一类含22′吡啶苯并咪唑的DΠA型结构聚合金属配合物功能染料及其制备方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201310525241.3

申请日:

2013.10.31

公开号:

CN103540157A

公开日:

2014.01.29

当前法律状态:

终止

有效性:

无权

法律详情:

未缴年费专利权终止IPC(主分类):C09B 57/10申请日:20131031授权公告日:20150624终止日期:20171031|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):C09B 57/10申请日:20131031|||公开

IPC分类号:

C09B57/10; H01G9/20

主分类号:

C09B57/10

申请人:

湘潭大学

发明人:

钟超凡; 章伟; 唐桂鹏; 周俊; 彭大海; 胡娇梅; 谢秋芳

地址:

411105 湖南省湘潭市雨湖区羊牯塘27号

优先权:

专利代理机构:

代理人:

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内容摘要

本发明公开了一类含2-(2′-吡啶)苯并咪唑的D-π-A型结构聚合金属配合物功能染料及其制备方法。该染料分子结构是通过以咔唑衍生物和烷氧基苯作为给体(D),噻吩乙烯基作为π桥,2-(2′-吡啶)苯并咪唑的金属配合物作为受体(A)形成一个大π的共轭系统,进而提升染料敏化太阳能电池的光电转化效率。本发明的优势在于将无机、有机和高分子合理融为了一体,以获得高光伏性能、低成本、高稳定性的新型染料。选用普通过渡金属配合物替代希贵钌等金属配合物,降低染料成本;所制备的染料通过测试表明,体现出良好的光电转化性能和高的热稳定性,在能源开发利用方面具有很大的应用前景,可用于染料敏化太阳能电池。

权利要求书

权利要求书
1.  一类含2-(2′-吡啶)苯并咪唑的D-π-A型结构聚合金属配合物功能染料,其特征在于,该化合物具有D-π-A结构,其通式如下:

式中,L为:CH3COO-、Cl-;M为:副族的金属离子Co(II)、Cu(II)、Zn(II)、Cd(II)或Ni(II);n是聚合度为:5~10的整数;D选自烷氧基苯或咔唑衍生物,其结构式为:


2.  根据权利要求1所述的一类含2-(2′-吡啶)苯并咪唑的D-π-A型结构聚合金属配合物功能染料的制备方法:
(1).2-(2′-吡啶)苯并咪唑的制备:在容器中,加入当量比为1:1的邻苯二胺和2-吡啶甲酸,多聚磷酸作为溶剂,搅拌,在氮气保护下,油浴加热到160~180℃;加热4~6h,将混合物倒入冰水中冷却,用NaOH调节溶液pH=6~8;将沉淀过滤,干燥,粗产物在甲醇溶液中重结晶,得灰白色固体2-(2′-吡啶)苯并咪唑;
(2).2-溴-5-[(2′-吡啶基)苯并咪唑]-3-甲基噻吩的制备:分别取2,5-二溴-3-甲基噻吩、2-(2′-吡啶)苯并咪唑、碘化铜、碳酸钾、1,10-邻菲哕啉比例为1:1:0.25:4:0.4用DMF溶解,加入到带有磁力搅拌容器中,在氮气保护下,油浴 加热并回流24~26h,待混合液冷却至室温,得到的棕褐色溶液,用氯仿溶液萃取,用无水硫酸镁干燥,并用1:1四氢呋喃/正己烷的柱色谱法纯化,得到黄棕色固体2-溴-5-[(2′-吡啶基)苯并咪唑]-3-甲基噻吩;
(3).金属配合物的制备:将当量比为1当量2-溴-5-[(2′-吡啶基)苯并咪唑]-3-甲基噻吩溶解在甲醇中,加热回流,并当开始回流时,将0.5当量副族的金属盐甲醇溶液滴入反应器中,回流12~14小时后反应停止,过滤并用甲醇和乙醇溶液洗涤,干燥得到金属配合物;
(4).1,4-二乙烯基-2,5-二辛氧基苯的制备:在氮气流中,将37%的甲醛溶液和2,5-二辛氧基-1,4-二(三苯基膦溴甲基)加入到60~100ml CH2Cl2中;然后在冰水浴条件下缓慢滴加质量分数为20%~40%的NaOH溶液,室温下反应24~26h,用CHCl2萃取,再用水洗,经MgSO4干燥过夜,过滤,旋出溶剂CHCl2,得粗产物,用乙醇重结晶得纯净物,真空条件下干澡,得到白色的固体产物1,4-二乙烯基-2,5-二辛氧基苯。
(5).3,6-二乙烯基-N-辛基咔唑的制备:取3,6-二乙酰基-N-辛基咔唑和溴代甲烷磷叶立德盐比例为1:2溶解在无水四氢呋喃中,缓慢加入氢化钠,然后在氮气的保护下,混合物加热至回流,并反应8~9个小时;反应结束后,混合物冷却到室温,先慢慢向混合物加入甲醇,随后再加入蒸馏水,并用二氯甲烷萃取,无水硫酸镁干燥过夜,然后将萃取液浓缩,用柱色谱提纯,以环己烷:乙酸乙酯=1:10作淋洗液,得到黄色固体3,6-二乙烯基-N-辛基咔唑;
(6).将1,4-二乙烯基-2,5-二辛氧基苯和3,6-二乙烯基-N-辛基咔唑,分别与金属配合物以1:1的比例加入到反应瓶中,然后依次加入精制三乙胺、三(2-甲苯基)膦和醋酸钯,在通氮气条件下,反应体系保持90℃,反应24~26小时,反应终止后冷却至室温,过滤,用甲醇沉淀,然后将得到的粗产物溶解在四氢 呋喃中,再一次以甲醇为沉淀,过滤,真空条件下干燥得到四种聚合金属配合物。

