[发明专利]光开关螺吡喃-苝酰亚胺化合物的制备及其应用

说明书

本发明公开了光开关螺吡喃‑苝酰亚胺化合物的制备及其应用，该方法合成了对称或不对称取代的螺吡喃‑苝酰亚胺化合物，将其通过一步细乳液聚合法引入聚合物纳米粒子体系中，制备了一种光开关荧光聚合物纳米粒子。该纳米粒子能在溶液和固体薄膜的状态下在紫外光和可见光的照射下表现出快速响应的荧光开关性能。相比于现有的光开关荧光聚合物纳米粒子，本发明得到的光开关荧光聚合物纳米粒子通过共价键的形式连接给受体基团，减少受体的使用量，且投入成本较低，合成路线简单等优点，适于放大合成和实际生产应用，在显示材料等技术领域有着巨大的应用前景。

技术领域

本发明属于化学材料制备、光电能转换材料制备、光电能转换材料技术领域，尤其是基于螺吡喃-苝酰亚胺化合物的光开关荧光聚合物纳米粒子、制备方法及应用，具体地说，涉及对称取代的光开关螺吡喃-苝酰亚胺化合物和不对称取代的光开关螺吡喃-苝酰亚胺化合物的合成以及基于螺吡喃-苝酰亚胺化合物的光开关荧光聚合物纳米粒子的制备与应用。

背景技术

螺吡喃类化合物是一类非常重要的有机光开关化合物，目前研宄最多且应用最为广泛。分子中的吲哚啉环和苯并吡喃环通过中心处的螺碳原子相连接，因而两个环相互正交，不存在共轭。在紫外光的激发下，分子中螺环处的碳-氧键发生异裂，继而分子的构象和电子的排布发生了很大变化。螺碳原子从sp³结构逐步转变为sp²结构，两个环系由正交型变为平面型，分子的紫外-可见吸收光谱表现为500～600 nm处出现一个强的吸收峰，分子自此变为有色的开环态-部花菁。在光和热的作用下，部花菁分子又能可逆转变回无色的闭环态螺吡喃。基于其特殊性质，螺吡喃在光电器件、超高密度信息存储、分子开关、超分辨成像等诸多领域得到了广泛的研究和应用。

苝酰亚胺是一种具有很大π-π电子共扼结构和刚性平面的有机染料，在可见光区域有很强的吸收，最大摩尔消光系数一般在5万以上，具有优良的光、热和化学稳定性。同时由于它们的发光区域位于红光区域，并且具有极高的荧光量子效率（接近100%）等特点，使该类化合物的合成、性能研究和应用成为研究领域的热点，尤其是在有机场效应晶体管、太阳能电池、电致发光二极管和生物等诸多领域中的研究更是受到广泛关注。

苝酰亚胺衍生物具有良好的分子平面性，因此分子间π键的相互作用大大增强,具有较大的晶格能，导致大多数的苝酰亚胺化合物溶解性很差，使其合成与应用受到一定程度的限制，因此需要对其进行化学修饰以改善其溶解性。目前改善苝酰亚胺溶解性的方法主要有两种：（1）在酰亚胺的N原子上引入增溶性的取代基团；（2）在海湾处引入取代基团。本文采用苝四甲酸二酐类化合物为原料，与二甘醇胺反应后生成苝酰亚胺化合物，以提高其溶解性。再与螺吡喃类化合物反应生成螺吡喃双取代修饰的苝酰亚胺衍生物SP-PDI。也可以先将苝酰亚胺化合物的一端先用丙烯酰氯封住，再与螺吡喃类化合物反应生成螺吡喃单取代修饰的苝酰亚胺衍生物SP-PDI-DA。然后将光开关螺吡喃-苝酰亚胺化合物引入到聚合物纳米粒子体系中，这种核-壳结构的聚合物纳米粒子为有机染料分子提供了疏水环境，有利于增加其在水相中的浓度从而提高其在水相体系中的荧光强度，还可以减少其在生物应用中可能产生的毒性，并且纳米粒子的粒径较小，水分散性好，具有较好的生物相容性等优点。

综上所述，将光开关化合物螺吡喃与苝酰亚胺化合物从不同角度、以不同方式构筑二元功能染料的研究报道非常少，尤其是利用光驱动螺吡喃基团的开闭环改变分子的荧光状态来实现对苝酰亚胺功能材料的调控，将带来结构与性能的突变，这是具有重要科学意义和应用价值的研究课题。在文献基础上，本文设计合成了两种不同结构类型的螺吡喃取代修饰的苝酰亚胺衍生物，将其引入到聚合物纳米粒子体系中，对其光化学性能开展研究，为相关材料的设计与合成提供可借鉴的科学依据，为光电功能器件提供了材料基础。

因此，发明一种合成简单、低成本的光开关荧光化合物就有着相当重要的现实意义和应用前景，有鉴于此特提出本发明。

发明内容