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4, 4'-二甲氧基三苯胺取代偶氮苯开关分子的设计合成、电化学及光化学性质研究
English
4, 4'-Dimethoxy-triphenylamine Conjugated Azobenzene Photochromic Switches:Synthesis, Electrochemical and Photoisomerization Studies
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Key words:
- triphenylamine
- / azobenzene
- / photoisomerization
- / redox
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随着对光电功能材料的需求不断增加, 设计性能优良的多功能开关分子备受关注[1].其中具有可修饰性高、耐疲劳度高的偶氮苯基团成为了最广泛使用的光开关单元, 在分子器件、信息存储等方面有重要的意义[2].在偶氮苯骨架中引入氧化还原基团, 结合电化学和光化学两种功能基团, 进一步丰富和拓展了开关分子的应用前景.目前有关含氧化还原中心偶氮苯开关分子的研究主要集中在含金属偶氮苯化合物[3], 对于以有机基团为氧化还原中心的偶氮苯开关分子的研究还比较少.含金属偶氮苯开关分子通常存在基于金属中心的重原子效应以及非辐射跃迁途径[4], 导致光致异构化过程的量子产率较低.若将具有氧化还原中心的金属单元替换为类似功能的有机基团, 则在光致异构化过程中的量子产率有望得到大大提高[5].
非平面结构的三苯胺是以氮原子为中心, 相连的三个苯环拓扑成螺形结构.三苯胺具有很强给电子能力, 氮原子上有一个未成键的电子对, 易被氧化成稳定的阳离子自由基, 具有独特的氧化还原特性[6].若在三苯胺的苯环上引入取代基, 如甲基、甲氧基等, 既可以降低分子的对称性和刚性, 又更有利于阳离子自由基的稳定.本文设计合成了三个以4, 4'-二甲氧基三苯胺基团和偶氮苯基团分别作为电化学和光化学信号响应单元的开关分子, 对其进行电化学和光化学性质研究, 以期开发出含有多重开关响应的有机光电功能材料.
1. 结果与讨论
1.1 分子的合成与表征
我们按照图 1中所示的合成路线通过Pd催化的Sonogashira偶联反应合成了目标化合物4~6, 并利用NMR和HRMS等手段对这些化合物进行表征.通过对图 2的1H NMR谱图解析, 化合物4~6 在δ 3.80左右均出现一个单峰, 归属为甲氧基上的H.化合物4~6 在δ 6.85、7.08和7.33附近的三组信号峰则归属为4, 4'-二甲氧基三苯胺基团上的氢.其中δ 6.85处的峰归属于与N原子相连苯环上的6个α-H, 由于这6个α-H所处化学环境相似, 严重重叠只显示出一组峰.由于甲氧基的给电子效应, δ 7.08处的峰归属于苯环上的甲氧基取代邻位的4个H.相应的由于C≡C的吸电子效应, C≡C取代邻位的2个H的信号峰出现在高场δ 7.33附近.
图 1
图 2
化合物4~6 均只出现单一构型的4, 4'-二甲氧基三苯胺基团或偶氮苯基团的核磁信号峰, 可以推测这些化合物中的偶氮苯基团均处于反式构型.
1.2 电化学性质
化合物4~6 在CH2Cl2/CH3CN (V:V=1:1)中的循环伏安法(CV)和差分脉冲伏安法(DPV)堆积图如图 3所示, 4, 4'-二甲氧基三苯胺基团的CV数据如表 1所示. 有关电化学的测试按照国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)的建议[7], 以二茂铁为内标校正.在0~500 mV过程中, 4, 4'-二甲氧基三苯胺氮原子上的孤电子对被氧化成阳离子自由基[6a, 8], 该过程一般是可逆的.继续加大电压, 该阳离子自由基容易发生二聚或其他副反应, 对应于图中700~1200 mV的第二个不可逆的氧化过程. 由于对位取代时, 三苯胺基团与偶氮苯基团之间存在较强的共轭作用, 化合物4 中的三苯胺基团的电荷密度较低, 导致氧化电位较化合物5 向正方向移动16 mV.在化合物6 中只出现一个严重重叠的氧化还原峰, 说明在此测试条件下两个三苯胺基团化学环境相似, 二者之间的作用较弱.
