有机小分子激发态分子内质子转移的理论研究

【摘要】：激发态质子转移反应是光化学和光生物过程中最基本的反应之一。激发态分子内质子转移(Excited-State Intramolecular Proton Transfer,ESIPT)通常是指有机分子受到激发到达激发态之后,在激发态势能面上质子从质子供体基团转移到质子受体基团,进而形成含有分子内氢键的五、六、甚至七元环的过程。质子供体通常是羟基和氨基,质子受体通常是羰基上的氧原子和亚胺上的氮原子。氨基的质子酸性比羟基的弱,该类型分子除非通过合适化学修饰提高N-H质子的酸度,否则ESIPT很难发生。但相对于羟基,当氨基中一个质子用不同性质的基团取代后,有可能实现对ESIPT反应的调控。因此,氨基型ESIPT分子具有十分重要的潜在应用价值。理论研究不仅可以为实验光谱带的归属提供合理的解释,还可以为设计合成新型ESIPT分子提供理论指导。本论文采用DFT(Density functional theory)和TD-DFT(Time-dependent density functional theory)理论方法,研究了两类氨基型氢键体系和一类双质子转移体系的基态(S_0)和第一单重激发态(S_1)的稳定构型以及相应的光谱性质,并通过构建S_0态和S_1态的质子转移势能曲线,详细讨论了它们的光物理和光化学过程。本论文主要研究结果如下:(1)采用含时密度泛函理论(TD-DFT),研究了氨基型氢键化合物2-(2'-氨基苯基)苯并噻唑(PBT-NH_2)及其两种衍生物2-(5'-氰基-2'-氨基苯基)苯并噻唑(CN-PBT-NH_2)和2-(5'-氰基-2'-甲苯磺酰氨基苯基)苯并噻唑的激发态分子内质子转移(ESIPT)动力学,并在相同的理论水平下,探究了它们的吸收光谱和荧光发射光谱。结果发现,理论模拟和实验光谱之间有很好的一致性,这表明该研究所选取的理论计算方法是合理可靠的。此外,计算得到的它们的ESIPT反应能垒分别为0.38 eV、0.34 eV和0.12 eV,表现出逐渐减小的趋势,这意味着吸电子基团氰基或甲苯磺酰基的引入可以促进这些氨基型氢键体系的ESIPT反应的发生。在ESIPT反应之后,CN-PBT-NH_2和CN-PBT–NHTs分子可以沿着苯并噻唑和苯基之间的C-C键,在基态(S_0)和第一单重激发态(S_1)的势能面上发生顺式-反式异构化反应,其中在S_0态势能面上计算得到的它们从反式互变异构体到顺式互变异构体的异构化反应能垒分别为0.83 eV和0.34 eV。根据计算结果,可以合理地推断CN-PBT-NH_2和CN-PBT-NHTs在S_0态可能存在着稳定的反式互变异构体。这些计算结果有望为今后设计新型氨基型ESIPT分子,实现照明应用中的颜色可调提供可靠的理论指导。(2)采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)方法,优化了五个基于酰胺基的N-H…N型氢键化合物的基态(S_0)和第一单重激发态(S_1)的几何构型。结果显示,在所研究的五个体系中,正常形式(N-S_0)在S_0态更稳定,而互变异构体形式(T-S_1)在S_1态更稳定。拓扑分析和非共价键相互作用分析表明,这五个体系都具有较强的分子内氢键,并且它们的电子密度函数ρ(r)与H…N2的距离呈现良好的线性关系。用DFT和TD-DFT方法,扫描得到了它们的S_0态和S_1态沿着质子转移方向的势能曲线。结果表明,它们的质子转移互变异构反应的能垒都低于0.05 eV,都可以进行超快的ESIPT反应,并从而产生来自质子转移互变异构体的单一荧光发射。此外,研究还发现,在S_1态,正常构型的氢键越短,ESIPT过程越容易发生。对于我们新设计的化合物,它的ESIPT过程几乎是无能垒的(0.01 eV),因此可以预期该化合物是一个良好的ESIPT分子。(3)采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)方法,研究了2,5-双(2-苯并噻唑基)对苯二酚(BBTHQ)在基态(S_0)和第一单重激发态(S_1)下的单质子和双质子转移动力学过程。研究结果表明,BBTHQ的分子内氢键(O1…H1-N1和O2…H2-N2)在S_1态得到了增强,为ESIPT反应提供了驱动力。通过构建S_0态和S_1态的势能面(PESs),进一步阐明了BBTHQ的分子内质子转移反应机理。此外,根据我们的研究结果,发现BBTHQ的第一单重激发态双质子转移形式(DT-S_1),在1020 nm处产生一个荧光发射峰,而该荧光发射峰却没有被实验观测到。因此,该研究补充了以前的实验工作。