三芳胺-吡嗪類供體-受體型聚集誘導發(fā)光分子的合成及性能表征綜合創(chuàng)新實驗

王直，申起飛，周愉，趙博，奚朵，黨東鋒

西安交通大學化學學院，西安 710049

對于傳統(tǒng)的有機熒光材料而言，其在溶液狀態(tài)下通常會顯示出良好的熒光發(fā)射性能，而對于固體等聚集狀態(tài)下，由于分子內(nèi)存在明顯的π-π堆積作用，其激發(fā)態(tài)能量很容易通過非輻射躍遷通道釋放，最終導致熒光減弱甚至完全淬滅(聚集導致熒光淬滅，Aggregation-Caused Quenching，ACQ)。為了解決上述問題，2001年香港科技大學唐本忠院士團隊提出了聚集誘導發(fā)光(Aggregation-Induced Emission，AIE)的概念[4]。與傳統(tǒng)的ACQ熒光分子不同，AIE材料在溶液狀態(tài)下由于分子轉(zhuǎn)子的運動釋放能量而不發(fā)光，但在聚集狀態(tài)下運動受限會產(chǎn)生十分強烈的熒光發(fā)射信號。由于其獨特的發(fā)光性能，近年來AIE材料在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生了極大的影響，并顯著推動了有機熒光材料領(lǐng)域的快速發(fā)展[5]。

雖然聚集誘導發(fā)光材料具有優(yōu)異的發(fā)光性能及巨大的應用潛力，但是部分本科生對其發(fā)光機理等了解較少，同時也無法進一步了解其分子構(gòu)筑方法及性能測試方法，限制了AIE概念的普及與材料的進一步實際推廣應用。此外，值得注意的是，“聚集誘導發(fā)光”這一原創(chuàng)性概念是由中國科學家引領(lǐng)，全球科學家競相跟進的前沿研究領(lǐng)域，因此，AIE概念和材料體系的推廣對于進一步提升和增強民族自信和文化自信而言意義重大。另一方面，鈴木反應是目前常用的交叉偶聯(lián)反應之一，通常是指在零價鈀配合物的催化作用下，如四三苯基磷鈀等的作用下，芳基硼酸和鹵代芳基之間發(fā)生的偶聯(lián)反應[6]。該反應具有較強的官能團容忍性，因此近年來在有機合成，尤其是有機共軛功能材料領(lǐng)域顯示了極大的合成應用前景[7]。綜上所述，本文提出了針對聚集誘導發(fā)光分子的合成方法及性能測試綜合創(chuàng)新實驗訓練和教學。其中，實驗選取4-硼酸三苯胺和2,5-二溴吡嗪作為反應底物，利用鈴木反應構(gòu)筑了一類具有聚集誘導發(fā)光性能的供體-受體型有機熒光分子，并通過核磁共振氫譜和高分辨質(zhì)譜等確認了其分子結(jié)構(gòu)；通過紫外-可見吸收光譜儀及穩(wěn)態(tài)-瞬態(tài)熒光光譜儀等測定了其吸收、發(fā)射及聚集誘導發(fā)光性能等。通過本綜合實驗的學習不僅會促進學生對有機熒光材料，尤其是聚集誘導發(fā)光材料的了解，也會加強其對常用有機合成操作和相關(guān)儀器設備的熟悉和掌握，最終拓展學生視野并鍛煉學生的綜合創(chuàng)新實驗能力，為培養(yǎng)其良好的科學研究素養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

1 實驗目的

(1)通過查閱相關(guān)文獻，了解聚集誘導發(fā)光材料的發(fā)光機理、研究現(xiàn)狀及應用前景；

(2)了解鈴木反應的機理，練習并掌握萃取、減壓蒸餾、干燥及柱層析分離等基礎(chǔ)有機合成的實驗操作方法；

(3)了解核磁共振儀和高分辨質(zhì)譜儀的原理及操作規(guī)程；掌握旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、紫外-可見光譜吸收儀和穩(wěn)態(tài)-瞬態(tài)熒光光譜儀等儀器的原理及操作規(guī)程；練習并掌握上述儀器的圖譜處理及數(shù)據(jù)分析方法。

