南开团队在手性有机光电材料研究中取得新突破

NKU新媒体南开大学 2022-06-24

近日，南开大学化学学院王小野团队在手性有机光电材料领域取得重要进展。他们发展了一类具有优异手性光学性质的新型硼氮杂双螺烯分子，其在可见光区的吸收不对称因子最高可达0.033，创造了螺烯类分子在可见光区不对称因子的新纪录。相关研究成果发表在国际顶级化学期刊《美国化学会志》（JACS）上。王小野研究员为本文的唯一通讯作者，博士研究生李继坤为本文的第一作者。

手性是自然界的基本属性之一，而手性材料也在人类社会发展中扮演着重要角色。近年来，由于圆偏振光在3D显示、信息处理、量子通讯、疾病诊断等领域的潜在应用，有机圆偏振光发光器件及探测器件受到了科学家的极大关注。在这些器件中，手性有机光电材料是核心和基础，而评价这些材料性能的最重要指标之一就是不对称因子，其代表材料对左旋和右旋圆偏振光的区分能力。在手性有机光电材料领域，螺烯作为一类由芳环邻位稠合而成的具有独特螺旋手性的多环芳烃化合物，具有较高的不对称因子，备受关注。然而，大多数螺烯分子的手性光学响应都集中在紫外光区，限制了其在上述手性光电器件中的广泛应用，这就对螺烯分子的设计策略提出了新的要求。通过螺烯的π共轭拓展、构建多重螺烯以及杂原子掺杂等策略，具有不同结构特征的螺烯类分子在近年来不断涌现，成功将其手性光学响应拓展到了可见光区。然而，这些螺烯分子的不对称因子普遍较低，大部分都在10^-3 - 10^-4数量级，只有极少数分子能达到10^-2数量级。因此，如何开发在可见光范围内具有高不对称因子的新型螺烯分子，是当前手性有机光电材料发展所面临的关键问题与挑战。

新型硼氮杂双螺烯分子及其优异的手性光学性质

针对以上问题，王小野团队设计合成了一类新型硼氮杂双重[7]螺烯分子。一方面，得益于硼氮原子所带来的分子内推拉电子效应，该螺烯分子骨架的吸收光谱延展到了红光区域，并且随着骨架外部给电子基团的引入可以进一步红移，使得这类螺烯分子在紫外-可见光区域（300 - 700 nm）表现出了较强的手性光学响应；另一方面，非键合的硼氮原子引起的多重共振效应导致的轨道分离，以及X型的双重螺烯构型均有助于提高螺烯分子的吸收不对称因子（g_abs），使得这一类螺烯分子的最大g_abs在502 nm处达到了0.033，这是目前已知的螺烯类分子在可见光区域内g_abs的最大值。此外，这类硼氮杂双重[7]螺烯分子在红光-近红外区域显示出光谱可调的圆偏振发光（CPL）性质以及高达100%的光致发光量子效率，其圆偏振发光亮度（B_CPL）高达40 M^-1 cm^-1，是在红光-近红外区域性能优异的圆偏振发光材料。这些结果表明该类硼氮杂双重螺烯分子具有出色的手性光学性质，将为未来手性光电材料与器件的发展提供新机遇和新思路。