有機光致變色材料

1、創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -1 1- -有機光致變色材料有機光致變色材料陳悅陳悅二二八年十二月八年十二月創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -2 2- -1.有機光致變色材料的分類有機光致變色材料的分類2.有機光致材料的用途有機光致材料的用途3.新型有機光致材料螺新型有機光致材料螺噁噁嗪的合成方法嗪的合成方法4.有機光致變色材料在光信息處理中的應(yīng)用有機光致變色材料在光信息處理中的應(yīng)用創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -3 3- - 有機光致變色現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)至今已有有機光致變色現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)至今已有100 多年的歷多年的歷史。史。1867年年Fritzsche 觀察到黃色的并四苯在空觀察到黃色的并四苯在空氣和光作用下的褪色現(xiàn)象氣

2、和光作用下的褪色現(xiàn)象,所生成的物質(zhì)受熱時重所生成的物質(zhì)受熱時重新生成并四苯新生成并四苯,變回原來的顏色。變回原來的顏色。20 世紀世紀50年代年代Hirshberg 陸續(xù)報道了關(guān)于螺吡蝻類化合物受光陸續(xù)報道了關(guān)于螺吡蝻類化合物受光照變色照變色,在另一波長的光照射下或熱的作用下又能在另一波長的光照射下或熱的作用下又能恢復(fù)到原來顏色的現(xiàn)象恢復(fù)到原來顏色的現(xiàn)象,并把上述現(xiàn)象稱為光致變并把上述現(xiàn)象稱為光致變色現(xiàn)象色現(xiàn)象(photochromism) 。創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -4 4- -光致變色現(xiàn)象光致變色現(xiàn)象 光致變色現(xiàn)象是指一個化合物光致變色現(xiàn)象是指一個化合物(A) 在受到一定波長的光照在受到一

3、定波長的光照射時射時,可進行特定的光化學(xué)反應(yīng)可進行特定的光化學(xué)反應(yīng),獲得產(chǎn)物獲得產(chǎn)物(B) ,由于結(jié)構(gòu)或由于結(jié)構(gòu)或電子組態(tài)的改變而導(dǎo)致其吸收光譜發(fā)生明顯的變化電子組態(tài)的改變而導(dǎo)致其吸收光譜發(fā)生明顯的變化;而在而在另一波長光的照射下或熱的作用下另一波長光的照射下或熱的作用下,又能恢復(fù)到原來的形又能恢復(fù)到原來的形式。式。 其典型的紫外其典型的紫外- 可見吸收可見吸收 光譜和光致變色反應(yīng)可光譜和光致變色反應(yīng)可 以用圖以用圖1 - 1 定性描述定性描述創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -5 5- -1 有機光致變色化合物的分類有機光致變色化合物的分類螺吡喃類螺吡喃類1. 1螺吡喃螺吡喃( spiropyran)

4、 是最早進行研究且研究得廣泛、比是最早進行研究且研究得廣泛、比較深較深入的一類有機光致變色化合物。螺吡喃變色過程是通過鍵的入的一類有機光致變色化合物。螺吡喃變色過程是通過鍵的異裂，發(fā)生分子內(nèi)的周環(huán)反應(yīng)異裂，發(fā)生分子內(nèi)的周環(huán)反應(yīng),生成具有共軛結(jié)構(gòu)的開環(huán)生成具有共軛結(jié)構(gòu)的開環(huán)化合物?；衔铩Ｗ兩磻?yīng)為變色反應(yīng)為:創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -6 6- - 螺吡喃具有較好的光致變色性，其缺點就是抗疲勞性較差，易被氧螺吡喃具有較好的光致變色性，其缺點就是抗疲勞性較差，易被氧化降解且開環(huán)吸收的波長一般都小于化降解且開環(huán)吸收的波長一般都小于600nm.1. 2 螺螺噁噁嗪類嗪類螺螺噁噁嗪嗪( spirooxa

