开关型光致变色联苯型α-氰基二苯乙烯基化合物及其制备方法

开关型光致变色联苯型
α-氰基二苯乙烯基化合物及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及发光材料领域，具体涉及一种开关型光致变色联苯型α-氰基二苯乙烯基化合物及其制备方法。


背景技术：

2.光致变色分子作为刺激响应材料中的一种，通常会发生顺/反式光异构化和分子内或分子间环加成反应，从而具有不同的分子构象或化学结构的光产物，这将进一步影响分子在组装态和本体状态下的堆积，以及材料的各种功能特性。其中，荧光光致变色分子在数据存储、生物成像、防伪系统等方面的良好的应用前景。
3.光致变色体系分为无机光致变色化合物和有机光致变色化合物两大类，常见的有机光致变色体系有：螺噁嗪类、俘精酸酐类、吡喃类、螺吡喃类、偶氮苯类、席夫碱类、二芳基乙烯类等，其中归属于二芳基乙烯类的α-氰基二苯乙烯类分子衍生物具有聚集诱导发光增强效应以及力致变色、热致变色、光致变色等多重刺激荧光响应行为，从而备受关注。α-氰基二苯乙烯基中的烯基在光照射下可以发生异构化和/或加成反应，产生光诱导荧光强度和颜色的变化，其中多数具有光致变色性质的α-氰基二苯乙烯基类化合物是由于分子异构导致，这是由于分子在固态时发生加成反应需满足特定的几何条件，一般发生在晶体中，且可发生环加成反应的光致变色α-氰基二苯乙烯基小分子中存在反应时间长、产物复杂、产率低、难以发生可逆反应等问题。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种开关型光致变色联苯型α-氰基二苯乙烯基化合物及其制备方法，可通过对所述联苯型α-氰基二苯乙烯基化合物固体状态的控制实现环加成反应以及光致变色的开关效果，所述化合物在无定形和液晶状态具有光致变色性质，其中无定形状态的粉末重复多次环加成反应以及开环反应后，仍具有良好的光致变色效果。
5.为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
6.本发明第一方面提供了一种开关型光致变色联苯型α-氰基二苯乙烯基化合物，其结构式如下所示：
[0007][0008]
其中，r为c1～c20的烷基或卤代烷基。
[0009]
进一步地，所述r为-(ch2)4ch3、-(ch2)5br或-(ch2)
10
ch3。
[0010]
进一步地，当所述联苯型α-氰基二苯乙烯基化合物为晶体状态，受365nm紫外光辐
照1h，荧光颜色无变化；当所述联苯型α-氰基二苯乙烯基化合物为无定形或液晶状态，受365nm紫外光辐照10-30min，发生[2 2]环加成反应，荧光颜色由绿色变为蓝色，进一步将[2 2]环加成反应产物加热至200℃或受254nm紫外光辐照，发生[2 2]环加成反应的逆反应，荧光颜色由蓝色变回绿色。
[0011]
进一步地，所述无定形或液晶状态的联苯型α-氰基二苯乙烯基化合物由晶体状态的化合物研磨或加热得到；所述加热的温度处于化合物的熔点温度与分解温度之间。
[0012]
进一步地，所述[2 2]环加成反应产物的结构式为：
[0013]
其中，r为c1～c20的烷基或卤代烷基。
[0014]
本发明第二方面提供了第一方面所述的一种开关型光致变色联苯型α-氰基二苯乙烯基化合物的制备方法，包括以下步骤：
[0015]
(1)将烷基酰氯或卤代烷基酰氯溶于溶剂中得到溶液，再将化合物与缚酸剂加至溶剂中得到混合物；
[0016]
(2)将步骤(1)中制备的溶液滴加至混合物中，搅拌反应至无剩余固体，反应结束后水洗、干燥、纯化得到所述联苯型α-氰基二苯乙烯基化合物。
[0017]
进一步地，所述烷基酰氯为己酰氯或月桂酰氯，所述卤代烷基酰氯为6-溴己酰氯。
[0018]
进一步地，所述溶剂选自dcm、dmf、thf中的一种或多种；所述溶剂使用前需进行干燥处理，以去除溶剂中的水分，避免酰氯与水发生反应，降低产率。
[0019]
进一步地，步骤(1)中，所述化合物的制备方法包括以下步骤：
[0020]