图 3
表 1
化合物 TPA/TPA+ Epa/mV Epc/mV ΔEpa/mV 4 304 226 78 5 288 205 83 6 320 238 88 aΔEp=(Epa-Epc). 表 2
化合物 λ/nm [ε/(L•mol-1•cm-1)] 紫外区 可见光区 4 325 (34828), 307 (sh) 412 (28926) 5 345 (39916), 305 (sh) — 6 324 (32814), 310 (sh) 448 (36752) 1.3 UV/Vis光谱性质
化合物4~6 (5×10-5 mol•L-1)在乙腈溶液中的UV/Vis光谱叠加图如图 4所示, 从图中可以看出, 该类化合物主要的吸收带重叠较严重.根据相关文献[9]有关光致异构性质的研究可知, 化合物4 在412 nm处的强吸收带属于偶氮苯基团的π→π*跃迁, 而偶氮苯基团的n→π*跃迁吸收带蓝移至紫外区, 与4, 4'-二甲氧基三苯胺基团的π→π*跃迁吸收带严重重叠.而在化合物5 中, 各种跃迁吸收带重叠更加严重, 谱图中几乎只能看到一组吸收峰.与化合物4 相比, 化合物6 中存在更大的共轭体系, 使得偶氮苯基团的π→π*跃迁吸收带发生红移. 该类化合物中三苯胺基团的N原子虽然离偶氮苯基团较远, 但是基于共轭体系的远程传递效应同样可表现出类似氨基偶氮苯化合物或假1, 2-二苯乙烯类型化合物的光谱性质[10].
图 4
1.4 光谱电化学性质
通过对氧化态的光谱研究考察分子内部的电荷转移.以化合物4 为例, 当施加的电压从800 mV增加到1200 mV的过程中, 谱图有着显著的变化(图 5a).紫外处的吸收带逐渐下降.值得注意的是, 在600~1000 nm处出现一个十分明显的强吸收带, 其末端可延伸至近红外区, 归属于特征的三苯胺阳离子自由基的π→π*跃迁[11].在该氧化过程中, 可观察到在340、392和490 nm处各有三个明显的等吸收点, 说明了在此过程中没有发生降解等其他副反应.随后以-200 mV电压电解还原, 恢复了几乎所有的起始谱图(图 5b).
图 5
对化合物4 进行了化学氧化研究, 通过加入Fe(Cl- O4)3或锌粉实现化合物4 的氧化或还原.该过程的谱图变化如图 6所示, 当滴加Fe(ClO4)3时, 谱图变化趋势与电化学氧化(图 5a)的基本一致.在此过程中溶液颜色由黄色变为绿色, 随后加入过量的锌粉恢复了大部分的起始谱图以及溶液的颜色(Figure 6b).化合物5 和6 在氧化过程中的谱图变化与化合物4 的类似.研究表明, 这些化合物都具有优异的氧化还原可逆性, 其特征且显著的光谱响应在电化学开关方面具有潜在的应用前景.
图 6
1.5 光致异构性质
我们结合UV/Vis光谱和核磁氢谱对化合物4~6 在乙腈溶液中的光致异构性质进行跟踪研究.化合物4 在435 nm可见光照射下, 其UV/Vis光谱的变化如图 7所示.图 7a所示过程中化合物4 发生反式到顺式的异构化, π→π*跃迁吸收带逐渐降低, 在30 s后达到光稳态.在波长296、357和376 nm处有三个等吸收点, 说明在光照过程中化合物4 除了发生光致异构化反应, 并不发生光降解之类的副反应.图 7b是以365 nm光照射上述处于光稳态的样品溶液, 有恢复了部分的起始谱图, 发生顺式到反式的异构化.
图 7
图 7. (a) 435 nm可见光照射和(b) 365 nm紫外光照射下化合物4的UV/Vis光谱变化图以及(c)抗疲劳测试图Figure 7. UV/Vis spectra change of 4 upon irradiation at 435 nm for 35 s (a), subsequent irradiation at 365 nm for 80 s (b), and fatigue resistance test of 4 (c)Reversible isomerization cycles of 4 were repeated several times between two photostationary states. The inset shows the absorbance change at 410 nm with irradiation time
相比处于反式构型的偶氮苯化合物, 顺式构型的芳基距离更近, 分子存在更强的去屏蔽效应, 因此核磁信号往往向高场移动[3a, 12].随着单色光照射的时间增加, 在高场处逐渐出现顺式构型的核磁信号.化合物4 的核磁变化如图 8所示, 随着435 nm光照射的时间增加, 图中标星号处逐渐出现一组cis-4 的核磁信号峰, 当达到光稳态时顺式构型的摩尔百分数为45%.随后以365 nm单色光照射, cis-4 的核磁峰信号将下降, 达到光稳态时顺式构型的摩尔百分数为20%.对化合物4 进行光致异构抗疲劳测试的结果如图 7c所示.其中实线代表的是在435 nm光照射下反式到顺式的异构化过程, 而虚线则代表在365 nm光照射下的逆过程.从图中可以看出, 化合物4 表现出良好的可逆性及抗疲劳性能.
