CN1687080A - 芳香基取代双膦双氧化物螯合稀土配合物及其合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一类高性能光电功能稀土配合物材料及其制备方法。本发明以含有芳香基取代双膦双氧化物为配体,通过络合反应,合成了一系列高效稀土光电功能配合物;并制备了含有上述稀土光电功能材料掺杂型红色电致发光器件。制成的电致发光器件在亮度、电流密度以及高电流密度下的效率方面获得了令人满意的结果。较之相应的使用三苯基膦氧(TPPO)和1,10-邻二氮杂菲衍生物作为配体的稀土电致发光材料,本发明材料综合性能优越并且合成方法简便,产品提纯容易,显示了双膦双氧化物螯合稀土配合物在电致发光器件中具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于有机电子功能材料技术领域,具体涉及一类二苯基膦衍生物芳香基取代双膦双氧化物稀土配合物及其合成方法与应用。
技术背景
在过去十几年中,光电信息功能材料作为具有广阔应用前景的新型材料得到了广泛的关注和研究。从有机电致发光到有机激光再到太阳能电池,科学家们都进行了广泛的研究。稀土光电功能材料由于其独特的性质和卓越的光电特性在这一领域得到了极大的关注,并且在许多方面表现出其他材料所不具备的诸多优点。在有机电致发光方面,有机电致发光二极管(OLEDs)由于其在新一代显示器和照明技术中的潜在应用而引起广泛注意。然而,现在仍存在一些重要的挑战,包括外量子效率(EQE)的最大化,色纯度更高的新材料的设计与合成等。一般来说,有机小分子及有机高分子发光材料由于其本身的特性,发光峰半峰宽一般在50~100nm,色纯度不高,而稀土电致发光材料发光半峰宽在10nm左右,呈现窄带发光,有利于实现高色纯度显示器件。从理论上说稀土电致发光材料的发光效率可以达到100%,但是需要从配体分子获得更为有效地能量传递,同时配体分子具有适当的电荷注入和传输性能就可能促进稀土原子更为有效地获得能量,进而提高发光效率。
稀土材料电致发光器件的稳定性也是本领域一个有待解决的问题,我们尝试通过优化器件结构使其在器件中稳定性获得一定的提高。
三苯基膦及其氧化物作为中性配体材料广泛应用于化学反应催化、有机电致发光等领域,其作为中性配体与稀土元素配合得到的材料具有相当好的电致发光性能。其中,典型的是Eu(TTA)3(TPPO)2,其中,TTA为噻吩基三氟甲基二酮,TPPO为三苯基膦氧化物。由于通过两个三苯基氧膦的配位实现对中心三价铕离子(Eu3+)的八配位,从分子结构的角度看这两个配体的作用仅为饱和Eu3+中心离子的配位数,对载流子的注入和传输贡献有限,所以一般认为1,10-邻二氮杂菲衍生物比膦氧类配合物更适于作为电致发光配体,其不仅能够饱和Eu3+的配位数,而且能够起到增强电子传输和注入的作用。但是实际上通过分子设计有望获得配位能力和载流子传输能力达到甚至超过1,10-邻二氮杂菲衍生物的膦氧类配合物。
发明内容
本发明的目的在于使用芳香基取代双膦双氧化物配体材料合成一类新型稀土光电功能材料,并设计合适的器件结构,制备含有上述稀土光电功能材料掺杂型电致发光器件。
