荧光发光原理性能降低说明电子和空穴复合好吗

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异金属稀土发光化合物的合成、结构表征、荧光性能以及新型电子传输材料的研究
中山大学 博士后学位论文 异金属稀土发光化合物的合成、结构表征、荧光性能以及新型 电子传输材料的研究 姓名:徐海兵 申请学位级别:博士后 专业:无机化学 指导教师:陈小明
中山大学博士后出站报告异金属稀土发光化合物的合成、结构表征、荧光性能以及新型电子 传输材料的研究摘要本文综述了稀土发光化合物的研究进展,简要介绍了获得稀土近红外发光的研究方法。并以2-甲 基.8一羟基喹啉(q)和【2,2’;6―2’】三联毗啶-4’-羟基(tpyOH)为配体,合成了系列AIaLn2 ff铂Zn2Ln2等构型 的稀土发光化合物,并对其结构和光学性能进行了详细的表征。另外,本论文也对新型电子传输材料 的研究成果以结题报告的形式作为本论文的最后章节。本论文共分四章:第一章为前言,比较全面地介绍了稀土发光化合物的研究进展,简要介绍了获得稀土近红外发光 的研究方法及当前研究所遇到的问题及其解决途径,以及未来研究发展趋势。第二章报道一系列结构新颖的Ai3Ln2(Ln=Nd2,Eu 3,Yb4)构型的异五核化合物的合成以及对该系列化合物的结构和光学性能的详细表征。当采用九。=338 nm的光激发A13Ln2化合物的激发态AI(III) 发射团时,就能出现相应的稀土离子发射带。化合物A13Eu2在365 nm光照下,由于激发态的Al(m) 发射团将能量部分地传递给Eu(III)发射团所形成的双重发射,得到由两种互补色的光混合形成的自光 发射。与此同时,这类化合物还可以作为氟化物的荧光探针.第三章报道了系列结构新颖的具有环状结构的异四核Zn2Ln2(Ln=Nd6,Eu 7,Er 8,Yb9)稀土发光化合物的合成,对该系列化合物的结构和光学性能进行了详细的表征。当采用入。=328 am的光激发 ZnzLn2构型的化合物时,就能“点亮”相应的稀土离子的近红外发射。第四章简要介绍了有机发光二极管(OLED)中电子传输材料的研究现状及其进展。采用两种掺杂 配体合成出新型电子传输材料,该材料具有良好的热稳定性和极好的电子流动性,尤其是其电子流动 性能比经典的电子传输材料(Alq3)的电子迁移率大至少一个数量级?关键词:稀土发光化合物,近红外发光,荧光探针,电子迁移率 中山大学博士后出站报告Synthesis,Structure and Photo―luminescence Property ofHetero―polynuclear Lanthanide Complexes and New FunctionalElectronic TransferMaterials。ABSTRACTIn this report,the author briefly summarizes the latest developmentonthe photo-luminescence propertyof lanthanide complexes and the methods of obtaining the near-infrared(NIR)emitting lanthanides.A series of A13Ln2 and Zn2Ln2 compounds with the ligands of 2-methyl-quinolin一8一oland【2,2’;6…2’】terpyridin一4’-elwere synthesized and characterized,the crystal structures and the photoluminescence properties of these complexes were also investigated.In additionally,the author also presented the latest research results electronic transfer materials in the last chapter in the form of In the first chapter,the latest developments ofa onnewproject report.were introducednear-infrared(NIR)emitting lanthanidesbriefly,andthe methods for obtaining thenear-infrared∞IR)emittinglanthanides were also introduced inbrief.The current interestandthe tendency of investigation were mentioned additionally.asIn the second chapter,multifunctional hetero?pentanuclear A13Ln2(Ln 2 Nd 2,Eu 3,Yb 4)compoundsluminescent probes for fluoride and white-light emitting material have been synthesized,their structures and photoluminescence were investigated.Upon excitation of these arrays with kx typical lanthanide luminescence has been“lighted up'’.Andas 2338 nm,the correspondingforapartial energy transfer from the excitedcanAI(III)moietytOthe Eu(III)center in A13Eu2,emission