聚集态分子排列对光电性能的影响

有机小分子材料是由许多分子构成的聚集体, 其性能既与单个分子的空间构型和电子特性有关, 更与聚集体中分子的排列方式和分子间相互作用密切相关. 在有机小分子材料中, 聚集体的性质并不是组成它的单分子行为的简单线性叠加, 而是经常呈现出聚集态的整体差异性响应特点, 即: 不同的聚集态分子排列引起截然不同的性能. 因此, 科学研究已逐渐由单分子研究迈向分子聚集态科学. 随着人们对分子聚集态科学的关注, 特别是对有机分子固态下的排列和堆积方式、分子间相互作用等方面的深入研究发现, 通过不同策略对分子聚集态行为的有效调控, 可以实现完全不同于单个分子特性的聚集态发光现象, 包括发光强度、颜色、形式以及激发过程的差异. 也可以通过分子聚集态的形貌和维度的调节, 实现不同光电器件性能的调节和优化. 本综述将分别介绍聚集态分子的排列方式对力致变色、室温磷光、力致发光和有机场效应晶体管等方面的重要影响, 进一步阐述聚集态分子行为的重要性, 同时, 为有效调控聚集态分子的排列方式, 有针对性地设计和开发优异性能的光电材料提供基础.     

从单分子到分子聚集态科学

有机光电功能材料的宏观性能不仅只依赖于基元分子自身的理化性质,还取决于其分子聚集行为和聚集态结构。在特定的聚集态结构中,分子间弱相互作用的加和与协同,可促进体系性能的拓展与质变,获得超越分子本征属性的功能。这凸显出当前化学研究逐步从关注单分子向分子聚集态科学转变,体现出分子聚集态研究的重要性。本文借助有机室温磷光性能对分子聚集态结构的高度灵敏性与响应性,系统探讨了分子聚集态结构的形成规律与核心影响因素。以此为基础,进一步拓展分子聚集态研究的应用领域,包括力致发光、有机二阶非线性光学、力致变色、有机发光二极管等,从静态调控到动态刺激响应(刺激源:力、热、光、电场等),从单一结构到多组分体系与器件,同时,确立了各种有机光功能材料的优势分子聚集形式,提出了聚集态调控的有效策略与研究思路,阐述了光电功能材料体系设计与合成的可控性与预见性。     

具有聚集诱导发光性能的乙烯基衍生物的合成及其对DNT的检测

采用Wittig-Horner反应合成了两种具有聚集诱导发光(AIE)性能的乙烯基衍生物.紫外及荧光光谱显示,两种化合物在聚集态时分子间的π-π相互作用很弱,二者在聚集态时都展示了很强的荧光增强发光性能.由于二者所具有的扭曲的分子构型提供了2,4-二硝基甲苯(DNT)气态分子扩散所需的分子通道,因此对DNT蒸气的检测均显示了较高的荧光猝灭效率,且其荧光猝灭具有较好的可逆性.     

呋喃与双卤分子间卤键的电子密度拓扑研究

用DFT和MP2(full)方法研究了呋喃-XY (XY＝ClF, BrF, BrCl)体系分子间的相互作用, 讨论了两种卤键类型 Y—X…O和Y—X…π的作用. 研究表明: Y—X…π的相互作用比Y—X…O的作用强, 计算得到的分子间相互作用能按照呋喃-BrF＞呋喃-ClF＞呋喃-BrCl的顺序依次降低. 形成卤键后, 两种类型卤键复合物中的电子受体X—Y键伸长, 其振动频率发生红移. 利用电子密度拓扑方法对卤键的电子密度拓扑性质进行了分析.     

溶液相中卤键驱动的超分子螺旋

<正>螺旋构象具有重要的生命科学研究价值,如DNA双股螺旋和蛋白质α-螺旋是生命组成中两类主要的螺旋结构。基于分子间非共价相互作用的超分子螺旋作为仿生螺旋的一种,因其结构可调控性和动态可逆性特征而备受关注,近年来已在不对称催化、手性传感和分离、仿生材料等研究领域展现重要的应用~(1,2)。传统构造超分子螺旋的非共价相互作用主要包括氢键、静电、π-π堆积、亲疏水以及金属配位等。卤键是存在于分子中卤素原子的亲电区域和     

苝酰亚胺受体的聚集形态对有机太阳电池中激子过程与电子传输的影响（英文）

末端烷基链分叉位置对苝酰亚胺(PBI)线性二联体的堆积模式具有显著影响,进而影响激子过程与载流子传输.二联体两端烷基链分叉位点紧靠苝酰亚胺能够抑制分子长程有序堆积,形成具有较少能量陷阱的无定形聚集态;而两端烷基链分叉位点远离苝酰亚胺则导致多种聚集结构共存,分子间强π-π相互作用位点成为能量陷阱.结果表明, PBI受体的聚集方式对有机太阳电池的性能产生重要影响,需要尽量减少活性层中的多种聚集结构共存以免引起激子解离受限以及载流子传输迟滞.     

