НОВЫЕ N,S(Se)-ГЕТЕРОАЦЕНЫ НА ОСНОВЕ ТИЕНО[3,2-6]ТИОФЕНА И ЕГО СЕЛЕНСОДЕРЖАЩИХ АНАЛОГОВ: СИНТЕЗ И СВОЙСТВА
|
Введение 4
Глава 1. Построение конденсированных систем на основе аннелированных халькогенофенов (Литературный обзор) 8
1.1 Синтез соединений с тиено[3,2-й]тиофеновым каркасом 9
1.1.1 Синтез тиено[3,2-й]тиофенового фрагмента путём аннелирования тиофенового
кольца 10
1.1.1.1 Аннелирование тиофенового кольца с использованием 8-нуклеофилов ....10
1.1.1.2 Генерация С-нуклеофила из тиофена с последующей обработкой
источниками серы 13
1.1.1.3 Аннелирование тиофенового кольца с помощью окислительных и
радикальных процессов 16
1.1.2 Одностадийное формирование тиено[3,2-й]тиофенового фрагмента 18
1.2 Синтез соединений с дитиено[3,2-й;2',3'-^]тиофеновым каркасом 21
1.2.1 Аннелирование двух концевых тиофеновых колец к центральному тиофену 22
1.2.2 Конструирование центрального тиофенового кольца между двумя тиофеновыми
фрагментами 23
1.2.3 Аннелирование тиофенового кольца к тиено[3,2-й]тиофеновому каркасу 26
1.3 Синтез линейных тиеноаценов и других гетероаценов с тиено[3,2-й]тиофеновым
фрагментом 27
1.3.1 Синтез тиеноаценов с четырьмя и более конденсированными тиофенами 28
1.3.2 Синтез ^8-гетероаценов с тиено[3,2-й]тиофеновым фрагментом 30
Глава 2. Результаты и обсуждения 35
2.1 Построение тиено[3,2-й]тиофенового фрагмента и его селенсодержащих аналогов 35
2.1.1 Синтез исходных соединений 35
2.1.2 Аннелирование тиофенового кольца под действием тиогликолятов 38
2.1.3 Аннелирование халькогенофенового кольца с использованием халькогенидов
натрия и алкилирующих агентов 40
2.1.3.1 Аннелирование тиофенового кольца при помощи сульфида натрия 40
2.1.3.2 Аннелирование селенофенового кольца при помощи селенида натрия 43
2.2 Дальнейшая модификация соединений с тиено[3,2-й]тиофеновым и селенофено[3,2-й]- тиофеновым каркасами и синтез поликонденсированных структур на их основе 45
2.2.1 Синтез 2-формилзамещенных производных бензо[й]тиено[2,3-^]тиофенов 45
2.2.2 Синтез производных тиено- и селенофено[3,2-й]тиофен-3(2Я)-онов и получение
Н8(8е)-гетероаценов на их основе 45
2.2.2.1 Синтез арилзамещённых и бензаннелированных тиофен-3(2Л)-онов 45
2.2.2.2 Синтез гетероаценов на основе тиено- и селенофено[2',3':4,5]тиено[3,2-й]-
индолов 47
2.2.2.3 Синтез гетероаценов на основе бензо[й]тиено[2,3-^тиофенового / бензо[4,5]селенофено[3,2-й]тиофенового и хинолинового / 1,8-нафтиридинового ядер 50
2.2.3 Аннелирование дополнительного тиофенового кольца и получение гетероаценов с тремя конденсированными халькогенофенами 53
2.2.3.1 Синтез производных с бензо[4,5]селенофено[3,2-^]тиено[2,3-^]тиофеновым
ядром и ^8,8е-гетероаценов на их основе 53
2.2.3.2 Синтез производных с бензо[4',5']тиено[2',3':4,5]тиено[3,2-й]тиофеновым
ядром и ^8-гетероаценов на их основе 54
2.3 Физико-химические характеристики тонких плёнок некоторых полученных соединений 57
Глава 3. Экспериментальная часть 68
Заключение 125
Список сокращений и условных обозначений 126
Список литературы 128
Глава 1. Построение конденсированных систем на основе аннелированных халькогенофенов (Литературный обзор) 8
1.1 Синтез соединений с тиено[3,2-й]тиофеновым каркасом 9
