HMB体系分子内质子传递的量子化学计算研究

首次利用量子化学半经验AM1方法和从头算HF/6-31G方法对一种新型的苝醌类光? 艏?PQP)-菌生素(HMB)的结构及其分子内质子传递(IPT)进行了理论计算研究，并? 捎弥鸩皆黾硬嗔吹姆椒ㄉ杓屏艘幌盗心Ｐ突衔镆钥悸歉鞑嗔炊訦MBIPT的影响，? 峁推p醌(PQ)的IPT作了对比。同于HMB只有一个分子内氢键，此项研究对解释PQP的光敏活性有十分重要的意义。本研究主要结论：(1)基态时HMB的IPT势垒只有10.0180kJ/mol(反式)和37.9819kJ/mol(顺式)，分子中存在着快速的IPT。(2)侧链对HMB的IPT势垒影响较小，IPT主要受它的大共轭结构和共振模式的影响。(3)过渡态时质子的电荷增加，质子传递势垒与它的电荷变化成线性关系，此关系可推广到其它质子传递体系。(4)HMB的IPT势垒和IPT过程中羟基氧氢键以及氢键的键长变化均成较好的线性关系。(5)虽然只有一个IPT模式，HMB的IPT以及共振模式仍然和PQ十分相似，这是HMB保持光敏活性的基础。     

竹红菌甲素光敏活性的量子化学研究

利用密度泛函B3LYP/6-31G^*方法对茈醌类光敏剂竹红菌甲素hypocrellin A(HA)及其模型化合物的结构性质和分子内氢传递(IHT)过程进行了系统的计算研究,比较了各侧链对分子结构和IHT过程的影响.利用CIS/6-31G^*方法对HA的活性中心苝醌(PQ)及与其结构类似的一系列化合物激发态的IHT过程进行了研究.得到的主要结论包括:(1)常温下,处于基态的HA分子能够进行快速的分子内氢传递.(2)HA的几种模型化合物在基态时的IHT势垒、分子内电荷分布与HA差别很小,这说明侧链对IHT过程的影响不大.(3)HA模型化合物的IHT势垒与氧氢键键长变化和氢键键长变化呈良好的线性关系.(4)IHT反应中伴随着一个电荷分离过程,在氢传递过程中占主导地位的是静电相互作用,这说明此IHT过程本质上是质子转移过程.(5)共轭结构对该类分子的激发态IHT过程具有重要影响,总的趋势是对小共轭体系,单重激发态和三重激发态IHT反应的势能曲线分离,随着分子共轭结构的增大,两个激发态势能曲线逐渐接近,发生交叉的可能性以及交叉的程度也随之增大,即从单重态到三重态发生系间窜越的可能性也随之增大.由于分子内氢传递导致单重激发态和三重激发态势能曲线交叉,致使发生系间窜越,使体系三重态量子效率显著提高,从而提高了茈醌类光敏剂的光敏活性.这说明IHT过程对该类分子保持其光敏活性具有重要的意义.     

苝醌类光敏剂构象的分子力学研究

用分子力学方法,计算了苝醌类光敏剂竹红菌甲素(HA),乙素(HB)等不同构象的生成热及酚羟基质子解离前后生成热的变化.发现:(1)1(1)HA,HB4种构象导构体的生成热相近,因而室温下即可相互转化;(2)2(2)HA,HB酚羟基质子解离能力有差别,HA强于HB.(3)3(3)HA,HB存在两个分子内氢键,键能均在8kJ/mol左右,而且Ⅰ型构象键能低于Ⅱ型构象,HA低于HB;(4)4(4)当酚羟基键从形成氢键位置扭转180°左右时存在一能量低点,提示这种构象也是可能存在的;(5)5(5)HBMC的酚羟基氢与相邻的氮原子之问也形成分子内氢键,这是HBMC仍有光敏活性的结构基础.     

