B 103，2984(1999))。一种相关的方法——反向光电发射谱(IPES)，用于测定电子亲和势(如W.Gao等，Appl.Phys.Lett.82，4815(2003))，然而，其不是广泛认同的。或者，可以在溶液中如通过循环伏安法(CV)，分别通过氧化电位Eox或还原电位Ered的电化学测量来估测固态电位(如J.D.Anderson，J.Amer.Chem.Soc.120，9646(1998))。一些文献提到了用于将电化学电压量度(氧化电位)转换为物理(绝对)能量量度(电离电位)的经验公式，如B.W.Andrade等，Org.Electron.6，11(2005)；T.B.Tang，J.Appl.Phys.59，5(1986)；V.D.Parker，J.Amer.Chem.Soc.96，5656(1974)；L.L.Miller，J.Org.Chem.37，916(1972)，Y.Fu等，J.Amer.Chem.Soc.127，7227(2005)。无法获知还原电位和电子亲和势的相互关系，因为电子亲和势很难被测量。因而，如B.W.Andrade，Org.Electron.6，11(2005)(同样参见其中的25-28)中所描述的，分别通过IP＝4.8eV+e*Eox(vs.二茂铁/二茂铁鎓(ferrocenium))和EA＝4.8eV+e*Ered(vs.二茂铁/二茂铁鎓)，以简化方式将电化学和物理能量量度相互转换。例如，在A.J.Bard，L.R.Faulkner，″Electrochemaical Methods：Fundamentals andApplications″，Wiley，2nd Edition 2000中，分别描述了不同标准电位和氧化还原对的转换。因此，从以上描述得出如下结论，即目前所有能量值的精确测量是不可能的，并且现有的值只能解释作为基准。
掺杂剂在n-掺杂中用作电子给体并且将电子传输到基体，所述基体的特征在于足够高的电子亲和势。那意味着基体被还原。通过电子从n-掺杂剂到基体的传输，所述层的电荷载流子密度增加。达到这样的程度，即n-掺杂剂能向具有电子亲和势的合适的基体释放电子，并从而增大电荷载流子密度，并且作为其结果，反过来导电性取决于n-掺杂剂的HOMO和基体的LUMO相对彼此的相对位置。如果n-掺杂剂的HOMO位于具有电子亲和势的基体的LUMO之上，就能产生电子传输。如果n-掺杂剂的HOMO处在具有电子亲和势的基体的LUMO之下，电子传输同样能够产生，条件是两轨道间的能量差足够小，以允许所述较高能量轨道的特定热粒子数。这个能量差越小，产生的层传导性应越高。然而，在n-掺杂剂的HOMO水平高于具有电子亲和势的基体的LUMO水平的情况下，最高传导性是可以预期的。传导性可以很方便的测量，所述传导性是电子从供体向受体功能的传输情况的量度，条件是可以比较不同基体之间的电荷载流子迁移率。
薄膜样品的传导性通过二点法来测量。其中，由导电材料如金或氧化铟锡制成的触头被施加至衬底上。而后，将待检查的薄膜施加至衬底的大表面积上，使得触头被薄膜覆盖。在施加电压到触头上之后，测量随后的电流流动。从触头的几何形状和样本的层厚度开始，从而确定由电阻产生的薄膜材料的传导性。当薄膜的电阻实质上高于导线的电阻或接触电阻的时候二点法是可以采用的。这个在试验中通过足够大距离的接触和因此的伏安特性的线性的调整得到检验。
发明人通过研究，提供了一种结构式I的金属配合物掺杂剂
Figure A20081012585500121
结构式I
这种掺杂剂能以有利的方式作为用于有机基体材料的掺杂剂，因为这种掺杂剂可解决上面提到的扩散问题。为此，测试具有如下结构式I a的掺杂剂作为用于常规电子传输材料的掺杂剂
Figure A20081012585500122
结构式I a＝W2(hpp)4
所述常规电子传输材料为例如Alq3(三(8-羟基喹啉)铝)或BPhen(4，7-二苯基-1，10-菲咯啉)。
具有结构式I a的掺杂剂的气相下电离电位是3.6eV。相应的固态电离电位可以根据Y.Fu等(J.Am.Chem.Soc.2005，127，7227-7234)估计，并且其约为2.5eV。
结果在下表1中给出。
表1：CV数据，经验性确定LUMO能量和测量不同电子传输材料的传导性(Balq2＝二(2-甲基-8-喹啉)-4-(苯基苯酚(phenolato))铝(III)，BPhen＝红菲咯啉，Alq3：(三(8-羟基喹啉)铝
  基体材料   LUMO，以eV表示(以Fc/Fc+作为内标通过CV测定)   σ(传导性)以S/cm计，无掺杂   σ(传导性)以S/cm计，以5mol％浓度掺杂
  Alq3   2.4   ＜1E-10   9.2E-8
