8-羥基喹啉衍生物的光致發光機制及其量子產率優化

8-羥基喹啉衍生物的光致發光源于分子內“激發態躍遷-能量傳遞”過程，量子產率優化可通過分子結構修飾、聚集態調控及環境優化實現，其機制與優化策略高度依賴分子共軛體系與激發態行為，具體解析如下：

一、光致發光機制

8-羥基喹啉衍生物的光致發光（PL）核心是分子激發態的輻射躍遷，需經歷“光吸收-激發態形成-能量耗散-輻射發光”四個階段，關鍵機制可分為兩類：

1. 分子內電荷轉移（ICT）主導的發光機制

多數8-羥基喹啉衍生物（如金屬配合物、氨基/氰基取代衍生物）通過ICT過程發光，這是很常見的機制：

光吸收與激發：分子受紫外/可見光照射時，極高占據分子軌道（HOMO）上的電子吸收光子能量，躍遷至低未占據分子軌道（LUMO），形成單重激發態（S₁）；部分電子還可通過系間竄越（ISC）躍遷至三重激發態（T₁）。

ICT 過程發生：8-羥基喹啉母核的喹啉環為電子受體（缺電子），羥基（-OH）為電子給體（富電子）；若引入額外給體（如-NH₂、-OCH₃）或受體（如-CN、-NO₂），會強化分子內“給體→受體”的電荷轉移，使S₁態成為 ICT 激發態（電荷分離特征更顯著）。

輻射躍遷發光：ICT激發態的電子通過兩種路徑釋放能量發光：

單重激發態S₁直接躍遷至基態S₀，產生熒光（輻射躍遷概率高，發光壽命短，通常1-10ns）；

三重激發態T₁通過延遲熒光（如熱激活延遲熒光TADF，電子從T₁吸熱躍回S₁后再發光）或磷光（直接從T₁躍遷至S₀）發光，后者壽命更長（ms級），但量子產率通常低于熒光。

2. 金屬配位增強的發光機制（以Al³⁺、Zn²⁺配合物為例）

8-羥基喹啉可與金屬離子形成螯合物（如Alq₃、Znq₂），其發光機制因金屬離子的“重原子效應”與“配位穩定作用”發生改變：

配位穩定激發態：金屬離子與8-羥基喹啉的O、N 原子形成配位鍵，使分子共軛體系更剛性，減少激發態電子因分子振動/轉動導致的非輻射躍遷（非輻射躍遷會消耗能量，降低發光效率）。

重原子效應調控ISC：重金屬離子（如 Ir³⁺、Pt²⁺）的自旋-軌道耦合作用增強，促進S₁→T₁的 ISC 過程，使三重激發態電子參與發光（如磷光或TADF），從而利用原本“浪費”的三重態能量，提升整體量子產率（如 Ir-8-羥基喹啉配合物的量子產率可達80%以上）。

二、8-羥基喹啉衍生物量子產率的優化策略

量子產率（Φ）=輻射躍遷速率/（輻射躍遷速率+非輻射躍遷速率），優化核心是“提升輻射速率”或“抑制非輻射速率”，具體策略分為三類：

1. 分子結構修飾：強化共軛與電荷轉移

通過化學修飾調整8-羥基喹啉母核的電子結構，直接提升輻射躍遷效率：

擴展共軛體系：在喹啉環或羥基對位引入芳香環（如苯環、萘環）、共軛雙鍵（如-C=C-、-C≡C-），延長π電子離域范圍，使HOMO與LUMO能級差縮小（發光波長紅移），同時提升電子躍遷概率（輻射速率加快），例如，萘基取代的8-羥基喹啉，量子產率比未取代衍生物提升 30%-50%。

調控給體-受體（D-A）強度：引入強電子給體（如三苯胺、咔唑）或強受體（如苝酰亞胺、氰基苯并噻唑），構建“強 D-π-A”結構，強化 ICT 效應，使 S₁態以輻射躍遷為主（非輻射躍遷占比降低）。例如，三苯胺取代的8-羥基喹啉，量子產率可從母核的 10% 提升至 60% 以上。