从分子设计的角度看芳香基取代双膦双氧化物不仅具有与1,10-邻二氮杂菲衍生物相似的电子传输和注入作用,而且功能化方便。因此本发明使用了一类芳香基取代双膦双氧化物,并用此类化合物作为中性配体材料制得了一类具有较高发光性能的新型稀土光电功能材料。相对于同类的三苯基膦氧化物(TPPO),本发明中使用的双齿配体材料在电致发光方面从根本上解决了TPPO所存在的三个问题:1.解决松散的配合物结构导致形成激基复合物的问题。芳香基取代双膦双氧化物双齿配体材料由于在两个配合点之间有相应的功能基团相连使得能量在整个配合物体系中能够均匀分布,从而避免了激基复合物的产生;2.提高中性配体的载流子注入和传输能力。芳香基取代双膦双氧化物双齿配体材料具有较大的共轭平面和共轭长度,改善了载流子的注入性能,同时也相应地改善了载流子的传输能力;3.提高配合物的稳定性,保证器件在长时间使用和高电压作用下表现稳定的光电性能。芳香基取代双膦双氧化物双齿配体材料赋予了整个配合物更加刚性的结构,提高了配合物的热稳定性和光谱稳定性。反映在器件性能上,我们从附图中可以看到器件在7V到25V的电压范围内具有极其稳定的光谱。在高电压下的色谱稳定性从一个侧面反映出了该类功能材料具有相当长的使用寿命。
综上,芳香基取代双膦双氧化物双齿配体材料不仅能够提高稀土配合物结构的稳定性,而且可以有效地降低形成激基复合体导致的焠灭效应以及溶剂焠灭效应,提高发光效率,获得色纯度较高的发光器件,同时热稳定性能也得到相当的改善,从而可以提高稀土电致发光器件的综合性能。在用于电致发光器件时,制成的器件在亮度、电流密度以及高电流密度下的效率方面获得了令人满意的结果,其综合性能达到甚至优于目前已知的稀土配合电致发光材料,从而获得了一类具有广泛应用前景的稀土光电功能材料。
下面对本发明内容作进一步具体描述:
本发明提出的芳香基取代双膦双氧化物鳌合稀土配合物,其中心离子为稀土离子,由两种配体经配合反应而获得,其基本结构式如下:
其中,Ar1、Ar2和Ar3分别为含有杂原子的芳烃、芳烃或者烷基芳烃的基团,及其含有烷基、卤代烷基、芳基、卤代芳基、卤素或者烷基芳烃基团的衍生物;
R1、R2和R3分别为含有烷基、卤代烷基、芳基、卤代芳基、卤代烷烃或者烷基芳烃的基团;其中包括:噻吩基三氟甲基乙酰丙酮,二苯基乙酰丙酮,乙酰丙酮及其他常用β-二酮类及其他类型配体。
RE为中心离子,具体可以是稀土离子,如镧、铈、镨、铷、钷、钐、铕、钆、镝、钬、铽、铒、铥、镱或者镥等稀土离子。
本发明还提出了上述以芳香基取代双膦双氧化物为配体的稀土配合物的合成方法。它以醇作为溶剂,在回流温度下使稀土离子与下述第一、第二配体发生配合反应形成配合物,其中第一配体为阴离子配体,第二配体为中性配体,具体操作如下:
取三当量的第一配体溶于乙醇中,在50~70℃下滴加等当量的氢氧化钠水溶液中和,反应时间为15~60分钟;
取一当量的稀土无机盐或者稀土有机化合物溶于水或者有机溶剂并滴加至体系中,温度控制在70~80℃,反应30~60分钟;
取一当量的第二配体溶于乙醇并滴加至体系中,温度维持在70~80℃,反应时间为2~4小时;
上述合成步骤中,采用的第一配体为β二酮类,该化合物的结构如下:
其中,R1、R2和R3分别为含有烷基、卤代烷基、芳基、卤代芳基、卤代烷烃或者烷基芳烃的基团;其中包括:噻吩基三氟甲基乙酰丙酮,二苯基乙酰丙酮,乙酰丙酮及其他常用β-二酮。
采用的第二配体为芳香基取代双膦双氧化物,该化合物的分子结构如下:
其中,Ar1、Ar2和Ar3分别为含有杂原子的芳烃、芳烃或者烷基芳烃的基团,及其含有烷基、卤代烷基、芳基、卤代芳基、卤素或者烷基芳烃基团的衍生物。
上述方法中,对于第二配体芳香基取代双膦双氧化物的合成,具体操作如下:
(1)当Ar2和Ar3为苯基时,使用二苯基氯化膦作为膦试剂;
取一当量Ar1溴化物溶于无水***或者四氢呋喃,溶剂需要经过无水无氧处理。在-78~0℃下滴加二当量的正丁基锂,反应1~2小时,然后在室温下反应0.5~1小时;
将体系降至-78~0℃,缓慢滴加二苯基氯化膦***或者四氢呋喃溶液,反应2-3小时;然后在室温下反应8~24小时,得到芳香基取代双膦化物;
