CN102141731A

CN102141731A - 一类含二苯乙烯间位取代硫鎓盐类光生酸剂及其制备方法

Info

Publication number: CN102141731A
Application number: CN 201110043081
Authority: CN
Inventors: 夏荣捷; 金明; 浦鸿汀; 万德成
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2011-02-23
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2011-08-03

Abstract

本发明涉及一类含二苯乙烯间位取代硫鎓盐类光生酸剂及其制备方法，该光生酸剂以三苯胺作为电子给体，通过二苯乙烯结构偶联上间位取代的硫鎓盐电子受体，从而合成光生酸剂，通过二苯乙烯结构与间位取代的硫鎓盐电子受体共同组成D-π-A型分子，从而合成的一种新型的具有的双光子吸收能力的高性能光生酸剂。这类光生酸剂在一般溶剂如二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、四氢呋喃中都有良好的溶解性，并且合成步骤简单，易于提纯，产率高。在紫外光区体现出超过0.50的光生酸量子产率。此外，在避光条件下，此类光生酸剂能够长时间保存，化学稳定性高。在单光子光刻以及双光子光刻领域都有巨大的应用价值。

Description

一类含二苯乙烯间位取代硫鎓盐类光生酸剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一类含二苯乙烯间位取代硫鎓盐类光生酸剂及其制备方法。

背景技术

光生酸剂是20世纪80年代被开发出来的一种高效化学增幅剂。它可以通过吸收光子能量解离产生质子，从而引发曝光区域物理化学性质的变化。由于这种产酸机理是外界可控的，并且这种化学增幅作用能够大大提高光化学反应的速率，所以近年来光生酸剂已经被广泛应用于光刻胶，计算机直接制版，酸引发聚合和避光指示剂等诸多领域中。硫鎓盐型光生酸剂作为其中的一大类，被人们广泛的使用，各种改性方法也层出不穷。

传统的商业化光生酸剂由于结构的限制，只能应用于较为简单的光刻技术中。而研究表明，通过增加光生酸剂化学结构中的共轭链长度，能够大大提高分子的双光子界面，从而获得具有双光子激发功能的新型光生酸剂。Marder和Perry研究小组在2002年制备了一种以三苯胺为母体的硫鎓盐型光生酸剂（Wenhui Zhou, et al. J. Am. Chem. Soc, 2002, 124 (9), 1897），并且由于三苯胺良好的自由基稳定性，使得这种光生酸剂具有良好的产酸能力。之后，该研究小组将两个三苯胺结构通过二苯乙烯共轭链段偶联的方法增长了共轭结构，开发出了含三苯胺结构的具有双光子激发性能的硫鎓盐型光生酸剂（Wenhui Zhou, et al. Science, 2002, 296, 1106）。研究表明，这种D-π-D或者D-π-A（D为电子给体，A为电子受体）的分子结构大大增加了分子间电荷转移，从而增加了双光子激发的几率。而通过化学方法在这种结构上加入易于断键的化学结构，能够更好的开发出同时具备高双光子界面和高光生酸效率的光生酸剂。出于以上已经存在的科学论证，选用三苯胺这种被广泛应用的优秀的化学结构，通过增加共轭链桥的长度，并且在特定的化学环境中引入电子受体，可以设计出一种新型的三苯胺类含二苯乙烯结构的光生酸剂。

发明内容

本发明目的在于提供一类含二苯乙烯间位取代硫鎓盐类光生酸剂及其制备方法。

本发明将三苯胺作为电子给体，通过二苯乙烯结构偶联上间位取代的硫鎓盐电子受体，从而合成一种新型的光生酸剂，并且能够具有优秀的光生酸性能。

本发明提出的含二苯乙烯间位取代硫鎓盐类光生酸剂，该光生酸剂以三苯胺作为电子给体，通过二苯乙烯结构偶联上间位取代的硫鎓盐电子受体，从而合成光生酸剂，该光生酸剂具有以下化学式：