  BPhen   2.42   ＜1E-10   4E-9
  BAlq2   2.39   ＜1E-10   8e-8
从表1可以看出，已知的基体材料获得的传导性仍然不足并且很低。
本发明的一个目的是提供改进的用于掺杂的有机半导体材料的基体材料，其能克服现有技术中的不足。特别的，使用基体材料的时候应提高传导性。更进一步的说，需要这样的半导体材料，其表现出电荷载流子密度的增加以及有效的电荷载流子迁移率和改进的传导性。半导体材料应该显示高热稳定性，这例如由较高的玻璃化转变温度、较高的升华温度和较高的分解温度产生。
最后，本发明的一个目的是提供一种制备基体材料的方法。
本发明的目的通过下述结构式8的吡啶并[3，2-h]喹唑啉和/或其5，6二氢衍生物实现：
Figure A20081012585500131
结构式8
其中：
R1和R2是取代或未取代的，为芳基，杂芳基，具有R＝C1-C20烷基的式CHR2的烷基，或具有R＝C1-C20烷基的式CR3的烷基；
R3选自H，取代或未取代的，C1-C20烷基，芳基和杂芳基；
R4选自H，取代或未取代的，C1-C20烷基，芳基和杂芳基，NH2，具有R＝C1-C20烷基的NHR，具有R＝C1-C20烷基的NR2，N-烷基芳基，N-芳基2，咔唑基，二苯并氮杂
Figure A20081012585500141
基(dibenzazepinyl)和CN。
R1和R2，在结构式8的吡啶并[3，2-h]喹唑啉中，应该优选不是II，CN，卤素，NH2，NO，NO2，OH，SH，OR，SR，COOR，CHO和式CH3和CH2R的烷基，其中R＝C1-C20烷基。
这些吡啶并[3，2-h]喹唑啉和/或其5，6二氢衍生物可以在掺杂的有机半导体材料中用作基体材料并随后导致传导性改进。
吡啶并[3，2-h]喹唑啉和/或其5，6二氢衍生物可以按照包括下述步骤的方法制备：
(i)按照下面的反应路线，使结构式4的2，4-二取代喹唑啉和醛在碱存在下反应，以制备苄叉基(benzylidene)氢喹啉酮5：
Figure A20081012585500142
(ii)按照下面的反应路线，苄叉基氢喹唑啉5和盐酸苯甲脒鎓(benzamidinium hydrochloride)在碱性条件下反应制备1，4，5，6-四氢吡啶并[3，2-h]喹唑啉6，随后氧化制备5，6-二氢吡啶并[3，2-h]喹唑啉7：
Figure A20081012585500151
(iii)按照下面的反应路线，任选芳构化5，6-二氢吡啶并[3，2-h]喹唑啉7获得吡啶并[3，2-h]喹唑啉8。
Figure A20081012585500152
其中R1，R2，R3和R4如前面权利要求1中所定义。
在这里，优选使用氢氧化钾和/或叔丁醇钾作为碱。
此外，优选预期将氯醌用于1，4，5，6-四氢吡啶并[3，2-h]喹唑啉的氧化。
同样优选建议用Pd/C进行通过Pd催化脱氢的芳构化。
根据本发明的掺杂有机半导体材料还包含至少一种有机基体材料，用至少一种掺杂剂掺杂所述有机基体材料，其中所述基体材料是吡啶并[3，2-h]喹唑啉和/或其5，6二氢衍生物。
在这里，优选基体材料可以被可逆地还原。
或者，建议在通过掺杂剂还原的过程中，基体材料分解成稳定的氧化还原惰性成分。
掺杂剂可以是金属配合物。
优选的金属配合物具有专利申请DE102004010954(对应于WO05086251)中披露的结构式I：
Figure A20081012585500161
结构式I
其中M是过渡金属，优选Mo或W；和其中
-结构要素a-f可以具有如下含义：a＝-CR9R10-，b＝-CR11R12-，c＝-CR13R14-，d＝-CR15R16-，e＝-CR17R18-，f＝-CR19R20-，其中R9-R20独立地是氢、C1-C20烷基、C1-C20环烷基、C1-C20烯基、C1-C20炔基、芳基、杂芳基、-NRR或-OR，其中R＝C1-C20烷基、C1-C20环烷基、C1-C20烯基、C1-C20炔基、芳基或杂芳基，其中R9、R11、R13、R15、R17、R19优选＝H，R10、R12、R14、R16、R18、R20优选＝C1-C20烷基、C1-C20环烷基、C1-C20烯基、C1-C20炔基、芳基、杂芳基、-NRR或-OR，或
-结构要素c和/或d中，C可以被Si取代，或
-任选a或b或e或f是NR，其中R＝C1-C20烷基、C1-C20环烷基、C1-C20烯基、C1-C20炔基、芳基、杂芳基，或
-任选a和f或b和c是NR，R＝C1-C20烷基、C1-C20环烷基、C1-C20烯基、C1-C20炔基、芳基、杂芳基，
-其中键a-c、b-d、c-e和d-f可以是不饱和的，但a-c和c-e不同时是不饱和的，以及b-d和d-f不同时是不饱和的，
