具有Y型的D-π-A结构的有机二阶非线性光学发色团及合成方法和用途与流程

文档序号:11191552阅读:337来源:国知局

本发明涉及有机二阶非线性光学材料领域,特别涉及一种具有y型的d-π-a结构的有机二阶非线性光学发色团及其合成方法和用途。



背景技术:

随着信息时代的快速发展,使得现阶段对通信信息材料的要求越来越高。非线性光学材料因其在光通信、光电子学和光信息处理等实用领域的巨大应用前景,近几十年来一直吸引着人们的研究兴趣。目前已经商业化的二阶非线性光学材料是以无机材料为主,但无机材料存在电光系数小,相应时间长等缺陷,从而限制了其广泛应用。人们发现,有机非线性光学材料具有无机材料无法比拟的优点,比如超快响应速度(亚皮秒甚至皮秒)、低介电常数、高光损伤阈值(gw/cm2量级)、可加工性能好、相对较大的非线性光学响应(通常比无机晶体高1~2个数量级)及易加工处理等,而且有机电光功能材料可以从分子水平实现结构的设计。为了达到实用化的要求,这些材料不仅要有大的非线性光学响应,而且要同时满足器件化对其透明性、稳定性和可加工性等方面的要求。由于有机材料的非线性光学响应取决于其中发色团分子的非线性光学特性,所以设计合成兼具大的电光系数(即微观分子水平的一阶分子超极化率(β)和宏观材料的电光系数(r33))以及良好的透明性,稳定性能的二阶非线性光学发色团分子长期以来一直是最具挑战性课题之一。

目前已报道的关于二阶非线性光学发色团的专利很多,但是具有很高非线性光学系数的并不多。报道非线性光学系数较高的专利有:us6067186,cn1466583a,us7307173b1等。目前已经报道的发色团分子大都是棒状结构,在电场极化过程中,棒状结构易于聚集,导致极化效率并不高,从而导致微观一阶分子超极化率(β)转换为宏观材料的电光系数(r33)的效率偏低,因此就不能很好的满足器件化的要求。



技术实现要素:

本发明在第一方面提供了一种具有y型的d-π-a结构的有机二阶非线性 光学发色团,该具有y型的d-π-a结构的有机二阶非线性光学发色团具有以下结构:

其中,x为s或o原子;r1为甲基或三氟甲基;r2为烷基或苯基。

所述烷基的碳链长度为碳原子数1~10。

本发明提供的具有y型的d-π-a结构的有机二阶非线性光学发色团(d为电子给体,π为共轭电子桥,a为电子受体)是以三苯胺以及其衍生物上引入氮原子为电子给体,以噻吩环为共轭电子桥,以2,2-二氰基叉基-3-氰基-4-甲基-5-r1-5-r2二氢呋喃为电子受体。

本发明在第二方面提供了一种由本发明第一方面所述的具有y型的d-π-a结构的有机二阶非线性光学发色团的合成方法,包括如下步骤:

s1:将1当量4-碘代-n,n二丁基苯胺与0.1~1当量对氨基苯氰在碘化亚铜和2,2`-二联吡啶的催化下,于氮气保护下在重蒸甲苯溶剂中加热回流12~24h;反应完毕后将产物倒入饱和nahco3溶液中;然后用有机溶剂萃取,干燥有机相,旋蒸和柱色谱分离,得到具有以下结构的化合物:

s2:将1当量步骤s1得到的具有式(i)结构的化合物溶于重蒸的甲苯中,在氮气保护下冷却至-70~-80℃,然后加入1~5当量的二异丁基氢化铝(dibal);加完后,在温度为-70~-80℃下反应1~3h,加入饱和nh4cl溶液终止反应;将温度由-70~-80℃升温0℃并搅拌1~2h;之后将反应所得物倒入去离子水中,然后用有机溶剂萃取,干燥有机相,旋蒸和柱色谱分离,得到具有以下结构的化合物:

