周环取代基对酞菁在不同基质中光谱性能的影响
秦静, 王可栋, 胡雪芳, 陈肖媛, 刘超
青岛黄海学院智能制造学院车辆工程系, 山东 青岛 266555

作者简介: 秦 静, 女, 1979年生, 青岛黄海学院智能制造学院车辆工程系副教授 e-mail: qinjing113118@163.com

摘要

将不同周环取代基的金属酞菁均采用溶胶-凝胶(Sol-gel)工艺法掺入二氧化硅(SiO2)凝胶玻璃基质中, 制备了金属酞菁掺杂的复合凝胶玻璃。 系统研究了酞菁铅系列、 酞菁铝系列和酞菁锌系列中不同周环取代基种类和位置对酞菁在N,N-二甲基酰胺(DMF)溶液和二氧化硅凝胶玻璃基质中的紫外-可见吸收光谱的影响, 以检测不同周环取代基的种类和位置对酞菁在不同基质中的存在状态及其影响因素。 首先研究了周环取代基种类的影响: 在DMF溶液中, 不同周环取代基-CP、 -OAr、 t-Bu的引入, 均可使大环π电子形成更大的共轭体系, 使最大电子吸收波长产生红移; 在复合凝胶玻璃中, 掺杂金属酞菁以多聚物的形式存在, 使其紫外-可见光谱中的特征吸收峰均变得弥散; 研究了周环取代基位置的影响: 对酞菁铝系列研究了周环取代基-OAr分别在α和β位时, α-AlTPOPcCl和β-AlTPOPcCl在DMF溶液和二氧化硅复合凝胶玻璃中的紫外-可见吸收光谱, 结果表明: 在DMF溶液中, 由于电子共轭效应, α位的取代基相比β位其特征峰有所红移; 在复合凝胶玻璃中, α-AlTPOPcCl的紫外-可见吸收光谱与其在DMF溶液中几乎相同, 说明α-AlTPOPcCl在这两种基质中以单体形式存在, 而β-AlTPOPcCl在复合凝胶体系中吸收光谱峰型弥散, 说明该酞菁在复合体系中多以团聚体形式存在。 研究结果为进一步研究酞菁掺杂复合凝胶玻璃的光学性能奠定了基础, 为非线性光限幅性能材料及器具的研究奠定了理论基础。

关键词: 酞菁; 复合凝胶玻璃; 紫外-可见吸收光谱
中图分类号:TQ174 文献标志码:A
Effect of Pericyclic Substitutes on the Spectral Properties of Phthalocyanine in Different Substrates
QIN Jing, WANG Ke-dong, HU Xue-fang, CHEN Xiao-yuan, LIU Chao
Department of Vehicle Engineering, Institute of Intelligent Manufacturing, Qingdao Huanghai University, Qingdao 266555, China
Abstract

Metal phthalocyanines with different peripheral substituents were doped into silica (SiO2) gel glass matrix by the Sol-gel process to prepare metal phthalocyanine doped composite gel glass. The effects of the types and positions of different cyclic substituents in lead phthalocyanine series, aluminum phthalocyanine series, and zinc phthalocyanine series on the UV visible absorption spectra of phthalocyanine in DMF solution and silica gel glass matrix were systematically studied to detect the existence status of phthalocyanine in different matrices and the influencing factors of the types and positions of different cyclic substituents. Firstly, the influence of the types of pericyclic substituents was studied: in DMF solution, the introduction of different pericyclic substituents -CP, -OAr, t-Bu can lead to the formation of a larger conjugated system of large π electrons, resulting in a red shift in the maximum electron absorption wavelength; In the composite gel glass, the doped metal phthalocyanine exists in the form of polymer, which makes the characteristic absorption peaks in the ultraviolet-visible spectrum become dispersed. Secondly, the influence of the position of cyclic substituents was studied: for the aluminum phthalocyanine series, the cyclic substituents OAr were studied, respectively α and β Bit time, α- AlTPOPcCl and Ultraviolet-visible absorption spectrum of β-AlTPOPcCl in DMF solution and silica composite gel glass. The results indicate that in DMF solution, due to the electron conjugation effect, α Compared to the substituent of position β, The characteristic peak has a redshift. In composite gel glass, The UV visible absorption spectra of α- AlTPOPcCl are almost identical to those in DMF solution, indicating that α- AlTPOPcCl exists as a monomer in these two matrices. The absorption spectra of β-AlTPOPcCl dispersed in the composite gel system, indicating that the phthalocyanine mainly existed in aggregate in the composite system. The above research results lay the experimental foundation for further research on the optical properties of phthalocyanine-doped composite gel glass and also laid the theoretical foundation for the research on nonlinear optical limiting materials and devices.