of almost white lightasbe observed by irradiation at365 mn.Simultaneously,it is demonstrated that using these complexesthe photo―luminescent probe for F-anions,eveTlin moisturecondition,isvery practicable.2.In the third chapter,a series of new Zn2Ln2(LnNd 6,Eu 7,Er 8,Yb 9)compounds with unusual ringstructure have been synthesized;their structures and photoluminescence were elucidated.Indeed,excitation of these compounds withk=328nm,the Zn2Ln2hetero―tetranuclearcomplexes exhibit narrow bandwidthluminescence that is characteristic of the corresponding lanthanide ions at ambient temperature.In the last chapter,the latest development of electronictransfermaterials inOrganicLight EmittingDevice(OLED)Wasintroduce&New kind of electronic Wansfer materials with good thermal stability andexcellent electronic mobility was synthesizedthroughusing two different ligands.Excitedly,the electronⅢ 中山大学博士后出站报告transporting efficiency of this material is ten folds at least than that of classic electronic transfer material(AIq3).Keywords:Lanthanide complexes,Near-infrared emission,Photo-luminescent probe,Electronic mobility 中山大学博士后出站报告第一章绪论1.I前言稀土离子的溶液配位化学一直以来都成为研究的热点【旧。近年来,稀土离子在合成化学R‘1、配位 化学嘶】、材料化学以及晶体工程【7l等方面都有报道。然而在众多应用领域中,最有前途的应用领域是 医学诊断[61。这份功劳归属与磁共振成像(magnetic resoRa[tc(:imaging,MIR)技术的发展和对Gd(II【) 化合物,尤其是近年来对Yb(m)化合物作为顺磁性磁共振成像(MIR)对照剂的深入研究【1?¨】。其他方 面的应用包括Sm(III)和Yb(III)离子在众多化学转化反应中表现出的催化性能p101,以及La(111), Ce(IlI)/Ce(II)甚至EumI)离子作为核糖核酸酶或者脱氧酶Ill】的代替物,在含磷二酯键(RNA和DNA)【141中加速水解㈣或者氧化加成【131。更何况结合有Tb(III)离子的多肽的结合位已经通过结构分析‘15I和潜在疗法116-17I得到证实。潜在疗法在后稀土离子中如Lu(III)已经应用于癌症治疗£瑚。因此,在新型诊疗 学和生物科技中,这些离子非常具有研究价值。Eu(III)和Tb(m)离子的独特的光谱性能【191使其应用于激光化学、甚至生物荧光探纠1-[20-22]、液晶显示材料嘲、树状结构的光扑获剂材料‘241、以及光活性聚合物【25】等领域。由此可见稀土化合物的研究前景非常光明。1.2镧系金属化合物的发光性质1.2.1镧系金属化合物近红外发光在现代科技中的应用 稀土化合物的近红外发射(NIR)在光发射二极管,电子通信以及生物检验的荧光免疫分析领域有极 大的应用前景因而受到极大的关注外,在器官深度检测和癌症检测有着非常广泛的应用【26。301.(1)含 Nd3+体系是激光器里面应用最为广泛的发射器。其1064 am的基频光就是来自Nd3+的特征发射。Na3+ 是最早用于激光器中的三价稀土离子。(2)荧光免疫分析技术在临床免疫学领域已广泛应用,但目前使 用的技术有很多弊端,而近红外免疫分析却具有很多优点:如传统方法采用紫外光激发,在对样品有伤 害的可见区发射,且该区有光谱重叠需用昂贵的时间分辨探测技术;而红外免疫分析采用可见光激发, 在对样品无伤害的近红外区发射,在该区没有光谱重叠干扰因而不需用时间分辨技术。在这个领域应用 最广泛的稀土离子是Yb¨,它在1000 nm左右的近红外发射被广泛应用在荧光免疫分析领域。(3)近 红外光区是石英光纤的通光波段窗口,特别是1500 tim为目前光纤通讯所采用的光波长。掺有E,的有 源玻璃光纤在1535 nm处的近红外发射被广泛应用在这一领域. 中山太学博士后出站报告 2影响镧最金屉化台物近红外荧光量子产睾的因素 大多散的三价拂土离子的电子跃迁包括4f次外层的电子重捧.这种电子儡掇选择勰则是禁阻的? 但是,这种跃迁禁阻可以通过几种机理得到弛壤.其中最重要的机理之一是振动杏的偶合.当一个分子 临时振动时,金属离子周用的几何构型发生改变,因而其对称性也发生改变.另一种机理足J?混合以及 奇儡极被长功能的混合.如,5d轨道.配体轨道或是电子跃迁卷的泥台.这种振动、电子态以及4f波 长功能的佣台程度主要取矾于4f轨道和州圈配体褶互作用的强度.考虑副4f轨道的屏蔽教戊.这种混 合程度咀厦}r跃迁的振动强度都很小.直接激发稀土离子很难获得高荧光量子产牢.因此.0口使包含 许多稀土离子的化合物呈现出较好的盘子产牢.