其中，R₁可以为甲基、苄基或4-氰基苄基中任一种；R₂为三氟甲烷磺酸根、六氟磷酸根或四氟硼酸根中任一种。

本发明提出的含二苯乙烯间位取代硫鎓盐类光生酸剂的制备方法，具体步骤如下：

(1) 惰性气体保护下，将N,N-二苯胺基苯甲醛溶于无水四氢呋喃中，并加入1-1.2当量的甲基三苯基溴化磷，0 ^oC下滴加溶于四氢呋喃的叔丁醇钾，保持体系温度为0 ^oC-10 ^oC；滴加完后升温至室温，搅拌反应3~6小时，将反应溶液倒入水中，二氯甲烷萃取，盐水洗涤，有机相用无水硫酸钠干燥，柱层析得到液体，真空除溶剂后得到白色粉末产物N, N-二苯胺基苯乙烯；

(2) 惰性气体保护下，将步骤(1)产物N, N-二苯胺基苯乙烯溶于三乙醇胺中，再加入1-1.2当量的3-溴苯甲硫醚和醋酸钯，搅拌加热至100~120 ^oC，避光搅拌，反应10~12小时后，倒入水中产生墨绿色固体，过滤，将过滤得到的固体溶于二氯甲烷中，经硅胶过滤除去醋酸钯，滤液除溶剂后获得粘稠液体，经柱层析提纯，得到黄色固体产物3-（N, N-二苯胺基苯乙烯基）苯甲硫醚；

(3) 将步骤(2)产物3-（N, N-二苯胺基苯乙烯基）苯甲硫醚溶于无水二氯甲烷中，在干冰丙酮浴中加入1-1.2当量的三氟甲烷磺酸银和卤代烷烃或卤代芳烃，避光搅拌0.5~1小时后移除冷冻装置，避光室温搅拌20~24小时后除去溶剂，加入乙腈溶解，滤除不溶解固体，浓缩溶液，滴加入无水***中，产生黄色沉淀，滤得沉淀后溶于丙酮，滴加入无机盐的饱和水溶液中，产生黄色沉淀，过滤后获得黄色粉末，即为所需产物。

本发明中，步骤(1)和步骤(2)中所述的惰性气体为氮气。

本发明中，所述醋酸钯加入量为N, N-二苯胺基苯乙烯质量的1/100。

本发明中，步骤(2)中所述淋洗剂采用环己烷与乙酸乙酯，环已烷与乙酸乙酯的体积比为10/1~5/1。

本发明中，步骤(3)中所述卤代烷烃可以采用碘甲烷，所述卤代芳烃可以采用苄溴或4-氰基苄溴中任一种。

本发明中，步骤(3)中所述盐的饱和水溶液为六氟磷酸钾溶液或四氟硼酸钠溶液。

本发明中，步骤(3)中无水***和乙腈溶液的比例是，***体积：乙腈溶液体积为10：1。

本发明中，步骤(3)中盐的饱和水溶液和丙酮溶液的比例是，饱和水溶液体积：丙酮溶液体积为25：1。

本发明中，所述的甲基三苯基溴化磷，叔丁醇钾，醋酸钯，3-溴苯甲硫醚，卤代烷烃，卤代芳烃，三氟甲烷磺酸银和六氟磷酸钾和四氟硼酸钠均为市售产品。

本发明的特点是：

1．选择三苯胺基团作为光生酸剂母体。三苯胺本身是一种电子密度很大的电子给体，同时能够增加共轭链段的长度和共面结构，从而改善光生酸剂在双光子激发上的性能；同时，三苯胺基团产生的自由基十分稳定，利于提高光生酸剂的产酸效率；