2 實驗原理

2.1 實驗合成原理

本實驗通過選取4-硼酸三苯胺和2,5-二溴吡嗪為反應底物，在四三苯基膦鈀的催化作用下利用鈴木反應制備具有供體-受體結(jié)構(gòu)的化合物4,4’-(2,5-吡嗪)二(N,N-二苯基苯胺) (DTPA-P)，其具體的反應路線如圖1所示。上述鈴木反應過程中通常會發(fā)生以下三個步驟[6]：1)零價鈀催化劑與鹵代芳烴發(fā)生氧化加成生成Pd(II)的中間體；2)堿作用和活化后的芳基硼酸與上述中間體發(fā)生金屬轉(zhuǎn)移反應生成Pd(II)的絡合物；3)上述絡合物進行還原消除最終生成具有一定共軛程度的產(chǎn)物及零價鈀。

華為稱，關(guān)于具體指控內(nèi)容還非常少，華為并不知曉孟晚舟有任何不當行為。相信加拿大和美國的法律體系最終會給出公正的結(jié)論。華為還稱，遵守業(yè)務所在國的所有適用法律法規(guī)，包括聯(lián)合國、美國和歐盟適用的出口管制和制裁法律法規(guī)。

圖1 化合物DTPA-P的合成路線

2.2 聚集誘導發(fā)光原理

聚集誘導發(fā)光分子通常情況下具有螺旋槳式的非平面結(jié)構(gòu)單元，并且其中包含了多個分子轉(zhuǎn)子單元。因此，在溶液狀態(tài)下，聚集誘導發(fā)光分子內(nèi)的轉(zhuǎn)子單元可以發(fā)生自由旋轉(zhuǎn)和運動，導致光激發(fā)后其激發(fā)態(tài)的能量能夠以非輻射躍遷的方式消耗，最終在溶液狀態(tài)下顯示微弱的熒光信號[4]；另一方面，由于聚集狀態(tài)下AIE分子的旋轉(zhuǎn)和振動受限(Restricted Intramolecular Motions，RIM，統(tǒng)稱為分子內(nèi)運動受限)，其非輻射躍遷通道得到了有效抑制，從而促進激發(fā)態(tài)能量以輻射躍遷的方式釋放，最終實現(xiàn)發(fā)光分子在固態(tài)等聚集狀態(tài)下的高效發(fā)光[4]。這也是目前聚集誘導發(fā)光分子在固態(tài)下具有優(yōu)異發(fā)光性能的原因。基于上述RIM的機理，目前大量的聚集誘導發(fā)光分子被開發(fā)和設計出來，同時在生物醫(yī)用和有機光電領(lǐng)域均顯示了很好的應用潛力[8]。除此之外，很多AIE分子也同時具有其他發(fā)光機理，如扭曲的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移機理[9]和激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移機理[10,11]等，這也極大地促進了聚集誘導發(fā)光領(lǐng)域的理論發(fā)展，并為新型聚集誘導發(fā)光分子的開發(fā)提供了思路。

3 實驗部分

3.1 實驗儀器和實驗試劑

1)實驗儀器：磁力攪拌器(JK-MSH-Pro-68，上海精學科學儀器有限公司)，天平(ME104 /02，梅特勒-托利多儀器上海有限公司)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(YRE-2000A，鞏義市予華儀器有限公司)，核磁共振儀(JNM-ECZ400S/L1，日本電子株式會社)，高分辨質(zhì)譜儀(SQ Detector，沃特世)，紫外-可見吸收光譜儀(PE Lambda950，珀金埃爾默)，穩(wěn)態(tài)-瞬態(tài)熒光光譜儀(FLS980，愛丁堡公司)，循環(huán)水式真空泵(SHZD III，鞏義市予華儀器有限公司)，真空干燥箱(DZF-1ASB，北京市科偉永興儀器有限公司)，紫外燈(上海康禾光電儀器有限公司)，單口瓶(100 mL)，球形冷凝管，氮氣閥，磁子，分液漏斗，普通漏斗，錐形瓶(250 mL)，滴管，層析柱。