s1：将4-溴苯乙腈和pd(pph3)4加至四氢呋喃中，加热搅拌溶解，得到混合溶液；然后将碳酸钠和4-羟基苯硼酸加至混合溶液中，回流12小时，反应结束后去除溶剂，用盐水/乙酸乙酯萃取三次，有机层置于无水na2so4上干燥，减压脱除溶剂，用石油醚洗涤残渣，得到化合物c1；
[0021]
s2：将4-溴苯甲醛和pd(pph3)4加至四氢呋喃中，加热搅拌溶解，得到混合溶液；然后将碳酸钠和4-羟基苯硼酸加至混合溶液中，回流12小时，反应结束后去除溶剂，用盐水/乙酸乙酯萃取三次，有机层置于无水na2so4上干燥，减压脱除溶剂，用石油醚洗涤残渣，得到化合物c2；
[0022]
s3：将化合物c1、化合物c2和氢氧化钠加至无水甲醇中，在50℃下搅拌12h，冷却至室温后，加入盐酸中和，过滤收集黄色沉淀，用水和乙腈依次洗涤得到所述化合物
[0023]
进一步地，s1及s2中，通过薄层色谱监测反应的完成情况。
[0024]
进一步地，所述缚酸剂为三乙胺或二异丙基乙胺。
[0025]
进一步地，步骤(2)中，优选在0℃进行滴加；由于滴加过程中，反应迅速且放出大量的热，为避免骤热发生危险，将体系置于低温下进行滴加反应。
[0026]
进一步地，步骤(2)中，通过水洗去除tea、部分酰氯以及产物中可溶性的盐。
[0027]
进一步地，所述纯化具体为：将干燥处理后得到的固体经硅胶柱色谱纯化，洗脱溶剂为ch2cl2与石油醚的混合溶剂，其中ch2cl2与石油醚的体积比为1：4～6。
[0028]
进一步地，步骤(2)中，所述联苯型α-氰基二苯乙烯基化合物为晶体。
[0029]
本发明的有益效果在于：
[0030]
1.本技术提供了一种开关型光致变色联苯型α-氰基二苯乙烯基化合物，可通过控制该化合物状态以实现环加成反应以及光致变色的开关效果；当化合物为固态晶体时，无光致变色现象，当化合物为无定形或液晶状态时，化合物受365nm紫外光辐照可发生[2 2]环加成反应，进一步加热或用254nm紫外光辐照能发生[2 2]环加成逆反应，从而实现荧光颜色的转变，具有光致变色以及光热变色性质。
[0031]
2.本发明制备的化合物通过光照可实现环加成反应及其可逆反应，反应迅速、产物单一且产率高达96％，荧光强度高，在多次循环实验后，仍具有稳定的光致变色效果，在防伪材料以及光学信息存储等方面具有良好的应用前景。
附图说明
[0032]
图1为实施例1～4的合成路线图；
[0033]
图2为研磨前后的实施例2制备的化合物1样品的荧光光谱图；
[0034]
图3为研磨前后的实施例2制备的化合物1样品的x射线衍射图；
[0035]
图4为实施例2制备的化合物1加热至160℃后液晶状态的小角x射线散射图；
[0036]
图5为液晶状态的化合物1经过液氮淬火后以及在365nm紫外光照射30min后的荧光光谱叠图；
[0037]
图6为实施例2制备的化合物1在365nm紫外光照射1h前后的荧光光谱叠图；
[0038]
图7为研磨前后的化合物1样品在365nm紫外光照射前后的核磁氢谱叠图；
[0039]
图8为研磨后的无定形样品在365nm紫外光照射前后的荧光光谱叠图；
[0040]
图9为无定形或液晶状态下的化合物1在365nm紫外光照射下发生[2 2]环加成反应的机理图；
[0041]
图10为化合物1-dimer的质谱图；
[0042]
图11为液晶状态下的化合物1经过365nm紫外光照射后的样品的核磁氢谱图；
[0043]
图12为化合物1-dimer以及化合物1-dimer经过254nm紫外光照射或加热至200℃后退火处理后的样品的荧光光谱叠图；
[0044]
图13为化合物1-dimer经过254nm紫外光照射或加热至200℃后退火处理后的样品的核磁氢谱叠图；
[0045]
图14为无定形状态的化合物1在365nm和254nm紫外光交替照射下，发光波长的变化图。
具体实施方式
[0046]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0047]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0048]
实施例1合成化合物c3
[0049]