图 8
化合物5 无论是在可见光还是紫外光照射下谱图变化都很小(图 9).由于化合物5 的UV/Vis光谱中π→π*跃迁和n→π*跃迁吸收带存在较大程度的重叠, 导致了在435 nm光照射达到光稳态时顺式构型的摩尔百分数仅为16%.以上研究表明了4, 4'-二甲氧基三苯胺基团在偶氮苯上的取代位置对其分子内的电荷传递有显著的影响, 进一步影响了其光致异构性质.
图 9
图 9. (a) 435 nm可见光照射和(b) 365 nm紫外光照射下化合物5的UV/Vis光谱变化图Figure 9. UV/Vis spectra change of 5 upon irradiation at 435 nm for 90 s (a), and subsequent irradiation at 365 nm for 160 s (b)Reversible isomerization cycles of 5 were repeated several times between two photostationary states. The inset shows the absorbance change at 345 nm with irradiation time
与化合物4 类似, 化合物6 在435 nm光照射下达到光稳态时顺式构型的摩尔百分数为40%.随后以紫外光照射恢复到了90%的反式构型, 而在同样的测试条件下, 化合物4 只恢复了80%的反式构型.这可能是由于化合物6 分子中大的共轭体系使得偶氮苯基团的π→π*跃迁吸收带发生红移, 与n→π*跃迁吸收带重叠的较少.在图 10c所示抗疲劳测试中化合物6 表现出良好的可逆性及抗疲劳性能, 其在反式到顺式的异构化过程的过程中的量子产率为2.9×10-2, 与化合物4 (5.0×10-2)处在同一个数量级, 这比对应的二茂铁乙炔基取代的偶氮苯化合物(4.7×10-3)[13]提高了一个数量级.
图 10
图 10. (a) 435 nm可见光照射和(b) 365 nm紫外光照射下化合物6的UV/Vis光谱变化图以及(c)抗疲劳测试图Figure 10. UV/Vis spectra change of 6 upon irradiation at 435 nm for 80 s (a), subsequent irradiation at 365 nm for 90 s (b), and fatigue resistance test of 6 (c)Reversible isomerization cycles of 5 were repeated several times between two photostationary states The inset shows the absorbance change at 450 nm with irradiation time.
我们也对化合物4 在光稳态时进行了氧化还原性质的研究.首先将化合物4 以435 nm光照射至光稳态, 然后以Fe(ClO4)3进行氧化滴定(图 11b), 发现其谱图变化与trans-4 的氧化谱图变化(图 11a)几乎相同.说明在氧化状态下cis-4 是非常不稳定的, 在室温下即可发生快速的顺式到反式异构化.参考相关含氧化还原活性的光开关分子的文献[14], 我们对该现象提出来一个可能的机理.如图 12所示, cis-4 在氧化后分子中存在一些破坏了N=N键的双键性质共振式, 如cis-A+.由于N—N键能够快速自由旋转, 顺式到反式的异构化在室温下具有很高的速率.因此cis-4 可以不通过光照, 仅通过改变三苯胺基团的价态, 高效地实现顺式到反式异构化.
图 11
图 12
1.6 热致异构性质
顺式偶氮苯化合物不仅可以在光照条件下进行顺式到反式的异构反应, 在加热条件下也可进行.化合物4~6 的乙腈溶液在55 ℃时的热致异构图见图 13.通过拟合一级反应的动力学方程得出相应的速率常数.化合物4 的热致异构速率常数为3.19×10-4 s-1, 相比偶氮苯(5.84×10-5 s-1, 苯)[15]提高了一个数量级, 这与氨基偶氮苯化合物或假1, 2-二苯乙烯类型化合物的顺式构型具有较高的热致异构速率[16]相符合, 在这三个化合物中化合物6 具有最高的热致异构速率(3.18×10-3 s-1), 在30 min内顺式到反式的异构化即可达到平衡.
