含氮、氧杂原子的非芳香性小分子室温磷光的实现与调节

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非芳香性有机发光化合物因其对于揭示生物体自发光具有重要作用,且由于具有良好的生物相容性和成本低等优势在生物影像、防伪及化学与生物传感器领域具有重要的潜在应用价值,因而得到了越来越多研究者的关注。非芳香性化合物的发光可以用簇聚诱导发光的性质进行合理的解释,但由于聚合物的结构不明确,无法清晰地阐明这类化合物本征发光与具体结构存在的联系。此外,纯有机芳香性化合物在获得室温磷光性质方面由于系间窜越(ISC)的能力较弱,要获得有效的三线态发光材料仍是个很大的挑战。基于以上考虑,本论文在簇聚诱导发光的指导下,选用具有明确结构的尿素和硫脲探究非芳香性化合物本征发光的机理以及实现室温磷光的可能性,并在此基础上以丁二酰亚胺(SU)作为构筑单元设计开发了一系列非芳香性纯有机发光化合物,研究了分子结构与发光性质之间的联系,并尝试探究了在加密及防伪领域的应用。具体研究内容如下:(1)在非典型生色团中,羰基是常见的富电子基团,不仅氧原子上带有孤对电子,同时碳氧双键含有π轨道成分。因此化合物中的羰基能够促进分子的自旋轨道耦合(SOC)作用,增加ISC的可能性。此外,氨基的孤对电子也能促进ISC过程的进行,同时能与羰基形成有效的分子间氢键进一步使分子构象刚硬化,从而减少振动、转动等非辐射跃迁方式对三线态激子的耗散。基于以上考虑,我们首先探究了尿素的发光性质。在室温下尿素分子具有荧光/磷光双发射的性质,其磷光寿命长达207.2 ms。通过压片的物理手段,量子效率从2.4%提升至16.2%。为了进一步从结构上调控其磷光的量子效率,向尿素分子中引入了硫原子代替氧原子。结果表明,压片下硫脲的量子效率不仅达到24.5%,并且其发射是纯磷光发射。通过S1、T1态的SOC常数可知,硫脲分子的纯磷光主要来自硫原子引起的ISC增加。同时,我们得到了两种排列的硫脲晶体T-1、T-2。T-1的量子效率为19.6%,高于T-2的量子效率11.6%。晶体结构解析表明,T-2的分子构型使得其分子内的张力较大,因而增加激子的非辐射跃迁,从而表现出更低的量子效率。(2)基于SU分子,我们利用羰基、二羰基将双分子的SU偶联试图调节其室温磷光的发射波长至长波长的可见光区。通过简单一步反应我们得到了CDSU和ODSU这两种分子。CDSU晶体在不同的激发波长下,在478 nm和513 nm两个发射峰位的占比逐渐发生变化,从而实现不同的激发波长下的发光颜色调节。值得注意的是,在335 nm紫外光激发下,其CIE坐标为(0.28,0.33)接近白光,这是至今报道中极为少见的。而对于ODSU,其发射波长随着激发波长的增加而增加,发射峰从389 nm红移至470 nm。此外,CDSU和ODSU的室温磷光均表现出激发波长依赖性,通过低温实验、理论计算、晶体结构证明了其本质来源为晶体中的不同发射中心。以上结果表明通过合理的分子设计可以实现单一化合物的荧光和室温磷光颜色的调节。基于优异的可调节室温磷光,我们进一步探索了CDSU在防伪领域的应用。(3)共晶作为一种调节发光性质的策略被应用于非芳香性化合物的室温磷光性质调控。通过将三聚氰胺(MA)、1,5-二萘啶(NPD)分别与SU生长共晶。通过单晶衍射确定得到构筑单元比例为1:1的SU-MA和SU-NPD共晶。其中SU-MA磷光颜色可以实现不同激发波长下的不同磷光发射,相应的发射峰位从430 nm红移至550 nm,余辉颜色可以从蓝色调控至黄绿色,SU-NPD的余辉明显表现出黄色,成功实现了室温磷光性质调节。进一步的结果表明,SU-MA的激发波长依赖性发射来自于不同聚集体的发射。理论计算表明,非芳香性分子的引入大大增加了SOC常数至8.45 cm-1,MA增加了ISC的通道,因而SU-MA表现出了10.2%的磷光量子效率,说明了非芳香性化合物在共晶策略中起到增大SOC的作用,这为分子结构调节室温磷光性质提供了新的思路。基于优异的长寿命室温磷光,我们进一步探索了共晶在加密领域的应用。
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