香港中文大学（深圳）丘子杰教授团队：高性能氮杂螺烯圆偏振发光材料

有机圆偏振发光（CPL）材料能够在自然光激发下直接发射具有特定手性的圆偏振光，在手性光电器件、信息加密、三维显示和生物成像等领域具有巨大的应用潜力。这类材料的综合性能通常采用CPL亮度这一参数（B_CPL = 1/2·ε·Φ_PL·g_lum）进行评价。然而，由于荧光效率与手性光学响应分别受到辐射与非辐射跃迁过程、电磁跃迁偶极矩及其相对取向等因素的影响，二者的协同优化对分子结构设计提出了更高要求。开发兼具高荧光量子产率（Φ_PL）和大发光不对称因子（g_lum）的有机材料仍面临挑战。

螺烯具有独特的扭曲π共轭骨架和稳定的螺旋手性，是构筑有机CPL材料的重要平台。其中，氮杂螺烯可通过氮原子的引入调控分子电子结构和激发态性质，并赋予材料潜在的质子化响应特性。然而，螺烯类材料的分子刚性、跃迁偶极矩取向、发光效率与CPL活性之间的构效关系仍有待深入研究。

香港中文大学（深圳）丘子杰教授团队将理论计算指导的分子设计策略引入氮杂螺烯发光材料的构筑，通过计算筛选与实验验证相结合，为高性能圆偏振发光材料的理性设计提供了有效途径。该研究通过对一系列给体修饰的氮杂螺烯候选分子进行系统评估，筛选出具有应用潜力的三个分子 AzaTPA-3、AzaCz-2和AzaICz-1，并成功完成合成和结构鉴定。单晶结构分析表明，在螺烯骨架上引入不同的给体能够有效调控分子的螺旋构型、分子刚性及分子间堆积方式。一系列光物理性质研究表明，给体强度和结构刚性在调控发光颜色、溶剂依赖性行为及固态发光性能方面发挥着关键作用。经手性拆分后，所有氮杂螺烯均表现出强烈的镜像圆二色（CD）和圆偏振发光（CPL）信号，其吸收不对称因子（g_abs）和发光不对称因子（g_lum）均达到10^-2量级。TD-DFT计算进一步证实，分子的手性光学性能在很大程度上取决于电跃迁偶极矩与磁跃迁偶极矩的相对取向。

图1 (a) AzaTPA-3-P/M、AzaCz-2-P/M 和 AzaICz-1-P/M 在室温下于四氢呋喃溶液（c = 10^-5 M）中测得的圆二色（CD）光谱及相应的吸收不对称因子（g_abs）；(b) 上述化合物的圆偏振发光（CPL）光谱及相应的发光不对称因子（g_lum），激发波长为 350 nm。其中，g_abs = Δε/ε，g_lum = 2(I_L − I_R)/( I_L + I_R)。(c) AzaTPA-3-M、(d) AzaCz-2-M 和 (e) AzaICz-1-M 的 S₁→ S₀跃迁偶极矩示意图。电跃迁偶极矩（μ）以蓝色表示，磁跃迁偶极矩（m）以红色表示。

此外，AzaICz-1分子表现出可逆的pH响应发光及手性光学性质。质子化后，AzaICz-1(H⁺) 的紫外-可见吸收、荧光、CD和CPL光谱均发生红移，同时伴随着发光效率降低和不对称因子略微减小；上述变化均可通过去质子化完全恢复。理论计算表明，这种响应主要源于质子化引起的电子结构扰动及HOMO–LUMO能隙的调节，而非螺烯骨架的显著构型变化。

图2 (a,b) AzaICz-1在室温下不同浓度三氟乙酸（TFA）和三乙胺（TEA）存在条件下于二氯甲烷溶液（c = 10^-5 M）中的荧光光谱，激发波长为 350 nm。(c) 归一化荧光积分面积随 TFA 浓度变化的滴定曲线，红色实线表示基于 1:1 结合模型的最佳拟合结果。插图为不同浓度 TFA 和 TEA 存在条件下，AzaICz-1 的二氯甲烷溶液（c = 10^-5 M）在紫外光（365 nm）照射下的荧光照片。(d) AzaICz-1 的质子化–去质子化过程中荧光发射强度和发射峰位置的变化。（e,f）AzaICz-1在室温下不同浓度三氟乙酸（TFA）和三乙胺（TEA）存在条件下于二氯甲烷溶液（c = 10^-5 M）中的(e) 圆二色（CD）光谱和 (f) 圆偏振发光（CPL）光谱，激发波长为 350 nm。

总体而言，该研究将计算筛选与刚性螺烯骨架设计相结合，为开发兼具高性能发光、优异手性光学活性及刺激响应特性的手性发光材料提供了一种有效策略。

相关研究论文发表于SCIENCE CHINA Chemistry，论文第一作者为香港中文大学（深圳）理工学院博士研究生张樾，通讯作者为香港中文大学（深圳）理工学院丘子杰教授。

通讯作者简介

丘子杰，香港中文大学（深圳）助理教授、博士生导师、校长青年学者，德国洪堡学者，广东省珠江青年拔尖人才，深圳市海外高层次人才孔雀团队核心成员。于2018年获得香港科技大学博士学位，师从唐本忠院士；随后加入马克斯∙普朗克高分子研究所的Klaus Müllen院士课题组进行博士后研究，并于2020年4月晋升为项目负责人。目前共发表论文130余篇，总引用超过7300次，h因子43，主持国家和省市项目6项。