将上面的双膦化物溶于二氧六环等溶剂中并滴加1.5当量的双氧水氧化,在室温下反应2~4小时,即得到芳香基取代双膦双氧化物。
其中,Ar1溴化物为单取代且在相邻芳环上具有活泼氢时,可加入等当量的N,N,N’,N’-四甲基乙基二胺增加锂化反应速率和产率。Ar1溴化物为双溴代时则无须加入。
(2)当Ar2和Ar3为不同芳香基团时,使用三氯化磷作为膦试剂,以无水***或者四氢呋喃为溶剂,在-78~0℃下向3.5当量的三氯化磷中逐步加入Ar2和Ar3的锂代物,保持三氯化磷过量;将得到的膦试剂体系,滴加至一当量的Ar1锂化物的***或者四氢呋喃溶液中进行反应,将反应得到的膦化物以1.5当量的双氧水氧化,即得到芳香基取代双膦双氧化物。
根据上述给出的两种芳香基取代双膦双氧化物配体的合成方法,可得到下述两种典型配体。即当Ar1为苯醚,二个磷原子分别在二个苯基的邻位上取代,Ar2,Ar3为苯基时,得到第二配体2,2’-二苯基膦氧基苯醚,其结构式如(IV)所示。
当Ar1为萘基,二个磷原子分别在二个萘基的1,8位上取代,Ar2,Ar3为苯基时,得到第二配体1,8-二苯基膦氧基萘,其结构式如(V)所示。
根据上述配合物的合成方法,可得到下述4种典型的配合物。即当中心离子为三价铕离子(Eu3+),第一配体为噻吩基三氟甲基乙酰丙酮,第二配体为2,2’-二苯基膦氧基苯醚时,得到配合物(VI);当第一配体为二苯基乙酰丙酮,第二配体为2,2’-二苯基膦氧基苯醚时,得到配合物(VII);当第一配体为噻吩基三氟甲基乙酰丙酮,第二配体1,8-二苯基膦氧基萘时,得到配合物(VIII);当第一配体为二苯基乙酰丙酮,第二配体1,8-二苯基膦氧基萘时,得到配合物(IX)。
本发明还提供了以该类稀土配合物作为电致发光材料在一类红光器件中的应用。具体步骤如下:首先制作导电层,然后在导电层上真空蒸镀空穴传输材料,再蒸镀前述的稀土配合物掺杂的发光层,其上蒸镀电子传输空穴阻挡材料,接着蒸镀电子传输层,最后蒸镀第二层导电层。
第一层导电层最好制作在衬底上,衬底一般为玻璃或塑料。
第一层导电层为阳极,第二层导电层为阴极。阴极最好由能产生反射的金属或者半透明导体构成,一般为钙、镁、铝、银及其合金,使用铝时最好在其表面镀上一层LiF。阳极最好由氧化铟锡(ITO)或透明导电聚合物(如聚苯胺,PANI)构成。
在第一层导电层和发光层之间有一层空穴传输层,电子传输/空穴阻挡层与第二层导电层之间最好有一层电子传输层;发光层介于空穴传输层与电子传输/空穴阻挡层之间,发光层可以是前述的任何一种稀土配合物与4,4’-N,N’-咔唑基联苯(CBP)的掺杂体。
本发明中的器件阳极由氧化铟锡(ITO)或聚苯胺(PANI)通过蒸镀到玻璃或塑料等透明基质上制成。阴极最好由铝/氟化锂(Al/LiF)构成(厚度为1000nm/10nm)。
为了提高阳极的空穴注入和传输、以及阴极的电子注入和传输,并使电荷能在发光层很好地复合,可以采用空穴传输层、电子传输、空穴传输/电子阻挡层和电子传输/空穴阻挡层。
空穴传输层薄膜的厚度为20~60nm,可以通过真空热蒸发技术在阳极上成膜。
发光层为稀土发光配合物与4,4’-N,N’-咔唑基联苯(CBP)的掺杂体,薄膜厚度为10-100nm,可以通过共蒸发法沉积到空穴传输层上。
电子传输层的薄膜厚度为10~80nm,最好是20~50nm,根据电子传输层材料的不同,可以通过热蒸发将其沉积到电子传输/空穴阻挡层上。
电子传输/空穴阻挡层薄膜的厚度为10~80nm,通过热蒸发技术沉积到发光层上。
附图说明
