基于芳酰亚胺新型有机共轭分子的合成、衍生化及其应用

Organic conjugated molecules with specific photoelectric properties are of the premise and foundation in organic functional materials and molecular devices. Developing new kind of organic conjugated molecules is always the source of innovation research of organic functional materials chemistry, too. In this application project, we will build up a new method for the synthesis of aryl imide-based conjugated molecules, and design and synthesize several knids of novel aryl imide-based conjugated molecules containing hydrohelicene or helicenoid moieties. Then, different functionalized aryl imide-based conjugated molecules and a series of fluorescent sensors will be obtained by the proper derivatization reactions. Based on the aryl imide building blocks, we will also construct several kinds of new dendritic molecules and new conjugated polymers. The photoelectric properties, the assembing behaviors, and the relationships between the structures and properties of the aryl imide-based conjugated molecules and their derivatives will be investigated in details. Their potential applications in such as fluorescence sensing and imaging, molecular switch, and molecular antenna will be further explored. In a word, we hope to develop a new kind of aryl imide-based conjugated molecules with specific structures and properties by this project.

共轭分子是重要的一类有机化合物，由于其特殊的光物理与电化学性质，因而成为了有机功能材料和分子器件研究的前提基础，而发展新型有机共轭分子体系也一直是有机功能材料化学创新发展的重要源泉。本申请项目拟建立一个芳酰亚胺共轭分子合成新方法，设计合成几种基于氢化螺烯或类螺烯结构的新型芳酰亚胺共轭分子，并通过适当的衍生化反应，得到不同官能团化的芳酰亚胺共轭分子以及一系列新的荧光传感器分子，同时还以芳酰亚胺为基元，构筑几种具有树枝结构的大分子和新型共轭聚合物，研究基于芳酰亚胺新型有机共轭分子及其衍生物的物理化学性质、自组装行为以及结构与性能关系，进一步开拓它们在荧光传感与成像、分子开关以及分子天线等中的应用，由此发展一类具有特色的芳酰亚胺型有机共轭分子新体系。

围绕项目研究目标，开展了新型芳酰亚胺有机共轭分子的设计合成、性质及其应用研究工作，取得主要研究结果包括：1）基于氢化[5]螺烯骨架，发展了一类新型的芳酰亚胺共轭分子体系，得到了一系列不同官能团化的螺旋芳酰亚胺荧光染料分子，发现它们在溶液中和固态下均表现出高的荧光量子产率和大的Stokes位移，并进一步以螺旋芳酰亚胺为骨架构筑了一类在溶液中与固态下显示全色高效发光性质的染料分子。2）基于螺旋芳酰亚胺设计合成了一系列功能分子，实现了它们分别在有机光波导、汞离子专一性分子识别与荧光传感以及酸碱响应性变色材料等中的应用；同时基于螺旋芳酰亚胺，还组装得到一系列具有多色性质以及高荧光量子产率的水溶性有机纳米粒子，进一步实现其在细胞成像中应用，并发现这类纳米粒子对Hela细胞从膜到质的染色呈现出明显的构效关系。3）设计合成了一系列新型的二氢[2,1-c]茚并芴酰亚胺衍生物，发现其具有强的荧光性质，并且对于有给电子取代基以及增加的π-共轭体系显示出明显的红移现象；此外，还发现该类芳酰亚胺的薄膜显示出不可逆的氧化还原性质。4）合成得到五对光学纯螺旋芳酰亚胺对映异构体，并通过单晶结构确定其绝对构型；进一步研究发现这类螺旋芳酰亚胺不仅具有高的量子产率与大的Stokes位移，而且显示镜像CD光谱以及全色的CPL性质，这也是首例报道的具有全色CPL性质的有机小分子。5）基于苯并[5]螺烯结构基元，通过Sonogashira 偶联反应、Suzuki−Miyaura 偶联反应以及Yamamoto自偶联反应设计合成一系列新型共轭聚合物，发现该类共轭聚合物不仅能够在溶液中选择性地识别硝基爆炸物，并对结构相似的硝基爆炸物显示出不同的荧光淬灭效果，而且在固态下作为荧光传感器可以高选择性、快速地识别硝基芳烃爆炸物，并且其薄膜对硝基爆炸物的识别检测具有较高的可重复性。. 总之，研究工作按照计划完成，达到了预期的研究目标。已发表SCI论文12篇，待发表论文2-3篇，申请发明专利2项，授权专利1项，培养研究生5名。