近日,華東理工大學(xué)田禾院士團(tuán)隊(duì)和臺(tái)灣大學(xué)周必泰教授課題組再次在“振動(dòng)誘導(dǎo)發(fā)光(VIE)”機(jī)制研究上取得突破性進(jìn)展,相關(guān)研究成果“Tuning the Conformation and Color of Conjugated Polyheterocyclic Skeletons by Installing ortho-Methyl Groups”被國(guó)際頂級(jí)化學(xué)期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》報(bào)道(Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 9880)。
近年來(lái),蘇建華教授和田禾院士團(tuán)隊(duì)在有機(jī)共軛分子發(fā)光新機(jī)制方面做了一系列開(kāi)創(chuàng)性的工作(圖1所示)。2015年,他們首次設(shè)計(jì)并合成了馬鞍形的N,N’-二取代-二氫二苯并[a,c]吩嗪類化合物,發(fā)現(xiàn)這類化合物具有極大的Stokes位移及多重發(fā)射的光物理現(xiàn)象,并提出了“振動(dòng)誘導(dǎo)發(fā)光(Vibration Induced Emission, VIE)” 來(lái)解釋這一特殊的發(fā)光現(xiàn)象(Chem. Commun. 2015, 51, 4462)。與臺(tái)灣大學(xué)周必泰教授合作,運(yùn)用穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)光譜,結(jié)合理論計(jì)算,詳細(xì)闡述了VIE機(jī)制的激發(fā)態(tài)平面化過(guò)程(J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 8509)。2017年,他們將二氫二苯并吩嗪類化合物進(jìn)行分子內(nèi)環(huán)化,實(shí)現(xiàn)了控制該類分子的VIE過(guò)程,成功地將分子發(fā)光由藍(lán)色調(diào)控至紅色;并與周必泰教授合作,通過(guò)超快光譜以及理論計(jì)算,再一次證明了VIE的發(fā)光機(jī)制(J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 1636)。操控VIE激發(fā)態(tài)過(guò)程的成功實(shí)現(xiàn),促使他們進(jìn)一步思考如何通過(guò)化學(xué)手段調(diào)控二氫吩嗪類分子基態(tài)的構(gòu)像,從而模擬VIE激發(fā)態(tài)平面化過(guò)程。
圖1
為此,他們巧妙地將甲基引入到母體DPAC的端基N,N''-二苯環(huán)的鄰位上(圖2所示),以此調(diào)控端基和二氫二苯并吩嗪之間的空間位阻,設(shè)計(jì)并合成了一系列鄰位甲基衍生物。所有化合物的分子結(jié)構(gòu),均得到了單晶結(jié)構(gòu)和理論計(jì)算最優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)的雙重證實(shí)。隨著鄰位甲基數(shù)量的增加,分子內(nèi)空間位阻的強(qiáng)度也隨之增加,從而導(dǎo)致V形的二氫二苯并吩嗪骨架逐漸從彎曲(~136°)變?yōu)榻矫娼Y(jié)構(gòu)(~175°)。利用相對(duì)很小的甲基就實(shí)現(xiàn)了如此明顯的變化,這正好契合了“四兩撥千斤”的太極理論。一般來(lái)講,在多環(huán)共軛分子的鄰位引入大體積取代基會(huì)增加分子內(nèi)空間排斥,會(huì)導(dǎo)致更大的構(gòu)象扭曲。值得一提的是,這一工作逆向而為,首次實(shí)現(xiàn)了增加空間位阻以使多環(huán)有機(jī)共軛骨架逐漸由彎曲變?yōu)榻矫。他們進(jìn)一步研究了化合物的吸收放光性質(zhì)。室溫下,在甲苯溶液中,化合物的顏色隨著鄰位甲基數(shù)量的增加發(fā)生顯著變化,從無(wú)色,淺黃色,黃色到橙紅色(圖2所示);但是,有趣的是,所有鄰位甲基衍生物均放出與母體化合物DPAC一樣的紅色熒光,這表明它們?cè)诩ぐl(fā)態(tài)過(guò)程中均振動(dòng)到類似的近平面結(jié)構(gòu)再放光。因此,鄰位甲基衍生物的構(gòu)型演變,成功模擬了VIE現(xiàn)象激發(fā)態(tài)平面化過(guò)程。這有助于加深對(duì)VIE機(jī)理的進(jìn)一步理解。
圖2
論文的第一作者是張志云博士,通訊作者是田禾院士和周必泰教授。該研究項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。
基于VIE現(xiàn)象可調(diào)控的多通道光物理性質(zhì),蘇建華教授和田禾院士團(tuán)隊(duì)已開(kāi)展了一系列的應(yīng)用研究(Small, 2016, 12, 6542;Chem. Commun., 2016, 52, 5459;Faraday Discuss., 2017, 196, 395;Chem. Eur. J. 2017, 23, 9280;Adv. Optical Mater. 2018, 6, 1800074;Adv. Optical Mater. 2018, 6, 1800190;ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 20205)。同時(shí),VIE現(xiàn)象已經(jīng)受到了國(guó)際同行的關(guān)注和認(rèn)可。瑞士科學(xué)家Stefan Matile教授將VIE現(xiàn)象應(yīng)用于細(xì)胞膜粘度的探測(cè),相關(guān)工作發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed. (2018, 10.1002/ange.201804662)上。VIE現(xiàn)象深入透徹的發(fā)光機(jī)制研究,為今后相關(guān)新穎結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201806385
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