-其中键a-c、b-d、c-e和d-f可以是还包含杂原子O、S、Se、N、P、Ge、Sn的饱和或不饱和环系的一部分，或
-其中键a-c、b-d、c-e和d-f可以是还包含杂原子O、S、Si、N的芳香或稠芳环系的一部分，
-其中原子E是主族元素，优选选自C、N、P、As、Sb，
-其中结构要素a-c-b任选是还包含杂原子O、S、Se、N、P、Si，Ge、Sn的饱和或不饱和环系的构成部分，或
-结构要素a-E-b任选是还包含杂原子O、S、Se、N的芳香环系的构成部分。
特别优选的掺杂剂具有下述结构式I a：
Figure A20081012585500171
结构式Ia-W2(hpp)4
还任选掺杂剂优选是具有足够高氧化电位(HOMO)的有机化合物。
还任选掺杂剂优选是碱金属和/或碱土金属，优选是铯。
还提出根据本发明的有机半导体材料的最低空分子轨道(LUMO)的能级和掺杂剂的电离电位(HOMO)相差0到0.5V，优选0到0.3V，特别优选0到0.15V。
一个实施方式的特征在于，基体材料具有低于掺杂剂的HOMO的LUMO能级。在这种情况下“低于”意指LUMO能级具有比HOMO能级更小的数值。由于变量均从自由能级开始以负值给出，这意味着HOMO能量值的绝对值小于LUMO能量值的绝对值。
掺杂剂的浓度还优选是0.5到25重量百分数，优选1到15重量百分数，特别优选2.5到5重量百分数。
根据本发明，有机发光二极管还包括根据本发明的半导体材料和结构式5的苄叉基氢喹啉酮。
惊奇的发现吡啶并[3，2-h]喹唑啉和/或其5，6二氢衍生物(特别是那些具有具有结构式I的)可以用作可用金属配合物掺杂剂掺杂的氧化还原可掺杂基体材料。
当使用这样的掺杂层时，根据本发明的OLED的工作性能得到提升。
和现有技术相比，本发明用于半导体材料的基体材料进一步显示出改进的热稳定性，这特别可归因于较高的玻璃化转变温度、较高的升华温度和较高的分解温度。
基体材料的玻璃化转变温度Tg优选高于4，7-二苯基-1，10-菲咯啉(Tg＝63℃)。
基体材料优选具有至少200℃的蒸发温度。
基体材料优选具有至少300℃的分解温度。
至今没有文献记载前面所述的4，6，7-三氮杂菲或系统：吡啶并[3，2-h]喹唑啉。
结构式4的2，4-二取代喹啉酮可以通过三步合成获得：从2，4，6-三苯基吡喃鎓盐1和环己二酮开始，通过8-氧-1-苯并吡喃鎓盐3的步骤(参见路线1)。8-氧-1-苯并吡喃鎓高氯酸盐已经在Zimmermann等(T.Zimmermann，G.W.Fischer，B.Olk，M.Findeisen：J.prakt.Chem.331，306-318[1989])中描述。就高氯酸盐的较大规模使用而言安全性是个问题，通过四氟硼酸盐3的合成是本发明中新的改进。
                          路线1
发现结构式4的2，4-二取代喹啉酮特别适用于合成用于构成N-杂环的组分。已知喹啉酮和醛的缩合可以用于形成苄叉基衍生物。根据路线2应用该反应到2，4-二取代喹啉酮中形成了新的苄叉基氢喹啉酮5。
Figure A20081012585500192
                          路线2
已经表明，这类物质代表制备是本发明的主要目的的、新的吡啶并[3，2-h]喹唑啉8的关键化合物。惊奇的发现，按照路线3，所述苄叉基氢喹啉酮5和盐酸苄脒在碱性条件下的反应导致形成中间体6，其随后可以通过氧化，如用氯醌，从而转化为新的5，6-二氢[3，2-h]喹唑啉7。
Figure A20081012585500201
                      路线3
随后可以例如按照路线4，通过二氢化合物7的Pd-催化脱氢，进行芳构化产生新的吡啶并[3，2-h]喹唑啉8。
Figure A20081012585500202
                      路线4
本发明的其他特点和优点从下述优选的示例性实施方式的详细描述中是显而易见的。
实施例1
下面描述新的一类物质2，4，7，9-四取代吡啶并[3，2-h]喹唑啉8的衍生物8a的完整合成。
步骤1：合成5，6-二氢-2-苯甲酰甲基-2，4-二苯基-2H，7H-1-苯并吡喃-8-酮2a
Figure A20081012585500211
文献：T.Zimmermann，G.W.Fisher，B.Olk，M.Findeisen：J.prakt.Chem.331，306--318[1989]