3.  根据权利要求1所述的一类含2-(2′-吡啶)苯并咪唑的D-π-A型结构聚合金属配合物功能染料的用途,在染料敏化太阳能电池中用作染料敏化剂。

说明书

说明书一类含2-(2′-吡啶)苯并咪唑的D-π-A型结构聚合金属配合物功能染料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有D-π-A型结构聚合金属配合物功能染料及其制备方法,属于光电材料和新材料领域。
背景技术
染料敏化太阳能电池是和O’Regan在1991年研究发明的。其光伏原理如下:通过吸附在电池FTO玻璃极板上薄膜TiO2颗粒表面的染料敏化剂吸收太阳光,染料敏化剂分子激发,激发态电子通过敏化的TiO2薄膜转移到FTO玻璃电极后,电子通过外电路传输到电池的对(正)电极(Pt orAl),然后再通过电池内的氧化还原电解质转移到染料敏化剂分子的激发态,使其回到基态,实现一个光电转化过程。
染料敏化太阳能电池主要是模仿光合作用原理,研制出来的一种新型太阳电池,其主要优势是:原材料丰富、成本低廉、工艺技术简单,在大面积工业化生产中具有较大的优势,而且几乎所有原材料和生产工艺都是无毒无污染的,部分材料还可以回收,对新能源的发展及人类环境的保护具有重要意义。
近些年,纯有机染料的研究得到了迅速发展,电池转化效率也得到了提高。开发成本低、能级匹配、性能稳定、光谱吸收与太阳光匹配的染料敏化剂是当前的发展趋势;但光电转化效率、大面积化、电池的长期稳定性是染料敏化太阳能电池面临的主要技术问题。
2-(2′-吡啶)苯并咪唑具有大的刚性结构,能与很多金属进行配位,而咔唑衍生物和烷氧基苯是非常好的给体材料,它们形成的聚合金属配合物具有更大的π 共轭结构,不仅利于聚合金属配合物的空穴传输和电子传输,而且具有高的稳定性,有助于提高染料光电转化效率和使用寿命。
发明内容
本发明目的在于提供一类含2-(2′-吡啶)苯并咪唑的D-π-A型结构聚合金属配合物功能染料及其制备方法,通过Heck聚合在2-(2′-吡啶)苯并咪唑衍生物的配体中引入咔唑衍生物或烷氧基苯的给体,形成D-π-A结构的聚合金属配合物功能染料,应用与染料敏化太阳能电池。
本发明的技术方案是:一类含2-(2′-吡啶)苯并咪唑的D-π-A型结构聚合金属配合物功能染料,该化合物具有D-π-A结构,其通式如下:

式中,L为:CH3COO-、Cl-;M为:副族的金属离子Co(II)、Cu(II)、Zn(II)、Cd(II)或Ni(II);n是聚合度为:5~10的整数;D选自烷氧基苯或咔唑衍生物,其结构式为:

一类含2-(2′-吡啶)苯并咪唑的D-π-A型结构聚合金属配合物功能染料的制备方法:
(1).2-(2′-吡啶)苯并咪唑的制备:在容器中,加入当量比为1:1的邻苯二胺和2-吡啶甲酸,多聚磷酸作为溶剂,搅拌,在氮气保护下,油浴加热到160-180℃;加热4~6h,将混合物倒入冰水中冷却,用NaOH调节溶液pH=6~8;将沉淀过滤,干燥,粗产物在甲醇溶液中重结晶,得灰白色固体2-(2′-吡啶)苯并咪 唑;
(2).2-溴-5-[(2′-吡啶基)苯并咪唑]-3-甲基噻吩的制备:分别取2,5-二溴-3-甲基噻吩、2-(2′-吡啶)苯并咪唑、碘化铜、碳酸钾、1,10-邻菲哕啉比例为1:1:0.25∶4:0.4用DMF溶解,加入到带有磁力搅拌容器中,在氮气保护下,油浴加热并回流24~26h,待混合液冷却至室温,得到的棕褐色溶液,用氯仿溶液萃取,用无水硫酸镁干燥,并用1:1四氢呋喃/正己烷的柱色谱法纯化,得到黄棕色固体2-溴-5-[(2′-吡啶基)苯并咪唑]-3-甲基噻吩;
(3).金属配合物的制备:将当量比为1当量2-溴-5-[(2′-吡啶基)苯并咪唑]-3-甲基噻吩溶解在甲醇中,加热回流,并当开始回流时,将0.5当量副族的金属盐甲醇溶液滴入反应器中,回流12~14小时后反应停止,过滤并用甲醇和乙醇溶液洗涤,干燥得到金属配合物;
(4).1,4-二乙烯基-2,5-二辛氧基苯的制备:在氮气流中,将37%的甲醛溶液和2,5-二辛氧基-1,4-二(三苯基膦溴甲基)加入到60~100ml CH2Cl2中;然后在冰水浴条件下缓慢滴加质量分数为20%~40%的NaOH溶液,室温下反应24~26h,用CHCl2萃取,再用水洗,经MgSO4干燥过夜,过滤,旋出溶剂CHCl2,得粗产物,用乙醇重结晶得纯净物,真空条件下干澡,得到白色的固体产物1,4-二乙烯基-2,5-二辛氧基苯。
(5).3,6-二乙烯基-N-辛基咔唑的制备:取3,6-二乙酰基-N-辛基咔唑和溴代甲烷磷叶立德盐比例为1:2溶解在无水四氢呋喃中,缓慢加入氢化钠,然后在氮气的保护下,混合物加热至回流,并反应8~9个小时;反应结束后,混合物冷却到室温,先慢慢向混合物加入甲醇,随后再加入蒸馏水,并用二氯甲烷萃取,无水硫酸镁干燥过夜,然后将萃取液浓缩,用柱色谱提纯,以环己烷:乙酸乙酯=1:10作淋洗液,得到黄色固体3,6-二乙烯基-N-辛基咔唑;
(6).将1,4-二乙烯基-2,5-二辛氧基苯和3,6-二乙烯基-N-辛基咔唑,分别与金属配合物以1:1的比例加入到反应瓶中,然后依次加入精制三乙胺、三(2-甲苯基)膦和醋酸钯,在通氮气条件下,反应体系保持90℃,反应24~26小时,反应终止后冷却至室温,过滤,用甲醇沉淀,然后将得到的粗产物溶解在四氢呋喃中,再一次以甲醇为沉淀,过滤,真空条件下干燥得到四种聚合金属配合物。
一类含2-(2′-吡啶)苯并咪唑的D-π-A型结构聚合金属配合物功能染料的用途,在染料敏化太阳能电池中用作染料敏化剂。
发明的主要优势在于:一种含2-(2′-吡啶)苯并咪唑的D-π-A型结构聚合金属配合物,将有机金属配合物聚合化,以扩大配合物分子的大π体系,提高其吸光性能和载流子传输能力;研究用锌等普通副族金属替换贵金属钌合成聚合金属配合物染料,将大大降低敏化太阳能电池成本和原资源限制。
附图说明
图1本发明实施例合成2-(2′-吡啶)苯并咪唑的核磁氢谱(400MHz,CDCl3,TMS);
图2本发明实施例所合成2-(2′-吡啶)苯并咪唑上接噻吩的核磁氢谱(400MHz,CDCl3,TMS);
图3本发明实施例所合成化含锌离子的金属配合物的核磁氢谱(400MHz,CDCl3,TMS);
图4本发明实施例所合成1,4-二乙烯基-2,5-二辛氧基苯的核磁氢谱(400MHz,CDCl3,TMS);
图5本发明实施例获得的化合物L1、P1、P3的红外光谱(KBr晶体压片,4000~450cm-1);
图6本发明实施例获得的化合物L2、P2、P4的红外光谱(KBr晶体压片,4000~450cm-1);
图7本发明实施所合成的化合物P1~P4的TGA曲线;
图8本发明实施所合成的化合物P1~P4的归一化的紫外-可见光吸收光谱;
图9本发明实施所合成的化合物P1~P4的电池J-V曲线;
图10本发明实施所合成的化合物P1~P4的电池IPCE曲线。
具体实施方式
本发明的化合物的反应机理为:

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1:
一类含2-(2′-吡啶)苯并咪唑的D-π-A型结构聚合含锌离子配合物(P1)
一种以烷氧基苯作为给体(D),L为CH3COO-,M为Zn,聚合度n为7的化合物(P1),其分子结构式为:

上述聚合金属配合物P1的制备方法:
A.2-(2′-吡啶)苯并咪唑的制备:在一带有搅拌装置充满氮气的三口烧瓶中,加入邻苯二胺5.48g(0.05mol)和2-吡啶甲酸8.9g(0.07mol),多聚磷酸38.3g,油浴加热到180℃。加热4h后,将混合物倒入100mL冰水中冷却,用NaOH调节溶液pH=8。将沉淀过滤,干燥,粗产物在甲醇溶液中重结晶,得灰白色固体2-(2′-吡啶)苯并咪唑6.68g(产率:67.6%,表征如图1所示)。
B.2-溴-5-[(2′-吡啶基)苯并咪唑]-3-甲基噻吩的制备:分别取2,5-二溴-3-甲基噻吩(1.27g,5.0mmol)、2-(2′-吡啶)苯并咪唑(0.99g,5.0mmol)、碘化铜(0.08g,0.43mmol)、碳酸钾(1.38g,8.9mmol)、1,10-邻菲哕啉(0.16g,0.88mmol)用5mLDMF溶解,加入到带有磁力搅拌装置并用氮气保护装置的三口烧瓶中混合,油浴加热并回流24h,待混合液冷却至室温,得到的棕褐色溶液用氯仿溶液萃取,用无水硫酸镁干燥,并用柱色谱法(1:1四氢呋喃/正己烷)纯化,得到黄棕色固体2-溴-5-[(2′-吡啶基)苯并咪唑]-3-甲基噻吩0.74g(产率:40.2%,表征如图2所示)。
C.锌离子金属配合物的制备:将B得到的化合物0.74g(2mmol)溶解在甲醇中,加热回流,并当开始回流时将含二水乙酸锌0.22g(1mmol)的甲醇溶液滴入反应器中,回流12小时后反应停止,过滤并用甲醇和乙醇溶液洗涤,干燥得到含锌离子的金属配合物(L1)0.42g(产率:80%,红外表征如图5所示)。
D.1,4-二乙烯基-2,5-二辛氧基苯的制备:在氮气流中,将20ml37%的甲醛溶液和2,5-二辛氧基-1,4-二(三苯基膦溴甲基)苯(4.3064g,4.5mm0l)加入到60ml CH2Cl2中。然后在冰水浴条件下缓慢滴加40mL质量分数为20%的NaOH溶液,室温下反应24小时,用CHCl2萃取三次,再用水洗,经MgSO4干燥过夜,过滤,旋出溶剂CHCl2,得粗产物,用乙醇重结晶得纯净物,真空条件下干澡,得到1.4g白色的固体产物1,4-二乙烯基-2,5-二辛氧基苯(产率:69%,表征如图3所示)。
E.在25ml的烧瓶中,依次加入1,4-二乙烯基-2,5-二(辛氧基)苯(0.122g,0.315mmol),配合物L1(0.173g,0.315mmol),干燥精制的DMF(8ml),醋酸钯(0.0029g,0.013mm0l),三(2-甲苯基)膦(0.022g,0.072mmol),三乙胺(3mL)。抽真空通氮气保护,控制温度90℃反应24小时,冷却,过滤,用甲醇沉淀,过滤得粗产物,将粗产物用四氢呋喃溶解,再一次用甲醇沉淀,过滤,真空干燥,得到浅红色的固体一种含2-(2′-吡啶)苯并咪唑的D-π-A型结构聚合锌配合物(P1)0.184g(产率:53%,红外表征如图5所示)。
实施例2
一种含2-(2′-吡啶)苯并咪唑的D-π-A型结构聚合含钴离子配合物(P2)
一种以烷氧基苯作为给体(D),L为CH3COO-(Ac-),M为Co,聚合度n为10的化合物(P2),其分子结构式为:

上述聚合金属配合物P2的合成:
步骤A、B、D与实施例1中的A、B、D的合成方法一致。
C:含钴离子的金属配合物的合成:方法与实施例1中含锌离子的金属配合物的合成方法类似,只是将0.22g二水乙酸锌变为0.17g二水乙酸钴即可,得含钴离子的金属配合物(L2)0.41g(产率:82%,红外表征如图6所示)。
E:与实施例1中的步骤E类似,只有将中间的配合物L1(0.173g,0.315mmol)变为配合物L2(0.157g,0.315mm0l),得到固体一种含2-(2′-吡啶)苯并咪唑的D-π-A型结构聚合含钴离子配合物(P2)0.174g(产率:51%,红外表征如图6所示)。
实施例3
一种含2-(2′-吡啶)苯并咪唑的D-π-A型结构聚合含锌离子配合物(P3)
以咔唑衍生物作为给体(D),L为CH3COO-,M为Zn,聚合度n为8的化合物(P3),其分子结构式为:

上述聚合金属配合物P3的合成:
步骤A、B、C与实施例1中的A、B、C的合成方法一致。
D:3,6-二乙烯基-N-辛基咔唑的制备:取2.2g3,6-二乙酰基-N-辛基咔唑和5.2g溴代甲烷磷叶立德盐溶解在70mL无水四氢呋喃中,缓慢加入0.8g氢化钠,然后在氮气的保护下,混合物被加热至回流,并反应8个小时。反应结束后,混合物冷却到室温,先慢慢向混合物加入100mL甲醇,随后再加入100mL蒸馏水,并用二氯甲烷萃取,无水硫酸镁干燥过夜,然后将萃取液浓缩,用柱色谱提纯(环己烷:乙酸乙酯=1:10作淋洗液),得到黄色固体(产率:60%,表征如图4所示)。
E:与实施例1中的步骤E类似,只有将中间的1,4-二乙烯基-2,5-二(辛氧基)苯(0.122g,0.315mmol)变为3,6-二乙烯基-N-辛基咔唑(0.104g,0.315mmol),得到固体一种含2-(2′-吡啶)苯并咪唑的D-π-A型结构聚合含锌离子配合物(P3)0.195g(产率:62%,红外表征如图5所示)。
实施例4
一种含2-(2′-吡啶)苯并咪唑的D-π-A型结构聚合含钴离子配合物(P4)
以咔唑衍生物作为给体(D),L为CH3COO-(Ac-),M为Co,聚合度n为8的化合物(P3),其分子结构式为:

上述聚合金属配合物P4的合成:
步骤A、B与实施例1中的A、B的合成方法一致;步骤C与实施例2中的C一致;步骤D与实施例3中的D一致。
E:与实施例1中的步骤E类似,只有将中间的配合物L1(0.173g,0.315mm01) 变为配合物L2(0.157g,0.315mmol),1,4-二乙烯基-2,5-二(辛氧基)苯(0.122g,0.315mmol)变为3,6-二乙烯基-N-辛基咔唑(0.104g,0.315mmol),得到固体P40.168g(产率:48%,红外表征如图6所示)。
下面是实施例1~4合成的四种聚合金属配合物染料结构式,表一是他们的光伏性能结果,热性能测试以及光伏性能测试如图7~10所示

一类含22′吡啶苯并咪唑的DΠA型结构聚合金属配合物功能染料及其制备方法.pdf_第1页
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1、(10)申请公布号 CN 103540157 A (43)申请公布日 2014.01.29 CN 103540157 A (21)申请号 201310525241.3 (22)申请日 2013.10.31 C09B 57/10(2006.01) H01G 9/20(2006.01) (71)申请人 湘潭大学 地址 411105 湖南省湘潭市雨湖区羊牯塘 27 号 (72)发明人 钟超凡 章伟 唐桂鹏 周俊 彭大海 胡娇梅 谢秋芳 (54) 发明名称 一类含2-(2-吡啶)苯并咪唑的D-A型 结构聚合金属配合物功能染料及其制备方法 (57) 摘要 本发明公开了一类含 2-(2 - 吡啶 ) 苯并。

2、咪 唑的 D-A 型结构聚合金属配合物功能染料及 其制备方法。该染料分子结构是通过以咔唑衍生 物和烷氧基苯作为给体 (D), 噻吩乙烯基作为 桥, 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑的金属配合物作为 受体 (A) 形成一个大 的共轭系统, 进而提升染 料敏化太阳能电池的光电转化效率。本发明的优 势在于将无机、 有机和高分子合理融为了一体, 以 获得高光伏性能、 低成本、 高稳定性的新型染料。 选用普通过渡金属配合物替代希贵钌等金属配合 物, 降低染料成本 ; 所制备的染料通过测试表明, 体现出良好的光电转化性能和高的热稳定性, 在 能源开发利用方面具有很大的应用前景, 可用于 染料敏化太阳能电池。

3、。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书8页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103540157 A CN 103540157 A 1/2 页 2 1. 一类含 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑的 D-A 型结构聚合金属配合物功能染料, 其特 征在于, 该化合物具有 D-A 结构, 其通式如下 : 式中, L 为 : CH3COO-、 Cl-; M 为 : 副族的金属离子 Co(II)、 Cu(II)、 Zn(II)、 Cd(II) 或 Ni(II) ; n 是聚合度为 。