DOPA醌在Cu（100）表面吸附的密度泛函理论研究

采用广义梯度密度泛函理论(GGA)的BLYP方法结合周期性平板模型,以原子簇Cu41为模拟表面,对DOPA醌分子在Cu(100)表面不同位置的吸附模型进行了构型优化、能量计算以及Mulliken布居分析,结果表明通过相邻的羰基垂直吸附在表面的桥位是其最佳吸附方式,吸附能为247.2310kJ/mol;其次为顶位、顶位R45和穴位,吸附能分别为227.7162kJ/mol、220.7305kJ/mol和217.8456kJ/mol。Mulliken布居分析结果表明整个吸附体系发生了由Cu原子向DOPA醌分子的电荷转移。     

乙酰基的电子激发态

对乙酰基的基态（X12A′）和激发态进行了理论和实验研究。通过采用MRSDCI和MP2方法计算，获得了CH3CO自由基的四个电子激发态（A12A″，B22A′，C32A′，D22A″），其垂直激发能分别为250．8kJ·mol－1，472．3kJ·mol－1，645．8kJ·mol－1和674．7kJ·mol－1。运用时间分辨付里叶红外光谱仪（TR－FTIR）分别研究了CH3CO自由基的热解和光解反应，观察到初生产物CO（V）的红外发射光谱．势垒仅为75．2kJ·mol－1的基态CH3CO极易热解．532um的激光只能将CH3CO激发到束缚态A12A″，故未观察到CO信号；而248nm或266nm的激光可使CH3CO发生B22A′←X12A′跃迁，生成高振动激发的CO（V8）产物．     

含不同质子供体的2-苯基苯并三唑衍生物激发态质子转移的理论研究

用密度泛函理论(DFT)和二级微扰理论(MP2)研究了带不同质子供体的2-苯基苯并三唑衍生物: 2-(2-羟苯基)苯并三唑(H-TIN), 2-(2-氨苯基)苯并三唑(APyBT)和2-(2-巯苯基)苯并三唑(MPyBT)的激发态分子内质子转移(ESIPT)性质以及它们作为紫外光吸收剂的光物理机制. 结果表明, 在基态时三个化合物的最稳定异构体是均存在分子内氢键的正常构型N, 而互变异构体T和其扭曲构型T_twisted都是不稳定的. 激发态势能曲线表明H-TIN和APyBT的ESIPT分别需要克服约7.06和20.7 kJ/mol的能垒, 而MPyBT的ESIPT无需能垒|同时结合分子轨道, 电荷差分密度三维立体图的分析结果表明三个化合物都能发生ESIPT, 并且伴随有扭曲分子内电荷转移, 这些原因均表明它们都具有好的紫外光稳定作用.     

2-(2-巯苯基)苯并噁唑分子内质子转移取代基电子效应的密度泛函理论研究

在B3LYP/6-31G(d,p)和TDB3LYP/6-31++G(d,p)//CIS/6-31G(d,p)水平上研究了2-(2-巯苯基)苯并噁唑及其衍生物基态和激发态分子内质子转移现象,并探讨取代基电子效应对分子内质子转移的影响,研究结果表明,在基态时,硫醇式异构体为优势构象,供电子取代基使基态分子内正向质子转移能垒(烯醇式→酮式)升高;而吸电子取代基则可降低能垒,有利于基态分子内质子转移并有助于硫酮式异构体的稳定.在激发态时,硫酮式结构为优势构象,所研究的2-(2-巯苯基)苯并噁唑化合物及衍生物均可以发生无能垒或低能垒(≤1.5kJ/mol)的激发态分子内质子转移.巯苯基部分是激发态失活的主要活性部分,供电子基团有利于激发态的质子转移,吸电子基团使激发态跃迁困难,不利于激发态的质子转移.     

