技术领域
本发明属于有机发光材料技术领域,具体涉及一种螺苯并芴类衍生物及其制备方法,并涉及这些材料在有机电致发光领域的应用。
背景技术
自1987年美国柯达公司和1990年英国剑桥大学分别报道有机电子发光器件(OLED)和聚合物发光二极管(PLED)以来,有机平板显示成为继液晶显示之后的又一代显示产品。有机电致发光器件具有诸多优点,包括自发光、反应时间快、视角广、成本低、低压直流驱动等特点。因此,开发高效的有机发光材料引起了科学家们的极大研究兴趣。
目前,实现全色实现的绿光材料、红光材料已经达到商业化的要求。而蓝光材料是一个未能攻克的堡垒,发射波长较短,高的能量需要更高的驱动电压,导致材料容易老化,严重影响器件的性能。因此,对蓝光材料的开发仍然是国际研究的热点。
人们在研究过程中发现,在众多蓝光材料中,芴类材料是具有高效荧光的蓝光材料。然而研究表明,芴的9位容易被氧化形成芴酮结构,芴酮成为能量陷阱以及它的吸电子作用导致光谱红移,芴酮缺陷的形成,导致芴类材料的绿光发射带强度增加。因此,通常在芴的9位引入其他基团来抑制芴酮结构的形成,以提高其稳定性。
9,9’-螺二芴能够有效地抑制芴酮结构的形成,早在1997年Salbeck等将螺二芴用在有机电致发光材料方面,从而引发了螺芴在有机光电功能材料领域研究的广泛开展。然而,螺二芴的热稳定性和发光性能依然不甚理想。
因此,本领域尚缺乏稳定性高、效率高的蓝光材料和蓝光有机电致发光器件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稳定性高、效率高的蓝光材料和蓝光有机电致发光器件。
本发明的第一方面,提供了一种具有式I结构的化合物:
其中,M选自下组:取代或未取代的C6-C30的芳基,取代或未取代的C1-C30的杂芳基。
在另一优选例中,所述的M选自下组:取代或未取代的C12-C30的芳基,取代或未取代的C6-C30的杂芳基。
在另一优选例中,所述的M为-T1-T2结构,其中,所述的T1为苯基或稠环芳基,且所述的T2为取代或未取代的芳基、杂芳基或无。
在另一优选例中,所述的M为具有2-6个芳环的芳基或杂芳基,较佳地为具有3-6个芳环的芳基或杂芳基。
在另一优选例中,所述的M选自下组:蒽基、菲基、芘基、苯并咪唑基。
本发明的第二方面,提供了一种如本发明第一方面所述的化合物的制法,包括步骤:
在惰性溶剂中,用如式II所示的化合物与烷基化试剂反应,从而得到式I化合物;
其中,所述的烷基化试剂选自下组:M-B(OH)2、M-B(OCCH3CH3)2。
上述各式中,X选自下组:F、Cl、Br、I;
M选自下组:取代或未取代的C6-C30的芳基,取代或未取代的C1-C30的杂芳基。
较佳地,所述的X选自下组:Cl、Br。
在另一优选例中,所述的反应在催化剂和/或碱存在下进行。
在另一优选例中,所述的催化剂是钯催化剂,较佳地选自下组:四(三苯基膦)钯、二(三苯基膦)二氯化钯,或其组合。
在另一优选例中,所述碱包括:碳酸钠、碳酸钾、碳酸铯,醋酸钾,磷酸钾,氢氧化钠、氢氧化钾、氟化钾,或其组合。
在另一优选例中,所述式II化合物与式III化合物的摩尔比为1:2~1:3。
在另一优选例中,所述的惰性溶剂选自下组:水、乙醇、乙二醇二甲醚、甲苯,四氢呋喃,1,4-二氧六环,或其组合。
在另一优选例中,所述的式II化合物通过以下方法制备:
在惰性溶剂中,用螺[苯并芴-7,9′-芴]与X2反应,得到式II化合物。
其中,X选自下组:F、Cl、Br、I;较佳地为Cl和/或Br。
在另一优选例中,所述的惰性溶剂选自下组:二氯甲烷、氯仿、四氯化碳,或其组合。
本发明的第三方面,提供了一种如本发明第一方面所述的化合物用于制备发光材料,或用于制备电致发光器件的用途。
