Angewandte：“舞光使色”，“氣”致發光

材料牛注：有機電致發光材料的研究近年來非常熱門，其高亮度、高效率、低壓驅動的特性非常適于工業應用。但今天介紹的材料并非電致發光，而是利用供給氣體經過特定反應過程發光，這種獨特的發光特性是如何實現的，又有怎樣的應用前景，請聽下文分解。

一個有效合成13,14-苉醌的反應過程（圖片來源：Dr. Hayato Ishikawa）

近日，一項由日本熊本、山口和大阪大學合作的研究發現一種新的反應路徑，可以僅用氧氣和氫氣就明顯改變某物質的顏色和熒光。該反應是一個綠色環保的反應，完全可逆且副產物只有水。除此之外，反應發光所需的能量并非來自光或電，而是加入其中的氣體本身，這很可能是未來轉換（物質）顏色和熒光特性的發展趨勢。這項技術除了可以監測氧氣或氫氣，也可用于有機發光二極管（OLED）和有機半導體的性能控制。

多環芳烴（PACs）被廣泛應用于熒光材料、半導體材料、有機電致發光設備和有機太陽能電池。在熊本大學進行的研究正是側重于在PACs中利用氣體本身化學能來實現分子開關的功能。特別地，他們將重點放在如何把氧氣作為氧化劑和把氫氣作為還原劑上。該大學的副教授Hayato Ishikawa說，他們需要找到一種能簡單的并在氧化還原反應中顯著地改變PACs光學性質的物質。具體地，他們選擇了在氫氧參與的氧化還原反應中表現出了最理想開關能力的PAC，并向其引入鄰二醌基團。

為了找到具有最優異的（光學）特性控制能力的候選物質，研究者們對一些含有鄰二醌的芳香族化合物使用計算機進行了模擬研究。理想分子充分展現出其熒光發出與猝滅，以及體系顏色有無間轉變的特性。

該變化過程中，氧化還原反應利用了氣泡中氣體的能量并改變了體系的光學性質。

（圖片來源：Dr. Hayato Ishikawa）

在計算模擬中，13,14-苉醌是最理想的候選物質。隨后，研究人員提出了一個利用市售石油原材料合成該化合物的方案。該方案的關鍵步驟是過渡金屬催化的偶聯反應和有機物催化的成環反應。這種合成手段同樣可以用于其他相似化合物和衍生物的制備。

將納米鈀催化劑添加到已合成的13,14-苉醌中，并向其中吹入氫氣。正如計算模擬所預測的，體系的顏色和熒光特性發生了顯著變化：體系從黃色變成無色，并開始發出藍色熒光。將氫氣替換為氧氣后，逆過程順利發生，體系重新回到原始狀態。

扭曲環張力和π共軛的分子結構使13,14-苉醌的光學性質（顏色及熒光）得以發生顯著改變。

（圖片來源：Dr. Hayato Ishikawa）

該技術有一個很明顯的環境優勢，其反應副產物僅有水。除此之外，合成PACs的每個過程中物質損耗都很少，這使其擁有優異的循環使用性能。熊本大學的合作研究者，副教授Masaki Matsuda說道，他們已經為這種分子技術設想了非常廣泛的應用場景。例如，將該分子薄膜置入惰性氣體保護的食品包裝材料中，只需用紫外光照射，即可判斷氧氣是否已經進入包裝，而無需拆開；有機半導體材料和OLED也將從這種利用氣體化學能改變光學性能的分子特性中受益。舉個例子，有機半導體可以通過這項技術改變其電學特性，OLED則能利用供應氣體實現開關功能。總之，該項技術的應用將數不勝數。

參考原文鏈接：Molecular switch for controlling color and fluorescence

該文章已發表在Angewandte，Redox Switching of Orthoquinone-Containing Aromatic Compounds with Hydrogen and Oxygen Gas

本文由編輯部王宇提供素材，梁嘉豪編譯，薛文嘉審核，點我加入編輯部。