图1.用本发明中合成的稀土配合物Eu(TTA)3(DPEphos Oxide)的紫外荧光光谱谱图
图2.用本发明中合成的稀土配合物Eu(TTA)3(Naphos Oxide)的紫外荧光光谱谱图
图3.用本发明中合成的稀土配合物Eu(TTA)3(DPEphos Oxide)的热重分析谱图
图4.用本发明中合成的稀土配合物Eu(TTA)3(DPEphos Oxide)的示差扫描分析谱图
图5.用本发明中合成的稀土配合物Eu(TTA)3(Naphos Oxide)的热重分析谱图
图6.用本发明中合成的稀土配合物Eu(TTA)3(Naphos Oxide)的示差扫描分析谱图
图7.用本发明中合成的稀土配合物Eu(TTA)3(DPEphos Oxide)制成的红光器件的电压-电流关系和电压-亮度关系曲线
图8.用本发明中合成的稀土配合物Eu(TTA)3(DPEphos Oxide)制成的红光器件不同电压下的电致发光谱图
具体实施方式
为了更好地理解本发明内容,下面通过实施例和图例来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1、2,2’-二苯基膦化苯醚(DPEphos)的合成
室温N2氛围下将32ml(1.6M)正丁基锂(n-BuLi)和6.0g(51.2mmol)四甲基乙撑二胺(TMEDA)加入两颈瓶中以四氢呋喃溶解,搅拌片刻,滴加4g(23.5mmol)苯醚/15ml四氢呋喃溶液,反应过夜;以注射器抽取9.8ml(54.6mmol)二苯基氯化膦(Ph2PCl)以15ml正己烷稀释后滴加入体系中,出现白色沉淀,反应过夜。体系加二氯甲烷和水分层萃取,有机相干燥旋干,产物以丙酮洗涤得到白色固体。
1H NMR(CDCl3):7.310-7.389(13H),7.223-7.290(2H),7.101-7.192(8H),6.995-7.064(2H),6.670-6.736(2H),6.565-6.631(2H)。
实施例2、2,2’-二苯基膦氧基苯醚(DPEphos Oxide)的合成
室温下将0.527g(1mmol)2,2’-二苯基膦化苯醚(DPEphos)加入两颈瓶中,以30ml1,4-二氧六环溶解,以注射器抽取0.15ml(2.8mmol)30%双氧水水溶液,滴加入体系,剧烈搅拌,出现白色沉淀,反应3h。沉淀过滤,将得到的白色沉淀分别以10ml二氧六环、2×10ml水及10ml丙酮洗涤得到白色固体。
1H NMR(CDCl3):7.558-7.768(10H),7.194-7.544(12H),7.120-7.193(2H),7.036-7.118(2H),5.983-6.080(2H)。
实施例3、稀土配合物Eu(TTA)3(DPEphos Oxide)的合成
两颈瓶中加入333.3mg(1.5mmol)噻吩基三氟甲基乙酰丙酮(TTA)溶于15ml乙醇,滴加0.75ml 2M氢氧化钠水溶液,加热至60℃,回流1h;称取183.2mg(0.5mmol)六水合三氯化铕(EuCl3·6H2O)溶于0.5ml水中,滴加至体系中,70℃下回流1h;将290mg(0.5mmol)2,2’-二苯基膦氧基苯醚(DPEphos Oxide)溶于15ml乙醇,滴加至体系中,出现白色沉淀,回流反应过夜。沉淀过滤,分别以2×10ml水、2×10ml乙醇洗涤得到白色微粉色固体。
实施例4、稀土配合物Eu(DBM)3(DPEphos Oxide)的合成
