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可见光控异位离子对吸附器的计算设计及其热/光致异构化机理研究

吕昌俭  
【摘要】:酰基腙分子光开关现已经被广泛应用到超分子自组装,材料科学,信息储存等重要领域。尤其是二吡啶类酰基腙衍生物,因其独特的N-N=C片段以及在该片段上多个质子的存在,使得这类衍生物可以作为良好的异位离子对吸附器来捕获离子对,并在光照的条件下可以对离子进行捕获或释放。但是,在以往的报道中,关于酰基腙分子具有异位吸附离子对性质的文献却很少,这是由于这类分子光开关的E/Z型异构体的吸收光谱无法产生有效的谱带分离,因而限制了酰基腙类衍生物作为异位离子对吸附器的应用前景。本文从理论的角度出发,设计了一种新型吡啶啉(NBPD)分子,该分子可以分别在蓝光和绿光的照射下发生异构化作用,同时还具备异位吸附离子对的性质。此外,本文以NBPD分子为基础,通过精确的模型设计来研究酰基腙分子的热致异构化微观变化过程,提出了较为完整的酰基腙分子光开关的热致异构化机理。最后,本文首次通过研究激发态的过渡态来完整地解释了酰基腙分子光开关的光致异构化机制,弥补了现有文献中关于酰基腙分子光致异构化机理的空白。本文的主要研究内容如下:1)新型酰基腙分子的设计本文从理论的角度出发,以文献报道的二吡啶酰基腙化合物作为母体分子,通过用不同的取代基对母体分子的结构进行修饰改造,共获得了 30种酰基腙分子光开关。本文分别研究这些酰基腙分子光开关的理化性质以及取代基效应,通过对比不同酰基腙光开关的E/Z型异构体的吸收波长情况、振子强度以及静电势图等性质,最终筛选出来一种新型的酰基腙分子光开关NBPD,它既具有优异的最大吸收谱带(△入max=λE-λZ)分离,同时,它的e型异构体和Z型异构体可以分别在478.72 nm的蓝光和525.34 nm的绿光照射下进行异构化,除此之外,NBPD分子同样具备了异位吸附离子对的性质。2)新型酰基腙分子NBPD的热/光致异构化机理研究本文首先采用量子化学工具gaussian16程序,采用PBE0/6-31+G(d)方法,在乙腈溶液下对NBPD分子光开关的热致异构化反应机理进行了研究。在从E型结构到Z型结构的变化过程中,得到了两个过渡态和一个中间体,并且通过频率分析和IRC方法,验证了过渡态和中间体的准确性以及过渡态与反应物、中间体以及生成物的对应关系。同时,通过精确地寻找E-isomer到Z-isomer异构化过程的势能面图(PES),发现了一个独立肩峰的存在。与过渡态TS1结构不同的是,肩峰的存在是由于在热致异构化过程中羰基氧原子,N-N=C结构的两个N原子以及呋喃基的氧原子共处在同一个平面,并且间距较近,最终形成较强的空间位阻效应,而在势能面上表现为肩峰的出现,它将整个反应机理分为包含了三个阶段的两个过程:(ⅰ)E-isomer通过过渡态TS1到达肩峰的不稳定结构10,然后10在斥力的推动下沿着势能面变化到第一个能量最低点,形成中间体M1;(ⅱ)M1中间体经过过渡态TS2最终形成Z-isomer,在整个热致异构化过程中,第一步反应为决速步骤。酰基腙分子光开关的光致异构化机理,至今尚未被报道。本文的工作,首次提出通过研究激发态的过渡态来探究酰基腙分子光开关的光致异构化机理。本文以新型的酰基腙NBPD分子作为研究对象,采用TD-PBE0方法,6-31+G(d)基组来进行垂直激发态的计算,然后对它们激发态的过渡态进行研究。在整个光致异构化过程中,本文共得到了两个激发态的过渡态,并且通过频率振动分析进一步确认了过渡态结构的准确性。光致异构化机理和热致异构化机理完全不同。其反应历程是:(ⅰ)E型异构体在478.72nm的可见光照下,被激发到第一激发态,形成ES-Eiso,然后经过第一个激发态的过渡态ES-TS1形成中间体ES-M后,最终形成基态产物Z-isomer;(ⅱ)Z型异构体在525.34 nm的可见光照下,被激发到第一激发态,形成ES-Ziso,然后经过第二个激发态的过渡态ES-TS2后最终形成基态产物Z-isomer。


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