1. 研究目的与意义
氟硼二吡咯类荧光染料（简称BODIPY）是近四十年才发展起来，由于其具有优越的性质，从而引起了国内外学者的极大关注，并逐渐成为了研究的热点。此类荧光染料具有非常优越的光物理性能主要包括：1）较高的摩尔消光系数，便于其光敏性能的提高；2）较高的荧光量子产率；较窄的荧光光谱峰宽，这使得在分析应用中具有较高的检测灵敏度；5）较高的稳定性。除了上述性质外,它的母体结构还可以被衍生化、取代或以直接的方式进行功能化，进而产生新的光谱性质。过去的几十年间，许多功能化的BODIPY被合成出来。目前高度多样化的BODIPY类衍生物已经在许多领域得到了广泛的应用。基于上述研究背景，引入新的战略设计，设计一类基于BODIPY 基团的窄带隙红色荧光分子，通过理论计算研究其构效关系。
2. 课题关键问题和重难点
BODIPY荧光染料由于其具有传统染料无法比拟的光物理化学性能如高的荧光量子产率、窄的荧光光谱宽峰、高的稳定性等备受科学家关注，但长期应用而言，仍然有一些方面有待改进。首先现有的BODIPY染料虽具有突出的优点，但仍存在诸多的不足，如合成难度大，波长相对较短，这种BODIPY染料往往小于600nm就发射荧光。（800nm以上生物应用前景更大，因为活组织大多不会吸收800nm或以上波长的光。），以及只有少量的水溶性的衍生物，大多数不溶于水溶液。同时染料的光、热稳定性也具有一定的影响。由于 BODIPY染料在激发态较高能级存在较大吸收截面而导致光利用效率低；并且因苯环上有大量供电子或吸电子基团而导致光跃迁损耗严重（尤其是苯环被取代）。其次目前对BODIPY荧光染料修饰方法比较局限，通常趋向于对骨架结构的直接修饰如亲电取代，卤化偶联等，同时区域选择性衍生方面的研究较少，因此很有必要探索能够更有效增大BODIPY结构的共轭度和引入活性基团进行衍生的方法。
3. 国内外研究现状（文献综述）
1.引言
荧光染料是现代科学和医学等各个领域不可或缺的工具，包括临床诊断学、生物技 术、分子生物学和生物化学、材料化学、分析与环境化学等。随着科技技术的快速发展，已经有成千上万的荧光染料被开发，最具有代表性和广泛应用的荧光染料有以下几类：稠环芳香烃，香豆素，罗丹明，荧光素，萘酰亚胺，卟啉，氟硼二吡咯甲川(BODIPY)及花箐类等，基于这几类荧光染料共轭结构的不同，荧光也呈现出由蓝色到近红外区域，由于其独特的光物理性质，被科学家广泛应用，比如传感器，光学器件，基因测序，荧光探针。目前开发具有实际应用价值的功能荧光染料已经是推动现在科技发展的重要课题，将对化学、生物学及医学领域具有重要的意义。
2.荧光产生的原理
4. 研究方案
首先查阅相关计算公式，建立了一个吸光系数与振子强度与辐射跃迁速率之间的近似换算关系。因为材料摩尔吸光系数越大，振子强度就越强，辐射跃迁速率越快，更有利于获得高的荧光效率。而这可以作为我们分析比较材料结构与光物理性质之间关系的一个近似标准，特别是当材料的吸收光谱相似时，比较的结果越准确。其次具有扭曲结构的分子内电荷转移态（TICT）发光材料是有机发光材料研究中的一个重要课题，这类分子的给受体之间具有一定的扭转角，扭转角的大小会影响D-A间轨道的交叠程度，从而改变分子在基态和激发态下稳定的核坐标，因此TICT 分子的荧光会受到所处环境的影响，在不同的溶剂中发射出不同能量的荧光。
接着我们将从BODIPY核出发，通过对硼原子位点和2,6共轭位点进行简单的取代和修饰，研究BODIPY及其衍生物的结构与光物理性质之间的关系，深化我们对于这类材料的认识，方便我们的进一步研究和利用。基于BODIPY的经典合成方法上设计改良获取B1、B2、B3，比较这六种分子的中位苯基与BODIPY平面之间的扭转角，三种BODIPY核及其衍生物的不同平面结构和对称性，极大的影响了它们各自分子内电子的共轭性质，这将引起它们得吸电子能力的变化。在后面研究它们光物理性质差异打下了基础，并继续研究这些分子在晶体中所的堆积方式。为了研究三种BODIPY核之间的差异，将通过高斯软件采用密度泛函理论对这六种分子的前线轨道进行了模拟。
通过上述操作，对其模拟数据的结果从吸收发射光谱、低温荧光光谱、瞬态荧光光 谱和聚集态发光性质表征，深刻揭示了BODIPY的分子结构与其光物理性质之间的关系。同时理论计算模拟发现三种BODIPY核及其衍生物有不同前线轨道分布和能级结构，表现出不同的吸电子能力，这个能力的改变主要是由于硼原子上的取代基引起的，进一步扩展了我们对BODIPY这类材料的认识，为我们设计出更为高效的BODIPY材料打下基础。
5. 工作计划
首先查找BODIPY荧光染料相关资料，从分子水平上揭示BODIPY荧光染料的结构特点和反应活性，对 BODIPY荧光染料进行表征。或者从从分子水平上解析BODIPY荧光染料的性质、活性与稳定性，研究其性能特征。通过研究，为设计、合成新型高性能 BODIPY窄带隙红色荧光染料提供了理论依据。选取最佳合成方案，熟悉所选方案的流程、进行分子设计。并在这一过程中分析BODIPY染料所受到的影响因素有哪些。接着根据软件进行模拟设计，找出存在偏差的原因，反复进行模拟操作，收集数据并进行对比。同时要预测其光物理化学性质。包括基态和激发态构型，前线轨道电子云分布和能级分布等。并对目标产物进行结构表征及优化。最后将收集到的数据进行总结和分析，找出BODIPY窄带隙红色荧光染料中出现失误的原因以及相关的影响因素，在其基础上进行调整，提高理论模拟的准确性，分析问题产生的原因，确保模拟数据真实有效。
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