本实施例通过如图1所示的路线图合成化合物c3，具体步骤如下所述：
[0050]
化合物c1的合成：将4-溴苯乙腈(4.9g,25mmol)和pd(pph3)4(0.3g,0.27mmol)加至100ml四氢呋喃中，搅拌加热至77℃完全溶解，得到混合溶液。然后向混合溶液中加入30毫升碳酸钠(10.6g,100mmol)和4-羟基苯硼酸(3.6g,26mmol)溶液。回流12小时，用薄层色谱监测反应至反应完全。反应结束后除去溶剂后，用盐水/乙酸乙酯萃取三次，将有机层置于无水na2so4上干燥，减压脱除溶剂，用石油醚洗涤残渣，得到4.7g化合物c1，产率为90％；对制备得到的化合物c1进行核磁氢谱表征，结果如下：
[0051]1h nmr(400mhz,dmso-d6,tms),δ:9.56(s,1h),7.60(d,j＝8.2hz,2h),7.49(d,j＝8.6hz,2h),7.38(d,j＝8.2hz,2h),6.85(d,j＝8.6hz,2h),4.04(s,2h)。
[0052]
化合物c2的合成：将4-溴苯甲醛(4.6g,25mmol)和pd(pph3)4(0.3g,0.27mmol)加至100ml四氢呋喃中，搅拌加热至77℃完全溶解，得到混合溶液。然后向混合溶液中加入30毫升碳酸钠(10.6g,100mmol)和4-羟基苯硼酸(3.6g,26mmol)溶液。回流12小时，用薄层色谱监测反应至反应完全。反应结束后除去溶剂后，用盐水/乙酸乙酯萃取三次，将有机层置于无水na2so4上干燥，减压脱除溶剂，用石油醚洗涤残渣，得到4.1g化合物c2，产率为82％；对制备得到的化合物c2进行核磁氢谱表征，结果如下：
[0053]1h nmr(400mhz,dmso-d6,tms),δ:9.69(d,j＝19.6hz,2h),8.08(s,1h),8.02(d,j＝8.6hz,2h),7.82(d,j＝8.6hz,2h),7.79(d,j＝8.6hz,2h),7.75(d,j＝8.7hz,2h),7.63(d,j＝8.7,2h),7.59(d,j＝8.7,2h),6.89(dd,j＝8.6,1.7hz,4h)。
[0054]
化合物c3的合成：将化合物c1(2.1g,10mmol)、化合物c2(2g,10mmol)和氢氧化钠(0.8g,25mmol)加至60ml的无水甲醇中，于50℃下搅拌12h，冷却至室温后，加入1mol/ml的盐酸中和，过滤收集黄色沉淀，并用水和乙腈依次洗涤，得到2.8g化合物3，产率为72％；对制备得到的化合物c3进行核磁氢谱表征，结果如下：
[0055]1h nmr(400mhz,dmso-d6,tms),δ:9.69(d,j＝19.6hz,2h),8.08(s,1h),8.02(d,j＝8.6hz,2h),7.82(d,j＝8.6hz,2h),7.79(d,j＝8.6hz,2h),7.75(d,j＝8.7hz,2h),7.63(d,j＝8.7,2h),7.59(d,j＝8.7,2h),6.89(dd,j＝8.6,1.7hz,4h)。
[0056]
实施例2合成化合物1
[0057]
本实施例通过如图1所示的路线图合成化合物1，具体步骤如下所述：
[0058]
将0.8g的己酰氯(6mmol)溶于5ml的ch2cl2中得到溶液，将0.6g实施例1中制备得到的化合物c3(1.5mmol)和5ml的tea加至30ml的ch2cl2中得到混合物；在0℃下，将上述溶液滴加至混合物中，滴加结束后在室温下搅拌16小时。将得到的溶液经水洗后用无水na2so4干燥，所得固体经硅胶柱色谱(洗脱溶剂为ch2cl2:石油醚＝1:4)纯化，得到化合物1；将制备得到的化合物1进行核磁氢谱、核磁碳谱以及质谱表征，表征结果如下所示：
[0059]1h nmr(600mhz,cdcl3),δ:8.00(d,j＝8.3hz,2h),7.77(d,j＝8.3hz,2h),7.69(d,j＝8.3hz,2h),7.66(d,j＝8.0hz,2h),7.65(d,j＝8.4hz,2h),7.63(d,j＝8.6hz,2h),7.61(s,1h),7.19(dd,j＝8.5,3.8hz,4h),2.59(t,j＝7.5hz,4h),1.82
