Multiple Stimuli Responses of Stereo-Isomers of AIE-Active

Jan 15, 2018 - The electron cloud distributions of the HOMO and LUMO of the two isomers were calculated by the B3LYP/6-31G(d) program. .... more and b...
0 downloads 13 Views 896KB Size
Subscriber access provided by READING UNIV

Article

Multiple Stimuli Responses of Stereo-Isomers of AIE-Active Ethynylene-Bridged and Pyridyl-Modified Tetraphenylethene Zhaoyang Wang, Xiao Cheng, Anjun Qin, Haoke Zhang, Jing Zhi Sun, and Ben Zhong Tang J. Phys. Chem. B, Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acs.jpcb.7b10929 • Publication Date (Web): 15 Jan 2018 Downloaded from http://pubs.acs.org on January 15, 2018

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a free service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are accessible to all readers and citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

The Journal of Physical Chemistry B is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

Multiple Stimuli Responses of Stereo-Isomers of AIE-Active Ethynylene-Bridged and Pyridyl-Modified Tetraphenylethene Zhaoyang Wang†, Xiao Cheng†, Anjun Qin‡, Haoke Zhang§, Jing Zhi Sun*,†, Ben Zhong Tang*,†,‡,§  †

 MOE Key Laboratory of Macromolecular Synthesis and Functionalization, Department of Polymer Science and  Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China 



Guangdong Innovative Research Team, SCUT‐HKUST Joint Research Laboratory, State Key Laboratory of Lumi‐ nescent Materials and Devices, South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640, China

§

Department of Chemistry, Hong Kong Branch of Chinese National Engineering Research Center for Tissue Resto‐ ration and Reconstruction, Division of Life Science, State Key Laboratory of Molecular Neuroscience, Institute for  Advanced Study, Institute of Molecular Functional Materials, Division of Biomedical Engineering, The Hong Kong  University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China 

ABSTRACT: Luminescent molecules with aggregation‐induced emission (AIE) property, or AIE‐gens are typical stimuli‐ responsive materials and many AIE‐gens have shown luminescent responses to mechano‐, thermo‐, electro‐, vapo‐ and/or  solvato‐stimulus, but the detailed structure‐property relationship has been addressed for only few of them. Here, we re‐ port  a  tetraphenylethene  (TPE)  derivative  with  pyridyl  modifiers  and  ethynylene  bridges.  The  (Z)‐  and  (E)‐isomers  are  clearly purified and both of them are AIE‐active and demonstrate multiple luminescent responses to external stimuli. Dis‐ tinct from other reported TPE‐derivatives, the two isomers show negative solvatochromism due to the large dipole in the  ground electronic state. By correlating with the single‐crystal structures, the subtle differences in quantum efficiency and  emission peak wavelength of the solids of the (Z)‐ and (E)‐isomers are rationally explained. Moreover, the ground powder  of the (E)‐isomer can recover its emission color from green to blue in the air at room temperature but the (Z)‐isomer can‐ not.  This  difference  is  interpreted  by  a  mechanism  of  water‐triggered  conformational  variation,  which  depends  on  the  hydrogen bond formation between pyridyl moieties and water molecules in the air. In addition to the reversible emission  color changes by cyclic grinding‐fuming treatments, both of the isomers exhibit reversible luminescent response to acid‐ base treatments by switching the emission color between green (basic) and yellow (acid), owing to the incorporation of  pyridyl units into the molecule. The unprecedented multiple stimuli‐responsive behaviors and clear mechanism explana‐ tions allow this kind of AIE‐gens to be promising smart materials. 

INTRODUCTION In recent  years,  luminescent  stimuli‐responsive  materials  have  attracted  wide  attention  due  to  the  intrinsic  ad‐ vantages such as high sensitivity, color tuning ability, and  visualization  capacity,  thus  they  have  found  applications  in  many  areas  including  sensing,  optical  recording,  dis‐ playing  and  lighting  materials  and  devices.1-6  Classical  luminescent molecules are planar conjugated compounds  and they emit brightly as dispersed in the inert matrix at  the single‐molecular level or dissolved  in  dilute  solution,  but  their  emission  is  evidently  weakened  or  even  totally  quenched  in  aggregates.  This  is  the  notorious  aggrega‐ tion‐caused  quenching  (ACQ)  phenomenon.7,8  In  2001,  Tang  et  al.  reported  a  brand‐new  luminogen  exhibiting  intriguing  aggregation‐induced  emission  (AIE)  property,  where  the  naturally  spontaneous  process  of  aggregation 

played  a  helpful  role  in  fluorescence.9  The  AIE  concept,  since then, leads a new way towards  the  design and  syn‐ thesis of luminescent molecules and macromolecules that  work efficiently in solid and aggregation states.  The  underlying  mechanisms  for  the  AIE  phenomena  have  been  systematically  addressed  in  recent  reviews.10,11    Take tetraphenylethene (TPE)12 as an example, as depict‐ ed in Scheme 1, it is composed of a central junction (vinyl)  and  four  peripheral  aromatic  units  (phenyl  rings).  The  central  double  bond  can  be  excited  to  a  single‐bonding  state (Figure S1) and in dilute solutions the exciton energy  can be non‐radiatively exhausted by intramolecular  rota‐ tions  and  vibrations.  In  aggregates,  the  emission  is  in‐ duced  by  the  restricted  intramolecular  motion  (RIM)  as  well  as  the  heavily  twisted  conformation  which  hinders  intermolecular π−π stacking.  

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The  propeller  shape,  twisted  conformation  and  high  degree of intramolecular rotation and vibration freedoms  make TPE and its derivatives quite soft, thus they are sen‐ sitive  to  external  stimuli.  Moreover,  the  responses  from  the AIE‐active materials can be embodied by the variation  of emission features such as efficiency (), wavelength (),  and  life  time  ().10‐20  Mechano‐luminochromism  (MLC),  piezoluminochromism (PLC), vapoluminochromism (VLC)  and  solvatoluminochromism  (SLC)  have  been  frequently  observed  for  the  AIE‐active  luminogens.  The  earliest  re‐ ported  stimuli‐responsive  AIE  molecule  could  be  dated  from  2005.  1,1,2,3,4,5‐Hexaphenylsilole,  which  evidently  changed  its  emission  intensity  by  fuming  the  solid  with  solvent  vapors  (VLC).16  For  TPE  derivatives,  the  first  dis‐ covery  of  VLC  phenomenon  was  reported  by  Dong  and  coworkers  in  2007.17  The  first  record  of  TPE  derivative  showing MLC behavior was reported by Zhang and Chi et  al. in 2011.18 Since then, a large number of TPE derivatives  have been found to possess MLC property and a compre‐ hensive review on this specific topic was given by Chi, and  Weder and Kato and colleagues.1, 19,20 Misra and colleagues  reported  a  series  of  TPE  derivatives  functionalized  by  phenanthroimidazoles,  acenapthene‐quinoxalines,  phe‐ nanthrene‐quinoxalines  as  well  as  benzothiadiazoles  and  all these molecules show significant AIE‐activity and MLC  behavior with good  color contrast.21‐24 

Page 2 of 14

 

substituted TPE (TPE‐2OXE). (Z)‐TPE‐2OXE isomer solid  showed  bathochromic  emission  with  a  quantum  yield  5  times  higher  than  that  of  (E)‐TPE‐2OXE.27  These  differ‐ ences  in  PL  behavior  are  derived  from  distinct  excited  states.  More  recently,  Peng  et  al.  reported  the  synthesis  and  characterization  of  a  pair  of  pure  isomers  of  ureidopyrimidinone‐functionalized  TPE  ((Z)‐TPE‐UPy  and (E)‐TPE‐UPy).28 The isomers showed distinct fluores‐ cence in the aggregate state: (Z)‐ and (E)‐TPE‐UPy exhib‐ ited green and blue emission, respectively.   In addition, the functional groups on the TPE core also  play crucial role in regulating the stimuli‐response behav‐ iors  of  the  AIE‐active  materials.  For  example,  the  tenta‐ tive  structure‐property  relationship  for  the  MLC  behav‐ iors  have  been  summarized  in  some  reviews  and  book  chaptors.1, 18‐20  Modifying  a  TPE  core  with  electron  donor  (D) and electron acceptor (A) groups could offer the TPE  derivatives  with  pronounced  SLC  effect  and  red‐ shiftedMLC  behavior.  Moreover,  introducing  strong  in‐ termolecular  interactions  will  recede  the  fluorescent  re‐ sponse  to  applied  mechanical  stimulus,  as  has  been  con‐ firmed by experimental results observed  for  the pyridini‐ um‐modified  TPE  molecules.29  Reasonable  modification  of  the  TPE  core  with  reactive  groups  allows  the  TPE‐ derivatives to be used as fluorescent sensors, based on the  chemical reaction‐induced variation of emission features.  These TPE‐derivatives fluorescently respond to the chem‐ ical stimulations from external species such as metal cati‐ ons, hazardous anions and biological analytes. For exam‐ ple,  (Z)‐TPE‐UPy  exhibited  highly  sensitive  detection  of  Hg2+  using  the  cavity  formed  by  the  two  UPy  moieties;  while  for  (E)‐TPE‐UPy,  the oppositely  extended  two  UPy  moieties  allowed  to  form  high‐molecular‐weight  poly‐ mers  by  self‐assembling  and  to  fabricate  highly  fluores‐ cent fibers.24     Scheme  2.  Synthetic route to the (Z)‐ and (E)‐isomers of  ethynylene‐pyridyl substituted TPE derivative. 

