[發明專利]含螺環的芴基分子晶體中分子間非共價鍵弱相互作用能預測方法及其預測模型訓練方法

在審

• 申請號: 202110789382.0
• 申請日: 2021-07-13
• 公開（公告）號: CN113488114A
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 王煜璁;張翀;茅俊偉;解令海
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G16C20/30
• 分類號: G16C20/30;G16C20/70;G16C60/00;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 盧霞

本發明公開了含螺環的芴基分子晶體中分子間非共價鍵弱相互作用能預測模型訓練方法，采用分子的偶極矩、分子的正電能、分子間距離、分子的相對取向、分子的最外層電子數、分子的極化率以及分子所含螺環SP3碳個數作為描述符，在與理論計算結果相比較后，證實了其預測結果的可靠性。同時本發明能夠有效的提高計算含螺環的芴基分子晶體中分子間非共價鍵弱相互作用能的效率，并大大減少計算成本，為研究含螺環的芴基分子晶體中分子間非共價鍵弱相互作用開辟了新的道路。

技術領域

本發明涉及分子間非共價鍵弱相互作用能的預測，屬于計算化學、有機化學和光電材料領域。

技術背景

第一部分：含螺環的芴基分子晶體概況和應用價值。

含有螺環的芴基分子，屬于螺環芳香類化合物，具有獨特的十字形構象，正交排列的芴和其他獨立基團，具有各自的電子性質，并且其分子軌道相分離，還具備雙極特性等特點，可以有效提高器件的穩定性，減少電子耦合和電荷重組，在光電材料領域已成為一類通用的分子骨架。迄今為止，以螺二芴(SBF)衍生物為代表的螺環芳烴已經廣泛應用于有機電致發光二極管(OLEDs)、染料敏化太陽能電池、激光器、場效應晶體管(OFET)、光探測器以及鈣鈦礦型太陽能電池等領域。

有機半導體材料的光電特性依賴于材料內部激子或載流子的有效產生和傳輸。過去，科學家們較多的是對溶液態(無定形態)下分子的激子發射和傳輸行為進行研究，2001年唐本忠教授提出了聚集誘導發光效應(Aggregation-Induced Emission,AIE)，即分子聚集行為會促使某些分子發光。這為在分子聚集態中找到高發光和高遷移率的光電材料提供了可能。從提出AIE理論開始，到如今全球各課題組研究和擴充AIE分子體系，如何調控有機光電材料分子的聚集模式成為有機光電材料的一個重要內容。

研究表明，有機材料的光電性質對組成分子的堆積方式非常敏感，但是由于有機分子之間弱的范德化力相互作用，堆積并不穩定，經常會發生偏移，而無論是J聚集、H聚還是X聚集模式目前都暫未對激子行為產生正面的影響。令人欣喜的發現是，有機納晶材料(以SFX為骨架的含螺環的芴基分子晶體)在分子聚集的同時表現出了有利于激子傳輸的特性。

不同于其他有機光電材料中經常存在的大量無序堆積排列——這會使得分子不能均勻分布，導致電子的活動受限或不規則，從而嚴重限制了有機光電材料的遷移率，有機納晶(含螺環的芴基分子晶體)中規則有序的分子排列，往往表現出更好的激子或載流子輸運特性。同時因為分子在內部的排列有序，所以理論上幾乎不存在微觀的晶體缺陷，而晶體缺陷是影響性能的重要因素之一，并且很難避免和調控。總體而言，在有機半導體材料中，有機納晶具備明確的分子構型和品格排列，當分子排列規則后，載流子的運輸同時變得規律，不再雜亂無章，因而變得更為流暢，而長程有序的分子空間排列極大的減少了微觀缺陷和雜質存在所導致的散射損耗，顯著提高了有機半導體材料的性能，因此以有機納晶制作的器件也將獲得更好的性能。

第二部分：含螺環的芴基分子晶體研究開發過程中，對分子間非共價鍵弱相互作用能進行預測的必要性。

為了研究含螺環的芴基分子晶體這類有機納晶的性能，則需對分子間非共價鍵弱相互作用能進行預測，以減少研發過程中的不必要的試驗、節省研發成本和時間，非共價作用是一種分子間或單個分子內部憑借分散變化的電磁力維系空間結構的作用能。同共價鍵不同，發生非共價作用時不會共用電子。分子間非共價鍵弱相互作用是有機納晶能夠自主裝生長的必要條件，沒有弱作用的協同影響，分子將無法規則的聚集，便無法生長為晶體。

第三部分：目前含螺環的芴基分子晶體研究開發過程常用的預測方法，以及現有方法存在的問題。

非共價鍵作用是分子間的弱相互作用，它對DNA的折疊、螺旋，生物蛋白與藥物分子的結合，分子晶體的生長、納米和超分子的自主裝，以及催化劑與底物的反應、甚至部分化學反應起主導作用。非共價鍵作用橫跨了眾多的結合能作用，包含范德瓦爾斯力、氫鍵、鹵鍵、芳環堆積作用、疏水作用、靜電作用力等等。