Keyword: Phthalocyanine; Composite gel glass; Ultraviolet visible absorption spectrum
引言

近年来酞菁及其配合物因其优良的非线性光限幅性能而引起科学家的广泛兴趣, 在无机基质中固化有特殊光电性能的金属酞菁以实现其材料化是近年来酞菁研究领域的热门课题[1, 2]

金属酞菁配合物在紫外-可见光区存在两个特征吸收: 位于600~800 nm的Q带和300~400 nm的B带, 分别由a1u(π )-eg* )和a2u(π )-eg* )电子跃迁产生。 当酞菁掺杂入无机基质中时, 由于无机凝胶基质的强烈散射B带被淹没, 所关注的是Q带, 其相应的分子轨道定域于酞菁环, 对酞菁分子的结构和所处的环境非常敏感。 在溶胶-凝胶体系中, 掺杂的酞菁分子极易通过π 键或范德化力形成面-面共轭二聚体, 使其具有较强的团聚倾向。 聚集体的形成会影响金属酞菁配合物的光学性质, 导致荧光的猝灭, 改变吸收光谱, 降低其非线性光学效应[3, 4]。 酞菁周环取代基的种类和位置与酞菁分子间的聚集形态密切相关, 因此系统地研究了几种酞菁系列周环取代基的种类和位置对紫外-可见吸收光谱的影响, 以此检测酞菁在不同基质中的存在状态, 为寻求抑制团聚的措施奠定理论基础和实验依据。

1 酞菁复合凝胶玻璃样品的制备及表征

以正硅酸乙酯(分析纯)和几种典型结构的酞菁(Aldrich, purity 80%)为原料, N, N-二甲基甲酰(DMF, 分析纯)、 无水乙醇(分析纯)和去离子水为溶剂。 先驱液为正硅酸乙酯、 乙醇、 水, 加入N, N-二甲基甲酰, 用盐酸催化。 加入酞菁的DMF溶液, 经过超声震荡、 陈化、 干燥制得复合凝胶玻璃, 如图1所示为酞菁铅PbPc(a)和四取代酞菁铅PbPc(CP)4(b)的复合凝胶玻璃的外观照片, 掺杂浓度均为4× 10-5(酞菁/SiO2), 两者外观颜色稍有不同, 但均为蓝绿色, 表面平整光滑, 可直接用于UV/Vis吸收光谱的测试。

图1 复合凝胶玻璃的外观照片
(a): 酞菁铅; (b): 四取代酞菁铅
Fig.1 Appearance photo of composite gel glass
(a): PbPc; (b): PbPc(CP)4

采用美国VARIAN公司Cary50紫外-可见分光光度计对不同酞菁系列在DMF溶液和复合凝胶玻璃中的样品进行UV/Vis吸收光谱的测试。

2 结果与讨论
2.1 周环取代基种类的影响

2.1.1 PbPc与 PbPc(CP)4

PbPc和PbPc(CP)4结构见图2。 该两种酞菁在DMF溶液和复合凝胶玻璃两种不同基质中的UV/Vis吸收光谱见图3。 图3(a)中PbPc、 PbPc(CP)4的Q带特征吸收峰形尖锐, 说明该酞菁在DMF溶液中主要以单体形式存在。 分析原因重金属原子Pb能加大分子间的排斥力, 有效地阻止二聚行为的发生。 比较两条曲线可以发现PbPc(CP)4比 PbPc吸收峰的位置有红移, 分析认为酞菁环上供电子基团-CP引入, 大环的π 电子可与-CP中氧原子的非键n电子形成更大的共轭体系, 而降低了π — π * 之间的能级差, 使最大电子吸收波产生红移。

