螺旋取代聚炔圆偏振发光材料研究进展

圆偏振发光(CPL)材料凭借其独特的光物理特性, 在3D显示、防伪、生物成像、不对称催化等领域展现出巨大的应用潜力. 通常, 手性和发光组分的同时存在是实现CPL的必要条件. 螺旋取代聚炔的手性放大效应赋予其强烈的光学活性, 且主链的动态螺旋结构使其具有刺激响应性, 因而在构筑CPL材料方面具有显著的优势. 本文依据手性和发光组分之间相互作用方式的不同, 系统地综述了螺旋取代聚炔CPL材料的构筑方法和手性光学性能, 并介绍了其在手性传感、防伪和光电器件方面的应用. 最后, 探讨了该领域当前的挑战和未来的发展前景.

手性是生命物质中普遍存在且迷人的特征, 自然界中的氨基酸、DNA、蛋白质、多糖等生物(大)分子则是最好的例证, 它们通常具有功能复杂的多层次手性结构. 受此启发, 人工设计的手性材料在不对称催化、手性分离、手性传感等领域显示出广泛的应用前景. 具体而言, 研究人员从手性物质的光物理性质方面进行了深入的研究, 包括圆二色性(circular dichroism, CD)和圆偏振发光(circularly polarized luminescence, CPL), 它们分别提供物质在基态和激发态下的手性信息. 其中, 具有CPL性质的手性光学材料因在3D显示、安全加密、光电器件、不对称合成等领域展现出巨大应用潜力, 引起了手性相关领域科研工作者广泛的兴趣. 在过去十年里, 基于金属配合物、无机纳米材料、有机小分子、超分子组装体、螺旋聚合物等体系的CPL材料得到了蓬勃发展. 其中, 以聚炔、聚异腈、聚喹喔啉等为代表的螺旋聚合物不仅具有高稳定性、易加工性的优点, 同时其主链所特有的螺旋手性使得这类材料在构筑高性能CPL材料方面具有突出优势.

螺旋取代聚炔是一类主链为单双键交替结构的动态螺旋聚合物, 根据主链氢原子被取代个数的不同, 可分为单取代聚炔和双取代聚炔. 依据侧基的不同, 又可分为聚炔丙酰胺类、聚苯乙炔类、聚炔丙磺酰胺类等. 主链立构规整度的控制对于实现稳定的螺旋构象尤为重要, 影响因素包括侧基的空间位阻以及侧基之间的分子内氢键等. 当通过共价键或非共价键的方式在侧基引入手性基团时, 在一定条件下可获得单一旋向占优的螺旋结构, 即赋予螺旋取代聚炔强烈的光学活性, 使其表现出手性放大效应. 此外, 外界条件如温度、溶剂、pH等的改变也可赋予此类螺旋聚合物有趣的刺激响应性. 螺旋聚炔的上述特点使其在构筑新型CPL材料方面具有重要前景. 目前, 根据手性组分和发光组分间相互作用方式的不同, 螺旋取代聚炔CPL材料的构筑方法可分为以下三类: (1)共价键相互作用; (2)非共价键相互作用; (3)无共价键/非共价键相互作用.CD和CPL光谱是研究手性发光材料的重要手段.

本文系统地综述了螺旋取代聚炔CPL材料的最新研究进展, 总结了此类CPL材料的制备策略, 包括共价键相互作用、非共价键相互作用以及无共价键/非共价键相互作用(图1). 介绍了螺旋聚炔CPL材料在光电器件、防伪、手性传感等方面的应用. 需要指出的是, 制备策略与这些应用领域没有严格的对应关系, 也就是说, 通过相同策略制备的CPL材料可以用于多个应用领域. 最后, 展望了该研究领域相关的挑战和前景.

图 1 螺旋取代聚炔CPL材料的制备及应用

本文收录于2024年第8期“手性发光材料专刊”.