卢华课题组在CCS Chem上报道锗杂共轭体系的高效构筑与光谱调控的研究成果

来源 : 材化学院     作者 : 材化学院     时间 : 2022-04-02     

有机π共轭分子具有丰富可调的物理化学性质,对分子材料与器件、生命科学研究具有重要意义,近年来呈现出蓬勃发展的势头。将杂原子如B、N、O、Si、P、S等引入到共轭骨架中是调控电子结构和创造新物质的重要途径之一。由于硅具有空3d轨道,可形成特殊的σ*-π*相互作用,含硅π-共轭体系在过去二十年中受到了极大的关注。相关研究促进了有机硅化学的发展,推动了有机硅材料在国民经济各行业门类中的广泛应用。作为同主族元素的类金属锗,其具有较大电负性和原子半径,在共轭体系中引入锗能够改善功能分子的溶解性、可加工性,改变分子堆积,影响电子结构和激发态性质等。然而,因锗杂共轭体系的构建方法有限,严重限制了其结构多样化和物理化学性质研究。

卢华文章图1

图1


萘基锂诱导含炔键化合物的分子内环化是一类经典的反应,该反应所形成锂中间体可以和卤代烃发生Negishi偶联反应或与类似亲电试剂反应,从而获得丰富的分子结构。自1994年Tamao教授首次用此方法制备硅咯以来,大量结构新颖性质独特的硅咯衍生物被合成制备,极大促进了有机硅化学与材料的发展。但近30年来化学家试图用此方法来制备锗杂体系的尝试一直未获成功。

为解决上述难题,杭州师范大学材料与化学化工学院卢华课题组和华南理工大学赵祖金课题利用理论计算指导,通过反应条件优化,高效构建了一系列结构丰富的锗杂共轭分子,通过调控取代基的电子效应实现了发光在可见-红光区可调,发现锗杂共轭结构类型对其重原子效应的发挥起到重要作用(图1)。该工作以research article的形式发表在中国化学会旗舰CCS Chemistry上(DOI:10.31635/ccschem.022.202101625)。

在优化条件下,作者首先高效构建了一系列2,3-位具有不同电子效应的锗杂共轭分子,并通过后修饰如通过吡啶成盐,获得了一种线粒体靶向的AIE探针。该方法简单高效、底物范围广且易于功能化,并将该方法扩展到合成双边苯并锗咯和锗桥联梯状化合物。通过对单晶的Hirshfeld表面分析对这些分子的光电特性的研究,阐述了固态发光强度与分子堆积方式和分子间作用力之间的关系。通过对光物理性质的详细研究,揭示了2, 3-位取代基哈密顿常数之差的绝对值和发光波长成线性关系,指导新一代锗杂化合物的理性设计。另外,首次将锗杂光电化合物应用于OLED器件中(图2)。

卢华文章图2

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综上所述,该研究通过便利的合成方法创制了一类新型锗杂共轭体系,通过详尽的理论分析和光谱测试,揭示了结构修饰与堆积结构对光物理性质的影响规律,形成了锗杂共轭化合物的光电功能调控策略,实现了有机锗化合物在有机光电器件的应用。论文第一作者为杭州师范大学硕士研究生项小双同学(目前在德国乌尔姆大学攻读博士学位),通讯作者为卢华教授和华南理工大学赵祖金教授,杭州师范大学为第一完成单位。该工作得到了国家自然科学基金(21871072)的支持。

论文链接:https://doi.org/10.31635/ccschem.022.202101625



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