防伪印刷是一种综合性的防伪技术，是指用印刷手段来防止未经许可而进行仿制、复制或伪造。防伪印刷技术主要包括雕刻制版、凹版印刷、彩虹印刷、荧光防伪技术等^[1]。荧光防伪是紫外线照射下，荧光物质显现出不同颜色图案现象。如今的荧光防伪包括有色荧光油墨、无色荧光油墨、光变油墨、防复印油墨等。荧光材料在防伪领域展现巨大的作用。因此，我们希望通过在实验课堂上引入荧光材料的合成与应用实验，使学生对防伪印刷现象有直观和清晰的了解。

聚集诱导发光(Aggregation-Induced Emission，AIE)材料是一种由中国科学家原创的新型材料，AIE材料由于其在聚集状态下具有良好的发光性能，被广泛应用于荧光探针、化学传感、有机光电材料、生物成像等领域^[2]。AIE材料的出现，克服了传统聚集淬灭发光(Aggregation-Caused Quenching，ACQ)材料在聚集状态下荧光很弱的缺点。经过20多年的发展，已形成了以中国科学家引领，全球科学家竞相跟进的研究局面。为了全面提升大学生的创新能力和实践能力，2007年教育部推行实施大学生创新性实验计划。目前也有一些科学家将AIE前沿科学成果引入大学有机化学综合实验课中^[3–9]。然而，在AIE防伪印刷应用方面还未融入到本科生教学中。为此，我们选取了一类典型的AIE分子——5-氨基间苯二甲酸二甲酯水杨醛席夫碱(DSSB)来研究荧光防伪技术，符合拓展大学生的研究视野，提高学生创新意识及培养创新思维。

本论文将介绍一种水杨醛席夫碱AIE分子DSSB的合成方法。该方法原料廉价易得，原子利用率高，副产物仅有水分子，溶剂无毒，符合“绿色化学”理念。同时，实验所需仪器简单，合成时间短，非常适合本科实验教学。通过对比实验所合成的DSSB分子与传统ACQ荧光分子苝在聚集和分散状态下的不同荧光性能，可以使学生非常直观地了解AIE和ACQ类荧光分子的不同发光特性。同时，通过对DSSB分子在防伪印刷中的应用探索，加深学生对AIE材料应用的了解，激发学生的探索热情。因此，我们希望通过在实验课堂上引入AIE分子的合成实验，使学生对AIE现象有直观和清晰的了解。同时，通过课堂讲解，使学生深入理解和掌握AIE材料的工作机理及其应用领域。

激发：物质被光照射吸收能量，分子从基态(S₀)跃迁到激发态(S₁，S₂)。处于激发电子状态的分子可通过非辐射跃迁(振动，发热等)和辐射跃迁(荧光或磷光等)两种方式返回到较低能量的S₀ (如图 1)。当电子从S₁跃迁到S₀为荧光发射，当电子从T₁跃迁到S₀为磷光发射。

荧光防伪简单讲就是紫外线照射在荧光物质上出现颜色变化的荧光现象。最经典的，如有色荧光油墨印刷的图案在普通光线下看是一种颜色，但在紫外光照射下会看到它发出明亮的荧光，甚至呈现出另一种颜色；用无色荧光油墨的印刷图案在普通光下是看不见的，而在紫外光下可看见发出明亮的荧光。通过对荧光材料的进一步研究，应用具有不同荧光特性的荧光材料，就能制作具有不同的防伪功能的材料。

近年来，有机发光材料已经广泛应用于生物检测、传感和光电器件等各个领域。然而，传统的发光材料分子间容易生强的π-π堆积，导致它们在高浓度或固态下发生荧光淬灭，这种现象叫做聚集淬灭发光(ACQ)效应。一般来说，在具有大平面刚性骨架的传统有机发光材料中普遍存在ACQ效应。该问题已经困扰了科学家60多年。为了克服发光分子ACQ难题，科学家们采取了一系列物理与化学策略来抑制发光分子的聚集，但是这些方法都违背了分子在浓缩时自发聚集的属性，因此始终难有突破。

2001年唐本忠院士发现了一种与ACQ完全相反的现象，那就是分子在溶液中不发光或者发光微弱，而聚集后发光显著增强的现象，并首次提出了聚集诱导发光(Aggregation-Induced Emission, AIE)这一科学概念^{[11, 12]}。高效固态发光的AIE材料有望从根本上解决有机发光材料面临的ACQ难题，具有重大的实际应用价值。这种具有奇特AIE性能的有机材料，已经被广泛应用在化学生物传感器、生物成像、新型固态发光材料等领域(图 2)。从分子内旋转受限到分子内运动受限，从聚集诱导发光到聚集体科学，AIE领域已经取得了许多原创性的成果。而唐本忠院士及其团队也因为这一创造性的发现获得了2017年国家自然科学一等奖的殊荣。AIE材料因其特点为防伪领域开辟了新的发展空间，克服了聚集淬灭发光效应的缺点，通过对不同浓度的控制、酸碱性环境的调控等的研究，可以研发更丰富、更高级的防伪技术。