本发明的第四方面,提供了一种发光材料,所述的发光材料包括如本发明第一方面所述的式I化合物,或所述的发光材料用如本发明第一方面所述的式I化合物制成。
在另一优选例中,所述的材料是发光材料。
在另一优选例中,所述的发光材料是蓝光发光材料。
在另一优选例中,所述的发光材料是电致发光材料。
本发明的第五方面,提供了一种器件,所述的器件具有如本发明第四方面所述的材料,或所述的器件是用如本发明第四方面所述的材料制成的。
在另一优选例中,所述的器件是电致发光器件。
在另一优选例中,所述的电致发光器件具有:
(1)衬底;
(2)位于衬底上的透明导电膜;
(5)发光层;和
(8)位于发光层上的阴极。
在另一优选例中,所述的器件还包括:
(3)位于透明导电膜上的空穴注入层;
(4)位于空穴注入层上的空穴传输层;
(6)位于发光层上的电子传输层;
(7)位于电子传输层上的电子注入层;
且
所述的发光层位于所述的空穴传输层和所述的电子传输层之间;
所述的阴极位于所述的电子注入层上。
在另一优选例中,所述的电致发光器件是蓝光电致发光器件。
应理解,在本发明范围内中,本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合,从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅,在此不再一一累述。
附图说明
图1是实施例2得到的化合物PI-SBFF-PI在氮气气氛下的DSC曲线(加热速率20℃ min-1)和TGA曲线(加热速率20℃ min-1),其中横坐标为温度。
图2是实施例2得到的化合物PI-SBFF-PI在三氯甲烷中的吸收曲线和在二氯甲烷中的PL曲线,其中横坐标为波长,纵坐标为强度;
图3是实施例2得到的化合物PI-SBFF-PI在二氯甲烷中的循环伏安曲线,其中横坐标为电压,纵坐标为电流。
图4是实施例4的有机荧光电致发光器件结构示意图,其中,各图例的意义如下:
1为衬底,2为透明导电膜,3为空穴注入层,4为空穴传输层,5为电子阻挡层,6为发光层,7为电子传输层,8为电子注入层,9为阴极。
具体实施方式
本发明人经过长期而深入的研究,意外地发现,具有5,9-二取代结构的苯并螺二芴可以作为高性能、高效率的蓝光材料用于构建有机电致发光器件,而且,上述的化合物还具有非常好的稳定性。基于上述发现,发明人完成了本发明。
术语
如本文所用,术语“螺苯并芴类衍生物”或“本发明化合物”可互换使用,指以螺[苯并芴-7,9′-芴]为核的双取代衍生物。
术语“有机电致发光材料”指在电场作用下能发出光的高分子或小分子有机材料。特别地,在本发明中,所述的有机电致发光材料是小分子有机材料。
术语“C6~C30芳基”指具有6~30个碳原子的芳基,包括单环、二环、多环芳基,例如苯基、萘基,或类似基团。
术语“C1~C30杂芳基”指具有1~30个碳原子的杂芳基,包括单环、二环、多环芳基,例如吡啶基、喹啉基,或类似基团。
术语“取代”指基团上的一个或多个氢原子被选自下组的取代基取代:C1~C4烷基、C3~C6环烷基、卤素、苯基;其中,所述的苯基包括未取代的苯基或具有1-3个取代基的取代苯基,所述取代基选自:卤素、C1-C4烷基。
术语“卤素”指F、Cl、Br和I。
式I化合物
本发明提供了一种具有式I结构的化合物:
其中,M选自下组:取代或未取代的C6-C30的芳基,取代或未取代的C1-C30的杂芳基。
在另一优选例中,所述的M选自下组:取代或未取代的C12-C30的芳基,取代或未取代的C6-C30的杂芳基。
在另一优选例中,所述的M选自下组:蒽基、菲基、芘基、苯并咪唑基。
