1,4-硼氮杂芳烃在中国的研究进展

稠环芳烃及其衍生物在有机光电材料领域具有广泛应用,杂原子掺杂可有效调节稠环芳烃的物理化学性质.硼氮杂芳烃是稠环芳烃的重要成员.基于硼原子和氮原子的相对位置,硼氮杂芳烃可以分为三种异构体:1,2-硼氮杂芳烃、1,3-硼氮杂芳烃和1,4-硼氮杂芳烃,由于合成上的困难,1,3-硼氮杂芳烃的研究相对较少.近年来,得益于1,4-硼氮杂芳烃在多重共振热活化延迟荧光材料方面潜力的发掘,1,4-硼氮杂芳烃在国内外都取得了飞速发展.我国有机化学及材料化学领域的学者们积极参与并推动了1,4-硼氮杂芳烃的快速发展,在1,4-硼氮杂芳烃的结构开发和应用拓展方面开展了一系列原创性的工作,取得了瞩目的成绩.以1,4-硼氮芳烃的结构作为线索,按照杂原子二元掺杂(B/N)骨架和三元掺杂(X/B/N)骨架分别进行论述,综述了1,4-硼氮杂芳烃的合成发展历史和应用研究拓展,最后对硼氮杂芳烃领域的未来发展与应用进行了展望.     

1,2-硼氮杂芳烃在中国的研究进展

稠环芳烃及其衍生物在有机光电材料领域具有广泛应用,杂原子掺杂可有效调节稠环芳烃的物理化学性质.用等电子体的硼氮单元取代碳碳单元,在保持稠环芳烃芳香性的连续性的同时,可以调节稠环芳烃的电子结构和分子间相互作用,构建具有独特光电性质和生物活性的新型硼氮杂稠环芳烃,既丰富了稠环芳烃的种类,又促进了硼氮杂芳烃在光电材料、催化和生物医药等领域的应用.近年来,中国有机化学及材料化学领域的学者们积极参与并推动了硼氮杂芳烃的快速发展,在硼氮杂芳烃的种类开发和应用拓展方面开展了一系列原创性的工作,取得了瞩目的成绩.本文综述了基于1,2-硼氮杂苯的稠环芳烃(即1,2-硼氮杂芳烃)的合成发展历史和应用研究拓展,最后对硼氮杂芳烃领域的未来发展与应用进行了展望.通过对硼氮芳烃在中国的发展进行系统的梳理和总结,希望能够引起更多科研工作者对硼氮芳烃的兴趣,期待更多的科研工作者能够加入到硼氮杂芳烃的合成拓展与应用探索中.     

呜拉嗪及其衍生物的合成研究进展

稠环芳烃具有独特的电子性质和光学性质,在有机光电材料领域应用广泛.向稠环芳烃骨架中引入杂原子可改变其电子结构,进而改变其物理、化学、光、电和磁等性质.在众多的杂原子中,氮原子是稠环芳烃中最常见的掺杂原子.呜拉嗪是芘的等电子体,又称吲哚并[6,5,4,3-ija]喹啉,是一种新型氮杂稠环芳烃.近年来,呜拉嗪在染料敏化太阳能电池等领域表现出了潜在应用,随后有关呜拉嗪的合成方法研究备受关注.总结了近年来呜拉嗪及其衍生物的主要合成方法.     

具有超低LUMO/HOMO能级的稠环芳烃分子

低LUMO/HOMO(最低未占分子轨道/最高占据分子轨道)能级的有机小分子的种类和数量都很少,其设计与合成具有重要的科学价值和应用价值.传统的设计超低LUMO/HOMO能级有机小分子的策略是在分子中引入多个氰基.本工作设计并合成了含有四个硼氮配位键和两个酰亚胺基团的稠环芳烃分子,不含有氰基.该分子的LUMO能级低至-4.77eV,HOMO能级低至-6.39eV,是已报道的硼氮配位键稠环小分子的最低值,和已报道的氰基类有机小分子具有可比性.该分子呈现曲面构型,共轭骨架呈23.6°的二面角, LUMO和HOMO都均匀地离域在线型并苯骨架上.它在溶液态和薄膜态都展现出明显的近红外吸收,薄膜最大吸收波长为768nm.该分子可以用作p-型掺杂剂,提高p-型高分子的电导率.本工作开拓出不采用氰基实现有机小分子超低LUMO能级的新途径.     

