含碳硼烷固态光致变色材料的制备及其构效关系

Photochromic materials have been attracting considerable interest because of their potential applications in many fields, such as high-density optical data storage, molecular switches, bio-imaging, holographic anti-counterfeiting and so on. Athough the great development and progress of photochromic materials have been made in synthesis, mechanism and performance over past decades, there is still a huge challenge in this field. Most of compounds show coloration reaction only in solution or polymer matrix, compounds can not change their structure under irradiation in the solid state due to molecular close packing. This project plans to design and synthesis bisthienylethenes by introducing o-carborane. The aim is to develop photochromic materials showing excellent performances in the solid state using 3-D space steric and electron with-drawing effect of o-carborane. The role of carborane in the relationship between structure and physical-chemical properties is investigated. The structure-activity relationship and influence law are studied. Their application in 3D data storage especially in nondestructive storage by means of fluorescence signal will be explored. Providing theoretical foundation for design and synthesis of photochromic materials containing carborane is the research purpose.

光致变色材料因其在信息存储、分子开关、生物成像以及全息防伪等领域的重要应用而受到人们的广泛关注。经过数十年的努力，光致变色材料虽然在设计合成、机理和性能等方面得到了较大的发展，但在这个领域中仍存在着巨大的挑战。主要是绝大多数材料仅在溶液中或聚合物基质中变色，而固态中由于分子的紧密堆积不能提供满足分子在光的作用下发生构型转变的足够空间，以致材料在固态下失去了变色性能。本项目旨在将邻碳硼烷基团引入到二噻吩基乙烯分子中，利用邻碳硼烷三维立体位阻和强吸电子效应来改进材料分子的构型和热稳定性来提高光致变色性能，以期开发出性能优异的固态光致变色材料。研究邻碳硼烷对二噻吩基乙烯光致变色材料结构和性能的影响，总结其构效关系及影响规律；初步研究其在三维信息存储中的应用，特别是以荧光信号为读出手段的高密度信息存储；为进一步设计合成含碳硼烷光致变色材料及其应用奠定理论基础。

固态光功能材料因其优异的发光性能而广泛应用于电致发光器件、化学传感、生物传感、有机场效应半导体和太阳能电池等领域。含碳硼烷固态光功能体系具有高热稳定性、化学稳定性、高发光量子效率、多效发光性能在光电器件、生物医药、化学、生物探针、分子机器、分子开关等领域显示出潜在应用价值。本项目在以下两个方面做了创新性而又系统的研究工作：.1. 邻碳硼烷与有机发光小分子进行有机结合，设计开发出系列性能优异的从蓝光到近红外发光的高效固态发光材料，实现了含邻碳硼烷高效固态发光材料的可控制备。利用元素分析、IR、NMR、MS、单晶衍射等技术手段确定了化合物结构；采用紫外可见光谱仪和荧光光谱仪、变温光谱、寿命测试等手段研究化合物的固态发光性能。结果表明：碳硼烷特殊的电子结构和立体笼状结构不仅可以有效调控分子电荷分布，还可以调控分子固态堆积形式使得分子具有高效固态发光性质。碳硼烷上取代基与荧光团上的取代基对调控分子发光波长和发光效率具有重要作用，另外邻碳硼烷与杂环分子中杂原子的协同效应对含邻碳硼烷杂原子发光材料性能也有重要影响。.2．针对含邻碳硼烷高效固态发光化合物的结构和发光机理的特点，将结构和性能优异的含邻碳硼烷高效固态发光化合物用于对外部刺激响应领域，实现了邻碳硼烷高效固态发光化合物用于压力、温度、粘度、酸碱等外部刺激响应，初步探讨了其在外部刺激响应领域中的应用。利用变温发光光谱，XRD、DSC、FTIR、NMR等手段研究了材料对外部刺激响应机理。研究结果表明：分子由晶态到无序态的转变以及分子构型旋转造成的结构扭曲产生的TICT态发光以及分子中基团质子化等是造成分子具有对压力、温度、粘度、酸碱等外部刺激响应的原因。.本项目研究结果为进一步对该类材料的研究和开发提供了重要依据，也为这类材料的进一步实际应用提供了技术支持，对丰富高效固态发光材料体系和本学科系统的理论研究具有重要意义和科学价值。