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米測MeLab
納米人
2024-08-28
研究背景
隨著有機太陽能電池技術的不斷發展，融合環電子受體（FREAs）已成為提升電池效率的重要材料。FREAs，如ITIC和Y6，因其獨特的光電性質和高效的光電轉換能力引起了廣泛關注。FREAs通常由一個富電子（D）核心和兩個貧電子（A）末端單元組成，通過雙鍵連接形成接受體-供體-接受體（ADA）結構。這些結構使得FREAs在大塊異質結（BHJ）太陽能電池中表現出優異的性能。然而，當前FREAs的合成方法面臨著低產率、分離困難和高成本等問題，這些問題嚴重限制了FREAs在實際應用中的廣泛推廣和商業化。具體而言，傳統的FREAs合成方法復雜且低效。例如，常用的合成方法中涉及的反應步驟繁多且復雜，尤其是在芳香單元的融合以及核心和末端單元的構建過程中，往往需要高溫和高沸點溶劑，這導致了合成過程的困難和高成本。此外，合成中使用的強酸和催化劑往往會影響中間體的溶解性，并且容易導致不完全的反應，進一步增加了分離和純化的難度。這些問題使得FREAs的合成在成本和效率上都存在顯著挑戰。為了解決這些問題，北卡羅來納大學教堂山分校Wei You、Xiaowei Zhong, Shubin Liu三個人在“Science Advances”期刊上發表了題為“A general and mild synthetic method for fused-ring electronic acceptors”的最新論文。研究者們一直在探索簡化和高效的合成方法。最近，作者的研究團隊提出了一種新型的合成方法，解決了傳統方法中存在的關鍵問題。首先，作者展示了一種通過單一碳原子融合鄰近芳香單元的新方法，使用氟化鈰和氟化硼作為催化劑，這種方法不僅簡化了合成步驟，還允許引入多樣的側鏈組合。 其次，作者利用氧化鉬催化劑，實現了氮原子融合鄰近芳香單元，降低了反應溫度并提高了產率。最后，作者發現脯氨酸作為有機催化劑能夠高效催化醛縮合反應，生成具有ADA配置的典型FREAs。這些新方法使得各種FREAs的合成變得更加簡便，顯著擴展了FREAs的應用范圍，同時降低了合成成本，為有機電子學領域的進一步發展提供了新的技術路徑。研究亮點
1. 實驗首次實現了鄰近芳香單元通過單一碳原子融合的通用方法，使用氟化鈰和氟化硼作為催化劑。這種方法成功引入了多種側鏈組合，顯著拓寬了FREAs的結構設計空間，并提供了高產率的合成途徑。2. 實驗首次使用氧化鉬催化劑實現了氮原子融合鄰近芳香單元，在較低的反應溫度下進行反應，得到了更高的產率。此方法相比傳統方法能夠減少反應的溫度要求，并且提高了產物的得率。3. 實驗通過發現有機催化劑脯氨酸能夠高效催化醛縮合反應，合成了最典型的FREAs，這些FREAs具有接受體-供體-接受體（ADA）配置。該催化劑在縮合反應中表現出高產率，顯著改善了FREAs的合成效率。 圖文解讀
圖2：通過碳原子融合鄰近的環。
圖3：篩選Cadogan-Sundberg吲哚合成反應條件以形成FREAs的N-橋連核心。 圖 4: 由脯氨酸催化的供體和受體單元之間的縮合反應形成FREAs。總結展望
本文提供了一種改進的FREAs合成方法，解決了傳統合成中的低產率、分離困難和高成本問題。通過三個關鍵步驟，作者展示了如何利用新的催化劑和反應條件，顯著提升FREAs的合成效率和經濟性。首先，通過氟化鈰和氟化硼催化劑實現了鄰近芳香單元的碳原子融合，這種通用方法支持了多種側鏈組合的引入，擴展了FREAs的結構設計空間。其次，氧化鉬催化劑在較低反應溫度下成功實現了氮原子融合，顯著提高了產率，克服了傳統方法中的高溫要求。最后，發現脯氨酸作為有機催化劑能高效催化醛縮合反應，合成了具有典型ADA配置的FREAs。這些新方法不僅簡化了FREAs的合成過程，還降低了合成成本，使得這些重要材料在有機電子學領域的應用更加廣泛和經濟。總之，這項研究為FREAs的合成提供了新的思路和技術路徑，有望推動相關領域的進一步發展。 Xiaowei Zhong et al. ,A general and mild synthetic method for fused-ring electronic acceptors.Sci. Adv.10,eadp8150(2024).DOI:10.1126/sciadv.adp8150
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