Bay区取代苝二酰亚胺分子构型及聚集调控:邻位甲基位阻效应

设计并合成了2种苝二酰亚胺分子PBI1和PBI2,研究了bay区的苯氧基团邻位甲基取代对分子构型及分子聚集的影响.通过对单晶结构的分析,发现邻位甲基的引入明显影响苝二酰亚胺分子构型,使得4个苯氧基呈中心对称分布.由于甲基的空间位阻效应,有效地减弱了分子间π-π相互作用,从而提高了分子的溶解性与溶液加工成膜性.研究结果表明,在π共轭分子结构中的关键位置引入小的甲基取代基能够显著调控分子的聚集行为,有效减少光电材料分子中非光电活性(增溶性基团)的含量,对光电材料分子的设计合成具有重要的指导意义.     

硅杂环戊二烯并苯有机小分子化合物研究进展

硅杂环戊二烯并苯有机小分子结构的特殊性,赋予其独特的光电特性,在有机光电功能材料等领域具有广阔的应用前景.其中,并苯的刚性共平面结构可避免构象无序性、扩大π-共轭;硅杂环戊二烯能够形成σ*-π*共轭,可有效降低体系LUMO能级、提高电子亲合势.硅杂环戊二烯并苯有机小分子主要包括苯并噻咯、硅桥联对二苯乙烯衍生物、二苯并噻咯和双硅桥联对-三联苯等.综述了硅杂环戊二烯并苯小分子的合成方法、结构修饰、性能及应用的研究进展,并对今后的研究方向进行了展望.     

含硅桥联并环π-共轭体系光电功能材料研究进展

近年来,由于含硅桥联并环π-共轭体系的独特结构特性以及分子的多样性、可设计性,在光电功能材料的研究中得到越来越多的关注.并环结构赋予体系以刚性共平面结构,使其共轭较非并环结构母体进一步增强,而硅桥的引入则可影响分子的电子结构进而影响材料的光电性能.母体结构及硅桥联方式的选择为分子结构设计和光电性能的改进提供了较大的空间.本文根据母体结构的不同,对硅桥联联苯体系、硅桥联噻吩体系以及硅桥联对二苯乙烯齐聚物体系光电功能材料的研究进展进行了综述.     

基于双吡啶基双西佛碱通过氢键相互作用形成的有机超分子晶体

合成了双吡啶双西佛碱(bpbd)有机分子，并用该分子进行了超分子网络晶体的组装．X射线单晶结构分析表明：在bpbd晶体中存在着分子间氢键相互作用，该氢键由吡啶环上的N原子和西佛碱H—C—N基团上的H原子相互作用而成．每一个bpbd分子同另外4个bpbd分子通过氢键相连，构成了二维网状结构；在bpbd晶体中还存在分子间π…π相互作用，并导致一维分子柱的形成．二维氢键和一维π…π的协同作用，导致了三维超分子晶体的形成。     

二苯乙烯基蒽衍生物:聚集诱导发光性质、机理及应用

与传统的发光分子相比,具有聚集诱导发光(AIE)性质的分子,在聚集态或固态条件下,由于独特的分子结构和聚集态结构,表现出显著增强的荧光发射,因而在光电器件、生物化学检测等领域展现出广阔的应用前景。本文总结了二苯乙烯基蒽(DSA)及其衍生物的AIE性质,分析了DSA类分子AIE现象的机理,如分子内转动受限、扭曲的分子结构及分子间聚集结构等,同时介绍了此类分子在固态发光、刺激-响应材料,以及生物检测和生物成像等方面的应用。     

苯并二噻吩基小分子高效有机太阳能电池研究进展

有机太阳能电池(organic solar cell,OSC)是由有机材料构成活性层的太阳能电池.苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene,BDT)由于具有较大的刚性平面共轭结构,可以显著提高π电子的离域能力和分子间的π-π相互作用,且易化学修饰,合成方便,成为太阳能电池给体材料研究中的一个"明星分子"单元.目前,已报道的基于BDT共轭单元的有机光伏器件(organic photovoltaic device,OPV)的光电转化效率(power conversion efficiency,PCE)最高已达到9.95%,应用前景巨大.综述了BDT基小分子有机太阳能电池(small molecule organic solar cell,SM-OSC)活性层材料近年来的研究进展,并简要分析了小分子由于主链、侧链、封端基团的差异对器件性能的不同影响.     