图 13
2. 结论
设计合成了3个以4, 4'-二甲氧基三苯胺基团为氧化还原中心的偶氮苯化合物4~6, 并对其结构进行了表征.电化学和UV/Vis光谱的研究表明, 三苯胺基团在偶氮苯上的取代位置对该类化合物的电荷转移有显著的影响.该类体系为电化学可逆体系, 氧化前后谱图存在显著的变化, 使得该类化合物具有潜在的电化学开关应用前景.由于该类化合物复杂的光谱性质, 化合物4~6 的光致异构性质表现的不够理想.但化合物4 可以仅通过改变三苯胺基团的价态, 高效地实现顺式到反式的异构化, 使得其在光致开关分子的设计合成中提供应用价值.
3. 实验部分
3.1 仪器与试剂
本文中涉及的Sonogashira偶联反应均在氮气氛围中采用标准的Schlenk操作.电化学和光谱测试所用的溶剂为光谱纯或经过无水处理.
WRS-1B型熔点仪(上海申光公司); Bruker Avance 400核磁共振仪(400 MHz, TMS为内标, 瑞士Bruker公司); Agilent LC-Q-TOF-MS 6520液相色谱-质谱联用分析仪(离子源为ESI, 美国Agilent公司); Perkin-Elmer Lambda 750 UV/Vis/NIR分光光度计(Peltier半导体控温附件, 美国Perkin-Elmer公司); CHI620 C型电化学工作站(上海辰华公司); 光谱电化学使用的光透薄层电解池(OTTLE)购自于英国雷丁大学(University of Reading, UK)的Frantisek Hartl教授; CEL-M500高压汞灯和CEL-NP2000-2强光光功率计(北京中教金源公司).
电化学的测试是以CH2Cl2/CH3CN (V:V=1:1)为溶剂, 测试样品的浓度为1×10-3 mol•L-1.光谱电化学的测试是以0.1 mol•L- 1 TBAPF6作为支持电解质, CH2Cl2为溶剂, 测试样品的浓度为1×10-3 mol•L-1.涉及到电化学性质均在测试前10 min通氮气鼓泡除氧.光致异构性质的测试样品的浓度为5×10- 5 mol•L- 1, CH3CN为溶剂.涉及到光致异构的测试在暗室中进行, 测试前均通氮气鼓泡除氧, 并在暗室中放置24 h.
3.2 实验方法
3.2.1 4-(4-乙炔基-4', 4''-二甲氧基三苯胺)偶氮苯(4)的合成
在干燥洁净的100 mL Schlenk瓶中依次加入4-乙炔基-4', 4''-二甲氧基三苯胺(TPAA) (114.8 mg, 0.35 mmol)、化合物1 (117.0 mg, 0.38 mmol)、(PPh3)2PdCl2 (56.0 mg, 0.008 mmol)和CuI (31.0 mg, 0.016 mmol), 以氮气置换三次.通过注射器加入20 mL二异丙胺, 加热回流反应24 h.冷却至室温, 旋蒸除去溶剂, 通过柱层析[100~ 200目硅胶, 洗脱剂: V(石油醚)/V(二氯甲烷)=2/1]纯化后得105.0 mg橙黄色固体化合物4, 产率59%. m.p. 110~111 ℃; 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 7.96~7.85 (m, 4H, AB-phenyl-H), 7.62 (d, J = 8.1 Hz, 2H, AB-phenyl-H), 7.55~7.43 (m, 3H, AB-phenyl-H), 7.33 (d, J=8.4 Hz, 2H, TPA-phenyl-H), 7.08 (d, J=8.5 Hz, 4H, TPA-phenyl-H), 6.88~6.81 (m, 6H, TPA-phenyl-H), 3.80 (s, 6H, MeO); 13C NMR (101 MHz, CDCl3) δ: 156.36, 152.64, 151.35, 149.05, 140.00, 132.53, 132.07, 131.08, 129.09, 127.18, 126.66, 122.92, 122.87, 118.92, 114.79, 113.31, 92.99, 88.09, 55.46. HRMS (ESI) calcd for C34H27N3O2 509.2098, found 509.2083.
3.2.2 3-(4-乙炔基-4', 4''-二甲氧基三苯胺)偶氮苯(5)的合成
合成方法类似化合物4, 以化合物TPAA (98.5 mg, 0.30 mmol)和化合物2 (102.9 mg, 0.33 mmol)为原料, 得橙黄色固体5 84.1 mg, 产率55%. m.p. 37~38 ℃; 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 8.05 (s, 1H, AB-phenyl-H), 7.93 (d, J=7.6 Hz, 2H, AB-phenyl-H), 7.86 (d, J=7.9 Hz, 1H, AB-phenyl-H), 7.59 (d, J=7.6 Hz, 1H, AB-phenyl-H), 7.56~7.43 (m, 4H, AB-phenyl-H), 7.34 (d, J=8.3 Hz, 2H, TPA-phenyl-H), 7.08 (d, J=8.4 Hz, 4H, TPA-phenyl-H), 6.91~6.80 (m, 6H, TPA-phenyl-H), 3.80 (d, J=1.2 Hz, 6H, MeO); 13C NMR (101 MHz, CDCl3) δ: 156.30, 152.50, 152.42, 148.93, 140.08, 133.56, 132.48, 131.20, 129.10, 129.03, 127.13, 125.29, 124.84, 122.92, 122.58, 119.03, 114.77, 113.46, 90.89, 87.41, 55.46. HRMS (ESI) calcd for C34H27N3O2 509.2098, found 509.2085.