1.1.1 Синтез тиено[3,2-й]тиофенового фрагмента путём аннелирования тиофенового
кольца 10
1.1.1.1 Аннелирование тиофенового кольца с использованием 8-нуклеофилов ....10
1.1.1.2 Генерация С-нуклеофила из тиофена с последующей обработкой
источниками серы 13
1.1.1.3 Аннелирование тиофенового кольца с помощью окислительных и
радикальных процессов 16
1.1.2 Одностадийное формирование тиено[3,2-й]тиофенового фрагмента 18
1.2 Синтез соединений с дитиено[3,2-й;2',3'-^]тиофеновым каркасом 21
1.2.1 Аннелирование двух концевых тиофеновых колец к центральному тиофену 22
1.2.2 Конструирование центрального тиофенового кольца между двумя тиофеновыми
фрагментами 23
1.2.3 Аннелирование тиофенового кольца к тиено[3,2-й]тиофеновому каркасу 26
1.3 Синтез линейных тиеноаценов и других гетероаценов с тиено[3,2-й]тиофеновым
фрагментом 27
1.3.1 Синтез тиеноаценов с четырьмя и более конденсированными тиофенами 28
1.3.2 Синтез ^8-гетероаценов с тиено[3,2-й]тиофеновым фрагментом 30
Глава 2. Результаты и обсуждения 35
2.1 Построение тиено[3,2-й]тиофенового фрагмента и его селенсодержащих аналогов 35
2.1.1 Синтез исходных соединений 35
2.1.2 Аннелирование тиофенового кольца под действием тиогликолятов 38
2.1.3 Аннелирование халькогенофенового кольца с использованием халькогенидов
натрия и алкилирующих агентов 40
2.1.3.1 Аннелирование тиофенового кольца при помощи сульфида натрия 40
2.1.3.2 Аннелирование селенофенового кольца при помощи селенида натрия 43
2.2 Дальнейшая модификация соединений с тиено[3,2-й]тиофеновым и селенофено[3,2-й]- тиофеновым каркасами и синтез поликонденсированных структур на их основе 45
2.2.1 Синтез 2-формилзамещенных производных бензо[й]тиено[2,3-^]тиофенов 45
2.2.2 Синтез производных тиено- и селенофено[3,2-й]тиофен-3(2Я)-онов и получение
Н8(8е)-гетероаценов на их основе 45
2.2.2.1 Синтез арилзамещённых и бензаннелированных тиофен-3(2Л)-онов 45
2.2.2.2 Синтез гетероаценов на основе тиено- и селенофено[2',3':4,5]тиено[3,2-й]-
индолов 47
2.2.2.3 Синтез гетероаценов на основе бензо[й]тиено[2,3-^тиофенового / бензо[4,5]селенофено[3,2-й]тиофенового и хинолинового / 1,8-нафтиридинового ядер 50
2.2.3 Аннелирование дополнительного тиофенового кольца и получение гетероаценов с тремя конденсированными халькогенофенами 53
2.2.3.1 Синтез производных с бензо[4,5]селенофено[3,2-^]тиено[2,3-^]тиофеновым
ядром и ^8,8е-гетероаценов на их основе 53
2.2.3.2 Синтез производных с бензо[4',5']тиено[2',3':4,5]тиено[3,2-й]тиофеновым
ядром и ^8-гетероаценов на их основе 54
2.3 Физико-химические характеристики тонких плёнок некоторых полученных соединений 57
Глава 3. Экспериментальная часть 68
Заключение 125
Список сокращений и условных обозначений 126
Список литературы 128
Актуальность и степень разработанности темы исследования. Современный мир невозможно представить без электронных устройств. В настоящее время предпочтение при их производстве, безусловно, отдаётся кремниевым технологиям. Однако, все активнее ведутся поиски принципиально новых материалов на основе органических соединений, способных ключевым образом помочь в решении актуальных задач, стоящих перед стремительно развивающейся электронной промышленностью.
