Title

具共平面性核心之新型共軛材料的合成、性質與應用

Translated Titles

Synthesis, Properties and Applications of Novel π-Conjugated Materials with Coplanar Core

DOI

10.6342/NTU.2010.01256

Authors

陳嘉弘

Key Words

共平面性 ; 共軛材料 ; 有機敏化染料太陽能電池 ; coplanar ; conjugated materials ; dye-sensitized solar cells

PublicationName

臺灣大學化學研究所學位論文

Volume or Term/Year and Month of Publication

2010年

Academic Degree Category

博士

Advisor

汪根欉

Content Language

繁體中文

Chinese Abstract

寡聚噻吩(α-oligothiophene)是常用於有機光電材料的化合物,但由於噻吩環間的翻轉常造成吸收波長無法有效紅移以及分子間π-π作用力的降低;在本論文中,我們利用簡易的合成方法成功得到一系列以碳原子橋接的寡聚噻吩化合物,由X-ray晶體結構可發現此類分子具有高度共平面性;藉由該系列的TT分子作為核心進行衍生化,可順利得到新染料TT1N;雖然新染料在吸收特性上較類似結構YY1有明顯提升,但HOMO能階過高以及缺乏疏水性長碳鏈的存在,造成元件表現不如染料YY1,未來在芴基上官能化長碳鏈,應該能夠提升元件效率;另一方面,藉由此系列的平面結構BTB進行對稱性衍生化,可得到雙酸基化合物BTB-1;此分子具有立體空間龐大、吸收光譜廣泛…等特色,雖然不具有強推電子基,但太陽能電池表現上仍相當不錯,為目前少數非胺類有機染料具有高效率的例子。 最後一部分,我們利用類似想法,成功的將多電子性噻吩環引入三聚茚(truxene)的共軛中心,並進一步合成出一系列新型之C3對稱化合物。透過測量化合物之光物理、熱穩定和電化學性質與純碳氫骨架之三聚茚T1比較,可進一步探討分子結構與性質間的關係。

English Abstract

α-Oligothiophenes are one of the most prominent organic semiconducting materials and have been widely studied in electronic devices. However, deviation from planarity may decrease conjugation in oligothiophenes through torsion about single bonds or S-syn defects. Furthermore, theoretical studies predict that the molecular packing is not optimized for maximum charge carrier mobility. Herein, we report unprecedented synthetic routes for the synthesis of a novel class of carbon bridged oligothiophenes with coplanar molecular configuration. We characterized the nearly flat molecular structures of TT and TTB by using X-ray crystallography. These coplanar cores have also been functionalized as metal-free organic sensitizers TT1N and BTB-1 used for dye-sensitized solar cells (DSSCs) and given PCEs of 4.29% and 5.83%, respectively. On the other hand, we utilized similar idea to synthesize a novel class of star-shaped coplanar molecules with C3 symmetry. To the best of our knowledge, this is the first report about the synthesis of truxene analogues embedding thiophene rings as functional constituents. We anticipate that this new C3-symmetric molecule would drastically reconstitute the properties of its hydrocarbon parent due to the presence of electron-rich thiophene rings.