通常是采用间接撇发(EU被称为敏化或天线效应12”). 这种过程有三步.第一是附属于稀土离子的有机配体发射团吸收光,能量传递到金属离子的一个或几个墩发志,悬后是稀十离子啦光。1.2对J:将士配音物米说,其总的光致发光效牢T。。等于配体吸收能盘的效率。山.鬟脚窜越的效率m。.能量从配体传给稀i.离子的教率。晌以及僻t离子发光的敏牢o.岫的乘积(圈1.¨脚4。吸收效率‰可以通过有机配体分子的“天线散应(antenna/,i(heavy alomeffecO”得到很好豹改善;猫土离子的堕原子藏c胁ct)也可以使(p。接近1.但足对于近红外发光的稀土离于来说,后两项。嘶和‰要比Eu”,TV+等在可见匡技光的稀土离子小得多.甲t。t=巾abs巾眦o¨Ⅲ10lu丌1Ligand圈l-I配体与稀土离于的自%量传递模式能量传递技宰低的原园丰耍有二I配体三重态的娩量不能有效地传递给稀土离子,也就是说配体的能量相对于稀土离子来说太高,因而要降低配体三重态的能级.2红卅发光棒土离子的发光额率与C-H和O-.H键的振动频率很接.近(6900和5900 cm。)r传统有机溶剂里有大量C-H键.因此能量报容易通过振动弛墩消敢. 中山大学博士后出站报告 2.3提高稀土化台物近红外发光量子产率的主要途径 目前近红外发光的稀土配合物发光效率往往太低。原因有。, 是由于稀上离子的基奄和撤发忐之1间的带隙较小.能量容易通过非辐射消散;二是因为稀土离子的荧光寿命短.』衄用受到限制。但是由于 其在许多领域诱人的应用前景,越米越多的化学家投入到了稀士近红外搜光的研究中米。 为了解状以上难题,近年来,科学家*】肘这一领域进行了一系列的研究.目前稀土离子的近红外拉 射主要通过斟下几种途径获得 l、利用强吸收有机配体与稀士离子直接配位,有机配体的三重志能量通过“无线效应”将能量传 递给稀土离子,稀±离于的镦发态电子跃迁到基态,从而发出相应稀土离子的近红外发射。如,设计合 成大共轭体系的配件,调节配体最低三重态能级与近红外糙光稀上离子发射带的带隙脚m州,使二者匹 配,配体(s1卜+配体(Tl卜-L一“o能量流向可以简单的如图(1-2)所示,通过调节配体晟低三重态的能带和 稀士离子发射态,使两者相匹配。1S Ligand Lnm口图1-2配体敏他稀I荧光的能量流向示意图囡磷川u一繇川~伐m,图I-3 K[Yb(L)一1 DMF 的晶体目.构圈 中山大学博士后出站报告抽皿矿5噜人采用环庚三烯酚酮与稀土离子配位后形成共轭体系,降低配体三重态能级.使配体的能量更好地传递给稀土离子(圈1-3),同时用氙灯作光源在340珊激发配体.在298K的DMSO溶液 中得到各种稀土离子的特征发射i{f图(圈14):Woo-).]’在有机或涪剂介质中量子产率选到lO2.1三i=器L厂Ⅵ。,9。oi,m―350d∞惦O∞01000l』…'200、肌八么1400 1600圈1-4 a、K[Yb(Lhl的吸收光谱b、【Ln(L)4】’Ln=Yb,Nd,豇Ho,Tm在298K的DMSO的发射谱图2、强吸收有机配体与稀土离子没有配位,而是咀离子形式与稀t离子形成离子化台物,有机配体 的静电效应通过距离引起稀。L离子的核外电子排布发生徽扰,使仁f跃迁禁阻盘为趴辽允许,同时有机 配体的三重态能量通过“天线效应”将能量传给稀十离子,从而拉射出相应稀土高子的近红外发射啡3”, 即所谓的“离子协助传譬一敏化教应”.目前采用这种办法获得稀土近红外发光的报道比较少,这可自}足 由于台成这类化台物比较困难。簿^J尥浏+=r厂]― ―d―叫T_1J田1-5lR5与Br的畦二酮配台物结构图及脆级示意图 中山大学博士后出站报告 例如,用含Er的化合物作为光纤材料与传统的硅光纤相比,有一个缺点是Er的配合物需要紫外. 可见光激发,而硅光纤可以用一个廉价的在980 nIn处发射的二极管激光光源。Qian等‘361用一个商品化 的近红外染料IR5与Er的p-二酮配合物形成离子对复合物,通过在980 nm处激发IR5来间接激发Er 离子(图l-5)。该化合物中IR5平面与Er离子的距离约7A,满足Dexter能量传递机理小于lO A的要 求。配体的单重态和三重态都可以将能量传递给金属离子,但是由于单重态的寿命很短,因而这种能量 传递过程通常不是很有效。 3、由于过渡金属发色团呈现出的MLCT三重激发态的能量和稀土离子的跃迁吸收带能级部分重叠 (图l-6)。因此,利用d区金属有机发色团作为激活剂(敏化剂)并借助于d―f能量传递来获得镧系 近红外发光也成为近年来研究稀土近红外发光的热点p¨3j。彳菪彳互蔷哼2图1-6稀土离子在可见区内的吸收谱图将过渡金属(Pt,Ru等)砌块的能级作为中问能级,然后传递给到稀二l=离子,用以提赢稀十离子的荧 光量子产率【4哟!1。鉴于可以利用的过渡金属发色团种类繁多,所以过渡金属.镧系d-f双金属配合物对 获得镧系近红外发光是一条非常有发展前景的途径。此外,d_f异金属体系还具有诸多优点,如d区金 属有机发色团在可见区有强的电荷跃迁吸收,且具有较高的三重态量子效率和长寿命的三重激发态;可 以同时检测过渡金属有机发色团的荧光淬灭和镧系发射激活,并借此能够获得有关d_f能量传递速率 和效率的相关信息。2000年,Veggei课题组138,49]首先报道了一系列RulI-LnⅢ双金属化合物,借助于低 能量的可见光激发发色团【Ru(bpy)3】2+(bpy=2,2’.联吡啶)MLCT跃迁可导致NdIII和YbI¨近红外发光,由 此提出了利用d―f能量传递激活(敏化)镧系近红外发光这个新思路(图1.7)。随后ward【39,61,92]和Faulkner 课题组[42,55,641分别利用包含双官能团的四嗪、氰根和功能化氮杂环等为桥联配体设计合成了一系列 Pt‘t_Lnm,ReULn‘Ⅱ,RulLLnm等d_f双金属配合物,用低能量可见光激发过渡金属发色团的MLCT跃 迁成功地激活(敏化)Ln‘1‘近红外发光。例如,Nail等139.