Органическая электроника заняла лидирующее место среди передовых многообещающих технологий благодаря ряду отличительных особенностей: во-первых, она обладает свойствами механической гибкости или даже растяжимости, что позволяет интегрировать её в объекты, характеризующиеся нетрадиционными форм-факторами; во- вторых, для производства органической электроники могут быть использованы методы нанесения из растворов, что делает возможным единовременное производство устройств большой площади и значительно снижает стоимость производства; в-третьих, некоторые группы органических материалов являются биосовместимыми, что обеспечивает высокую степень интеграции электроники и биологии [1-10].
В связи с бурным развитием органической электроники потребность как в эффективных материалах, так и в простых, удобных и экономически выгодных способах их синтеза растёт год от года. Особенно востребованными являются соединения, содержащие в своём составе халькогеновые атомы, такие как тиено[3,2-й]тиофен (ТТ) или его селенофеновые аналоги [11]. В частности, ТТ-фрагмент является структурным элементом различных тиеноаценов и ^8-содержащих поликонденсированных систем (N,8- гетероаценов), нашедших широкое применение в качестве зарядотранспортных слоёв в органических полевых транзисторах и солнечных батареях [12-14].
Тем не менее, поиск рациональных методов получения материалов с заданными физическими свойствами на основе конденсированных тиофенов и их производных, а также новых структур на их основе, перспективных с точки зрения органической электроники, остается актуальным.
Цель работы - разработать метод получения ^8(8е)-гетероаценов разнообразного строения на основе тиено[3,2-й]тиофена и его селенсодержащих аналогов, а также оценить возможность их использования в качестве полупроводниковых материалов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
- разработать способы получения функциональных производных тиено[3,2-й]- тиофена и его селенсодержащих аналогов;
- создать эффективные синтетические подходы к построению поликонденсированных структур на базе тиено[3,2-й]тиофена и селенофено[3,2-й]тиофена;
- изучить фотофизические и электрохимические свойства полученных Х,8(8е)- гетероаценов, а также подвижность носителей зарядов в материалах на их основе.
Научная новизна работы и теоретическая значимость:
- впервые разработаны не требующие катализа переходными металлами способы синтеза широкого ряда функциональных производных тиено[3,2-й]тиофена и его селенсодержащих аналогов, а также поликонденсированных систем на их основе с использованием комбинации реакций Фиссельмана, Фридлендера и Фишера;
- впервые показана возможность аннелирования селенофенового кольца на основе реакции селенида натрия с электрофильными субстратами;
- осуществлён синтез трёх новых классов ,8,8с-содержащих гетероаценов: селенофено[2',3':4,5]тиено[3,2-й]индолов, селенофено[2',3':4,5]тиено[3,2-й]хинолинов и селенофено[2',3':4,5]тиено[3,2-й][1,8]нафтиридинов
- проведена количественная оценка подвижности дырок в тонких плёнках некоторых синтезированных гетероаценов методом экстракции зарядов путём линейного увеличения напряжения (СЕЫУ метод).
Практическая значимость работы. Синтезирован широкий ряд новых производных халькогенофено[3,2-й]халькогенофенов с различными функциональными заместителями, позволяющими производить дальнейшую модификацию полученных соединений. Разработана общая стратегия последовательного аннелирования сера-, селен- и азотсодержащих циклов, пригодная для конструирования поликонденсированных систем различного строения и включающая в себя легко масштабируемые реакции. Электрофизические характеристики некоторых полученных ^8(8е)-гетероаценов позволяют рассматривать их как перспективные полупроводниковые материалы для использования в устройствах органической электроники.