5、zine) 是是20 世紀世紀70 年代在螺吡喃基礎(chǔ)上發(fā)年代在螺吡喃基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類具有良好光致變色性能的化合物。其變色過程與展起來的一類具有良好光致變色性能的化合物。其變色過程與螺吡喃相似螺吡喃相似,變色反應(yīng)為變色反應(yīng)為:螺螺噁噁嗪是一類具有很高抗疲勞性和光穩(wěn)定性的光致變色化嗪是一類具有很高抗疲勞性和光穩(wěn)定性的光致變色化合物。它具有響應(yīng)快、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、抗疲勞性好等優(yōu)點合物。它具有響應(yīng)快、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、抗疲勞性好等優(yōu)點,是最是最有希望進入應(yīng)用領(lǐng)域的光致變色材料。有希望進入應(yīng)用領(lǐng)域的光致變色材料。 創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -7 7- -創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -8 8- - 俘精酸酐光、熱

6、穩(wěn)定性好，儲存壽命長，抗疲勞性好，俘精酸酐光、熱穩(wěn)定性好，儲存壽命長，抗疲勞性好，可擦寫萬次以上是一種可擦寫的光存儲材料。一些苯基取可擦寫萬次以上是一種可擦寫的光存儲材料。一些苯基取代的俘精酸酐在晶態(tài)、溶液、玻璃和聚合物中都觀察到了代的俘精酸酐在晶態(tài)、溶液、玻璃和聚合物中都觀察到了光致變現(xiàn)象，并且有明顯的溶劑化顯色現(xiàn)象。目前研究最光致變現(xiàn)象，并且有明顯的溶劑化顯色現(xiàn)象。目前研究最深入的是用呋喃取代的俘精酸酐。深入的是用呋喃取代的俘精酸酐。創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -9 9- - 偶氮化合物的不足之處就是變色前后吸收光譜吸收較小偶氮化合物的不足之處就是變色前后吸收光譜吸收較小并且熱穩(wěn)定性差，但是偶

7、氮化合物作為新型信息存儲材料并且熱穩(wěn)定性差，但是偶氮化合物作為新型信息存儲材料有超高存儲密度和非破壞性信息讀出等特性。有超高存儲密度和非破壞性信息讀出等特性。創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -1010- -創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -1111- - 與偶氮、螺吡喃、螺與偶氮、螺吡喃、螺噁噁嗪等光致變色化合物相比，二芳嗪等光致變色化合物相比，二芳基乙烯類化合物具有非常優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、抗疲勞性和快基乙烯類化合物具有非常優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、抗疲勞性和快速響應(yīng)性的優(yōu)點。速響應(yīng)性的優(yōu)點。創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -1212- - 萘醌類光致變色材料其最大的優(yōu)點是可循環(huán)次數(shù)高，萘醌類光致變色材料其最大的優(yōu)點是可循環(huán)次數(shù)高

8、，可逆轉(zhuǎn)換發(fā)生可逆轉(zhuǎn)換發(fā)生500次而不傷害材料，另一顯著特點就是在次而不傷害材料，另一顯著特點就是在室溫下幾乎無消色現(xiàn)象室溫下幾乎無消色現(xiàn)象創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -1313- - 紫精類化合物是一類很特殊的有機物紫精類化合物是一類很特殊的有機物,它具有優(yōu)良的氧它具有優(yōu)良的氧化還原性質(zhì)化還原性質(zhì),可通過化學(xué)、電化學(xué)和光化學(xué)等方法發(fā)生氧化可通過化學(xué)、電化學(xué)和光化學(xué)等方法發(fā)生氧化還原反應(yīng)還原反應(yīng),并隨有顯著的顏色變化研究表明紫精類化合物是并隨有顯著的顏色變化研究表明紫精類化合物是很好的光致變色化合物很好的光致變色化合物,同時還發(fā)現(xiàn)具有大分子雜環(huán)的化合同時還發(fā)現(xiàn)具有大分子雜環(huán)的化合物物,具有很好的抗

9、微生物活性具有很好的抗微生物活性,可用以制作生物學(xué)材料可用以制作生物學(xué)材料 。創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -1414- -3.光致變色材料的應(yīng)用光致變色材料的應(yīng)用(1)信息存儲元件信息存儲元件 利用光致變色化合物受不同強度和波長光照射時可反利用光致變色化合物受不同強度和波長光照射時可反復(fù)循環(huán)變色的特點，可以將其制成計算機的記憶存儲元件，復(fù)循環(huán)變色的特點，可以將其制成計算機的記憶存儲元件，實現(xiàn)信息的記憶與消除過程，其記錄信息的密度大得難以實現(xiàn)信息的記憶與消除過程，其記錄信息的密度大得難以想象，而且抗疲勞性能好，能快速寫入和擦除信息。這是想象，而且抗疲勞性能好，能快速寫入和擦除信息。這是新型記憶存儲材

