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吉大楊英威教授課題組《Chem. Mater.》:氰基柱芳烴的分子內(nèi)空間共軛誘導(dǎo)發(fā)光
2022-11-14  來(lái)源:高分子科技

  有機(jī)熒光團(tuán)在光通信、發(fā)光二極管、熒光防偽等前沿領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,合成新型有機(jī)熒光團(tuán)并對(duì)發(fā)光機(jī)理進(jìn)行深入探究是目前發(fā)光材料的研究熱點(diǎn)。近年來(lái),隨著超分子大環(huán)的不斷發(fā)展,許多大環(huán)分子被用于設(shè)計(jì)和構(gòu)建新型的發(fā)光材料。其中,柱芳烴具有對(duì)稱的剛性柱狀結(jié)構(gòu)、特殊的富電子空腔和優(yōu)異的主客體性質(zhì),因此被廣泛用在發(fā)光材料的設(shè)計(jì)上。目前基于柱芳烴的有機(jī)熒光團(tuán)的設(shè)計(jì)思路主要有三種,一是通過(guò)多步有機(jī)合成策略將熒光團(tuán)修飾到柱芳烴骨架上,二是將供受體組件作為修飾基團(tuán)對(duì)柱芳烴進(jìn)行后期功能化,此時(shí)柱芳烴骨架作為空間隔斷,使供受體之間產(chǎn)生空間上的電荷轉(zhuǎn)移而發(fā)光,三是利用柱芳烴的主客體絡(luò)合性質(zhì),引入有機(jī)熒光團(tuán)作為客體分子,通過(guò)超分子自組裝聚合發(fā)光。一般來(lái)說(shuō),以上方法無(wú)論在制備還是再生上都耗時(shí)耗力。因此,開發(fā)供受體型的柱芳烴發(fā)光主體具有重要意義。


1. P5-2CN熒光性質(zhì)和在氰基類客體蒸汽下的氣致變色行為


  近期,吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院、納微構(gòu)筑化學(xué)國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室楊英威教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了具有本征供-受體結(jié)構(gòu)的氰基柱芳烴(P5-2CN)分子內(nèi)空間共軛誘導(dǎo)發(fā)光行為。文中介紹,將甲氧基柱五芳烴中的一個(gè)對(duì)苯二甲醚單元置換成對(duì)苯二腈單元后,P5-2CN具有了優(yōu)異的發(fā)光性能以及聚集誘導(dǎo)發(fā)射(AIE)性質(zhì)。瞬時(shí)-密度泛函理論計(jì)算得到了P5-2CN的分子前沿軌道的能級(jí)以及電子云密度分布,圖2d顯示,HOMOLUMO上的電子云是明顯分離的,這為P5-2CN發(fā)生空間電荷轉(zhuǎn)移(TSCT)提供了很好的理論條件。 


2.aP5-2CN的化學(xué)結(jié)構(gòu);(b)晶體的光學(xué)顯微鏡圖像(紅框),P5-2CN的計(jì)算結(jié)構(gòu)(右上)和單晶結(jié)構(gòu)(右下);(cP5-2CN的發(fā)光機(jī)制;(dP5-2CN的分子軌道能級(jí)和電子云密度分布;(eP5-2CN的表面靜電勢(shì)和(fP5-2CN的分子內(nèi)空間共軛發(fā)光特性。


  具有分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移性質(zhì)的分子主要有兩個(gè)特征:1)分子的紫外吸收光譜不易受溶劑影響,發(fā)射光譜卻對(duì)溶劑很敏感;2)分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移會(huì)導(dǎo)致發(fā)光譜的紅移,所以常出現(xiàn)雙發(fā)射現(xiàn)象。為了驗(yàn)證P5-2CN的發(fā)光機(jī)制為分子內(nèi)的TSCT,作者研究了P5-2CN在不同溶劑中的紫外吸收和熒光發(fā)射行為,結(jié)果明,P5-2CN的基態(tài)不受溶劑影響而激發(fā)態(tài)對(duì)溶劑非常敏感,并且伴隨著雙發(fā)射特征(圖3a,d。此外,其長(zhǎng)波區(qū)的發(fā)射帶會(huì)隨著溶劑極性降低而藍(lán)移,這可以歸因于溶劑敏感的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移態(tài)(圖3b,c)。P5-2CN溶液的變溫?zé)晒鉁y(cè)試證明其激發(fā)態(tài)對(duì)溫度敏感(圖3e,f。P5-2CN在不同含水量fw的水/THF混合溶劑中的熒光(PL光譜以及在不同溫度和粘度下的發(fā)光行為證明了TSCT態(tài)發(fā)射因分子運(yùn)動(dòng)受限而增強(qiáng)。柱芳烴本身優(yōu)異的主客體性質(zhì)使P5-2CN粉末在氰基類客體的有機(jī)蒸汽氛圍中表現(xiàn)出明顯的氣致變色行為。這些實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)拓寬了高發(fā)光效率的新型有機(jī)熒光團(tuán)的種類,為先進(jìn)光學(xué)材料和器件的設(shè)計(jì)提供了新思路。


3.aP5-2CN在不同溶劑中的紫外可見吸收光譜;(bP5-2CNTHF/正己烷溶劑中的PL光譜隨正己烷含量(fh)變化情況;(c)相對(duì)PL強(qiáng)度與fh的關(guān)系圖(I/I0,I0表示THF中的強(qiáng)度);(dP5-2CN在不同溶劑中的PL光譜;(eP5-2CNTHF中的溫度相關(guān)PL光譜;(f)相對(duì)PL強(qiáng)度和長(zhǎng)波區(qū)發(fā)射波長(zhǎng)隨溫度變化的關(guān)系圖(I/I0I0表示200 K下的強(qiáng)度)。λex = 296 nm;濃度為10?5 M


  該成果近期發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)的Chemistry of Materials雜志上,文章第一作者為吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院在讀博士研究生宋春麗,通訊作者為楊英威教授。該工作得到了吉林大學(xué)無(wú)機(jī)合成與制備化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陸通老師的大力支持。該文作者還有課題組在讀博士研究生李政和鼎新學(xué)者吳佳睿博士。


  論文信息

  Intramolecular Through-Space Interactions Induced Emission of Pillar[4]arene[1]dicyanobenzene

  Chun-Li Song, Zheng Li, Jia-Rui Wu, Tong Lu, and Ying-Wei Yang*

  DOI: 10.1021/acs.chemmater.2c03025

  https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c03025

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