s3:将步骤s2得到的具有式(ii)结构的电子给体与溴化-2-噻吩基三苯基磷和氢化钠(nah)按照摩尔比为1:1.1:(10~20)的比例溶于重蒸thf中,在室温下搅拌8~24h;之后将反应后所得物倒入冰水中,然后用有机溶剂萃取,干燥有机相,旋蒸和柱色谱分离,得到具有以下结构的化合物:

s4:将1当量步骤s3得到的具有式(iii)结构的化合物溶于重蒸的四氢呋喃(thf)中,在氮气保护下冷却至-70~-80℃,然后加入1.2~1.5当量的正丁基锂,加完后,在温度为-70~-80℃下进行搅拌1~2h;然后再逐滴滴加1.2~1.5当量重蒸的n,n-二甲基甲酰胺(dmf),在温度为-70~-80℃下进行搅拌1~2h,然后逐渐升温至0℃,反应20~40min;反应完毕后用去离子水终止反应,然后用有机溶剂萃取,干燥有机相,旋蒸和柱色谱分离,得到具有以下结构的化合物:

s5:将步骤s4得到的具有式(iv)结构的化合物和2,2-二氰基叉基-3-氰基-4-甲基-5-r1-5-r2呋喃按照摩尔比为1:(1.0~1.5)的比例溶于乙醇中,于50~80℃温度下进行搅拌反应3~6h;反应完毕后冷却至室温,旋蒸和柱色谱分离,得到具有y型的d-π-a结构的有机二阶非线性光学发色团,其结构为:

其中,r1为甲基或三氟甲基;r2为烷基或苯基。

所述烷基的碳链长度为碳原子数1~10。

所述2,2-二氰基叉基-3-氰基-4-甲基-5-r1-5-r2二氢呋喃具有如下结构:

等优选地,2,2-二氰基叉基-3-氰基-4-甲基-5-r1-5-r2呋喃为2,2-二氰基叉基 -3-氰基-4,5,5-三甲基二氢呋喃,它具有如下式(ix)结构:

所述的具有y型的d-π-a结构的有机二阶非线性光学发色团中化合物yl2的合成方法,该方法包括如下步骤:

s11:在氮气保护下,将1当量的3,7二溴-10氢-10-吩噻嗪或吩恶嗪-4苯腈、醋酸钯、三叔丁基膦四氟硼酸盐和叔丁醇钠溶解在1,4-二氧六环中,在65-75℃条件下搅拌5~20min,然后加入2~3当量的正丁胺并搅拌回流12~24h;反应完毕后将反应所得物倒入去离子水中,然后用有机溶剂萃取,干燥有机相,旋蒸和柱色谱分离,得到具有以下结构的化合物:

其中,所述的x为s或o原子;

s21:将1当量的步骤s11得到的具有式(v)结构的化合物溶于重蒸的甲苯中,在氮气保护下冷却至-70~-80℃,然后缓慢加入2~3当量的二异丁基氢化铝(dibal);加完后,在温度为-70~-80℃下反应1~3h,加入饱和nh4cl溶液终止反应;将温度由-70~-80℃升温至0℃并搅拌反应1~2h;之后将反应后所得物倒入去离子水中,然后用有机溶剂萃取,干燥有机相,旋蒸和柱色谱分离,得到具有以下结构的化合物:

其中,所述x为s或o原子。

s31:在氮气保护下,将步骤s21得到的具有式(vi)结构的电子给体与噻吩甲基三苯基膦盐和氢化钠(nah)按照摩尔比为1:1.1:(10~20)的比例溶于重蒸四氢呋喃中,在室温下搅拌12~24h;反应完毕后将得物倒入冰水中,然后用有机溶剂萃取,干燥有机相,旋蒸和柱色谱分离,得到具有以下结构的化合物:

s41:将1当量的步骤s31得到的具有式(vii)结构的化合物溶于重蒸的四氢呋喃(thf)中,在氮气保护下冷却至-70~-80℃,然后加入1.2~1.5当量的正丁基锂,加完后,在温度为-70~-80℃下进行搅拌1~2h;然后再逐滴滴加1.2当量重蒸的n,n-二甲基甲酰胺(dmf),在温度为-70~-80℃下进行搅拌1~2h,然后逐渐升温至室温,反应20~40min;反应完毕后用去离子水终止反应,然后用有机溶剂萃取,干燥有机相,旋蒸和柱色谱分离,得到具有以下结构的化合物:

s51:将步骤s41得到的具有式(viii)结构的化合物和2,2-二氰基叉基-3-氰基-4-甲基-5-r1-5-r2二氢呋喃按照摩尔比为1:1.1的比例溶于乙醇中,然后滴加几滴三乙胺,加热回流反应4h;反应完毕后冷却至室温,旋蒸和柱色谱分离,得到具有d-π-a结构的有机二阶非线性光学发色团,其结构为:

其中x为s或o原子;r1为甲基或三氟甲基;r2为烷基或苯基。

所述烷基的碳链长度为碳原子数1~10。

所述2,2-二氰基叉基-3-氰基-4-甲基-5-r1-5-r2二氢呋喃具有如下结构:

优选地,2,2-二氰基叉基-3-氰基-4-甲基-5-r1-5-r2二氢呋喃为2,2-二氰基叉基-3-氰基-4,5,5-三甲基二氢呋喃,它具有如下式(ix)结构:

本发明在第三方面提供了一种由本发明第一方面所述的具有y型的d-π-a结构的有机二阶非线性光学发色团的用途。

将具有式(yl1)或式(yl2)结构的有机二阶非线性光学发色团与无定型聚碳酸酯掺杂用于合成聚合物薄膜,所合成的聚合物薄膜作为合成光信号调制材料使用。

所述的具有式(yl2)或式(yl2)结构的有机二阶非线性光学发色团与无定型聚碳酸酯掺杂用于合成聚合物薄膜,其中,所述的具有式(yl2)或式(yl2)结构的有机二阶非线性光学发色团与无定型聚碳酸酯的质量比为1:1~100。

聚合物薄膜的电光系数通过简单反射法进行电晕极化测试。

电晕极化测试的条件为:极化温度为120~150℃,极化时间为20~30min,极化电压控制在10000~12000v。

本发明具有以下优点:

1、本发明的具有y型的d-π-a结构的有机二阶非线性光学发色团与传统的发色团的结构相比,电子给体选用了三苯胺以及其衍生物上引入氮原子,这种特殊的y型结构有更大的空间位阻,能够有效的降低分子间的相互作用力,提高极化效率,进而提高发色团分子的一阶分子超极化率(β)转换为宏观电光系数的效率。

2、本发明提供的具有y型的d-π-a结构的有机二阶非线性光学发色团所使用的电子给体、共轭π电子桥和电子受体组合在一起后分子内电子传输能力增强,可以提高电光系数;将具有式(yl1)或式(yl2)结构的本发明的具有y型的d-π-a结构的有机二阶非线性光学发色团与无定型聚碳酸酯(apc)掺杂可用于合成聚合物薄膜,所合成的聚合物薄膜作为合成光信号调制材料使用,以满足器件化要求。

3、本发明的具有y型的d-π-a结构的有机二阶非线性光学发色团的合成步骤简单,合成产率高,在大多数有机溶剂中具有良好的溶解性、较高的热稳定性、具有超高一阶分子超极化率(β值)、大的偶极矩,与聚合物掺杂之后 分子间作用力小、成膜性好、易于极化和器件化等优点,可广泛应用于电光材料领域。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明,下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

合成如下所示的具有y型的d-π-a结构的有机二阶非线性光学发色团:

合成路线如下(式1):

