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《北京科技大学》 2020年 博士论文
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卟啉酞菁化合物及其衍生物的反应机理及光电性质研究

王驰名  
【摘要】:卟啉酞菁及其衍生物是一类具有大环共轭结构的多吡咯分子化合物,具有广阔的应用前景。卟啉酞菁类化合物具有很好的配位能力,可以与大多数金属离子配位。在与离子半径较大,配位数高的金属离子配位时,可以形成二层或多层夹心配合物,这些配合物统称为三明治型配合物。另外,由于其大环分子间的π-π相互作用,分子自身的化学易修饰性,以及高化学稳定性和热稳定性,卟啉酞菁类化合物能够表现出独特的光、电、磁性质,从而可以应用于光伏电池、分子催化剂、场效应晶体管和光动力治疗药物等。而同样具有N4中心空穴的四吡啶化合物作为配位基底可以形成金属配合物,表现出良好的电催化二氧化碳活性。另一方面,随着计算机科技的迅速进步,使用理论计算与实验相结合的方式逐渐成为了化学研究的新趋势。本论文从计算和实验两方面出发,研究了四吡啶化合物电还原CO2的反应机理,双核酞菁和亚酞菁的合成机理,以及三明治型卟啉酞菁化合物与C60的组装及光电性质研究。以下几方面是本论文的主要研究内容:(1)基于密度泛函理论研究了四吡啶钴化合物电催化还原CO2的反应机理。另外,通过改变中心金属、在吡啶对位引入推-拉电子取代基、替换桥连基团的方式,充分研究了一系列新型氨基四吡啶化合物的催化反应活性。结果表明,当中心金属替换成Cr、或在吡啶对位引入给电子取代基、或将桥连基团替换成p-π共轭的基团后,均能获得理论上性能更优良的电催化剂。(2)使用核磁共振氢谱、电子吸收谱、荧光光谱、单晶X射线衍射数据以及密度泛函理论计算研究了三明治型卟啉酞菁化合物[(TClPP)Y(Pc)Y(TClPP)]和C60在溶液态和固态的相互作用。这两种化合物在共晶中紧密的接触面上可以诱发出强烈的电子转移现象,使得共晶化合物能够给出强于两单体自身之间的光电转化响应。(3)使用三明治型卟啉酞菁化合物[(Pc)Y(Pc)Y(TClPP)]与C60组装生成的共晶制备得到了晶体有机场效应晶体管器件,并在其共晶超分子层表面上得到了均衡的高载流子迁移率,其中空穴迁移率为3.72 cm2 V-1 s-1,电子迁移率为2.22 cm2 V-1 s-1。这一数值是现有双极性共晶有机场效应晶体管器件中最优秀的结果之一。(4)基于密度泛函理论研究了一种平面双核酞菁二聚体的合成反应历程,并预测了反应过程中可能存在的稳定中间体。通过实验手段成功分离出这一中间体,并使用核磁共振氢谱和质谱对其基本性质进行表征。另外,理论计算结果所预测的产物氨气也成功通过实验得以验证。这一结果对今后应用该反应机理合成新型共价有机框架提供了有益支撑。(5)基于密度泛函理论研究了以邻二氰基苯和三氯化硼为起始原料在二甲苯中合成亚酞菁的反应机理。研究表明,此反应的速控步为形成碳-氮单键的基元反应。另外,三氯化硼不仅作为反应试剂,同时也作为催化剂促进了反应发生。而由于三氯化硼会与中间体的活性位点进行配位,使得中间体失去反应活性,因此三氯化硼存在使亚酞菁的合成获得最高产率的最优浓度。(6)基于密度泛函理论、含时密度泛函理论和耦合-微扰密度泛函理论,系统研究了一系列具有不同共轭尺寸、不同推-拉电子取代基的酞菁类化合物的二阶非线性光学性质,揭示了尺寸效应和取代基效应的局限性,并发现了一种不常见的八极矩静电分布形式。


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