4、: 5 10 的整数 ; D 选自烷氧基苯或咔唑衍生物, 其结构式为 : 2. 根据权利要求 1 所述的一类含 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑的 D-A 型结构聚合金属 配合物功能染料的制备方法 : (1).2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑的制备 : 在容器中, 加入当量比为 1 : 1 的邻苯二胺和 2- 吡啶甲酸, 多聚磷酸作为溶剂, 搅拌, 在氮气保护下, 油浴加热到 160 180 ; 加热 4 6h, 将混合物倒入冰水中冷却, 用 NaOH 调节溶液 pH 6 8 ; 将沉淀过滤, 干燥, 粗产物在 甲醇溶液中重结晶, 得灰白色固体 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑 ; (2).2。

5、-溴-5-(2-吡啶基)苯并咪唑-3-甲基噻吩的制备 : 分别取2,5-二溴-3-甲 基噻吩、 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑、 碘化铜、 碳酸钾、 1, 10- 邻菲哕啉比例为 1 : 1 : 0.25 : 4 : 0.4 用 DMF 溶解, 加入到带有磁力搅拌容器中, 在氮气保护下, 油浴加热并回流 24 26h, 待混合液冷却至室温, 得到的棕褐色溶液, 用氯仿溶液萃取, 用无水硫酸镁干燥, 并用 1 : 1 四氢呋喃 / 正己烷的柱色谱法纯化, 得到黄棕色固体 2- 溴 -5-(2 - 吡啶基 ) 苯并咪 唑 -3- 甲基噻吩 ; (3).金属配合物的制备 : 将当量比为1当量2-溴。

6、-5-(2-吡啶基)苯并咪唑-3-甲 基噻吩溶解在甲醇中, 加热回流, 并当开始回流时, 将 0.5 当量副族的金属盐甲醇溶液滴入 反应器中, 回流 12 14 小时后反应停止, 过滤并用甲醇和乙醇溶液洗涤, 干燥得到金属配 合物 ; (4).1, 4- 二乙烯基 -2,5- 二辛氧基苯的制备 : 在氮气流中, 将 37的甲醛溶液和 2, 5- 二辛氧基 -1, 4- 二 ( 三苯基膦溴甲基 ) 加入到 60 100ml CH2Cl2中 ; 然后在冰水浴条 件下缓慢滴加质量分数为 20 40的 NaOH 溶液, 室温下反应 24 26h, 用 CHCl2萃取, 再用水洗, 经 MgSO4干燥过。

7、夜, 过滤, 旋出溶剂 CHCl2, 得粗产物, 用乙醇重结晶得纯净物, 真 空条件下干澡, 得到白色的固体产物 1, 4- 二乙烯基 -2,5- 二辛氧基苯。 (5).3, 6- 二乙烯基 -N- 辛基咔唑的制备 : 取 3, 6- 二乙酰基 -N- 辛基咔唑和溴代甲烷 磷叶立德盐比例为 1 : 2 溶解在无水四氢呋喃中, 缓慢加入氢化钠, 然后在氮气的保护下, 混 合物加热至回流, 并反应89个小时 ; 反应结束后, 混合物冷却到室温, 先慢慢向混合物加 权 利 要 求 书 CN 103540157 A 2 2/2 页 3 入甲醇, 随后再加入蒸馏水, 并用二氯甲烷萃取, 无水硫酸镁干燥过。

8、夜, 然后将萃取液浓缩, 用柱色谱提纯, 以环己烷 : 乙酸乙酯 1 : 10 作淋洗液, 得到黄色固体 3, 6- 二乙烯基 -N- 辛 基咔唑 ; (6). 将 1, 4- 二乙烯基 -2,5- 二辛氧基苯和 3, 6- 二乙烯基 -N- 辛基咔唑, 分别与金属 配合物以 1 : 1 的比例加入到反应瓶中, 然后依次加入精制三乙胺、 三 (2- 甲苯基 ) 膦和醋 酸钯, 在通氮气条件下, 反应体系保持 90, 反应 24 26 小时, 反应终止后冷却至室温, 过 滤, 用甲醇沉淀, 然后将得到的粗产物溶解在四氢呋喃中, 再一次以甲醇为沉淀, 过滤, 真空 条件下干燥得到四种聚合金属配合物。

9、。 3. 根据权利要求 1 所述的一类含 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑的 D-A 型结构聚合金属 配合物功能染料的用途, 在染料敏化太阳能电池中用作染料敏化剂。 权 利 要 求 书 CN 103540157 A 3 1/8 页 4 一类含 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑的 D-A 型结构聚合金 属配合物功能染料及其制备方法 技术领域 0001 本发明涉及一种具有 D-A 型结构聚合金属配合物功能染料及其制备方法, 属 于光电材料和新材料领域。 背景技术 0002 染料敏化太阳能电池是和 O Regan 在 1991 年研究发明的。其光伏原理 如下 : 通过吸附在电池 FTO 玻璃极板上薄。

10、膜 TiO2颗粒表面的染料敏化剂吸收太阳光, 染料 敏化剂分子激发, 激发态电子通过敏化的 TiO2薄膜转移到 FTO 玻璃电极后, 电子通过外电 路传输到电池的对(正)电极(Pt orAl), 然后再通过电池内的氧化还原电解质转移到染料 敏化剂分子的激发态, 使其回到基态, 实现一个光电转化过程。 0003 染料敏化太阳能电池主要是模仿光合作用原理, 研制出来的一种新型太阳电池, 其主要优势是 : 原材料丰富、 成本低廉、 工艺技术简单, 在大面积工业化生产中具有较大的 优势, 而且几乎所有原材料和生产工艺都是无毒无污染的, 部分材料还可以回收, 对新能源 的发展及人类环境的保护具有重要意义。