基于π体系的超分子功能材料的制备与应用研究

近年来,聚集态结构材料制备方法的快速发展和应用领域的不断拓宽使得构建更小、更快、功能性强、性能优越的分子器件成为可能。π体系有机共轭分子作为构筑纳米结构的一个新颖单元,越来越吸引人们的注意。本文从纳米材料的概念和特点出发,介绍了基于π体系有机共轭分子的超分子功能材料以及无机/有机杂化功能材料体系的构建方法。我们重点讨论了经典自组装的方法,并且进一步探讨了自组装过程中常见的几种驱动力对形成聚集态结构起到的重要作用。在材料制备的基础之上,我们还探讨了各种功能化器件的构建以及它们在场发射、光电探测、太阳能电池、传感器、非线性光学材料、光波导材料等领域的广泛应用。     

有机共晶光电功能材料与器件

在双组分或多组分有机共晶中,特殊的分子堆积方式和聚集态结构以及不同组分之间的协同和集合效应,使得有机共晶不仅保留了单一组分的固有属性,而且展现出更多新颖的宏观光电性质,在电导、铁电、双极性电荷传输、光响应、发光和给受体组分间电荷转移过程等方面具有重要的研究价值和应用前景,为有机单晶器件的高性能化和多功能化发展提供了新途径。因此,有机共晶的制备和性能研究逐渐成为近年来的热点。在本文中我们首先详细地介绍了有机共晶的分类情况,根据形成晶体的作用力分为电荷转移晶体、通过π-π相互作用形成的晶体和以分子间氢键、卤键相互作用为主的晶体;其次,以经典的7,7,8,8-四氰基对苯二醌二甲烷（TCNQ）、1,2,4,5-苯四甲腈（TCNB）和富勒烯（C₆₀）三种典型的受体分子为例,列举了常见的有机给受体材料;再次,介绍了8种制备有机共晶的常用方法,讨论了有机共晶中分子排布方式对性能的影响;最后,介绍了有机共晶在光电器件中的应用。我们相信有机共晶的理论和应用研究会进一步丰富和推动有机晶体材料和光电子学领域的发展。     

含酰胺结构超低膨胀聚酰亚胺薄膜的热膨胀行为

采用联苯二酐与3种含酰胺结构二胺制备了具有不同取代基团的聚酰胺-酰亚胺薄膜, 考察了酰胺结构对薄膜力学、 耐热及尺寸稳定性的影响, 研究了聚集态结构与薄膜热膨胀行为的关系和规律. 该系列薄膜具有超高强度和优异的耐热性能, 拉伸强度高达280.5 MPa, 玻璃化转变温度在389~409 ℃, 并在30~300 ℃温度范围内表现出超低负膨胀, 热膨胀系数(CTE, ppm/℃, 即10 ⁶ cm·cm ^-1·℃ ^-1)在-3.05~-1.74 ppm/℃之间. 聚集态分析结果表明, 酰胺结构使分子链间形成了强氢键相互作用, 分子链在薄膜面内方向高度有序取向, 并在膜厚方向堆积更为紧密, 使薄膜表现出热收缩现象. 通过不同体积大小的取代基团进一步调控分子链间相互作用及排列堆积, 可实现薄膜在高温下近乎零尺寸形变, 为设计制备超低膨胀聚合物基板材料提供了新思路.     

4,4′-二(硬脂酰胺基)二苯甲烷在乙烯基类单体中的分子组装及其结构形态研究

4,4′-二(硬脂酰胺基)二苯甲烷(BSDM)能在乙烯基类单体中进行聚集、自组装,并可使苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸-2-羟基乙酯等凝胶化,形成相应的分子凝胶.凝胶/溶胶相变温度(TGS)与BSDM浓度有关,BSDM质量分数越大,凝胶体系中分子间氢键和π-π键越多,要破坏它们所需要的能量越高,TGS因而也就越高.透射电镜表明,BSDM在各种可聚合溶剂中通过分子间相互作用形成类似纤维状的聚集体结构.BSDM在可聚合溶剂聚合前后的偏光显微照片表明,BSDM在体系中的晶型结构是球晶.     

