苯并[1,2-B:4,5-B']二噻吩-4,8-二酮的应用

简介

苯并[1,2-B:4,5-B']二噻吩-4,8-二酮属于苯并二噻吩（BDT）的衍生物，将传统BDT的中心苯环替换为电子受体特性的二酮。稠环噻吩骨架构建的大 π 共轭体系具有高效的电荷传输能力。强吸电子的二酮基团（C=O）可调控分子前线轨道能级，在有机光电与新型储能两个领域有所应用。

苯并[1,2-B:4,5-B']二噻吩-4,8-二酮

应用

以PdCl (C₃H₅)(dppb)为催化剂、K₂CO₃为碱、1,4-二氧六环为溶剂，在 150℃下通过 C-H 键直接官能化，可高效引入富电子与缺电子芳基取代基，产物收率达 23%-79%。该反应对空间位阻敏感的取代基与合成有用基团均具备良好耐受性。官能化后的苯并[1,2-B:4,5-B']二噻吩-4,8-二酮分子呈现芳基 - 噻吩单元 HOMO/苯并[1,2-B:4,5-B']二噻吩-4,8-二酮核心 LUMO的轨道分布特征，低能量吸收带（429-484 nm）对应芳基到二酮核心的分子内电荷转移（ICT）过程。取代基的电子性质可显著调控光物理行为，当 4 位三氟甲基（强吸电子）替换为甲氧基（强给电子）时，吸收与发射波长分别发生 55 nm 和 35 nm 的红移，且4 - 甲基取代产物表现出明显的溶剂致变色效应（环己烷中黄色发射，三氯甲烷中橙色发射）[1]。

铝离子电池的应用

将苯并[1,2-B:4,5-B']二噻吩-4,8-二酮作为 AIBs 有机正极材料，电荷存储依赖 AlCl₂⁺阳离子与羰基（C=O）位点的可逆嵌入 / 脱嵌机制。放电过程中 C=O 转化为 CO-Al 键，AlCl₂⁺精准嵌入分子骨架，充电后又可逆恢复，且硫原子不参与 redox 反应，保障了结构稳定性。初始放电容量达 143 mAh/g，1.2 V 的稳定电压平台匹配铝阳极的电位窗口，且电压极化小于 0.23 V；扩散控制型电荷存储占比高达85%，24 小时静置后容量保留率超 95%，库伦效率维持在 95% 以上。

一方面通过高导电碳层降低界面电荷转移电阻（从 299.9 Ω 降至 120.8 Ω），提升活性物质利用率；另一方面抑制苯并[1,2-B:4,5-B']二噻吩-4,8-二酮在电解质中的溶解穿梭，使电池循环 100 次后仍保留 50 mAh/g 容量。此外，采用AlCl₃- 三甲基胺盐酸盐（TMAHCl）电解质（摩尔比 1.8:1），不仅成本低于商用 EMImCl 电解质，还因 TMAHCl 的低摩尔质量提升了电解质容量，最终实现 63.1 Wh/kg 的电池级能量密度[2]。

参考文献

[1] Durai M, Liu L H, Frère P, et al. Palladium-Catalyzed C-H Bond Functionalization of Benzo[1,2-b:4,5-b’]dithiophene-4,8-dione: A One Step Access to 2-Arylbenzo[1,2-b:4,5-b’]dithiophene-4,8-diones[J]. European Journal of Organic Chemistry, 2023, 26: e202300303(1-7).

[2] Wang Y J, Ng K L, Azimi G. An Aluminum-Benzo[1,2-b:4,5-b’]dithiophene-4,8-dione Organic Rechargeable Battery Featuring Low Self-Discharge[J]. Batteries & Supercaps, 2022, 5: e202200182(1-9).