13.51g的2，4，6-三苯基吡喃鎓四氟硼酸盐(34.1mmol)和4.78g的环己胺-1，2-二酮(42.6mmol)在甲醇中的悬浮液加热到沸点，然后滴加4.56g的乙酸(75.9mmol)和7.68g的三乙胺(75.9mmol)在少量甲醇中的溶液。加热回流7小时之后，冷却溶液至室温。抽吸提取淡黄色沉淀物，用100ml冰冷的甲醇分次洗涤和干燥至恒重。得到11.37g的淡黄色粉末(79.3％)，其熔点是178-179℃(文献：182-184℃)。
步骤2：合成5，6，7，8-四氢-8-氧-2，4-二苯基-1-苯并吡喃鎓四氟硼酸盐3a
Figure A20081012585500212
25ml的BF3-二甲醇复合物(50％BF3)加入到32.7g的5，6-二氢-2-苯甲酰甲基-2，4-二苯基-2H，7H-1-苯并吡喃-8-酮(77.8mmol)在500ml二正丁醚的悬浮液中，在此期间，悬浮液颜色变为橙黄色。悬浮液在室温下连续搅拌2小时，然后将悬浮液加热至沸点，随后回流沸腾2小时。冷却到室温后，通过带滤纸的过滤器抽滤分离沉淀，然后用二乙醚洗涤。在高真空下干燥后，得到29.9g(99％)赤色粉末，其熔点是213-214℃(分解)。IR：CO价振动带出现在1718cm-1。
步骤3：合成6，7-二氢-2，4-二苯基喹啉-8(5H)-酮4a
Figure A20081012585500221
12.44g的5，6，7，8-四氢-8-氧-2，4-二苯基-1-苯并吡喃鎓四氟硼酸盐(32mmol)悬浮在80ml的蒸馏水中，并搅拌加入25g氨基甲酸铵(320mmol)在200ml蒸馏水中的溶液。在室温下搅拌24小时后，溶液通过过滤器抽吸分离，用蒸馏水洗涤和抽干。用二乙醚分批洗涤奶油色粉末并在50℃下在真空干燥箱内干燥至恒重：8.39g乳白色产物(87.5％)，其熔点为177-178℃(分解)。IR(ATR)：CO价振动带出现在1700cm-1。1H-NMR(500MHz，CDCl3)：δ＝8.09(d，2H，2-苯基的o-H)，7.79(s，1H，H3)，7.56-7.33(m，8H，芳H)，2.92(t，2H，J＝5.75Hz)，2.83(t，2H，J＝6.56Hz)，2.10(p，2H，J＝5.75Hz，J＝6.56Hz)。
步骤4：合成7-苄叉基-6，7-二氢-2，4-二苯基喹啉-8(5H)-酮5a
Figure A20081012585500222
充分搅拌下，将5.6g氢氧化钾(100mmol)在40ml蒸馏水中的溶液加入到13.8g的6，7-二氢-2，4-二苯基喹啉-8(5H)-酮的悬浮液(46mmol)中。用8ml冰醋酸中和奶油色悬浮液并在室温下连续搅拌30分钟。抽滤分离乳白色产物，用100ml蒸馏水洗涤，迅速抽干和风干。乳白色粉末悬浮在80ml甲醇中并在室温下连续搅拌30分钟。抽滤分离沉淀，用少量甲醇和二乙醚洗涤，抽干并在60℃下在真空干燥箱内干燥至恒重。得到16.38g乳白色粉末(91.9％)，其熔点是185-187℃(分解)。在IR谱中，产物显示典型的查耳酮CO价振动带出现在1675cm-1。1H-NMR(500MHz，CD2Cl2)：δ＝8.13(d，2H，2-苯基的o-H)，7.93(s，1H，H9)，7.87(s，1H，H3)，7.56-7.32(m，13芳H)，3.09(dt，2H)，2.95(t，2H)。
步骤5：合成1，4，5，6-四氢-2，4，7，9-四苯基吡啶并[3，2-h]喹唑啉6a
Figure A20081012585500231
1.71g的7-苄叉基-6，7-二氢-8-氧-2，4-二苯基喹唑啉-8(5H)-酮(4.4mmol)和0.79g的苯甲脒鎓氯化物一水合物(4mmol)悬浮在30ml的乙醇中并加热至沸点。将含0.56g叔丁醇钾(5mmol)在20ml乙醇中的溶液滴加到悬浮液中，在此期间沉淀逐渐熔解。回流沸腾1.5小时后，形成细结晶无色沉淀。回流加热另外16小时之后，悬浮液在空气中在室温下冷却。抽滤分离乳白色沉淀，用蒸馏水洗涤并用30ml乙醇再次洗涤。在高真空中干燥后，得到2g(92.8％)近白色的、棉絮状粉末，其熔点为142-144℃(不透明熔融物)。热重量分析结果为熔点139℃，差示扫描量热仪Tg为74℃。在IR谱中，产物显示加宽的NH带在3385cm-1以及低强度带在1687cm-1，其可分为孤立C＝N带。在1630cm-1的略微更密集的带可归为二氢喹唑啉环。1H-NMR(500MHz，CD2Cl2)：δ＝8.46(s，br，NH)，8.12-8.04(m，2H，9-苯基的o-H)，7.95-7.88(m，2H，9-苯基的o-H)，7.60(s，1H，H8)，7.56-7.22(m，16H，芳H)，5.40(s，1H，H4).2.99-2.80(m，2H)，2.30-2.18(m，1H)，2.18-2.06(m，1H)。