2-(2′-羟基苯基)苯并咪唑的质子转移反应和光谱性质的理论研究

用AM1和INDO/S-CI方法对2-(2’-羟基苯基)苯并咪唑的基态和激发态分子内质子转移反应进行了理论研究,求得基态和激发态反应的势能曲线、势垒和过渡态,并研究了此分子的一些异构体、阴离子的相对稳定性,估算了氢键能.进行了实验光谱的理论指认,所得结果与实验值符合较好,在此基础上对光化学反应机理和光谱性质进行了探讨.     

卤代氰基卡宾自由基XCCN(X=F,Cl,Br)的理论研究

在C_s对称性和ANO-S基组下, 使用全活化空间自洽场方法(CASSCF), 研究了卤代氰基卡宾自由基及其阴离子的低能电子激发态性质. 为了进一步考虑电子的动态相关效应,采用多组态二级微扰理论(CASPT2)获得更加精确的能量值. 计算结果表明, XCCN的基态是三重态. 单重态和三重态的能隙差ΔE_S-T(kJ/mol): 7.4(FCCN)<13.4(ClCCN)<16.6(BrCCN). 计算得到, XCCN(X=F, Cl, Br)最低垂直激发能分别为408.3, 385.4和 345.2 kJ/mol, 这归因于π(a′) →n_xy 的电子跃迁; XCCN的电子亲和势分别为235.7, 233.0和 237.2 kJ/mol, 与HCCN相比, 其电子亲和势变大.     

脉冲直流放电-LIF法CCl2(A1B1和a3B1)自由基被醇类分子猝灭动力学研究

CCl4/Ar混合气体进行脉冲高压直流放电产生CCl2自由基,再用YAG泵浦的染料激光输出的541.52 nm激光将电子基态CCl2激励到电子激发态A1B1(0,4,0)模的pR1能级上,通过检测激发态CCl2自由基的时间分辨荧光信号,测得了室温下(293 K)激发态CCl2自由基被醇类分子猝灭的动力学结果,根据我们提出的三能级模型来分析处理这些实验数据,首次获得了激发态CCl2自由基被醇类分子猝灭的态分辨的速率常数kq1,kq2和kq3的值.并对这些数据与猝灭剂的结构关系进行了分析讨论.     

几种醌类化合物与三乙胺电子转移反应过程的ESR研究

用ESR研究了菲醌(PQ)、四氟对寒醌(TClQ)、2,3-二氯-5,6-二氰苯醌(DDQ)和苯醌(BQ)与三乙胺、(Et₃bN)的电子转移反应过程。实验结果表明,醌上取代基吸电子能力越强,越易与Et₃N反应,但所形成半醌负离子自由基的稳定性,则并未有此规律,而是由自由基终止机理所决定。由实验得到了DDQ与Et₃N的表变曲线。本文讨论了DDQ与Et₃N反应的机理,并得其反应的微分方程,用实验拟合曲线确定速率常数。然后,对该方程求解,与实验曲线比较初步确定了该反应的历程。     

金属丝桃蒽酮结构变化的理论研究

用MMX和AM1方法对金属桃蒽酮(HYP)结构变化过程的生成热进行了计算.发现:1.HYP1,2位OH可越过20kJ/mol左右的势,绕C--O键旋转而形成分子内氢键,并估算出键能约为10kJ/mol;2.HYP其他四个OH也可进行类似的构象变化,势垒在26kJ/mol左右,相应分子内氢键键能约为20kJmol;3.HYP分子内氢传递产生的异构体在能量上不稳定,进而在基础上探讨了1,2位OH分子内氢键的形成对HYP光敏活性的影响。     

金属丝桃蒽酮结构变化的理论研究

用MMX和AM1方法对金属桃蒽酮(HYP)结构变化过程的生成热进行了计算.发现:1.HYP1,2位OH可越过20kJ/mol左右的势,绕C--O键旋转而形成分子内氢键,并估算出键能约为10kJ/mol;2.HYP其他四个OH也可进行类似的构象变化,势垒在26kJ/mol左右,相应分子内氢键键能约为20kJmol;3.HYP分子内氢传递产生的异构体在能量上不稳定,进而在基础上探讨了1,2位OH分子内氢键的形成对HYP光敏活性的影响。     

