这些实验结果表明,一方面Y系列材料的“底子”比较好,效率的平均水平都是在12%-14%,而之前ITIC系列的平均水平在10%-12%,再早一些的PDI系列,在6%-8%。
分子结构很大程度上决定了一种材料的性能上限。
另一方面,也说明Y5这种材料已经优化的较为完善。
如果想要进一步提升,就不能“小打小闹',而是需要对中央单元进行较大幅度的调整,比如将NT单元更换成其他单元。
许秋将脑海中产生了一系列想法,交由模拟实验室代为摸索。
他现在的当务之急,是先把初代的Y系列材料在现实中合成出来。
许秋的目标材料是Y3、Y4、Y5和Y6,这些材料的中央单元都是同一种,只有端基不同,可以“一锅端”,极大的节省时间。
至于Y1、Y2,暂时被他放弃了。
理论上也可以把它们合成出来,水两篇一区文章,但没那个必要。
甚至对于Y3-Y6这四种材料,许秋也不打算水太多的文章,因为现在他的目标只有一个,那就是CNS主刊。
假如每次优化一点点,就发表一篇文章的话,固然文章数量会多一些,或许能有五六篇AM、JACS、EES这种级别的文章,但可能会错失登顶CNS主刊的机会。
这不仅仅是为了系统任务,也是为了自己的科研生涯之路。
一篇《自然》的含金量,可比十篇AM都要高。
基本上有了一篇《自然》,在国内升到“杰青”的位置,就是时间的问题。
因此,许秋的打算是先憋一波大招,然后直接打出王炸,一次性把效率提到非常高。
比如达到有机光伏领域一个公认的门槛15%,甚至突破这个门槛,达到16%以上。
在这种情况下,冲击一篇CNS还是很有机会的。
可以想象一下,现在有机光伏的同行们还在为效率突破13%而努力(效率破13%的《自然·能源》还没发表),如果没过多久一篇文章直接把效率做到了15、16%,那将有多么的震撼。
具体的合成方案规划,因为Y3-Y6材料端基A单元是之前ITIC体系用到的ICIN衍生物,所以不需要重新合成,主要考虑的是中央D单元的合成。
其实,从严格意义上来讲,Y系列受体的分子结构,已经不是ITIC体系时ADA结构。
中央NT单元的性质接近于A单元,而NT两边的TT单元接近于D单元,再加上端基A单元,因此Y系列受体其实是一种类似ADADA结构的分子。
许秋推测,Y系列受体的这种ADADA分子结构,可能是导致其性能超越ITIC系列材料的一大原因。
当然,寻找性能提升的原因是之后的事情,现在还是要致力于材料的合成。
Y3-Y6的合成均需要六步反,其中前五步的合成步骤是完全一样的,因此可以只投一锅反应。
第一步,双溴取代的,氮原子上带有乙基己基侧链的苯并三唑(NT)单元,通过硝基化反应,在苯环剩余的两个反应位点上连接两个硝基,得到得到双溴、双硝基取代的NT单元。
第二步,将双溴、双硝基取代的NT和单三甲基锡取代的TT单元反应,得到TT-NT-TT的结构,其中NT上连接有两个硝基。
第三步,将TT-NT-TT分子中的硝基还原,并与相邻的TT单元成环,形成环状的仲胺(氨分子上的两个氢原子均烃基取代而生成的化合物),得到连续的稠环结构,共轭长度为7,即七个五元、六元环以稠环形式连接。此时,产物中存在位于TT-NT之间的仲胺,上面还有一个残留的氢原子,这是一个反应位点。
第四步,将第三步的反应物和溴代烷烃反应,用烷基取代仲胺上的氢原子,形成叔胺,实现在N原子上引入侧链的目的,得到最终的中央DAD单元。
第五步,中央DAD单元的醛基化反应,在中央DAD单元的两端连接两个醛基。
第六步,经过醛基化的DAD单元与ICIN、ICIN-2F2ClM等A单元进行反应,得到Y3-Y6系列受体材料。
做好实验前准备工作后,许秋进入先材五楼的化学实验室,穿戴好防护装置,开始实验。
第一步反应,是在NT单元上面进行硝基化反应。
原料是双溴取代的NT单元,硝酸以及三氟甲磺酸。
其中,三氟甲磺酸是新试剂。
它又称三氟甲烷磺酸,易溶于水,低毒,用途广泛,是最强的有机酸之一,具有强腐蚀性、吸湿性,广泛用于医药、化工等行业。
从分子结构来讲,三氟甲磺酸就是硫酸分子中的一个氢原子被三氟甲基取代的产物,酸性比100%浓度的硫酸还要强。
在很多场合三氟甲磺酸可以替代传统的硫酸,盐酸等传统无机酸,起到优化改进工艺的作用。
考虑到NT单元比较便宜,而且这次最后要合成四种材料,对原料的需求比较多,再加上Y系列材料的光电性能,是已经经过模拟实验室验证过的,许秋也在模拟实验室中预演过相关的合成实验,因此他果断进行大批量合成。
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