As shown in Scheme 1, an intrinsic problem of the well‐ established McMurry coupling route is that it always pro‐ duces  a  pair  of  cis‐(Z)/trans‐(E)  isomers  when  products  are  asymmetrically  substituted.  In  many  cases,  they  are  impossible to be neatly purified when TPE‐derivatives are  used  as  AIE‐gens  (AIE‐active  luminogens  =  AIE‐gens).  However, a subtle structural difference may result in non‐ trivial responses to external stimuli. In our previous works,  the  pure  (E)‐isomer  of  1,2‐bis{4‐[1‐(6‐phenoxyhexyl)‐4‐ (1,2,3triazol)yl]phenyl}‐1,2‐diphenylethene  demonstrated  stronger  MLC  and  SLC  effects,  better  self‐organization  ability  to  form  ordered  microstructure,  and  higher  ther‐ mal  stability  than  the  (Z)‐isomer.25  Liu  and  colleagues  reported  the  tautomerization‐induced  isomerization  of  a  hydroxy‐substituted  TPE‐derivative.26  After  replacing  the  proton  of  the  hydroxy  with  alkyl  groups,  pure  (E)‐  and  (Z)‐isomers  were obtained  and they  emitted red  and yel‐ low fluorescence in DMSO at −20 °C, respectively. Wu et  al.  reported  the  pure  stereoisomers  of  an  oxetane‐

  Here,  we  report  the  facile  synthesis,  clear  purification,  structural  characterization,  AIE‐activity  and  fluorescent  responses to external stimuli including mechanical force,  solvent  polarity,  and  acidic/basic  vapors  of  a  pair  of  (E)‐  and (Z)‐ isomers of a TPE derivative functionalized by two  ethynylene‐pyridyl  groups  (see  Scheme  2).  The  rationale  of  the  molecular  design  is  to  enlarge  the  differences  in  molecular  shape  and  dipole  moment.21,25  In  the  present  work,  the  TPE  core  ensures  the  derivatives  to  show  AIE 

Scheme  1.  McMurry  coupling  route  towards  tetra‐ phenylethene (TPE) and its derivatives.  R1

R1

O

R1

TiCl4 /Zn, THF

R2 McMurry Coupling

R2 R1 = R2 = H tetraphenylethene (TPE)

+

reflux

R2

R1

R2 cis(Z)-isomer

R2

R1

trans(E)-isomer mixture

ACS Paragon Plus Environment

Page 3 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

activity,  the  ethynylene‐pyridyl  groups  bestow  the  (E)‐ /(Z)‐  isomers  with  pronounced  differences  in  shape  and  dipole moment. Furthermore, the pyridyl group functions  as  an  electron‐withdrawing  group  (acceptor),  a  proton  acceptor  (alkaline),  a  hydrogen‐bond  formation  site  (N‐ atom),  and  a  polar  group  (hydrophilicity).  Moreover,  the  asymmetric  substitution  of  the  isomers  leads  to  different  molecular  packing  modes  in  the  single  crystals  and  dis‐ tinct responses to external stimuli.  

RESULTS AND DISCUSSION Synthesis and purification of the stereo-isomers. According  to  the  above‐mentioned  design  rationale,  we  synthesized  1,2‐diphenyl‐1,2‐bis(4‐(pyridin‐4‐yl‐ethynyl)‐ phenyl)‐ethene  following  the  typical  procedure  of  the  palladium‐catalyzed Sonogashira coupling (see Scheme 2),  which  is  frequently  used  in  the  synthesis  of  conjugated  molecules  for  its  high  yield  with  hardly  any  by‐products.  The reaction went on smoothly and the gross yield of the  resultant mixture was as high as 86%. The synthetic pro‐ cedures and structure characterization data are described  in  Experimental  Section  and  Electronic  Supplementary  Information  (ESI,  Figure  S2  to  S9),  and  the  results  indi‐ cate  that  target  resultants  have  been  obtained.  More  im‐ portantly,  the  strong  electron‐withdrawing  nature  of  the  pyridine functionality renders significant difference in the  polarity  between  the  (E)‐  and  (Z)‐isomers.  At  the  same  time,  the  substitution  of  4‐pyridin‐ethynyl  enlarges  the  geographical asymmetry of the two isomers. These struc‐ tural factors make them separate well with each other on  the  thin  layer  chromatography  (TLC)  plate.  As  a  result,  g a b

c

f

d

e

N

N

* (a) 1 a

b c

e,g

d f

*

(b) 2

d c a

8.60 8.55

b

f e,g

7.35 7.30 7.25 7.20 7.15 7.10 7.05 7.00 Chemical Shift (ppm)

 

Figure  1.  1H NMR spectra of components 1 and 2 (in CDCl3,  400 MHz). The solvent peaks are marked as asterisks. 

yield  of  34%  for  component  1  [named  as  1  in  below,  Rf =  0.44,  PE  (petroleum  ether):  THF  (tetrahydrofuran)  =  3:1]  and 44% for component 2 (named as 2 in below, Rf = 0.54,  PE: THF = 3:1), respectively.  The  variation  in  Rf  value  helps  with  the  attribution  of  the (Z)‐/(E)‐configurations to these two components. The  component  with  higher  polarity  has  stronger  interaction  with silica gel, and will run more slowly in a TLC experi‐ ment, ending up with a smaller Rf value. The (Z)‐isomer,  with  its  two  ethynylene‐pyridyl  groups  pointing  to  the  same  side,  tends  to  have  a  higher  polarity  than  the  (E)‐ isomer,  in  which  the  direction  of  its  ethynylene‐pyridyl  groups  is  almost  opposites  to  each  other.  Therefore,  we  tentatively  assigned  1  and  2  to  the  (Z)‐  and  (E)‐isomers,  respectively.   Both  components  were  characterized  with  1H  NMR  spectroscope and similar profiles were observed. However,  a careful inspection reveals that chemical shifts of Hc, Hd  for  1  are  downfield‐shifted,  while  He,  Hf,  and  Hg  are  up‐ field‐shifted  from  its  counterpart  2.  The  coupling  con‐ stants of Hb for 1 and 2 are comparative to each other, and  so  for  Hc.  Considering  that  the  pyridine  moiety  has  an  electron‐withdrawing  effect,  the  non‐functionalized  phe‐ nyl  should  be  more  electron‐rich  and  causes  an  up‐field  shift in the chemical shifts of the vicinal phenyl rings, and  thus  1  can  be  assigned  to  a  cis‐configuration,  in  accord‐ ance with our assignment based on TLC experiments. 

Crystallographic data analysis. To  confirm  our  tentative  assignment  on  the  basis  of  the  TLC  experiment  and  1H  NMR  measurement,  we  tried  to  grow  single  crystals  of  these  two  isomers  and  both  were  obtained  by  the  slow  evaporation  of  hexane  into  the  di‐ chloromethane  solution  of  the  products.  As  displayed  in  Figures  2(a)  and  2(b),  the  single‐crystal  X‐ray  diffraction  (XRD) data provide unambiguous proofs that 1 and 2 are  the (Z)‐ and (E)‐isomers, respectively.  It’s  worth  noting  that  their  crystal  structures  for  1  and  2  are obviously different. Firstly, 1 and 2 belong to different  crystal systems. The single crystal of the (Z)‐isomer 1 is an  orthorhombic system in a pccn space group, and there are  8 molecules in a unit cell while the single crystal of 2 be‐ longs  to  a  triclinic  system  in  a  p‐1  space  group,  and  only  two  molecules  occupy  a  unit  cell  (Figure  2(c)  and  2(d)).  Secondly,  the  intermolecular  interactions  in  the  single  crystal of 1 are more complicated than those found in the  single  crystal  of  2.  Interactions  of  CH…(phenyl  ring),  CH…(C≡C)  and  CH…N  (hydrogen  bond)  can  be  found  in  the  single  crystal  of  1,  while  in  that  of  2,  only  CH…(phenyl  ring)  and  CH…(C≡C)  are  observed.  As  displayed  in  Figures  2(e)  and  2(g),  a  pair  of  CH…N  interaction modes can be found and the nearest distance  between the N and H atoms on the two pyridyl groups of  the adjacent two (Z)‐isomer molecules is 2.618 Å and the  other is 3.098 Å, indicating that the CH…N interactions  are  quite  strong.  Meanwhile,  a  pair  of  CH…(C≡C)  interactions  are  observed  between  the  H  atoms  on  the  labelled  phenyl  ring  and  the  center  of  the  labelled  C≡C 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 4 of 14

 

Figure  2.  Single  crystal  structure  of  (Z)‐isomer  and  (E)‐isomer.  (a)  and  (b)  Conformation  of  an  individual  molecule  in  crystals  1  and  2  respectively.  The  aromatic  rings  colored  in  blue  and  red  indicate  the  two  groups  of  phenyl  and  pyridyl  rings correlated with ethynylene bridges, and the data correspond to the dihedral angles between the correlated phenyl  and pyridyl rings. (c) and (d) Molecular packing modes in the unit cells of crystals 1 and 2, the axes of a, b, c are shown as  red, green and blue lines, respectively. (e) and (f) showing the intermolecular interactions in crystals 1 and 2, the inter‐ atom distances are highlighted in dotted green lines. (g) A highlight for the strong CH…N hydrogen bonding interac‐ tions existing in the crystal of (Z)‐isomer. (h) Cell parameters of crystals 1 and 2. In the stick model, C, H, and N atoms are  colored in grey, white and light blue respectively. The solvent molecules are eliminated for showing the skeletons clearly. 

bond and the distances are 2.805 Å and 3.290 Å, implying  the co‐existence of a strong and a weak interaction. There  also  exist  a  pair  of  strong  CH…(phenyl  ring)  interac‐ tion  between  the  adjacent  TPE  units  with  an  identical  distance  of  2.906  Å.  In  contrast,  the  strongest  CH…N  interaction has not been found in the single crystal struc‐ ture  of  (E)‐isomer  (2).  A  pair  of  CH…(C≡C)  interac‐ tions  with  the  same  distance  of  3.015  Å  are  observed,  which  is  weaker  than  that  observed  in  the  crystal  of  1  (2.805 Å). The corresponding CH…(phenyl ring) inter‐ action distance is 2.881 Å, a little shorter than that found  in  the  crystal  of  1  (2.906  Å)  (Figure  2(f)).  In  general,  the  intermolecular  interactions  in  the  crystal  of  (Z)‐isomer  are  substantially  stronger  than  that  in  crystal  of  (E)‐ isomer,  which  may  have  subtle  impacts  on  the  stimuli‐ responsive properties of the isomers.  Thirdly, the conformation of the TPE core in the single  crystals  of  1  and  2  has  small  difference,  despite  the  dra‐ matic  difference  in  molecular  shape.  Taking  the  C=C  double  bond  as  the  basic  plane,  for  the  (Z)‐isomer,  the  dihedral  angles  between  this  plane  and  the  four  phenyl  rings  of  1,  2,  3  and  4  are  51.69o,  48.75o,  37.68o  and  58.59o,  respectively.  The  corresponding  dihedral  angles  for  the  (E)‐isomer are 48.18o, 57.13o, 50.88o and 50.08o respectively,  as  illustrated  in  Figure  S10  and  the  data  in  Table  S1.  In 

contrast, more twisted conformations are observed for the  two  pyridyl  rings  against  the  ethynylene‐linked  phenyl  rings.    In  the  single  crystal  of  1,  pyridyl  ring  A  is  nearly  perpendicular to phenyl ring 2 (dihedral angle of 85.30o),  while  the  other  is  almost  coplanar  with  its  ethynylene‐ linked phenyl ring 4 (dihedral angle of 13.30o). But in the  single  crystal  of  2,  both  pyridyl  rings  A  and  B  have  large  dihedral  angles  to  the  ethynylene‐linked  phenyl  rings  2  and  4,  which  are  55.27o  and  71.42o,  respectively.  These  structural differences will manifest effects on the stimuli‐ responsive properties of this couple of isomers.  Lastly,  it  should  be  pointed  out  that  the  hexane  mole‐ cules are eliminated for showing the skeletons clearly. In  fact, both of 1 and 2 contain hexane molecules inside the  crystals.  According  to  the  single  crystal  analysis  results,  the molecular ratio between the (Z)‐isomer and hexane is  1:1,  and  this  ratio  is  in  good  agreement  with  the  1H  NMR  measurement data (Figure S5). As indicated by the rhom‐ bus frame in Figures 2(e) and 2(g), the hexane molecules  localize in the one‐dimensional channels formed by pairs  of  two  adjacent  (Z)‐isomers,  as  displayed  in  Figures  S11  and S12. This is further confirmed by thermal gravimetric  analysis  (TGA)  measurement  results (Figure  S13),  the  ~10%  weight  loss at 170  0C is  coincident with the  4:1 molecular  ratio, as calculated out according to their relative molecu‐