Topic Category 基礎與應用科學 > 化學
理學院 > 化學研究所
Reference
  1. 2. Komatsu, Y. S.; Suzuki, T. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 4643.
    連結:
  2. 4. Tan, S.; Zhai, J.; Fang, H.; Jiu, T.; Ge, J.; Li, Y.; Jiang, L.; Zhu, D. Chem. Eur. J. 2005, 11, 6272.
    連結:
  3. 8. Okamoto, T.; Kudoh, K.; Wakamiya, A.; Yamaguchi, S. Chem. Eur. J. 2007, 13, 548.
    連結:
  4. 10. Curtis, M. D.; Cao, J.; Kampf, J. W. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 4318.
    連結:
  5. 18. 趙登志,國立台灣大學博士論文,寡聚芴及含茚噻吩寡聚物之合成、性質與應用,中華民國95年6月。
    連結:
  6. 19. 紀良臻,國立台灣大學碩士論文,茚芴之共軛寡聚物的合成與性質研究,中華民國95年6月。
    連結:
  7. 20. Rathore, R.; Abdelwahed, S. H.; Guzei, I. A. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 8712.
    連結:
  8. 23. Tang, C. W. Appl. Phy. Lett., 1986, 48, 183.
    連結:
  9. 24. Yu, G.; Zhang, C.; Heeger, A. J. Appl. Phys. Lett., 1994, 64, 1540.
    連結:
  10. 31. Ooyama, Y.; Harima, Y. Eur. J. Org. Chem. 2009, 2903.
    連結:
  11. 32. Mishra, A.; Fischer, M. K. R.; Bäuerle, P. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 2474.
    連結:
  12. 33. Montanari, I.; Nelson, J.; Durrant, J. R. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 12203.
    連結:
  13. 34. Ning, Z.; Tian, H. Chem. Commun., 2008, 5483.
    連結:
  14. 42. Lin, J. T.; Chen, P.-C.; Yen, Y.-S.; Hsu, Y.-C.; Chou, H.-H.; Yeh, M.-C. P. Org. Lett. 2009, 11, 97.
    連結:
  15. 43. Li, Q.; Zhong, C.; Huang J.; Huang Q.; Shi, J.; Jin, X. Peng, T.; Qin, J.; Li, Z. Chem. Eur. J. 2009, 15, 9664.
    連結:
  16. 45. Zeng, W.; Cao, Y.; Bai, Y.; Wang, Y.; Shi, Y.; Zhang, M.; Wang, F.; Pan, C.; Wang, P. Chem. Mater. 2010, 22, 1915.
    連結:
  17. 49. Wong, K. T.; Chao, T. C.; Chi, L. C.; Chu, Y. Y.; Balaiah, A.; Chiu, S. F.; Liu, Y. H.; Wang, Y. Org. Lett. 2006, 8, 5033.
    連結:
  18. 50. 邱仕豐,國立台灣大學碩士論文,3,6-雙取代咔唑與二聚茚噻吩分子的合成及光電應用,中華民國96年7月。
    連結:
  19. 51. 林雅晏,國立台灣大學碩士論文,合成以二聚茚噻吩為主體之太陽能電池敏化染料,中華民國97年7月。
    連結:
  20. 56. Wong, K. T.; Chien, Y. Y.; Chen, R. T.; Wang, C. F.; Lin, Y. T.; Chiang, H. H.; Hsieh, P. Y.; Wu, C. C.; Chou, C. H.; Su, Y. O.; Lee, G. H.; Peng, S. M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 11576.
    連結:
  21. 58. Lai, W.-Y.; Xia, R.; He, Q.-Y.; Levermore, P. A.; Huang, W.; Bradley, D. D. C. Adv. Mater. 2009, 21, 355.
    連結:
  22. 61. Zheng, Q.; He, G. S.; Prasad, P. N.; Chem. Mater. 2005, 17, 6004.
    連結:
  23. 69. Luo, J.; Lei, T.; Xu, X.; Li, F.-M.; Ma, Y.; Wu, K.; Pei, J. Chem. Eur. J. 2008, 14, 3860.
    連結:
  24. 70. Dehmlow, E. V.; Kelle, T. Synth. Commun. 1997, 27, 2021.
    連結:
