高分子科学前沿 2026-11-09 01:23:55
针对这一问题,赣南师范大学He Jing、中国科学院福建物质结构研究所林启普合作,以四核有机锡簇调控四苯乙烯发色团的空间排列和分子内旋转,由TPE基羧酸配体与四核有机锡簇构建出OCN-1和OCN-2两种有机锡配位网络。OCN-1是由互穿二维4,4-网格层组成的三维缠结结构,OCN-2是密集交错的一维配位链;配位锚定以及相邻苯基和锡键合烷基参与短程接触,共同限制芳环旋转,使固态PLQY分别达到92%和95%,并赋予超疏水性、广泛水稳定性和高湿度下可忽略的PL猝灭。800 nm飞秒激发下,OCN-1表现出显著TPEF响应,表观双光子吸收截面σ₂,app约为4755 GM,胶体分散液中比H₄ETTC聚集体高近7.3倍。该结果表明,有机锡导向发色团堆积可将AIE聚集转化为耐湿晶态材料并增强非线性荧光。相关论文以“Conformationally Locked AIE Chromophores in Organotin Coordination Networks for Enhanced Two-Photon-Excited Fluorescence”为题,发表在Angew上。
研究首先通过H₄ETTC与二辛基二氯化锡的溶剂热反应获得OCN-1单晶,单晶X射线衍射显示四核[Sn₄]簇作为次级构筑单元连接矩形ETTC配体,形成二维4,4-连接sql层(图1a),相邻层以近乎垂直方向互穿成三维缠结结构(图1b),辛基链伸入层间并占据部分通道(图1d、e),构成疏水内表面。这一结果说明,配位连接虽局限在层内,但互穿和烷基屏蔽共同完成了发色团的空间组织。
图1 OCN-1的晶体结构。(a)H₄ETTC与四核二辛基锡簇组装成二维配位层。(b)近乎垂直取向的互穿二维配位层以不同颜色显示,形成三维缠结结构。(c)去除辛基链后沿晶体学c轴观察,显示孔径约16.7 Å的一维方形通道。(d,e)包含辛基链的完整网络分别沿晶体学a轴和c轴的视图。为清晰起见,氢原子已省略。
随后,研究用较低对称性的H₂ETBC与二甲基二氯化锡构筑OCN-2,单晶衍射表明[Sn₄]节点与双齿ETBC连接体先形成一维配位链(图2a),侧挂苯环再通过范德华作用和层间π–π接触,将链分级组装为ABAB互穿超分子网络(图2b–e)。该结构显示,低对称连接体可引导链状配位基元形成致密堆积。
图2 OCN-2的晶体结构。(a)H₂ETBC与四核二甲基锡簇组装成一维配位链。(b)链间堆积形成两个片状组分A和B,以不同颜色显示;连续组分按ABAB顺序堆叠形成互穿超分子网络。(c–e)堆积阵列分别沿晶体学a、b、c轴的视图。为清晰起见,氢原子已省略。
在结构组织基础上,研究结合晶体学分析、Hirshfeld表面分析(图3d、h)和约束DFT计算,比较孤立配体与保留邻近有机片段的晶体衍生模型,发现ETTC在OCN-1中呈D₂构象、ETBC在OCN-2中呈C₁构象(图3a、b),发色团周围被C–H···π、H···H及烷基短程接触包围(图3e–g、i–k)。晶体环境中苯环旋转的能量跨度显著增大,例如外侧β环由H₄ETTC的10.92 kcal mol⁻¹增至OCN-1的67.23 kcal mol⁻¹,由H₂ETBC的8.18 kcal mol⁻¹增至OCN-2的101.44 kcal mol⁻¹。这些结果支持配位锚定和弱相互作用共同锁定苯环运动。
图3 OCN-1和OCN-2中的连接体构象与局部接触。(a,b)配位连接体的苯环扭转角与点群归属:(a)OCN-1中ETTC为D₂构象;(b)OCN-2中ETBC为C₁构象。(c)通过配位锁定和弱分子间接触限制分子内旋转的结构示意。(d,h)OCN-1中ETTC(d)和OCN-2中ETBC(h)的Hirshfeld表面分析及相应指纹图。(e–g)OCN-1中ETTC周围的代表性短接触,包括涉及相邻互穿二维层和辛基链的接触。(i–k)OCN-2中ETBC周围的代表性短接触,包括涉及交错互穿一维链组分和甲基的接触。骨架组分以粉色和蓝色显示;高亮处有机锡烷基取代基以橙色显示。
进一步通过CO₂吸附、水接触角、水蒸气吸附、PXRD、ICP、介电和热重分析评估孔隙与稳定性,OCN-1的BET比表面积为339.33 m² g⁻¹(图4b),OCN-1水接触角达164°(图4a),OCN-2为155°;OCN-1水吸附量低(图4b),并在pH 1–14和沸水中保持结构完整且无可检测Sn浸出,同时保持低介电常数和低介电损耗(图4d)。PXRD确认其经多种溶剂和水浸泡24 h后仍保持结晶性(图4c)。上述结果说明,有机锡烷基提供了有效疏水保护。