ACS Paragon Plus Environment

Page 5 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

lar weights. For the single crystal of the (E)‐isomer, the 1H  NMR  measurement  (Figure  S2)  disclosed  that  certain  amount  of  hexane  solvent  existed  in  the  single  crystal  sample, despite of the ratio between solvent and (E)‐ iso‐ mer  molecules  is  not  an  integrity.  The  TGA  experiment  results  confirmed  the  releasing  of  solvent  component  by  the weight loss at around 144 oC and 260 oC (Figure S13). 

Aggregation-induced emission. The  TPE  unit  is  a  representative  AIE‐gen,  as  mentioned  above, and a variety of TPE‐derivatives have shown to be  AIE‐active molecules. It is rational to examine the photo‐ physical properties of the (Z)‐ and (E)‐isomers to identify  whether they are AIE‐active or not. We measured the UV‐ vis absorption spectra of these two isomers in their dilute  ethanol solutions (1×10‐5 mol L‐1) and the spectral profiles  exhibit  three  bands,  205,  281,  347  nm  for  (Z)‐isomer  and  204,  289,  345  nm  for  (E)‐isomer  (Figure  S14).  These  data  indicate that these two stereo‐isomers have nearly identi‐ cal ground electronic state.  Optically excited with 345 nm UV‐light (ex), we exam‐ ined  the  photoluminescence  (PL)  behaviors  of  (Z)‐  and  (E)‐isomers.  In  dilute  ethanol  solution  (1×10‐5  mol  L‐1),  only  faint  fluorescence  can  be  detected  for  (Z)‐isomer.  The PL intensity begins to increase when the volume frac‐ tion of the non‐solvent water (fW) increases to 65%. When  fW goes up to 70%, the PL becomes intense, a clear emis‐ sion  profile  peaked  at  480  nm  can  be  recorded.  The  strongest PL intensity is observed when fW is at 80%, a 63‐ fold  enhancement  as  compared  to  the  single‐molecule  state  (AIE).  A  slight  drop  in  PL  intensity  occurs  when  goes  further  to  90%,  which  can  be  associated  with  the  formation of precipitates  at higher  fW  conditions. Similar  phenomena were observed for (E)‐isomer in water/ etha‐ nol  solvent  systems,  except  for  its  higher  threshold  of  water  fraction  (fW  =  70%)  and  comparatively  lower  PL  enhancement (AIE = 47) (Figure S15(b)). According to the  results  demonstrated  in  Figures  3  and  S15,  both  (Z)‐  and  (E)‐isomers are typical AIE‐active molecules.  The PL spectra of the solids of (Z)‐ and (E)‐isomers are  shown  in  Figure  4.  The  powders  of  (Z)‐  and  (E)‐isomers  are brightly emissive and the emission peaks (em) appear  at 470 and 464 nm, respectively. The longer em of the (Z)‐ isomer  relative  to  that  of  (E)‐isomer  can  be  correlated  with the crystallographic data, the coplanar of the pyridyl  ring B and phenyl ring 4 (Figure 2(a) and Table S1) allows  better  conjugation  between the  pyridyl ring  and the  TPE  core,  which  enlarges  the  conjugation  and  thereby  red‐ shifts  the  emission  spectrum.  In  addition,  pyridine  is  an  electron‐deficient  group  with  a  lone  electron  pair,  it  re‐ sults in the *←n transition, or other proximity electronic  effects.30,31 Thus the conjugation between the pyridine and  TPE moieties would reduce the PL efficiency. In fact, the  absolute  PL  quantum  yields  for  (Z)‐  and  (E)‐isomers  in  solid state are 37. 6% and 43.8%, respectively.  

  Figure  3.  Normalized  absorption  (a)  and  PL  (b)  spectra  of  (Z)‐isomer  in  different  solvents  with  variation  of  polarity.  Insets  of  (b)  display  the  fluorescence  images  in  CH  (right)  and  THF  (left)  taken  under  UV‐light  (ex  =  365  nm).  CH  =  cyclohexane,  DMF  =  N,N‐dimethylformamide,  EA  =  ethyl  acetate, MCH  = methylcyclohexane, THF  =  tetrahydrofuran.  [M] = 10‐5 mol L‐1; ex = 345 nm. 

Negative solvatoluminochromism. When a luminogen dissolved in solvents of varying polari‐ ty manifests evident changes in emission wavelength (em)  and  intensity  (I),  the  phenomenon  is  named  as  solvato‐ luminochromism  (SLC).  The  bathochromic  and  hypso‐ chromic  shift  with  increasing  solvent  polarity  are  called  positive and negative SLC, respectively. SLC phenomenon  has been observed for many AIE‐gens modified with elec‐ tron  donor  (D),  acceptor  (A)  or  simultaneously  with  D  and A groups.32‐37 Pyridyl group is considered as an A unit,  thus both of the (Z)‐ and (E)‐isomers are expected to ex‐ hibit SLC behavior. We measured the UV‐vis and PL spec‐ tra  of  the  two  isomers  in  a  series  of  solvents,  from  non‐ polar solvent pentane to high polar solvent DMF. For (Z)‐ isomer,  the  absorption  peak  with  the  lowest  transition  energy in these solvents varies slightly from 342 to 346 nm  (Figure 3(a), Table S2). However, the emission peak shifts  pronouncedly. In non‐polar solvents such as pentane and  hexane,  the  PL  spectrum  of  (Z)‐isomer  peaks  at  530  nm.  When  the  polarity  of  the  solvent  goes  higher,  e.g.,  in  di‐ ethyl ether, the emission peak appears at 505 nm. In DMF,  the  highest  polar  solvent  in  the  detection  list,  the  emis‐ sion  peak  shifts  to  499  nm  (Figure  3(b)).  The  change  in  emission color was recorded by photographs displaying in  Figures 4(b) and S16, faint blue‐greenish and weak yellow  fluorescence can be observed for polar and non‐polar sol‐ vents  respectively.  Similar  absorption  and  emission  be‐ haviors  were  also  observed  when  it  comes  to  (E)‐isomer,  as displayed in Figure S18.   The phenomenon observed for (Z)‐ and (E)‐isomers is a  typical  negative  SLC,  which  has  not  been  previously  ob‐ served for AIE‐gens. The negative SLC is believed to orig‐ inate  from  the  decrease  in  di‐polarity  of  the  luminogen  after  photo‐excitation,  and  this  phenomenon  usually  oc‐ curs  to  luminogens  with  polarity‐dependent  tautomeric  structures  (e.g.,  keto‐enol  transformation)  and  mero‐ cyanine  dyes  (containing  C=N  or  N=N  units).38‐42  To  give  a  specific  and  better  understanding  of  the  negative  SLC  behavior  of  (Z)‐  and  (E)‐isomers,  we  simulated  the 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry

electronic  structure  of  them  based  on  the  single  crystal  data, and calculation results of the HOMO and LUMO are  displayed  in  Figures  S19  and  S20.  In  the  ground  state  (HOMO as the representative), the two pyridyl units con‐ jugate  with  the  TPE  core  inefficiently,  and  they  play  the  role  of  electron  acceptor.  In  excited  state  (LUMO  as  the  representative),  in  contrast,  the  two  pyridyl  units  fully  conjugate  with  the  central  TPE  core,  the  lone  electron  pairs on the two N‐atoms participate into the LUMO. As a  result,  the  pyridyl  units  largely  lose  their  electron‐ acceptor  function  but  become  conjugation  moieties.  Therefore, the dipole strength of the excited state is lower  than  that  of  the  ground  state  and  a  negative  SLC  phe‐ nomenon  comes  into  sight.  In  the  (Z)‐  and  (E)‐isomers,  the ethynyl bridges also play an important role of partially  blocking  the  conjugation  between  the  pyridyl  and  TPE‐ core.  Accordingly,  the  negative  SLC  can  be  explained  in  the theoretical frame of the fragment model proposed by  Benson  and  Murrell,41  and  later  summarized  by  Buncel  and Rajagopal.42  

(Figure  4(b)).  The  powder  sample  of  (Z)‐isomer  also  un‐ derwent  a  spectral  red‐shift  induced  by  grounding  treat‐ ment  (em,  from  474  to  506  nm).  Similar  to  its  (E)‐ counterpart, the green fluorescence of the ground powder  could  be  switched  to  blue  by  fuming  with  DCM  vapor,  and  the  process  is  also  reversible  and  repeatable  in  con‐ tinuous grinding‐fuming treatments (Figure S21).   To  elucidate  the  mechanism  of  the  MLC  phenomena,  we  conducted  X‐ray  diffraction  (XRD)  measurements  for  the as‐prepared,  ground and fumed powders of both iso‐ mers.  As  shown  in  Figure  5(a1),  the  XRD  pattern  of  as‐ prepared  (Z)‐isomer  powder  features  a  series  of  sharp  diffraction  peaks.  The  pattern  suggests  that  it  is  in  a  dif‐ ferent state in comparison with the single crystal simula‐ tion data (Figure 5 (d1)). The mismatch between them can  be  ascribed  to  the  existence  of  hexane  molecules  inside  the  crystal  of  (Z)‐isomer  (Figure  S12),  which  are  partially  or totally absent in the ground powder. The grinding pro‐ cess  led  to  crystal  smash,  part  of  the  crystal  was  trans‐ formed into amorphous solid, and the other part became 