–
1.76(m,4h),1.47
–
1.36(m,8h),0.95(t,j＝7.0hz,6h)；
[0060]
13
c nmr(600mhz,cdcl3)δ:172.30,150.71,150.58,142.35,141.27,141.15,137.52,133.43,132.68,129.86,128.10,128.04,127.61,127.46,126.40,122.10,122.07,118.03,110.91,77.20,76.99,76.78,34.38,31.26,24.61,22.31,13.92；
[0061]
maldi-tof-ms(39h39no4)calcd.for m/z＝585.288,found:m/z＝585.366(m

),608.356(mna

)。
[0062]
实施例3合成化合物2
[0063]
本实施例通过如图1所示的路线图合成化合物2，具体步骤如下所述：
[0064]
将1.3g的己酰氯(6mmol)溶于5ml的ch2cl2中得到溶液，将0.6g实施例1中制备得到的化合物c3(1.5mmol)和5ml的tea加至30ml的ch2cl2中得到混合物；在0℃下，将上述溶液滴加至混合物中，滴加结束后在室温下搅拌16小时。将得到的溶液经水洗后用无水na2so4干燥，所得固体经硅胶柱色谱(洗脱溶剂为ch2cl2:石油醚＝1:4)纯化，得到1.0g化合物2，产率为90％；将制备得到的化合物2进行核磁氢谱以及质谱表征，表征结果如下所示：
[0065]1h nmr(600mhz,cdcl3),δ:8.00(d,j＝8.3hz,2h),7.77(d,j＝8.3hz,2h),7.69(d,j＝8.3hz,2h),7.66(d,j＝8.0hz,2h),7.65(d,j＝8.4hz,2h),7.63(d,j＝8.6hz,2h),7.61(s,1h),7.19(dd,j＝8.5,3.8hz,4h),3.46(t,j＝6.7hz,4h),2.63(t,j＝7.4hz,4h),1.99
–
1.91(m,4h),1.87
–
1.77(m,4h),1.65
–
1.56(m,4h)；
[0066]
maldi-tof-ms(c39h37br2no4)calcd.for m/z＝743.107,found:m/z＝743.240(m

),766.234(mna

)。
[0067]
实施例4合成化合物3
[0068]
本实施例通过如图1所示的路线图合成化合物3，具体步骤如下所述：
[0069]
将1.3g的6-溴己酰氯(6mmol)溶于5ml的ch2cl2中得到溶液，将0.6g实施例1中制备得到的化合物c3(1.5mmol)和5ml的tea加至30ml的ch2cl2中得到混合物；在0℃下，将上述溶液滴加至混合物中，滴加结束后在室温下搅拌16小时。将得到的溶液经水洗后用无水na2so4干燥，所得固体经硅胶柱色谱(洗脱溶剂为ch2cl2:石油醚＝1:4)纯化，得到化合物3；将制备得到的化合物3进行核磁氢谱以及质谱表征，表征结果如下所示：
[0070]1h nmr(600mhz,cdcl3),δ:8.00(d,j＝8.3hz,2h),7.77(d,j＝8.3hz,2h),7.69(d,j＝8.3hz,2h),7.66(d,j＝8.0hz,2h),7.65(d,j＝8.4hz,2h),7.63(d,j＝8.6hz,2h),7.61(s,1h),7.19(dd,j＝8.5,3.8hz,4h),2.58(t,j＝7.5hz,4h),1.80
–
1.74(m,4h),1.45
–
1.39(m,4h),1.38
–
1.25(m,28h),0.88(t,j＝7.0hz,6h)；
[0071]
maldi-tof-ms(c51h63no4)calcd.for m/z＝753.476,found:776.608(mna

)。
[0072]
性能表征
[0073]
以实施例1制备的化合物1为例，研究其不同状态下化合物的荧光性质，具体如下：
[0074]
(1)样品处理
[0075]