热活化延迟荧光蓝光小分子取代基效应的研究进展

近年来, 作为第三代有机发光二极管(organic light-emitting diodes, OLED)发光材料的热活化延迟荧光(thermally activated delayed fluorescence, TADF)材料受到了学术界和产业界的广泛关注. TADF分子由于其单线态与三线态之间的能级差较小, 三线态激子可以被环境热活化而通过反系间窜越上转换至单线态, 理论上可实现100%的激子利用率, 从而使得OLED器件外量子效率显著提高. TADF材料被认为是突破高效稳定有机电致蓝光发射瓶颈的潜在解决方案. 一般, TADF分子为含有电子给体(donor, D)和电子受体(acceptor, A)的纯有机推拉电子体系. 通过改变给体单元和受体单元的结构、数量和取代基及其位置可以有效调节TADF分子的单线态-三线态能级差、前线轨道分布、聚集态结构、电致发光颜色及其性能. 同时取代基在调控给、受体单元的推拉电子能力及TADF材料的分子构型、聚集态结构和稳定性等物化特性方面扮演着非常重要的角色. 本综述分别对D-A型和多重共振型TADF蓝光分子的取代基效应进行了综述, 以期为高效稳定的蓝光TADF分子的设计合成提供有效借鉴.     

基于四氢喹啉的多重共振热活化延迟荧光材料的设计、合成及电致发光性能研究

多重共振型热活化延迟荧光(MR-TADF)材料是实现超高清有机电激光显示(OLED)的热门材料.以经典的5,9-二苯基-5,9-二氢-5,9-二氮杂-13b-硼化萘并[3,2,1-de]蒽(DABNA-1)为核心结构,设计并合成了两种基于四氢喹啉的有机硼类MR-TADF分子5,9-双(1,2,3,4-四氢喹啉)-5,9-二氢-5,9-二氮杂-13b-硼化萘并[3,2,1-de]蒽(THQBN)和7-(叔丁基)-5,9-双(6-(叔丁基)-4,4-二甲基-1,2,3,4-四氢喹啉)-5,9-二氢-5,9-二氮杂-13b-硼化萘并[3,2,1-de]蒽(Tt-THQBN),使用核磁和质谱对其结构进行表征,且对两个分子的热稳定性、电化学性质和光物理性质进行了测试.与经典的MR-TADF材料相同,这两种分子具有深蓝发光颜色、较窄的半峰宽以及较高的光致发光量子产率.以THQBN和Tt-THQBN作为客体材料制备的电致发光器件均具有在455～458 nm处的深蓝色发光,器件2～4的CIE-y都小于0.1,且半峰宽较窄,在34～38 nm范围内.它们的最大亮度可超过1000 cd·m^-2<...     

多硝基氮杂稠环化合物合成及性能

氮杂稠环是构建含能化合物的重要结构单元,硝胺基(NNO2)是赋予氮杂稠环能量的主要源泉.目前,多硝基氮杂稠环化合物是含能化合物领域的重要研究方向之一.全面介绍了多硝基氮杂双环、氮杂(三元以上)稠环以及氮杂螺桨烷等氮杂稠环类含能化合物母体骨架的构建与N-硝化方法,同时概述了相关含能化合物的主要物化、爆轰性能.重点综述了五硝基五氮杂[3.3.3]螺桨烷、六硝基六氮杂[3.3.3]螺桨烷母环骨架的构建策略以及针对此类空间高度拥挤、稳定性较差的骨架所进行的N-硝化探索研究.     

基于分子内非共价相互作用构建非富勒烯受体材料的研究进展*

非富勒烯稠环电子受体因具有易调控的分子结构、宽且强的光谱吸收及较高的光电转换效率吸引了科研人员的广泛的研究兴趣。非富勒烯稠环电子受体分子的中心给电子单元一般为较大的共轭稠环平面结构,这类稠环结构通常是经过多步反应得到,包括合成成本高、难度大且产率低的关环反应过程。研究人员在分子中引入带有O、F、N、Se等杂原子单元, 利用分子内非共价键相互作用来锁定分子骨架得到类似稠环结构的非共价稠环电子受体材料,减少合成过程中关环反应的使用,使得合成更容易,成本更低;利用分子内的非共价相互作用可以增强分子平面性,拓展吸收光谱,降低材料的制备成本。综述了近年来利用分子内非共价键相互作用合成非富勒烯受体材料及其在有机太阳能电池中应用的研究进展, 并展望了其发展趋势和应用前景。     

硼氮杂稠环化合物的合成与电子学应用

有机半导体材料的开发为有机电子学的发展提供了材料基础。杂原子的引入进一步丰富了材料的种类和数量。作为CC单元的等电子体,BN单元对有机半导体材料的性能调节受到了科学家们的关注。本文主要介绍了有机共轭体系中BN单键的构筑方法,以及这类硼氮杂稠环分子在有机电子学领域的应用。     

聚集诱导延迟荧光材料及器件研究进展

热活化延迟荧光(TADF)材料无需贵金属参与即可实现单线态和三线态激子的全利用,成为了有机电致发光的研究热点.但是目前大部分TADF材料都表现出严重聚积诱导发光猝灭现象,这对其应用和发展不利.聚集诱导延迟荧光材料作为一种新型TADF材料,具有独特的聚集诱导荧光增强现象引起科研工作者极大兴趣.基于聚集诱导延迟荧光材料分子设计及其光物理性能和器件研究具有重要意义.将依据不同电子受体单元,对聚集诱导延迟荧光材料的发光原理、设计策略及其有机发光器件的最新进展进行简要综述,并对其发展做出展望.     