Moisture-sensitive mechanoluminochromism. Mechanoluminochromism (MLC) is one of the character‐ istics  of  TPE‐derivatives.1,10‐21,43‐49  Linking  two  ethynyl‐ pyridyl groups to the TPE core extends the molecular size  and enlarges the molecular  asymmetry. Accordingly, it  is  expected that both the (Z)‐ and (E)‐isomers possess MLC  property. Indeed, the experiment results shown in Figures  4 and S19 reveal that the solid samples of the (Z)‐ and (E)‐ isomers  can  fluorescently  respond  to  mechanical  force,  and  the  (E)‐isomer  exhibits  a  larger  red‐shift  in  em  as  compared  with  the  (Z)‐isomer.  The  as‐prepared  solid  of  (E)‐isomer emitted  strong blue  light with em  at  464 nm.  After  it  was  ground  with  a  pestle,  the  em  red‐shifted  to  504  nm.  The  emission  color  changed  from  blue  to  green  (inset  of  Figure  4(a)).  The  blue  emission  was  restored  immediately  after  it  was  fumed  by  dichloromethane  (DCM) vapor. The green blue emission color change is  reversible by grinding‐fuming treatment for several cycles  

(Z)-isomer (a1) as-prepared (b1) ground (c1) fumed

(d1) simulated 5

10

15

20

2

e e r g e d

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 6 of 14

25

30

35



  (E)-isomer (a2) as-prepared (b2) ground (c2) fumed

(d2) simulated 5

10

15

20

25

2(degree)

  Figure  4.  (a)  Normalized  PL  spectra  of  the  solid  sample  of  the  (E)‐isomer  under  different  treatments.  Inset:  photo‐ graphs  of  the  fluorescence  images  for  as‐prepared,  ground,  and  fumed  powder  sample  taken  under  UV‐light  (ex  =  365  nm).  (b)  Switching  of  the  solid‐state  emission  of  the  (E)‐ isomer between blue and green by repeated grinding‐fuming  process.  ex = 345 nm. 

30

35

 

Figure  5. X‐ray diffraction patterns for (Z)‐ and (E)‐isomers  measured  in  different  states;  (a1)  and  (a2)  as‐prepared  solid  powder, (b1) and (b2) after grinding treatment, (c1) and (c2)  after  fuming  treatment  on  the  ground  sample  with  DCM  vapor, and (d1) and (d2) simulated diffraction pattern based  on single crystal data. The red dashed‐dot lines indicate the  corresponding diffraction peaks for different treatments. 

ACS Paragon Plus Environment

Page 7 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

H H

H H H

H (a) Free rotations very flexible

R

H H

H H R

H H R

(b) Partially free rotations (c) Reduced free rotation flexible less flexible

  

Figure  6.  An  illustration  for  pyridyl‐functionalized  TPE  de‐ rivatives with different bridging groups (a) ethynylene bridge,  (b) vinylene bridge and (c) single‐bond bridge. 

microcrystal,  as  manifested  by  the  weakened  and  broad‐ ened  diffraction  peaks  and  the  blunt  bump  around  2  of  20o  (Figure  5(b1)),  such  as  the  peaks  standing  for  the  210 ,  310 ,  421  and  042  lattice  plane.  The  amor‐ phous  solid  contributes  to  the  green  fluorescence.  After  fuming  by  DCM  vapor,  the  amorphous  solid  was  trans‐ formed  into  crystal  again,  the  XRD  pattern  was  largely  recovered, as compared the XRD patterns in Figure 5 (a1)  and (c1). Similar variations can be observed for the grind‐ ing‐fuming  treatments  to  the  as‐prepared  powder  of  the  (E)‐isomer  (Figure  5(a2)‐(c2)).  While  the  peaks  for  the  ground  powder  of  the  (E)‐isomer  are  still  discernible,  such  as  the  ones  for  the  101 ,  111 ,  120  and  030   plane, they are severely weakened and broadened.  It can be found that the diffraction angles (2) have on‐ ly  subtle  shifts  in  the  as‐prepared  solid,  ground  powder  and  solvent‐fumed  samples,  if  the  attention  was  paid  to  the  details  of  XRD  patterns  in  Figure  5,  as  indicated  by  the  red  dash‐dot  lines.  These  observations  are  quite  dif‐ ferent from that observed for many TPE‐derivatives show‐ ing  evident  MLC  behavior.  Since  the  mechanism  for  the  MLC  phenomenon  is  ascribed  to  the  mechanical‐force  induced  changes  in  molecular  packing  modes,  evident  changes  in  XRD  patterns  have  been  usually  detected  in  those reported MLC‐active TPE‐derivatives.11‐15,25,46,50‐54  The “abnormal” observations in the present case can be  tentatively explained as below. Based on the single crystal  data,  the  crystals  of  the  (Z)‐  and  (E)‐isomers  belong  to  different systems, but the conformations of the TPE core  are similar to each other. The molecular packing modes in  the unit cell, as well as the emission peaks depend mainly  on  the  ethynylene‐pyridyl  moieties.  The  small  dihedral  angle and the better conjugation between the pyridyl ring  B and the phenyl ring 4 (Figure 2(a)) render the crystal of  (Z)‐isomer  (em  =  474  nm)  emits  longer  wavelength  than  the crystal of (E)‐isomer (em = 464 nm). In the literature‐ reported TPE derivatives,25 the TPE‐core are linked to the  modifiers with C=C double bonds and/or phenyl rings as  schematically  illustrated  in  Figure  6  (b)  and  (c),  the  or‐ tho‐positioned  CH  bonds  (colored  in  blue  and  green)  hinder the free rotations of the phenyl rings on TPE core  against  the  C=C  double  bonds  and/or  phenyl  rings.  As  a  result,  the  whole  molecule  should  adjust  its  confor‐ mations  to  respond  to  the  applied  mechanical  stimulus 

(grinding  or  pressing).  Distinctly,  in  the  present  case  of  (Z)‐  and  (E)‐isomers,  the  ethynylene  bridge  has  a  cylin‐ drical  shape  but  not  any  CH  bonds  to  hinder  the  free  rotations  of  the  phenyl  and  pyridyl  rings  (Figure  6  (a)).  Consequently,  the  molecules  can  respond  to  the  applied  mechanical stress by flexibly adjusting the conformations  of pyridyl rings against the phenyl rings on TPE‐core, ra‐ ther than the whole molecule. The rotational freedom was  supported  by  single  crystal  analysis  result.  As  shown  in  Figure  S22,  the  pyridyl  ring  took  multiple  conformations  even in crystalline state.   In  experiments,  only  small  changes  in  XRD  patterns  and  narrow  spectral  shifts  can  be  found  (474  to  506  nm  for the (Z)‐ isomer and 464 to 504 nm for the (E)‐isomer).  In  addition,  the  quick  restoration  of  the  ground  solid  to  crystalline and the green to blue emission by solvent fum‐ ing  may  be  associated  with  the  porous  structure  of  the  solids  and  the  increased  molecular  flexibility.  An  unex‐ pected  observation  is  that  the  ground  powder  of  (E)‐ isomer recovered to blue from green fluorescence sponta‐ neously  when  the  sample  was  kept  untouched  in  air  at  room  temperature  (RT,    25  oC)  for  hours.  The  fluores‐ cence images for the as‐ground and the aged powder (for  24  h,  in  air)  are  shown  in  Figure  7(a)  and the  PL  spectra  were displayed in Figures 4(a) (green line, em = 503 nm)  and  9(b)  (blue  line,  em  =  474  nm).  We  firstly  associated  this  observation  with  the  flexibility  stemming  from  the  ethynylene‐linkages,  which  may  allow  the  molecules  of  the (E)‐isomer in the ground powder to undergo a phase  transition  at  RT.  To  confirm  this  assumption,  we  cooled  the  ground  sample  to  ‐20  oC  and  recorded  the  PL  spec‐ trum and fluorescence image. The emission color gradual‐ ly changed from green to blue‐greenish (left arrow, Figure  7(a))  and  the  em  blue‐shiftedfrom  503  to  496  nm  (dark  yellow  line,  Figure  7(b)),  but  did  not  recover  completely  in 24 h.   These  results  cannot  fully  support  our  assumption,  since the emission color variation occurred at such a low  temperature. Accordingly, we examined the thermal tran‐ sition  of  the  ground  powders  of  the  (E)‐isomer  and  the  differential scanning calorimetry (DSC) curves are depict‐ ed in Figure 7(e). In the first heating run, these is a sharp  endothermic transition at 261  oC, but it disappears in the  first  cooling  run  at  a  proper  temperature.  In  the  second  heating run, the endothermic peak is absent from 10 oC to  300 oC, but a step appears at around 98 oC, which is tenta‐ tively ascribed to the glass transition. The DSC data sug‐ gest that the color variation of ground powder of the (E)‐ isomer  is  unlikely  accompanied  with  a  phase  transition,  because no transitions have been recorded below 98 oC.  At  the  same  time,  the  absence  of  the  exothermic  peak  in the 1st cooling run and the endothermic peak in the 2nd  heating  run  implies  that  the  (E)‐isomer  might  undergo  certain  unexpected  processes  in  the  heating  process,  for  example,  thermally‐induced  evaporation  of  the  solvent  molecules  absorbed  in  the  powder  sample,  or  oxygen‐

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 8 of 14

  Figure 7. The Mechanoluminochromism (MLC) behaviors of (Z)‐ and (E)‐isomers. (a) The fluorescent images showing the color  changes  of  the ground powder of (E)‐isomer upon different treatments (cooling, cooling  +  aging  for  24 hours  at  RT or  ‐20 oC,  aging in N2 for 24 hours at RT and ‐20 oC; and in dry air for 24 hours). (b) PL spectra recorded for the ground powder of the (E)‐ isomer after different treatments (aging in ambient air, cooling in air at ‐20 oC, aging in N2 at RT or ‐20 oC, for 24 hours). (c) The  fluorescent  images  showing  the  color  changes  of  the  ground  powder  of  (Z)‐isomer  upon  different  treatments  for  comparison  with (a). (d) PL spectra recorded for the ground powder of the (Z)‐isomer after different treatments. All of the fluorescent imag‐ es were taken under 365 nm UV‐light, and ex for the PL spectra was 345 nm. (e) Differential scanning calorimetry (DSC) curves  of  the  ground  powders  of  the  (E)‐isomer  in  the  1st  and  2nd  heating  and  1st  cooling  runs  at  a  scanning  rate  of  10  oC/min.

