Critical Role of Non-classical Intermolecular Hydrogen Bonding in Affecting the π–π Stacking and Nonlinear Optical Properties of Tricyanofuran-Based Push–Pull Heptamethines

发色团 堆积 分子间力 氢键 位阻效应 超分子化学 结晶学 晶体结构 接受者 材料科学 非线性光学 化学 晶体工程 取代基 分子 光化学 立体化学 有机化学 光学 物理 激光器 凝聚态物理
作者
Di Zhang,Weilong Chen,Jie Zou,Jingdong Luo
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:33 (10): 3702-3711 被引量:32
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.1c00704
摘要

Currently, there is immense interest in the chemistry of push–pull heptamethines containing a strong acceptor of 2-dicyanomethylidene-3-cyano-4,5,5-trimethyl-2,5-dihydrofuran (TCF). This class of compounds is important as second-order nonlinear optical (NLO) chromophores for electro-optic (EO) applications. The crystal packing of TCF-based NLO chromophores is generally dominated by intermolecular π–π stacking and non-classical C–H···N(cyano) hydrogen bonding interactions, considerably limiting the bulk NLO properties of chromophores in solid films. In this paper, we report a series of TCF-based push–pull heptamethines bearing the substituent of 4,5-diphenyl-oxazol-2-ylsulfanyl group at the central position of the π-conjugated bridge. Crystallographic studies show a very uncommon crystal packing mode of one-dimensional chain structure with vanished C–H···N(cyano) contacts and negligible π–π stacking. Such reduced intermolecular interactions and fine-tuned bond length alternation lead to NLO performance breakthrough of these chromophores in poled polymeric films, including much better EO coefficients up to 465% in improvement, higher polar order, and larger molecular hyperpolarizabilities (up to 4,135 × 10–30 esu at 1304 nm), over the results from the simple chloro-substituted heptamethines. Our study indicates that the interplay of steric effect, non-classical C–H···N hydrogen bonding, and intermolecular π–π stacking is critically important in optimizing the supramolecular assembly and NLO properties of TCF-based heptamethines for photonic applications.
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