10、料的一個新的發(fā)展方向。新型記憶存儲材料的一個新的發(fā)展方向。創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -1515- -(2)裝飾和防護包裝材料裝飾和防護包裝材料 光致變色化合物可用作指甲漆、漆雕光致變色化合物可用作指甲漆、漆雕T藝品、藝品、T恤衫、恤衫、墻壁紙等裝飾品。為了適應(yīng)不同的需要，可將光致變色化墻壁紙等裝飾品。為了適應(yīng)不同的需要，可將光致變色化合物加入到一般油墨或涂料用的膠粘劑、稀釋劑等助劑中合物加入到一般油墨或涂料用的膠粘劑、稀釋劑等助劑中混合制成絲網(wǎng)印刷油墨或涂料；還可將光致變色化合物制混合制成絲網(wǎng)印刷油墨或涂料；還可將光致變色化合物制成包裝膜、建筑物的調(diào)光玻璃窗、汽車及飛機的屏風(fēng)玻璃成包裝膜、建筑物

11、的調(diào)光玻璃窗、汽車及飛機的屏風(fēng)玻璃等，防護日光照射，保證安全。等，防護日光照射，保證安全。創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -1616- -(3)自顯影全息記錄照相自顯影全息記錄照相 這是利用光致變色材料的光敏性制作的一種新型自顯這是利用光致變色材料的光敏性制作的一種新型自顯影干法照相技術(shù)一影干法照相技術(shù)一 。在透明膠片等支持體上涂一層很薄。在透明膠片等支持體上涂一層很薄的光致變色物質(zhì)的光致變色物質(zhì)(如螺吡喃、俘精酸酐等如螺吡喃、俘精酸酐等)，其對可見光不，其對可見光不感光，只對紫外光感光，從而形成有色影像。這種成像方感光，只對紫外光感光，從而形成有色影像。這種成像方法分辨率高，不會發(fā)生操作誤差，而且影

12、像可以反正錄制法分辨率高，不會發(fā)生操作誤差，而且影像可以反正錄制和消除。和消除。創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -1717- -(4)國防上的用途國防上的用途 光致變色材料對強光特別敏感，因此可以用來制作強光致變色材料對強光特別敏感，因此可以用來制作強光輻劑量劑。它能測量電離輻射，探測紫外線、光輻劑量劑。它能測量電離輻射，探測紫外線、X射線、射線、7射線等的劑量。如將其涂在飛船的外部，能快速精確地射線等的劑量。如將其涂在飛船的外部，能快速精確地計量計量 高輻射的劑量。光致變色材料還可以制成多層濾光高輻射的劑量。光致變色材料還可以制成多層濾光器，控制輻射光的強度，防止紫外線對人眼及身體的傷害。器，控制輻

13、射光的強度，防止紫外線對人眼及身體的傷害。如果把高靈敏度的光致變色體系指示屏用于武器上，可記如果把高靈敏度的光致變色體系指示屏用于武器上，可記錄飛機、軍艦的行蹤，形成可褪色的暫時痕跡。錄飛機、軍艦的行蹤，形成可褪色的暫時痕跡。創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -1818- -2.新型有機光致變色材料螺新型有機光致變色材料螺噁噁嗪的光致變色原理和合成嗪的光致變色原理和合成21 光致變色原理光致變色原理 螺嗯嗪類光致變色材料是一種新型的、具有優(yōu)異性能螺嗯嗪類光致變色材料是一種新型的、具有優(yōu)異性能的材料，它的變色機制與螺吡喃的光致變色機制相同。通的材料，它的變色機制與螺吡喃的光致變色機制相同。通常情況下，螺嗯