  25. 72. Terai, H.; Takaya, H.; Naota, T. Tetrahedron Leters 2006, 47, 1705.
    連結:
  26. 75. 朱映盈,國立台灣大學碩士論文,新型平面性共軛材料的合成與 性質探討,中華民國95年6月。
    連結:
  27. 77. Lai, W.-Y.; He, Q.-Y.; Zhu, R.; Chen Q.-Q.; Huang, W. Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 265.
    連結:
  28. 79. Gómez-Lor, B.; Hennrich, G.; Alonso, B.; Monge, A.; Gutierrez-Puebla, E.; Echavarren, A. M. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 4491.
    連結:
  29. 80. Gómez-Lor, B.; Echavarren, A. M. Org. Lett. 2004, 6, 2993.
    連結:
  30. 1. Ganier, F. Acc. Chem. Res. 1999, 32, 209. (b) Dodabalapur, A.; Torsi, L.; Katz, H. E. Science 1995, 268, 270.
  31. 3. Bettignies, R.; Nicolas, Y.; Blanchard, P.; Levillain, E.; Nunzi, J.-M. Roncali, J. Adv. Mater. 2003, 15, 1939.
  32. 5. (a) Koumura, N.; Wang, Z.-S.; Mori, S.; Miyashita, M.; Suzuki, E.; Hara, K. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 14256. (b) Choi, H.; Baik, C.; Kang, S. O.; Ko, J.; Kang, M.-S.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 327.
  33. 6. Chen, C.-P.; Chan, S.-H.; Chao, T.-C.; Ting, C.; Ko, B.-T. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 12828.
  34. 7. Zhang, X.; Coˆ te´, A. P.; Matzger, A. J. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 10502.
  35. 9. Xiao, K.; Liu, Y.; Qi, T.; Zhang, W.; Wang, F.; Gao, J.; Qiu, W., Ma, Y.; Cui, G.; Chen, S.; Zhan, X.; Yu, G.; Qin, J.; Hu, W.; Zhu, D. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 13281.
  36. 11. Qin, H.; Wenger, S.; Xu, M.; Gao, F.; Jing, X.; Wang, P.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 9202.
  37. 12. Yang, H.-Y.; Yen, Y.-S.; Hsu, Y.-C.; Chou, H.-H.; Lin, J. T. Org. Lett. 2010, 12, 16.
  38. 13. Xu, M.; Qin, H, Gao, F.; Wang, P.; Zackruding, Z.; Greyson, M. Faming Zhuanli Shenqing Gongkai Shuomingshu 2008, 42pp.
  39. 14. Mühlbacher, D.; Scharber, M.; Morana, M.; Zhu, Z.; Waller, D.; Gaudiana, R.; Brabec, C. Adv. Mater. 2006, 18, 2884.
  40. 15. Peet, J.; Kim, J. Y.; Coates, N. E.; Ma, W. L.; Moses, D.; Heeger, A. J.; Bazan, G. C. Nat. Mater. 2007, 6, 497.
  41. 16. (a) Lucas, P., Mehdi, N. E.; Ho, H. A.; Bélanger, D.; Breau, L. Synthesis 2000, 9, 1253. (b) Mitschke, U.; Bäuerle, P. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 2001, 740.
  42. 17. Facchetti, A.; Yoon, M.-H.; Stern C. L.; Hutchison, G. R.; Ratner, M. A.; Marks, T. J. J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 13480.
  43. 21. Thirion, D.; Poriel, C.; Barrie`re, F.; Me´tivier, R.; Jeannin, O.; Rault-Berthelot, J. Org. Lett. 2009, 11, 4794.