步骤6：合成5，6-二氢-2，4，7，9-四苯基吡啶并[3，2-h]喹唑啉7a
Figure A20081012585500241
3.43g的2，4，7，9-四苯基-1，4，5，6-四氢吡啶并[3，2-h]喹唑啉(7mmol)溶于50ml氯仿中；然后一次加入1.97g氯醌(8mmol)。在室温下继续搅拌得到的褐色悬浮物。仅30分钟后，上清液的DC检测(氧化铝；洗脱液：二氯甲烷)显示起始原料的点大大消失。在室温下继续搅拌上清液另外2小时，并抽滤分离和风干。用50ml氯仿分批洗涤奶油色沉淀(1.35g)。向氯仿溶液中加入100ml的6％碳酸钾溶液并剧烈搅拌。水相用分液漏斗分离，每次用25ml氯仿振荡两次，然后丢弃。在分离水相后，合并的氯仿相用蒸馏水洗涤并用无水碳酸钾干燥。用折叠过滤器过滤干燥的淡黄色氯仿溶液并加入50ml环己胺。减压下用旋转蒸发仪通过蒸馏除去大量氯仿。抽滤分离得到的奶油色微晶粉末，用环己胺洗涤并在高真空下干燥：得到3.10g乳白色微晶产物(91％)，其熔点为298-299℃。热重分析显示299℃的熔融峰。冷却样品后，第二次加热过程显示Tg为103℃。在IR谱中，起始原料在3385cm-1的NH带与在1687cm-1和1630cm-1的C＝N带已经消失，代之以分别在低强度1591cm-1或1581cm-1可观察到的新的分裂带。1H-NMR(500MHz，CDCl3)：δ＝8.78(d，2H，2-苯基的o-H)，8.31(d，2H，9-苯基的o-H)，7.83(s.1H，H8)，7.78-7.73(m，2H，4-苯基的o-H)，7.64-7.36(m，14H.芳H)，3.08(dd，2H)，2.95(dd，2H)。
5，6-二氢-2，4，7，9-四苯基吡啶并[3，2-h]喹唑啉7a在THF中具有还原半波电位E1/2 Ered＝-2.27V(AET Ered＝70mV)vs.Fc/Fc+。还原是可逆的。在THF中可利用的窗内不能测定氧化电位。
步骤7：合成2，4，7，9-四苯基吡啶并[3，2-h]喹唑啉8a
Figure A20081012585500251
940mg的5，6-二氢-2，4，7，9-四苯基吡啶并[3，2-h]喹唑啉(1.93mmol)悬浮在50ml的二甘醇中并加热形成溶液，然后分批加入200mg的Pd/C(5％)。悬浮液加热到沸点，回流加热10个小时，随后在空气中在室温下冷却。在DC检测之后，加入50ml蒸馏水。在室温下继续搅拌悬浮液30分钟，过滤，滤饼用蒸馏水分批洗涤并迅速抽滤干燥。在烧结玻璃过滤器中用400ml氯仿分批洗涤散布有白色结晶的黑色沉淀。用无水硫酸钠干燥棕黄色滤液，过滤并蒸干。略微加热，将奶油色残渣溶于50ml氯仿中，在100ml环己胺中过滤。淡黄色溶液浓缩到其体积的一半，在该过程中沉淀出乳白色、棉絮状沉淀物。通过抽滤分离，用少量环己胺和二乙醚洗涤并在高真空下干燥：得到0.82g(87.5％)微晶白色粉末，其极精确的熔点是327℃。一开始，不能测得玻璃化转变温度Tg。第二次加热过程后，以控制状态(10K/min)记录的冷却曲线显示在272℃再结晶(recristallisation)。快速冷却后，差示扫描量热法测得的Tg为103℃。1H-NMR谱仅仅包括5，6-二氢-2，4，7，9-四苯基吡啶并[3，2-h]喹唑啉的信号。在3.07(dd，2H)和2.95(dd，2H)处的起始原料的亚甲基体子信号已经消失。四苯基吡啶并[3，2-h]喹唑啉8a在MeCN中具有还原半波电位E1/2 Ered＝-2.06V(ΔET Ered＝70mV)vs.Fc/Fc+。还原是可逆的。在MeCN中中可利用的窗内不能测定氧化电位。
升到500℃，在氮气下不能测定8a的分解温度(DSC)。所以，该类化合物可处于很高的热应力下。8a的升华温度是259℃，因此其显著的高于200℃的水准基点。
7a和8a与BPhen的玻璃化转变温度的比较结果是BPhen的形态稳定性很低，相比之下，7a和8a的形态稳定性显著增加。
实施例2
下面描述衍生物8b的部分合成，其从4a起始。
步骤4：合成7-甲苯甲叉基(toluidene)-6，7-二氢-2，4-二苯基喹啉-8(5H)-酮5b
1.5g氢氧化钾(36.7mmol)在15ml蒸馏水中的溶液加入到5g的6，7-二氢-2，4-二苯基喹啉-8(5H)-酮(16.7mmol)的悬浮液中。得到的悬浮液在密封圆底烧瓶中在室温下搅拌1天，用冰醋酸中和并在室温下继续搅拌30分钟。抽滤分离沉淀，用蒸馏水洗涤和干燥。乳白色粉末悬浮在80ml甲醇中并在室温下连续搅拌30分钟。抽滤分离沉淀，用甲醇和二乙醚洗涤，在高真空下干燥：得到3.2g乳白色粉末(47％)，其熔点是175-185℃(分解)。产物显示典型的查耳酮CO价振动带出现在1675cm-1。