2)實驗試劑：4-硼酸三苯胺(98%，安耐吉化學)，2,5-二溴吡嗪(98%，薩思化學技術(shù)上海有限公司)，四三苯基磷鈀(97%，東京化成工業(yè)株式會社)，無水碳酸鉀(AR，天津市科密歐化學試劑有限公司)，無水硫酸鎂(AR，成都市科龍化工試劑廠)，甲苯(99%)，無水乙醇(99%)，二氯甲烷(AR)，正己烷(AR)，四氫呋喃(AR)，濾紙，硅膠。

3.2 DTPA-P的合成與結(jié)構(gòu)確認

參照相關(guān)文獻[12]，化合物DTPA-P的合成步驟如下：

向250 mL單口瓶中加入化合物4-硼酸三苯胺(2.8 g, 9.6 mmol)，2,5-二溴吡嗪(1 g, 4.2 mmol)，及溶劑甲苯(75 mL)和乙醇(5 mL)，并保證上述化合物完全溶解。之后，氮氣保護下，向上述混合溶液中繼續(xù)加入四三苯基磷鈀(摩爾分數(shù)為3%，145 mg)及碳酸鉀溶液(2 mol·L-1，10 mL)。磁力攪拌下，80 °C加熱反應12 h之后(可通過薄層析法追蹤反應進程，進而動態(tài)調(diào)整反應時間)，向上述反應瓶中加入20 mL水使反應淬滅。所得的混合液經(jīng)過二氯甲烷萃取三次(3 × 60 mL)后，將有機層合并。利用無水硫酸鎂干燥合并的有機層溶液，并經(jīng)過濾和減壓去除溶劑后得到化合物DTPA-P的粗產(chǎn)物。該粗產(chǎn)物經(jīng)過柱層析分離(洗脫劑體積比為V正己烷: V二氯甲烷= 5 : 1)后得到黃綠色產(chǎn)物DTPA-P，稱重并計算反應產(chǎn)率(1.9 g，82%)。

選用氘代氯仿作為測試溶劑，并利用核磁共振儀測試化合物DTPA-P的氫譜，分析所得數(shù)據(jù)并確認化合物結(jié)構(gòu)；利用高分辨質(zhì)譜儀測試化合物DTPA-P的質(zhì)譜數(shù)據(jù)，并與其摩爾質(zhì)量比對，進一步確認其化學結(jié)構(gòu)。

需要注意的是，該反應需要進行較長時間的加熱。因此，為了促進本綜合實驗的可操作度，在前期的設計和實驗訓練中我們主要針對的是具有一定合成功底及科研訓練基礎(chǔ)的大三學生。通常情況下，該群體學生能夠有較長時間進行相關(guān)實驗操作和科研訓練。此外，針對加熱時間長的問題，我們也建議在今后操作過程中可以通過薄層析法進行定時監(jiān)測，在合適時間內(nèi)停止反應。該方法不僅能夠提升和豐富學生的反應監(jiān)測手段，同時也能夠在一定程度上調(diào)整反應時間，促進該實驗的進一步推廣。

3.3 DTPA-P的性能測試

1)溶液配制：稱取5.6 mg的化合物DTPA-P，并置于250 mL錐形瓶中。向上述錐形瓶中加入100 mL四氫呋喃，配制DTPA-P的四氫呋喃母液，其濃度為1 × 10-4mol·L-1。

2)吸收和發(fā)射光譜測試：取上述母液5 mL，并繼續(xù)加入45 mL四氫呋喃，配制濃度為～1 × 10-5mol·L-1的溶液。選取稀釋后的溶液，利用紫外-可見吸收光譜儀測試化合物DTPA-P在四氫呋喃溶液中的吸收光譜，收集和處理數(shù)據(jù)，并記錄其最大吸收波長；以400 nm為激發(fā)波長，利用熒光光譜儀測試上述溶液的熒光發(fā)射光譜，收集和處理數(shù)據(jù)，并記錄其最大發(fā)射波長；利用DTPA-P在四氫呋喃溶液里面的最大吸收波長和最大發(fā)射波長，計算對應的斯托克斯位移。