图2 不同酞菁铅的结构示意图Fig.2 Structural diagram of different lead phthalocyanines

图3 酞菁铅系列在不同基质中的UV/Vis吸收光谱
(a): DMF溶液(摩尔浓度为: 0. 5× 10-5 mol· L-1); (b): 复合凝胶玻璃[掺杂浓度为: 4× 10-5(酞菁/SiO2)]
Fig.3 UV/Vis absorption spectra of lead phthalocyanine series in different matrices
(a): DMF solution (Molar concentration: 0.5× 10-5 mol· L-1); (b): Composite gel glass [The doping concentration is: 4× 10-5 (phthalocyanine/SiO2)]

图3(b)为酞菁掺杂复合凝胶玻璃的紫外-可见吸收光谱, 图中显示不管掺杂哪种酞菁Q带吸收峰形弥散, 吸收峰位置均发生蓝移, 说明此时 PbPc、 PbPc(CP)4主要是以多聚物的形式存在于凝胶玻璃基质中, 分析认为制作凝胶玻璃过程中由于溶液的挥发, 体积集聚浓缩使得掺杂其中的PbPc、 PbPc(CP)4相对浓度急剧增大, 使其分子之间的相互作用增强而产生团聚。 虽然PbPc(CP)4中在酞菁环上有取代基-CP的引入可以产生空间位阻效应, 使酞菁环之间的距离增大, 但是只是对横向位阻有效, 反而增加了酞菁“ 肩并肩” 团聚的概率。 分子-激子理论中描述[5], 分子团聚有三种形态, 即平行(H形式)、 头尾(J形式)和交错(H或J形式)三种聚集方式。 对于平行聚集体, 分子能态分裂的结果是只允许高能跃迁, 即酞菁分子的S0-S1吸收在H聚集体中较单体出现蓝移。 因此PbPc(CP)4在复合凝胶玻璃中, 由于取代基的引入聚集体多是平行聚集体, 即H形聚集体。

2.1.2 AlPcOH与β -AlTPOPcOH

两种酞菁的结构见图4。 其中AlPcOH和β -AlTPOPcOH在DMF溶液与复合凝胶玻璃中的UV/Vis吸收光谱见图5。

图4 不同周环取代基酞菁铝的结构示意图
(a): AlPcOH; (b): β -AlTPOPcOH
Fig.4 Structural diagram of aluminum phthalocyanines with different peripheral substituents
(a): AlPcOH; (b): β -AlTPOPcOH

图5 酞菁铝系列在不同基质中的UV/Vis吸收光谱
(a): DMF溶液(摩尔浓度为: 2. 5× 10-5 mol· L-1); (b): 复合凝胶玻璃[掺杂浓度为: 5× 10-5(酞菁/SiO2)]
Fig.5 UV/Vis absorption spectra of aluminum phthalocyanine series in different matrices
(a): DMF solution (Molar concentration: 2. 5× 10-5 mol· L-1); (b): Composite gel glass [The doping concentration is: 5× 10-5 (phthalocyanine/SiO2)]

图5(a)中可以看到两种酞菁均存在标准的特征B带和Q带吸收峰, 说明酞菁主要是以单体存在其中的。 另外, β -AlTPOPcOH Q带吸收峰与AlPcOH比较红移几个纳米, 也是由于酞菁环上引入-OAr供电子基团, 从而降低了π — π * 之间的能级差, 使最大电子吸收波长产生红移。

