可見(jiàn)光和近紅外刺激響應(yīng)的光轉(zhuǎn)換由于其光毒性小和穿透深度大等優(yōu)點(diǎn)而被深入研究并大量應(yīng)用。腙類(lèi)分子被廣泛用于藥物遞送、能量?jī)?chǔ)存等方面。與腙類(lèi)相關(guān)的分子azo-BF2是第一例被發(fā)現(xiàn)具有近紅外光激發(fā)性質(zhì)的偶氮苯化合物。研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)腙類(lèi)分子在水溶液中會(huì)發(fā)生水解且順式異構(gòu)體的反應(yīng)速率要快。然而,目前對(duì)于該反應(yīng)發(fā)生的機(jī)制仍然不清晰。本文中,作者發(fā)現(xiàn)了azo-BF2分子(trans-1)轉(zhuǎn)變?yōu)锽F2-腙(BODIHY)的有趣現(xiàn)象(Figure 1)。該過(guò)程伴隨著明顯的顏色變化,在室溫溶液中即可發(fā)生,固態(tài)狀態(tài)下的分子在加熱338 K時(shí)會(huì)表現(xiàn)為順式。此外,高溫(> 373 K)會(huì)使溶液和固態(tài)中的異構(gòu)體轉(zhuǎn)變?yōu)殡?,該過(guò)程同時(shí)也伴隨著明顯的顏色變化。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)解釋了反式和順式異構(gòu)體的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以及電子效應(yīng)對(duì)反應(yīng)的影響。最后,作者驗(yàn)證了分子的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜的多重刺激響應(yīng)發(fā)光性質(zhì)。下載化學(xué)加APP到你手機(jī),收獲更多商業(yè)合作機(jī)會(huì)。

Figure 1.化合物可能的反應(yīng)途徑
(圖片來(lái)源:J. Am. Chem. Soc.)作者研究了化合物1在二氯甲烷溶液中的光異構(gòu)化特性。借助1HNMR和19F NMR譜圖解釋了trans-1的二氯甲烷溶液為何在室溫黑暗環(huán)境中放置六天后顏色由紫色變?yōu)殚偕‵igure 2a,b)。通過(guò)與所制備的化合物2的譜圖進(jìn)行對(duì)比可知該過(guò)程伴隨著trans-1到2的1,2-BF2移位。當(dāng)樣品在低溫(253 K)或者室溫固態(tài)下的NMR則沒(méi)有明顯變化。當(dāng)加熱至338 K時(shí),化合物固態(tài)中的該過(guò)程被“激活”因而表現(xiàn)出明顯的顏色變化和紫外光譜的明顯位移(Figure 2c,d),化合物1旋涂膜的吸收峰最大值由594 nm變化到484 nm。此外,該過(guò)程還導(dǎo)致出現(xiàn)了熒光峰中心位于665 nm的新譜帶,再次證實(shí)了化合物2的形成。
Figure 2. trans-1在加熱前后的(a)1HNMR和(b)19F NMR;(c)trans-1在自然光和紫外光照射下的照片;(d)化合物1在加熱至338 K時(shí)的吸收和發(fā)射光譜。(圖片來(lái)源:J. Am. Chem. Soc.)
為了深入了解1,2-BF2移位的發(fā)生機(jī)制,作者進(jìn)行了密度泛函(DFT)理論計(jì)算。氧孤對(duì)電子首先攻擊溴的p軌道從而取代氮。該過(guò)程引起的構(gòu)型或者構(gòu)象的改變會(huì)使偶氮的孤對(duì)電子首先攻擊溴的p軌道從而取代氧(Figure 3)。以上結(jié)果表明trans-1比cis-1更加具有熱力學(xué)穩(wěn)定的特征。同時(shí),相比于cis-1,trans-1更傾向于形成化合物2,勢(shì)壘更低。此外,為了確認(rèn)氧的孤對(duì)電子對(duì)1,2-BF2移位的重要影響,作者用氫原子或者甲基基團(tuán)取代了甲氧基基團(tuán)分別得到了化合物trans-4和trans-5。計(jì)算結(jié)果表明trans-1、trans-4和trans-5在TS2a能級(jí)的DG?分別增加至25.3 kcal mol?1、39.5 kcal mol?1和40.5 kcal mol?1。以上差異也表明甲氧基能夠降低1,2-BF2移位的DG?。此外,作者又研究了化合物trans-4和trans-5在室溫和338 K下的熱穩(wěn)定性。NMR圖譜也進(jìn)一步說(shuō)明在以上兩種化合物中并沒(méi)有觀察到1,2-BF2移位的現(xiàn)象。
Figure 3. (a)trans-和cis-1中1,2-BF2移位的發(fā)生機(jī)制;(b)化合物1,4和5的DG? 比較。
(圖片來(lái)源:J. Am. Chem. Soc.)最后,如Figure 4所示,為了利用1的多刺激和多色性能,研究者使用轉(zhuǎn)1作為交聯(lián)劑,在室溫下固化制造一個(gè)三葉草狀的PDMS聚合物薄膜。新英格蘭的植被因光強(qiáng)度和溫度變化而改變顏色,展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。從光開(kāi)關(guān)trans-1開(kāi)始,利用紅光和熱量選擇性地觸發(fā)聚合物中不同的反應(yīng)途徑,得到了一個(gè)自適應(yīng)的多色(紫色、粉色、橙色和黃色)三葉草。PDMS薄膜在各種開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的UV-可見(jiàn)吸收光譜與trans/cis-1,2和3在溶液中的一致,揭示了在PDMS薄膜中也發(fā)生了一樣的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。
Figure 4. trans-1的PDMS薄膜的多重刺激響應(yīng)特征 (圖片來(lái)源:J. Am. Chem. Soc.)