华南理工大学材料学院唐本忠

tianjie

基于单个聚集诱导发光分子的多重可控光反应

化学家一直在追求新的方法来获得多重可控的分子材料。光反应由于具有较高的时空分辨率和非侵入的作用方式备受欢迎。尽管已经有很多光响应单元用来控制微观结构及其相应的宏观性质，然而大部分的体系特异性功能单一，在应用上受到很大的限制。如何开发具有多重可控的单个光响应体系是一个重大的挑战。目前大部分的报道是基于有机合成或者超分子组装的方法将多种不同的光反应单元组合到同一体系中，但是这些方法都不可避免地面临一些问题，比如需要复杂的合成和后处理，组装体能否保持稳定存在等。另外，每个光反应单元都具有特异性的激发波长，如何在复杂的体系中实现激发波长和功能的兼容性非常难以控制。顺反异构、光环化以及光加成是三种广泛研究的光响应系统。每一种光反应都已经有很多优秀的工作报道，尽管很多工作都具有较高的可控性，但是都面临“一个萝卜一个坑”的问题。能否将这三种反应引入同一个分子中实现多重特异性的可控光反应成为人们思考的问题。

大部分的光反应都会破坏或者延长分子的共轭，相关过程通常会伴随吸收和发光的变化。以往的很多光反应研究都是基于聚集诱导淬灭（ACQ）分子，使人们很难通过荧光的方法跟踪固态或者聚集态下的反应过程。香港科技大学的唐本忠院士课题组首次报道了聚集诱导发光（AIE）现象，具有AIE性质的分子在溶液中几乎不发光或者呈现很弱的光，而在聚集态下可以发出很强的荧光。他们预期如果一种分子既存在AIE性质，又具有溶液态和聚集态下不同的光反应行为，人们就能很轻易地用肉眼追踪不同状态下的光反应。

图1. 分子结构与多重可控的反应途径

作者精心设计了一种含有氰基苯的聚集诱导发光分子，并且展示了其在不同条件下多重可控的光反应路径。通过调节聚集态的形貌或者选择不同光源激发，他们设计的分子可以经历以下三种反应途径：（1）纯有机溶剂中可见光和加热控制的可逆顺反异构化；（2）含水量较低的有机和水混合溶剂中，紫外光促进的伴随明显荧光增强效应的光环化反应；（3）水溶液中，具有高度立体和区域选择性微晶辅助的光二聚反应。光环化和光二聚反应在稀溶液中都以几乎定量的方式完成，并且AIE的特性使他们能够通过吸收和发射两种模式来跟踪和可视化这两个反应的过程。结合AIE分子在可见光区具有较强的吸收以及微晶辅助二聚反应的机理，作者实现了日光灯下结晶过程中从单体到二聚体的几近定量转化。模型化合物研究和理论计算提供了深层次光二聚反应的途径和机理。基于具有高对比度荧光点亮的环化反应和荧光淬灭二聚反应，作者设计了光照前后具有明显信噪比增强的图案。这种简便高效的控制光反应途径的方式为后续构建智能的可视化多重发光材料提供了全新的思路。

相关研究结果发表在J. Am. Chem. Soc. 上，该课题组的博士后魏培发博士为论文的第一作者，唐本忠院士为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划（973）以及香港AoE、RGC等项目的资助。

该论文作者为：Peifa Wei, Jing-Xuan Zhang, Zheng Zhao, Yuncong Chen, Xuewen He, Ming Chen, Junyi Gong, Herman H.-Y. Sung, Ian D. Williams, Jacky W. Y. Lam and Ben Zhong Tang

Multiple yet Controllable Photoswitching in a Single AIEgen System

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 1966, DOI: 10.1021/jacs.7b13364