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激发态分子内单质子转移机理的理论研究

李明尚  
【摘要】:氢键,是一种既可以存在于分子内又可存在于分子间的弱相互作用。正是由于氢键的存在,自然界中的生命循环才得以维持和进行~([1-5])。鉴于其独特的光化学和光物理特性,氢键在许多生物,化学和物理过程中扮演者十分重要的角色,例如:荧光共振能量转移(FRET),分子内电荷转移(ICT),光诱导电子转移(PET)和激发态分子内质子转移(ESIPT)等~([6-19])。溶质和溶剂之间的相互作用在分子处于溶解状态的非平衡过程中尤其重要,因此,氢键溶解在溶液中的特性更是受到了领域的广泛关注~([20-26])。其中,由于氢键的作用而产生的激发态质子转移(ESIPT)反应是生物和化学研究领域中的一重要的基本反应。鉴于这一反应过程对荧光探针,激光染料,发光二极管,紫外线吸收剂和分子开关等器件和技术的开发和应用起着极大的促进作用~([27-30])。近年来,涌现出了大量有关激发态分子内质子转移的理论和实验研究。本文主要采用了量子化学计算方法中的密度泛函(DFT)和含时密度泛函理论(TDDFT)方法分别对一种新合成的发色团(3)在非质子性溶剂DMSO中和2-乙酰基茚满-1,3-聚酯(AID)在两种不同极性溶剂(acetonitrile和hexane)中的激发态分子内质子转移(ESIPT)机理的进行了理论研究。具体内容如下:1、在DFT/B3LYP/6-31G+(d)和TDDFT/B3LYP/6-31G+(d)理论计算水平下分别计算优化了3发色团分子在基态(S_0)和激发态(S_1)下的几何结构。模拟计算了其前线分子轨道(MOs),电子光谱以及与氢键相连接的O-H键红外振动光谱。计算得到了3发色团分子在S_0和S_1下质子完成转移的势能曲线,所有的计算结果都是在DMSO溶剂中算的。研究表明:(1)3发色团分子的激发态分子内氢键(O-H???N)较基态有明显加强的趋势,氢键在S_1态的增强极大地促进了3发色团分子的ESIPT反应。(2)理论计算得到的吸收谱和荧光谱的峰值与实验测得的结果吻合得很好,证明了所采用的理论方法的正确性与合理性。最终,通过对该发色团的分子内电荷转移与电荷分布的分析,证实了3发色团分子激发态分子内质子转移发生的可能性,并说明了其转移过程的发生机制。2、在DFT/B3LYP/6-31G+(d)和TDDFT/B3LYP/6-31G+(d)理论计算水平下分别计算优化了2-乙酰基茚满-1,3-聚酯(AID)在两种不同极性溶剂(acetonitrile和hexane)中处于基态(S_0)和激发态(S_1)下的几何结构。模拟计算了其前线分子轨道(MOs),电子光谱以及与氢键相连接的O_3-H_5键红外振动光谱。计算得到了在S_0和S_1下质子完成转移的势能曲线。研究表明:(1)我们得出AID发色团分子的Enol-A结构的氢键(O_2…H_5-O_3)在激发态下增强了。通过对AID分子前线分子轨道(MOs)的计算,质子沿着氢键O_2…H_5-O_3发生转移的预言得以证实。(2)AID发色团分子在极性溶剂中电子光谱的计算结果与实验测得值吻合得很好;而在非极性溶剂中,计算得到的结果与实验值有所不同,我们的计算解释了在最新的关于AID激发态分子内质子转移机理的实验报道[Verma et al(2016).J.Struct.Dyn,3,023606]中仅测得由质子转移后的内环醇式结构(Enol-B)产生的荧光,而未由AID的外环醇结构(Enol-A)辐射的荧光的原因。从而,AID分子在非极性溶剂己烷的单荧光现象得到了很好地解释。(3)对于Enol-A在极性溶剂acetonitrile中,S_1态下的质子转移是一个无垒的过程;而在S_0态下H_5从O_3成功地转移到O_2的过程则需要跨过一个大约为5.89 kcal/mol的势垒。对于Enol-A在非极性溶剂hexane中,S_1态下的质子完成转移需要跨过0.57 kcal/mol这样一个极小的势垒;而在S_0态下H_5从O_3成功地转移到O_2的过程则需要跨过一个大约为5.91 kcal/mol的势垒。因此,我们可以得到AID发色团分子在两种不同极性溶剂中的质子转移过程更容易产生在激发态,并且其ESIPT过程更容易在极性溶剂中完成。


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