所述的化合物可以用于制备发光材料,或用于制备电致发光器件。
在本发明的另一优选例中,所述的化合物可以通过如下方法制备:
在惰性溶剂中,用如式II所示的化合物与式III化合物反应,从而得到式I化合物。
其中,所述的式III化合物选自下组:M-B(OH)2、M-B(OCCH3CH3)2。
上述各式中,X选自下组:F、Cl、Br、I;
M选自下组:取代或未取代的C6-C30的芳基,取代或未取代的C1-C30的杂芳基。
较佳地,所述的X选自下组:Cl、Br。
在另一优选例中,所述的反应在催化剂和/或碱存在下进行。
在另一优选例中,所述的催化剂是钯催化剂,较佳地选自下组:四(三苯基膦)钯、二(三苯基膦)二氯化钯,或其组合。
在另一优选例中,所述碱包括:碳酸钠、碳酸钾、碳酸铯,醋酸钾,磷酸钾,氢氧化钠、氢氧化钾、氟化钾,或其组合。
在另一优选例中,所述式II化合物与式III化合物的摩尔比为1:2~1:3。
在另一优选例中,所述的惰性溶剂选自下组:水、乙醇、乙二醇二甲醚、甲苯,四氢呋喃,1,4-二氧六环,或其组合。
在另一优选例中,所述的式II化合物通过以下方法制备:
在惰性溶剂中,用螺[苯并芴-7,9′-芴]与X2反应,得到式II化合物。
其中,X选自下组:F、Cl、Br、I;较佳地为Cl和/或Br。
在另一优选例中,所述的惰性溶剂选自下组:二氯甲烷、氯仿、四氯化碳,或其组合。
电致发光器件
本发明的螺苯并芴类衍生物可以作为有机荧光电致发光器件中发光层使用,以制备电致发光器件。
一种优选的本发明的电致发光器件,包括:
(1)衬底;
(2)位于衬底上的透明导电膜;
(3)位于透明导电膜上的空穴注入层;
(4)位于空穴注入层上的空穴传输层;
(5)位于空穴传输层上的电子阻挡层;
(6)位于电子阻挡层上的发光层;
(7)位于发光层上的电子传输层;
(8)位于电子传输层上的电子注入层;
(9)位于电子注入层上的阴极;
且所述的发光层中含有本发明化合物,或所述的发光层是用如本发明第一方面所述的化合物制备的。
所述的透明导电膜、空穴注入层、空穴传输层等其他层的材料不限,可由本领域技术人员根据实际需要选取,优选地,所述的器件中:
所述的空穴注入层可包括MoO3;和/或
所述的空穴传输层可包括4,4’-二(9-咔唑)联苯;和/或
所述的电子阻挡层可包括4,4′,4″-三(咔唑-9-基)三苯胺;和/或
所述的电子传输层可包括1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯;和/或
所述的电子注入层可包括选自下组的材料:LiF、MoO3、WO3,或其组合。
所述的各层厚度没有特别限制,可以根据实际情况加以调整。在本发明的一个优选例中,所述的器件中各个层的厚度如下:
所述的空穴注入层(3)的厚度为10-20nm;和/或
所述的空穴传输层(4)的厚度为15-80nm;和/或
所述的电子阻挡层(5)的厚度为0-10nm;和/或
所述的发光层(6)厚度为10-30nm;和/或
所述的电子传输层(7)厚度为25-40nm;和/或
所述的电子注入层(8)的厚度为0.5-2nm。
所述的电致发光器件的一种优选结构为层状结构,如图3所示,由衬底到阴极依次为衬底(1)、透明导电膜(2)、空穴注入层(3)、空穴传输层(4)、电子阻挡层(5)、发光层(6)、电子传输层(7)、电子注入层(8)、阴极(9),其中,发光层(6)采用非掺杂螺苯并芴类衍生物。
上述有机荧光电致发光器件中:
空穴注入层(3)材料优选为4,4’,4’-三(咔唑-9-基)三苯胺,其厚度优选为10-20nm;
空穴传输层(4)材料优选为4,4’-二(9-咔唑)联苯,其厚度优选为15-80nm;
