一价铜磷光配合物的设计合成、结构与性能研究

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一价铜配合物因其低廉的价格、结构的多样化,丰富而独特的光化学和光物理性质而引起世界各国科学家的广泛关注,成为近年来配位化学领域中非常活跃的研究课题,并已在光电器件、分子器件、太阳能转换、光学传感器、非线性光学等领域表现出了诱人的应用前景。本文从氮配体选择入手,在分子设计和发光预测指导下,精心设计合成了三类具有良好配位性能的不对称氮杂环螯合配体,设计并合成得到了系列化的一价铜发光配合物,通过X-射线单晶衍射仪器和核磁共振光谱的测定,确定和分析了配合物的结构,并通过紫外-可见吸收光谱、荧光光谱等手段探讨了电荷跃迁的类型,发光机理和发光性能。主要结果如下:1、利用常见的双齿氮配体2,2′-联吡啶,设计合成了其衍生物6-氰基-2,2′-联吡啶(cbpy),并得到了它的不同卤素辅助配体的Cu(I)配合物:[Cu(cbpy)(PPh3)I](1)、[Cu(cbpy)(PPh3)Br](2)和[Cu(cbpy)(PPh32](ClO4)(3),并对这三种配合物进行了结构和性能表征。结果表明,这些配合物的中心Cu(I)离子都是采用四配位的几何构型。配合物1、2的晶体结构中,两个氮配体cbpy是平行的,两个平面之间的距离分别约为3.48、3.62,表明两个氮配体之间存在弱的π···π作用;配合物3弱的π···π作用只在cbpy的两个平行的吡啶环之间,且两平面间的距离为3.48。配合物1和2的发光来源于中心金属铜离子到配体的MLCT电荷转移跃迁和一些卤素到配体的XLCT电荷转移跃迁,配合物3的发光来源于中心金属铜离子到配体的MLCT电荷转移跃迁;2、设计合成了含NH功能基的2-(2-苯并咪唑基)-6-甲基吡啶,并反应得到了含不同卤素辅助配体的一系列Cu(I)配合物:Cu(Hbmp)(PPh3)I (4)、Cu(Hbmp)(PPh3)Br (5)和Cu(Hbmp)(PPh3)Cl (6),并对这三种配合物进行了结构和性能表征。结果表明这些配合物的中心Cu(I)离子都是采用四配位的几何构型;辅助配体卤素的改变对Cu-Nimidazolyl的键长几乎没有影响,但对Cu-Npyridyl的键长影响较大,说明卤素对氮配体Hbmp上的吡啶环上的电子密度分布有较大影响。在配合物中相邻分子的Hbmp配体之间的间距较短,位于3.2-3.5之间,远小于芳香环发生有效π···π作用的最大间距(3.8),这表明相邻的Hbmp配体之间存在弱的π···π作用,同时,也注意到,两分子间NH···X氢键的距离分别为2.728、2.460和2.374,表明分子间存在弱的氢键作用。结合DFT量化计算结果,它们的发光主要来源于金属铜中心到配体的MLCT电荷转移跃迁和配体到配体的LLCT(包括X/PPh3→Hbnm)电荷转移跃迁;3、设计合成了三个含有NH功能基的1,2,4-三氮唑衍生物螯合配体,3-叔丁基-5-(6-甲基吡啶基)-1,2,4-三氮唑、3-叔丁基-5-吡啶基-1,2,4-三氮唑和-三氟甲基-5-吡啶基-1,2,4-三氮唑,反应得到4种含有卤素和膦辅助配体的Cu(I)配合物:Cu(bptzH)(PPh3)I (7)、Cu(bptzH)(PPh3)Br (8)和Cu(bptzH)(PPh3)Cl (9) Cu(bmptzH)(PPh3)I (10)和4种仅含膦辅助配体的Cu(I)配合物:[Cu(bptzH)(PPh32][ClO4](11)、[Cu(fptzH)(PPh32][ClO4](12)、Cu(fptz)(PPh32(13)和[Cu(bptzH)(dppe)][ClO4](14),并对这8种配合物进行了结构和性能表征,探讨了氮杂环螯合配体上取代基变化和不同辅助配体(卤素和膦配体)以及酸碱性对Cu(I)配合物分子结构和发光性能的影响。结果表明这些配合物中的中心Cu(I)离子都是采用四配位的几何构型,卤素配体的改变对配合物7-9的Cu-Npyridyl键的键长和Cu-Npyridyl的键长都有一些影响,说明卤素对整个氮配体都有影响,而非只对1,2,4-三氮唑环或吡啶环的电子密度分布有影响。配合物12和配合物13是对应的离子型和中性的Cu(I)配合物,与配合物12相比,配合物13的1,2,4-三氮唑环的构型发生了翻转,配合物13的Cu-Npyridyl键的键长(2.207(2))要远大于Cu–Ntriazolyl键的键长(2.016(2)),说明1,2,4-三氮唑上NH的去质子化有重要作用。含卤素化合物7–10固态发光都来源于中心金属铜离子到配体的MLCT电荷跃迁和部分的卤素到配体的XLCT电荷跃迁以及一些三苯基膦到配体的LLCT电荷跃迁;含膦辅助配体的化合物11–14的溶液发光都来源于金属Cu(I)到配体的MLCT电荷跃迁和膦配体到配体的LLCT电荷跃迁。
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