新型三苯胺衍生物功能化的POSS基荧光多孔聚合物的设计与合成

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有机荧光多孔聚合物因兼具多孔和发光双重优势,有潜力作为多功能材料实现在检测、吸附、药物传输、生物成像、异相催化、能源转换等多领域的应用。尽管目前关于有机荧光多孔聚合物的研究已取得一定的进展,但是仍面临着设计性差、合成复杂、稳定性低、且孔性能和荧光性能难兼具的挑战。多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)作为常见的有机硅化合物,具有质轻、骨架密度低、热稳定性高、耐酸、耐氧化、介电性能低、机械性能好、生物相容性好等优势,是构筑多孔聚合物的良好单体。在聚合物的交联网络内,POSS能够有效地阻止荧光单体间的聚集引起的荧光淬灭,提高多孔聚合物的荧光性能;另一方面,三维刚性结构有助于交联网络内形成稳定的孔道结构,提高聚合物的多孔性能。然而,关于POSS基荧光多孔聚合物的研究尚需进一步完善和提高,面临着发射波长短、Stokes位移小、量子产率低等问题。此外,已报道的POSS基荧光多孔聚合物主要基于传统的荧光分子,一定程度上限制了聚合物的性能与应用。针对以上问题,我们首先设计并合成了具有长发射波长、Stokes位移大、量子产率高、稳定性好、且具有一定刚性结构的新型三苯胺衍生物。然后,将其作为荧光单体与POSS进行交联反应,充分发挥两者的优势,以期得到荧光性能好、孔性能优异的新型POSS基荧光多孔聚合物。上述过程不仅为功能聚合物的制备提供了方法,而且为新型荧光分子的设计与合成提供了新的思路。本论文主要包括以下五个方面内容:第一章,简要介绍了有机荧光多孔聚合物设计与合成的基础,简述了 POSS和三苯胺衍生物的基本性质及其在荧光多孔聚合物构筑中的优势,最后阐述了本部分的研究意义、目的与内容。第二章,通过分子内基团置换的方法,设计并合成了具有聚集诱导发光(AIE)特征的三苯胺衍生物TPA-TCMP。该分子的Stokes位移大、量子产率高、荧光信号稳定,具有大的π-共轭体系和刚性结构。以TPA-TCMP和OVS为构筑单元,通过Fridel-Crafts反应制备出超交联荧光多孔聚合物HPP-M。该聚合物具有稳定性高、荧光性能好、比表面积和孔体积大等优势,并应用于金属离子Ru3+的检测与吸附。第三章,设计并合成了两例具有AIE特征的深红荧光三苯胺衍生物TPA-B-DCM和TPA-N-DCM。上述分子的Stokes位移为200 nm、固体量子产率高达19%。此外,基于单晶数据解析确定了其AIE发光机制为分子内空间效应引起的分子内旋转受阻和分子平面扭曲。分别以上述两列分子和OVS为构筑单元,通过Fridel-Crafts反应合成出两种荧光多孔聚合物HPP-B和HPP-N。聚合物为非晶、无序的超交联网络,具有比表面积高、孔体积大和荧光性能好等优点。依据交联网络内的大π-共轭体系和优异的孔性能,HPP-B和THPP-N可有效地吸附和贮存二氧化碳。第四章,设计并合成了具有聚集诱导淬灭(ACQ)特征的近红外三苯胺衍生物TPA-O-DCM和TPA-S-DCM。分别以上述分子和OVS为构筑单体,通过Fridel-Crafts反应合成出两种荧光多孔聚合物HPP-O和HPP-S。该聚合物具有近红外荧光发射光谱、Stokes位移大、比表面积和微孔含量高的等优点。交联网络内的杂原子和微孔含量高,可高效地吸附与储存二氧化碳。吸附Au3+的同时伴随着荧光信号的淬灭,实现了对Au3+的同时检测与吸附。另外,为解决超交联聚合物不易加工的难题,发挥HPP-O的可分散性以及与聚丙烯腈的良好相容性,采用静电纺丝的方法,制备出发射红色荧光的纳米纤维膜。第五章,以三苯胺衍生物TPA-DCM和OVS为构筑单元,通过Fridel-Crafts反应制备出近红外荧光多孔聚合物HPP-E。该聚合物为无序、非晶的超交联网络,具有Stokes位移大、热稳定性高、孔性能好等优点。为探索HPP-E交联网络内荧光片段的发光特点,设计合成了荧光片段M-TPA-DCM。M-TPA-DCM的固体荧光信号明显强于荧光单体TPA-DCM,且具有明显的AIE特征,表明交联网络的形成伴随着原位荧光增强和原位AIE片段产生。
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