电子阻挡层(5)材料优选为4,4′,4″-三(咔唑-9-基)三苯胺,其厚度优选为0-10nm;
发光层(6)厚度优选为10-30nm;
电子传输层(7)材料优选为1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯,其厚度优选为25-40nm;
电子注入层(8)材料优选为LiF、MoO3、WO3等,其厚度优选为0.5-2nm;阴极(9)材料优选为铝,银,钙,镁等,其厚度优选为100-200nm。
本发明的主要优点包括:
提供了一种螺苯并芴材料,螺苯并芴呈不对称的结构,热稳定性好,且具有较螺二芴更多的活性点,容易实现对其结构的调节,从而优化材料的能级和电致发光性能。
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条件,或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明,否则百分比和份数按重量计算。
实施例1:5,9-二(蒽-9-基)螺[苯并芴7,9’-芴]的制备
本实施例中,5,9-二(蒽-9-基)螺[苯并芴7,9’-芴]化合物的结构式为:
上述5,9-二(蒽-9-基)螺[苯并芴7,9’-芴]化合物的制备方法包括如下步骤:
步骤1:合成中间体1:1-(2-溴苯基)萘
氮气保护下,在500ml三口瓶依次加入1-萘硼酸(5.33g,30mmol),四(三苯基膦)钯(0.7g,0.60mmol),邻溴碘苯(8.64g,30mmol),甲苯(300ml),2M的碳酸钠水溶液(90ml),无水乙醇(90ml),回流反应24hr,用二氯甲烷萃取,无水硫酸镁干燥,去除溶剂,过柱分离得到白色固体产物1-(2-溴苯基)萘。产率:87%。
步骤2:合成中间体2:螺[苯并芴7,9’-芴]
氮气保护下,在500ml双口瓶中加入步骤1合成的中间体1-(2-溴苯)-萘(7.08g,25mmol),无水四氢呋喃(50ml),置于-78℃冷却10min,滴加n-BuLi(21ml,50mmol),搅拌3h,加入溶于30ml THF的9-芴酮(9.0g,50mmol),置于室温反应16h,用饱和碳酸氢钠水溶液(75ml)淬灭反应,用二氯甲烷萃取,无水硫酸镁干燥,去除溶剂,置于500ml单口瓶中,加入乙酸溶解,加入催化剂量的盐酸溶液(1.5ml,12N),回流反应12h,用二氯甲烷萃取,无水硫酸镁干燥,去除溶剂,过柱分离得到白色固体产物螺[苯并芴7,9’-芴]。产率:70%。
步骤3:合成中间体3:5,9-二溴螺[苯并芴7,9’-芴]
在250ml三口瓶中加入步骤2合成的中间体螺[苯并芴7,9’-芴](3.29g,9mmol),氯仿溶解,溶于25ml氯仿的溴素(4.32g,27.0mmol,1.36ml)滴加到三口瓶中,室温搅拌18h,氢氧化钠水溶液除去未反应的溴素,用二氯甲烷萃取,无水硫酸镁干燥,去除溶剂,过柱分离得到黄色固体产物5,9-二溴螺[苯并芴7,9’-芴]。产率:93%。
对上述中间体3进行分析:元素分析:C,66.45;H,3.09,计算值:C,66.44;H,3.08;Br,30.48。核磁共振氢谱(400MHz,d6-Acetone):δ9.01(d,1H,J=8.32Hz),8.59(d,1H,J=8.32Hz),8.35(d,1H,J=8.32Hz),8.08(d,2H,J=7.39Hz),7.91(t,1H,J=7.39Hz),7.81(t,1H,J=7.86Hz),7.72(d,1H,J=8.32Hz),7.49(t,2H,J=7.39Hz),7.20(t,2H,J=7.86Hz),7.10(s,1H),6.91(s,1H),6.78(d,2H,J=7.39Hz).
