新型含杂环共轭桥有机非线性生色团的合成与性能研究

摘要

非线性光学作为现代光学的一个分支，对通信、军事、国防以及人们的日常生活起到越来越重要的作用。在非线性光学材料的主要类型中，有机非线性生色团分子作为其中的重要一类，因其具有较大的二阶非线性极化率等特点，近年来成为人们关注的研究热点。
　　本文系统地介绍了该课题的研究背景和有机非线性生色团分子的研究进展，在此基础上设计并合成了一系列含呋喃共轭桥和三氰基呋喃受体的生色团分子，用红外光谱、核磁共振氢谱和元素分析等手段对目标分子的结构进行了表征，并对该系列生色团分子的热性能和非线性光学性能进行研究。本文的工作内容和主要结论如下所述：
　　1．设计并合成了一种新型含双呋喃共轭桥的生色团分子2-二氰基亚甲基-3-氰基-4-{2-[2-(4-二甲胺基-苯乙烯基-呋喃基-5)-乙烯基-呋喃基-5]-乙烯基}-5,5-二甲基-2,5-二氢呋喃，简称其为MF3C，通过对比其含简单苯环共轭桥和含单呋喃共轭桥的生色团分子，依次简称其为MFC和MFFC，研究共轭桥长度的改变对生色团分子的非线性性能变化的影响。
　　2．通过Wittig反应和Vilsmeier反应合成了上述目标生色团分子，对各步的合成工艺条件进行了详细研究。
　　3．通过红外光谱、核磁共振氢谱和元素分析对目标生色团分子进行结构表征，确定了分子结构确系各步的目标产物。
　　4．用TGA法研究了三种生色团分子的热性能，此时MFC的热性能相对最好，其热分解温度最高，为301℃，而MF3C的热性能相对最差，其热分解温度最低，为228℃。所有生色团分子的耐热性能良好，均能够满足器件制备的要求。
　　5．用溶致变色法研究了三种生色团分子的非线性光学性能，测定其在不同系列溶剂中的紫外-可见吸收光谱。结果表明，三种生色团分子均具有良好的透光性。由溶致变色法计算生色团分子在1064 nm的工作波长下的μgβCT值，此时MFC的μgβCT值最小，为3.6×10-45 esu，MF3C的μgβCT值最大，为5.9×10-44 esu。计算结果表明MF3C分子具有较大的二阶非线性品质参数，在器件应用方面具有较大潜力。

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第一章 前 言

1.1 研究背景

1.2 非线性光学简介

1.3 有机非线性生色团研究进展

1.4 本文目标

第二章 含双呋喃共轭桥的有机非线性生色团分子的合成

2.1 实验试剂与仪器

2.1.1 试剂

2.1.2 仪器和装置

2.2 生色团分子及其中间体的合成

2.2.1 2,2,3-三甲基-4-氰基-5-二氰基亚甲基-2,5-二氢呋喃（TCF）的合成

2.2.2 2-二氰基亚甲基-3-氰基-4-(4-二甲氨基-苯乙烯基)-5,5-二甲基-2,5-二氢呋喃（MFC）的合成

2.2.3呋喃甲醇的合成

2.2.4三苯基磷溴化氢复合物的合成

2.2.5溴代呋喃甲基三苯基磷复合物的合成

2.2.6 2-(4-二甲氨基-苯乙烯基)呋喃（1）的合成

2.2.7 2-(4-二甲氨基-苯乙烯基)-5-甲酰基呋喃（2）的合成

2.2.8 2-二氰基亚甲基-3-氰基-4-[2-(4-二甲氨基-苯乙烯基-呋喃基-5)-乙烯基]-5,5-二甲基-2,5-二氢呋喃（MFFC）的合成

2.2.9 2-[2-(4-二甲胺基-苯乙烯基-呋喃基-5)-乙烯基]呋喃（3）的合成

2.2.10 2-[2-(4-二甲胺基-苯乙烯基-呋喃基-5)-乙烯基]-5-甲酰基呋喃（4）的合成

2.2.11 2-二氰基亚甲基-3-氰基-4-{2-[2-(4-二甲胺基-苯乙烯基-呋喃基-5)-乙烯基-呋喃基-5]-乙烯基}-5,5-二甲基-2,5-二氢呋喃（MF3C）的合成

2.3 合成问题讨论

2.3.1 Wittig反应的合成问题讨论

2.3.2 Vilsmeier反应的合成问题讨论

第三章 含双呋喃共轭桥有机非线性生色团分子的结构表征

3.1 生色团分子及其中间体的红外光谱图

3.2 生色团分子及其中间体的核磁共振氢谱谱图

3.3 生色团分子及其中间体的元素分析测试结果

第四章 含双呋喃共轭桥有机非线性生色团分子的性能测试

4.1 生色团的热稳定性测试

4.2 生色团的非线性光学性能测试研究

4.2.1 根据McRae方程求解ωegs和B

4.2.2 根据Immirzi原子团模型求解Onsager半径a

4.2.3 根据a和B求解μg(μg-μe)

4.2.4 根据ζmax,△V1/2,ωegs求解μeg

4.2.5 根据μg(μg-μe)和μeg求解μgβCT

4.3 生色团的非线性光学性能测试

第五章 结 论

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果