14、嗪的穩(wěn)定形式是無色的閉環(huán)體常情況下，螺嗯嗪的穩(wěn)定形式是無色的閉環(huán)體(用用SP表示表示)，螺碳原子將螺嗯嗪分為兩個近乎垂直的吲哚啉環(huán)和螺萘并螺碳原子將螺嗯嗪分為兩個近乎垂直的吲哚啉環(huán)和螺萘并嗯嗪環(huán)，兩環(huán)不共軛，在可見光區(qū)無吸收；但紫外光照時，嗯嗪環(huán)，兩環(huán)不共軛，在可見光區(qū)無吸收；但紫外光照時，螺碳原子與氧原子之間的單鍵斷裂，分子由閉環(huán)體變?yōu)殚_螺碳原子與氧原子之間的單鍵斷裂，分子由閉環(huán)體變?yōu)殚_環(huán)的平面部花菁結(jié)構(gòu)環(huán)的平面部花菁結(jié)構(gòu)(用用PMC表示表示)，形成一個大的共軛體，形成一個大的共軛體系，在可見光區(qū)出現(xiàn)吸收。除去紫外光后，系，在可見光區(qū)出現(xiàn)吸收。除去紫外光后，PMC又很快又很快變?yōu)樽優(yōu)镾P。示

15、意如下：。示意如下：創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -1919- - 光致變色材料螺嗯嗪的合成（光致變色材料螺嗯嗪的合成（以2，7一二羥基萘，苯肼，3一甲基一2一丁酮和碘乙烷為原料） 1.2、3、3-甲基一甲基一3H-吲哚的合成吲哚的合成 2.N-乙基乙基2，3，3-三甲基三甲基-3H-吲哚吲哚碘化物的合成碘化物的合成創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -2020- -。 1-亞硝基一亞硝基一2。7一二羥基萘的合成一二羥基萘的合成創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -2121- -N一乙基一一乙基一9一羥基螺嗯嗪的合成一羥基螺嗯嗪的合成 創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -2222- - 4.有機光致變色材料在光信息處理中的應(yīng)用有機光

16、致變色材料在光信息處理中的應(yīng)用 有機光致變色材料可以作為光開關(guān)用于光通信。為解有機光致變色材料可以作為光開關(guān)用于光通信。為解決目前互聯(lián)網(wǎng)的決目前互聯(lián)網(wǎng)的“交通堵塞交通堵塞”問題問題,就要在同一根光纖中就要在同一根光纖中,同時讓兩個或者兩個以上的光信號通過同時讓兩個或者兩個以上的光信號通過,不同信號各自傳不同信號各自傳輸自己的信息輸自己的信息,也就是波分復(fù)用技術(shù)。波分復(fù)用光纖通信也就是波分復(fù)用技術(shù)。波分復(fù)用光纖通信技術(shù)是建立在光器件的基礎(chǔ)上技術(shù)是建立在光器件的基礎(chǔ)上,其中包括光傳輸器件和光其中包括光傳輸器件和光交換器件兩大類。對于光交換器件交換器件兩大類。對于光交換器件,又包括光交叉連接器又包括

17、光交叉連接器和光分插復(fù)用器及光開關(guān)。光開關(guān)在光通信中的作用有三和光分插復(fù)用器及光開關(guān)。光開關(guān)在光通信中的作用有三類類:。創(chuàng)世界品牌建百年金發(fā)- -2323- -其一是將某一光纖通道的光信號切斷或開通。其一是將某一光纖通道的光信號切斷或開通。其二是將某波長光信號由一光纖通道轉(zhuǎn)換到另一光纖通道。其二是將某波長光信號由一光纖通道轉(zhuǎn)換到另一光纖通道。其三是在同一光纖通道中將一種波長的光信號轉(zhuǎn)換為另一波其三是在同一光纖通道中將一種波長的光信號轉(zhuǎn)換為另一波長的光信號長的光信號(波長轉(zhuǎn)換器波長轉(zhuǎn)換器) 。利用有機光致變色材料的變色。利用有機光致變色材料的變色特性特性,用不同頻率的光照射有機材料用不同頻率的光照射有機材料,各種光之間有互相抑各種光之間有互相抑制的作用制的作用,因而在光纖中利用有機光致變色材料可以實現(xiàn)因而在光纖中利用有機光致變色材料可以實現(xiàn)光信息從一個通道轉(zhuǎn)到另一通道中光信息從一個通道轉(zhuǎn)到另一通道中,或者將某一光信號開或者將某一光信號開通或切斷通或切斷,完成以光來控制光的操作完成以光來控