步骤4:合成5,9-二(蒽-9-基)螺[苯并芴7,9’-芴]AN-SBFF-AN
氮气保护下,在250ml三口瓶中依次加入步骤3合成的中间体5,9-二溴螺[苯并芴7,9’-芴](1.0g,2.0mmol),9-蒽硼酸(1.0g,4.6mmol)、四(三苯基膦)钯(0.30g),甲苯(150ml),2M的碳酸钾水溶液(30ml),无水乙醇(30ml),回流反应3d,用二氯甲烷萃取,无水硫酸镁干燥,去除溶剂,过柱分离得到固体产物AN-SBFF-AN。
对上述AN-SBFF-AN进行分析:元素分析:C,95.22;H,4.78,计算值:C,95.23;H,4.77。核磁共振氢谱(400MHz,CDCl3):δ9.14(d,1H,J=8.56),8.77(d,1H,J=8.03),8.52(s,1H),8.44(s,1H),8.04~8.00(m,4H),7.78~7.75(m,1H),7.70(d,2H,J=9.10),7.65(d,3H,J=6.96),7.45~7.30(m,9H),7.26~7.15(m,7H),7.08(d,2H,J=7.49),6.98(s,2H).
实施例2:5,9-二(菲-9-基)螺[苯并芴7,9’-芴]的制备
本实施例中,5,9-二(菲-9-基)螺[苯并芴7,9’-芴]化合物的结构式为:
上述5,9-二(菲-9-基)螺[苯并芴7,9’-芴]化合物的制备方法包括如下步骤:
步骤1:合成5,9-二(菲-9-基)螺[苯并芴7,9’-芴]PI-SBFF-PI
氮气保护下,在500ml三口瓶中依次加入实施例1步骤3合成中间体5,9-二溴螺[苯并芴7,9’-芴](0.68g,1.3mmol),9-菲硼酸(0.86g,3.9mmol)、二(三苯基膦)二氯化钯(0.16g),甲苯(100ml),2M的碳酸钾水溶液(30ml),无水乙醇(30ml),回流反应3d,用二氯甲烷萃取,无水硫酸镁干燥,去除溶剂,过柱分离得到白色固体产物PI-SBFF-PI。产率:70%。
对上述PI-SBFF-PI进行分析:元素分析:C,95.22;H,4.78,计算值:C,95.23;H,4.77。核磁共振氢谱(400MHz,CDCl3):δ9.06(d,1H,J=8.62),8.75~8.70(m,3H),8.67(dd,2H,J1=8.13,J2=2.96),7.87~7.80(m,3H),7.78~7.71(m,4H),7.69~7.55(m,9H),7.45(td,1H,J1=8.13,J2=0.98),7.40~7.33(m,4H),7.30(td,1H,J1=7.51,J2=0.99),7.20(td,1H,J1=7.63,J2=0.99),7.14(td,1H,J1=7.63,J2=0.99),7.04~6.96(m,4H).
图1是实施例2得到的化合物PI-SBFF-PI在氮气气氛下的DSC曲线(加热速率20℃ min-1)和TGA曲线(加热速率20℃ min-1),其中横坐标为温度,通过TGA发现其分解温度为468℃,具有高的热稳定性,DSC未能获得其熔融温度,说明PI-SBFF-PI具有高度扭曲的结构,可以消除固态分子间的相互作用。
图2是实施例2得到的化合物PI-SBFF-PI在三氯甲烷中的吸收曲线和在二氯甲烷中的PL曲线,其中横坐标为波长,纵坐标为强度,吸收阈值λonset为389nm,根据得到它的光学能带
图3是实施例2得到的化合物PI-SBFF-PI采用0.01cm2的铂盘作为工作电极,铂丝作为对电极,银/氯化银作为参比电极,在0.1molL-1Bu4NPF6的二氯甲烷中的循环伏安曲线,通过氧化峰计算得到化合物的HOMO值为-5.60eV,根据光学带隙得到化合物的LUMO值为-2.4eV,该材料可以应用于蓝光有机发光领域。
实施例3:5,9-二(苯并咪唑-9-基)螺[苯并芴7,9’-芴]的制备
本实施例中,5,9-二(苯并咪唑-9-基)螺[苯并芴7,9’-芴]化合物的结构式为:
上述5,9-二(苯并咪唑-9-基)螺[苯并芴7,9’-芴]化合物的制备方法包括如下步骤:
步骤1:合成5,9-二(苯并咪唑-9-基)螺[苯并芴7,9’-芴]MI-SBFF-MI