11、。 0004 近些年, 纯有机染料的研究得到了迅速发展, 电池转化效率也得到了提高。 开发成 本低、 能级匹配、 性能稳定、 光谱吸收与太阳光匹配的染料敏化剂是当前的发展趋势 ; 但光 电转化效率、 大面积化、 电池的长期稳定性是染料敏化太阳能电池面临的主要技术问题。 0005 2-(2-吡啶)苯并咪唑具有大的刚性结构, 能与很多金属进行配位, 而咔唑衍生 物和烷氧基苯是非常好的给体材料, 它们形成的聚合金属配合物具有更大的 共轭结构, 不仅利于聚合金属配合物的空穴传输和电子传输, 而且具有高的稳定性, 有助于提高染料 光电转化效率和使用寿命。 发明内容 0006 本发明目的在于提供一类含 2。

12、-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑的 D-A 型结构聚合金属 配合物功能染料及其制备方法, 通过Heck聚合在2-(2-吡啶)苯并咪唑衍生物的配体中 引入咔唑衍生物或烷氧基苯的给体, 形成 D-A 结构的聚合金属配合物功能染料, 应用与 染料敏化太阳能电池。 0007 本发明的技术方案是 : 一类含 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑的 D-A 型结构聚合金 属配合物功能染料, 该化合物具有 D-A 结构, 其通式如下 : 0008 说 明 书 CN 103540157 A 4 2/8 页 5 0009 式中, L 为 : CH3COO-、 Cl-; M 为 : 副族的金属离子 Co(II)、 Cu。

13、(II)、 Zn(II)、 Cd(II) 或 Ni(II) ; n 是聚合度为 : 5 10 的整数 ; D 选自烷氧基苯或咔唑衍生物, 其结构式为 : 0010 0011 一类含 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑的 D-A 型结构聚合金属配合物功能染料的制 备方法 : 0012 (1).2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑的制备 : 在容器中, 加入当量比为 1 : 1 的邻苯二胺 和 2- 吡啶甲酸, 多聚磷酸作为溶剂, 搅拌, 在氮气保护下, 油浴加热到 160-180; 加热 4 6h, 将混合物倒入冰水中冷却, 用 NaOH 调节溶液 pH 6 8 ; 将沉淀过滤, 干燥, 粗产物在 甲。

14、醇溶液中重结晶, 得灰白色固体 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑 ; 0013 (2).2- 溴 -5-(2 - 吡啶基 ) 苯并咪唑 -3- 甲基噻吩的制备 : 分别取 2,5- 二 溴 -3- 甲基噻吩、 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑、 碘化铜、 碳酸钾、 1, 10- 邻菲哕啉比例为 1 : 1 : 0.25 4 : 0.4 用 DMF 溶解, 加入到带有磁力搅拌容器中, 在氮气保护下, 油浴加热并回流 24 26h, 待混合液冷却至室温, 得到的棕褐色溶液, 用氯仿溶液萃取, 用无水硫酸镁干燥, 并用1 : 1四氢呋喃/正己烷的柱色谱法纯化, 得到黄棕色固体2-溴-5-(2-吡啶基。

15、)苯 并咪唑 -3- 甲基噻吩 ; 0014 (3). 金属配合物的制备 : 将当量比为 1 当量 2- 溴 -5-(2 - 吡啶基 ) 苯并咪 唑-3-甲基噻吩溶解在甲醇中, 加热回流, 并当开始回流时, 将0.5当量副族的金属盐甲醇 溶液滴入反应器中, 回流 12 14 小时后反应停止, 过滤并用甲醇和乙醇溶液洗涤, 干燥得 到金属配合物 ; 0015 (4).1, 4- 二乙烯基 -2,5- 二辛氧基苯的制备 : 在氮气流中, 将 37的甲醛溶液和 2, 5-二辛氧基-1, 4-二(三苯基膦溴甲基)加入到60100ml CH2Cl2中 ; 然后在冰水浴条 件下缓慢滴加质量分数为 20 4。

16、0的 NaOH 溶液, 室温下反应 24 26h, 用 CHCl2萃取, 再用水洗, 经 MgSO4干燥过夜, 过滤, 旋出溶剂 CHCl2, 得粗产物, 用乙醇重结晶得纯净物, 真 空条件下干澡, 得到白色的固体产物 1, 4- 二乙烯基 -2,5- 二辛氧基苯。 0016 (5).3, 6- 二乙烯基 -N- 辛基咔唑的制备 : 取 3, 6- 二乙酰基 -N- 辛基咔唑和溴代 甲烷磷叶立德盐比例为 1 : 2 溶解在无水四氢呋喃中, 缓慢加入氢化钠, 然后在氮气的保护 下, 混合物加热至回流, 并反应 8 9 个小时 ; 反应结束后, 混合物冷却到室温, 先慢慢向混 合物加入甲醇, 随后。

17、再加入蒸馏水, 并用二氯甲烷萃取, 无水硫酸镁干燥过夜, 然后将萃取 液浓缩, 用柱色谱提纯, 以环己烷 : 乙酸乙酯 1 : 10 作淋洗液, 得到黄色固体 3, 6- 二乙烯 说 明 书 CN 103540157 A 5 3/8 页 6 基 -N- 辛基咔唑 ; 0017 (6). 将 1, 4- 二乙烯基 -2,5- 二辛氧基苯和 3, 6- 二乙烯基 -N- 辛基咔唑, 分别与 金属配合物以1 : 1的比例加入到反应瓶中, 然后依次加入精制三乙胺、 三(2-甲苯基)膦和 醋酸钯, 在通氮气条件下, 反应体系保持 90, 反应 24 26 小时, 反应终止后冷却至室温, 过滤, 用甲醇沉。