減少非輻射位點：去除分子中的柔性基團（如長鏈烷基、多支鏈取代基），或用剛性環（如環己烷、芴環）替代，降低分子振動/轉動導致的能量耗散，例如，甲基取代的8-羥基喹啉（剛性強）比己基取代衍生物（柔性強）的量子產率高 20%-30%。

2. 聚集態調控：抑制聚集誘導猝滅（ACQ）

多數8-羥基喹啉衍生物在高濃度或固態下易聚集，導致π-π堆積過強，引發ACQ（非輻射躍遷增強，量子產率驟降），需通過聚集態優化解決：

引入空間位阻基團：在分子中引入大體積基團（如叔丁基、三苯甲基），阻礙分子間緊密堆積，減少π-π相互作用導致的能量猝滅。例如，叔丁基取代的 Znq₂配合物，固態量子產率從無取代的5%提升至35%。

構建聚集誘導發光（AIE）結構：將8-羥基喹啉與 AIE 單元（如四苯乙烯、三苯乙烯）結合，使分子在分散態時因振動/轉動導致非輻射躍遷強（量子產率低），聚集態時振動/轉動受限（非輻射躍遷減弱，量子產率升高）。例如，四苯乙烯-8-羥基喹啉衍生物，聚集態量子產率可達75%以上。

制備納米晶或薄膜：通過溶液法（如旋涂、滴涂）制備超薄薄膜，或通過納米沉淀法制備納米晶（粒徑10-50nm），控制分子聚集程度（避免過度堆積），同時提升光吸收效率，例如，Alq₃納米晶的量子產率比塊狀晶體高 40%-60%。

3. 環境與基質優化：減少外部猝滅因素

外部環境（如溶劑、溫度、雜質）會通過非輻射過程降低量子產率，需針對性優化：

選擇合適溶劑：優先使用低極性、高沸點溶劑（如甲苯、氯仿），避免極性溶劑（如甲醇、水）與分子形成氫鍵或發生溶劑化作用，導致激發態能量耗散，例如，8-羥基喹啉在甲苯中的量子產率（25%）是在水中（5%）的5倍。

控制溫度與氧氣濃度：低溫環境（如-196℃液氮中）可降低分子振動/轉動速率，減少非輻射躍遷；氧氣會猝滅三重激發態（通過能量轉移生成單線態氧），需在惰性氣體（如N₂、Ar）保護下使用，可使量子產率提升10%-20%。

去除雜質與缺陷：通過柱層析、重結晶等方法提純衍生物，去除含重金屬離子（如Fe³⁺、Cu²⁺）或強猝滅基團（如-SH、-NO）的雜質；制備薄膜時減少缺陷（如針孔、晶界），避免缺陷作為非輻射躍遷中心。

三、典型應用與優化效果案例

不同優化策略的效果因衍生物類型而異，以下為兩類典型案例：

Alq₃（8-羥基喹啉鋁）：未優化時固態量子產率約10%-15%；通過“引入叔丁基位阻+制備納米薄膜”優化后，量子產率提升至50%-60%，廣泛用于有機電致發光器件（OLED）的發光層。

氰基取代8-羥基喹啉：未優化時在溶液中量子產率約8%；通過“構建D-π-A結構（三苯胺給體+氰基受體）+惰性氣體保護”優化后，量子產率提升至70%以上，可用于熒光探針檢測金屬離子。

8-羥基喹啉衍生物的光致發光以ICT或金屬配位機制為主，量子產率優化需圍繞“分子結構強化共軛、聚集態抑制ACQ、環境減少猝滅”展開。通過多策略協同（如結構修飾+聚集態調控），可將其量子產率從10%以下提升至80%以上，為 OLED、熒光探針、傳感器等領域的應用提供性能基礎。

本文來源于黃驊市信諾立興精細化工股份有限公司官網 http://www.sgelg.cn/