5-氨基间苯二甲酸二甲酯水杨醛席夫碱(DSSB)是一类典型的AIE分子，可以通过5-氨基间苯二甲酸二甲酯与水杨醛在乙醇溶剂中进行亲核加成反应获得^[13]。该反应机理如图 3所示。首先，5-氨基间苯二甲酸二甲酯作为亲核试剂，以其带有孤对电子的氮原子进攻水杨醛中羰基的活性碳原子。完成亲核加成后，脱去一分子水，形成相应的席夫碱化合物。该反应条件温和，原子利用率高(95%)，副产物只有水。同时，实验中用到的溶剂为低毒溶剂乙醇，并只需要少量的醋酸作为催化剂，非常符合“绿色化学”的理念。

非晶DSSB荧光淬灭的主要原因是分子堆积的松散，以分子运动耗散能量。因此，通过外部刺激使DSSB紧密堆积可以恢复其荧光。如图 4所示，DSSB分子的苯酚基容易与碱反应，发生去质子化作用。将DSSB分子沉积在滤纸上(防止形成晶体)，再将其浸入氢氧化钠(0.1 mol∙L⁻¹)水溶液中并干燥。此时，一方面DSSB分子间空间被钠离子占据，分子的排列由松散堆积变为紧密堆积，进一步限制了分子内的旋转，从而阻断了非辐射途径；另一方面，分子内氢键的破坏会削弱共轭作用，导致发射波长蓝移，由于分子间的静电排斥力，电离分子不太可能形成强烈重叠的π表面，从而降低了激基缔合物形成的可能性。因此此时碱化样品的发射强度比起始样品显著增强。而经乙酸蒸汽吸入6 min后，DSSB又发生了质子化，粉末的发射强度明显降低。这就是DSSB碱和酸响应性的荧光转换机制。苯酚基通过质子-脱质子化过程使这种DSSB分子具有可切换的固体荧光。

这种刺激响应机制能够使荧光具有“开关”功能——通过酸碱性环境的改变，既能发光，也能光灭，更能保证物品为真品，起到双层防伪的作用。又因这种样品能沉积在滤纸上，可以制作防伪“油墨”，使防伪印刷具有可行性。因此，这种刺激响应分子在作为防伪印刷的功能材料方面显示出巨大的潜力。

实验所用试剂见表 1。

实验所用主要仪器见表 2。

在室温下采用Bruker AV 400核磁共振波谱仪，在氘代氯仿中收集DSSB分子的¹H和¹³C NMR谱。紫外吸收光谱在岛津UV2600紫外-可见分光光度计上测得。利用爱丁堡FS5荧光光谱仪测试DSSB和苝分子在不同聚集态下的荧光光谱。

其他实验用品：培养皿，烧杯，容量瓶，试管，玻璃棒，烧杯，二颈烧瓶，铁架台，布氏漏斗，抽滤瓶，橡皮塞，滤纸，真空烘箱，普通钢笔，量筒，胶头滴管，药匙，洗瓶，移液枪，50 mL容量瓶，20个样品瓶，荧光比色皿，搅拌子和镊子等。

通过简单的一步亲核加成反应制备DSSB分子，其反应方程式如图 5所示，具体的反应步骤如下：

(1) 称量、溶解：向配备有搅拌子和冷凝管的250 mL二颈烧瓶中分别加入2.00 g 5-氨基间苯二甲酸二甲酯及0.96 mL水杨醛，并加入50 mL无水乙醇溶解。

(2) 反应、制备：向溶液中滴加两滴醋酸，控制反应温度在80 ℃，转速为300–400 r∙s⁻¹，加热并搅拌反应2 h后，停止反应，冷却到室温，析出黄色沉淀晶体。

(3) 结晶、洗涤：将反应溶液进行抽滤，得到黄色沉淀晶体，用乙醇洗涤沉淀物数次，然后进行收集，干燥得到粗产物DSSB晶体。

(4) 重结晶：将粗产物DSSB晶体溶解到热乙醇中，然后缓慢降温，析出晶体，最后进行抽滤、乙醇洗涤数次、干燥得到纯的DSSB晶体。

(5) 结构表征：取10 mg精制产物溶解在四氢呋喃中，测定产品核磁共振波谱(¹H和¹³C NMR)，解析数据，并与标准产品比对，确认产物结构。

(1) 称取一定量DSSB晶体，溶解到THF溶液中，配成浓度为1 mol∙L⁻¹的母液，向10个样品瓶内分别加入0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8 mL的水并贴上标签，然后分别加入THF溶液保持溶液总体积为1.8 mL，最后分别加入0.2 mL母液，得到DSSB的不同含水量THF/水混合溶液。