两颈瓶中加入343.3mg(1.5mmol)二苯基乙酰丙酮(DBM)溶于15ml乙醇中,滴加0.75ml 2M氢氧化钠水溶液,加热至60℃,回流1h;称取183.2mg(0.5mmol)六水合三氯化铕溶于0.5ml水中,滴加至体系中,70℃下回流1h;将沉淀过滤,溶于10ml四氢呋喃中,将290mg(0.5mmol)2,2’-二苯基膦氧基苯醚溶于15ml乙醇,滴加至体系中,反应过夜,体系以二氯甲烷和水萃取分液,二氯甲烷溶液旋干后,产物以甲醇重结晶得到淡黄色固体。
实施例5、1,8-二苯基膦化萘(Naphos)的合成
在N2保护,-20℃下,取2.4mmol n-BuLi溶于10ml无水***中,搅拌30min;取0.28ml 1-溴萘滴加至体系中,自然升至10℃,反应过夜;体系出现白色沉淀后,停止搅拌并降温至-10℃,以3×50ml无水正己烷洗涤沉淀;滴加1.625ml n-BuLi和0.42ml四甲基乙撑二胺,回流过夜,体系变为黄色悬浊液;体系温度降至0℃以10ml四氢呋喃溶解,然后体系温度降至-78℃搅拌20min,滴加0.94ml二苯基氯化膦,自然升至室温,反应过夜,得到灰棕色溶液。溶液水洗干燥旋干,以5ml苯溶解,在加入50ml甲醇至析出沉淀,将体系在-4℃下静置12h,将析出的黄色沉淀过滤,以甲醇洗涤,干燥得产物。
1H NMR(CDCl3):8.128-8.059(2H),7.753-7.664(2H),7.524-7.389(14H),7.373-7.292(8H)。
实施例6、1,8-二苯基膦氧基萘(Naphos Oxide)的合成
取200mg双二苯基膦化萘于50ml烧瓶中,加10ml 1,4-二氧六环搅拌溶解。滴加0.6ml 30%双氧水水溶液,搅拌2h,溶液从黄色变为淡绿色。体系加二氯甲烷和水萃取,油层分离并以水洗去残留的二氧六环,油层干燥旋干得到产物,为白色固体。产率98%。
1H NMR(CDCl3):8.128-8.059(2H),7.753-7.664(2H),7.524-7.389(14H),7.373-7.292(8H)。
实施例7、稀土配合物Eu(TTA)3(Naphos Oxide)的合成
两颈瓶中加入333.3mg(1.5mmol)噻吩基三氟甲基乙酰丙酮溶于15ml乙醇中,滴加0.75ml 2M氢氧化钠水溶液,加热至60℃,回流1h;称取183.2mg(0.5mmol)六水合三氯化铕溶于0.5ml水中,滴加至体系中,70℃下回流1h;将327.3mg(0.5mmol)Naphos Oxide溶于15ml乙醇,滴加至体系中,出现白色沉淀,回流反应过夜。沉淀过滤,分别以2×10ml水、2×10ml乙醇洗涤得到白色微黄色固体。
1H NMR(CDCl3):8.059-7.989(2H),7.779-7.638(2H),7.547-7.374(14H),7.370-7.296(8H)。
实施例8、稀土配合物Eu(DBM)3(Naphos Oxide)的合成
两颈瓶中加入343.3mg(1.5mmol)二苯基乙酰丙酮(DBM)溶于15ml乙醇中,滴加0.75ml 2M氢氧化钠水溶液,加热至60℃,回流1h;称取183.2mg(0.5mmol)六水合三氯化铕溶于0.5ml水中,滴加至体系中,70℃下回流1h;将沉淀过滤,溶于10ml四氢呋喃中,将327.3mg(0.5mmol)Naphos Oxide溶于15ml乙醇,滴加至体系中,反应过夜,体系以二氯甲烷和水萃取分液,二氯甲烷溶液旋干后,产物以甲醇重结晶得到淡黄色固体。
实施例9、电致发光器件的制备
