光致变色化合物在光致异构化反应过程中,其化学结构的变化不仅导致了其吸收光谱的变化,还使化合物的光物理和光化学性质发生显著改变,诸如电折常数、光折指数、荧光、氧化还原电位等等。其中荧光因具有响应时间快、器件成本低、简单易操作等优势,引起了国内外的广泛关注和研究,最有望应用于光分子开关和光信息存储等领域。近年来,二噻吩乙烯和俘精酸酐以其优异的热稳定性和耐疲劳性得到了广泛研究。本论文基于以上理论设计合成了一系列含卟啉单元的二噻吩乙烯和俘精酸酐化合物,并对它们进行了结构表征和性能研究。以噻吩和噻唑为母体设计合成了两种新型俘精酸酐化合物,其中噻吩基俘精酸酐在二氯甲烷溶液及固体状态下均能发生良好的光致变色反应,其二氯甲烷溶液中开环体的最大吸收峰位于326 nm处,闭环体最大吸收峰位于498 nm处。化合物的闭环体在120 ℃环境中能长久地保持结构稳定,表明其具有良好的热不可逆性和热稳定性。在紫外-可见光反复照射50次后,依然表现出良好的光致变色性,表明其具有优秀的抗疲劳性。测试了化合物的光量子产率,其中闭环光量子产率φoc为0.21,开环光量子产率φco为0.13。运用密度泛函理论,在B3LYP/6-31G(d.p)基组下计算了噻吩基俘精酸酐的非线性参数,结果显示:化合物的光谱计算值(303,514 nm)与实际值(326,498 nm)非常接近,误差<4.0%,表明该法用于预测该类化合物的光谱性质具有一定的指导意义;C-式构型与E-式构型相比,偶极矩μ小0.271 a.u.(5.99%),极化率α大7.046 a.u.(3.80%);两者总超极化率βtot相差4.9倍,表明该化合物理论上具有非常优异的非线性光学性质。以噻吩基俘精酸酐和氨基四苯基卟啉为底物设计合成了含卟啉单元的俘精酰亚胺光致变色化合物,并将之与金属盐反应得到了其一系列的金属配合物,这些化合物均能发生良好的光致变色反应。测试化合物的紫外-可见吸收光谱发现,引入卟啉基团后俘精酰亚胺单元闭环体的最大吸收峰红移了 169nm,同时,卟啉环的Soret带也随着紫外光的照射而发生一定程度的红移,且四苯基卟啉的引入能提高俘精酰亚胺单元的光量子产率和摩尔吸光系数,但卟啉中引入配位金属后,会导致光量子产率和摩尔吸光系数降低。引入四苯基卟啉后的俘精酰亚胺开环体在520nm光激发下有明显的荧光发射峰,最大发射波长为629nm,而闭环体则无荧光发射。当卟啉环中引入铁、钴、锰、镍、锌、锡等金属后,化合物荧光淬灭。设计合成了一系列新型非对称的二噻吩乙烯化合物,通过紫外和可见光反复照射发现,上述二噻吩乙烯化合物均能发生良好的光致变色反应并具有良好的耐疲劳性;对比其吸收光谱发现,噻吩的5-位引入芳基后,其开、闭环体的最大吸收峰均发生明显红移,且引入芳基越多,红移量越大;计算了它们的光量子产率,大部分化合物的闭环光量子产率接近0.5,而所有化合物的开环光量子产率均普遍偏低,不超过0.25;研究了上述化合物的热稳定性发现,化合物中引入芳基和供电子基后能显著提高化合物的热稳定性,其中双对苯氨基二噻吩乙烯稳定性最佳,其耐疲劳期可长达43 h。设计合成了一系列单吡啶基二噻吩乙烯轴向配位金属卟啉的光致变色化合物,紫外、可见光反复照射发现,上述化合物均具有良好的光致变色现象和较好的耐疲劳性;对比其吸收光谱发现,二噻吩乙烯通过配位键引入金属卟啉后,不仅使其闭环体的最大吸收峰发生了明显红移,而且对卟啉环的Soret带吸收峰有显著影响;而取代基效应对二噻吩乙烯单元吸收光谱的影响并不显著,其原因可能是取代基效应被卟啉环大π共轭电子体系所屏蔽;测试了上述化合物的荧光光谱发现,在合适的激发光照射下,化合物的开、闭环异构体均能发射荧光,且并不会导致化合物结构改变,利用这一特性,上述化合物均有望应用于光信息的无损读取领域;配位上金属卟啉后二噻吩乙烯单元的闭环光量子产率明显提高,而开环光量子产率基本不变;探索了上述化合物在甲苯溶液中的热稳定性发现,配位键形成的光致变色分子在热溶液中易发生配位键断裂现象,溶液变冷后又会重新自组装成原来的结构,耐热性能不够理想。设计合成了酰氨键连接的卟啉-二噻吩乙烯光致变色化合物,在365 nm紫外光照下会发生明显的光致变色反应,其二氯甲烷溶液由淡粉色变为黄绿色;同时,其吸收光谱中的卟啉单元的Soret带由418 nm红移至450 nm处,Q带吸收峰逐渐消失,并于671 nm处产生新的吸收峰;化合物的开、闭环体分别在418,450和530 nm光激发下均具有明显的荧光差异,且化合物并不因此而发生光致闭、开环反应,利用该特性有望将该化合物应用于光信息存储设备中;与未引入卟啉基团的二噻吩乙烯单体相比,化合物的闭环光量子产率由0.48提高至0.51,同时其热稳定性也有显著改善,耐疲劳期由7 h提升至17 h。以溴苯基二噻吩乙烯与碘代四苯基卟啉为底物,通过Suzuki偶联反应合成了卟啉-二噻吩乙烯光致变色化合物,在365 nm紫外光照下会发生明显的光致变色反应,其二氯甲烷溶液由浅红色变为黄绿色;同时,其吸收光谱中紫外光区272 nm处吸收峰降低,卟啉单元的Soret带由418 nm红移至446 nm处,Q带吸收峰逐渐消失,并于670 nm处产生新的吸收峰;化合物的开、闭环体分别在418 nm光激发下显示出明显的荧光差异,且化合物并不因此而发生光致闭、开环反应,利用该特性有望实现光信息的无损读取;与未引入卟啉基团的二噻吩乙烯单体相比,化合物的闭环光量子产率由0.26提高至0.49;同时其热稳定性也有显著改善,耐疲劳期由12 h提升至23 h;且无论在酸性体系还是碱性体系中,化合物均能保持良好的光致变色特性。综上所述,本文设计合成了含卟啉单元的新型俘精酸酐和二噻吩乙烯光致变色化合物,该化合物不仅具有良好的光致变色性,还具有较好的耐疲劳性、更好的热稳定性和更高的环化量子产率。在合适光源激发下,化合物开、闭环体的荧光光谱体现出了明显的差异,且该激发光并不会引起化合物发生光致闭、开环反应。利用这一特性有望将化合物应用于光信息存储设备中,实现信息的无损读取。