氢原子转移与手性氢键协同催化共轭加成—不对称质子化构建氮杂芳烃α-三级立体中心

含亚胺氮杂芳烃(如吡啶、喹啉等)是一大类结构多样的芳香杂环,广泛存在于生物活性分子、天然产物、药物、催化剂、配体及功能材料等分子结构中.因此,发展氮杂芳烃衍生物合成方法学一直备受化学家的关注.其中,利用氮杂芳烃缺电子性质直接驱动氮杂芳烃底物参与化学转换一直是这一领域的研究重点.近年来,为了克服氮杂芳烃拉电子能力较羰基弱...     

热激活延迟荧光材料的光物理行为及性能预测

热激活延迟荧光(Thermally activated delayed fluorescence, TADF)材料由于三线态激子可通过反系间窜越(Reverse intersystem crossing, RISC)转换为单线态激子,在有机发光二极管(Organic light-emitting diodes, OLEDs)中理论上可达到100%的激子利用率而被广泛关注。但实验上开发设计高性能TADF材料较为复杂且研究周期较长,理论研究可以从本质上建立材料结构-性能的关系,预测材料的性质并提供一定的分子设计策略。本文围绕高性能TADF材料的开发,从发光原理出发,系统阐述了分子的设计策略及光物理参数如材料单-三线态能级差(Single-triplet energy gap, ΔE_ST)、系间/反系间窜越速率、吸收/发射光谱、辐射/非辐射速率等的计算原理、计算方法和研究进展。最后我们探讨了TADF材料理论研究面临的机遇和挑战,通过对TADF材料的理论研究综述和研究前景的展望,期待吸引更多的研究工作者,推动该领域的发展和突破。     

环硼氮烷与HCl,CHCl_3构成的分子间氢键的理论研究

用MP2方法和B3LYP方法,在6-31G(d,p)基组下对复合物环硼氮烷-HCl体系和环硼氮烷-CHCl3体系进行优化,研究了其分子间氢键的本质.计算结果表明,氯仿与环硼氮烷分子之间的相互作用使C-H键长缩短,振动频率增大(蓝移),而HCl与环硼氮烷分子之间的相互作用使H-Cl键长增长,振动频率减小(红移).自然键轨道(NBO)分析表明,影响氢键红移和蓝移主要有3个因素:n(Y)→σ*(X-H)超共轭作用、X-H键轨道再杂化和质子供体电子密度重排.其中,超共轭作用属于键伸长效应,电子密度重排和轨道再杂化属于键收缩效应.环硼氮烷-HCl体系的构型1和2伸长效应处于优势地位导致形成红移氢键;环硼氮烷-CHCl3体系中,由于键收缩效应处于优势地位导致形成蓝移氢键.     

基于苊并[1,2-b]喹喔嗪为受体单元设计合成新型红光热活化延迟荧光分子

采用苊并[1,2-b]喹喔嗪(AQ)作为一种新的热活化延迟荧光(TADF)电子受体(A)基团,通过与强电子给体(D)基团吩噁嗪连接成D-A结构,合成出一种新型TADF分子10,10',10'-(苊并[1,2-b]喹喔嗪-3,9,10-三基)-三(10H-吩噁嗪)(AQ-TPXZ),该分子材料发射红色荧光.理论计算表明,该分子的轨道电子云重叠度很小.通过荧光和磷光光谱计算得出,其单线态-三线态能隙差为0.02eV.瞬态衰减测试显示AQ-TPXZ具有瞬时寿命和延迟寿命两种组分.以AQ-TPXZ为发光材料的有机电致发光器件(OLED)实现了红光发射,峰值位于624nm处.该器件的最大外量子效率为7.4%,高于传统的OLED的理论最大外量子效率(5%),这一结果不仅表明AQ-TPXZ为红光TADF分子,同时表明AQ可作为一种新的红光TADF电子受体片段.     