-3嘲发现在Pc配合物和Pt-Ln双异核配合物的 吸收光谱图(图1.8)中,由于Ln配合物在400 nm以上没有吸收,作者采用520 nm可见光激发Pt―Ln5 中山大学博士后出站报告配合物,结果观察到了稀土离子的特征发射,说明通过激发R配台物可虬间接撇发稀土离子,Pt-Ln 双异核配合物的荧光寿命在微秒级,总的量子效率在l矿量级。图l一7三棱金屑化台物呈现出RU”.tO―Ln“‘能量传递示意斟'r_ 童 一b’苣趾heinel楚~蔷图I-8 Pt-Ln取异核配台物的结{句示意幽及H配台物和n Ln职异棱配台物的吸收光谱陶近红外技光的稀土配合物可以用来进行荧光免疫分析.但是相对较短的荧光寿命(ns-}Ls)限制了它的 应用。Piguet脚“5459。71,751和BunzilⅢ63,75 771利用功能化多联氮杂环配体,通过自组装方法制蔷了系州CrIll Ln“1异最核配合物,激发c一Ⅱ发色团获得了眭寿命(几毫秒)的镧系近2l外发光。如,lmbert等[4h】合成了一十Crl“-yb4职核配音物。其台成线路厦化台物的大致构型如图l_9所示。实验现浆到Yb 常温F的荧光寿命增加到】00螂。双异核配合物能量传递的效率与过渡金属(Pt,Ru等)到稀上离子之间 的距离有很大关系。能量传递效率nET”“与金属间距离的关系如下nF,,Ln=1/【l+(RDAM'“佩M,Ln)6其中Ro^““为过渡金属M与稀土离子Ln之问的距离i Ro““为传递50%能量的“临界距离”。 该化台物中c,“Yb“之间的距离为9.3 A,适合于能量传递;且该化合物的能级间隔大小也适台能 巾Ⅲ人学博士后出站撤告墨协进‘罔I.9所示)。t+<I LtP+.他们a为n这个般桉配台柳-1?.能量口r以前教地从Cr‘传递j』Yb‘瀵 雾蓊”目l一9iso{I嚣藉{攀÷麴、?茅剥一篙≥霄j蛰-_。置”I[.nCrL3r告成H为了型女r地解决这些问艇,纽装过渡惫属.鸽系异坎化台物,安现从过渡金属钉机艇也硐刮钭第班 射Ⅻ舯d-+f能量传递.关键足蛰设¨台适竹乜牙胆功能团的有机桥联nC佛.使较“轼”的耕汁原』’蛐 p、s、C、N等与d【i吐渡盘旌自e位.而较“硬”的础伉原于如O N辞0 r匮锏系盒橱配竹。供书曲砖化的菲罗啉、联眦畦或胼三毗啶作为包含双功能引的肯机配件B经运用于设计台成系列d-f碰余埘化 旮忉。由于这。!配件中的‘炔罄能够与轱“轼”的过渡金属自C位.而菲罗啉J琥吡啶或联二呲啶墨能够‘-铰“碰”的锎系会斑结合,并且山i董种醚体拘琏起米的d+f艰金属北台铭f々d r烈盎羁*?于的距冉宅‘、生快坫配作调控,,pj 4.它’“&妤的jo轭性n刊r乩ji渡盘槲发乜踊纠翩最鞑,t!l曲d斗r艟盈怍畦,Ⅲ此,芭1I】将是娄tP常础心的“装扯r烈H什州台物的宵机,}牦孵U口d件””,。(hcn垛题蝌i”叫帆川‘t[,块-2,2…膳坩啶和5-‘北-l 化台物P£止[、2和I≮Ln¨【Jn0'-"箩啉收功6E桥’m^件和权拔铀炊矗0f州,}川I三I“了5d■¨}盒“Nd,Eu,Yb)m o,础+-j1.tO所示,在P‘:Lm枸掣的化丹物一b,选抖持协{HN3A2州的距离约为2 70静止黼脓…赴J赋住¨10(。o稀}离丁配”,与自。自聪l札啶上的N强子07^.蹦1日存在双强的分千内氢键。而5.£缺一1,10'-菲罗啉捐对于5-‘煨-2,2。-联J肚瞠来晚,川性里强,陶 而形成P‘2Lm构型.在P12I.玎2和n2Ln4化合物巾,Pr¨Ln的距离分别力8 8A和10^,Pt―Pt£川的距 离丹荆为3 2SA和3 30A。…n馓发铂炔分了晌M【f r带,所有的Pt2I“2和P‘2L11d化台物抒}现:i:酯 i.离予的特征线性发射光谱(目I 10)。铂炔分r砌块的能量完全有教地由d-block笈对团传递给柿土离r的f block艟射团.而自身的能量完全淬灭,说明d f的能世有效传递既与Pt与樯土离子的距离仃天.也于d-blo+k能量给体与f-block的能盘受体的轨道重叠有关。这是闭为铂1i_|;帝十之问的距离较谢(:IO 5^J.嗣时也亍桥联配件bp)C=C或pherC-C冉搬蚶的,∈轭陛有关.田弼Dextcr和Fi=+rster日2量1}地机秘部可咀解释这些PrLn烈金属化台卿。Chert课题组还利川这粪独特的冉"i炔坼蛾配体米发汁 中山大学博士后出站报告合成一系列“异多核或高核金属炔化合物,系统研究炔基碳链增长对d斗f能量传递速率和效率的影 响【941以及同一化合物中不同能量传递途径对¨f能量传递速率和效率的影响【931.同时也研究了在前驱物中弓l入稀土砌块的构型转变f951等等,为开发长发射寿命和高效率锎系近红外分子发光材料和器件做 了大量的基础研究。嘉sugulplo{夸9lgm8008001000力们m12001400图1.10 Pt-Ln异核化合物的晶体结构图及Pt2Ln2的荧光发射谱图4、由于稀土离子的能级比较广泛,某些稀土离子的发射带能级和特定的稀土离子的吸收带能级重 合(图1.11)。因此,利用f区稀土发色团中心作为敏化剂,并借助于fof能量传递来获得特定稀土离 子近红外发光也同样成为近年来稀土近红外发光的另一个研究热点【27,99,100J。E|1 20删up_。函Ⅳer自ea15errl}5sten鲫蝴昝玉105OtF豫Yb肼Er啊..C一图1.1l不同稀土离子的轨道能级图从稀土离子的能级图可以看出,不同稀±离子的能级有重叠,这样就导致不同稀土离予之闭的能量 会发生传递。不过,由于能级重叠程度不同,能量传递的方式也会不同。由于选用能级比较匹配的不同 稀土离子设计合成特定功能的化合物的合成存在很大的挑战,因而相关的文献比较少。Faull(nerf叫曾首8 中山大学博士后出站报告 次报道了如图1.12所示化合物,不过他只报道了该化合物的寿命和合成步骤,而相关化合物的晶体结 构,能量传递速率和效率等都没有报道。因此这方面的研究还有待深入.其实由此也就衍生出一个新的 研究方向,那就是采用不同的稀土离子合成出特定功能的化合物时,可能会生成两种或以上的构性异构 的化合物。