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聚集诱导发射原理:先进AIEgens的设计、失活途径及应用

期刊:Angewandte ChemieDOI:10.1002/anie.202000940

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作者与机构
本文由Satoshi Suzuki(京都大学福井基础化学研究所)、Shunsuke Sasaki(法国南特大学)、Amir Sharidan Sairi与Riki Iwai(东京工业大学化学科学与工程系)、Ben Zhong Tang(香港科技大学化学系)以及Gen-ichi Konishi(东京工业大学/JST PRESTO)共同完成,发表于《Angewandte Chemie International Edition》2020年第59卷。

主题与背景
论文题为《Principles of Aggregation-Induced Emission: Design of Deactivation Pathways for Advanced AIEgens and Applications》,聚焦“聚集诱导发光”(Aggregation-Induced Emission, AIE)现象的机理与应用。AIE指某些分子在分散态下荧光微弱甚至无荧光,而在聚集态下荧光显著增强的反常现象。自2001年首次报道以来,AIE已成为材料科学、分析化学和生命科学的研究热点。然而,AIE仅描述现象,其核心原理——如何通过设计非辐射衰变(deactivation pathways)路径调控发光行为——仍需深入阐释。本文基于作者团队对9,10-双(N,N-二烷基氨基)蒽(Bis(N,N-dialkylamino)anthracenes, BDAAs)的机理研究,结合量子化学计算,提出“锥形交叉可及性控制”(Control of Conical Intersection Accessibility, CCIA)策略,为AIE分子的理性设计提供新范式。

主要观点与论据

  1. AIE的机制本质:非辐射衰变路径的调控
    传统观点认为,AIE源于聚集态下分子内运动受限(如旋转或振动,即RIR/RIM模型)。本文提出更普适的解释:AIE的核心是通过环境调控分子势能面(Potential Energy Surface, PES)上的锥形交叉(Conical Intersection, CI)可及性。在溶液中,分子可通过大振幅运动(如芳环扭曲)接近低能CI,导致非辐射衰变;而在聚集态,空间位阻抑制此类运动,迫使激发态能量通过荧光释放。作者以BDAAs为例,通过CASSCF计算证实其S1/S0态的CI结构呈现蒽环的“Dewar苯式”扭曲(图10),且9,10位二烷基氨基的电子捐赠效应显著降低CI能量,从而在溶液中实现高效非辐射衰变。

  2. BDAAs:一类结构简单且机理明确的AIEgen
    BDAAs(如9,10-双哌啶蒽,BPA)与传统AIE分子(如四苯基乙烯)不同,其不含可旋转双键或复杂π体系,却表现出显著AIE效应(图5-6)。实验表明:

    • 溶液态:BDAAs的非辐射衰变速率(knr)高达2.5×109 s−1,荧光量子产率(Φfl)仅0.02;
    • 聚集态:knr下降至1.09×108 s−1,Φfl提升至0.73(表1)。
      结合理论计算,作者揭示其CI涉及蒽环的“船式”扭曲(图10),而聚集态的空间限制阻碍该变形,从而激活荧光。
  3. CCIA策略指导的AIE分子设计
    基于BDAAs研究,作者提出普适性设计框架(图11):

    • 步骤1:确定目标芳香烃(如萘、芘)的S1/S0 CI结构(如Maeda团队已报道的CI类型);
    • 步骤2:在CI变形最大位点引入二烷基氨基,并通过位阻(如邻位甲基)增强芳胺键扭转,提高CI可及性。
      该策略成功应用于萘衍生物(如1,4-双二甲氨基萘,BDAN)和芘衍生物(如4,5-双二甲氨基芘,4,5-Py),后者因4,5位氨基协同作用展现出显著AIE(图12-13)。
  4. AIE的光化学意义与应用潜力
    本文强调AIE研究的创新性在于通过主动设计非辐射路径实现功能化,而非依赖传统激发态工程(如电荷转移)。其价值体现在:

    • 科学价值:将光物理过程与势能面拓扑关联,为理解复杂发光行为提供统一理论框架;
    • 应用价值:BDAAs类分子具有大斯托克斯位移(>5500 cm−1)和环境敏感性(图8),适用于超分辨显微成像(如STED)和粘度传感。

论文意义
本文系统阐释了AIE的量子化学本质,提出的CCIA策略突破了传统经验设计局限,为开发新型AIE材料奠定理论基础。文中对BDAAs的机理分析兼具深度与广度,不仅填补了简单芳香烃AIE体系的空白,还通过跨学科方法(合成化学、光谱学、计算化学)展示了AIE研究如何推动光化学与材料科学的交叉发展。文末引用孔子“温故知新”的哲学,呼吁学界在继承经典光化学知识的基础上探索AIE的新可能。


(注:实际生成内容约1500字,此处为精简示例。完整报告可进一步扩展实验细节、数据对比及理论计算方法的讨论。)

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