3)聚集誘導發(fā)光性能測試：取上述母液0.4 mL，并加入3.6 mL四氫呋喃，配制水含量為0%的待測溶液；取上述母液0.4 mL，并加入3.2 mL四氫呋喃和0.4 mL水，配制水含量為10%的待測溶液；繼續(xù)按照上述配制方法，依次配制出水含量為20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%及90%的待測溶液，并保證上述待測溶液濃度一致；利用熒光光譜儀測試上述溶液的熒光發(fā)射光譜，收集和處理數(shù)據(jù)，并記錄每一種水含量條件下的最大發(fā)射波長和熒光強度值。

4)固態(tài)熒光性能測試：向比色皿中加入少量DTPA-P固態(tài)粉末，利用熒光光譜儀測試上述固體樣品的熒光發(fā)射光譜，并記錄數(shù)據(jù)；在手提式紫外燈下(365 nm)，觀察并比較DTPA-P固態(tài)粉末及其四氫呋喃溶液的熒光強度，記錄并解釋實驗現(xiàn)象。

5)熒光量子產(chǎn)率及熒光壽命測試：量取濃度為1 ×10-5mol·L-1的四氫呋喃溶液，并稱取少量DTPA-P固態(tài)粉末，利用穩(wěn)態(tài)-瞬態(tài)熒光光譜儀分別測試化合物DTPA-P在溶液和固體狀態(tài)下的絕對熒光量子產(chǎn)率，收集和記錄數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果與討論

4.1 DTPA-P的合成與結(jié)構(gòu)確認

本實驗采用經(jīng)典的鈴木反應制備化合物DTPA-P，可以通過反應溫度、反應投料比及催化劑的加入量等調(diào)節(jié)化學反應速率及產(chǎn)率。由于催化劑四三苯基膦鈀在氧氣存在下容易失活，因此，尤其要注意本反應需在無氧條件下完成，通常可在氮氣或者氬氣范圍內(nèi)進行。同時，因為反應時間較長，也需要注意反應過程監(jiān)測及相應的反應安全問題。

學生需要通過核磁數(shù)據(jù)及質(zhì)譜數(shù)據(jù)對目標產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進行分析和表征，進而進一步確認化合物的結(jié)構(gòu)。化合物DTPA-P的核磁共振氫譜圖及高分辨質(zhì)譜圖如圖2、圖3所示，其中核磁圖中含少量溶劑峰。相關(guān)核磁數(shù)據(jù)如下：1H NMR (600 MHz, CDCl3)，δ 8.97 (s, 2H), 7.92 (d, J = 8.8 Hz, 4H), 7.30(t, J = 7.9 Hz, 8H), 7.16 (m, 12H), 7.09 (t, J = 7.4 Hz, 4H)。MS m/z：Calculated for C40H30N4：566.2470；Found：567.2537。