也就是说,如图所示,可以分别合成出化合物Tb2Yb和Yb2Tb,相应的能量传递速率和效 率甚至连相应稀土离子的荧光寿命也会发生改变。测LN酗Q≯uNfH B喇I≯oButf旦..麓鑫.P 奄辚、o.9圣舻瞄牮∥白,岛^^\,一。鼍彀7d-6。图1.12 Tb2Yb异核化合物的合成示意图1.3镧系金属化合物近红外发光中存在的问题及其可能的解决办法稀土配合物发光效率太低的主要原因之一是由于稀土离子的基态和激发态之间的带隙较小,能量容 易通过非辐射消散。如,近红外发光稀土离子的发光频率与C―H和Dm键的振动频率很接近(6900和5900cm以),传统有机溶剂里有大量c~H键,因此能量很容易通过振动弛豫消散。为了提高其近红外发光的量子产率,目前文献报道采用设计配位能力强而且体积大的配体,把稀土离子很好地与外界隔离, 减少淬灭作用;用D(氘代氢)或者F等取代H,减少配体上c-H振动的淬灭作用。如果能用大的有 机配体把稀土离子包裹起来,使其与外界溶剂分子隔绝,或者使用氘代或者氟代配体和溶剂,都能大大减少振动弛豫导致的能量损失。Foley等‘101墚用TPP=5,10,15,20.tetraphenylporphyrinate这个具有大的共轭体系(图1.13),三重态能级比较低的配体,因而能量容易传递给稀土离子;更重要的是,由于它 体积很大,与稀土离子配位之后能有效地将稀土离子与外界溶剂分子隔绝,从而减少振动弛豫,提高近 红外发光的稀士离子的量子效率。在Ln(TPP)Tp系列化合物中,Yb的量子产率达到lO~,而Nd的量 子产率达到10d(如表1.1)。9 中山大学博士后出站报告Ln(TPP){L(OEt))1.1’f伸lPIoc)ll瑚日xI cl ×-Ii.nfrpl叶rpt.n;砘Tm。Er,Iqo,Nd,PtfDrYb.Tm.Er.HoforNd.PrCn=Yb。Tm。E‘№。N氐Pr图1.13 Ln(TPP)(L(OEt),In(TPP)TP合成示意图表1-1 Ln(TPPXL(O五:t))的吸收与发射光谱性质及量子效率Table4.At啪啦两柚dE日蛐Sp∞蛔I脚觚档forabⅫpfioak小m伽g∈)La(TPPXL(OE0)Compler瞄缸CH2C12emissionLn B(o.o) NRk ’‘‘―。。。‘-_。‘’。。_-I-_-―_―一_―-?―-_1‘。。1。‘。‘――1。‘’。。。。。-__。‘――。―――。。。?’―1。。。___?_――。。――――。‘。’。‘。――’。’。’――’。。‘’。‘。1。。。‘。’’。’‘‘。。‘’。。。。‘’-?_‘’。1。。。。’‘。’‘’?。’。。。。。。_。‘。。。’。。1。’‘‘’‘。一 72) 597(3.ss) 614。656。717 Pr3+ 561(4.32) 600(4.01) 656.717 409(4.78)428(5.81)踯’o)l扩405(4.63)427(5Q(1。0)Q∞),Atk m(4.30)557(4.2"D 5610.39) 5950.7Q 600(3.93) 59613.79)NIR札。甄!:、l然_j 广w51∞5(4.62)426(5 71) 409(4.叨 429(5.76)611,655.7t7,――, 655,718 3,。829,896.947,1069,l l 1317.1350.1429lQ=咝1.lff"E一40鼹.国427(5.鼹)55姆,均611,655 720,406(4.卿.4270.73):.55嚷4.30)5960.76)612.655.719923.956,977,1003.1023,1046厂叨1480,1517,153弘0.001 nm.。黜弘蒯ktatybebhte-thit瑚出倒yfi-omtitlel∞amtoftlloffinI缸}山detector球甲叩特for2,1550Heller等【1021把Nd的化合物溶解在SeOCl2和POCl3等比氧重的原子的溶剂里面,观察到了较强的 荧光发射。但是这些非传统溶剂没有实用价值。Yanagida等【102】用氘代和氟代化合物与Nd形成配合物 (如图1―14),然后把这些配合物溶在氘代溶剂里面或者掺杂到高分子(如PMMA)里面,最高量子效率 达3%。厂O]峨斟 蛾==目Nd(pms)3 Nd(pos),rBl, ,、V多- 蛾:4.。≮^C D dLu\>\^3Nd(HFA?D)’图l?14 Nd与氘代和氟代化合物配位示意图 tp山大学博士后出站报告报显然,咀t方法的确能够提高稀十近红井发光的荧光量子产率,但是这些方法从某种程度讲不太 呵行。其,由于稀上离子的配位数是可变的,其配位数在7~12都有报道,要使稀上离于完全配位饱 和,且用大的青机配体完全隔离有机溶剂小分子比较田难.其二,采用非氧原予的有机溶剂米提高稀土 近红外发光的荧光量子产率不太实用的。口臣]口[|:13 枣惫壤图1.15MOF.Tb一维扎道材料f自睢品结构蹦及崮体MOF-Tb(F)的激发-发射谱幽因此.理论上需要有新方法的出现来弥补传统方法的不足。c}嘲等[10Ji报道了古有铽离子的MOF的一维孔道结构的功自}材料(阁1.15).把该材#}高温抽真空后再浸泡在甲酵溶液中,从而置挽掉原有 的溶剂分了.然后抽真空除掉扎道中残余的甲醇分予。由于甲醇的O―lI键的振动频率很接近铽离子的 发光频攀,崮此其能量很容易通过振动弛豫消散,导致其荧光强度急剧下降。然后作者把经过处理的样品再次浸泡l恰确KF的叫酵溶液使其中的氟离了与孔道表面的甲醇的氧原子结台形成氢键,然后再次真窄处理样品,这时的样品的固体荧光强度就明显增强(图I-15).文献报道.当溶液中的氟离子韵浓 度人于10 2M,铕的荧光强度能增强4倍,但是文章中没有提供井对比当样品中含有非C-H,O-}I,N-H 溶剂时的荧光强度数据。不过.他却由此提出了提高柿土离子近红外茇光荧光量子产率的新途径.那就是采用氟离子与mH形成氢键,从而达到同定o-H键的振动,减小其振动频率,阻lh了稀十离f的能量通过o_H振动弛j鼙消散,形成非辐射跃迁。 