Angewandte：“舞光使色”，“气”致发光

材料牛注：有机电致发光材料的研究近年来非常热门，其高亮度、高效率、低压驱动的特性非常适于工业应用。但今天介绍的材料并非电致发光，而是利用供给气体经过特定反应过程发光，这种独特的发光特性是如何实现的，又有怎样的应用前景，请听下文分解。

一个有效合成13,14-苉醌的反应过程（图片来源：Dr. Hayato Ishikawa）

近日，一项由日本熊本、山口和大阪大学合作的研究发现一种新的反应路径，可以仅用氧气和氢气就明显改变某物质的颜色和荧光。该反应是一个绿色环保的反应，完全可逆且副产物只有水。除此之外，反应发光所需的能量并非来自光或电，而是加入其中的气体本身，这很可能是未来转换（物质）颜色和荧光特性的发展趋势。这项技术除了可以监测氧气或氢气，也可用于有机发光二极管（OLED）和有机半导体的性能控制。

多环芳烃（PACs）被广泛应用于荧光材料、半导体材料、有机电致发光设备和有机太阳能电池。在熊本大学进行的研究正是侧重于在PACs中利用气体本身化学能来实现分子开关的功能。特别地，他们将重点放在如何把氧气作为氧化剂和把氢气作为还原剂上。该大学的副教授Hayato Ishikawa说，他们需要找到一种能简单的并在氧化还原反应中显著地改变PACs光学性质的物质。具体地，他们选择了在氢氧参与的氧化还原反应中表现出了最理想开关能力的PAC，并向其引入邻二醌基团。

为了找到具有最优异的（光学）特性控制能力的候选物质，研究者们对一些含有邻二醌的芳香族化合物使用计算机进行了模拟研究。理想分子充分展现出其荧光发出与猝灭，以及体系颜色有无间转变的特性。

该变化过程中，氧化还原反应利用了气泡中气体的能量并改变了体系的光学性质。

（图片来源：Dr. Hayato Ishikawa）

在计算模拟中，13,14-苉醌是最理想的候选物质。随后，研究人员提出了一个利用市售石油原材料合成该化合物的方案。该方案的关键步骤是过渡金属催化的偶联反应和有机物催化的成环反应。这种合成手段同样可以用于其他相似化合物和衍生物的制备。

将纳米钯催化剂添加到已合成的13,14-苉醌中，并向其中吹入氢气。正如计算模拟所预测的，体系的颜色和荧光特性发生了显著变化：体系从黄色变成无色，并开始发出蓝色荧光。将氢气替换为氧气后，逆过程顺利发生，体系重新回到原始状态。

扭曲环张力和π共轭的分子结构使13,14-苉醌的光学性质（颜色及荧光）得以发生显著改变。

（图片来源：Dr. Hayato Ishikawa）

该技术有一个很明显的环境优势，其反应副产物仅有水。除此之外，合成PACs的每个过程中物质损耗都很少，这使其拥有优异的循环使用性能。熊本大学的合作研究者，副教授Masaki Matsuda说道，他们已经为这种分子技术设想了非常广泛的应用场景。例如，将该分子薄膜置入惰性气体保护的食品包装材料中，只需用紫外光照射，即可判断氧气是否已经进入包装，而无需拆开；有机半导体材料和OLED也将从这种利用气体化学能改变光学性能的分子特性中受益。举个例子，有机半导体可以通过这项技术改变其电学特性，OLED则能利用供应气体实现开关功能。总之，该项技术的应用将数不胜数。

参考原文链接：Molecular switch for controlling color and fluorescence

该文章已发表在Angewandte，Redox Switching of Orthoquinone-Containing Aromatic Compounds with Hydrogen and Oxygen Gas

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