2．三苯胺作为电子给体，二苯乙烯结构作为共轭链桥，硫鎓盐作为电子受体是典型的D-π-A结构，具有良好的产酸性能；

3．选用间位作为硫鎓盐结构的取代位置，能够利于光生酸剂结构中C-S键的断裂，从而促进光酸的生成；

4．合成过程简单，步骤较少，提高了产率；

5．具有良好的溶解性能，能溶于四氢呋喃，二氯甲烷，丙酮等诸多常见溶剂中，可以很好的服务于光刻领域中；

6．具有很高的化学稳定性，在黑暗室温的条件下，能够保持长时间的保存。

附图说明

图1为本发明实施例1、2、3中目标产物在乙腈中在404纳米光激发下的光降解过程的紫外可见-吸收光谱数据。

图2为本发明实施例1、2、3中目标产物在乙腈中的光酸量子产率测试的紫外可见-吸收光谱（采用罗丹明B为酸指示剂）。

具体实施方式

以下以具体实例作为对本发明进一步的说明，但不应看作是对本发明的限定。

实施例1

发明中，初始物质1为N,N-二苯胺基苯甲醛，通过Wittig反应获得中间体N,N-二苯胺基苯乙烯；再通过Heck反应将中间体N,N-二苯胺基苯乙烯和3-溴苯甲硫醚进行偶合，进而获得三苯胺类的光生酸剂；所述R₁为4-氰基苄基，R₂为六氟磷酸根为例，该制备方法所用的合成路线表示如下：

式中：

i：甲基三苯基溴化磷，叔丁醇钾，四氢呋喃，室温，反应4小时；

ii：醋酸钯，三乙醇胺，3-溴苯甲硫醚，120℃，反应12小时；

iii：三氟甲烷磺酸银，4－氰基苄溴，二氯甲烷，室温，六氟磷酸钾，反应24小时。

1．制备N, N-二苯胺基苯乙烯

在氮气保护下，将10gN,N-二苯胺基苯甲醛溶入250mL的无水四氢呋喃中，并投入17.5g甲基三苯基溴化磷，置于冰浴中搅拌。在体系降温至0℃左右时慢速滴加40mL溶有4.6克叔丁醇钾的四氢呋喃。体系维持在10℃以下。滴加完以后将体系升温至室温，搅拌4小时，薄板层析检测反应结束。之后将混合溶液倾倒入水中，用二氯甲烷萃取，并用盐水洗涤，无水硫酸钠干燥有机相后柱层析分离得到无色液体。真空除去溶剂后得到白色粉末产物即为N,N-二苯基苯乙烯，产率：70%。核磁数据与报道一致。

2．制备目标光生酸剂前体

将1.2g N, N-二苯基苯乙烯，1.0g 3-溴苯甲硫醚，20mg醋酸钯加入25mL三乙醇胺中，体系抽真空通氮气共三次。在氮气气氛下，加热至100℃，避光搅拌12小时。薄板层析检测反应结束，将体系倒入水中，产生墨绿色固体，收集固体并将它溶于二氯甲烷中，通过硅胶过滤除去醋酸钯等不溶物质，得到亮黄色清液，除去溶剂后得到黄色粘稠液体，经过柱层析除去未反应杂质（淋洗剂：环己烷/乙酸乙酯=9/1），得到淡黄色固体，即为目标光生酸剂前体，产率：69.3%。

¹H NMR (CDCl₃, δ_ppm): 2.515 (s, 3H, CH₃); 6.960 (d, 1H, C₂H₂); 7.032~7.190 (m, 6H, PhH) ; 7.101 (m, 6H, PhH) ; 7.240~7.280 (m, 4H, PhH) ; 7.365~7.86 (m, 3H, PhH)。

3．制备目标光生酸剂

将284 mg光生酸剂前体溶于15mL无水二氯甲烷中，将体系放置与干冰丙酮浴中降温至-78℃，之后在避光条件下加入等摩尔的三氟甲烷磺酸银和4－氰基苄溴，低温搅拌1小时。之后移除干冰丙酮浴，室温避光条件下搅拌24小时。薄板层析检测反应结束，将二氯甲烷蒸干，用乙腈溶解，滤去固体杂质，浓缩溶液，用10倍体积的***沉淀，得产物，即为三氟甲烷磺酸盐为阴离子的光生酸剂。如果直接进行盐交换（两次），将粗产物硫鎓盐溶于少量丙酮中，将其缓慢滴入搅拌的25倍体积的饱和六氟磷酸钾水溶液中。有沉淀析出，过滤，干燥，得黄色粉末329mg，即为六氟磷酸盐为阴离子的目标产物。总产率为：69.8%。

¹H NMR(CDCl₃, δ_ppm): 3.2462 (s, 3H, CH₃); 4.7812 (q, 2H, CH₂); 7.0106(q, 2H, CH=CH); 7.0547~7.8770(m, 22H, PhH)。

实施例2

与实施例1制备方法相同，只是在制备N, N-二苯胺基苯乙烯的过程中，在氮气保护下，分三次向体系投加固体叔丁醇钾，并且每次投加后应予充分搅拌，使得体系温度不高于10℃。

