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1、有机功能材料简介王 华，13569501500特种功能材料教育部重点实验室http:/ 1987.7 徐州师范大学化学系，化学专业，学士1987.9 1990.7 中国科学技术大学化学系，有机化学专业，硕士1990.7 1993.8 河南大学化学化工系，助教1992.9 1995.7 中国科学院感光化学所，有机化学专业，博士1993.9 1996.10 河南大学化学化工学院，讲师1996.11 2004.10 河南大学化学化工学院，副教授1997.8 1999.4 以色列西伯莱大学物理化学系，博士后1999.6 2002.4 美国内布拉斯加大学林肯分校化学系，博士后2002.5 2004.5
2、美国德克萨斯大学奥斯汀分校化学系，博士后2004.7 特种功能材料教育部重点实验室（河南大学）（特聘）教授学科专业：有机化学；研究方向：有机光电功能材料、有机合成化学无机化学有机化学分析化学物理化学有机功能材料：有机功能材料：光电磁声光电磁声物理有机化学有机合成化学天然产物化学金属有机化学 化学生物学绿色化学物理有机化学有机合成化学天然产物化学金属有机化学 化学生物学绿色化学有机新材料化学有机新材料化学药物化学计算化学药物化学计算化学学科交叉学科交叉 有机化学、物理化学、物理学、材料学有机化学、物理化学、物理学、材料学光功能材料 光致发光材料、电致发光材料、光电转换材料、光储能材料、光折变材料
3、光致发光材料、电致发光材料、光电转换材料、光储能材料、光折变材料光功能材料特征应用发光光致发光：荧光化学传感器（荧光标志技术） 电致发光：有机发光二极管（特征应用发光光致发光：荧光化学传感器（荧光标志技术） 电致发光：有机发光二极管（OLED/PLED） 化学发光：荧光棒光电转换半导体光电池（物理） 染料敏化太阳能电池（化学）光诱导电子转移 （） 化学发光：荧光棒光电转换半导体光电池（物理） 染料敏化太阳能电池（化学）光诱导电子转移 （PET）人工模拟光合作用（能源） 光折变材料（信息）光化学转换光价键异构化（储能材料） 卤化银光还原（照相技术，信息材料） 光刻胶（微细加工技术）光导静电复印技
4、术）人工模拟光合作用（能源） 光折变材料（信息）光化学转换光价键异构化（储能材料） 卤化银光还原（照相技术，信息材料） 光刻胶（微细加工技术）光导静电复印技术课程安排光化学的基本原理光致发光：荧光化学传感器电致发光：有机、高分子发光二极管（OLED/PLED）染料敏化太阳能电池（化学）光化学的基本原理什么是发光（什么是发光（luminescence）?Luminescence is an emission of ultraviolet, visible or infrared photons from an electronically excited species. 发光发光是一种来自电子
5、激发态物种所发出的紫外、可见以及红 外光子的过程。是一种来自电子激发态物种所发出的紫外、可见以及红 外光子的过程。发光的类型发光的类型：光致发光 （荧光、磷光、延迟荧光）、：光致发光 （荧光、磷光、延迟荧光）、辐射发光、阴极发 光、电致发光、热致发光、化学发光、生物发光、摩擦发光、 声致发光。辐射发光、阴极发 光、电致发光、热致发光、化学发光、生物发光、摩擦发光、 声致发光。发光物种的分类：发光物种的分类：有机化合物有机化合物：芳香碳氢化合物（萘、蒽、菲、芘等）、荧光 素、罗丹明、香豆素、嗪、多烯、二苯多烯、氨基酸（色氨 酸、酪氨酸、苯丙氨酸）等：芳香碳氢化合物（萘、蒽、菲、芘等）、荧光 素、
