[发明专利]一种N-苯基富勒烯吡咯烷衍生物及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于材料化学领域，涉及一种富勒烯吡咯烷衍生物，具体涉及一种N-苯基富勒烯吡咯烷衍生物，其制备方法，及其作为受体材料在制备光伏器件中的用途。

背景技术

富勒烯C60具有三维的大π电子体系，因此具有良好的接受电子的性质以及较高的电子迁移率，是一种良好的n-型半导体材料。此外，富勒烯具有缺电子烯烃的特征，易于发生加成反应，因此可以通过加成反应来制备各种富勒烯衍生物。通过选择加成类型和加成基团还可以进一步调控富勒烯的电学性质、光学性质、溶解度以及与其他材料的兼容性等。近年来，富勒烯及其衍生物已被广泛应用于聚合物太阳能电池、场效应晶体管等有机光电子器件，并表现出良好的性能及广阔的应用前景。

C60衍生物中的(6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）是一种最为典型的富勒烯基电子受体材料，目前已实现商品化。PCBM不但具有良好的电学性能，而且可以与多种聚合物给体材料混溶并表现出良好的兼容性，已经广泛应用于聚合物太阳电池。PCBM最早由Fred Wudl等人合成，是在C60的6,6键上加成以生成环丙烷衍生物。但是，由于在合成过程中会同时产生在5,6键上加成的产物，并且两种产物的极性相近，因此，对后续的分离工作要求也较高。

富勒烯吡咯烷衍生物也是一类较为常见的富勒烯6,6键加成产物，其合成路线简单且没有5,6键加成产物生成，后续分离工作相对简单。由于吡咯烷基团的加成会在一定程度上提高富勒烯C60的最低未占有轨道（LUMO）能级，因此以这类衍生物作为聚合物电池的受体材料有望获得更高的开路电压（Voc）。作为受体材料使用的富勒烯吡咯烷衍生物已有报道，其吡咯烷基的2位多为苯基、噻吩基或芴基等芳基或杂芳基取代基，N位多为甲基和乙基等烷基取代基。在相同实验条件下，基于这类衍生物的光伏器件与基于PCBM的器件的性能差异主要与其吡咯环上的取代基种类相关。因此，通过从种类繁多的取代基中为C60衍生物的吡咯环选取合适的取代基，进而合成性能接近于或优于PCBM的受体材料已成为当务之急。

发明内容

针对上述情况，本发明设计并成功制备出一系列N位为苯基取代基的富勒烯吡咯烷衍生物（FP1、FP2、FP3和FP4），其中FP1的光伏性能与PCBM非常接近，FP2、FP3和FP4也均表现出良好的光伏性能。

本发明的目的在于提供一种如式（I）所示的N-苯基富勒烯吡咯烷衍生物：

其中：R₁为C₁-C₁₀的直链或支链烷氧基、C₂-C₁₀的直链或支链烯氧基、C₂-C₁₀的直链或支链炔氧基、苯氧基或萘氧基；R₂为氢、C₁-C₁₀的直链或支链烷氧基、C₂-C₁₀的直链或支链烯氧基、C₂-C₁₀的直链或支链炔氧基、苯氧基或萘氧基。

优选的，式（I）中R₁为C₁-C₁₀的直链或支链烷氧基，R₂为氢或C₁-C₁₀的直链或支链烷氧基。

优选的，式（I）中R₁为甲氧基、己氧基或2-乙基己氧基，R₂为氢或己氧基。

本发明的另一个目的在于提供一种上述N-苯基富勒烯吡咯烷衍生物的制备方法，其包括如下步骤：

1）在惰性气氛下，向无水溶剂中加入富勒烯C60、N-苯基甘氨酸和取代的苯甲醛，其摩尔比为1:3~4:1.5~2，搅拌并加热回流6~12个小时，冷却至室温后得到混合液；

2）将步骤1）中获得的混合液减压蒸馏，通过硅胶柱色谱法分离得到N-苯基富勒烯吡咯烷衍生物粗品，其中淋洗剂是体积比为10:1~1:1的正己烷/甲苯混合溶剂；

3）将步骤2）中获得的粗品通过高效液相色谱法进行纯化，减压蒸馏后依次使用正己烷、甲醇清洗2次，真空干燥12小时，即得N-苯基富勒烯吡咯烷衍生物。

优选的，在上述制备方法中，步骤1）中所述惰性气体为N₂或Ar，优选Ar。

优选的，在上述制备方法中，步骤1）中所述无水溶剂为无水甲苯或无水氯苯，优选无水甲苯。