制备化合物1的无定形样品：将实施例1制备得到的化合物1进行研磨，对研磨前后的粉末进行荧光光谱以及x射线衍射测试，荧光光谱测试结果如图2所示，研磨后粉末的发射波长红移，由原先的蓝色荧光转变为绿色荧光；x射线衍射的测试结果如图3所示，研磨前的样品可观察到明显且尖锐的衍射峰，表明研磨前的粉末样品为晶体，研磨后的样品中无衍射峰，表明研磨后的粉末样品为无定形，上述结果表明，通过研磨处理可使化合物1的晶体样品转变为无定形，相应的荧光发射颜色由蓝色变为绿色；
[0076]
制备化合物1的液晶样品：将实施例1制备得到的化合物1加热至160℃，取样进行小角x射线散射表征，结果如图4所示，待小角x射线散射矢量比值为1：2时，表明化合物1进入近晶相，形成液晶；将液晶样品淬火后进行荧光光谱表征，结果如图5所示，加热至160℃后液氮淬火得到的样品，其荧光颜色为绿色，由此可知，通过加热处理将化合物1的晶体样品转变为液晶状态后，相应的荧光发射颜色由蓝色变为绿色。
[0077]
(2)不同状态下的联苯型α-氰基二苯乙烯基化合物在365nm紫外光照射下的荧光性质
[0078]
a：晶体状态下的联苯型α-氰基二苯乙烯基化合物的荧光性质
[0079]
将发射蓝色荧光的实施例1制备的化合物1置于365nm的紫外灯下辐照1h，对辐照前后样品的进行荧光光谱以及核磁氢谱表征，表征结果分别如图6、7所示，辐照前后样品的荧光光谱以及核磁氢谱未发生变化，说明晶体状态下的化合物1在长时间的辐照后，未发生异构或加成反应。
[0080]
b：无定形状态下的联苯型α-氰基二苯乙烯基化合物的荧光性质
[0081]
将发射绿色荧光的无定形化合物1样品置于365nm的紫外灯下辐照，辐照10min后，样品的发射光颜色从起始的绿光转变为蓝光，对辐照前后的样品进行荧光光谱以及核磁氢谱表征，如图8所示，辐照后样品的荧光光谱蓝移，图7为辐照前后样品的核磁氢谱图，从图中可以看出，辐照前的ha～hg在辐照后均消失，产生新的ha～hg，进而对辐照后的样品进行质谱表征，表征结果如图9所示，辐照后样品的相对分子质量为1170，由上述表征结果可知，无定形状态下的联苯型α-氰基二苯乙烯基化合物1在365nm紫外光的辐照下，快速发生如图10所示的[2 2]环加成反应得到化合物1-dimer，产率为96％左右。
[0082]
c：液晶状态下的联苯型α-氰基二苯乙烯基化合物的荧光性质
[0083]
将实施例1制备的化合物1加热至160℃后，置于365nm紫光灯下辐照30min，如图5所示，发射光由加热后的绿光转变为蓝光，对辐照后的样品进行核磁氢谱表征，表征结果(如图11所示)与无定形样品辐照后的产物一致，说明液晶状态下的联苯型α-氰基二苯乙烯基化合物1在365nm紫外光的辐照下，发生[2 2]环加成反应得到化合物1-dimer，产率为89％左右。
[0084]
(3)化合物1-dimer的逆反应
[0085]
将研磨后制备的无定形化合物1的样品，置于365nm紫外光下辐照，得到化合物1-dimer，取两份化合物1-dimer样品，一份置于254nm紫外光下辐照，另一份加热至200℃，对
化合物1-dimer样品、254nm紫外光照射后的样品以及加热至200℃退火后的样品进行荧光光谱表征，表征结果如图12所示，254nm紫外光照射以及加热至200℃退火处理后样品的荧光光谱均红移，发射光的颜色由蓝色变为绿色，与研磨后的无定形样品一致；进一步对254nm紫外光照射以及加热至200℃退火处理后的样品进行核磁氢谱表征，如图13所示，表征结果与化合物1相一致，由此可知，254nm紫外光照射以及加热至200℃退火处理的过程中，化合物1-dimer发生了逆反应，生成化合物1。
[0086]
(4)循环稳定性
[0087]
将研磨后制备的无定形化合物1的样品，在365nm和254nm紫外光交替照射下，能发生绿光到蓝光、蓝光到绿光的多个循环，结果如图14所示，经过5个循环[2 2]环加成反应-逆反应后，发光波长无显著差异，表明该类化合物具有良好的光致变色循环稳定性。
[0088]
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。