分子间相互作用对聚肽共聚物/聚苯乙烯衍生物共混体系自组装形貌影响的研究

合成了两亲性的聚(γ-苄基-L-谷氨酸酯)-b-聚乙二醇(PBLG-b-PEG)聚肽刚-柔嵌段共聚物和聚苯乙烯(PS)均聚物及多种聚苯乙烯衍生物,包括聚(4-乙酰氧基苯乙烯)(PAS)均聚物、聚(4-羟基苯乙烯)(PVPh)均聚物和聚(苯乙烯-co-4-乙酰氧基苯乙烯)(P(S-co-AS))共聚物.用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、核磁共振氢谱(1H-NMR)和凝胶渗透色谱(GPC)等表征了聚合物的结构、分子量及分布.采用共溶剂溶解、选择性溶剂透析的方法,制备了PBLG-b-PEG嵌段共聚物与不同PS衍生物(包括PS均聚物)共混体系的自组装聚集体,利用透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)等表征了自组装体的形貌和结构.研究发现,不同的分子间相互作用(如π-π共轭作用、偶极-偶极相互作用、氢键作用等)对共混体系的自组装形貌有显著的影响.PBLG-b-PEG/PS共混体系自组装可形成表面具有条纹结构的"毛线球"聚集体,该体系中PBLG和PS之间形成π-π共轭作用,相互作用强度相对较弱;PBLG-b-PEG/PAS共混体系自组装可形成表面基本光滑并有轻微凹陷的球形聚集体,该体系中PBLG和PAS之间除了π-π共轭作用,还可形成相对较强的偶极-偶极相互作用;而PBLG-b-PEG/PVPh共混体系自组装得到了囊泡,该体系中PBLG与PVPh之间可形成π-π共轭和氢键作用,相互作用强度进一步增强.对于PBLG-b-PEG/P(S-co-AS)共混体系,可通过改变P(S-co-AS)共聚物中AS摩尔分数和制备温度来调控自组装聚集体表面的条纹形貌.根据PBLG链段与不同PS衍生物(包括PS均聚物)之间不同的分子间相互作用,提出了上述聚集体形貌转变的机理.     

4,4′-二(硬脂酰胺基)二苯甲烷在乙烯基类单体中的分子组装及其结构形态研究

4,4′-二(硬脂酰胺基)二苯甲烷(BSDM)能在乙烯基类单体中进行聚集、自组装,并可使苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸-2-羟基乙酯等凝胶化,形成相应的分子凝胶.凝胶/溶胶相变温度(TGS)与BSDM浓度有关,BSDM质量分数越大,凝胶体系中分子间氢键和π-π键越多,要破坏它们所需要的能量越高,TGS因而也就越高.透射电镜表明,BSDM在各种可聚合溶剂中通过分子间相互作用形成类似纤维状的聚集体结构.BSDM在可聚合溶剂聚合前后的偏光显微照片表明,BSDM在体系中的晶型结构是球晶.     

以咔唑为给体的分子内电荷转移化合物的自组装及发光性质

设计合成了两种以咔唑为给体单元,苯并噻二唑为受体单元的分子内电荷转移化合物((E)-4-((4-(4-(9H-咔唑-9-基)苯乙烯基)苯基)乙炔基)-7-溴苯[c][1,2,5]噻二唑(CzPB-Br)和4,7-双((4-((E)-4-(9H-咔唑-9-基)苯乙烯基)苯基)乙炔基)苯[c][1,2,5]噻二唑(CzPBPCz))。 研究了紫外、荧光等光物理性质,发现CzPB-Br和CzPBPCz的溶液态在可见区域404和442 nm有明显特征紫外可见吸收峰,同时在557和588 nm处有明显的荧光发射。 结合理论计算考察了共轭长度对两种化合物性能的影响。 两个化合物利用给-受分子间的偶极-偶极、π-π等相互作用,通过良溶剂向不良溶剂扩散和热饱和溶液析出的自组装方法,分别获得了一维微米线、多边形微米片等聚集态结构。 其中,一维的微米线宽度为1~2 μm,长度可达100 μm以上。 一维微米线和多边形微米片分别在515和568 nm处显示出了较强的发光,同时还显示出了光波导的特征,为获得高性能低维有机光电纳米材料提供了新思路。     

含1,2二取代的苯并咪唑配体的Zn(Ⅱ)络合物上化学固定CO2转化为环状碳酸酯

合成了一种新的Zn(Ⅱ)配合物ZnCl2(L1)2] (1) (L1为 2-(2-噻吩)-1-(2-噻吩甲基)-1H-苯并咪唑),并采用NMR和IR光谱、元素分析、ESI-HRMS光谱测定和热重分析等对它进行了表征,其分子结构也由单晶X射线衍射确定.络合物1含有单核四面体Zn(Ⅱ)单元,即所谓的锁定的几何结构,这源自分子中存在弱的分子间S···π和π-π配体间相互作用.通过简易的合成路线即可制得苯并咪唑配体及其与Zn(Ⅱ)配合物.采用CO2与环氧化物耦合生成环状碳酸酯反应考察了1的催化活性,以及反应条件的影响.该配合物在无溶剂条件下可高效催化多种环氧化物的转化,具有较好的转化率,TONs和TOFs.