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西工大顏紅俠教授團隊、港中深唐本忠院士 Angew：溶劑誘導非傳統熒光聚合物靜電勢分布平衡 - 實現全色可調發射

2024-08-21 來源：高分子科技

熒光聚合物在稀溶液中的可調發射因其直接反映了激發態下聚合物與溶劑的相互作用而備受關注。然而，目前所報道的非傳統熒光聚合物在稀溶液中通常只能發射藍色熒光。因此，設計合成能夠在稀溶液中實現發光顏色可調的熒光聚合物，并探究非共價相互作用（如溶劑與熒光聚合物之間）對發光行為的影響至關重要。

圖1（a）超支化聚硅氧烷衍生物的合成路線；（b）發光機理示意圖

近期西北工業大學顏紅俠教授團隊與香港中文大學（深圳）唐本忠教授合作，合成了兩種新型的含四配位硼的超支化聚硅氧烷衍生物（P1和P2）（圖1a）,并通過調節分子結構中的電子效應來調控兩種聚合物發光性能。其中，P1具有高效的D-π-A結構、B←N鍵和豐富的C-H···O氫鍵，以及N···O, O···O, O···C=C和N···C=C等空間n···n和n···π相互作用，能夠發射明亮的紅色延遲熒光（Em = 645 nm，τ = 9.53 μs, QY = 9.15%），在目前報道的能夠發射紅光的非傳統熒光聚合物中處于先進水平。然而，僅含有B←C=O鍵和氫鍵、缺乏空間n···n和n···π作用的P2聚合物，僅能發射橘色熒光（Em = 615 nm, τ = 8.27 μs, QY = 8.28%）。并且，通過對P1和P2進行自然躍遷軌道（NTOs）分析，發現P1比P2具有更強的電荷轉移（CT）效應，其熒光行為易受到溶劑的影響。

圖2 (a) P1和P2在不同脂肪族溶劑中的紫外-可見吸收光譜；P1 (b)和P2 (c)在脂肪族溶劑中的歸一化光譜；(d) P1和P2在不同芳香溶劑中的紫外-可見吸收光譜；P1 (e)和P2 (f)在芳香溶劑中的歸一化光譜；(h) P1和P2在不同溶劑中的量子產率；P1 (i)和P2 (j)在不同溶劑中的熒光壽命，c= 10mg /mL。

進一步研究了P1和P2在不同溶劑中的光學性質（圖2）。值得注意的是，P1在不同的溶劑中表現出從藍光到黃光的可調發射。為了探討熒光聚合物與溶劑之間的非共價相互作用與熒光行為的關系，利用靜電勢分布（ESP）評估了溶劑與P1之間的相互作用，并結合實驗結果表明：除了溶劑的極性外，溶劑的電子效應對調節P1的發射波長也至關重要。這些電子效應不僅能平衡P1的靜電勢分布，還能增強P1的空間n···n和n···π相互作用，從而實現P1在稀溶液狀態下發射波長的可控調節（圖3）。此外，僅通過改變溶劑的種類，P2的發射波長也能夠從435 nm紅移至575 nm。這一發現進一步驗證了利用溶劑調節聚合物發射波長的策略具有一定普適性。這項工作不僅為調控聚合物的發光波長提供了一種新策略，并且為研究非共價相互作用對發光性能的影響提供了新方法。

圖3 （a）P1的ESP圖；（b）P1在不同溶劑下的ESP圖；P1 (c)，P1-EtOH (d)和P1-Hacac (e)的最優化構型和分子內相互作用；（f）溶劑對熒光性能影響的機制。

此外，在聚合物P1中加入氟離子后，不僅在日光燈下顏色加深，而且其熒光也會從藍光變為綠光，從而同時實現氟離子的裸眼和熒光雙重檢測（圖4）。

圖4 P1聚合物對氟離子“可視化”檢測

相關成果以“Unconventional Luminescence Polymer with Color-Tunability based on Solvent-induced Electrostatic Potential Distribution of Fluorophore”為標題發表在《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed. 2024. DOI: 10.1002/anie.202413425）上。西北工業大學化學與化工學院何嫣赟博士為該論文的第一作者，通訊作者為香港中文大學（深圳）唐本忠院士和西北工業大學顏紅俠教授。該工作得到了國家自然科學基金（22175143）的支持。

西北工業大學顏紅俠教授課題組自2015年以來通過調控Si-O-C和B-O-C骨架結構和端位修飾等手段，設計合成了具有多色熒光（從藍光到紅光）、較高量子產率（QY最高可達54.1%）和長熒光壽命（τ最高可達9.73 μs）等多種有機-無機雜化超支化發光聚合物（Macromolcules, 2019, 52, 3075-3082; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202204383; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202312571），并探索了其在離子檢測、信息加密、細胞成像、藥物控釋“可視化”、活性氧清除（Biomacromolecules, 2024, 25, 2635-2644）等方面的應用。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202413425

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（責任編輯：xu）

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