实施例3

与实施例1制备方法相同，只是在制备前体时，将溶剂改为N,N－二甲基甲酰胺和三乙胺，其余步骤不变，进行处理后则合成出相同的前体。

实施例4

与实施例1制备方法相同，只是在制备目标产物是，将4-氰基苄溴替换成等量的碘甲烷或者溴化苄，其余步骤不变，进行处理后则合成出甲基或者苄基取代的目标光生酸剂。

实施例5

把制备出的各种光生酸剂溶于干燥的乙腈中，用低压汞灯为光源加窄波通滤光片来激发各种光生酸剂溶液，用光强计测量通过滤光片的光强，用罗丹明B作为酸指示剂，经计算，各种化合物都表现出非常高的光生酸量子产率。其中如图表中所示的带4－氰基苄基取代基的目标产物在404nm可见光为激发下的光生酸量子产率为0.56。

Claims

1.一类含二苯乙烯间位取代硫鎓盐类光生酸剂，其特征在于该光生酸剂以三苯胺作为电子给体，通过二苯乙烯结构偶联上间位取代的硫鎓盐电子受体，从而合成光生酸剂，该光生酸剂结构式为：

其中：R₁为甲基、苄基或4-氰基苄基；R₂为三氟甲烷磺酸根、六氟磷酸根或四氟硼酸根中任一种。

2.一种如权利要求1所述的一类含二苯乙烯间位取代硫鎓盐类光生酸剂的制备方法，其特征是具体步骤如下：

(1) 在惰性气体保护下，将N, N-二苯胺基苯甲醛溶于无水四氢呋喃中，并加入1-1.2当量的甲基三苯基溴化磷，0 ^oC下滴加溶于四氢呋喃的叔丁醇钾，保持体系温度为0 ^oC~10 ^oC；滴加完后升温至室温，搅拌反应3~6小时，将反应溶液倒入水中，二氯甲烷萃取，盐水洗涤，有机相用无水硫酸钠干燥，柱层析得到液体，真空除溶剂后得到白色粉末产物N, N-二苯胺基苯乙烯；

(2) 惰性气体保护下，将步骤(1)产物N, N-二苯胺基苯乙烯加入三乙醇胺中，再加入1-1.2当量的3-溴苯甲硫醚和醋酸钯，搅拌加热至100~120 ^oC，避光搅拌，反应10~12小时后，倒入水中产生墨绿色固体，过滤，将过滤得到的固体溶于二氯甲烷中，经硅胶过滤除去醋酸钯，滤液除溶剂后获得粘稠液体，经柱层析提纯，得到淡黄色固体产物3-（N, N-二苯胺基苯乙烯基）苯甲硫醚；

(3) 将步骤(2)产物3-（N, N-二苯胺基苯乙烯基）苯甲硫醚溶于无水二氯甲烷中，在干冰丙酮浴中加入1-1.2当量三氟甲烷磺酸银和卤代烷烃或卤代芳烃，避光搅拌0.5~1小时后移除冷冻装置，避光室温搅拌20~24小时后除去溶剂，加入乙腈溶解，滤除不溶解固体，浓缩溶液，滴加入无水***中，产生黄色沉淀，滤得沉淀后溶于丙酮，滴加入无机盐的饱和水溶液中，产生黄色沉淀，过滤后获得黄色粉末，即为所需产物。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是步骤(1)和步骤(2)中所述惰性气体均是氮气。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是所述醋酸钯加入量为N, N-二苯胺基苯乙烯质量的1/100。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是步骤(2)中所述淋洗剂采用环己烷与乙酸乙酯，环已烷与乙酸乙酯的体积比为10/1~5/1。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是步骤(3)中所述卤代烷烃采用碘甲烷，所述卤代芳烃采用苄溴或4-氰基苄溴中任一种。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是步骤(3)中所述盐的饱和水溶液为六氟磷酸钾溶液或四氟硼酸钠溶液。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是步骤(3)中无水***和乙腈溶液的比例是，***体积：乙腈溶液体积为10：1。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是步骤(3)中盐的饱和水溶液和丙酮溶液的比例是，饱和水溶液体积：丙酮溶液体积为25：1。