新型氮杂芳环铱配合物的合成表征及光学性质研究

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在非线性光学范围内,光限幅材料一直被认为是一种用来保护光学传感和人眼免于因为裸露在外而被激光射线损伤的重要材料。金属有机配合物因其具有非线性光学系数大、激光损伤阈值高、光学响应时间短、结构易修饰、光物理性质可调控以及可与其他材料进行杂化组合等优点,成为光限幅材料的研究重点。而金属铱配合物因其丰富的光物理性质一直是光电功能材料的明星,其在非线性光学材料的应用已崭露头角,为此对铱配合物在非线性光学材料方面的应用开展研究具有一定的理论价值和应用前景。  本文以开发新型铱配合物非线性吸收材料为目的,以邻菲罗啉为主配体(N^N配体),2-苯基吡啶为辅配体(C^N配体),再在C^N配体上进行修饰,引入一系列氮杂芳环,设计合成一系列新型的环金属铱配合物(1a-1d),并对它们的光物理性质与结构之间的构效关系进行了研究。  第一,先通过Ullman偶联法,将芳氨类化合物和间溴碘苯进行反应得到关键中间体,再通过Stille偶联法,将中间体与2-(三丁基锡烷基)吡啶进行反应得到副配体(C^N配体)。Ullman偶联反应的收率在50%-70%之间,Stille偶联反应收率在40%-60%之间。  第二,副配体(C^N配体)与三氯化铱进行配位反应得到桥氯铱配体,最后再与邻菲罗啉进行配位得到目标配合物1a-1d。三氯化铱与氮杂芳环配位反应由于提纯方法的改进,收率明显提高,达到60%左右,桥氯配体与邻菲罗啉配位反应收率在35%左右。所有反应均需在无氧条件下进行。所有中间体及配合物经核磁氢谱和质谱表征,结果表明所得化合物结构与预期一致。  第三,对配体化合物2a-2d进行了紫外-可见吸收光谱、荧光发射光谱以及量化计算分析的研究。研究表明,所有配体在紫外区域均有苯基吡啶的特征吸收峰;所有配体均展现出强的荧光发射峰,表明此类D-π-A构型分子的激发态性质来自于分子内电荷转移。对化合物2a-2d真空气态进行了密度泛函理论(DFT)计算,以了解化合物2a-2d电子基态和激发态的性质。量化计算结果和计算禁带宽度Egcal表明,配体中共轭链的增加能够降低整个分子的能量,使化合物趋于稳定。  第四,对配合物1a-1d进行了紫外-可见吸收光谱以及发射光谱的研究。结果表明,所有配合物均表现出了强的紫外吸收峰和强并且宽、没有精细结构的磷光发射峰。1a-1d的摩尔吸光系数为ε=3.2×104-3.9×104 M-1cm-1,并分别对其各波段吸收峰进行了归属。此外,1a-1d四个配合物在500nm以上仍有弱的吸收,这是来自于掺杂的三线态下配体内3π-π*的跃迁、配体到配体的电荷转移(3LLCT)以及金属到配体间的电荷转移(3MLCT)。在室温条件下,选择相应的吸收波长来激发,所有配合物在二氯甲烷溶液中均展现出强的磷光发射,发射范围在550nm-750nm之间,处于橙红光发光区域,并且有较大的Stoke位移,同时,这些发射峰的性质可以归属为配体到配体的电荷转移(3LLCT)以及金属到配体间的电荷转移(3MLCT)。我们发现所有配合物在空气中都会发生磷光淬灭现象,证明了所有配合物的磷光性质。通过溶剂化效应,我们可以得出配合物1c和1d的展现出正的溶剂化效应,而1a和1b的则展现出负的溶剂化效应。对1a-1d作瞬态吸收扫描,1a,1b,1d表现出一定的反饱和吸收能力,其中,1a在400-800nm处有正吸收峰,1b在450-600nm处表现出正吸收峰,1d在300-550nm处有弱的正吸收峰,1c激发态寿命较短(<5ns)。  本文为进一步研究环金属铱配合物的合成以及其光物理性质的应用打下了理论和实验基础,同时也为同类配合物在非线性吸收材料中的应用提供了理论和实验依据。
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