中文题名: | 聚集诱导高效荧光环状硅杂环戊二烯衍生物的合成、表征及其光物理性能的研究 |
姓名: | |
学号: | 10497110040 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 080501 |
学科名称: | 材料物理与化学 |
学生类型: | 博士 |
学位: | 工学博士 |
学校: | 武汉理工大学 |
获奖论文: | |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 有机硅材料 |
第一导师姓名: | |
第一导师院系: | |
完成日期: | 2014-09-19 |
答辩日期: | 2014-12-14 |
中文关键词: | 硅杂环戊二烯 |
中文摘要: |
具有高固态荧光量子产率的合成材料在发光器件能源高效转换方面发挥着重要的作用。分布于硅原子环外的两个化学键的σ*轨道和环内丁二烯π*轨道的相互作用使得硅杂环戊二烯具有σ*-π共轭体系。由于其最低未占轨道(LUMO)的能级较低,因此赋予了硅杂环戊二烯优良的有机光电性能且在发光器件上有非常广阔的应用前景。目前,对于提高硅杂环戊二烯在发光器件中的固态荧光量子产率的研究,国内外更多的是通过对硅杂环戊二烯类化合物在硅原子上或环戊的碳原子上取代基的结构修饰改性、或者对硅杂环戊二烯在2,5位碳原子上的聚合形成聚合物来实现。这些合成反应并不是很简单,反应条件也不总是很温和。相对而言,目前鲜见文献报道将硅杂环戊二烯引入到环硅氧烷中从而合成荧光化合物的研究;对于硅杂环戊二烯中硅原子上的1,1位聚合形成的具有荧光性质的聚硅氧烷的研究也很少;而且人们对固态荧光量子产率大小的机理研究尚不完善。因此,探索不同合成方法、对硅杂环戊二烯的分子结构设计以合成高固态荧光量子产率的新化合物或聚合物是硅杂环戊二烯在实际应用中的关键;深层次地对固态荧光量子产率高低的机理研究具有重要的学术意义和应用价值。 本论文以硅杂环戊二烯荧光团为研究对象,通过分子结构设计,合成了一系列以甲基、苯基作为间隔基团、将不同荧光团(硅芴、1,3-二苯基-9-硅芴、2,3,4,5-四苯基-1-硅杂环戊二烯、铝二喹哪啶)引入环硅氧烷或含硅化合物中形成的高固态荧光量子产率的新的化合物,系统研究了这类硅杂环戊二烯衍生物的合成和分离提纯方法,全面表征了这一系列新化合物的化学结构,探讨了间隔基(甲基、苯基)以及环硅氧烷大小、不同荧光基团对硅杂环戊二烯衍生物的荧光性能的影响,系统研究了该类化合物在四氢呋喃溶液、薄膜、单晶粉末固态下的的紫外吸收、荧光发射、聚集诱导发光、荧光寿命及荧光量子产率,深层次分析了该类化合物的单晶分子堆积排列和分子间相互作用,计算了该类化合物的分子轨道和紫外激发单重态,研究了固态荧光性能的机理,尝试了通过两种硅杂环戊二烯环硅氧烷的开环聚合反应合成1,1位聚合的聚硅杂环戊二烯。研究了环硅氧烷开环反应合成含氨基聚硅氧烷制备硅橡胶的阻尼性能。 本论文的主要研究内容和结果如下: (1)硅芴环硅氧烷衍生物的合成、表征及其光物理性能的研究。采用共水解反应合成了四种新的含有硅芴荧光团的环硅氧烷衍生物,并对它们进行了结构表征。研究了该环状硅芴衍生物在溶液、薄膜和晶状粉末状态下的紫外吸收和荧光发射的性能。研究表明,这些化合物在溶液中和薄膜状态下紫外吸收峰对应的波长约为278 nm;在溶液中荧光发射谱峰对应波长约355 nm;在晶体粉末固态下的荧光发射光谱的谱峰范围为369-403 nm,并伴有发射强度小的肩峰(488-500 nm)。与溶液相比,这些化合物在薄膜和晶体粉末固态下的荧光发射峰都有明显的红移。这些化合物在溶液中有相似的低荧光量子产率(Φfl= 0.13 - 0.15);但是它们都具有较高的固态的荧光量子产率(Φfl= 0.35 - 0.54)。这些化合物在聚集态下荧光发射强度增加不大(I/I0 =1.5)。在单晶结构中,含有四个硅芴结构单元的环四硅氧烷化合物存在部分重叠的π-π相互作用,其他三个化合物的硅芴单元仅具有CH-π相互作用。