图5(b)与图5(a)相比较峰的形状和位置稍有变化, 二聚体吸收峰640~650 nm强度有所增强, 是由于溶解-凝胶过程的影响所致。 但是AlPcOH单体特征峰的精细结构仍然存在, 原因是轴向取代基-OH的引入增加了酞菁轴向的空间位阻, 有效的抑制了H形聚集体的产生。 β -AlTPOPcOH与AlPcOH相比团聚程度增加, 原因主要是: 传统的理论认为周环取代基-OAr的引入本应该增加了酞菁的空间位阻, 有效的抑制J形聚集体的产生, 但是在SiO2凝胶玻璃基质中-OAr的引入使酞菁环变大, 共轭体系增加, 对金属酞菁分子之间的相互作用更加有利, 更易于发生H形聚集体的团聚。 此结论在图5(b)中也可以得到证实。

2.1.3 ZnPc、 ZnHFPc 、 ZnTTBPc

ZnPc、 ZnHFPc、 ZnTTBPc的结构分别见图6。 这几种酞菁锌在DMF溶液与复合凝胶玻璃中的UV/Vis吸收光谱见图7。

图6 不同酞菁锌的结构示意图Fig.6 Structural diagram of different phthalocyanine zinc

图7 酞菁锌系列在不同基质中的UV/Vis吸收光谱
(a): DMF溶液(摩尔浓度为: 1× 10-5 mol· L-1); (b): 复合凝胶玻璃[掺杂浓度为: 5× 10-5(酞菁/SiO2)]
Fig.7 UV/Vis absorption spectra of zinc phthalocyanine series in different matrices
(a): DMF solution(Molar concentration: 1× 10-5 mol· L-1); (b): Composite gel glass [The doping concentration is: 5× 10-5 (phthalocyanine/SiO2)]

图7(a)中, 周环取代基对酞菁Q带吸收峰的形状、 位置和强度有很大影响。 当三种酞菁溶液浓度相同时, ZnTTBPc相对无取代酞菁ZnPc吸收峰位置有所红移, 而ZnHFPc相对ZnPc则有所蓝移, 吸收峰强度关系为ZnHFPc< ZnPc< ZnTTBPc, 同时可以看出ZnHFPc的Q带吸收峰宽化, 二聚体吸收峰明显增强, 分析认为主要因取代基不同所引起。 ZnTTBPc吸收峰的位置比ZnPc发生红移, 峰的强度增加是由于叔丁基(t-Bu)的引入降低HOMO-LUMO之间的能级差所致。 相反ZnHFPc中取代基为吸电子基团, -F的引入增加了HOMO-LUMO之间的能级差, 吸收峰发生蓝移、 强度减弱, 由于取代基-F的引入虽然增加了酞菁横向的空间位阻, 但易形成平行二聚体, 而对平行二聚体只有高能跃迁是允许的, 从而也使得吸收峰发生蓝移。

图7(b)中三种酞菁吸收峰明显变的弥散宽化, 酞菁单体的特征吸收峰消失, 说明酞菁在复合凝胶玻璃中以多聚物的形式存在。 分析认为在溶解-凝胶过程中, 随水和醇的不断蒸发, 酞菁的相对浓度增加, 分子间的作用力增强, 发生了团聚, 另外在凝胶玻璃阶段酞菁被包括在SiO2的孔隙当中, 随着孔隙中残留水和醇的挥发, 酞菁之间发生进一步团聚。 从而酞菁单体基本消失主要是以多聚物或团簇形式存在。

2.2 周环取代基位置的影响

α -AlTPOPcCl和β -AlTPOPcCl的结构见图8。 这两种酞菁在DMF溶液与复合凝胶玻璃中的UV/Vis吸收光谱见图9(a, b)。 当两种酞菁具有相同取代基时, 取代基的位置会对Q带吸收峰有较大影响。 取代基在α 位时比在β 位的最大吸收波长红移约20 nm。 根据有机化合物的电子光谱理论, 给电子基团-OAr在α 位置时, 由于共轭效应的存在, 会增强其n(π )轨道与母体化合物酞菁的π 轨道相互作用, 从而导致了酞菁最大吸收波长红移。 而在β 位-OAr取代酞菁情况下这种共轭效应较小, 因此-OR取代对吸收峰的影 响也很小。