1H-NMR(500MHz，CD2Cl2)：δ＝8.13(d，2H，o-H of 2-phenyl)，7.96(s，1H，H9)，7.81(s，1H，H3)，7.56-7.32(m，11 arom.H)，7，21(d，2H ofphenyl)，3.08(t，2H)，2.94(t，2H)，2.37(8s，3H)。
步骤5：合成1，4，5，6-四氢-2，7，9-三苯基-4-p-甲苯甲酰吡啶并[3，2-h]喹唑啉6b
3g的7-甲苯甲叉基-6，7-二氢-2，4-二苯基喹啉-8(5H)-酮(7.5mmol)和1.6g的苯甲脒鎓氯化物一水合物(8.2mmol)悬浮在50ml的乙醇中并加热至沸点。在沉淀逐渐溶解的过程中将在20ml乙醇中的1.2g叔丁醇钾(10mmol)溶液滴加到悬浮液中。回流沸腾24小时后，在室温冷却悬浮液。抽滤分离沉淀，用蒸馏水和乙醇洗涤，在高真空中干燥至恒重，得到2.6g(57％)产物，其熔点为128-133℃。
在IR谱中(ATR)，产物显示在3418cm-1的加宽NH带和在1625cm-1的低强度带，其可分为一个孤立C＝N带。
1H-NMR(500MHz，CD2Cl2)：δ＝8.43(s，br，NH)，8.09(d，2H，9-苯基的o-H)，7.93-7.91(m，2H.2-苯基的o-H)，7.59(s，1H，H8)，7.54-7.43(m，10H，芳H)，7.38(d，2H)，7.35(d，2H)，7.15(d，2H).5.35(s，1H，H4)，2.95-2.82(m，2H)，2.32(s，3H)，2.26-2.20(m，1H)，2.15-2.08(m，1H)。
步骤6b：合成5，6-二氢-2，7，9-三苯基-4-p-甲苯甲酰吡啶并[3，2-h]喹唑啉7b
2.5g的2，4，7，9-四苯基-1，4，5，6-四氢吡啶并[3，2-h]喹唑啉(4.96mmol)溶于70ml氯仿中；然后一次加入1.46g氯醌(5.95mmol)。在室温下继续搅拌，得到的褐色悬浮物。仅30分钟后，悬浮溶液的DC检测(氧化铝；洗脱液：二氯甲烷)显示反应完全。悬浮液用D4烧结玻璃过滤器过滤。氯仿溶液中加入100ml 6％的碳酸钾溶液并剧烈搅拌。每次用25ml氯仿振荡水相两次，然后丢弃。用蒸馏水洗涤合并的氯仿相，并用无水碳酸钾干燥，过滤并加入50ml环己胺。减压蒸馏除去大量的氯仿。抽滤分离得到粉末，用少量环己胺洗涤和在高真空下干燥：得到2.1g(85％)乳白色微晶产物，其熔点为261℃和Tg为109℃。1H-NMR(500MHz，CDCl3)：δ＝8.77(d，2H，2-苯基的o-H)，8.29(d，2H，9-苯基的o-H)，7.81(s，1H，H8)，7.67(d，2H，4-苯基的o-H)，7.56-7.44(m，10H，芳H)，7.42(d，2H，苯基)，7.32(d，2H，苯基)3.07(m，2H)，2.93(m，2H)，2.44(s，3H)。
5，6-二氢-2，7，9-三苯基-4-p-甲苯甲酰吡啶并[3，2-h]喹唑啉7b在THF中具有还原半波电位E1/2 Ered＝-2.29V(ΔET Ered＝70mV)vs.Fc/Fc+。还原是可逆的。在THF中可利用的窗内不能测定氧化电位。
步骤7：合成2，7，9-三苯基-4-p-甲苯甲酰吡啶并[3，2-h]喹唑啉8b
2g的5，6-二氢-2，7，9-三苯基-4-p-甲苯甲酰吡啶并[3，2-h]喹唑啉(3.98mmol)悬浮在100ml的二甘醇中并通过加热形成溶液，然后分批加入500mg的Pd/C(10％)。悬浮液加热到沸点并回流沸腾至通过DC检测不再能检出起始原料。加入50ml蒸馏水。在室温下继续搅拌30分钟，并过滤。残渣用300ml蒸馏水分批洗涤并抽滤干燥。然后再用600ml氯仿分批洗涤残渣。滤液用无水硫酸钠干燥并过滤。减压蒸发该溶液至干燥。奶油色残余物在轻度加热下溶于50ml氯仿中并在100ml环己胺中过滤。浅黄色溶液减压浓缩到其体积的一半，在其中沉淀出乳白色、棉絮状沉淀物。沉淀物通过抽滤分离，用环己胺和二乙醚洗涤和在高真空下干燥。得到1.5g(75％)微晶白色、棉絮状粉末，其熔化温度为261℃。通过DCS不能检测到Tg。
在CDCl3中的1H-NMR谱仅仅包括5，6-二氢-2，4，7，9-四苯基吡啶并[3，2-h]喹唑啉的信号。起始原料在3.07(dd，2H)和2.95(dd，2H)的亚甲基体子信号已经消失，也就是，脱氢已经完成。
2，7，9-三苯基-4-p-甲苯甲酰吡啶并[3，2-h]喹唑啉8b在THF中具有还原半波电位E1/2 Ered＝-2.29V(ΔET Ered＝70mV)vs.Fc/Fc+。还原是可逆的。在THF中可利用的窗内不能测定氧化电位。
