有机光电功能分子构型异构现象及光电性质影响研究

Isomers enrich the diversity of organic photoelectric functional molecules. The internal relation between the structure and the performance of isomers is of great research value, However, there is no systematic study on the effect law of isomers with stable structure, excellent performance and corresponding configuration on the photoelectric properties. In this project, we design and synthesize structural isomers with different molecular symmetry on the condition of asymmetric structure of imidazole and symmetrical structure of pyrene. Isomers with stable molecular structure can be obtained by simple and efficient “one-pot” reaction, involving with axisymmetric configurations and central symmetric configurations. Through the introduction of photoelectric functional groups, the composition of isomer materials is expanded, enriching the excellent photoelectric properties. Furthermore, this project studies the effects and laws of molecular configurations on the properties of photophysical property, excited state, crystal structure, supramolecular interaction, charge mobility and electroluminescence performance, aiming at establishment of the structure-property relationships of symmetric structural isomers. It is expected to provide a feasible molecular design strategy for developing high performance of optoelectronic materials and devices based on superior configurational isomer.

同分异构体的存在丰富了有机光电功能分子的多样性。异构体结构与性能的内在联系具有重要的研究价值，而结构稳定、性能优异的异构体和对应构型对光电性能的影响规律还没有系统的研究。本项目结合咪唑的非对称结构和芘的对称结构设计并合成分子对称性不同的构造异构体，反应简单高效且通过“一锅法”即可得到两种构型稳定的异构体，即轴对称构型和中心对称构型。通过光电功能基团的引入拓展异构体分子长轴与短轴方向的组成，赋予异构体丰富的光电性质，进一步探索分子的构型对其光物理性质、激发态性质、晶体结构、超分子相互作用、电荷迁移率及电致发光特性的影响规律，建立对称型构造异构体的构效关系模型。最终指导优势构型的分子设计，合成与制备高性能的光电材料与器件。

通过本研究，探究以芘并咪唑为基础的有机光电功能分子构型异构现象，获得异构体对称性、偶极等本征因素对光电性质的影响规律，为高效有机光电材料的设计提供科学依据。.（1）利用“一锅法”设计并成功合成出三组不同连接基团的芘并咪唑顺反异构体化合物（syn-tbu-PyDPI和anti-tbu-PyDPI，syn-tbu-PyDTPAI和anti-tbu-PyDTPAI, syn-PyDTI和anti-PyDTI），共计6个分子。利用核磁，质谱，红外和单晶衍射手段对所合成异构体的分子结构进行了准确表征，通过晶体结构的分析，对不同对称性的分子空间排布特点做出了初步的分析和总结。.（2）对三组异构体的分子进行了初步的分子前线轨道模拟，并对它们的热力学性质和光电性质进行了表征，对比了不同对称性分子的性质特点。由于大共轭结构的存在，分子的热稳定性都很高，而且反式构型的分子相比较于顺式构型的分子热力学性质更稳定。顺式构型在分子短轴上有一定的偶极，在分子轨道中的电子分布上会有所偏移。.（3）通过进一步的结构优化，设计合成了以芘并咪唑为基础的给受体型发光材料。通过光物理性质的表征和理论计算激发态特征研究，PyPPA和PyPPAC中表现出杂化激发态特征。在溶液和薄膜中均表现出较高的光致发光效率。以PyPPA和PyPPAC为发射体的非掺杂器件的最大CE分别为8.93和7.67 cd A−1，最大EQE分别为8.2%和6.6%，最大亮度分别为23287和48637 cd m-2，激子利用率接近100%。其优越的性能归功于D-A设计策略，其结果是构筑了准等效杂化激发态。器件还显示出良好的颜色稳定性和低的效率滚降。这些结果提供了一个实用的分子设计概念，可以使材料能够获得高的激子利用效率。. 研究成果: 在SCI收录期刊发表研究论文11篇，获得授权的发明专利3项，培养硕士研究生3名。超额完成了项目的研究内容及预期目标，并为下一个国家自然科学基金的申请奠定了研究基础。