噻唑異靛藍的合成和聚合研究取得突破

有機場效應晶體管因其在柔性集成電路、顯示器和感測器等電子器件中的應用前景而受到科學界的廣泛關注。開發性能優異的既能傳導電子又能傳導空穴的雙極型共軛聚合物材料對於構築邏輯電路有著重要的意義。異靛藍（Isoindigo）是構築此類材料的重要結構單元，而其結構的改造對相應有機場效應晶體管材料的性能影響顯著，一直是近年來相關研究的熱點。

目前國際上通過對異靛藍結構的改造得到了兩種重要的場效應晶體管材料構築單元：噻吩異靛藍（Thienoisoindigo）和吡啶異靛藍（Diazaisoindigo）。噻吩異靛藍適合於構築傳導空穴的p-型場效應晶體管，但由於其易形成醌式結構，可在近紅外區形成強烈吸收，又適合於構築近紅外光檢測器和光聲成像劑；而吡啶異靛藍拉電子能力更強，適合於構築雙極型場效應晶體管，但其不易形成醌式結構，難以構築紅外響應材料。是否能合成兼具二者優點的新的異靛藍衍生物是一個有趣的科學問題，而噻唑異靛藍（Thiazoloisoindigo, TzII）是一個可能的解決方案。儘管國際上對噻唑異靛藍的合成早有探索，但由於其合成難度過高一直沒能實現。

近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員萬曉波帶領的柔性光電材料與器件研究組在以往異靛藍改造系列成果（噻吩並異靛藍Tetrahedron Lett., 2014, 55, 1040；Polym.Chem., 2016,7, 235;RSC Advances2017, 7, 25009、苯並噻吩並異靛藍和苯並呋喃並異靛藍RSC Adv., 2015,5, 8340、氫化苯並吡嗪異靛藍Eur. J. Org.Chem.,2016, 2603.）的基礎上，展開了噻唑異靛藍的合成研究。他們另闢蹊徑，巧妙地繞過了傳統的酸性合環方案，而採用了大位阻鹼促進的親核關環反應，成功地合成了噻唑異靛藍的前體——噻唑靛紅，並進一步合成了噻唑異靛藍（Org.Chem.Front., 2018, 5, 442.）。他們進一步優化合成和聚合路線，成功地合成了噻唑異靛藍與三聚噻吩的聚合物 P(TzII-TTT)，並對其光物理性能和場效應晶體管性能進行了研究。結果表明，噻唑異靛藍的確兼具噻吩異靛藍和吡啶異靛藍的優點：它不僅類似於噻吩異靛藍，易於形成醌式結構，從而導致吸收光譜的強烈紅移，也類似於吡啶異靛藍，具有較強的拉電子能力，適合於構築雙極型場效應晶體管材料。P(TzII-TTT)的雙極型場效應晶體管空穴遷移率為3.93 cm2V-1S-1，電子遷移率為1.07 cm2V-1S-1，性能超過了具有類似結構的吡啶異靛藍聚合物。在研究員蘭錚崗的協助下，研究人員對幾種異靛藍衍生物醌式結構形成的難易程度進行了研究，理論計算結果驗證了所觀察到的實驗現象。相關工作發表在近期的Chem. Eur. J.上。

噻唑異靛藍的成功合成和其性能的初步探索表明其可望成為更有潛質的場效應晶體管材料以及近紅外光響應材料的構築單元，相關的科學研究值得進一步探索。

圖：結合噻吩異靛藍和吡啶異靛藍優點的噻唑異靛藍

來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所

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