18、淀, 然后将得到的粗产物溶解在四氢呋喃中, 再一次以甲醇为沉淀, 过滤, 真 空条件下干燥得到四种聚合金属配合物。 0018 一类含 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑的 D-A 型结构聚合金属配合物功能染料的用 途, 在染料敏化太阳能电池中用作染料敏化剂。 0019 发明的主要优势在于 : 一种含 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑的 D-A 型结构聚合金 属配合物, 将有机金属配合物聚合化, 以扩大配合物分子的大 体系, 提高其吸光性能和 载流子传输能力 ; 研究用锌等普通副族金属替换贵金属钌合成聚合金属配合物染料, 将大 大降低敏化太阳能电池成本和原资源限制。 附图说明 0020 图 1 本。

19、发明实施例合成 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑的核磁氢谱 (400MHz, CDCl3, TMS) ; 0021 图2本发明实施例所合成2-(2-吡啶)苯并咪唑上接噻吩的核磁氢谱(400MHz, CDCl3, TMS) ; 0022 图 3 本发明实施例所合成化含锌离子的金属配合物的核磁氢谱 (400MHz, CDCl3, TMS) ; 0023 图 4 本发明实施例所合成 1, 4- 二乙烯基 -2,5- 二辛氧基苯的核磁氢谱 (400MHz, CDCl3, TMS) ; 0024 图 5 本发明实施例获得的化合物 L1、 P1、 P3 的红外光谱 (KBr 晶体压片, 4000 450c。

20、m-1) ; 0025 图 6 本发明实施例获得的化合物 L2、 P2、 P4 的红外光谱 (KBr 晶体压片, 4000 450cm-1) ; 0026 图 7 本发明实施所合成的化合物 P1 P4 的 TGA 曲线 ; 0027 图 8 本发明实施所合成的化合物 P1 P4 的归一化的紫外 - 可见光吸收光谱 ; 0028 图 9 本发明实施所合成的化合物 P1 P4 的电池 J-V 曲线 ; 0029 图 10 本发明实施所合成的化合物 P1 P4 的电池 IPCE 曲线。 具体实施方式 0030 本发明的化合物的反应机理为 : 0031 说 明 书 CN 103540157 A 6 4。

21、/8 页 7 0032 下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。 0033 实施例 1 : 0034 一类含 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑的 D-A 型结构聚合含锌离子配合物 (P1) 0035 一种以烷氧基苯作为给体 (D), L 为 CH3COO-, M 为 Zn, 聚合度 n 为 7 的化合物 (P1), 其分子结构式为 : 0036 0037 上述聚合金属配合物 P1 的制备方法 : 说 明 书 CN 103540157 A 7 5/8 页 8 0038 A.2-(2-吡啶)苯并咪唑的制备 : 在一带有搅拌装置充满氮气的三口烧瓶中, 加 入邻苯二胺 5.48g(0.05mol) 。

22、和 2- 吡啶甲酸 8.9g(0.07mol), 多聚磷酸 38.3g, 油浴加热到 180。加热 4h 后, 将混合物倒入 100mL 冰水中冷却, 用 NaOH 调节溶液 pH 8。将沉淀过 滤, 干燥, 粗产物在甲醇溶液中重结晶, 得灰白色固体 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑 6.68g( 产 率 : 67.6, 表征如图 1 所示 )。 0039 B.2- 溴 -5-(2 - 吡啶基 ) 苯并咪唑 -3- 甲基噻吩的制备 : 分别取 2,5- 二 溴 -3- 甲基噻吩 (1.27g, 5.0mmol)、 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑 (0.99g, 5.0mmol)、 碘化铜 (。

23、0.08g, 0.43mmol)、 碳酸钾(1.38g, 8.9mmol)、 1, 10-邻菲哕啉(0.16g, 0.88mmol)用5mLDMF 溶解, 加入到带有磁力搅拌装置并用氮气保护装置的三口烧瓶中混合, 油浴加热并回流 24h, 待混合液冷却至室温, 得到的棕褐色溶液用氯仿溶液萃取, 用无水硫酸镁干燥, 并用柱 色谱法 (1 : 1 四氢呋喃 / 正己烷 ) 纯化, 得到黄棕色固体 2- 溴 -5-(2 - 吡啶基 ) 苯并咪 唑 -3- 甲基噻吩 0.74g( 产率 : 40.2, 表征如图 2 所示 )。 0040 C. 锌离子金属配合物的制备 : 将 B 得到的化合物 0.74。

24、g(2mmol) 溶解在甲醇中, 加热回流, 并当开始回流时将含二水乙酸锌 0.22g(1mmol) 的甲醇溶液滴入反应器中, 回 流 12 小时后反应停止, 过滤并用甲醇和乙醇溶液洗涤, 干燥得到含锌离子的金属配合物 (L1)0.42g( 产率 : 80, 红外表征如图 5 所示 )。 0041 D.1, 4- 二乙烯基 -2,5- 二辛氧基苯的制备 : 在氮气流中, 将 20ml37的甲醛溶液 和 2, 5- 二辛氧基 -1, 4- 二 ( 三苯基膦溴甲基 ) 苯 (4.3064g, 4.5mm0l) 加入到 60ml CH2Cl2 中。然后在冰水浴条件下缓慢滴加 40mL 质量分数为 2。

25、0的 NaOH 溶液, 室温下反应 24 小 时, 用 CHCl2萃取三次, 再用水洗, 经 MgSO4干燥过夜, 过滤, 旋出溶剂 CHCl2, 得粗产物, 用乙 醇重结晶得纯净物, 真空条件下干澡, 得到 1.4g 白色的固体产物 1, 4- 二乙烯基 -2,5- 二辛 氧基苯 ( 产率 : 69, 表征如图 3 所示 )。 0042 E. 在 25ml 的烧瓶中, 依次加入 1, 4- 二乙烯基 -2,5- 二 ( 辛氧基 ) 苯 (0.122g, 0.315mmol), 配合物 L1(0.173g, 0.315mmol), 干燥精制的 DMF(8ml), 醋酸钯 (0.0029g, 0。

