三位中国学者，发一篇Science子刊！
米测MeLab
纳米人
2024-08-28
研究背景
随着有机太阳能电池技术的不断发展，融合环电子受体（FREAs）已成为提升电池效率的重要材料。FREAs，如ITIC和Y6，因其独特的光电性质和高效的光电转换能力引起了广泛关注。FREAs通常由一个富电子（D）核心和两个贫电子（A）末端单元组成，通过双键连接形成接受体-供体-接受体（ADA）结构。这些结构使得FREAs在大块异质结（BHJ）太阳能电池中表现出优异的性能。然而，当前FREAs的合成方法面临着低产率、分离困难和高成本等问题，这些问题严重限制了FREAs在实际应用中的广泛推广和商业化。具体而言，传统的FREAs合成方法复杂且低效。例如，常用的合成方法中涉及的反应步骤繁多且复杂，尤其是在芳香单元的融合以及核心和末端单元的构建过程中，往往需要高温和高沸点溶剂，这导致了合成过程的困难和高成本。此外，合成中使用的强酸和催化剂往往会影响中间体的溶解性，并且容易导致不完全的反应，进一步增加了分离和纯化的难度。这些问题使得FREAs的合成在成本和效率上都存在显著挑战。为了解决这些问题，北卡罗来纳大学教堂山分校Wei You、Xiaowei Zhong, Shubin Liu三个人在“Science Advances”期刊上发表了题为“A general and mild synthetic method for fused-ring electronic acceptors”的最新论文。研究者们一直在探索简化和高效的合成方法。最近，作者的研究团队提出了一种新型的合成方法，解决了传统方法中存在的关键问题。首先，作者展示了一种通过单一碳原子融合邻近芳香单元的新方法，使用氟化铈和氟化硼作为催化剂，这种方法不仅简化了合成步骤，还允许引入多样的侧链组合。 其次，作者利用氧化钼催化剂，实现了氮原子融合邻近芳香单元，降低了反应温度并提高了产率。最后，作者发现脯氨酸作为有机催化剂能够高效催化醛缩合反应，生成具有ADA配置的典型FREAs。这些新方法使得各种FREAs的合成变得更加简便，显著扩展了FREAs的应用范围，同时降低了合成成本，为有机电子学领域的进一步发展提供了新的技术路径。研究亮点
1. 实验首次实现了邻近芳香单元通过单一碳原子融合的通用方法，使用氟化铈和氟化硼作为催化剂。这种方法成功引入了多种侧链组合，显著拓宽了FREAs的结构设计空间，并提供了高产率的合成途径。2. 实验首次使用氧化钼催化剂实现了氮原子融合邻近芳香单元，在较低的反应温度下进行反应，得到了更高的产率。此方法相比传统方法能够减少反应的温度要求，并且提高了产物的得率。3. 实验通过发现有机催化剂脯氨酸能够高效催化醛缩合反应，合成了最典型的FREAs，这些FREAs具有接受体-供体-接受体（ADA）配置。该催化剂在缩合反应中表现出高产率，显著改善了FREAs的合成效率。 图文解读
图2：通过碳原子融合邻近的环。
图3：筛选Cadogan-Sundberg吲哚合成反应条件以形成FREAs的N-桥连核心。 图 4: 由脯氨酸催化的供体和受体单元之间的缩合反应形成FREAs。总结展望
本文提供了一种改进的FREAs合成方法，解决了传统合成中的低产率、分离困难和高成本问题。通过三个关键步骤，作者展示了如何利用新的催化剂和反应条件，显著提升FREAs的合成效率和经济性。首先，通过氟化铈和氟化硼催化剂实现了邻近芳香单元的碳原子融合，这种通用方法支持了多种侧链组合的引入，扩展了FREAs的结构设计空间。其次，氧化钼催化剂在较低反应温度下成功实现了氮原子融合，显著提高了产率，克服了传统方法中的高温要求。最后，发现脯氨酸作为有机催化剂能高效催化醛缩合反应，合成了具有典型ADA配置的FREAs。这些新方法不仅简化了FREAs的合成过程，还降低了合成成本，使得这些重要材料在有机电子学领域的应用更加广泛和经济。总之，这项研究为FREAs的合成提供了新的思路和技术路径，有望推动相关领域的进一步发展。 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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