(2) 用紫外-可见分光光度计测量DSSB纯THF溶液的紫外吸收光谱。

(3) 再用荧光光谱仪测量所有溶液的荧光光谱，比较DSSB在纯溶液中(纯THF)和不同聚集体(不同水含量)中荧光发射的变化。

(4) 将所有溶液放置于紫外灯下照射，对比它们的荧光强度，拍照。

(5) 将DSSB换成苝，重复上述步骤1–4，最后再与DSSB比较，探究AIE材料和ACQ材料的不同。

(1) 称取0.0156 g DSSB的晶体，先用少量THF溶液溶解，再用50 mL容量瓶定容，制成DSSB (1 mmol∙L⁻¹)的THF溶液。

(2) 将滤纸剪成条状，放置于培养皿中，先用DSSB (1 mmol∙L⁻¹)的THF溶液润湿，然后在真空烘箱中干燥，制作DSSB浸渍纸。

(3) 用氢氧化钠水溶液(0.1 mol∙L⁻¹)作为墨水的普通钢笔在装载DSSB浸渍纸上书写；背景保持黑暗，其中用碱笔书写的字符在紫外光灯下荧光发射显著增强。

(4) 随后将滤纸暴露在醋酸蒸汽中5–10 min，可以消除现有的荧光特性。

(5) 将滤纸烘干，重复上述步骤3、4，进行可逆书写和删除。

在DSSB分子的合成步骤中，更低的反应温度亦可发生反应，只是所需要的时间较长。80 ℃反应的主要目的是加快反应速度。目前在80 ℃下反应2 h得到的产物产率较高，可达到80%以上，实验时间还可以继续缩短到1 h，产率可达70%以上。若产率过低，可以将抽滤的滤液置于冰水浴中冷却，以析出更多产物。通过对DSSB分子进行核磁共振波谱表征，结果表明我们确实获得了设计的苯酚官能化席夫碱分子(图 6)。

DSSB的紫外吸收结果如图 7A所示，从图中我们可以看出，DSSB在345 nm处具有较强吸收，属于π–π^*跃迁吸收。当我们用该波长作为激发波长测试DSSB的发光性能时，我们发现其在THF中的发光较弱，在405 nm处达到峰值，并在530 nm处有一个更弱的发射峰。这是因为DSSB分子可以通过分子内电荷转移过程(ESIPT)形成醇式和酮式异构体。而在水含量增加时，荧光发射峰逐渐红移，当水含量达到90%时，其荧光发射峰移到440 nm处，且荧光强度大大增强，表明DSSB具有典型的AIE性能(图 7B)。从图 7E中我们更直观地观察到DSSB的AIE性质，在纯THF溶液中，我们几乎观察不到荧光，而在水含量逐渐增加的THF/水混合溶液中，DSSB发出的蓝色荧光逐渐明亮，这进一步证明了DSSB的AIE特性。

同理进行对苝的表征分析，可以发现苝与DSSB显现的特性恰好相反，体现了ACQ效应(图 7C–E)。由此，通过与苝分子以及不同水含量的对比，可以更加直观地体会AIE材料的特性。

如图 8A所示，浸渍DSSB溶液的滤纸条在自然光下没有明显的变化，在紫外灯下也没有明显的发光(图 8B)，而用装载氢氧化钠溶液墨水的碱性笔书写“Chem”字符在紫外光灯下显示出明显的蓝绿色荧光，而背景还是保持黑暗(图 8C)。随后将滤纸暴露在醋酸蒸汽中熏蒸5–10 min，可以快速擦除现有的荧光特征并使发光体重新质子化以便进行下一次书写(图 8D)。再用碱性笔写下“China”字符，滤纸条又显示出明显的荧光信号(图 8E)，用醋酸熏蒸，信号再次消失。这些结果清楚地表明我们制备的试纸条可以进行多次可逆的书写和擦除。由于化学刺激是非破坏性的，所以荧光印刷在写入-擦除循环中是完全可逆的。

因此，AIE材料由于其书写与删除的可逆性及只在紫外光灯下显现荧光的特性而在加密技术、作为防伪印刷的功能材料方面显示出巨大的潜力。

本实验通过水杨醛和5-氨基间苯二甲酸二甲酯在乙醇中发生亲核加成反应，生成了具有AIE性能的DSSB化合物。该反应具有原料廉价易得、原子利用率高、溶剂无毒害、副产物仅有水等特点，是一个典型的“绿色化学”反应，非常适合在本科实验课教学中采用。能使学生掌握席夫碱类化合物的制备方法，加深对亲核加成反应的理解。

通过紫外吸收和荧光光谱的测试，加强学生对仪器基本原理的了解和培养仪器操作的技能。

通过对AIE分子和传统ACQ分子在不同聚集状态下发光性质的对比，使学生对不同类型的荧光化合物产生直观认识。

通过对DSSB分子在防伪印刷中的应用探索，加深学生对AIE材料应用的了解，提高实验的趣味性，激发学生的实验热情。

(1) 实验原料廉价易得、反应简单高效，适合在实验课教学中采用。

(2) 将“中国品牌”的AIE研究转化为本科教学实验，实现了科教融合。

(3) 实验涵盖了有机合成、性质表征和应用探索，趣味性、综合性强。