对于如何解决破化荆在作为能量给体将能量传递给稀土离于的同时消除自身的能量对稀土离千发 光的干扰。目前还没有可行的方法.但是有文献报道敏化剂的能量部分地传递给稀上的同时自身的能量 将与稀十的发射光混合,形成自光,这在白光电致发光材料中极有应用前景。如在IrrEu化台物中1州. 1r部分的肯光发射与铕砌块的红光发射,刚好形成瓦补光.这两种光混合彤成白光(图I-16)。凼此, 白光电致发光村料的制蔷中.由原来的在可见光区都有发射的材料.以及荧光转化材料和=色发光材料 中山大学博士后山站报告 到现在的两种互补色发光材料.部成为电致发光材料的研究热点I”1呻1 061:鼽¨ 、匀罚黯black)1丑图I_16lrz-Eu苴其相关化台物的i弁渣显色示意图及溶液笈射诺圈(Eu_ba船,red;IFbase,blue;Ir2.Eu,1,4镧系金属化合物近红外发光的前景由铡系金属诱导的近红外发射主要有两方咧的潜在的麻用:光电光学器件的制各包括激光材料,放 大器和发光‘极管以及生物医学分折等。对r前者已经有很多的相黄的文献报道,甚罕某些产品技术已 经达到了工业化程度;而对后者的研究还处在初级阶段。然而,即使如此,文献报进的近红外稀土离子 的荧光艇射的总最予产率都币太令人满意。尤其是在克服由于c-H振动所导致稀士离子发射能量通过 非辐射跃迁而消散还没有可行的实用方法。另外聚合物结合了纯无机和有机化舍物的优点.如通过自组 装合成扎有双直方烷结构的Er(I|1)聚合物,以及通过La如纳米粒子掺杂的功能化纳米粒子的内量于产率高达70―80Wm4叫.同时,功能化的纳米粒子及其衍生物与生物分子键台,在靶生物分析、癌蛋白标识、和细胞成像等领域具有广阔的应用前景【。叫。另外,用包含近红外发射的稀上离于的离子液体在 电致发光器件中也充满诱硌Il…。参考文献 Pa船‘D,Dickins,&S PLMIllIlarn H,Cossland,C,andHoward.J A KC^栅^ev2002,102. 中山大学博士后出站报告1977.2.【a)Parker’D.Chem.Soc.Rev.2004,33,156.(b)Parker,D.;and Williams,J.A.Ct√=Chem.Soc.,DaltonTran.1996,316.3.(a)See special issues of Tetrahedron Symposium in Print,of Lanthanide Recent Advances 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A幽Mater2007.19,4224.1 05,Su,Y-G;Li,L.-P.;Li,G-S.Chem.Commun.2008,4004. 106.Uchida,Y.;Taguchi,T.opt.Energy.2005,44,124003. 1 07.Kumar,G A.;Riman,R.E.;Ton,e.,L.A.D.;Garcia,O.B.;Baneqee,S.;Komienko,A.;Brennan,J.QChem.Mater.2005,t 7,5 130.108.100ff,L.H.;de Dood,M.J.A.;vail Blaaderen,A.;Polman,A.AppL1P枷.Lett.2000,7藐3682.09.Diamente,PR.;Burke,R.D.;van Veggel,F.C.J.M.Langmuir.2006,22,1 782.1 1 0.Neouze,M.A.;Le Bideau,J.;Leroux,F.;Vioux,A.Chem.Commun.2005,1 082.19 中山大学博士后出站报告第二章A13Ln2异金属化合物的合成,结构及其发光性能研究2.1引言多功能材料尤其是稀土化合物功能材料近年来成为研究的热点,主要是由于稀土化合物具有广泛盼 应用前景,如,磁共振成像、生物检测、光电器件、光电通讯、光纤以及激光等等都有潜在的应用价值 【1.51.由于镧系化合物在可见光区几乎没有吸收,因此通常需要用强吸收光敏剂来捕获光以期获得高效 光致发光[I-21.在设计无机有机稀土化合物时,有两个问题需要克服,其一是尽量减小由于C―H和口.H 键的振动而引起的非辐射跃迁去活化过程,这是由于稀土离子的基态和激发态之间的带隙较小,与C―H 和Q-H键的振动能级接近,因此,能量容易通过非辐射消散【1’2.6】。其二是尽可能降低由于敏化剂的能量 部分地传递给稀土发射团,而残留的敏化剂发射对稀土发光性能的影响【1a,2~。 通常使稀土离子尽可能配位完全就可以阻止稀土离子与溶剂分子或相关离子配位18]。Kuriki和 Koike等[91用非氢溶荆,如,S02F3NS02F3或COF3CDCOCF3来提高稀土离子的荧光量子产率。近期有文献报道可以通过r与o-H的氧原子形成氢键来固定o,H振动,从而减小由于啦H{最动而引起的非辐射跃迁16】.另外一个需要克服的问题即所谓的“双重发射”,敏化剂自身的荧光会给近红外免疫分析应 用带来光谱重叠干扰。但是通过“双重发射”所得到的两种混合互补光(如通过调节在480~500 llm发射 的青光和在600-620 nm发射的红光可以获得臼光发射)来获得自光发光材料却有很大的应用价值【_71。 由于三(8一羟基喹啉)铝及其衍生物的电致发光呈现出很强的绿光,并且在可见光区的有机发光二 极管的研究中表现很活跃,因而被广泛地研究[10-141。因此,这里报道Al-I。n化合物,在这类化合物中 二(8.羟基喹啉)铝(Alq2)发射团呈现出很强的单一蓝光发射(485 rim).由子Alq2的发射来源于喹啉 配体的电荷跃迁,因此,我们采用这种“含金属配体”来敏化镧系的近红外发射。2.2实验部分2.2.1实验试剂所有化合物都是采用Schlenk技术在氩气或氮气气氛中合成的。光谱测量所用的溶剂为光谱纯试剂。 