3.2.3 4, 4'-二(4-乙炔基-4', 4''-二甲氧基三苯胺)偶氮苯(6)的合成
合成方法类似化合物4, 以化合物TPAA (96.9 mg, 0.29 mmol)和化合物4 (60.4 mg, 0.14 mmol)为原料, 得橙黄色固体75.5 mg, 产率45%. m.p. 152~154 ℃; 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 7.89 (d, J=8.5 Hz, 4H, AB-phenyl-H), 7.62 (d, J=8.5 Hz, 4H, AB-phenyl-H), 7.33 (d, J=8.4 Hz, 4H, TPA-phenyl-H), 7.08 (d, J=8.4 Hz, 8H, TPA-phenyl-H), 6.86 (d, J = 9.0 Hz, 12H, TPA-phenyl-H), 3.81 (s, 12H, MeO); 13C NMR (101 MHz, CDCl3) δ: 156.40, 151.45, 140.02, 132.55, 132.10, 127.20, 126.78, 122.98, 118.95, 114.81, 113.35, 93.17, 88.18, 55.48. HRMS (ESI) calcd for C56H44N4O4 836.3357, found 836.3330.
辅助材料(Supporting Information) 化合物4~6 的13C NMR谱图和高分辨质谱图、化合物5 和6 的光谱电化学图、化学氧化和还原的UV/Vis/NIR光谱变化图.这些材料可以免费从本刊网站(http://sioc-journal.cn/)上下载.
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(b) Yager, K. G.; Barrett, C. J. In Intelligent Materials, Chapter 17, The Royal Society of Chemistry, Cambridge, 2008, p. 424.
(c) García-Amorós, J.; Velasco, D. Beilstein J. Org. Chem. 2012, 8, 1003.
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图 7 (a) 435 nm可见光照射和(b) 365 nm紫外光照射下化合物4的UV/Vis光谱变化图以及(c)抗疲劳测试图
Figure 7 UV/Vis spectra change of 4 upon irradiation at 435 nm for 35 s (a), subsequent irradiation at 365 nm for 80 s (b), and fatigue resistance test of 4 (c)
Reversible isomerization cycles of 4 were repeated several times between two photostationary states. The inset shows the absorbance change at 410 nm with irradiation time
图 9 (a) 435 nm可见光照射和(b) 365 nm紫外光照射下化合物5的UV/Vis光谱变化图
Figure 9 UV/Vis spectra change of 5 upon irradiation at 435 nm for 90 s (a), and subsequent irradiation at 365 nm for 160 s (b)
Reversible isomerization cycles of 5 were repeated several times between two photostationary states. The inset shows the absorbance change at 345 nm with irradiation time
图 10 (a) 435 nm可见光照射和(b) 365 nm紫外光照射下化合物6的UV/Vis光谱变化图以及(c)抗疲劳测试图
Figure 10 UV/Vis spectra change of 6 upon irradiation at 435 nm for 80 s (a), subsequent irradiation at 365 nm for 90 s (b), and fatigue resistance test of 6 (c)
Reversible isomerization cycles of 5 were repeated several times between two photostationary states The inset shows the absorbance change at 450 nm with irradiation time.
表 1 化合物4~6的CV数据
Table 1. Electrochemical data of 4~6
化合物 TPA/TPA+ Epa/mV Epc/mV ΔEpa/mV 4 304 226 78 5 288 205 83 6 320 238 88 aΔEp=(Epa-Epc). 表 2 化合物4~6的UV/Vis光谱数据
Table 2. UV/Vis absorption data of compounds 4~6
化合物 λ/nm [ε/(L•mol-1•cm-1)] 紫外区 可见光区 4 325 (34828), 307 (sh) 412 (28926) 5 345 (39916), 305 (sh) — 6 324 (32814), 310 (sh) 448 (36752) -

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