升到500℃，在氮气下不能测定8b的分解温度(DSC)。所以，该类化合物可处于很高的热应力下。8b的升华温度是272℃，因此其显著的高于200℃的水准基点。
7b和8b与BPhen的玻璃化转变温度比较结果显示BPhen的形态稳定性很低，相比之下，7b和8b的形态稳定性增加。
实施例3
玻璃衬底设有由氧化铟锡制得的触头。然后，在衬底上形成用结构式I a的掺杂剂掺杂的7a的层。掺杂剂I a的掺杂浓度是5mol％。室温下层的导电率是4.13*10-5S/cm。
实施例4
玻璃衬底设有由氧化铟锡制造的触头。然后在衬底上形成用结构式I a的掺杂剂掺杂的8a的层。掺杂剂I a的掺杂浓度是5mol％。室温下层的导电率是1.84*10-5S/cm。
实施例5
玻璃衬底设有由氧化铟锡制造的触头。然后，在衬底上形成用结构式I a的掺杂剂掺杂的7b的层。掺杂剂I a的掺杂浓度是5mol％。室温下层的导电率是2.05*10-5S/cm。
实施例6
玻璃衬底设有由氧化铟锡制造的触头。然后，在衬底上形成用结构式I a的掺杂剂掺杂的8b的层。掺杂剂I a的掺杂浓度是5mol％。室温下层的导电率是2.76*10-5S/cm。
比较例7
比较例7按照类似实施例3到6的方法进行，只是用从文献已知的BPhen分别代替基体材料7a，8a和7b，8b。得到的层的导电率是4*10-9S/cm。
从实施例3到6的传导性和现有技术已知的基体材料Alq3、BPhen或BAlq2的传导性(表1和比较例7)的比较显示，根据本发明的该类物质8以3到4个数量级显著提高了传导性。
实施例8
玻璃制成的衬底设有氧化铟锡触点。因此，所述层：螺TTB，掺杂有p-掺杂2-(6-二氰亚甲基-1，3，4，5，7，8-六氟-6H-萘-2-叉基(naphthalen-2-ylidene))丙二腈(50nm，1.5wt％)/N，N’-二(萘-2-基)-N，N’-二苯基联苯胺(10nm)，掺杂有放射性铱(III)二(2-甲基二苯并[f，h]喹喔啉)(乙酰丙酮)的N，N’-二(萘-2-基)-N，N’-二苯基联苯胺(20nm，10wt％)/2，4，7，9-四苯基菲咯啉(10nm)/掺杂有Ia(60nm，8wt％)的8a/Al(100nm)随后逐渐沉积。如此生产的有机发光二极管发出橙红色光，具有下列工作参数：1000cd/m2：3.2V和20cd/A。
比较例9
(现有技术)
如实施例6一样制备OLED元件。其中，使用未掺杂的电子传输层8a代替用Ia进行n-掺杂的电子传输层8a。该OLED具有下列工作参数：100cd/m2：18.2V和7.4cd/A。
使用掺杂Ia的8a作为电子传输层也使得OLED元件具有更低的工作电压和/或更高的电流效率。因此，元件的工作效能也得到增加。
说明书和权利要求中披露的特征对于以单独或任意组合的不同实施方案来实施本发明是必要的。

Claims (27)

1.下述结构式8的吡啶并[3，2-h]喹唑啉和/或其5，6二氢衍生物，
Figure A2008101258550002C1
结构式8
其中：
R1和R2是取代或未取代的，为芳基、杂芳基、具有R＝C1-C20烷基的式CHR2的烷基、或具有R＝C1-C20烷基的式CR3的烷基；
R3选自H，取代或未取代的C1-C20烷基、芳基和杂芳基；
R4选自H，取代或未取代的C1-C20烷基、芳基和杂芳基、NH2、具有R＝C1-C20烷基的NHR、具有R＝C1-C20烷基的NR2、N-烷基芳基、N-芳基2、咔唑基、二苯并氮杂基和CN。
2.制备吡啶并[3，2-h]喹唑啉和/或其5，6二氢衍生物的方法，包括下述步骤：
(i)按照下面的反应路线：
Figure A2008101258550002C3
使结构式4的2，4-二取代喹啉酮和醛在碱存在下反应，以制备苄叉基氢喹啉酮5；
(ii)按照下面的反应路线：
Figure A2008101258550003C1
使苄叉基氢喹啉酮5和盐酸苯甲脒鎓在碱性条件下反应，以制备1，4，5，6-四氢吡啶并[3，2-h]喹唑啉6，并随后氧化以制备5，6-二氢吡啶并[3，2-h]喹唑啉7；
(iii)按照下面的反应路线：
Figure A2008101258550003C2
任选地芳构化5，6-二氢吡啶并[3，2-h]喹唑啉7以得到吡啶并[3，2-h]喹唑啉8，
其中R1、R2、R3和R4如上面权利要求1中所定义。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于使用氢氧化钾和/或叔丁醇钾作为碱。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于使用氯醌来氧化1，4，5，6-四氢吡啶并[3，2-h]喹唑啉6。