其中异丙醇铝(aluminum isopropoxide),4-羟基腈基苯(4?hydroxybenzonitrile),2一甲基-8一羟基喹啉 (2一methyl一8-hydroxyquinoline(q))和六氟乙酰丙酮(hexafluoroacetylacetone(Hhfac))都是从Alfa以及 百灵威购买所得,实验没有经过其他处理步骤,直接使用.? 中山大学博士后出站报告2.2.2测试仪器元素分析在Elementarvario ELIII元素分析仪上测得。红外光谱采用KBr压片法在Nicolet Magna750傅立叶变换红外(FT-IR)光谱仪和Perkin.Elmer Speelrum One傅立叶变换红外(FT-IR)光谱仪上 测得,测定范围为400--4000 cm"1。电喷雾质谱(ES.MS)用二氯甲烷.甲醇或者乙腈.甲醇作流动相在FinniganLCQ质谱仪和ThermoFinnigan DECAX-3000 LCQ Deca LambdaXP质谱仪上测得。紫外光谱数据用二氯甲烷作溶剂在Perkin―Elmer25紫外可见光谱仪上测得。核磁共振磷谱和氢谱在Varian Unity一500核磁共振仪上测得。31P NMR的测定是以85%的H3P04为外标.荧光光谱在R928 型光电倍增管的Perkin.ElmerLS55荧光光谱仪上测得。发光寿命测试时,用397 nm的激光作为激发波长在Edinburgh F900荧光光谱仪上进行。2.2.3合成和表征Ln(hfae)3(H20h的制备:Ln203和稍少量热的HAcO溶液反应,过滤,滤液真空抽干,干燥后,溶 入适量的水直到澄清,然后滴加适量的Hhfac,立即生成大量沉淀,继续搅拌3小时后过滤,沉淀即为 目标产物,用大量水洗后,干燥后即可使用。产率定量。 Alqz(OPhCN)(1)适量的2一甲基一8-羟基喹啉、对羟基腈基苯以及异丙醇铝在60 mL的甲醇溶液中 80。C回流反应6小时后,冷却到室温,析出蓝绿色固体粉末,过滤水洗,乙醇洗涤数次后干燥即可得 到相应的目标产物。Yield:76%.Anal.CalcdH,4.1 for C27H20AIN303:C,70.28;H,4.37;N,9.1 1.Found:C,70.43;8;N,9.24.ESI.MS(CHsOH―cH:ch):m/z唧)462 000)(fM+HA IR(KSr,啪q):22 18m(C-N).1HNMR(CDCl3,PPnl):8。05(d,2H,J。8.4 Hz,q),7.48(d,2H,J。8,0 Hz,C6飓),7.38(t,2H,J=8.0 Hz,q), 7.32(s,2H,q),7.29(s,2H,q),7.15(d,4H,J27.6 Hz,q and Cdtj),2.94(s,6H,CH3).Ahq4Hq(/瞳a?OHh(m-oH)3(Ln(hfac)s}z(Ln=Nd,Eu,Yb) 2(Ln=Nd).Anal.Calcd for CsoI山TNd2Fs6Ns022A13"C,38.69;H,1.91;N,2.82.Found:C,38.54;H,2.01;N,2.70.ESI.MS(n蛹:2484【M+H】+.IR(KBr,Gm-1):2855 m,292978%.m(H-o);1655 s(c=o).Yield:3(Ln=Eu).Anal.Caled for CsoI-h7Eu2F36N5022A13:C,38.45;H,1.90;N,2.80.Found:C,38.44;H,1.85;N,2,94.ESI.MS(m/0:2500【M+H1+.IR(KBr,cm一1):285475%.m,2930m(H-D);1 653 s(C=0).Yield:21 中山大学博士后出站报告4(Ln=Vb).Anal.Calcdfor CsoH47Yb2F36N5022A13"C,37.81;H,1.86;N,2.76.Found:C,37.94;H, m,29331.87;N,2.61.ESI-MS(耐z):2542【M+H】+.IR(KBr,ore-1):285672%.m(H_旬);1654 s(C=O).Yield:2.3结果与讨论2.3.1晶体结构的表征及描述将适量化合物2的二氯甲烷溶液,在室温下用正己烷进行缓慢扩散,培养单晶适用于x.射线单晶 衍射测试.这些化合物晶体结构的化学式、部分收集条件、结构精修及晶体学数据见表2.1-2.2. 化合物2的单晶衍射点数据都是在RIGAKU MERCURY CCD面探测试仪上收集的。条件是在293 K的温度下,MoKa∽一0.71073 A),用石墨单色器,以CO一20的变速扫描方式,在00<20<500范围内 用SMART和SANIT软件还原数据和修正晶胞参数。运用SHELXL.97程序,采用直接法或Patterson 法对结构进行解析,重原子从E.map图上进行确定,剩余的非氢原子是经过反复多次不同的傅立叶合 成测定的。除了特别指明以外,所有的非氢原子都经过各向异性的精修。氢原子用理论加氢的方式产生. 晶体结构采用全矩阵最小二乘法进行修正。 结构精修中,化合物2中C―F键键长也被固定在1.32±0.01 A之间,而且氟原子存在统计分布, 在化合物2中,F1一F36和Fl’一F36’各占O.50. 用正己烷缓慢扩散饱和化合物2的二氯甲烷溶液得到块状的绿色晶体,单晶衍射仪测定的键长和 键角数据列在表1和2中.单晶衍射仪分析表明,化合物2的分子式为{A13(c04(Hq№-OH)2(f12"OH)3}{Ln(hfac)3}2}(图2.2).在化合物2的晶体结构图中(图2.1),两个NdlⅡ原子中心都是9配位,9个配位氧原子中有两个来自于2.甲基.8-羟基喹啉的羟基基团,六个来源于六 氟乙酰丙酮上的羰基,还有一个来自于肋-OH-阴离子,从而构成一个扭曲的正方反棱柱。三个不同的 AI(III)离子都成八面体构型,其中Al(1)和AI(2)分别与两个2-甲基-8-羟基喹啉螫合,一个/魄-OH-和一个地―0盯阴离子配位。而AI(3)原子则与六个氧原子配位,其中有两个来源于扭曲的2-甲基-8一羟基喹啉 上的羟基,两个鸬―O盯和两个pz-OH-阴离子。