6、罗丹明、香豆素、嗪、多烯、二苯多烯、氨基酸（色氨 酸、酪氨酸、苯丙氨酸）等无机化合物无机化合物：铀酰正离子（：铀酰正离子（UO2+）、镧系离子（如）、镧系离子（如Eu3+、 Tb3+）、掺杂玻璃（如）、掺杂玻璃（如Nd, Mn, Ce, Sn, Cu, Ag），晶体（），晶体（ZnS, CdS, ZnSe, CdSe, GaS, GaP, Al2O3/Cr3+（红宝石）等（红宝石）等1、构造原理、构造原理a) 能量最低原理能量最低原理: 电子在原子或分子中将优先占据能量最低的轨道。电子在原子或分子中将优先占据能量最低的轨道。b) Pauli 不相容原理不相容原理：同一轨道中的二个电子的自旋方向
7、必须相反。：同一轨道中的二个电子的自旋方向必须相反。c) Hund 规则规则：在能量相同的轨道（简并轨道）中的电子将以自旋 平行的方式分占尽可能多的轨道。：在能量相同的轨道（简并轨道）中的电子将以自旋 平行的方式分占尽可能多的轨道。基态（基态（Ground State)：分子中的所有电子排布完全遵守构造原理时 分子所处的状态。分子中的所有电子排布完全遵守构造原理时 分子所处的状态。激发态（激发态（Excited State)：分子中的电子排布不完全遵守构造原理时分子所处的状态。分子中的电子排布不完全遵守构造原理时分子所处的状态。第一章光化学的基本原理光化学是上世纪六十年代形成的一个新兴分支学科
8、，是涉及物理和化学 的交叉学科。光化学是上世纪六十年代形成的一个新兴分支学科，是涉及物理和化学 的交叉学科。光化学研究的是电子激发态分子的物理过程和化学行为。光化学研究的是电子激发态分子的物理过程和化学行为。2、光化学定律、光化学定律a) Grothus-Draper定律定律：只有被反应体系吸收的光才能引起光化学反应。：只有被反应体系吸收的光才能引起光化学反应。b)Stark-Einstein定律定律：每一个吸收并消失的反应物分子只吸收一个光量子。（随着激光的引入，已出现了双光子效应来实现分子的激发，即一个分子通过吸收两个低能光子达到激发态。）：每一个吸收并消失的反应物分子只吸收一个光量子。（
9、随着激光的引入，已出现了双光子效应来实现分子的激发，即一个分子通过吸收两个低能光子达到激发态。）c)Lambert-Beer定律定律：一束准直的单色光，在均匀而各向同性介质中的吸光度是正比于光程长：一束准直的单色光，在均匀而各向同性介质中的吸光度是正比于光程长l，以及吸收物种的浓度，以及吸收物种的浓度c或其压力（在气相时）。或其压力（在气相时）。A = log (Io/I) = c lwhere A is the absorbance or optical density, l is the path length of the cuvette(in cm), c is the concent
10、ration (in M, mM, or M), and is the extinctioncoefficient. 第一章光化学的基本原理3、光和分子的相互作用、光和分子的相互作用 - 激发态的产生激发态的产生光与分子的相互作用的时间约为光与分子的相互作用的时间约为10-15sC-H键的伸缩运动的频率约为键的伸缩运动的频率约为10-13s电子在轨道上的跃迁所需时间约为电子在轨道上的跃迁所需时间约为10-18s原子或原子团的直径通常为原子或原子团的直径通常为2-10 结论：在光与分子的发生相互作用的时间里，分子的构型来不及改变结论：在光与分子的发生相互作用的时间里，分子的构型来不及改变(垂直跃
11、迁垂直跃迁)，但对于电子完成轨道跳跃却有足够的时间保证。，但对于电子完成轨道跳跃却有足够的时间保证。 - Frank-Condon原理原理第一章光化学的基本原理4、电子激发所需的能量、电子激发所需的能量E= 2.8610104 4(kcal/mol)nm/(kcal/mol)nm/通常有机分子激发所需的最低能量为通常有机分子激发所需的最低能量为30kcal/mol, 最高能量为最高能量为140kcal/mol分别对应于波长为分别对应于波长为700nm和和200nm的光，即在紫外与可见光的范围。的光，即在紫外与可见光的范围。第一章光化学的基本原理第一章光化学的基本原理Color distribu