氮气保护下,在250ml三口瓶中依次加入实施例1步骤3合成中间体5,9-二溴螺[苯并芴7,9’-芴](1.0g,2.0mmol),苯并咪唑频哪醇硼酸酯(1.75g,4.4mmol)、二(三苯基膦)二氯化钯(0.20g),甲苯(100ml),2M的碳酸钾水溶液(20ml),无水乙醇(30ml),回流反应3d,用二氯甲烷萃取,无水硫酸镁干燥,去除溶剂,过柱分离得到白色固体产物MI-SBFF-MI。产率:45%。
对上述MI-SBFF-MI进行分析:元素分析:C,89.12;H,4.68,N,6.20,计算值:C,89.11;H,4.69;N,6.20。核磁共振氢谱(400MHz,CDCl3):δ8.95(d,1H,J=8.51Hz),8.53(d,1H,J=8.19Hz),8.00-7.94(m,3H),7.89(d,2H,J=7.53Hz),7.79-7.73(m,2H),7.66-7.23(m,27H),7.13(td,2H,J1=7.61Hz,J2=0.74Hz),7.00(d,1H,J=1.64Hz),6.79(d,2H,J=7.53Hz),6.75(s,1H).
本发明材料与现有技术中的2,7-二(菲-9-基)-9,9’-螺二芴的性能对比如下表1所示:
表1:本发明材料与现有材料的性能对比
分解温度(℃) 光学能带(eV) HOMO值(eV) LUMO值(eV) 实施例1 - - - - 实施例2 468 3.20 -5.70 -2.50 实施例3 524 3.00 -5.62 -2.62 现有技术 503 3.50 -5.80 -2.30
*“-”表示无相应的参数
本发明材料具有高的热稳定性,和现有文献报道的螺二芴衍生物具有相近甚至更高的稳定性能。通常OLED材料的电子迁移率小于空穴迁移率,本发明材料具有相对较低的LUMO能级,能够降低电子注入势垒,平衡载流子注入,提高载流子的复合效率,改善发光性能。
实施例4:MI-SBFF-MI有机电致发光器件的制备
将实施例3中制备得到的材料应用于制备有机电致发光器件。该电致发光器件为层状结构,如图4所示,依次包括衬底到阴极依次为衬底1、透明导电膜2、空穴注入层3、空穴传输层4、电子阻挡层5、发光层6,电子传输层7、电子注入层8和阴极9。其中,衬底1选用玻璃或透明塑料;透明导电膜2选用氧化铟锡(ITO)作为阳极;将衬底洗净后在高纯氧氛围下辉光放电(plasma)处理10min,在在高真空下(2×10-6Pa)下,在透明导电膜2上蒸镀一层10nm厚的MoO3作为空穴注入层3,然后在空穴注入层3上继续蒸镀一层80nm厚的4,4’-二(9-咔唑)联苯作为空穴传输层4,接着在空穴传输层4上蒸镀一层5nm厚的4,4′,4″-三(咔唑-9-基)三苯胺作为电子阻挡层5,接着在电子阻挡层5上蒸镀一层20nm厚的发光层6,发光层6采用本实施例3中制备得到的5,9-二(苯并咪唑-9-基)螺[苯并芴7,9’-芴];之后在发光层6上继续蒸镀一层40nm厚的1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯作为电子传输层7;而后在电子传输层7上沉积电子注入层8,电子注入层8选用LiF,其厚度为1nm;最后在电子注入层8上面沉积阴极9,阴极9选用Al,其厚度为100nm。
上述有机荧光电致发光器件的制备过程中,薄膜的厚度采用微型测厚仪对其进行测量,用亮度计测量发光亮度,所有有机材料及LiF和金属Al采用真空蒸镀成膜的方式。
对上述有机荧光电致发光器件施加适当的外电压时,测得该电致荧光发光器件的性能如表2中所示。
表2:实施例3中有机电致发光器件的性能表(PR655测试)
从上述表1中可以看出,用本发明的材料可以实现电致发光光谱峰值在436nm的蓝光发射。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考,就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解,在阅读了本发明的上述讲授内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。