基于商业化学空间的虚拟筛选发现反卡沙发射体：突破有机电子材料数字—物理发现壁垒

《Digital Discovery》：Breaking the digital-physical barrier in organic electronics materials discovery: application to finding anti-Kasha moleculesOpen Access

　　

具有双光学发射带的分子非常罕见，因为它们违反了卡沙规则（Kasha's rule）。该规则指出，由于激发后较高态的有效内部转换，荧光通常仅从特定自旋多重度（如S₁）的最低激发态观察到。研究人员开发了一种虚拟与实验相结合的筛选工作流程，用于在S₁和S₂之间存在大能量间隙的分子中寻找新的反卡沙发射体；这种条件因降低内部转换速率而有利于从较高激发态产生光学发射。研究人员通过基于计算S₁–S₂间隙、跃迁强度和结构刚性的计算漏斗，对140 000个化学多样且可商业获取的分子进行过滤，并根据来自化学供应链的最新信息按成本和纯度进行排序。研究人员测量了15个先前未针对该性质进行过探索的潜在候选分子的吸收光谱和荧光光谱。其中7个分子表现出反卡沙发射，5个显示来自S₂的单发射，2个显示来自多个激发态的发射（双重发射的一种特殊情形）。然而，其中一个双重发射体的较低能量发射源于聚集体态。该方法体现了考虑化学可获得性的虚拟筛选方法的巨大潜力，并能立即验证预测结果。

**研究背景与目标**

有机电子材料的光物理性质发现长期受限于数字虚拟筛选与实验验证之间的壁垒。尽管高通量虚拟筛选（HTVS）已在热激活延迟荧光（TADF）、单线态裂分等高分子材料领域取得成功，但多数研究局限于已验证的设计原则，难以探索更广泛的化学空间。反卡沙（anti-Kasha）发射体因其违反卡沙规则、可从高激发态（如S₂）发射，在传感、成像、显示和光学存储等领域具有重要应用价值，然而这类分子极为罕见。卡沙规则指出，特定自旋多重度的发射通常仅来自最低激发态，高激发态经内部转换快速弛豫至S₁。仅当S₂–S₁能量间隙足够大时，内部转换速率降低，才能观察到来自S₂的发射。目前缺乏简单化学直觉预测此类性质，而传统虚拟筛选确定候选分子后，常面临合成路径复杂、成本高昂且耗时长的瓶颈。因此，研究人员旨在构建一种直接从商业化学供应链筛选分子、并立即进行实验验证的工作流程，以突破数字发现与物理测试之间的障碍。

**研究内容与结论**

研究人员从ZINC数据库（2019版，约1200万分子）出发，以分子共轭核心（sp²杂化原子连续连接的最大片段）进行聚类，获得超过14万个具有独特共轭核心的分子结构。通过计算每个核心代表分子的S₁–S₂能量间隙与S₁–S₀激发能的比值，结合跃迁振荡强度和结构刚性筛选，最终获得78个有希望的候选核心。经商业可获得性筛选，19个低成本高纯度候选分子被用于实验验证。紫外-可见吸收光谱和荧光光谱测量显示，15个分子具有实验S₂–S₁间隙较大特征，其中7个分子表现出反卡沙发射（5个来自S₂的单发射，2个来自多重激发态的发射）。深入研究表明，化合物2a的低能发射源于聚集体态，随浓度降低而消失。该研究证明了从商业可获得化学空间直接筛选功能分子的可行性，使数字预测可立即获得实验验证。

**主要关键技术方法**

本研究的核心方法包括：（1）共轭核心聚类：将1200万分子按其共轭核心分组，每类选取最小分子为代表，计算成本降低80倍以上；（2）计算漏斗筛选：使用RDKit生成三维构象，Universal Force Field（UFF）构象搜索，BLYP35/3-21G*水平DFT几何优化，M06-2X/3-21G*水平TD-DFT计算激发态能量、振荡强度和S₁–S₂间隙；（3）结构刚性过滤：可旋转键数（n_rots≤4）排除柔性分子；（4）商业供应链信息整合：从Mcule平台获取候选分子的实时价格、纯度、交付时间等数据；（5）实验验证：紫外-可见吸收光谱、稳态荧光光谱、激发光谱及变浓度光谱测量，辅以LC-MS确证纯度和化学结构。

**研究结果**

**虚拟筛选漏斗设计。** 研究人员将1200万分子经由共轭核心聚类、能量间隙过滤（[E(S₂)–E(S₁)]/[E(S₁)–E(S₀)]≥0.4）、振荡强度阈值（min(f(S₁),f(S₂))>0.009）和刚性约束后，获得78个可行候选核心。已知反卡沙发射体的[E(S₂)–E(S₁)]/[E(S₁)–E(S₀)]中位数为0.45，远大于全数据集中位数0.07，验证了该描述符作为筛选标准的有效性。

**实验验证与反卡沙发射体的发现。** 19个候选分子中，15个在实验上确认具有较大的S₂–S₁间隙。荧光光谱将候选分子分为四类：双重发射分子（1和2a）、S₂发射分子（3–7）、S₁发射分子（8–13）和无法归类的分子（14–19）。化合物1（2,7-二苯基-4λ⁵-噻唑并[3,2-b][1,2,4]三嗪-4-鎓-3-醇盐）的计算S₀→S₁、S₀→S₂跃迁波长（597 nm、416 nm）与实验吸收峰高度吻合，S₁→S₀发射（计算703 nm）对应实验786 nm近红外峰，高能358 nm峰接近计算S₃→S₀发射（380 nm），且排除了质子化物种和聚集效应的干扰。化合物2a（N-{4,5-二苯基咪唑并[1,5-b]哒嗪-7-基}胺）继承了预期化合物2（酰胺类似物）的电子结构特征，计算S₀→S₁和S₀→S₂跃迁（421 nm、276 nm）与实验吸收峰匹配，发射峰605 nm和336 nm分别对应S₁→S₀（计算641 nm）和S₂→S₀（计算335 nm）发射，Stokes位移超过1 eV与计算值1.01 eV一致。

**双重发射机制辨析。** 变浓度发射光谱与激发光谱实验表明，化合物1的发射光谱不依赖浓度且激发光谱与吸收光谱一致，确证其真正的分子内双重发射。而化合物2a的低能发射强度随浓度降低而减弱，在乙腈中消失，激发光谱与吸收光谱不匹配，表明其低能发射源于聚集体态而非单分子态。这一发现凸显了反卡沙发射候选分子在实验验证阶段区分本征发射与聚集诱导效应的必要性。

**讨论与结论总结**

该研究建立了从商业化学供应链直接筛选功能分子的完整范式，将数字虚拟筛选、化学信息学查询、供应链数据和逐步深入的实验表征整合为一个连续流程。研究的独特性在于以“即购即测”作为筛选前置条件，彻底消除了合成瓶颈。实验确认的7个反卡沙发射体在天然丰度极低的此类材料中显著富集，展示了该方法的发现效率。尽管存在商业化学品库的动态变化（如化合物2中途断供）和聚集诱导低能发射等复杂光物理现象，该工作证明了虚拟筛选不仅能识别预期机制候选物，更能为深入研究提供起点。研究人员指出，分子寿命测量、瞬态吸收光谱等更高层级的表征手段以及以候选物为先导的合成优化可作为未来拓展方向，且该方法可便捷扩展到易于合成的虚拟化合物库，为有机电子材料发现提供了可推广的通用范式。