induced  reactions.  To  exclude  the  role  of  oxygen,  we  ex‐ amined the emission behaviors of the ground powders in  N2  atmosphere  at  RT  and  ‐20  oC  and  the  results  are  dis‐ played  in  Figure  7(a)  (right  hand  arrows)  and  9(b)  (light  and  dark  green  lines).    The  emission  color  change  from  green  to  blue‐greenish  was  observed  again  in  N2  atmos‐ phere and cooling treatments. Similar to that observed in  the  case  of  cooling  in  air,  the  emission  color  could  not  completely  recover  to  blue  fluorescence  as  recorded  for  the  crystal  of  the  (E)‐isomer,  the  emission  peaks  for  the  samples,  keeping  untouched  for  a  day  at  RT  and  ‐20  oC  under  N2  protection,  blue‐shifted  from  503  to  495  and  493  nm,  respectively.  The  independent  of  oxygen  (exotic  species) and incomplete recovery at low temperature hint  that the emission color change should be correlated with  the internal structure factors.  Then,  we  turned  our  attention  to  a  special  structure  factor, i.e. the pyridyl moieties. The data shown in Figure  2(e) and 2(f) indicate that the intermolecular interactions  between  the  pyridyl  moieties  are  quite  different  for  (E)‐  and (Z)‐isomers.  Thus  we  compared  the  emission  behav‐ iors of its stereo‐isomer, or the (Z)‐counterpart under the  same  experimental  conditions.  Interestingly,  the  ground  powder  of  (Z)‐isomer  cannot  automatically  recover  its 

emission color  from green to  blue, no  matter in air  or in  N2,  at  RT  or  at  ‐20  oC,  as  demonstrated  by  the  photo‐ graphs  (Figure  7(c))  and  PL  spectra  (Figure  7(d)).  These  dramatically different observations suggest us to associate  the  differences  between  the  ground  powder  of  the  (Z)‐  and  (E)‐isomers  with  their  distinct  intermolecular  inter‐ actions. As highlighted in Figure 2(g), there exist a pair of  strong CHN interactions between the pyridyl units on  the  adjacent molecules  for  the  (Z)‐isomer,  whereas  there  are no such interactions in the crystal of (E)‐isomer. The  distance  of  2.618  Å  is  much  shorter  than  the  critical  dis‐ tance  of  hydrogen  bond  (3.60  Å).  It  means  that  this  CHN  interaction  is  a  strong  hydrogen  bond  and  the  other  (3.098  Å,  Figure  2(g))  is  relatively  weak.  Based  on  the  above  experimental  data  and  analyses,  the  formation  of hydrogen bonds comes into the center of the scenario.  Without  intermolecular  hydrogen  bonding,  the  pyridyl  groups on (E)‐isomer can form hydrogen bonds with wa‐ ter  molecules  absorbed  from  the  air.  The  chemically  ab‐ sorbed  water  molecules  play  the  role  of  solvent,  and  the  hydroscopic  process  is  a  solvent  fuming  process.  At  low  temperature (‐20  oC)  and  in  N2,  water  content  in  the  at‐ mosphere is evidently lower than that in ambient air, thus

ACS Paragon Plus Environment

Page 9 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

the  color  recovery  from  green  to  blue  becomes  slow,  the  process cannot finish even after aging for 24 hours (Figure  7 (a) and (b)). Rationally, it can be expected that the color  recovery would be totally restricted in fully dried air.  To  validate  the  above  deduction,  we  monitored  the  emission of the ground powder of the (E)‐isomer in fully  dried air and the result indicates that the green emission  had no change by aging for 24 h (rightmost photographs  in  Figure  7(a)).  In  contrast,  due  to  the  occupied  pyridyl  groups  by  intermolecular  hydrogen  bonding,  the  ground  powder  of  the  (Z)‐isomer  cannot  effectively  react  with  water  molecules.  As  a  result,  no  emission  color  recovery  of the ground (Z)‐isomer powders in air was observed, as  shown  in  Figure  7(c)  and  (d).  Reasonably,  the  ground  powder  of  the  (E)‐isomer  can  be  used  as  a  fluorescent  reporter  to  monitor  the  trace  amount  moisture  in  air  or  other  gas  mixtures,  in  the  circumstances  that  the  mois‐ ture  content  needs  to  be  detected.  Meanwhile,  other  kinds  of  vapors  that  can  form  hydrogen  bond  with  the  (E)‐isomer  may  be  also  fluorescently  detected  and  the  quantitative researches are going on in our laboratory.  

Reversible Fluorescent Response to Acid/Base. In our molecular design, the pyridyl groups are the func‐ tional  units  intentionally  introduced  into  the  TPE‐ derivative, in order to offer the AIE‐active molecules with  fluorescent  response  to  acidic/basic  stimuli.  AIE‐gens  responding to different kinds of acids/bases (such as ami‐ no acids, nuclear acids, picric acid (an explosive) and base  pairs)  have  been  also  widely  studied  in  recent  years.55‐64  We  expect  our  design  rationale  of  combing  the  proton‐ acceptor  property  of  pyridyl  group  and  the  flexibility  of  the  ethynylene  bridge  enables  the  isomers  to  respond  to  acids more quickly.   As indicated by the molecular packing modes in Figure  2,  the  propeller‐like  structure  of  the  TPE  core  results  in  the loose molecular packing, and there are free spaces to  accommodate  the  solvent  molecules.  In  long  range,  the  molecules  of  the  (E)‐isomer  form  a  lamella  structure,  while  for  the  (Z)‐isomer,  porous  structure  can  be  ob‐ served (Figure  S23). These  structural  features allow  suffi‐ cient  adsorption  and  efficient  diffusion  of  the  chemical  absorbents (solvent and/or gas molecules) in the powder  samples.   To  investigate  the  potential  application  of  these  two  isomers  as  active  component  of  chemical  sensors,  their  thin films were prepared by drop‐casting method. The as‐ prepared solid film of the (E)‐isomer emits blue‐greenish  light  peaked  at  495  nm,  suggesting  a  mixture  containing  amorphous  solid  and  microcrystalline.  When  exposed  to  HCl  vapor,  its  blue‐greenish  fluorescence  faded  out  and  yellow fluorescence peaked at approximate 537 nm turned  on (Figure 8(a)). The blue‐greenish fluorescence restored  when  the  film  was  fumed  by  triethylamine  (TEA).  The  variation  in  emission  wavelength  in  response  to  the  HCl  and TEA vapors can be repeated for several times on this  very  film  (Figure  8(b)),  and  similar  cycles  can  also  be  conducted for the cast film of the (E)‐isomer (Figure S24).  

  Figure 8. (a) Normalized PL spectra and variation of the  em  of (E)‐isomer film fumed by HCl and NEt3 in turn (ex = 345  nm).  (b)  Reversible  change  of  emission  peak  wavelength  by  cyclic treatment of the solid film of the (E)‐isomer with HCl  and  triethylamine  vapors.  (c)  Chemical  structure  of  com‐ pound  3.  Inset  images  show  a  piece  of  filter  paper  soaked  acetone solution of compound 3 taken under daylight (1) and  UV‐light (2), respectively; image (3) displays writing letters of  AIE  on  the  paper  with  triethylamine  dilute  solution  under  UV‐light.  (d)  PL  spectra  of  compound  3  in  solid  film  in  its  original from and fumed by NH3. Inset: Fluorescent images of  films 3 in its original state (A), fumed by NH3 (B) and heated  after NH3 fuming (C).  

These  structural  essences  bestow  the  solids  of  the  (Z)‐  and  (E)‐isomers  with  swift  responses  to  stimuli.  In  addi‐ tion,  the  bright  emission  in  solid  states  allows  the  re‐ sponses of AIE‐active isomers to be highly contrastive.  The primary success in sensing acid and base vapors by  the  fluorescent  response  of  the  (Z)‐  and  (E)‐isomers  en‐ couraged us  to take  a step  further.  We  synthesized com‐ pound  3  by  reacting  2  with  hexafluorophosphoric  acid,  a  less‐volatile  inorganic  acid  (Figure  8(c)),  and  the  details  are  described  in  the  Experiment  Section  (Scheme  S1).  Compound 3 can dissolve in organic solvents such as eth‐ anol, acetone and THF. As demonstrated by the inset im‐ ages  of  Figure  8(c),  when  a  filter  paper  was  soaked  with  acetone solution of 3 and dried, it looked untouched un‐ der daylight, but under UV‐light the paper emitted strong  yellow fluorescence. Using triethylamine acetone solution  as  ink,  three  letters  of  “AIE”  were  written  on  the  paper,  the acid‐base neutralization reaction led to the formation  of  compound  2.  As  a  result,  blue  emission  “AIE”  letters  were observed under UV‐light illumination.  Compound 3 can be fabricated into amorphous film on  glass slides with drop‐cast method. The original film of 3  emitted  yellow  light  with  an  emission  peak  at  548  nm. 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The emission color changed sharply from yellow to green  and  the  em  blue‐shifted  from  548  to  511  nm  when  it  was  fumed by ammonia vapor (Figure 8(d)). Considering that  NH3 is a dangerous gaseous industrial exhaust, which not  only  cause  irreversible  damage  to  the  natural  environ‐ ment,  but  also  do  harm  to  human  health,  the  sharp  re‐ sponse of the solid films made of compound 3 provides a  proof  of  concept  example  of  fluorescently  detecting  NH3  and other gaseous basic pollutes. 