图4 (a)OCN-1的水接触角。(b)OCN-1在195 K测得的CO₂吸附–脱附等温线及在298 K测得的水蒸气吸附–脱附等温线。(c)湿度相关稳定性测试后OCN-1的粉末X射线衍射图谱。(d)OCN-1在不同相对湿度条件下测得的介电常数和介电损耗。
光学表征进一步表明,配位组装后TPE发色团的主要电子跃迁得以保留,但发射明显蓝移和窄化(图5a),OCN-1和OCN-2的固态PLQY分别由配体的50.76%和55.29%提升至91.67%和94.69%(图5d);寿命分析显示辐射速率增加、非辐射速率降低(图5b、c)。湿度下OCN-1发光稳定,变温PL则显示OCN-1发射能量基本不变而OCN-2随升温红移(图5e、f)。这说明构象限制主要提升了辐射效率并抑制非辐射衰减。
图5 (a)H₄ETTC、H₂ETBC、OCN-1和OCN-2在室温下的光致发光激发和发射光谱。(b,c)光致发光衰减曲线比较:(b)H₄ETTC与OCN-1;(c)H₂ETBC与OCN-2。(d)配体及相应配位骨架的绝对光致发光量子产率。(e,f)OCN-1(e)和OCN-2(f)的温度依赖光致发光光谱。
为直接解析激发态动力学,研究用飞秒瞬态吸收比较溶解H₄ETTC、水诱导H₄ETTC聚集体和OCN-1纳米晶(图6a–i),880 nm动力学慢组分分别为61.45、296.83和349.36 ps,聚集体与OCN-1的平均寿命相近。这表明框架并未进一步稳定激发态,但高PLQY仍来自非辐射衰减的有效抑制。
图6 H₄ETTC和OCN-1的飞秒瞬态吸收测量。(a–c)H₄ETTC在N,N-二甲基甲酰胺中、(d–f)通过加入水形成的H₄ETTC聚集体、以及(g–i)分散在N,N-二甲基甲酰胺中的OCN-1纳米晶的瞬态吸收图、选定瞬态光谱和带相应拟合的归一化动力学轨迹。动力学轨迹在405 nm激发后于880±10 nm监测。
在非线性光学性能方面,研究通过波长依赖发射和功率依赖斜率区分TPEF与SHG,OCN-1在790–1020 nm激发下给出与单光子发射一致的宽TPEF带且无SHG窄峰(图7a)。800 nm激发下σ₂,app为(4.755±0.675)×10³ GM(图7b),而H₄ETTC聚集体为(6.52±0.558)×10² GM,框架形成后增强7.3倍;OCN-2在较长波长和1064 nm激发下出现弱SHG信号(图7c、d),但由于其中心对称空间群,该响应不能归因于理想体电偶极SHG,仍需进一步研究。总体而言,悬浮液测得的σ₂,app应视为匹配条件下的相对性能指标,而非绝对分子截面,但OCN-1的结果明确显示,框架聚集可增强非线性荧光。
图7 (a,c)OCN-1(a)和OCN-2(c)在不同双光子激发波长下的光致发光发射光谱;插图显示用于确定激发级数的发光强度对数对激发功率对数图。(b)由相应悬浮液的相对双光子激发荧光测量获得的H₄ETTC聚集体和OCN-1的表观双光子吸收截面随激发波长的变化。(d)OCN-2和H₂ETBC在1064 nm激发下的非线性发射光谱。532 nm处的尖峰对应二次谐波产生。插图:室温下使用1064 nm钕:钇铝石榴石激光测量的Kurtz–Perry粉末二次谐波产生响应。以磷酸二氢钾为参比;详细条件见第S2.11节。
综上,该工作把四核有机锡簇从被动连接件提升为主动调控节点,在单一框架中耦合配位定义的发色团组织与富烷基疏水微环境,将TPE的无序聚集转化为有序发光态,并同时获得高PLQY、超疏水性、水稳定性和增强的双光子激发荧光。该策略表明,无需扩展发色团π体系,仅通过有机锡导向的堆积和构象锁定即可提升晶态AIE材料的非线性荧光性能。 未来有机锡节点化学有望为兼具高效发光、耐湿性和非线性光学活性的晶态材料提供可拓展的设计方案,而表观双光子吸收截面仍需在更严格的测量条件下谨慎比较。
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发布时间:2026-11-08 16:18:50
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