3-溴噻吩碳氫鍵芳香環化之區域與化學選擇性合成法研究與其在鈣鈦礦太陽能電池之應用

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曹敏玲(Min-Ling Cao) 查詢紙本館藏

畢業系所

化學工程與材料工程學系

論文名稱

3-溴噻吩碳氫鍵芳香環化之區域與化學選擇性合成法研究與其在鈣鈦礦太陽能電池之應用
(Synthetic Study and Applications in Perovskite Solar Cells Using Regio- and Chemo-Selective C-H Arylation of 3-Bromothiophene)

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摘要(中)

近年來，人們越來越注重環保議題，研究發展對現今社會固然重要，但發展過程中如何降低對環境的危害也同樣備受重視，一般在製備多功能π-共軛材料時，大部分是以傳統多步驟的人名反應為主，然而，此方法合成步驟繁雜、會使用到危害環境的有機金屬試劑且成本高，因此，本研究團隊引入綠色化學的理念，嘗試使用新型的省步驟合成途徑，製備出一系列π-共軛有機光電材料之前驅物分子。

在多篇參考文獻中，大多數團隊在噻吩(thiophene)3號位上引入像是甲氧基、酯基、醛基等作為引導基，卻鮮少有人使用鹵素作為引導基，因此本團隊認為，若能使用鹵素當作引導基製備π-共軛有機光電材料之前驅物分子，其後續應用可延伸進行不同的官能化反應，故本篇研究選用3-溴噻吩及芳基碘化物作為原料，以鈀催化直接碳氫鍵芳香環化合成有機光電材料中常見的π-共軛單元。

在本篇工作中我們發現，利用3-溴噻吩(3-bromothiophene)作為反應物並在溫和的反應條件下，以高度選擇性獲得噻吩2號位芳基化產物並有最高達90 %的分離產率，其中部分研究結果顯示即便在不含任何有機溶劑的純水條件下亦能反應，產率也有中等的表現，且反應結果具有高度位向選擇性及化學選擇性。

此外，我們將上述方法學應用於合成新型有機π-共軛小分子:MLC01及MLC02，並製備成鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite Solar Cells, PSCs)中的電洞傳輸層(Hole-Transporting Layer, HTM)，其光電轉換效率(Power Conversion Efficiency, PCE)分別為17.0 %及11.8 %。

摘要(英)

Generally, when preparing multifunctional π-conjugated materials, most of them are usually prepared using the traditional multi-step name reaction, which is the main method. However, this method has complicated synthesis steps, uses organometallic reagents that are harmful to the environment, and is expensive. Therefore, our research team introduced the concept of green chemistry and tried to use a new type of step-saving synthesis approach to prepare a series of building blocks for π-conjugated organic optoelectronic materials.
In many references, most teams have introduced methoxy, ester, aldehyde, etc. as directing groups at the C3 position of thiophene, but only a few have used halogens as directing groups. Therefore, our team believes that if halogen can be used as a directing group to prepare building blocks for π-conjugated organic optoelectronic materials, its subsequent application can be extended to carry out different functionalization reactions. In this study, 3-bromothiophene and aryl iodide were used as raw materials to synthesize π-conjugated units common in organic optoelectronic materials by palladium-catalyzed direct C-H arylations.
In this study, we discovered that by using 3-bromothiophene as a reactant and under mild reaction conditions, we were able to obtain the arylation product at the C2 position of the thiophene with high selectivity and isolated yields of up to 90 %. Some of the research results also showed that the reaction could occur even under the conditions of pure water without any organic solvent, and the yield was moderate. Furthermore, the reaction exhibited highly regioselective and chemoselective properties.
In addition, we applied the above methodology to the synthesis of novel organic π-conjugated small molecules: MLC01 and MLC02, which were fabricated into hole-transporting layer in perovskite solar cells, with power conversion efficiency of 17.0 % and 11.8 %, respectively.

關鍵字(中)

★ 3-溴噻吩
★ 區域與化學選擇性
★ 共溶劑
★ 碳氫鍵芳香環化
★ 有機π共軛-小分子
★ 鈣鈦礦太陽能電池

關鍵字(英)

★ 3-bromothiophene
★ regio- and chemo-selective
★ cosolvent
★ C-H arylation
★ organic π-conjugated small molecules
★ perovskite solar cells

論文目次

摘要 i
Abstract ii
謝誌 iv
目錄 v
圖目錄 vii
表目錄一 xi
表目錄二 xii
化合物對照表 xiii
一、緒論 1
1-1、噻吩對有機光電材料之重要性 1
1-2、噻吩有機小分子於光電材料之應用 1
1-3、噻吩有機高分子於光電材料之應用 3
1-4、有機小分子之傳統合成法分析 4
1-5、有機小分子之新型合成法 6
二、研究動機 9
三、結果與討論 13
3-1、對鈀催化直接碳氫鍵芳香環化反應進行最佳化條件篩選 13
3-2、3-溴噻吩(1a)與芳基碘化物之碳氫鍵芳香環化反應 20
3-3、3-鹵素噻吩與碘化的三苯胺衍生物(2b)之碳氫鍵芳香環化反應 24
3-4、鈀催化直接碳氫鍵芳香環化反應之反應機制探討 26
3-5、合成方法學應用之一(π共軛寡聚物之新合成途徑)未來工作 28
3-6、合成方法學應用之二(電洞傳輸材料&鈣鈦礦太陽能電池) 29
3-7、性質探討 30
3-7-1、MLC01-02熱性質量測與分析 30
3-7-2、MLC01-02光化學性質探討 32
3-7-3、MLC01-02電化學性質量測與分析 34
3-7-4、電洞傳輸材料MLC01-02電洞遷移率探討 37
3-7-5、鈣鈦礦太陽能電池元件性質量測：MLC01-02 39
3-7-6、電洞傳輸材料MLC01-02光激發螢光量測及分析 45
四、結論與未來展望 49
五、實驗部分 50
5-1、藥品溶劑與儀器設備 50
5-2、鈣鈦礦太陽能電池元件製程 52
5-3、表3-1-1~3-1-4之合成與鑑定 54
5-4、表3-2-1~3-2-2之合成與鑑定 56
5-5、表3-3-1之合成與鑑定 70
5-6、Scheme 3-2之合成與鑑定 72
六、高解析質譜圖與核磁共振光譜圖 75
七、參考文獻 135

參考文獻

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指導教授

劉青原(Ching-Yuan Liu)

審核日期

2023-8-17

推文