单重和多重卤键分子体系激发态结构及动力学机理研究

Halogen bonding, as an important weak bonding interaction which is similar to hydrogen bonding, has been widely applied in many significant fields like molecular recognition, functional materials, and life science, and so on. People have only some knowledge on halogen bonding in the ground electronic state until now, while they have little knowledge on halogen bonding in the excited electronic state. Photophysics and photochemistry of the halogen-bonded systems are tightly related to excited-state properties of halogen bonding. People cannot explain the corresponding photochemical phenomenon without knowledge of the excited-state halogen bonding interaction. Hence, it is necessary to study the halogen bonding structures and dynamics mechanism in the electronic excited state. In this project, we will perform a experimental and theoretical investigation on the excited-state structures and dynamics for some important single and multiple halogen-bonded molecular systems by using the combined method of time-resolved spectroscopy with the excited state computation. We will study the halogen bonding structures information and dynamics mechanism in both the singlet and triplet electronic excited states. The important influence of the cooperative interaction of multiple halogen bonds in different excited states on photophysical processes and photochemical reactions will also be discussed. Moreover, we will explore the specificity of the excited-state halogen bonding interaction and its cooperative dynamics mechanism, which could be used to regulate the photochemical properties and applications of these halogen-bonded molecular systems.

卤键作为一种与氢键类似的重要弱键作用，已经在分子识别、功能材料、生命化学等领域展示了非常广泛的应用前景。然而，当前人们对于卤键的认识仅限于基电子态，对于电子激发态卤键的了解却很少。卤键体系的光物理光化学性能与卤键在激发态的特性密切相关，缺乏对激发态卤键的认识就解释不了相应的光化学现象，这就迫切需要开展激发态卤键结构和动力学机理研究。本项目采用时间分辨光谱实验和激发态量子化学计算紧密结合的技术手段,针对几类重要的单重和多重卤键分子体系的电子激发态结构及动力学开展实验和理论研究。主要探寻卤键作用分别在单重和三重电子激发态的结构信息和动力学规律，重点探讨多重卤键的协同作用在不同的电子激发态对光物理过程和光化学反应的重要影响，并深入探求电子激发态卤键作用及其动力学协同机理的独特性，进而通过利用激发态卤键作用的特性和规律来调控卤键分子体系的光化学性质及用途。

卤键作为一种与氢键类似的重要弱相互作用，是一种存在于卤素原子和阴离子或中性分子之间的一种非共价相互作用，在化学、材料领域发挥关键的作用。目前人们缺乏对卤键作用在电子激发态的结构信息和动力学规律的研究。因而需要研究激发态卤键结构和动力学机理，解释清楚由卤键引起的相应光化学现象。本项目采用稳态光谱、时间分辨光谱实验和激发态量子化学计算紧密结合的技术手段，针对几类重要的单重和多重卤键分子体系的电子激发态结构及动力学开展实验和理论研究。主要包括含卤钙钛矿发光机制，激发态非绝热动力学、激发态动力学以及相关机制研究、特异性探针检测机制、有机半导体晶体电荷载流子迁移动力学等多个重要方向开展了研究工作，取得了多项创新性成果。项目主要探寻了卤键作用分别在单重和三重电子激发态的结构信息和动力学规律，重点探讨了多重卤键的协同作用在不同的电子激发态对光物理过程和光化学反应的重要影响，并深入探求了电子激发态卤键作用及其动力学协同机理的独特性，进而通过利用激发态卤键作用的特性和规律来调控卤键分子体系的光化学性质及用途。项目完成了预定目标，取得一系列创新性成果，已发表了学术论文 20 篇，包括Angew. Chem. Int. Ed.、Biosens.Bioelectron.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Phys. Chem. Chem. Phys.、J. Lumin.、Chem. Phys. Lett.、J. Chem. Phys.、RSC Adv.、J. Mol. Liquid.、J. Comput. Chem.、J. Mater. Chem. C等刊物论文，并且在世界科学出版社主编了关于激发态氢键在光化学、光生物学和光电材料的研究的英文专著《Hydrogen Bonding Research in Photochemistry, Photobiology, and Optoelectronic Materials》。通过多项创新性成果，深入认识到卤键作用在电子激发态的结构信息和动力学规律，并且表明了多重激发态卤键作用对分子体系激发态电子转移、能量传递和化学转换等光化学过程的影响，进一步揭示其激发态卤键作用的本质和动力学机理用于解释相应的光谱现象。这对于理解化学、生物学和材料中的分子结构和功能具有重要意义。