合成方法为:

s1:(式1)中所示的化合物2的合成

向250ml玻璃三口瓶中加入4.96g(0.015mol)的化合物1、0.60g(0.005mol)的对氨基苯氰和60ml重蒸甲苯,然后再加入cui0.06g(0.0003mol)、2,2`-二联吡啶1.68g(0.015mol),于氮气保护下加热回流24h,用薄层色谱(tlc)观察反应进度,待原料点几乎消失后,将产物倒入250ml饱和nahco3溶液中,并用乙酸乙酯萃取,将萃取后的有机相用无水硫酸镁干燥并过滤,旋蒸除去乙酸乙酯,所得粗产品用柱色谱分离(以200~300目的硅胶为固定相,以石油醚与丙酮的混合液为流动相,其中,石油醚与丙酮的体积比为15:1),得到橙色油状液体为化合物2,产率为62%。

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s2:(式1)中所示的化合物3的合成

将2.63g(0.005mol)步骤s1得到的化合物2溶于40ml重蒸的甲苯中,在氮气保护下用液氮将溶于化合物2的甲苯溶液冷却至-80℃,在该温度下滴 加10ml浓度为1mol/l的二异丁基氢化铝(dibal),滴加完毕后,在该温度下保持2h,加入饱和nh4cl溶液终止反应,自然升温至0℃并搅拌1h,之后将反应后所得物倒入去离子水中,用乙酸乙酯萃取,将萃取后的有机相用无水硫酸镁干燥过夜,然后过滤,旋蒸除去乙酸乙酯,所得粗产品用柱色谱分离(其中:石油醚与乙酸乙酯的体积比为20:1),得到红色油状液体为化合物3,产率为83%。

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s3:(式1)中所示的化合物4的合成

在氮气保护下,将1.80g(0.0035mol)化合物3和1.80g(0.0041mol)的溴化-2-噻吩基-三苯基磷溶解于重蒸四氢呋喃(thf)中,然后加入0.82g(10倍当量)氢化钠(nah),在常温下搅拌24h,之后将反应所得物缓慢倒入200ml的冰水中,用乙醚萃取,将萃取后的有机相用无水mgso4干燥过夜,然后过滤,旋蒸除去乙醚,将所得粗产品用柱色谱分离(石油醚和丙酮的体积比为20:1),干燥后得到得橙红色油状液体为化合物4,产率为64%。

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s4:(式1)中所示的化合物5的合成

将1当量步骤3)得到的化合物4溶于适量重蒸四氢呋喃(thf)中,在氮气保护下用液氮冷却至-78℃,保持在该温度及氮气保护下,向溶于化合物4的重蒸thf中加入1.5当量的正丁基锂,加完后,在-70~-80℃下进行搅拌1h,然后再逐滴滴加1.2当量重蒸的dmf,在温度为-70~-80℃下进行搅拌1h,然后逐渐升温至0℃,反应30min,反应完毕后将反应所得物倒入去离子水中,用乙酸乙酯萃取,将萃取后的有机相用无水mgso4干燥并过滤,旋蒸除去乙酸乙酯,将所得粗产品用柱色谱分离(石油醚和乙酸乙酯的体积比为15:1),干燥后得到红色油状液体为化合物5。

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s50:(式1)中所示的化合物6(3-羟基-3-甲基-2-丁酮)的合成

将19ml浓硫酸(98wt%)与100ml水缓慢混合,然后在1.5h内加入13g黄色的氧化汞,向65-75℃的含氧化汞的硫酸溶液中滴加84g(1.0mol)的2-甲基-3-丁炔-2-醇,然后在65-75℃下搅拌反应30min,反应完毕后冷却至室温,将反应所得物进行抽滤,抽滤后的滤液用乙醚萃取(3×20ml),萃取后的有机相分别用水、碳酸氢钠溶液洗涤,洗涤后的有机相用无水硫酸镁干燥,然后过滤,过滤后的滤液经旋蒸浓缩后进行蒸馏,收集140℃馏分,得45.6g的浅黄色液体为化合物6,产率为32.2%。