Положения, выносимые на защиту:
- способы синтеза функциональных производных тиено[3,2-й]тиофена и его селенсодержащих аналогов;
- модификация полученных производных халькогенофено[3,2-й]-халькогенофенов;
- синтетические подходы к N,S(Se)-гетероаценам разнообразного строения;
- оценка перспективности использования полученных гетероаценов в качестве полупроводниковых материалов.
Личный вклад соискателя состоит в сборе и систематизации литературных данных по методам синтеза конденсированных систем на основе аннелированных халькогенофенов, постановке задач исследования, планировании и проведении химических экспериментов, анализе, интерпретации и обобщении полученных данных как в области синтетической части работы, так и в материаловедческой, а также в подготовке публикаций по результатам исследований.
Методология и методы диссертационного исследования основаны на анализе литературных данных и направленном органическом синтезе. Строение соединений подтверждено использованием комплекса методов физико-химического анализа (элементный анализ, масс-спектрометрия высокого разрешения, ИК и ЯМР 1Н, 13С, 19F спектроскопия, ГХ-МС, РСА), выполненных в ЦКП "Спектроскопия и анализ органических соединений" (ЦКП САОС) при ИОС УрО РАН.
Степень достоверности результатов обеспечена применением современных методов исследования и хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов. Анализ состава, структуры и чистоты полученных соединений осуществлялся на сертифицированных и поверенных приборах ЦКП САОС.
Апробация результатов диссертационной работы. Основные результаты диссертации доложены на XXIX Российской молодежной конференции с международным участием «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 2019 г.), Markovnikov Congress on Organic Chemistry (Казань, 2019 г.), XXI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Санкт-Петербург, 2019 г.), IV Международной конференции «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов» (MOSM 2020) (Екатеринбург, 2020 г.), Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2021» (Москва, 2021 г.), а также на Mendeleev 2021, The XII International Conference on Chemistry for Young Scientists (Санкт-Петербург, 2021).
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках соглашения с Институтом органической химии им. Зелинского РАН № 075-15-2020-803.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 5 статей в рецензируемых научных журналах (Scopus, Web of Science) и тезисы 6 докладов.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа общим объёмом 145 страниц состоит из трёх основных глав: литературного обзора, обсуждения результатов и экспериментальной части, а также оглавления, введения, заключения, списка литературы и условных сокращений. Обзор литературы посвящен методам получения конденсированных систем на основе аннелированных халькогенофенов. Работа содержит 169 ссылок на литературные источники, 2 таблицы, 64 схемы и 14 рисунков.
Органическая электроника заняла лидирующее место среди передовых многообещающих технологий благодаря ряду отличительных особенностей: во-первых, она обладает свойствами механической гибкости или даже растяжимости, что позволяет интегрировать её в объекты, характеризующиеся нетрадиционными форм-факторами; во- вторых, для производства органической электроники могут быть использованы методы нанесения из растворов, что делает возможным единовременное производство устройств большой площади и значительно снижает стоимость производства; в-третьих, некоторые группы органических материалов являются биосовместимыми, что обеспечивает высокую степень интеграции электроники и биологии [1-10].
В связи с бурным развитием органической электроники потребность как в эффективных материалах, так и в простых, удобных и экономически выгодных способах их синтеза растёт год от года. Особенно востребованными являются соединения, содержащие в своём составе халькогеновые атомы, такие как тиено[3,2-й]тиофен (ТТ) или его селенофеновые аналоги [11]. В частности, ТТ-фрагмент является структурным элементом различных тиеноаценов и ^8-содержащих поликонденсированных систем (N,8- гетероаценов), нашедших широкое применение в качестве зарядотранспортных слоёв в органических полевых транзисторах и солнечных батареях [12-14].
Тем не менее, поиск рациональных методов получения материалов с заданными физическими свойствами на основе конденсированных тиофенов и их производных, а также новых структур на их основе, перспективных с точки зрения органической электроники, остается актуальным.