硼氮[4]螺烯的合成、表征及光物理性质研究

将多环芳烃中的碳碳双键替换成等电子体和等结构体的硼氮键是有效调节多环芳烃光物理性质的手段之一,己成为有机材料领域研究的热点.文献中报道的多是平面型的硼氮芳烃分子,非平面的硼氮芳烃研究相对较少.本工作研究了两个系列非平面的硼氮[4]螺烯分子的合成和性质,通过Suzuki偶联、亲电芳香硼化及亲核取代反应,简洁地合成了目标分子,并通过~1H NMR、~(13)C NMR和11B NMR等表征.单晶结构表明硼氮[4]螺烯具有螺烯的特征螺旋结构.结合理论计算对硼氮[4]螺烯的芳香性进行了定性定量分析,发现硼氮[4]螺烯的硼氮子环具有弱的芳香性.光物理研究表明,硼氮[4]螺烯相对于全碳螺烯,表现出了显著的红移吸收光谱和轻微的蓝移发射光谱,以及较高的荧光量子产率.     

四元硼氮环成键的研究

在４－３１Ｇ基组水平上，对四元硼氮环做了ＳＣＦ－ＭＯ从头算．根据计算结果，由原子的轨道集居以及σ和π电子的分布，讨论了硼原子与氮原子间的成键情况．结果表明，硼有形成多中心σ键的倾向，且环上π电子极化是指向硼的，同时，硼和氮原子上加氢有利于环的稳定．     

基于螯合导向C—H/C—H氧化交叉偶联/环化反应策略构筑稠杂芳烃化合物

稠杂芳烃的合成是有机化学的重要研究内容之一,对有机光电功能材料和器件研究具有重要意义。C—H键是有机化合物中最广泛存在的化学键。利用C—H键的断裂与重组成键直接构筑稠杂芳烃具有简洁、高效的优势,能够解决传统合成方法在底物制备和产物结构类型方面的局限。本文对近六年来,本课题组在基于导向过渡金属催化(杂)芳环与(杂)芳环之间的C—H/C—H氧化交叉偶联/分子内环化反应策略构筑稠(杂)芳环方面所做的系列工作进行了评述,重点讨论了有关反应的特点、优势和催化机理,并对该策略在新型有机光电材料开发中的应用进行了阐述。最后,对该策略目前存在的问题进行了总结,并展望了其发展前景。     

钡原子对Ru（0001）表面氮分子吸附和解离过程的影响

采用密度泛函理论方法研究了钡原子对Ru（0001）表面氮分子解离过程的影响.计算结果表明：在Ru（0001）表面,钡原子失去电子后形成Ba（1＋δ）＋阳离子.表面转移电荷增强了衬底钌原子d轨道和氮分子π轨道间的杂化作用以及氮分子内的库仑排斥作用,减弱了氮分子键.在钡原子的作用下,γ态氮分子键键长从0.113 nm增加到...     

氮杂杯[2]-间/对-芳烃[2]三嗪与RDX氢键作用理论研究

利用MP2和mPWPW91方法,在6-311G**和6-311++G**基组水平上研究了RDX分别与硝基、氨基和迭氮基取代的氮杂杯[2]-间-芳烃[2]三嗪和氮杂杯[2]-对-芳烃[2]三嗪形成的分子间氢键相互作用,并借助自然键轨道(NBO)和分子中的原子(AIM)理论揭示了氢键的本质.结果表明,氮杂杯[2]-间-芳烃[2]三嗪复合物中氢键主要发生在RDX与三嗪环及其取代基之间;氮杂杯[2]-对-芳烃[2]三嗪复合物中氢键主要发生在RDX与杯芳烃环及其取代基之间.分子间相互作用能在-18.82~-40.62kJ/mol之间;经基组叠加误差(BSSE)校正后,相互作用能顺序为e>f≈b>a>c>d和e′>b′>f′>a′>d′>c′.两类复合物中,氨基取代的复合物分子间氢键强于硝基或叠氮基复合物分子间氢键,氨基氮杂杯[2]-对-芳烃[2]三嗪与RDX形成的氢键最强,有望作为降低火炸药感度、进行火炸药废水处理的候选物.为获得稳定性较强的RDX-氨基氮杂杯芳烃超分子炸药,应该选取介电常数较大的溶剂.     

C_nX~-(X=B、N、H)的激光产生与结构探讨

在自制的仪器上,以脉冲激光束分别作用于浸透硼砂或氰化钾溶液的石墨和含有B、N等杂原子的稠环芳烃衍生物,产生了一系列链状构型的C_nX~-(X=B、N、H)。从实验记录的飞行时间质谱发现,随着这些簇离子中杂原子X的不同,其碳原子数或者均为偶数,或者均为奇数。通过对链状碳原子簇分子轨道级和电子数的分析,这一有趣的奇偶交替规律得到了满意的解释。