EXPERIMENTAL SECTION Materials  and  Methods.  All  commercially  available  chemicals  were  purchased  from  AIE‐gen  Biotech,  J&K  chemistry  or  Sinopharm  Chemical  Reagent  Co.,  Ltd  and  used  as  received.  Tetrahydrofuran  (THF)  was  distilled  from  sodium  benzophenone  ketyl  under  nitrogen  imme‐ diately  prior  to  use.  All  1H  and  13C  NMR  spectra  were  measured  with  a  Bruker  AVANCE  III  400  spectrometer  using  CDCl3  or  acetone‐d6  as  the  solvent,  and  tetrame‐ thylsilane (TMS) was used as the internal reference. High  resolution  mass  spectra  (HRMS)  were  recorded  using  a  Waters  GCT  premier mass spectrometer operated  in  GC‐ TOF mode. UV‐visible absorption spectra were measured  with  Shimadzu  UV‐1800  Spectrophotometer.  PL  spectra  were  measured  with  a  RF‐5301  PC  spectrofluorometer.  The  absolute    values  were  obtained  with  a  Hamamatsu  Quantaurus‐QY C11347 spectrometer. Single crystal X‐ray  diffraction  analysis  was  conducted  on  a  Gemini  A  Ultra  diffractometer at 293K. DSC curves were measured on the  DSCQ  1000  (TA,  USA)  calorimeter.  The  electron  cloud  distributions  of  HOMO  and  LUMO  of  the  two  isomers  were calculated by the B3LYP/6‐31G(d) program.   Synthetic  procedures  of  molecules  1  and  2.  The  starting  reagent  1,2‐bis(4‐ethynylphenyl)‐1,2‐diphenyl‐ ethene  (BETPE)  was  obtained  following  reported  proce‐ dure.49 Into a 250 mL two‐necked flask were added 1.14 g  (3  mmol)  of  BETPE  and  0.92  g  (4.5  mmol)  of  4‐iodo‐ pyridine.  The  flask  was  then  transferred  into  the  glove  box. After that, 84 mg (0.12 mmol) of PdCl2(PPh3)2, 46 mg  (0.24 mmol) of CuI and 126 mg (0.48 mmol) of PPh3 were  added to the system. Then the flask was transferred out of  the  glove  box  and  20  mL  of  NEt3  and  40  mL  of  dry  THF  were  injected  into  the  system.  The  mixture  was  then  al‐ lowed to stir at 50  oC overnight. The mixture was filtered  after  cooled  down  to  room  temperature.  The  filtrate  was  then  evaporated  under  reduced  pressure  to  remove  the  solvent to get the crude, which then passed through col‐ umn  chromatography  with  PE:THF  =  3:1  as  the  eluent.  (Z)‐1,2‐di‐phenyl‐1,2‐bis(4‐(pyridin‐4‐ylethynyl)  phenyl)‐ ethene (1). Yellow powder, yield:  34%. 1H NMR (400 MHz,  CDCl3)  δ  (TMS,  ppm)  8.59  (dd,  J  =  4.6,  1.4  Hz,  4H),  7.35  (dd, J = 4.6, 1.5 Hz, 4H), 7.32 (d, J = 8.3 Hz, 4H), 7.19 – 7.09  (m,  6H),  7.09  –  7.04  (m,  4H),  7.03  –  6.99  (m,  4H).  13C  NMR  (100  MHz,  CDCl3)  δ  (TMS,  ppm)  149.62,  144.62,  142.82,  141.12,  131.46,  127.90,  127.00,  125.54,  120.23,  94.21,  87.12.  IR  (KBr  pellet):  2218  cm‐1  (‐C≡C‐  stretching),  1591 

Page 10 of 14

cm‐1  (‐N=C‐  stretching).  HRMS  (GC‐TOF):  m/z  534.2099  ([M]+), calcd. for C40H26N2 534.2096) (Figures S2‐4 and S8).  (E)‐1,2‐diphenyl‐1,2‐bis(4‐(pyridin‐4‐ylethynyl)‐ phenyl) ethene (2). Yellow powder, yield:  44%.  1H NMR  (400 MHz, CDCl3), δ (TMS, ppm) 8.59 (d, J = 5.5 Hz, 4H),  7.35 (d, J = 5.9 Hz, 4H), 7.30 (d, J = 8.3 Hz, 4H), 7.20 – 7.11  (m, 6H), 7.07 – 7.00 (m, 8H). 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ  (TMS,  ppm)  149.48,  144.69,  142.79,  141.14,  131.77,  131.36,  128.06,  127.11,  125.57,  120.06,  94.45,  86.99.  IR  (KBr  pellet):  2219 cm‐1 (‐C≡C‐ stretching), 1589 cm‐1 (‐N=C‐ stretching).  HRMS  (GC‐TOF):  m/z  534.2098  ([M]+),  calcd.  for  C40H26N2 534.2096) (Figures S5‐7 and S9).  Synthesis  of  (E)‐4,4'‐(((1,2‐diphenylethene‐1,2‐diyl)‐ bis(4,1‐phenylene))bis(ethyne‐2,1‐diyl))bis‐(pyridin‐1‐ium)  hexafluorophosphate (3). The synthetic route is shown as  Scheme  S1,  and  the  experimental  procedures  are  de‐ scribed  below.  50  mg  of  2  was  dissolved  in  metha‐ nol/DCM mixture (1:5 in volume). 3 mL of 65% hexafluor‐ ophosphoric  acid  was  added.  The  reaction  mixture  was  the allowed to stir for half an hour at room temperature.  Then  the  solvent  was  evaporated  and  a  suspension  was  obtained,  which  was  then  filtered  to  collect  the  solid  as  the product. 1H NMR (400 MHz, acetone‐d6) δ (TMS, ppm)  9.09 (d, J = 6.7 Hz, 4H), 8.44 (s, 2H), 8.30 (d, J = 6.7 Hz,  4H), 7.53 (d, J = 8.3 Hz, 4H), 7.27 – 7.16 (m, 10H), 7.12 (dd,  J  =  6.6,  3.0  Hz,  4H).  13C  NMR  (100  MHz,  acetone‐d6)  δ  (TMS,  ppm)  147.36,  143.36,  142.94,  142.76,  142.54,  133.00,  132.54,  132.02,  129.93,  129.07,  128.24,  119.40,  104.14,  86.64.  19F NMR (376 MHz, acetone‐d ) δ (TMS, ppm) 27.27 (d, J =  6 23.3 Hz), 26.32 (d, J = 19.9 Hz) (Figures S25‐27). 

CONCLUSIONS Novel TPE  derivatives  have  been  derived in  high  yield of  86%  through  Sonogashira  coupling  reaction  and  the  (Z)‐  and  (E)‐isomers  can  be  purified.  The  availability  of  the  pure  stereo‐isomers  and  single  crystal  data  allow  us  to  clearly  address  the  relationship  between  the  chemical  structure  and  photophysical  properties.  Both  of  the  two  isomers  are  AIE‐active  molecules,  or  AIE‐gens.  Owing  to  the  two  pyridyl  moieties,  the  two  isomers  show  negative  solvatoluminochromism.  These  two  isomers  show  re‐ versible and repeatable responsiveness to the stimulus of  protonic acids. More importantly, the solid  of (E)‐isomer  exhibits  unprecedented  “auto‐recovery”  MLC  property,  due to the absence of the strong CHN interactions.   The  ethynylene  linker  between  the  TPE  core  and  pyridyl unit also plays an important role. The linear shape  and  cylindrical  symmetry  provide  large  rotational  free‐ dom for the molecules. Thus, the two isomers have mod‐ erate  αAIE  values,  which  is  a  good  annotation  of  the  RIR  mechanism.  Meanwhile,  it  offers  better  flexibility  to  the  molecules  so  that  the  they  respond  to  the  applied  me‐ chanical stimulus by flexibly adjusting the conformations  of  pyridyl  rings  against  the  TPE‐core,  as  confirmed  by  relatively narrow spectral shifts and small changes in XRD  patterns. In addition, the ethynylene bridges play the role  of rigid sticks and help to support the porous structure of 

ACS Paragon Plus Environment

Page 11 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

the  solids,  which  enables  the  fast  responses  of  the  thin  films to the fuming treatment with solvent and acid/base  vapors.   In  summary,  the  conjugation  of  TPE  core  with  pyridyl  units via ethynylene bridges not only derive two new ste‐ reo‐pure  AIE‐gens,  but  also  provide  us  with  a  unique  chance  to  understand  more  details  about  the  structure‐ property  relationship  for  the  multiple  stimuli‐responsive  behaviors  for  TPE‐derivatives,  which  will  help  us  to  de‐ sign  and prepare more  and better AIE‐gens  as promising  candidates for advanced materials to find high‐tech appli‐ cations  such  as  chemical  sensors,  security  writings  and  smart optical displays.   ASSOCIATED CONTENT  Supporting  Information.  Supporting  figures  include  mechanistic illustration for AIE of TPE isomers (Figure S1);  characterization data for compounds 1, 2 and 3 (Figures S2  to S9, S25‐S27); supplementary crystal data for (Z)‐ and (E)  –isomers  (Figures  S11,  S12,  S22  and  S23);  absorption  and  emission spectra for compounds 1 and 2 in different states  (Figures  S14  to  S21,  and  S24);  TGA  data  for  compound  1  (Figure  S13);  Scheme  S1  for  the synthesis of compound  3;  crystallographic  data  and  photophysical  properties  for  compounds 1 and 2 (Tables S1 and S2, respectively). 

AUTHOR INFORMATION Corresponding Authors *[email protected]  *[email protected]   

Notes The authors declare no competing financial interest. 

ACKNOWLEDGMENT We are grateful for financial support from the National Natu‐ ral  Scientific  Foundation  of  China  (51573158),  the  National  Basic  Research  Program  of  China  (2013CB834704),  the  Uni‐ versity Grants Committee of Hong Kong (AoE/P‐03/08), the  Research  Grants  Council  of  Hong  Kong  (16301614,  16305015,  C2014‐15G), and the Innovation and Technology Commission  (ITCCNERC14SC01).  B.Z.T.  is  also  grateful  for  support  from  the Guangdong Innovative Research Team Program of China  (201101C0105067115)  and  the  Science  &  Technology  Plan  of  Shenzhen (JCYJ20160229205601482). 

REFERENCES (1)  Sagara,  Y.;  Yamane,  S.;  Mitani,  M.;  Weder,  C.;  Kato,  T.  Mechanoresponsive  Luminescent  Molecular  Assemblies:  An  Emerging Class of Materials. Adv. Mater. 2016, 28, 1073–1095.  (2)  Yan,  D.;  Evans,  D.  G.  Molecular  Crystalline  Materials  with  Tunable  Luminescent  Properties:  from  Polymorphs  to  Multi‐ Component Solids. Mater. Horiz. 2014, 1, 46–57.  (3)  Yan,  X.;  Cook,  T.  R.;  Wang,  P.;  Huang,  F.  H.;  Stang,  P.  J.  Highly Emissive Platinum(II) Metallacages. Nature Chem. 2015, 7,  342–348.  (4) Sun, H.; Liu, S.; Lin, W. P.; Zhang, K. Y.; Lv, W.; Huang, X.;  Huo,  F.  W.;  Yang,  H.  R.;  Jenkins,  G.;  Zhao,  Q.;  et  al.  Smart  Re‐ sponsive  Phosphorescent  Materials  for  Data  Recording  and  Se‐