Цель работы - разработать метод получения ^8(8е)-гетероаценов разнообразного строения на основе тиено[3,2-й]тиофена и его селенсодержащих аналогов, а также оценить возможность их использования в качестве полупроводниковых материалов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
- разработать способы получения функциональных производных тиено[3,2-й]- тиофена и его селенсодержащих аналогов;
- создать эффективные синтетические подходы к построению поликонденсированных структур на базе тиено[3,2-й]тиофена и селенофено[3,2-й]тиофена;
- изучить фотофизические и электрохимические свойства полученных Х,8(8е)- гетероаценов, а также подвижность носителей зарядов в материалах на их основе.
Научная новизна работы и теоретическая значимость:
- впервые разработаны не требующие катализа переходными металлами способы синтеза широкого ряда функциональных производных тиено[3,2-й]тиофена и его селенсодержащих аналогов, а также поликонденсированных систем на их основе с использованием комбинации реакций Фиссельмана, Фридлендера и Фишера;
- впервые показана возможность аннелирования селенофенового кольца на основе реакции селенида натрия с электрофильными субстратами;
- осуществлён синтез трёх новых классов ,8,8с-содержащих гетероаценов: селенофено[2',3':4,5]тиено[3,2-й]индолов, селенофено[2',3':4,5]тиено[3,2-й]хинолинов и селенофено[2',3':4,5]тиено[3,2-й][1,8]нафтиридинов
- проведена количественная оценка подвижности дырок в тонких плёнках некоторых синтезированных гетероаценов методом экстракции зарядов путём линейного увеличения напряжения (СЕЫУ метод).
Практическая значимость работы. Синтезирован широкий ряд новых производных халькогенофено[3,2-й]халькогенофенов с различными функциональными заместителями, позволяющими производить дальнейшую модификацию полученных соединений. Разработана общая стратегия последовательного аннелирования сера-, селен- и азотсодержащих циклов, пригодная для конструирования поликонденсированных систем различного строения и включающая в себя легко масштабируемые реакции. Электрофизические характеристики некоторых полученных ^8(8е)-гетероаценов позволяют рассматривать их как перспективные полупроводниковые материалы для использования в устройствах органической электроники.
Положения, выносимые на защиту:
- способы синтеза функциональных производных тиено[3,2-й]тиофена и его селенсодержащих аналогов;
- модификация полученных производных халькогенофено[3,2-й]-халькогенофенов;
- синтетические подходы к N,S(Se)-гетероаценам разнообразного строения;
- оценка перспективности использования полученных гетероаценов в качестве полупроводниковых материалов.
Личный вклад соискателя состоит в сборе и систематизации литературных данных по методам синтеза конденсированных систем на основе аннелированных халькогенофенов, постановке задач исследования, планировании и проведении химических экспериментов, анализе, интерпретации и обобщении полученных данных как в области синтетической части работы, так и в материаловедческой, а также в подготовке публикаций по результатам исследований.
Методология и методы диссертационного исследования основаны на анализе литературных данных и направленном органическом синтезе. Строение соединений подтверждено использованием комплекса методов физико-химического анализа (элементный анализ, масс-спектрометрия высокого разрешения, ИК и ЯМР 1Н, 13С, 19F спектроскопия, ГХ-МС, РСА), выполненных в ЦКП "Спектроскопия и анализ органических соединений" (ЦКП САОС) при ИОС УрО РАН.
Степень достоверности результатов обеспечена применением современных методов исследования и хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов. Анализ состава, структуры и чистоты полученных соединений осуществлялся на сертифицированных и поверенных приборах ЦКП САОС.
Апробация результатов диссертационной работы. Основные результаты диссертации доложены на XXIX Российской молодежной конференции с международным участием «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 2019 г.), Markovnikov Congress on Organic Chemistry (Казань, 2019 г.), XXI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Санкт-Петербург, 2019 г.), IV Международной конференции «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов» (MOSM 2020) (Екатеринбург, 2020 г.), Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2021» (Москва, 2021 г.), а также на Mendeleev 2021, The XII International Conference on Chemistry for Young Scientists (Санкт-Петербург, 2021).