圖2 化合物DTPA-P的核磁共振氫譜圖

圖3 化合物DTPA-P的高分辨質(zhì)譜圖

4.2 DTPA-P的光物理及聚集誘導發(fā)光性能測試

化合物DTPA-P在四氫呋喃溶液中的吸收光譜和熒光光譜如圖4所示。由圖可見，DTPA-P在320-459 nm范圍內(nèi)具有較強的光吸收性能，其最大吸收光譜值為400 nm左右；與典型的AIE分子四苯基乙烯不同，當選取400 nm為激發(fā)波長時，化合物DTPA-P在溶液態(tài)下仍然具有較好的熒光發(fā)射，其熒光光譜主要集中在425-550 nm范圍內(nèi)，最大發(fā)射光譜值為470 nm左右；根據(jù)上述吸收和發(fā)射光譜，可知化合物DTPA-P的斯托克斯位移為70 nm左右。DTPA-P在四氫呋喃-水混合溶液中的熒光發(fā)射光譜圖如圖5所示。當向DTPA-P四氫呋喃溶液中逐漸加入水時(fw= 0%-50%)，其發(fā)射光譜出現(xiàn)了明顯的紅移，并且發(fā)光強度也逐步降低；之后再進一步加入更多的水后(fw= 50%-90%)，DTPA-P的熒光光譜又逐漸藍移并且其強度也得到了進一步提升。需要注意的是，與四苯基乙烯的AIE曲線不同，DTPA-P的AIE曲線包括了熒光強度的降低(波長紅移)和熒光強度的提高(波長藍移)兩部分，其中強度的降低主要是由于該類分子具有扭曲的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移作用(TICT)，而最終熒光強度的上升則主要歸因于其優(yōu)異的聚集誘導發(fā)光性能。也正是由于其良好的聚集誘導發(fā)光性能，化合物DTPA-P在固態(tài)條件下也具有強的熒光發(fā)射(圖6所示)。另一方面，值得注意的是，當水含量為80%和90%時，由于DTPA-P較強的疏水性，熒光分子很容易聚集析出，這最終導致了其熒光強度出現(xiàn)了一定程度的下降。除此之外，我們也測試了化合物DTPA-P的絕對熒光量子產(chǎn)率(PLQYs)，其在溶液和固體粉末狀態(tài)下的PLQYs值分別為99.11%和27.03%。為了更進一步研究DTPA-P的光物理性能，我們也測試了典型ACQ分子-熒光素和典型AIE分子-四苯基乙烯的發(fā)射性能，并將其與DTPA-P進行了對比，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 化合物DTPA-P在四氫呋喃溶液中([c] = 1 × 10-5 mol·L-1)的紫外-可見吸收光譜圖(黑線)和熒光發(fā)射光譜圖(藍線)

圖5 化合物DTPA-P在不同水體積含量的四氫呋喃-水混合溶液中的熒光發(fā)射光譜圖(A)及其強度變化圖(B)

圖6 化合物DTPA-P在固體狀態(tài)下的熒光發(fā)射光譜圖

需要強調(diào)的是，本實驗的一大特色之處是可以有效結(jié)合聚集誘導發(fā)光分子獨特的光物理性能，實現(xiàn)學生相關(guān)測試表征能力和分析能力的有效提升。然而，本實驗在進行當中也會涉及一些測試儀器的使用。雖然目前國內(nèi)高校實驗條件已經(jīng)得到大幅提升，基本具有核磁共振儀、紫外-可見吸收光譜儀及穩(wěn)態(tài)-瞬態(tài)熒光光譜儀等測試儀器，但是鑒于各個高校實驗條件的不同，因此，為了提高實驗的可推廣性，我們也建議可以通過其他類似測試方法進行相關(guān)性能研究，如利用紫外分光光度計進行化合物吸收性能的測試，利用紫外燈照射化合物來簡易判斷其發(fā)光情況等。