所有的金属通过五个桥联配体2-甲基.8.羟基喹啉,两个 ,u3-OW和两个肋―o}r阴离子形成五核构型。通过2一甲基一8-羟基喹啉桥联的Al(2)…Nd(1)的距离为3.67A,Al(3)…Nd(1)的距离为3.53 A。由于空间位阻的需要,化合物2中的两个Nd(hfac)3单元相互反向, Nd(1)…Nd(2)之间的距离约为7.07 A。另外,由扭曲的2.甲基-8.羟基喹啉上的羟基连接的Nd(1),Al(3) 和Nd(2)成线形关系(174.8。)。值得一提的是,化合物2中的两个分子内2.甲基.8.羟基喹啉共面,且其 芳香环之间的距离约为3.5A,因此两者存在7H相互作用,并形成穴状孔洞(图2.1)。22 中山大学博士后出站报告图2-I化合物2的晶体结构(球棍模型)图,分子内2.甲基.8.羟基喹啉的芳香环之间存在触相互作用{A13(q)4(Hq)(№一OH)2(p2-OH)3){Ln(hfac)3}2图2-2化合物纠结构示意图(双齿氧配体代表六氟乙酰丙酮)23 中山大学博士后出站报告 表2-1化合物2的晶体数据2empirical formula formula weightCsoI凰TNd2F36Ns022A152483.65 Pspace groupi.口'A b,A c’A%deg15.7247(3) 17.1245(3) 23.9781(5) 100.513(12) 92.990(9)1 17.239I(4)层deg兀degV(A3)Z5575.98(19)2pcalc,eCem-3 ∥(mm-1) Radiation(五A)Temp(K)1.4791.065 0.71073293(2)0.0689Rl眠)4wR2(露)bGoFO.2163 1.11l飧l=∑l凡一R胆RbwR2=z【w(凡2一R2)2】/z【w(詹)】1履24 中山大学博士后出站报告表2-2化合物2的部分键长(A)和键角o2.3.2异五核稀土化合物的光谱性能研究2.3,2.IUV-vis吸收光谱化合物1,2以及Nd(hfac)3的紫外吸收光谱图如图2.3所示,化合物I在cH2C12溶液中呈现出两 个强吸收谱带(大约246和257 rim),归属于2.甲基-8.羟基喹啉(cO的配体内电荷跃迁;还有一个拖尾至400nm处的低能吸收带,归属于金属微扰的兀寸7r?@跃迁.化合物Nd(hfac)3只在大约300 nm处有单一吸收带,归属于六氟乙酰丙酮的配体内电荷跃迁阢斗7【?(hfac)】【”I.在化合物2中有两组吸收带, 其一大约在246 tim,来源于2.甲基一8.羟基喹啉的配体内电荷跃迁。其二则来源于六氟乙酰丙酮的配体 内电荷跃迁(300 rim)。正是由于这两种配体的相互作用,使得化合物2的吸收带在420 am处仍有部 分吸收。 中山大学博士后出站报告≥Iscm芒一o c∞口J0协cl<240300360420九(nm) 图2-3化合物l(d00,2(solid)和Nd(hfac)3(dash dot)毛E CH2Ch溶液中的紫外吸收谱图2.3.3.2荧光光谱当化合物1在360 nm光照射时,无论是在固态还是在CH2C12溶液中,化合物1在475 nm处呈现出极强的发射(见表2―3),它的室温磷光归属于2.甲基一8一羟基喹啉的配体内三重态电荷跃迁体嘲?(蝴ILCT。因此,化合物2的高能发射可能混合有2.甲基一8一羟基喹啉的配体内三重态电荷跃迁n一7【?(q)】 和六氟乙酰丙酮的配体内电荷跃迁【丌一霄拿(hfac)】ILCT,同时还混有某些金属微扰的7【专7‘+(q)跃迁。由 于单核铝(III)化合物的能级与芳香基辅助配体无关,因此其荧光量子产率和Alq2发射团接近116】.>笆∽cm_―co一协∞一∈ⅡDmNIl母E'JoZ400600800100012001400九(nm)图2―4化合物l(dash dot),2(solid),3(short dash)_jf'U 4(dash)在298K,CH2C12溶液中的发射谱图26 中山大学博士后出站报告当用波长范围在260nm<)。cx<420nm,中心波长为338 nm的光激发所有A13Ln2构型的化合物时,都能得到相应稀土离子的特征发射带,室温下的固态和液态稀土发射寿命都在微秒级。如图2―4所示, A13Nd2化合物在870,1060,和1335 llm处有三个发射带,分别归属于4F耽j4I蚍,4IlV2,4Itm跃迁;化 合物A13Eu2在595,614,651和696 nm处有四处发射,分别归属于5Do哼7Fl,7F2,7F3and7R跃迁。同样化合物A13Yb2在980 nm处的单一发射归属于2R忍一2F耽跃迁.所有化合物中在大约480-490 nm处 的高能发射带(归属于配体内部跃迁)没有完全淬灭.如表2―3所示,化合物1在CH2C12溶液中的荧 光量子产率约为32%,明显高于残余的铝(III)发射团的荧光量子产率(O.9 ̄1.5%),说明A13Ln2化合物 中,激发态的铝发射团和稀土发色团之间存在能量传递。表2-3化合物l-4在298 K,CH2C12溶液中的吸收和发射数据‘寿命测定过程中激发波长为397nm。“化合物3在脱气CH2C12中的荧光量子产率是相对于Ru(bpy)3(PF6h(驴=0.062)在脱气CH3CN中测定的,化合物I和纠中残余的铝(III)发射团的荧光量子27 中山大学博士后出站报告产率则是相对于荧光素(FluoresceinXO)=0.79)在H20中测定的.。Yb化合物在CH2C12溶液中的量子产率是通过关系式钆;‰,ro来计算的,其中‰代表实验观察到的发射光谱的荧光寿命,硒代表辐射或原始荧光寿命,对Yb化合物而言龟=2tn5.2.3.3化合物3应用于荧光探针及自光发光材料方面的研究2.3.3.1氟离子荧光探针测定实验如化合物2的晶体结构图所示,化合物2的结构中存在有羟基基团,由于O-H的振动频率与稀土 的能级接近,稀土的荧光严重地受到oIH键

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