平面化分子内电荷转移态及其在有机发光二极管中的潜在应用

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摘  要

相对于常见的扭曲的分子内电荷转移态(TICT),平面化分子内电荷转移态(PLICT)通常具有相对较好的平面性,有利于促进荧光发射过程。最近,唐本忠教授团队发现四苯基吡嗪(TPP)衍生物在其激发态易于形成醌式构象并诱导分子发生平面化,这一过程导致此类化合物具有PLICT性质。与众所周知的分子内电荷转移不同,增强给体部分的供电子能力并不会抑制平面化分子内电荷转移。理论计算结果表明,这类化合物的平面化过程几乎不需要能量损耗;相反,若结构变成扭曲的垂直构象,则需要消耗较多能量。在极性溶剂中,平面化过程的能量消耗可以进一步降低,而变成垂直结构所需的能量会增加。此外,在分子激发前后,其前线轨道的分布发生规律性变化。基于这一特点,平面化分子内电荷转移型材料将在有机发光二极管上有潜在的应用前景。


 


研究背景

近年来,具有分子内电荷转移的有机材料被广泛地研究与应用于有机发光二极管、光伏器件、非线性光学元件以及化学传感器等领域。然而,大部分的分子内电荷转移态由于其扭曲结构降低了前线轨道的重叠,不利于发射荧光,被称为扭曲分子内电荷转移(Twisted Intramolecular Charge Transfer, TICT)。与之相比,平面化分子内电荷转移(Planarized Intramolecular Charge Transfer, PLICT)凭借有效的轨道重叠赋予了材料高效率的荧光。





本文亮点


在已报道的关于四苯基吡嗪(TPP)结构的研究工作中,唐本忠教授团队发现了TPP在激发态下,其吡嗪环与周围的苯环间键长和二面角变小,具有形成醌式构象的趋势,从而诱导整个分子发生平面化过程,因此表现出与大多数D-A型分子不同的溶剂化现象——TPP类分子随着外界溶剂极性增加,其荧光效率逐渐增强。于是,唐本忠教授团队提出了一种简单可行的分子策略来构筑具有PLICT性质的分子——利用四苯基吡嗪激发态醌式构象诱导分子平面化(Excited States Quinone-conformation Induced Planarized, ESQIP)。

本文选择3个已被报道TPP衍生物(TPP-PhCTPP-3CTPP-TPA,这3个已报道化合物具有尺寸大小相近但强度不同给体)来简单地探讨给体供电子性的强弱对PLICT现象的影响。光谱测试表明,这3个化合物确实表现出随着溶剂极性增强,其荧光光谱逐渐发生红移且发光效率上升的现象。理论计算结果也证实了结构的平面化过程并且具有形成醌式结构的趋势;同时,在极性的DMF环境下,分子的结构具有更加平面性,从而导致其发光效率更高。


通过计算其D-A的势能面曲线发现,TPP-PhCTPP-3CTPP-TPA在甲苯溶剂中,扭转至垂直结构时的能量消耗分别为23.8333.0235.95 kJ/mol,说明扭转结构需要消耗较多的能量;而在DMF中,TPP-PhCTPP-3CTPP-TPA对扭转的能量需求分别上升到了25.0837.2038.04 kJ/mol,这意味着在极性溶剂中需要浪费更多的能量。相反,TPP-PhCTPP-3CTPP-TPA的平面化过程仅消耗2.051.291.96 kJ/mol,低于环境可以提供的2.51 kJ/mol。此外,TPP-PhCTPP-3CTPP-TPADMF溶剂中的能量消耗分别降低到1.710.460.84 kJ/mol。这意味着平面化过程几乎不消耗能量,且平面构象比垂直构象更稳定。因此,这些分子在激发态时倾向于相对平面构象,并且在极性环境中,这种平面化过程更容易发生。此外,在基态中,它们的HOMO主要分布在电子给体和相邻的苯环上,而LUMO主要分布在TPP这一受体上,这种较为显著的HOMO/LUMO分离(可为其提供良好的载流子注入和传输性能);分子受激发后,HOMOLUMOTPP上有较大的重叠,这较大且有效的轨道重叠会有利于荧光的发射。这些特殊前沿轨道分布可能适合于设计OLED发光材料。




结  论


综上所述,TPP衍生物无论是连接弱给电子性的N-苯基咔唑还是强给电子性的三苯胺基团,都具有PLICT特征,证明TPP可能是一类构筑PLICT性质的有效单元。借助量子化学计算,几乎没有能量损耗的ESQIP过程为这三个TPP化合物提供PLICT过程的驱动力;且在极性溶剂中,这些分子倾向于变得更加平面,并发射较强的荧光。此外,这类PLICT分子在基态上呈现出分离的前线轨道分布,这将有利于电致发光过程中电荷的注入与传输;而在激发态时,展现出较大的HOMO/LUMO重叠,也将有利于分子的辐射跃迁过程——这种前线轨道分布的变化可能是为良好的电致发光性能材料设计提供一个新的思路。

 


文章详情


Uncommon Intramolecular Charge Transfer Effect and Its Potential Application in OLED Emitters 

WU Haozhong, LUO Juanjuan, XU Zeng, 

WANG Zhiming*, MA Dongge, QIN  Anjun 

and TANG Ben Zhong* 

Chemical Research in Chinese Universities, 

2020, 36(1),doi: 10.1007/s40242-019-0032-3




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