curity Protection. Nature Commun. 2013, 5, 3601–3609.  (5)  Shustova,  N.  B.;  Cozzolino,  A.  F.;  Reineke,  S.;  Baldo,  M.;  Dincă,  M.  Selective  Turn‐On  Ammonia  Sensing  Enabled  by  High‐Temperature  Fluorescence  in  Metal−Organic  Frameworks  with Open Metal Sites. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 13226–13329.  (6) Calvino, C.; Neumann, L.; Weder, C.; Schrettl, S. Approach‐ es to Polymeric Mechanochromic Materials. J. Polym. Sci., Part A:  Polym. Chem. 2017, 55, 640–652.  (7) Förster, T.; Kasper, K. Ein Konzentrationsumschlag der Flu‐ oreszenz. Z. Phys. Chem. (Muenchen, Ger.) 1954, 1, 275−277.   (8) Photophysics of Aromatic Molecules; Birks, J. B., Ed.; Wiley:  London, 1970.  (9) Luo, J.; Xie, Z.; Lam, J. W. Y.; Cheng, L.; Tang, B. Z.; Chen, H.;  Qiu, C.; Kwok, H. S.; Zhan, X.; Liu, Y.; et al. Aggregation‐Induced  Emission of 1‐Methyl‐1,2,3,4,5‐pentaphenylsilole. Chem. Commun.  2001, 1740–1742.  (10) Mei, J.; Leung, N. L. C.; Kwok, R. T. K.; Lam, J. W. Y.; Tang, B.  Z.  Together  We  Shine,  United  We  Soar.  Chem.  Rev.  2015,  115,  11718–11940.  (11) Mei, J.; Hong, Y.; Lam, J. W. Y.; Qin, A.; Tang, Y.; Tang, B. Z.  Aggregation‐Induced Emission: The Whole Is More Brilliant than  the Parts. Adv. Mater. 2014, 26, 5429–5479.  (12)  Zhao,  Z.;  Lam,  J.  W.  Y.    Tang,  B.  Z.  Tetraphenylethene:  a  Versatile  AIE  Luminogen  for  the  Construction  of  Efficient  Luminescent  Materials  for  Organic  Light‐Emitting  Diodes.  J.  Mater. Chemi. 2012, 22, 23726–23740.  (13)  Yuan,  W.  Z.;  Tan,  Y.  Q.;  Gong,  Y.  Y.;  Lu,  P.;  Lam,  J.  W.  Y.;   Shen, X. Y.; Feng, C. F.; Sung, H. H. Y.; Lu, Y. W.; Williams, I. D.;   et  al.  Synergy  between  Twisted  Conformation  and  Effective  Intermolecular  Interactions:  Strategy  for  Efficient  Mechanochromic  Luminogens  with  High  Contrast.  Adv.  Mater.  2013, 25, 2837–2843.  (14) Shen, X. Y.; Wang, Y. J.; Zhao, E. G.; Yuan, W. Z.;  Liu, Y.; Lu,  P.;  Qin,  A.  J.;  Ma,  Y.  G.;  Sun,  J.  Z.;  Tang,  B.  Z.  Effects  of  Substitution  with  Donor‐Acceptor  Groups  on  the  Properties  of  Tetraphenylethene  Trimer:  Aggregation‐Induced  Emission,  Solvatochromism,  and Mechanochromism. J. Phys. Chem. C 2013,  117, 7334–7347.  (15) Xu, B.; He, J.; Mu, Y.; Zhu, Q.; Wu, S.; Wang, Y.; Zhang, Y.;  Jin,  C.;  Lo,  C.;  Chi,  Z.;  et  al.  Very  Bright  Mechanoluminescence  and  Remarkable  Mechanochromism  Using  a  Tetraphenylethene  Derivative  with  Aggregation‐Induced  Emission. Chem.  Sci.  2015,  6, 3236–3241.  (16) Dong, Y. Q.; Lam, J. W. Y.; Li, Z.; Qin, A. J.; Tong, H.; Dong,  Y. P.; Feng, X. D.; Tang, B. Z. Vapochromism of Hexaphenylsilole.   J. Inorg. Organomet. Polym. Mater. 2005, 15, 287–291.  (17) Dong, Y. Q.; Lam, J. W. Y.; Qin, A.: Liu, J.; Li, Z.; Tang, B. Z.;  Sun,  J.;  Kwok,  H.‐S.  Aggregation‐Induced  Emissions  of  Tetraphenylethene  Derivatives  and  their  Utilities  as  Chemical  Vapor Sensors and in Organic Light‐Emitting Diodes. Appl. Phys.  Lett. 2007, 91, 011111.  (18) Zhang, X. Q.; Chi, Z. G.; Li, H. Y .; Xu, B. J.; Li, X. F.; Zhou,  W.;  Liu,  S.  W.;  Zhang,  Y.;  Xu,  J.  R.  Piezofluorochromism  of  an  Aggregation‐Induced  Emission  Compound  Derivedfrom  Tetraphenylethylene. Chem.‐Asian J. 2011, 6, 808–811.  (19) Chi, Z.; Zhang, X.; Xu, B.; Zhou, X.; Ma, C.; Zhang, Y .; Liu,  S.;  Xu,  J.  Recent  Advances  in  Organic  Mechanofluorochromic  Materials. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 3878–3896.  (20)  Xu,  J.;  Chi,  Z.  Mechanochromic  Fluorescent  Materials:  Phenomena,  Materials  and  Applications;  Royal  Society  of  Chemistry: Cambridge, U. K., 2014.  (21) Ekbote, A.; Jadhav, T.; Misra, R. T‐Shaped Donor–Acceptor– Donor  Type  Tetraphenylethylene  Substituted  Quinoxaline  Derivatives:  Aggregation‐Induced  Emission  and  Mechano‐

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

chromism. New J. Chem., 2017, 41, 9346–9353.  (22)  Jadhav,  T.;  Choi,  J.  M.;  Shinde,  J.;  Lee,  J.  Y.;  Misra,  R.  Mechanochromism  and  Electroluminescence  in  Positional  Isomers  of  Tetraphenylethylene  Substituted  Phenanthro‐ imidazoles. J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 6014–6020.  (23) Jadhav, T.; Dhokale, B.; Misra, R. Effect of the Cyano Group  on  Solid  State  Photophysical  Behavior  of  Tetraphenylethene  Substituted Benzothiadiazoles. J.  Mater.  Chem.  C,  2015, 3,  9063– 9068.  (24)  Misra,  R.;  Jadhav,  T.;  Dhokal,e  B.;  Mobin,  S.  M.  Reversible  Mechanochromism  and  Enhanced  AIE  in  Tetraphenylethene  Substituted  Phenanthroimidazoles.  Chem.  Commun.,  2014,  50,  9076–9078.  (25) Wang, J.; Mei, J.; Hu, R.; Sun, J. Z.; Qin, A.; Tang, B. Z. Click  Synthesis,  Aggregation‐Induced  Emission,  E/Z  Isomerization,  Self‐Organization,  and  Multiple  Chromisms  of  Pure  Stereo‐ isomers  of  a  Tetraphenylethene‐CoredLuminogen.  J.  Am.  Chem.  Soc. 2012, 134, 9956–9966.  (26) Zhang, C.‐J.; Wang, J.; Zhang, J.; Lee, Y. M.; Feng, G.; Lim, T.  K.;  Shen,  H.‐M.;  Lin,  Q.;  Liu,  B. Mechanism‐Guided  Design  and  Synthesis  of  a  Mitochondria–Targeting  Artemisinin  Analogue  with Enhanced Anticancer Activity. Angew. Chem., Int. Ed. 2016,  55, 13770–13774.  (27)  Fang,  X.  F.;  Zhang,  Y. M.;  Chang,  K.  W.;  Liu,  Z.  H.;  Su,  X.;  Chen, H. B.; Zhang, S. X. A.; Liu, X. F.; Wu, C. F. Facile Synthesis,  Macroscopic  Separation,  E/Z  Isomerization,  and  Distinct  AIE  Properties  of  Pure  Stereoisomers  of  an  Oxetane‐Substituted  Tetraphenylethene  Luminogen.  Chem.  Mater.  2016,  28,  6628– 6636.  (28) Peng, H.‐Q.; Zheng, X.; Han, T.; Kwok, R. T. K.; Lam, J. W. Y.;  Huang,  X.  H.;  Tang,  B.  Z.  Dramatic  Differences  in  Aggregation‐ Induced  Emission  and  Supramolecular  Polymerizability  of  Tetraphenylethene‐Based Stereoisomers.  J. Am. Chem. Soc. 2017.  127, 10150–10156.  (29) Hu, T.; Yao, B.; Chen, X.; Li, W.; Song, Z.; Qin, A. J.; Sun, J.  Z.; Tang, B. Z. Effect of Ionic Interaction on the Mechanochromic  Properties  of  Pyridinium  Modified  Tetraphenylethene.  Chem.  Commun. 2015, 51, 8849–8852.  (30) Lai, T.; Lim, B. T.; and Lim, E. C. Photophysical Properties  of Biologically Important Molecules Related to Proximity Effects:  Psoralens. J. Am. Chem. Soc. 1982, 104, 7631–7635.  (31)  Wang,  P.  F.;  Wu,  S.  K.Spectroscopy  and  Photophysics  of  Bridged  Enone  Derivatives:  Effect  of  Molecular  Structure  and  Solvent. J. Photochem. Photobiol. A Chem. 1995, 86, 109–113.   (32) Hu, R. R.; Gomez‐Duran, C. F. A.; Lam, J. W. Y.; Belmonte‐ Vazquez, J. L.; Deng, C. M.; Chen, S. J.; Ye, R. Q.; Pena‐Cabrera, E.;  Zhong,  Y.  C.;  Wong,  K.  S.;  et  al.  Synthesis,  Solvatochromism,  Aggregation‐Induced  Emission  and  Cell  Imaging  of  Tetraphenylethene‐Containing  BODIPY  Derivatives  with  Large  Stokes Shifts. Chem. Commun. 2012, 48, 10099–10101.  (33) Shen, X. Y.; Yuan, W. Z.; Liu, Y.; Zhao, Q. L.; Lu, P.; Ma, Y. G.;  Williams,  I.  D.;  Qin,  A.  J.;  Sun,  J.  Z.;  Tang,  B.  Z.  Fumaronitrile‐ Based  Fluorogen:  Red  to  Near‐Infrared  Fluorescence,  Aggregation‐Induced  Emission,  Solvatochromism,  and  Twisted  Intramolecular Charge Transfer. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 10541– 10547.  (34) Ueda, Y.; Tanigawa, Y.; Kitamura, C.; Ikeda, H.; Yoshimoto,  Y.;  Tanaka,  M.;  Mizuno,  K.;  Kurata,  H.;  Kawase,  T.  3,  14‐Bis(p‐ nitrophenyl)‐17, 17‐dipentyltetrabenzo [a, c, g, i]‐fluorene: A New  Fluorophore  Displaying  Both  Remarkable  Solvatochromism  and  Crystalline‐Induced Emission. Chem. Asian J. 2013, 8, 392–399.  (35)  Niu,  C.;  You,  Y.;  Zhao,  L.;  He,  D.;  Na,  N.;  Ouyang,  J.  Solvatochromism,  Reversible  Chromism  and  Self–Assembly  Effects  of  Heteroatom‐Assisted  Aggregation‐Induced  Enhanced 