s51:(式1)中所示的化合物7(2,2-二氰基甲叉基-3-氰基-4,5,5-三甲基二氢呋喃电子受体)的合成

将1.5g(0.065mol)金属钠溶于190ml的无水乙醇中,加入6.7ml(0.064mol)步骤s50得到的化合物6和8.5g(0.13mol)丙二腈,然后在室温下搅拌20h,旋蒸除去乙醇,向旋蒸后所得的粗产品中加入50ml的水,然后用6mol/l盐酸溶液调ph值为4~5,析出大量棕褐色油状物;用水将所述油状物充分洗涤后,再用乙醇重结晶两次,得到4.5g的灰黄色固体为化合物7,产率为35%。

s5:(式1)中所示的化合物a的合成

将0.64g(0.001mol)的化合物5和化合物7按1:1.1的比例溶解于60ml乙醇中,向溶液中滴加几滴三乙胺,然后加热回流反应5h,反应完毕后将反应所得物冷却至室温,旋蒸除去乙醇,柱色谱分离(石油醚和乙酸乙酯的体积比为5:1),得到绿色固体粉末为化合物yl3,产率为40%。

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得到的具有y型的d-π-a结构的有机二阶非线性光学发色团的化合物(yl3)具有良好的热稳定性,在丙酮、氯仿或乙醇等极性溶剂和乙醚等非极性溶剂中均有良好的溶解性。

实施例2

合成如下所示的具有y型的d-π-a结构的有机二阶非线性光学发色团:

合成路线如下(式2):

合成方法为:

s11:(式2)中所示的化合物2的合成

在氮气保护下,将4.58g(0.01mol)的化合物1、0.274g(0.03mol)的醋酸钯、0.145g(0.01mol)的三叔丁基膦四氟硼酸盐以及2.88g(0.03mol)的叔丁醇钠溶解在50ml的1,4-二氧六环中,于70℃下搅拌5min,然后加入2.85g(0.22mol)的正丁胺并搅拌回流12-24h,反应完毕后反应所得物倒入去离子水中,用乙酸乙酯萃取,萃取后的有机相用无水硫酸镁干燥并过滤,将过滤液旋蒸除去乙酸乙酯,将所得粗产品进行柱色谱分离(其中,石油醚与丙酮的体 积比为15:1),得到橙色油状液体为化合物2,产率为61%。

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s21:(式2)中所示的化合物3的合成

将2.77g(0.005mol)步骤s11中得到的化合物2溶于35ml重蒸的甲苯中,在氮气保护下用液氮冷却至-80℃,在该温度下滴加10ml浓度为1mol/l(0.01mol)的二异丁基氢化铝(dibal),滴加完毕后,在该温度下保持2h,加入饱和nh4cl溶液终止反应,自然升温至0℃并搅拌1h,之后将反应所得物倒入去离子水中,然后过滤,用乙酸乙酯洗涤滤饼三次,用无水硫酸镁干燥滤液;然后过滤,旋蒸除去乙酸乙酯,将所得粗产品用柱色谱分离(其中,石油醚与乙酸乙酯的体积比为20:1),得到红色油状液体为化合物3,产率为82%。

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s31:(式2)中所示的化合物4的合成

在氮气保护下,将1.95g(0.0035mol)的化合物3和1.80g(0.0041mol)的溴化-2-噻吩基-三苯基膦溶解于重蒸四氢呋喃中,然后加入0.82g(10倍当量)氢化钠(nah),在常温下搅拌24h,反应完毕后缓慢倒入200ml的冰水中,用乙醚萃取,将萃取后的有机相用无水mgso4干燥,将干燥后的有机相过滤,旋蒸除去乙醚,将所得粗产品用柱色谱分离(石油醚和丙酮的体积比为20:1),得到橙红色油状液体为化合物4,产率为78%。

