基于光致变色螺吡喃的新型多稳态分子开关的设计合成及性质研究

【摘要】有机光致变色化合物是开关分子中最重要的一类之一，因其良好的光致变色响应特性而被广泛应用。随着信息技术的快速发展，简单的双稳态开关分子已经不能满足需要，设计合成单分子多稳态多功能的有机光致变色分子开关成为了许多科学家关注的重点。为此，人们尝试了把多个开关单元通过化学键连的方式整合到一个分子体系中，以实现高密度的信息存储和多功能调节的智能材料应用。螺吡喃类化合物在有机光致变色化合物中占有重要的地位，其有快速的光响应性，较好的抗疲劳性以及明显的颜色变化。人们已经把螺吡喃类光致变色化合物应用到了逻辑门，信息存储，离子检测，生物成像，显色材料等多个领域。但是螺吡喃化合物的荧光特性不是特别明显，进而限制了其进一步的应用。本论文设计并合成了一种基于光致变色螺吡喃的单分子多稳态荧光开关，并考察了分子在溶液中及聚合物薄膜中的变色行为，通过对紫外吸收光谱及荧光光谱的研究，确定了分子在紫外光及化学酸碱刺激下存在的四种稳定状态及三种不同的荧光发射。论文采用传统螺吡喃的合成路线将吲哚啉与荧光素单醛缩合得到螺吡喃并荧光素共轭体化合物Flu-1-SP，并通过HRMS，1HNMR，13CNMR等分析手段对目标分子进行了表征，证明分子Flu-1-SP结构的正确性。随后对分子在二氯甲烷溶液中的光致变色性质及化学酸碱变色反应进行了详细的研究。通过考察参考物质Flu-1-OCH3-SP的光谱学性质，证明了分子Flu-1-SP在溶液中会发生明显的光致变色现象。紫外光照射下会发生螺吡喃部分的光致开环反应并生成了部花菁-氧杂蒽大共轭的光致开环体稳定结构。此外，分子Flu-1-SP与过量三氟乙酸或三乙胺反应后会转化成酸式或碱式开环体稳定结构，通过对比分析参考化合物Flu-1-OCH3-SP与酸反应及荧光素与碱反应后的光谱数据，进一步证实了分子具有化学酸碱响应特性，并伴随产生酸式及碱式开环体的稳定状态，分别对应橙色及绿色两种荧光。最终得出结论，分子Flu-1-SP在溶液中受紫外光及化学酸碱刺激，会产生光致开环体，酸/碱致开环体三种开环结构，并伴随着红，橙，绿三种不同的荧光发射，是一种具有四稳态三荧光的单分子多功能荧光分子开关体系。本论文还进行了化合物Flu-1-SP在聚合物薄膜中的变色性质研究。通过物理共混的方法将分子Flu-1-SP掺杂到PMMA聚合物中制成薄膜形式，并研究其相应的光致及酸/碱致变色行为。研究发现分子Flu-1-SP在聚合物薄膜中仍具备一定的光致变色性质，并且聚合物薄膜的空间限制作用可以很好的稳定分子Flu-1-SP的光致开环体结构，降低开环体的消色速率。分子Flu-1-SP掺杂的聚合物薄膜不仅具有光致变色性质，还对酸气及碱气有响应，这和分子在溶液中的酸碱响应性质是一致的，说明分子Flu-1-SP在聚合物薄膜中依然表现出了一定的四稳态三荧光特性，使得分子Flu-1-SP掺杂的PMMA聚合物薄膜成为了一种多重响应，多功能型的荧光变色材料。
【作者】孙琳；
【导师】张晓安；
【作者基本信息】吉林大学，有机化学，2014，硕士
【关键词】螺吡喃；荧光素；光致变色；多稳态；刺激响应；荧光开关；

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