  44. 22. 五南出版社,有機與塑膠太陽能電池.
  45. 25. Sariciftci, N. S.; Smilowitz, L.; Heeger, A. J.; Wudl, F. Science , 1992, 258, 1474.
  46. 26. Smilowitz, L.; Sariciftci, N. S.; Wu, R.; Gettinger, C.; Heeger, A. J.; Wudl, F. Phys. Rev. B, 1993, 47, 13835.
  47. 27. Yu, G.; Gao, J.; Hummelen, J.; Wudl, F.; Heeger, A. J. Science , 1995, 270, 1789.
  48. 28. Lee, J. K.; Ma, W. L.; Brabec, C. J.; Yuen, J.; Moon, J. S.; Kim, J. Y.; Lee, K.; Bazan, G. C.; Heeger, A. J. J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 3619.
  49. 29. Liang, Y.; Xu, Z.; Xia, J.; Tsai, S.-T.; Wu, Y.; Li, G.; Ray, C.; Yu, L. Adv. Mater., 2010, 22, E135-E138.
  50. 30. O’Reagan, B.; Grätzel, M. Nature 1991, 353, 737.
  51. 35. Kim, S.; Lee, J. K.; Kang, S. O.; Ko., J.; Yum, J. H.; Fantacci, S.; De Angelis, F.; Di Censo, D.; Nazeeruddin, M. K.; Gratzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 16701.
  52. 36. Kim, S.; Kim, D.; Choi, H.; Kang, M.-S.; Song, K.; Kang, S. O.; Ko, J. Chem. Commun., 2008, 4951.
  53. 37. Yum, J.-H.; Hagberg, D. P.; Moon, S.-J.; Karlsson, K. M.; Marinado, T.; Sun, L.; Hagfeldt, A.; Nazeeruddin, M. K.; Gratzel, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 1576.
  54. 38. Ko, S.; Choi, H.; Kang, M.-S.; Hwang, H.; Ji, H.; Kim, J.; Ko, J.; Kang, Y. J. Mater. Chem. 2010, 20, 2391.
  55. 39. Kim, J.-J.; Choi, H.; Lee, J.-W.; Kang, M.-S.; Song, K.; Kang, S. O.; Ko, J. J. Mater. Chem., 2008, 18, 5223.
  56. 40. Hwang, S.; Lee, J. H.; Park, C., Lee, H.; Kim, C.; Park, C.; Lee, M.-H.; Lee, H.; Park, J.; Kim, K.; Park N.-G.; Kim, G. Chem. Commun., 2007, 4887.
  57. 41. Li, G.; Jiang, K.-J.; Li, Y.-F.; Li, S.-L.; Yang, L.-M. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 11591.
  58. 44. Liu, W.-H.; Wu, I.-C.; Lai, C.-H.; Lai, C.-H.; Chou, P.-T.; Li, Y.-T.; Chen, C.-L.; Hsu, Y.-Y.; Chi, Y. Chem. Commun., 2008, 5152.
  59. 46. Liang, Y.; Peng, B.; Liang, J.; Tao, Z.; Chen, J. Org. Lett. 2010, 12, 1204.
  60. 47. Ning, Z.; Zhang, Q.; Pei, H.; Luan, J.; Lu, C.; Cui, Y.; Tian, H. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 10307.
  61. 48. Heredia, D.; Natera, J.; Gervaldo, M.; Otero, F. F.; Lin, C.-Y.; Ken, T.-W. Org. Lett. 2010, 12, 12.
  62. 52. Hagberg, D. P.; Edvinsson, T.; Marinado, T.; Boschloo,G.; Hagfeldt, A.; Sun, L. Chem. Commun., 2006, 2245.
  63. 53. Hao, Y.; Yang, X.; Cong, J.; Tian, H.; Hagfeldt, A.; Sun, L. Chem. Commun., 2009, 4031.
  64. 54. Chen, M.-H.; Hou, J.; Hong, Z.; Yang, G.; Sista, S.; Chen, L.-M.; Yang, Y. Adv. Mater. 2009, 21, 4238.
