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西工大孔杰《Macromolecules》:有機硼多色熒光引發劑/聚合物
2020-04-24  來源:高分子科技

  有機硼熒光化合物具有高摩爾消光系數、高熒光量子產率、可調吸收/發射波長及優異光穩定性,廣泛應用于生物成像及有機光電領域。目前研究多是在對氟硼二吡咯(BODIPYs)骨架結構上進行調整修飾,設計開發新穎的機硼骨架結構對于熒光化合物合成具有重要意義。最近,西北工業大學孔杰課題組在《Macromolecules》上發表了題為“N, N-Dimethyl-Substituted Boron Ketoiminates for Multicolor Fluorescent Initiators and Polymers”的論文,設計合成了含不對稱BF2結構的系列有機硼熒光化合物,通過取代基團改變可以實現溶液光學性質調節;該化合物可作為平臺骨架衍生設計成多色熒光ATRP引發劑、RAFT鏈轉移劑,制備的均聚物/共聚物同樣具有多色熒光特點,同時在化學組成、拓撲結構、組裝形態具有可調特性,在光學探測、熒光成像、光電器件等領域有著潛在應用前景。


  首先考慮到OBF2N的吸電子特性,在NBKI結構中引入供電子基團二甲氨基,有效地實現了電子離域,形成D-π-A結構。采用點擊化學對NBKI結構進行有效調節,進而調節NBKI的光學特性。通過系統研究取代基團結構與光學性能之間的關系,發現NBKI在溶液中有優異的熒光效率,隨著取代基的改變,可以實現熒光從藍色、綠色到橙色的調節(圖1)。


圖1 NBKI結構、合成過程及光學性能


  取代基團對熒光特性的調節機制與NBKI共振結構息息相關(圖2)。首先,在NBF2O部分存在著烯胺-酮式(I)和亞胺-醇式(II)兩種互變異構,考慮到缺電子特性,將供電子基團(N, N-二甲基)引入NBKI-3f的極化位置,由于電子離域作用可形成III和IV共振結構;共振結構IV構型有更高的穩定性,而不同的取代基團可以影響共振結構的穩定性,進而影響熒光分子在稀溶液中電荷分離和熒光效率。通過密度泛函理論(DFT)計算理論上進一步支持NBKI的光學行為和共振結構(圖2)。D-π-A結構的形成導致NBKI分子有較小的HOMO-LUMO軌道能量差 (Eg= 2.37eV),從而導致了吸收和發射波長的紅移。DFT計算表明NBKI具有更好平面結構,通過供電子基團的引入導致電子離域及共軛體系的擴大,從而獲得了優異的光學特性。


圖2 NBKI-3f共振結構、分子軌道及優化結構圖


  該化合物作為平臺骨架,可衍生設計多色熒光原子轉移自由基聚合(ATRP)引發劑。因此在完成了有機硼熒光小分子NBKI的合成及系統研究了結構與光學性能的關系之后,合成了系列用于ATRP聚合的熒光引發劑(i-NBKI 1-4)(圖3)。通過引發不同的聚合單體聚合,從而制備了具有不同化學組成和熒光特性的熒光聚合物,其中制備的PEG基熒光聚合物具有高效的熒光特性、良好的水溶性。


圖3 熒光引發劑i-NBKI 1-4和熒光聚合物結構及光學特性


  此外該化合物也可衍生設計多色熒光可逆加成裂解鏈轉移聚合(RAFT)鏈轉移劑。本文設計合成了RAF鏈轉移劑i-NBKI-5,使用AIBN做引發劑,分別與DBA-MA、PEG-MA聚合制備了兩親性熒光嵌段共聚物i-NBKI-5-P(DBA-PEG)。i-NBKI-5-P(DBA-PEG)可以在水中自組裝成窄粒徑分布納米膠束,可以發現由于膠束內部聚合物鏈段與發色團的相互作用,i-NBKI-5-P(DBA-PEG)在水中的吸收/發射波長相比于在有機溶劑中發生了明顯的紅移,但仍具有高效的發光效率。因此,該化合物可作為平臺骨架來衍生設計成系列多色熒光ATRP引發劑、RAFT鏈轉移劑及制備按需設計的多色熒光均聚物/共聚物,可以預期,在光學探測、熒光成像、光電器件等領域有著潛在應用前景。


  以上工作以“N, N-dimethyl Substituted Boron Ketoiminates for Multicolor Fluorescent Initiators and Polymers”為題發表在Macromolecules 上,楊東博士生和劉佩博士為論文共同第一作者,孔杰教授為通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金項目、陜西省杰出青年科學基金及陜煤聯合基金支持。


  論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.9b02633

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(責任編輯:xu)
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