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s41:(式2)中所示的化合物5的合成

将1当量步骤s31得到的化合物4溶于适量重蒸thf中,在氮气保护下用液氮冷却至-78℃,在该温度及氮气保护下,向溶于化合物4的重蒸thf溶 液中加入1.5当量的正丁基锂,加完后,在该温度下搅拌1h,然后再逐滴滴加1.2当量重蒸的dmf,在-78℃下搅拌反应1h,然后逐渐升温至室温,反应30min;反应完毕后用去离子水终止反应,用乙酸乙酯萃取,将萃取后的有机相用无水mgso4干燥并过滤,旋蒸除去乙酸乙酯,将所得粗产品用柱色谱分离(石油醚和乙酸乙酯的体积比为15:1),得到红色油状液体为化合物5。

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s51:(式2)中所示的化合物yl4的合成

将0.66g(0.001mol)的化合物5和2,2-二氰基甲叉基-3-氰基-4,5,5-三甲基二氢呋喃(tcf)电子受体按照摩尔比为1:1.1的比例溶解于30ml乙醇中,然后滴加几滴三乙胺,加热回流反应4h,反应完毕后冷却至室温,旋蒸除去乙醇,将所得粗产品柱色谱分离(石油醚和乙酸乙酯的体积比为6:1),得到黑色固体粉末为化合物yl4,产率为37%。

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得到的具有y型的d-π-a结构的有机二阶非线性光学发色团的化合物(yl4)具有良好的热稳定性;在丙酮、氯仿或乙醇等极性溶剂和乙醚等非极性溶剂中均有良好的溶解性。

实施例3

合成聚合物薄膜

(1)将0.075g无定型聚碳酸酯(apc)加入到1.00ml二溴甲烷中,搅拌3~5h至apc完全溶解后,加入0.025g实施例1所合成的有机二阶非线性光学发色团化合物(式中为yl3),得到有机二阶非线性光学发色团化合物和apc的混合溶液,将得到的混合溶液在ito玻璃基片上用旋涂法涂膜(控制转速为800~1200转/min),然后在60℃的真空干燥箱中干燥24h,得到聚合物薄膜i。所述极化聚合物薄膜的厚度在2~4μm。

(2)将0.075g无定型聚碳酸酯(apc)加入到1.00ml二溴甲烷当中,搅拌3~5h至apc完全溶解后,加入0.025g实施例2所合成的有机二阶非线性 光学发色团化合物(式中为yl4),得到有机二阶非线性光学发色团化合物和apc的混合溶液,在ito玻璃基片上用旋涂法涂膜。控制转速为800~1200转/min,然后在60℃的真空干燥箱中干燥24h,得到聚合物薄膜ii。所述极化聚合物薄膜的厚度在2~4μm。

实施例4

实施例3所合成的聚合物薄膜的极化及电光系数测定

(1)对由实施例1的有机二阶非线性光学发色团化合物(式中为yl3)与apc得到的聚合物薄膜i进行电晕极化,极化温度为120~125℃,极化时间为20~30min,极化电压控制在10000~12000v左右;电光系数(r33)通过衰减全反射(attenuatedtotalreflection,atr,参见yuanbo,caozhuangqi,shenqishun,etal.,real-timemeasurementforelectro-opticcoefficientofapoled-polymerfilminatrconfiguration,inproceedingsofspie-opticalmeasurementandnondestructivetesting:techniquesandapplications,nov8-nov102000,beijing,china,2000,134-138)的方法测定,测得的最大电光系数为95pm/v。

(2)对由实施例2的有机二阶非线性光学发色团化合物(式中为yl4)与apc得到的聚合物薄膜进行电晕极化,极化温度为120~125℃之间,极化时间为20~30min,极化电压控制在10000~12000v左右;电光系数(r33)通过衰减全反射(attenuatedtotalreflection,atr,参见yuanbo,caozhuangqi,shenqishun,etal.,real-timemeasurementforelectro-opticcoefficientofapoled-polymerfilminatrconfiguration,inproceedingsofspie-opticalmeasurementandnondestructivetesting:techniquesandapplications,nov8-nov102000,beijing,china,2000,134-138)的方法测定,测得的最大电光系数为72pm/v。

显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定,对于所属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它不同形式的变化或变动,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伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

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