12、tion of visible lightColorWavelength (nm)Representative Red780 - 630700Orange 630 - 600620Yellow600 570580Green570 500550Cyan500 470500Blue470 420470Violet380 420400第一章光化学的基本原理第一章光化学的基本原理第一章光化学的基本原理电离能和电子亲合力电离能和电子亲合力从一个气态分子中排出一个电子生成一价气态正离子所需的最小 能量是这个分子的第一从一个气态分子中排出一个电子生成一价气态正离子所需的最小 能量是这个分子的第一电离势（电离
13、势（IP）电子亲合能（）电子亲合能（EA）是原子或分子获得一个电子成为一价负离子时所 放出的能量。是原子或分子获得一个电子成为一价负离子时所 放出的能量。 EA与与IP分别为基态的电子亲合能与电离势；分别为基态的电子亲合能与电离势；EA*与与IP*分别为激发态的电子亲合能与电离势分别为激发态的电子亲合能与电离势, 得失电子均易得失电子均易。第一章光化学的基本原理电子激发态的多重度电子激发态的多重度电子激发态的多重度：电子激发态的多重度：M=2S+1 S S为电子自旋量子数的代数和(0或1)； 平行自旋比成对自旋稳定(洪特规则)，三重态能级比相 应单重态能级低； 大多数有机分子的基态处于单重态；
14、为电子自旋量子数的代数和(0或1)； 平行自旋比成对自旋稳定(洪特规则)，三重态能级比相 应单重态能级低； 大多数有机分子的基态处于单重态；S0T1禁阻跃迁；禁阻跃迁； 通过其他途径进入通过其他途径进入 (见能级图见能级图)；进入的 几率小；进入的 几率小；第一章光化学的基本原理选择规则选择规则第一章光化学的基本原理第一章光化学的基本原理第一章光化学的基本原理 吸收带可以发生红移吸收带可以发生红移（Bathochromic）称之为正溶致变色称之为正溶致变色 也可以发生蓝移（也可以发生蓝移（Hypsochromic）称为负溶致变色称为负溶致变色单重态的（单重态的（n, *）和（）和（, *）性质
15、比较）性质比较1（n, *）1（ （ , *）吸收强度弱强偶极距变小变大溶剂效应极性增加，蓝移极性增加，红移跃迁的偏振性垂直于分子平面平行于分子平面能量通常为最低能级跃迁（大共轭体系有例外）吸收强度弱强偶极距变小变大溶剂效应极性增加，蓝移极性增加，红移跃迁的偏振性垂直于分子平面平行于分子平面能量通常为最低能级跃迁（大共轭体系有例外）第一章光化学的基本原理UV spectrum第一章光化学的基本原理电子处于激发态是不稳定状态，返回基态时，通过辐射 跃迁电子处于激发态是不稳定状态，返回基态时，通过辐射 跃迁(发光发光)和无辐射跃迁等方式失去能量；和无辐射跃迁等方式失去能量；传递途径传递途径辐射跃迁荧光延迟荧光磷光内转换外转换系间跨越振动弛预无辐射跃迁激发态基态的能量激发态基态的能量衰变途径衰变途径What happened when light is absorbed ?第一章光化学的基本原理能量衰变途径能量衰变途径VR, vibrational relaxation, 振动驰豫；振动驰豫； F, fluorescence, 荧光；荧光；P, phosphorescence, 磷光；磷光；IC, internal conversion, 内转换；内转换；ISC, intersystem crossing, 系间窜跃；系间窜跃；CR, chemical reaction, 光化学反应；
