化学科学学院彭谦教授、材料科学与光电技术学院黄辉教授团队在分子内非共价相互作用的理论发展方面取得新进展

  • 文/图 刘美惠 (化学科学学院)
  • 日期:2023-05-10
  • 7668

  近年来,分子内非共价相互作用已成为调节有机半导体材料结构与光电性能的重要手段。特别是,自从黄辉教授与美国西北大学的Tobin J. Marks教授等人在2012年共同提出并将这种分子内非共价相互作用称为“非共价构象锁(NoCLs)”,构象锁策略已经扩展到有机太阳能电池、有机发光二极管、有机光电探测器以及有机场效应晶体管等整个有机光电领域的高性能材料设计中。

  黄辉教授团队长期致力于非共价“构象锁”的基础研究并探索其在光电材料领域中的应用,取得了一系列重要科研成果,多次发表于国内外高水平学术期刊(Chem. Rev. 2017, 117, 10291. Adv. Mater. 2017, 29, 1606025. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 15043. 2021, 60, 22, 12475. 2021, 60, 17720. 2023, e202302629. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 32, 14731.)。然而,由于非共价相互作用是非常弱的力并且种类繁多,实验上很难给予直接表征,理论上深入研究构象锁的基本原理是非常具有挑战性的,并且,在有机半导体分子的几何结构与非共价相互作用强度和光电性能之间是缺乏深入理解和直接的定量关系。


  近日,彭谦教授、黄辉教授等人在分子内非共价相互作用的理论发展方面取得新进展,成功地提出了一个分子描述符来衡量分子内非共价相互作用的强度,并与发光重组能和电荷重组能建立密切联系。本工作对56个有或者没有非共价相互作用的分子进行系统计算研究。研究结果表明,非共价相互作用主要来源于轨道相互作用,其强度强烈依赖于分子几何结构和轨道性质,例如,分子平面性、原子间距离、分子轨道的形状和取向等。基于此,作者建立了一个分子描述符S。它是几个几何参数的函数,无需进行任何复杂的量子化学计算就可以轻松获得,其数值与非共价相互作用能E(2)表现出惊人的线性关系,线性拟合系数高达0.927更重要的是,它与发光重组能和电荷重组能表现出良好的负相关关系,表明了非共价相互作用定量调节有机半导体发光和电荷传输性能的能力。我们选择了八个化合物进行合成,培养出6个化合物的单晶。这些化合物的1H、77Se和125Te NMR以及光学吸收和发射光谱完全证实了理论预测。

  总之,这项工作建立了一个简单的分子描述符来表征分子内非共价相互作用的强度,在分子结构、非共价相互作用强度及发光/电荷传输性能之间架起了一座桥梁,这对于高性能有机半导体的分子设计和大规模的分子筛选具有重要意义。