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Angew:活性超分子聚合策略生長份菁染料的J-型聚集體納米片

來源:化學加原創(chuàng)      2023-12-07
導讀:近日,德國維爾茨堡大學Frank Würthner教授在制備份菁染料的J-聚集體納米片方面取得新進展,相關研究成果以“Growth of Merocyanine Dye J-Aggregate Nanosheets by Living Supramolecular Polymerization”為題發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.上。本文報道了基于含有烷基和低聚(乙二醇)側鏈的雙親性份菁(MC)染料的制備新策略。在含水的混合溶劑體系中,MC染料的納米顆粒和納米片分別呈現H-型和J-型聚集特征。紫外-可見吸收光譜、原子力顯微鏡和廣角X-射線衍射實驗數據證明雙親性MC染料的2D納米片結構易實現滑移堆積。此外,利用活性超分子聚合策略還可以實現對納米片尺寸的調控。文章鏈接DOI: 10.1002/anie.202314667。

正文

份菁(MC)染料是一類結構種類繁多且用途廣泛的非離子型染料。該染料是由聚甲基鏈連接的雜環(huán)供體和受體基團組成。染料中明顯的電子推拉效應使其具有較大的躍遷偶極矩,從而易形成反平行堆積的二聚體結構,同時伴隨著光譜的移動。此外,由電荷靜電相互作用引起的“偶極聚集”的高結合強度提供了高定向性,作者團隊利用這一特性制備了多種超分子結構,包括的寡聚體堆積、納米棒和膠束。下載化學加APP到你手機,更加方便,更多收獲。

本文中,作者發(fā)現合成的染料MC1可以形成兩種超分子異質體,一種是亞穩(wěn)態(tài),非主要途徑的納米顆粒,顯示H-型聚集,另一種是熱力學上有利的納米片,顯示J-型聚集。盡管雙親性MC染料表現出對由于共軛和反平行疊加的染料組成一維堆積的明顯偏好,但通過立體手段和雙層結構中的雙親性,足夠產生二維聚集結構。通過UV-vis光譜學研究自組裝機制,通過原子力顯微鏡和廣角X-射線散射研究堆積結構的詳細研究表明,這種兩性MC染料的堆積排列能夠形成滑動堆疊的二維J-型納米片。作為附加特性,作者展示了如何通過有種子的動態(tài)超分子聚合來控制納米片的尺寸。

MC1是一種給體含低聚乙二醇(OEG)鏈的苯并噻唑基團,供體含十三烷基的4-(二氰基亞甲基)-4H-吡喃基團(Figure 1)。紫外-可見吸收光譜測試發(fā)現MC1在不同溶劑中的吸收峰位置發(fā)生了位移,具有明顯的溶劑化效應。隨著溶劑極性的增加,0-0帶發(fā)射逐漸取代0-1躍遷成為主導。

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Figure 1. 份菁染料MC1中性(DA)和離子型(D+A-)共振結構

(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

接下來,作者研究了MC1在乙腈-水體系中的自組裝行為(Figure 2)。在乙腈溶液中,MC1單體的發(fā)射在549 nm。當乙腈-水的體積分數達到1:9時,MC1的聚集體Agg1開始形成并伴隨著光譜的移動,吸收峰位于498 nm處。時間相關紫外-可見吸收光譜顯示在293 K下,Agg1逐漸轉變?yōu)闊崃W穩(wěn)定的Agg2聚集體,吸收峰位移至625 nm。由此可見,Agg1Agg2的轉化速率取決于乙腈-水體系的溶劑比例和溫度。在高水分含量時,Agg1在293 K下處于動力學穩(wěn)定狀態(tài)。將溫度提升至313 K時,Agg1就會在50 h內轉化為Agg2。

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Figure 2. 293 K時MC1在乙腈和乙腈-水體系中的吸收光譜

(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

為了進一步闡明兩種多晶的堆積結構,作者對Agg1Agg2進行了原子力顯微鏡(AFM)和掃描電鏡(SEM)的表征(Figure 3)。AFM高度圖像表明Agg1納米顆粒的高度在1.1 ± 0.2 nm(Figure 3a, b)。小的顆粒直徑和H型耦合模式表明MC1形成了面對面緊密堆積的二聚體結構。相比之下,Agg2的形貌為高度在4.0 ± 0.4 nm的較大2D納米片(Figure 3c, d)。

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Figure 3. (a) Agg1在比色皿中的照片;(b)Agg1的AFM高度圖像;(c)Agg2在比色皿中的照片;(d) Agg2的AFM高度圖像

(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

此外,在超聲的作用下,納米片可以被分解為更小的片狀結構,但是Agg2的聚集模式沒有發(fā)生變化。作者結合AFM、廣角X-射線散射(WAXS)和紫外-可見吸收光譜結構推測Agg2是雙層且具有膜結構的堆積方式(Figure 4)。MC1的親水性OEG鏈均朝向納米片的外部,疏水性烷基鏈朝向納米片的中心。堆積模型顯示MC分子以滑移堆積的方式排列,利于實現J-型庫倫和J-型電荷轉移耦合。

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Figure 4. Agg2的堆積模式示意圖
(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

最后,作者探究了Agg1Agg2之間轉化行為的調控機制。在298 K下的乙腈-水(1:9)體系中,連續(xù)采集Agg1在3 h內的紫外-可見吸收光譜的變化。如Figure 5a所示,在293 K下,處于平衡狀態(tài)的Agg2樣品在超聲3分鐘后會形成更小的聚集體(Agg2Seed)。將Agg2SeedAgg1進行1:1的比例混合后,作者采集了其時間相關的紫外-可見吸收光譜。在第一個周期循環(huán)后,移除掉1當量的超分子聚合物溶液以保持相同的體積分數,之后再加入1當量的Agg1。如此循環(huán)3-4個周期后,時間相關的紫外-可見吸收光譜數據證明每加入Agg1納米顆粒后,Agg2的超分子聚合過程開始(Figure 5b)。在此周期中,活性晶種的數量減半,Agg2的聚合速率也隨之降低。同時,Agg2納米片在2D生長過程中,尺寸的增大也會提高聚合速率。

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Figure 5. (a)樣品制備流程;(b)不同時刻下化合物在乙腈-水體系中的吸收強度變化

(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

總結

德國維爾茨堡大學Frank Würthner教授通過細化實驗條件實現了可控制備新型兩親性份菁染料的納米片,該雙層結構的納米片表現為層間滑移堆積,具有J-型聚集體特征。同時,利用活性超分子聚合策略還可以對納米片的尺寸進行調控。盡管MC染料傾向于形成1D堆積,但是通過調節(jié)基團的位阻和雙親性仍有可能實現2D聚集體結構的制備。此外,如同在其它兩性親脂染料,對于MC染料,通過對立體和親水親油側鏈比例的進一步優(yōu)化,可能實現高度理想的管狀結構。

文獻詳情:

Lara Kleine-Kleffmann, Alexander Schulz, Vladimir Stepanenko, Frank Würthner*Growth of Merocyanine Dye J-Aggregate Nanosheets by Living Supramolecular Polymerization. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, https://doi.org/10.1002/anie.202314667

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