LiSiF3体系的构型及异构化反应的理论研究

用从头计算方法在G2 (MP2 )水平上考察了LiSiF3 体系的各可能异构体以及这些异构体之间的异构化反应 .势能面上 4个极小值点的相对能量分别为 - 1 2 8.6 ,- 1 94.3,- 1 2 .7和 - 1 2 2 .8kJ/mol(以LiF和SiF2 的能量之和为零点 ) .含有 3个F Si F Li四元环具有C3v对称性的四元环构型能量最低 .其余的 3个构型异构化为四元环构型的过程中的势垒最高为 1 2 .5kJ/mol.     

生色团连接的苯骈三氮唑衍生物的激发态分子内质子转移

用从头算和密度泛函理论研究了对硝基二苯乙烯作为生色团连接的2-(2-羟基-苯基)-苯骈三氮唑的衍生物2-羟基-5-[对硝基-二苯乙烯基-氧亚甲基]-苯基-(2H-苯骈三氮唑)(C1)和4′-硝基-3,4-二[2-羟基-(2H-苯骈三氮唑)-苄氧基]-二苯乙烯(C2)发生激发态分子内质子转移(ESIPT)的可能性.系统研究了C1和C2发生ESIPT的互变异构体的基态与激发态的性质变化,包括相关的键长、键角等结构参数,Mulliken电荷和偶极矩,前线轨道以及势能曲线.计算结果表明,对于C1来讲,酮式(keto)的基态(K)不存在稳定结构,因此发生基态分子内质子转移(GSIPT)可能性很小.酮式的激发态(K*)的氢键强度要远强于烯醇式(enol)的激发态(E*)的氢键强度.分子在光致激发后,质子供体所带负电荷减小而质子受体所带负电荷增加.在K*,HOMO→LUMO的电子跃迁导致电子密度从"酚环"向质子化杂环转移.E*→K*跃迁只需要克服较小的能垒(约41 kJ.mol-1).计算结果表明C1发生ESIPT的可能性很大.C2由于具有高能量,其具有基态的单质子转移特征的异构体EK(同时含烯醇E与酮K结构)、具有基态的双质子转移特征的异构体2K(含有双酮结构),以及具有双酮结构特征的激发态2K*均无法获得它们的稳定结构,因此,基态分子内单或双质子转移和激发态分子内双重质子转移发生的可能性极小.然而,由于双烯醇式的激发态(2E*)和EK的激发态(EK*)存在稳定结构,且2E*→EK*跃迁具有低能垒,因此C2有可能发生激发态分子内单重质子转移.本文进一步计算了两个分子的紫外-可见吸收光谱与荧光发射光谱,获得了具有较大斯托克位移的ESIPT的荧光发射峰.     

均相和非均相体系中竹红菌甲素与尾孢素光敏活性的比较

本文在均相有机体系和非均相胶束体系中用ESR、自旋捕捉、消自旋等技术研究了竹红菌甲素(HA)和尾孢素(CP)的光敏特征;测量了其光动力作用过程中¹O₂、负离子自由基和O₂^·-的相对产率,发现均相体系中HA的光敏活性略高于CP。这表明侧环对醌类光敏剂的光敏活性影响不大。在非均相体系中由于胶束对HA激发态较强的保护作用,HA的光敏活性显著地强于CP。     

实验与理论研究G-四链体中鸟嘌呤自由基阳离子脱质子反应

G-四链体传输空穴的特殊性质使其有望应用于发展分子电子器件.由于鸟嘌呤自由基阳离子（G^·+）脱质子反应会中断空穴传递,影响传递效率,我们对G-四链体AG₃（T₂AG₃）₃中G^·+脱质子过程展开了理论与实验的研究.根据瞬态紫外可见吸收光谱,确定了脱质子产物是G（N（2）-H）^·;通过测量不同温度下G^·+脱N（2）-H质子的速率常数,得到脱质子活化能为20.0±1.0 kJ/mol.进而,采用显性水和连续溶剂化模型相结合的方法模拟G-四链体中G^·+脱质子环境,在M062X/6-31G（d）水平上得到了脱质子势垒（26.4 kJ/mol）.结合实验值,理论计算的势能面描述了G-四链体中G^·+脱N2-H的过程.这些结果为G-四链体在电子器件方面的应用提供了重要依据和指导.     