图8 取代基位置不同的酞菁铝结构示意图Fig.8 Structural diagram of aluminum phthalocyanine with different substituent positions

图9 α -AlTPOPcCl和β -AlTPOPcCl在不同基质中的UV/Vis吸收光谱
(a): DMF溶液(摩尔浓度为: 1.25× 10-5 mol· L-1); (b): 复合凝胶玻璃[掺杂浓度为: 2.5× 10-5(酞菁/SiO2)]
Fig.9 α -AlTPOPcCl and β -AlTPOPcCl UV/Vis absorption spectra in different substrates
(a): DMF solution (Molar concentration: 1.25× 10-5 mol· L-1); (b): Composite gel glass [The doping concentration is: 2.5× 10-5 (phthalocyanine/SiO2)]

图9(b)可以看出取代基-OAr不单对酞菁最大吸收波长的位置有影响还对其聚集态有很大影响。 在复合凝胶玻璃中, 取代基在α 位时, 酞菁的存在状态与在DMF溶液中几乎相同, 主要以单体形式存在, 没有二聚体的增加。 而取代基在β 位时, 酞菁团聚程度大大增加, 二聚体的吸收峰超过单体, 酞菁以二聚体、 单体并存其中。 原因是α 位取代的苯并基团相对拥挤, 只能部分在酞菁环的上面或下面, 阻碍了其他酞菁分子接近形成二聚体, 因此与β 位取代相比较, α 位取代有更少团聚趋势[6]

3 结论

采用溶胶-凝胶工艺法将不同周环取代的酞菁均掺入二氧化硅(SiO2)凝胶玻璃基质中, 成功制备了酞菁掺杂的复合凝胶玻璃。

通过对不同周环取代酞菁在DMF溶液中紫外-可见吸收光谱的对比得出周环取代基-CP、 -OAr、 t-Bu的引入, 可使大环的π 电子形成更大的共轭体系, 从而降低了π — π * 之间的能级差, 使最大电子吸收波长产生红移。 在复合凝胶玻璃中酞菁吸收峰变的弥散, 酞菁以多聚物的形式存在的, 因周环取代基的引入虽然增加了酞菁的空间位阻, 有效抑制J形聚集体的产生, 而由于酞菁环共轭体系的增加, 更有利于H形聚集体的产生。

通过对α -AlTPOPcCl和β -AlTQOPcCl酞菁相同周环取代基-OAr不同取代位置的研究表明, 取代基的位置不同会对酞菁在不同基质中的紫外-可见吸收光谱产生影响, 在DMF溶液中α 位的取代基相比β 位的取代基特征峰有所红移, 是因电子共轭效应产生。 在凝胶玻璃玻璃中α 位的取代基仍以单体形式存在, 与DMF溶液中几乎相同, 有效抑制了二聚体的形成。 β 位取代基的峰型弥散, 说明酞菁多以团聚体存在。

参考文献
[1] MA Peng-fei, LIU Da-jun, ZHOU Fen-guo(马鹏飞, 刘大军, 周奋国). Infrared and Laser Engineering(红外与激光工程), 2020, 49(1): 107. [本文引用:1]
[2] O'flaherty M S, Hold S V, Hanack M, et al. Adv. Mater. , 2003, 15(1): 19. [本文引用:1]
[3] GUO Yu-mei, TAN Li, HUANG Wen-bo, et al(郭玉梅, 谈莉, 黄文博, ). Chemical Industry and Engineering Progress(化学进展), 2021, 40(11): 6262. [本文引用:1]
[4] CHEN Gang, ZHANG Zhen, YANG Hong-wei, et al(陈刚, 张震, 杨洪伟, ). Acta Optica Sinica, 42(22): 2219003. [本文引用:1]
[5] Kasha M. Spectroscopy of the Excited State. New York, Pleum Press, 1976, 171. [本文引用:1]
[6] Robert D G, Arthor W S, James S S, et al. Porphyrin and Phthalocyanine, 1998, (2): 1. [本文引用:1]