5.根据权利要求2到4之一所述的方法，其特征在于用Pd/C进行通过Pd催化脱氢的芳构化。
6.掺杂的有机半导体材料，包含至少一种掺杂至少一种掺杂剂的有机基体材料，其中所述基体材料是根据权利要求1所述的吡啶并[3，2-h]喹唑啉和/或其5，6二氢衍生物。
7.根据权利要求6所述的半导体材料，其特征在于所述基体材料可以被可逆还原。
8.根据权利要求6所述的半导体材料，其特征在于在还原过程中所述基体材料分解成稳定的氧化还原活性成分。
9.根据权利要求6到8之一所述的半导体材料，其特征在于所述掺杂剂是金属配合物。
10.根据权利要求9所述的半导体材料，其特征在于所述金属配合物具有结构式I：
Figure A2008101258550004C1
结构式I
其中M是过渡金属；以及其中
-结构要素a-f可以具有如下含义：a＝-CR9R10-，b＝-CR11R12-，c＝-CR13R14-，d＝-CR15R16-，e＝-CR17R18-，f＝-CR19R20-，其中R9-R20独立地为氢、C1-C20烷基、C1-C20环烷基、C1-C20烯基、C1-C20炔基、芳基、杂芳基、-NRR或-OR，其中R＝C1-C20烷基、C1-C20环烷基、C1-C20烯基、C1-C20炔基、芳基或杂芳基，或
-结构要素c和/或d中，C可以被Si替代，或
-任选地，a或b或e或f是NR，其中R＝C1-C20烷基、C1-C20环烷基、C1-C20烯基、C1-C20炔基、芳基、杂芳基，或
-任选地，a和f或b和c是NR，其中R＝C1-C20烷基、C1-C20环烷基、C1-C20烯基、C1-C20炔基、芳基、杂芳基，
-其中键a-c、b-d、c-e和d-f可以是不饱和的，但a-c和c-e不同时是不饱和的，以及b-d和d-f不同时是不饱和的，
-其中键a-c、b-d、c-e和d-f可以是还可包含杂原子O、S、N、P、Se、Ge、Sn的饱和或不饱和环系的一部分，或
-键a-c、b-d、c-e和d-f是还可包含杂原子O、S、Si、N的芳环系统或稠合芳环系统的一部分，
-其中原子E是主族元素，
-其中结构要素a-E-b任选地是还可包含杂原子O、S、Se、N、P、Si、Ge、Sn的饱和或不饱和环系的构成部分，或
-结构要素a-E-b任选地是还可包含杂原子O、S、Se、N的芳环系统的构成部分。
11.根据权利要求10所述的半导体材料，其特征在于M是Mo或W。
12.根据权利要求10所述的半导体材料，其特征在于R9、R11、R13、R15、R17、R19＝H，以及R10、R12、R14、R16、R18、R20＝C1-C20烷基、C1-C20环烷基、C1-C20烯基、C1-C20炔基、芳基、杂芳基、-NRR或者-OR。
13.根据权利要求10所述的半导体材料，其特征在于E选自C、N、P、As、Sb。
14.根据权利要求10所述的半导体材料，其特征在于掺杂剂具有下面的结构式Ia：
Figure A2008101258550006C1
结构式Ia＝W2(hpp)4。
15.根据权利要求6到8之一所述的半导体材料，其特征在于掺杂剂是碱金属和/或碱土金属。
16.根据权利要求15所述的半导体材料，其特征在于掺杂剂是铯。
17.根据前面权利要求之一所述的半导体材料，其特征在于所述基体材料的最低空分子轨道(LUMO)能级和掺杂剂的电离电位(HOMO)相差0-0.5V。
18.根据权利要求17所述的半导体材料，其特征在于基体材料的能级和掺杂剂的电离电位相差0-0.3V。
19.根据权利要求17所述的半导体材料，其特征在于基体材料的能级和掺杂剂的电离电位相差0-0.15V。
20.根据权利要求6到19之一所述的半导体材料，其特征在于基体材料的LUMO能级低于掺杂剂的电离电位(HOMO)。
21.根据前面权利要求6到20之一所述的半导体材料，其特征在于掺杂剂的浓度是0.5～25重量百分数。
22.根据权利要求21所述的半导体材料，其特征在于掺杂剂的浓度是1～10重量百分数。
23.根据权利要求21所述的半导体材料，其特征在于掺杂剂的浓度是2.5～5重量百分数。
24.根据前面权利要求6到23之一所述的半导体材料，其特征在于基体材料的玻璃化转变温度Tg高于4，7-二苯基-1，10-菲咯啉的玻璃化转变温度。
25.根据前面权利要求6到24之一所述的半导体材料，其特征在于基体材料的蒸发温度为至少200℃。
26.有机发光二极管，包括前面权利要求6到25中任一项所述的半导体材料。
27.式5的苄叉基氢喹啉酮
Figure A2008101258550007C1
其中R1、R2和R3如权利要求1中定义。
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