大黄酚光敏化产生自由基和单重态氧

应用电子自旋共振技术研究由中草药大黄中分离纯化的大黄酚光敏化活性. 在氮气饱和的二甲基亚砜中, 用波长大于430 nm 可见光照射大黄酚产生半醌负离子自由基, 且随着还原型辅酶的加入而增强, 表明自由基来源于光敏剂的基态和激发态之间发生了电子转移. 在空气饱和的二甲基亚砜中, 产生可以被DMPO捕获的超氧负离子自由基, 实验证明该自由基不是由单重氧产生, 并与DMPO、大黄酚、氧气和照射时间有关. 光照大黄酚也能产生单重态氧、羟基自由基. 从而说明大黄酚的光敏机制包含电子转移的Ⅰ型机制(Type I)和能量转移的Ⅱ型机制 (TypeⅡ). 作为光敏化活性评价, 测量得到大黄酚、大黄素、大黄的蒽醌混合物产生超氧负离子自由基的相对产率分别为1.8, 1.1, 1.0, 单重态氧的相对产率分别是0.36, 0.53, 0.14. 因此, 这种短波长吸收的光敏剂有可能在光动力医疗微血管类疾病有潜在的应用前景; 同时大黄中初提的蒽醌衍生物的混合物有可能作为一种廉价的光活化农药.     

CCl_2(A~1B_1,a~3B_1)自由基被烷烃类分子猝灭动力学

用放电- LIF实验装置 ,对 CCl4/Ar混合气体放电产生 CCl_2自由基 ,再用 541.52 nm激光将电子基态 CCl_2激励到激发态 A~B_1(0,4,0)振动能级上 ,通过检测激发态 CCl_2时间分辨荧光信号 ,测得室温下 CCl_2(A~B_1)被烷烃类分子猝灭的实验结果 ,用我们提出的三能级模型分析处理实验数据 ,获得 CCl_2(A~1B_1)态和 CCl_2(a~3B_1)态的碰撞猝灭速率常数 k_A和 k_a值 .     

利用飞秒受激拉曼光谱研究9-(2,2-二氰乙烯基)久洛啶中分子内扭转电荷转移和异构化动力学（英文）

本文利用飞秒受激拉曼光谱结合量子化学计算研究了9-(2,2-二氰乙烯基)久洛啶分子在环己烷、四氢呋喃和二甲基亚砜溶剂中的激发态结构动力学.实验中观测到该分子的氢原子离面振动模式以及双腈基(C≡N)对称/反对称伸缩振动模式,这两种振动模式的发现意味着该分子在光激发后将沿C₇=C₈双键和C₄-C₇单键进行扭转,即通过异构化和分子内扭转电荷转移两种无辐射弛豫方式有效地淬灭局域性激发态上的粒子数.在非极性溶剂中,光激发导致局域性激发态的粒子数布居,其中一部分粒子数通过异构化以无辐射形式弛豫回基态;此外,虽然非极性溶剂中没有出现分子内电荷传递中间态,部分局域性激发态粒子数直接通过荧光发射弛豫回到基态,另一部分局域性激发态粒子数则通过分子内扭转电荷转移过程无辐射弛豫回基态.在极性溶剂中,光激发导致局域性激发态粒子数布居,其中一部分粒子数通过异构化无辐射弛豫回基态;另一部分局域性激发态的粒子数通过超快的分子内电荷传递过程弛豫至分子内电荷传递发光态,分子内电荷传递态上的粒子数一部分通过荧光发射弛豫回到基态,另一部分...