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках соглашения с Институтом органической химии им. Зелинского РАН № 075-15-2020-803.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 5 статей в рецензируемых научных журналах (Scopus, Web of Science) и тезисы 6 докладов.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа общим объёмом 145 страниц состоит из трёх основных глав: литературного обзора, обсуждения результатов и экспериментальной части, а также оглавления, введения, заключения, списка литературы и условных сокращений. Обзор литературы посвящен методам получения конденсированных систем на основе аннелированных халькогенофенов. Работа содержит 169 ссылок на литературные источники, 2 таблицы, 64 схемы и 14 рисунков.
1. Разработаны способы получения широкого ряда новых функциональных производных тиено[3,2-й]тиофена и его селенсодержащих аналогов: бензо[4,5]селенофено[3,2-й]тиофена и бензо[й]селенофено[2,3-^]тиофена.
2. Предложены и реализованы эффективные синтетические подходы к построению несимметричных поликонденсированных структур на базе тиено[3,2- ¿]тиофена и селенофено[3,2-й]тиофена. Впервые получены полициклические соединения, имеющие в своём составе одновременно сера-, селен- и азотсодержащие гетероциклы: селенофено[2',3':4,5]тиено[3,2-й]индолы, селенофено[2',3':4,5]тиено[3,2-й]хинолины и селенофено[2',3':4,5]тиено[3,2-й][1,8]нафтиридин.
3. Изучены фотофизические и электрохимические свойства некоторых синтезированных ^8(8е)-гетероаценов, а также подвижность носителей зарядов в материалах на их основе. Найдены перспективные полупроводниковые материалы для устройств органической электроники.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования. Полученные научные результаты и разработанные методы синтеза функциональных производных тиено[3,2-й]- тиофена и его селенсодержащих аналогов, а также поликонденсированных систем на их основе, представляют интерес с точки зрения разработки новых структур и материалов для нужд органической электроники. Электрофизические характеристики синтезированных ^8(8е)-гетероаценов свидетельствуют о перспективности применения данных соединений в качестве зарядотраспортных материалов в органических оптоэлектронных устройствах, таких как солнечные батареи, органические транзисторы и диоды.
2. Предложены и реализованы эффективные синтетические подходы к построению несимметричных поликонденсированных структур на базе тиено[3,2- ¿]тиофена и селенофено[3,2-й]тиофена. Впервые получены полициклические соединения, имеющие в своём составе одновременно сера-, селен- и азотсодержащие гетероциклы: селенофено[2',3':4,5]тиено[3,2-й]индолы, селенофено[2',3':4,5]тиено[3,2-й]хинолины и селенофено[2',3':4,5]тиено[3,2-й][1,8]нафтиридин.
3. Изучены фотофизические и электрохимические свойства некоторых синтезированных ^8(8е)-гетероаценов, а также подвижность носителей зарядов в материалах на их основе. Найдены перспективные полупроводниковые материалы для устройств органической электроники.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования. Полученные научные результаты и разработанные методы синтеза функциональных производных тиено[3,2-й]- тиофена и его селенсодержащих аналогов, а также поликонденсированных систем на их основе, представляют интерес с точки зрения разработки новых структур и материалов для нужд органической электроники. Электрофизические характеристики синтезированных ^8(8е)-гетероаценов свидетельствуют о перспективности применения данных соединений в качестве зарядотраспортных материалов в органических оптоэлектронных устройствах, таких как солнечные батареи, органические транзисторы и диоды.



![Готовая ВКР на тему: НОВЫЕ N,S(Se)-ГЕТЕРОАЦЕНЫ НА ОСНОВЕ ТИЕНО[3,2-6]ТИОФЕНА И ЕГО СЕЛЕНСОДЕРЖАЩИХ АНАЛОГОВ: СИНТЕЗ И СВОЙСТВА](https://workspay.ru/tmpl/lite/images/logo.png)