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有机固体发光材料在固态光化学基础学科和光电子器件领域有着举足轻重的应用价值，因而一直是材料领域的研究热点。虽然绝大多数有机荧光材料在稀溶液中具有强的荧光发射，但当其处于浓度较高的溶液或固态时就会形成了诸如强的分子间π-π作用、激基复合物或H-聚集体等，导致荧光强度急剧下降甚至完全淬灭，即产生“聚集态荧光淬灭(Aggregation-Caused Quenching，ACQ)”效应。因为大部分器件都要求发光材料的使用必须是在薄膜或者晶态下，所以这种ACQ效应大大限制了有机发光材料在光电器件方面的发展。因此，设计与探索高效固态荧光材料具有十分重要的理论和实践意义。
近年来的研究发现，除了在分子中引入大体积取代基、错位平行偶极堆积（J-聚集）及聚集态诱导发光等常用方法外，还可以通过在分子共轭体系中引入极度扭折或非平面的构型来有效改善固态荧光淬灭现象。而具有特殊刚性、立体Λ-型扭转构型的Tr(O)ger's Base(TB)类化合物，理论上其空间位阻作用在分子堆积时不利于形成易引起“固态荧光淬灭”的π-π密堆积，可以有效改善由π-π密堆积引起的固态荧光淬灭现象。针对上述问题，我们课题组成功地开发了一系列兼具大π共轭芳香侧翼（芴基，蒽基）或吡啶盐的高效固态发光的TB类化合物，并将其成功地应用在了有机电致发光和蛋白质检测领域，验证了分子设计的正确性。然而，基于TB的光电功能材料的发展才刚刚起步，材料的种类还有待于丰富、结构与性能的关系仍需深入探讨，其在有机光电材料及器件领域的应用也需进一步探索。基于以上考虑，本论文以电致发光、荧光传感、离子识别与检测等功能为导向，从有机光电材料分子设计的角度出发，选择Λ-型TB骨架为分子的基本框架，将具有多功能性质的有机硼化合物引入其中，设计合成了一系列具有溶液与固态强荧光性质的Λ-型硼类有机光电功能材料，详细研究了这类化合物的光物理性质和结构特性，分析讨论了结构与性能之间的关系，初步探索了其在阴离子探针领域的应用前景。主要研究内容如下:
1.新型固态发光的Λ-型BODIPY化合物的晶体结构及固态荧光性质研究我们报道了一种新的有效提高BODIPY类荧光物质固态荧光量子效率的设计策略，通过在BODIPY分子中引入扭折的Λ-型TB骨架来抑制π共轭平面之间的π-π密堆积，从而达到改善固态荧光淬灭现象，提高固态荧光强度的目的。在此策略的基础上，我们合成了一类新型Λ-型TB-BODIPY化合物2，8-二(1，3，5，7-四甲基-氟硼二吡咯)-6H,12H-5，11-甲基二苯[b，f][1，5]二氮芳辛(DFTMB)和2，8-二(2，6-二乙基-1，3，5，7-四甲基-氟硼二吡咯)-6H,12H-5，11-甲基二苯[b，f][1，5]二氮芳辛(DFDEB)。这两个化合物在溶液和聚集态下均发射强荧光，通过晶体结构分析发现，分子在堆积时，相邻BODIPY平面间不存在经典的π-π密堆积，且两个化合物由于取代基不同而表现出截然不同的堆积形式，因而重叠程度最大的近平行BODIPY平面间的距离分别为16.98(A)(DFTMB)和13.26(A)(DFDEB)，说明DFTMB晶体中分子间相互作用力更弱，这与它们的粉末荧光光谱红移现象一致，即DFDEB的多晶粉末荧光峰相对其溶液的红移程度(103 nm)大于DFTMB(85nm)。此外，通过比较这两个化合物与其它固态强荧光的BODIPY衍生物的粉末荧光光谱，我们发现基于Tr(o)ger's Base的Λ-型BODIPY化合物具有更强的固态荧光，证明了将具有扭折构型的Λ-型TB骨架引入到BODIPY母体结构上，相对于在分子中修饰大体积取代基来说，是一种更有效地提高BODIPY化合物固态荧光效率的策略。
2.具有双发射性质的Λ-型三芳基硼烷受具有特殊双发射性质的U-和V-型三芳基硼烷的启发，并结合Tr(o)ger's Base的结构特点——刚性的Λ-型扭折构型，我们以非共轭Λ-型TB骨架为连接桥，合成了一系列同时包含电子给体和受体（2-(4-N，N-二甲基苯胺)-8-二米基硼基-6H,12H-5，11-甲基二苯[b，f][1，5]二氮芳辛(TBBN)和2-(4-N，N-二苯基苯胺)-8-二米基硼基-6H,12H-5，11-甲基二苯[b，f][1，5]二氮芳辛(TBBN2))，或者只含有电子受体(2，8-二(二米基硼基)-6H,12H-5，11-甲基二苯[b，f][1，5]二氮芳辛(TBB))或给体(2，8-二(4-N，N-二甲基苯胺)-6H,12H-5，11-甲基二苯[b，f][1，5]二氮芳辛(TBNN))的Λ-型三芳基硼化合物。前三个化合物在溶液和固态下均发射荧光，晶体结构分析表明这主要贡献于扭折的Λ-型TB骨架和二米基硼基团的位阻效应。同时，Λ-型TB骨架为胺基和二米基硼基团提供了空间独立的非共面构型，使得具有D-A构型的TBBN和TBBN2的HOMO、LUMO能级分别定域在电子给体和受体侧翼上，分子内D-A电荷转移更倾向于通过空间发生而不是通过Λ-型TB骨架，因此其荧光光谱都表现出双发射性质:D-A间的空间电荷转移发射和胺基上的π-π*跃迁发射，但前者的跃迁振子强度f较低（分别为0.0194，0.0055），不利于高量子效率荧光产生，故这两个化合物在溶液中的荧光比较弱。而具有D-π-A构型的TBB分子表现出明显的分子内电荷转移发射峰，其最低电子跃迁对应于分子内TB骨架的N中心到二米基硼基团的B中心的电荷转移，且具有较高的跃迁振子强度(f=0.2215），因此在溶液中表现出较强的荧光发射。
3.具有空间电荷转移发射的Λ-型三芳基硼烷作为氟离子、氰离子荧光探针的应用研究将上述具有特殊双发射性质的化合物TBBN、TBBN2及参比化合物TBB应用到氟离子和氰离子的检测领域，并探索了其与氟离子相互作用的机理。实验结果表明，当TBBN和TBBN2分子中的硼原子与F-或CN络合后，双发射途径中的D-A空间电荷转移发射被破坏，使得胺基的π-π*跃迁发射成为最低电子跃迁发射，引起溶液的发射光谱和荧光颜色显著变化，其中发射峰显示出72～140 nm的蓝移，且结合离子后两处波长的荧光强度比值差两三个数量级，表明这类化合物可以用作高灵敏度的氟离子和氰离子“switch-on”型比率、比色荧光探针。而只含有二米基硼的TBB则表现为“switch-off”型荧光探针的性质。我们通过将Λ-型TB骨架引入到三芳基硼化合物中，开发了一种有效设计高选择性、高灵敏度的阴离子比率、比色荧光探针的方法。