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有机两性双官能化合物基态和激发态质子转移及光谱的理论研究

赵继阳  
【摘要】:在生物体系内部质子转移过程同生物传能和遗传基因复制有着直接的联系,本文选取8-羟基喹啉和6-甲基-4-羟基嘧啶两种生物分子片断作为研究对象,重点研究了他们的单体和二聚体在基态和激发态下的质子转移过程,考察了它们的稳定存在形式以及质子转移过程的可能路径。同时也研究了它们的光谱性质。论文主要包括以下四个方面的内容: 1.量子化学密度泛函理论计算方法被用于研究8-羟基喹啉单体及二聚体的基态质子转移反应。通过研究异构化反应的势能面找到了最佳的反应路径。在单体中所有可能的异构化反应中,反应M1→TS1→M2和M2→TS2→M3具有较低的活化能,分别为47.3和62.6kJ/mol。在酚式二聚体M11中存在三种类型的氢键共6个,在醌式二聚体M12中存在两种类型的氢键共4个,所以M11比M12更稳定一些。质子转移异构化反应M11→TS13→M12活化能为23.7kJ/mol,比其相应的单体反应M2→TS2→M3要低38.9kJ/mol。表明质子转移异构化反应在8-羟基喹啉二聚体中要比在单体中容易得多。结果同时也说明了氢键在降低反应活化能方面起了很重要的作用。另外,根据理论计算的结果讨论了异构化反应的机理。 2.同时运用组态相关的CIS方法和连续溶剂极化模型PCM优化了8-羟基喹啉单体和二聚体的激发态结构。计算结果表明单体基态和激发态一起可构成四极反应过程,由于酚式激发态到醌式激发态质子转移反应的活化能很小,反应可以立即发生。而后醌式激发态以非辐射的方式回到基态,所以单体的紫外吸收光谱和荧光发射光谱均对应于酚式构型。而且因为激发态时酚式构型大部分转化为醌式构型所以导致的它的荧光亮度很低。我们通过含时混合密度泛函方法MPW1PW91在溶剂模型下计算得到的光谱数据与实验值非常吻合。 二聚体的激发产生于B喹啉分子,这个从激发态的前线分子轨道得到了证明。二聚体没有像单体那样形成四极反应过程,而且因为二聚体在激发态的逆反应的活化能很低所以只能以酚式二聚体形式存在,因此二聚体的荧光来源于酚式构型的发射。而且我们计算得单体和二聚体的发射光谱对应的振子强度都很低,所以通过8-羟基喹啉基态和激发态的动力学及光


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