表1 4,5-二溴熒光素、四苯基乙烯及化合物DTPA-P的發(fā)光性能

5 思考題

(1)通過查閱文獻，試找出幾類典型的聚集誘導發(fā)光材料并總結(jié)其結(jié)構(gòu)特點；

(2)闡述鈴木反應的操作要點及注意事項；

(3)柱層析分離提純的影響因素有哪些？

(4)有機化合物的結(jié)構(gòu)確認方法有哪幾類？請分別闡述其原理及操作流程；

(5)熒光量子產(chǎn)率的測試方法有哪幾類？請分別闡述其操作流程。

6 教學組織建議及思考

因操作時間較長、涉及內(nèi)容較多，本實驗建議面向大三學生，并開設在學生科研訓練時期，按照人數(shù)分組進行(3-5人一組)，集中5天時間完成。為了提高整個實驗效率及進度，本綜合創(chuàng)新實驗在前期主要是分組進行，然而本文也建議各個高校在進行操作時根據(jù)自身情況進行調(diào)整，如在化合物的合成及分離等階段采用一人一組的模式進行，在性能測試環(huán)節(jié)等采用3-5人一組的模式進行。此外，根據(jù)此前開展的類似綜合實驗，指導教師需提醒學生注意以下事項：1)加熱反應時間較長，需要注意反應過程監(jiān)測以及安全問題，反應過程中應保證全程有人記錄和觀察實驗現(xiàn)象，確保反應安全和順利進行；2)催化劑四三苯基磷鈀應快速稱取，使用完畢也應盡快儲存在氮氣環(huán)境下；3)無水碳酸鉀使用完畢應及時放回干燥器中；4)鈴木反應過程中一定要注意充分排氧；5)柱層析分離過程中要注意洗脫劑的選擇和調(diào)整；6)核磁共振儀、紫外及熒光光譜儀等設備在使用前需進行原理和操作規(guī)程等方面的簡單培訓。

對于實驗教學而言，實驗教學成果的評價及評估至關(guān)重要。因此，本實驗也可通過細化實驗結(jié)果考核指標、加強實驗操作過程評價以及開放式討論匯報等形式，提高實驗課程考核全面性，創(chuàng)新課程評價體系，進而更加精準地評估學生的實驗技能提升和素質(zhì)提升情況，并最終確認是否達到教學目標。如本實驗要求學生記錄反應合成步驟及現(xiàn)象變化，記錄產(chǎn)物性狀及產(chǎn)率，要求學生記錄實驗測試方法，記錄合成化合物的發(fā)光量子產(chǎn)率等性能參數(shù)，要求學生撰寫書面實驗報告及心得體會和建議，通過多個途徑提升實驗考核全面性，分析和判斷學生的能力提升情況；另一方面本實驗也要求學生規(guī)范化操作，在注重實驗結(jié)果的同時，進一步加強實驗過程評價，并進行實驗操作規(guī)范度考核。

除此之外，本實驗也可以從學生體會及教師評論等多個方面出發(fā)進一步把握實驗教學成果。“聚集誘導發(fā)光”這一原創(chuàng)性概念是由我國科學家引領(lǐng)的前沿研究領(lǐng)域。因此，在前期實驗背景介紹過程中，學生們普遍認為可以顯著提升自己的民族自豪感，增強四個自信。在本實驗及相關(guān)過程中，學生們能夠全面觀察合成材料在不同狀態(tài)下的發(fā)光性能，并且可以充分對比商用材料和自己合成材料的區(qū)別。因此，具有較好的實驗參與度，可以顯著激發(fā)學生的好奇心與求知欲。另一方面，教師也普遍認為本實驗中通過聚集誘導發(fā)光分子的合成、結(jié)構(gòu)確認及性能測試等多個環(huán)節(jié)的鍛煉，可以顯著增強學生對有機熒光材料及交叉偶聯(lián)反應的了解，同時也可以較好地提升學生的有機化學操作能力和水平。此外，通過本實驗中聚集誘導發(fā)光分子的性能測試，也可以顯著鍛煉和提高學生對相關(guān)儀器的掌握水平。然而，學生在柱層析純化和分離過程中仍需要把握洗脫劑的選擇標準和極性調(diào)整策略，進而進一步提升有機化合物的分離提純效果和效率，也需要注意在今后的實驗指導方面進一步引導和培養(yǎng)學生主動思考的能力，如進一步思考聚集誘導發(fā)光分子的設計理念等，進而全面提升其綜合創(chuàng)新能力。

7 結(jié)語

綜上所述，本綜合實驗結(jié)合了當前有機熒光材料的研究前沿和熱點，利用鈴木反應構(gòu)筑了一類具有供體-受體結(jié)構(gòu)的聚集誘導發(fā)光分子，并對其化學結(jié)構(gòu)和不同狀態(tài)下的發(fā)光性能等進行了表征和研究。實驗過程不僅會進一步提高學生對有機合成及相關(guān)操作的熟練程度，也有利于加強學生對大型儀器設備的了解和使用，最終促進學生實驗動手能力及綜合創(chuàng)新能力的進一步提高。