26、.013mm0l), 三 (2- 甲苯基 ) 膦 (0.022g, 0.072mmol), 三乙胺 (3mL)。抽真空通氮气保护, 控制温度 90反应 24 小时, 冷却, 过滤, 用甲醇沉淀, 过滤得粗产物, 将粗产物用四氢呋喃 溶解, 再一次用甲醇沉淀, 过滤, 真空干燥, 得到浅红色的固体一种含2-(2-吡啶)苯并咪 唑的 D-A 型结构聚合锌配合物 (P1)0.184g( 产率 : 53, 红外表征如图 5 所示 )。 0043 实施例 2 0044 一种含 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑的 D-A 型结构聚合含钴离子配合物 (P2) 0045 一种以烷氧基苯作为给体 (D), L 。

27、为 CH3COO-(Ac-), M 为 Co, 聚合度 n 为 10 的化合 物 (P2), 其分子结构式为 : 0046 说 明 书 CN 103540157 A 8 6/8 页 9 0047 上述聚合金属配合物 P2 的合成 : 0048 步骤 A、 B、 D 与实施例 1 中的 A、 B、 D 的合成方法一致。 0049 C : 含钴离子的金属配合物的合成 : 方法与实施例 1 中含锌离子的金属配合物的合 成方法类似, 只是将0.22g二水乙酸锌变为0.17g二水乙酸钴即可, 得含钴离子的金属配合 物 (L2)0.41g( 产率 : 82, 红外表征如图 6 所示 )。 0050 E :。

28、 与实施例1中的步骤E类似, 只有将中间的配合物L1(0.173g, 0.315mmol)变为 配合物 L2(0.157g, 0.315mm0l), 得到固体一种含 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑的 D-A 型结 构聚合含钴离子配合物 (P2)0.174g( 产率 : 51, 红外表征如图 6 所示 )。 0051 实施例 3 0052 一种含 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑的 D-A 型结构聚合含锌离子配合物 (P3) 0053 以咔唑衍生物作为给体 (D), L 为 CH3COO-, M 为 Zn, 聚合度 n 为 8 的化合物 (P3), 其分子结构式为 : 0054 0055 上述。

29、聚合金属配合物 P3 的合成 : 0056 步骤 A、 B、 C 与实施例 1 中的 A、 B、 C 的合成方法一致。 0057 D : 3,6- 二乙烯基 -N- 辛基咔唑的制备 : 取 2.2g3,6- 二乙酰基 -N- 辛基咔唑和 5.2g溴代甲烷磷叶立德盐溶解在70mL无水四氢呋喃中, 缓慢加入0.8g氢化钠, 然后在氮气 的保护下, 混合物被加热至回流, 并反应 8 个小时。反应结束后, 混合物冷却到室温, 先慢慢 向混合物加入 100mL 甲醇, 随后再加入 100mL 蒸馏水, 并用二氯甲烷萃取, 无水硫酸镁干燥 过夜, 然后将萃取液浓缩, 用柱色谱提纯 ( 环己烷 : 乙酸乙酯。

30、 1 : 10 作淋洗液 ), 得到黄色 固体 ( 产率 : 60, 表征如图 4 所示 )。 0058 E : 与实施例 1 中的步骤 E 类似, 只有将中间的 1, 4- 二乙烯基 -2,5- 二 ( 辛氧基 ) 苯 (0.122g, 0.315mmol) 变为 3,6- 二乙烯基 -N- 辛基咔唑 (0.104g, 0.315mmol), 得到固体 一种含2-(2-吡啶)苯并咪唑的D-A型结构聚合含锌离子配合物(P3)0.195g(产率 : 62, 红外表征如图 5 所示 )。 0059 实施例 4 0060 一种含 2-(2 - 吡啶 ) 苯并咪唑的 D-A 型结构聚合含钴离子配合物 。

31、(P4) 0061 以咔唑衍生物作为给体 (D), L 为 CH3COO-(Ac-), M 为 Co, 聚合度 n 为 8 的化合物 (P3), 其分子结构式为 : 0062 说 明 书 CN 103540157 A 9 7/8 页 10 0063 上述聚合金属配合物 P4 的合成 : 0064 步骤 A、 B 与实施例 1 中的 A、 B 的合成方法一致 ; 步骤 C 与实施例 2 中的 C 一致 ; 步骤 D 与实施例 3 中的 D 一致。 0065 E : 与实施例1中的步骤E类似, 只有将中间的配合物L1(0.173g, 0.315mm01)变为 配合物L2(0.157g, 0.315。

32、mmol), 1, 4-二乙烯基-2,5-二(辛氧基)苯(0.122g, 0.315mmol) 变为 3,6- 二乙烯基 -N- 辛基咔唑 (0.104g, 0.315mmol), 得到固体 P40.168g( 产率 : 48, 红外表征如图 6 所示 )。 0066 下面是实施例 1 4 合成的四种聚合金属配合物染料结构式, 表一是他们的光伏 性能结果, 热性能测试以及光伏性能测试如图 7 10 所示 0067 0068 说 明 书 CN 103540157 A 10 8/8 页 11 说 明 书 CN 103540157 A 11 1/5 页 12 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103540157 A 12 2/5 页 13 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103540157 A 13 3/5 页 14 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103540157 A 14 4/5 页 15 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 103540157 A 15 5/5 页 16 图 9 图 10 说 明 书 附 图 CN 103540157 A 16 。

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