一个以稀土配合物Eu(TTA)3(DPEphos Oxide)与4,4’-N,N’-咔唑基联苯(4,4’-N,N’-咔唑基联苯(CBP))的掺杂体作为发光层的电致发光器件的制备。发光层为稀土配合物Eu(TTA)3(DPEphos Oxide)与4,4’-N,N’-咔唑基联苯的掺杂材料,厚度为30nm。在发光层与阳极(氧化铟锡ITO)之间有一层厚度为40nm的空穴传输层(4,4’-N,N’-萘基苯基胺-联苯NPB)。电子传输/空穴阻挡层的薄膜厚度为30nm。电子传输层介于电子传输/空穴阻挡层与阴极之间,所用材料为八羟基喹啉铝(Alq3),薄膜厚度为30nm。所有材料均采用真空热蒸发技术涂膜。器件的结构为:ITO/NPB(40nm)/Eu配合物:4,4’-N,N’-咔唑基联苯(CBP)(30nm)/BCP(30nm)/Alq(30nm)/LiF(5nm)/Al(100nm)。
Claims (8)
1、一种芳香基取代双膦双氧化物鳌合稀土配合物,其特征在于以稀土离子为中心离子,由两种配体经配合反应而获得,其基本结构如下:
其中,Ar1、Ar2和Ar3分别为含有杂原子的芳烃、芳烃或者烷基芳烃的基团,及其含有烷基、卤代烷基、卤代芳基、卤素或者烷基芳烃基团的衍生物;
R1、R2和R3分别为含有烷基、卤代烷基、芳基、卤代芳基、卤代烷烃或者烷基芳烃的基团;
RE为稀土离子。
3、一种如权利要求1或2所述的配合物的合成方法,其特征在于以醇作为溶剂,在回流温度下使稀土离子与下述第一、第二配体发生配合反应形成配合物,具体操作如下:
取三当量的第一配体溶于乙醇中,在50~70℃下滴加等当量的氢氧化钠水溶液中和,反应时间为15~60分钟;
取一当量的稀土无机盐或者稀土有机化合物溶于水或者有机溶剂并滴加至体系中,温度控制在70~80℃,反应30~60分钟;
取一当量的第二配体溶于乙醇并滴加至体系中,温度维持在70~80℃,反应时间为2~4小时;
上述合成步骤中,采用的第一配体为β-二酮类,该化合物的结构如下:
其中,R1、R2和R3分别为含有烷基、卤代烷基、芳基、卤代芳基、卤代烷烃或者烷基芳烃的基团。
4、根据权利要求3所述配合物的合成方法,其特征在于所述第二配体芳香基取代双膦双氧化物的合成步骤如下:
当Ar2和Ar3为苯基时,使用二苯基氯化膦作为膦试剂;
取一当量Ar1溴化物溶于无水***或者四氢呋喃,在-78~0℃下滴加二当量的正丁基锂,反应1~2小时,然后在室温下反应0.5~1小时;
将体系降至-78~0℃,缓慢滴加二苯基氯化膦***或者四氢呋喃溶液,反应2-3小时;然后在室温下反应8~24小时,得到芳香基取代双膦化物;
将上面的双膦化物溶于二氧六环溶剂中并滴加1.5当量的双氧水氧化,在室温下反应2~4小时,即得到芳香基取代双膦双氧化物。
5、根据权利要求3所述配合物的合成方法,其特征在于所述第二配体芳香基取代双膦双氧化物的合成步骤如下:
当Ar2和Ar3为不同芳香基团时,使用三氯化磷作为膦试剂,以无水***或者四氢呋喃为溶剂,在-78~0℃下向3.5当量的三氯化磷中逐步加入Ar2和Ar3的锂代物,保持三氯化磷过量;将得到的膦试剂体系滴加至一当量的Ar1锂化物的***或者四氢呋喃溶液中进行反应,将反应得到的膦化物以1.5当量的双氧水氧化,即得到芳香基取代双膦双氧化物。
6、一种如权利要求1所述配合物作为电致发光材料在红光器件中的应用。
7、根据权利要求6所述的配合物的应用,其特征在于首先制作导电层,然后在导电层上真空蒸镀空穴传输材料,再蒸镀所述的稀土配合物掺杂的发光层,其上蒸镀电子传输空穴阻挡材料,接着蒸镀电子传输层,最后蒸镀第二层导电层。
8、根据权利要求7所述的配合物的应用,其特征在于所述掺杂发光层为所述稀土配合物与4,4’-N,N’-咔唑基联苯的掺杂体。
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