Page 12 of 14

Emission (AIEE) Compounds. Chem. Eur. J. 2015, 21, 13983–13990.  (36)  Li,  Y.‐X.;  Qiu,  J.‐X.;  Miao,  J.‐L.;  Zhang,  Z.‐W.;  Yang,  X.‐F.;  Sun, G.‐X. (9‐Anthryl)vinyl(9‐phenanthryl)vinylbenzene Position  Isomers:  Intriguing  Effects  of  Molecular  Configuration  on  Polymorphism,  Solvatochromism,  and  Aggregation‐Induced  Emission Properties. J. Phys. Chem. C 2015, 119, 18602–18610.  (37)  Radhakrishnan,  R.;  Sreejalekshmi,  K.  G.  Fluorophores  Based  on  a  Minimal  Thienylthiazole  Core:  towards  Multifunctional  Materials  with  Solid  State  Red  Emissions,  Solvatochromism  and  AIE  Behaviour.  RSC  Adv.  2016,  6,  32705– 32709.  (38)  Itami,  K.;  Yamazaki,  D.;  Yoshida,  J.  I.Pyrimidine‐Core  Extended  π‐Systems:  General  Synthesis  and  Interesting  Fluorescent Properties. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 15396–15397.  (39) Kamlet, M. J.; Abboud, J.‐L. L.; Taft, R. W. An Examination  of Linear Solvation Energy Relationships. Prog. Phys. Org. Chem.  1981, 13, 485–630.  (40) Reichardt, C.; Harbusch‐Gornert, E. Pyridium N‐Phenoxide  Betaines  and  Their  Application  for  the  Characteriazation  of  Solvent Polarities. 10. Extension, Correction, and New Defination  of  the  Et  Solvent  Polarity  Scale  by  Application  of  a  Lipophilic  Penta‐tert‐butyl‐Substituted Pyridium N‐phenoxide Betaine Dye.  Liebigs Ann. Chem. 1983, 5, 721–744.  (41)  Benson,  H.  G.;  Murrell,  J.  N.  Some  Studies  of  Benzenoid‐ Quinonoid Resonance. Part 2. –The Effect of Solvent Polarity on  the Structure and Properties of Merocyanine Dyes. J. Chem. Soc.,  Faraday Trans. 2 1972, 68, 137–144.  (42)  Buncel,  E.;  Rajagopal,  S.  Solvatochromism  and  Solvent  Polarity Scales. Acc. Chem. Res. 1990, 23, 226–231.  (43)  Hong,  Y.;  Lam,  J.  W.  Y.;  Tang,  B.  Z.  Aggregation‐Induced  Emission. Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 5361–5388.  (44) Morris, W. A.; Kolpaczynska, M.; Fraser, C. L. Effects of α‐ Substitution  on  Mechanochromic  Luminescence  and  Aggregation‐Induced  Emission  of  Difluoroboron  β‐Diketonate  Dyes. J. Phys. Chem. C 2016, 120, 22539–22548.  (45) Zhao, Z.; Chen, T.; Jiang, S., Liu, Z. P.; Fang, D. C.; Dong, Y.  Q.  The  Construction  of  a  Multicolored  Mechanochromic  Luminogen  with  High  Contrast  Through  the  Combination  of  a  Large  Conjugation  Core  and  Peripheral  Phenyl  Rings.  J.  Mater.  Chem. C 2016, 4, 4800–4804.  (46) Ma, C.; Zhang, X.; Yang, Y.; Ma, Z. Y.; Yang, L.; Wu, Y.; Liu,  H.;  Jia,  X.  R.;  Wei,  Y.  Effect  of  Alkyl  Length  Dependent  Crystallinity  for  the  Mechanofluorochromic  Feature  of  Alkyl  Phenothiazinyl  Tetraphenylethenyl  Acrylonitrile  Derivatives.  J.  Mater. Chem. C 2016, 4, 4786–4791.  (47)  Morris,  W.  A.;  Liu,  T.;  Fraser,  C.  L.  Mechanochromic  luminescence of Halide‐Substituted Difluoroboron β‐Diketonate  Dyes. J. Mater. Chem. C 2015, 3, 352–363.  (48) Jadhav, T.; Dhokale, B.; Mobin, S.M.; Misra, R. Aggregation  induced Emission and Mechanochromism in Pyrenoimidazoles. J.  Mater. Chem. C 2015, 3, 9981–9988.  (49) Chen, Z.; Li, Z.; Yang, L.; Liang, J.; Yin, J.; Yu, G.‐A.; Liu, S.  H.  Novel  Diisocyano‐Based  Dinuclear  Gold  (I)  Complexes  with  Aggregation‐Induced  Emission  and  Mechanochromism  Characteristics. Dyes & Pigments 2015, 121, 170–177.  (50)  Jadhav,  T.;  Dhokale,  B.;  Patil,  Y.;  Mobin,  S.  M.;  Misra,  R.  Multi‐Stimuli  Responsive  Donor–Acceptor  Tetraphenylethylene  Substituted Benzothiadiazoles. J. Phys. Chem. C 2016, 120, 24030– ‐24040.  (51) Han, F.; Zhang, R.; Zhang, Z.; Su, J.; Ni, Z. A New TICT and  AIE‐Active  Tetraphenylethene‐Based  Schiff  Base  with  Reversible  Piezofluorochromism. RSC Adv. 2016, 6, 68178–68184.  (52) Hu, F.; Zhang, G.; Zhan, C.; Zhang, W.; Yan, Y.; Zhao, Y.; Fu,  H.;  Zhang,  D.  Substituted  Tetraphenylethylene  Salts:  Emission 

ACS Paragon Plus Environment

Page 13 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

Color‐Tuning  with  Counter  Anions  and  Application  for  Optical  Waveguides. Small, 2015, 11, 1335–1344.  (53) Parrott, E. P. J.; Tan, N. Y.; Hu, R.; Zeitler, J. A.; Tang, B. Z.;  Pickwell‐MacPherson,  E.  Direct  Evidence  to  Support  the  Restriction  of  Intramolecular  Rotation  Hypothesis  for  the  Mechanism  of  Aggregation‐Induced  Emission:  Temperature  Resolved  Terahertz  Spectra  of  Tetraphenylethene.  Mater.  Horiz.  2014, 1, 251–258.  (54)  Yuan,  W.  Z.;  Tan,  Y.  Q.;  Gong,  Y.  Y.;  Lu,  P.;  Lam,  J.  W.  Y.;   Shen, X. Y.; Feng, C. F.; Sung, H. H. Y.; Lu, Y. W.; Williams, I. D.;   et  al.  Synergy  between  Twisted  Conformation  and  Effective  Intermolecular  Interactions:  Strategy  for  Efficient  Mechano‐ chromic  Luminogens  with  High  Contrast.  Adv.  Mater.  2013,  25,  2837–2843.  (55)  Pradhan,  B.;  Gupta,  M.;  Pal,  S.  K.;  Achalkumar,  A.  S.  Multifunctional  Hexacatenar  Mesogen  Exhibiting  Supergelation,  AIEE and Its Ability as a Potential Volatile Acid Sensor. J. Mater.  Chem. C 2016, 4, 9669–9673.  (56)  Xu,  D.;  Huang,  H.;  Deng,  F.;  Wei,  Y.  Fabrication  of  Amphiphilic Fluorescent Nanoparticles with an AIE Feature via a  One‐Pot Clickable Mercaptoacetic Acid Locking Imine Reaction:  Synthesis,  Self‐Assembly  and Bioimaging.  Polym.  Chem.  2016,  7,  4559–4566.  (57)  He,  L.;  Li,  L.;  Liu,  X.;  Wang,  J.;  Huang,  H.;  Bu,  W.  Acid– Base‐Controlled  and  Dibenzylammonium‐Assisted  Aggregation  Induced Emission Enhancement of Poly(tetraphenylethene) with  an Impressive Blue Shift. Polym. Chem. 2016, 7, 3722–3730.   (58) Zhou, H.; Liu, F.; Wang, X.; Yan, H.; Song, J.; Ye, Q.; Tang, B.  Z.;  Xu,  J.  Aggregation  Induced  Emission  Based  Fluorescence  pH  and  Temperature  Sensors:  Probing  Polymer  Interactions  in  Poly(N‐isopropyl  acrylamide‐co‐tetraphenylethene  acrylate)  /Poly(methacrylic  acid)  Interpenetrating  Polymer  Networks.  J.  Mater. Chem. C 2015, 3, 5490–5498.  (59)  Li,  M.;  Niu,  Y.;  Lu,  H.‐Y.;  Chen,  C.‐F.  Tetrahydro  [5]  Helicene‐Based  Dye  with  Remarkable  and  Reversible  Acid/Base  Stimulated  Fluorescence  Switching  Properties  in  Solution  and  Solid State. Dyes & Pigments, 2015, 120, 184–189.  (60) Xue, P.; Sun, J.; Yao, B.; Gong, P.; Zhang, Z.; Qian, C.; Zhang,  Y.;  Lu,  R.  Strong  Emissive  Nanofibers  of  Organogels  for  the  Detection  of  Volatile  Acid  Vapors.  Chem.  Eur.  J.  2015,  21,  4712– 4720.  (61) Bai, W.; Wang, Z.; Tong, J.; Mei, J.; Qin, A.; Sun, J. Z.; Tang, B.  Z. A Self‐Assembly Induced Emission System Constructed by the  Host–Guest  Interaction  of  AIE‐Active  Building  Blocks.  Chem.  Commun. 2015, 51, 1089–1091.   (62)  Raju,  M.  V.  R.;  Lin,  H.‐C.  Self‐Assembly  of  Tetraphenyl‐ ethene‐Based  [2]  Catenane  Driven  by  Acid‐Base‐Controllable  Molecular  Switching  and  Its  Enabled  Aggregation‐Induced  Emission. Org. Lett. 2014, 16, 5564–5567.  (63) Liu, N. N.; Song, S.; Li, D. M.; Zheng, Y. S. Highly Sensitive  Determination  of  Enantiomeric  Composition  of  Chiral  Acids  Based  on  Aggregation‐Induced  Emission. Chem.  Commun. 2012,  48, 4908–4910.   (64) Lai, Y. W.; Kuo, S. W.; Hong, J. L. Complexing AIEE‐Active  Tetraphenylthiophene  Fluorophore  to  Poly  (N‐isopropyl  acrylamide):  Fluorescence  Responses  toward  Acid,  Base  and  Metal Ions. RSC Adv. 2012, 2, 8194–8200. 

 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 14 of 14

 

TOC graphic

 

14 ACS Paragon Plus Environment