  65. 55. Thomas K. R. J.; Lin J. T.; Hsu Y.-C.; Ho, K.-C. Chem. Commun., 2005, 4098.
  66. 57. Sun, Y.; Xiao, K.; Liu, Y.; Wang, J.; Pei, J.;Yu, G.; Zhu, D. Adv. Funct. Mater. 2005, 15, 818.
  67. 59. Gómez-Lor B.; Frutos, Ó.; Echavarren, A. M. Chem. Commun., 1999, 2431.
  68. 60. Otero, G.; Biddau, G.; Sanchez-Sanchez, C.; Caillard, R.; Lopez, M. F.; Rogero, C.; Palomares, F. J.; Cabello, N.; Basanta, M. A.; Ortega, J.; Mendez, J.; Echavarren, A. M.; Perez, R.; Gomez-Lor, B.; Martin-Gago, J. A. Nature 2008, 454, 865.
  69. 62. (a) Wang, J.-Y.; Yan, J.; Li, Z.; Han, J.-M.; Ma, Y.; Bian, J.; Pei, J. Chem. Eur. J. 2008, 14, 7760. (b) Wang, J.-L.; Zhong, C.; Tang, Z.-M.; Wu, H.; Ma, Y.; Cao, Y.; Pei, J. Chem. Asian. J. 2010, 5, 105.
  70. 63. Sandstrom, D.; Nygren, M.; Zimmermann, H.; Maliniakt, A. J. Phys. Chem. 1995, 99, 6661.
  71. 64. Lambert, C.; Nöll, G.; Schmälzlin, E.; Meerholz, K.; Bräuchle, C. Chem. Eur. J. 1998, 4, 2129.
  72. 65. Pei, J.; Wang, J.-L.; Cao, X.-Y.; Zhou, X.-H.; Zhang, W.-B. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 9944.
  73. 66. Cao, X.-Y.; Zhang, W.-B.; Wang, J.-L.; Zhou, X.-H.; Lu, H.; Pei, J. J. Am Chem. Soc. 2003, 125, 12430.
  74. 67. Wang, J.-L.; Yan, J.; Tang, Z.-M.; Xiao, Q.; Ma, Y.; Pei, J. J. Am Chem. Soc. 2008, 130, 9952.
  75. 68. de Frutos, Ó.; Gómez-Lor, B.; Granier, T.; Jime´nez-Barbero, J.; Monge, M. Á.; Gutie´rrez-Puebla, E.; Echavarren, A. M. Angew. Chem. Int. Ed. 1999, 38, 204.
  76. 71. Elmorsy, S. S.; Pelter, A.; Hursthouse, M . B.; Ando, D. Tetrahedron Lett. 1992, 33, 821.
  77. 73. Gómez-Lor, B.; de Frutos, Ó.;Ceballos, Pla´cido; Granier, T.; Echavarren, A. M. Eur. J. Org. Chem. 2001, 2107.
  78. 74. Luo, J.; Zhou, Y.; Niu, Z.-Q.; Zhou, Q.-F.; Ma, Y.; Pei, J. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 11314.
  79. 76. Lai, W. Y.; Zhu, R.; Fan, Q. L.; Hou, L. T.; Cao, Y.; Huang, W. Macromolecules 2006, 39, 3707.
  80. 78. Gómez-Lor, B.; Alonso, B.; Omenat, A.; Serrano, J. L. Chem. Commun., 2006, 5012.
  81. 81. Robertson, N.; Parsons, S.; MacLean, E. J.; Coxall, R. A.; Mount, A. R. J. Mater. Chem. 2000, 10, 2043.
  82. 82. (a) Bergman, J.; Egestad, B. Tetrahedron Letters 1978, 34, 3143. (b) Bergman, J.; Egestad, B. Tetrahedron 1986, 42, 763. (c) Bergman, J.; Eklund, N. Tetrahedron 1980, 36, 1445.
  83. 83. Rasmussen, S. C.; Radke, K. R.; Ogawa, K. Org. Lett. 2005, 7, 5253.
Times Cited
  1. 羅鈞元(2014)。應用於染料敏化太陽能電池之新穎雙錨基材料的設計與合成。臺灣大學化學研究所學位論文。2014。1-111。 
  2. 李建隆(2013)。具C3 對稱有機異構分子的合成及其自組裝奈米微結構之鑑定。臺灣大學化學研究所學位論文。2013。1-73。