理论计算表明,所有化合物的光学允许激发态涉及的跃迁轨道(HOMO-1, LUMO, LUMO+1)均分布在硅芴结构单元上;相较于单个分子化合物,这些化合物的单晶固态的激发态跃迁轨道之间的能级减少;含有四个硅芴结构单元的环四硅氧烷化合物和含有两个硅芴结构单元的环六硅氧烷化合物只有一个光学允许的单重激发态,这可能会与光学禁止激发态发生能量转移从而造成荧光衰减。 (2)2,3,4,5-四苯基硅杂环戊二烯环硅氧烷衍生物的合成、表征及其光物理性能的研究。采用共缩合反应合成了三种新的含有四苯基硅杂环戊二烯荧光团的环硅氧烷衍生物,并对它们的结构进行了表征。研究了该环状四苯基硅杂环戊二烯衍生物在溶液、单晶固态下的紫外吸收和荧光发射的性能。研究表明,这些化合物在溶液中的紫外吸收峰对应的波长为366-375 nm,荧光发射峰对应的波长为490-500 nm;这些化合物在晶体状态下的荧光发射峰对应的波长为505-528 nm。虽然这些化合物在四氢呋喃溶液中具有低的荧光量子产率(Φfl ≈0),但是它们的固态荧光量子产率均很高(Φfl =0.19-0.86)。此外,这些化合物都具有良好的聚集诱导荧光增强的特性(I/I0=60)。在单晶结构中,这些化合物都有弱的分子间CH-π的相互作用;除此之外,间隔基为苯基(Ph2Si-)的2,3,4,5-四苯基硅杂环戊二烯环三硅氧烷还具有分子内CH-π的相互作用。理论化学计算表明,这些化合物的分子跃迁轨道(HOMO-1, LUMO, LUMO+1)均位于四苯基硅杂环戊二烯单元上;间隔基为苯基(Ph2Si-)的2,3,4,5-四苯基硅杂环戊二烯环三硅氧烷的光学跃迁是从基态S0到第二激发态S2,但是间隔基为苯基(Ph2Si-)或甲基(Me2Si-)的2,3,4,5-四苯基硅杂环戊二烯环四硅氧烷的光学跃迁是从基态S0到S4,后者在光学跃迁中发生光学允许激发态与光学禁止激发态(S2、S3)之间的能量转移可能性较大,这可能是后者具有较低的固态荧光量子产率的原因。 (3)硅杂环戊二烯类环四硅氧烷衍生物的合成、表征及其光物理性能的研究。采用共水解和缩合反应合成了三种新的含有硅芴、1,3-二苯基-9-硅芴、2,3,4,5-四苯硅杂环戊二烯荧光团的环四硅氧烷衍生物,并对它们的结构进行了表征。研究了该环四硅氧烷衍生物在溶液、单晶固态下的紫外吸收和荧光发射的性能。研究表明,在四氢呋喃溶液中,硅芴荧光团的紫外吸收峰对应的波长为279和291 nm,荧光发射谱峰对应波长为359 nm;1,3-二苯基-9-硅芴荧光团的紫外吸收峰对应波长为265 nm,荧光发射谱峰对应波长为375 nm;2,3,4,5-四苯基硅杂环戊二烯荧光团的紫外吸收峰对应的波长为367 nm, 荧光发射谱峰对应波长为491 nm。含有硅芴和2,3,4,5-四苯硅杂环戊二烯两种荧光团的环四硅氧烷在溶液和固态下的荧光性能主要来自荧光团2,3,4,5-四苯基硅杂环戊二烯。在溶液中,1,3-二苯基-9-硅芴环四硅氧烷(Φfl = 0.18)比硅芴环四硅氧烷(Φfl = 0.14)的荧光量子产率大,2,3,4,5-四苯硅杂环戊二烯环四硅氧烷(Φfl = 0.01)的荧光量子产率最小。这些化合物都具有很高的固态荧光量子产率(Φfl =0.65-0.78)。1,3-二苯基-9-硅芴环四硅氧烷和硅芴环四硅氧烷没有显著聚集诱导荧光增强现象(I/I0 <2),2,3,4,5-四苯硅杂环戊二烯环四硅氧烷有较明显的荧光增强特性(I/I0≈18)。在单晶结构中,这些化合物都存在π-π和CH-π相互作用。含有硅芴和2,3,4,5-四苯硅杂环戊二烯两种荧光团的环四硅氧烷的π-π和CH-π相互作用只在硅芴单元上,四苯基硅杂环戊二烯单元没有任何π-π或CH-π相互作用;又由于该化合物的紫外吸收峰与荧光发射峰有较大的重叠,所以该化合物能发生有效的无辐射荧光共振能量转移,这与该化合物在溶液和固态下的荧光性能主要来自四苯基硅杂环戊二烯荧光团的实验事实相符。分子轨道与单重激发态的理论化学计算表明,这些化合物的光学跃迁主要是(π-π*)的HOMO-LUMO跃迁;硅芴环四硅氧烷的HOMO和LUMO分布于硅芴单元上,1,3-二苯基-9-硅芴环四硅氧烷的HOMO和LUMO分布于1,3-二苯基-9-硅芴单元上,含有硅芴和2,3,4,5-四苯硅杂环戊二烯两种荧光团的环四硅氧烷的HOMO和LUMO分布于2,3,4,5-四苯基硅杂环戊二烯单元上。 (4)固态荧光量子产率~100%的硅杂环戊二烯类衍生物的合成、表征及其光物理性能的研究。采用共缩合和酸碱中和反应合成了五种新的含有2,3,4,5-四苯硅杂环戊二烯、硅芴、-AlQ2(铝二喹哪啶)荧光团的高固态荧光量子产率的硅杂环戊二烯类衍生物,并对它们的结构进行了表征。研究了该硅杂环戊二烯衍生物在溶液、单晶固态下的紫外吸收和荧光发射的性能。研究表明,间隔基为甲基苯基(PhMeSi-)的2,3,4,5-四苯基硅杂环戊二烯环四硅氧烷的反式异构体和间隔基为甲基(Me2Si-)的2,3,4,5-四苯基硅杂环戊二烯环三硅氧烷具有相似的紫外吸收(366-373 nm)和荧光发射(497-500 nm),它们在溶液中的相对荧光量子产率接近零,但是固态荧光量子产率分别为0.99和0.97(接近100%);这两种化合物都具有较好的聚集诱导发光性能:I/I0 = 94。在晶体结构中,间隔基为甲基苯基(PhMeSi-)或甲基(Me2Si-)的2,3,4,5-四苯基硅杂环戊二烯环硅氧烷没有任何π-π相互作用,只有CH-π相互作用;前者有分子内和分子间的CH-π作用,后者只有分子间的CH-π相互作用;间隔基为甲基苯基(PhMeSi-)的2,3,4,5-四苯基硅杂环戊二烯环四硅氧烷的顺式异构体在晶格中主要是一维堆积排列,其反式异构体和间隔基为甲基(Me2Si-)的2,3,4,5-四苯基硅杂环戊二烯环三硅氧烷在晶格中都是三维网络排列堆积。高斯计算结果显示,间隔基为甲基苯基(PhMeSi-)的2,3,4,5-四苯基硅杂环戊二烯环四硅氧烷的顺式异构体和反式异构体的电子构型没有任何显著的差异,它们的第一单重激发态S1的跃迁是光学禁止的,因此它们的紫外吸收光谱对应的是第二单重激发态S2的跃迁;所有的跃迁分子轨道(HOMO-1,HOMO,LUMO+1)主要分布在2,3,4,5-四苯基硅杂环戊二烯结构单元上。含1,3-二苯基-9-硅芴和-AlQ2的硅杂环戊二烯衍生物、含硅芴和-AlQ2的硅杂环戊二烯衍生物的荧光发射主要来自-AlQ2荧光团(发射峰对应波长461-476 nm)。这两种化合物在THF/H2O的混合溶液中没有聚集诱导发光现象;它们的溶液荧光量子产率为0.31-0.34,固态荧光量子产率高达0.92和0.79。此外,含硅芴和-AlQ2的硅杂环戊二烯衍生物的晶体具有机械研磨变色的特性,该样品经研磨后的荧光发射光谱的谱峰有红移(λem=481nm)。 (5)环硅氧烷的开环聚合及其应用。以硅芴及2,3,4,5-四苯基硅杂环戊二烯环硅氧烷作为单体,通过不同催化剂合成硅杂环戊二烯1,1位聚合的聚硅氧烷。研究表明,采用四甲基氢氧化铵作为催化剂、甲苯为反应溶剂的硅芴环四硅氧烷的开环聚合,反应生成硅芴1,1位聚合的白色不溶沉淀物在室温下几乎不溶解于任何有机溶剂,只能在100°C左右的高温下溶于1,2-二氯苯。研究了以八甲基环四硅氧烷作为单体开环聚合,再与含氨基的硅氧烷共缩聚,然后与环氧小分子侧链接枝改性合成的聚硅氧烷在阻尼减震材料中的应用。由室温粘度(2.5×104 mP•s ~ 8.0×104 mP•s)不同、含氮Si-O链节百分含量相同(5%)的侧链含烷烃或苯环的两种含氮聚硅氧烷与纳米二氧化硅固化形成的硅橡胶具有相似的阻尼特性(最大阻尼系数tanδmax= 0.42,对应阻尼温度Tg= -72℃~ -50℃)。由室温相似粘度(6.5×104 mP•s)、不同含氮Si-O链节百分含量的侧链含烷烃或苯环的两种含氮聚硅氧烷与纳米二氧化硅固化形成的硅橡胶,其阻尼系数和Tg随着硅橡胶中含氮Si-O链节含量增加而增大,且阻尼温度范围变宽;当含氮Si-O链节百分含量为18%时,硅橡胶具有最佳的阻尼性能:tanδmax>0.82。 |
参考文献: |
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中图分类号: | O627.41 |
馆藏号: | O627.41/B040/2014 |
备注: | 403-西院分馆博硕论文库;203-余家头分馆博硕论文库 |