瞬态吸收光谱茜素超快动力学研究

激发态质子转移是光物理学、光化学和光生物过程中最基本的化学反应之一。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,到达激发态后,质子在激发态势能面上从质子供体基团转移到质子受体基团并形成含有分子内氢键多元环的过程, 一般发生在亚皮秒量级。质子转移可应用于有机发光二极管、荧光探针等领域。茜素,即1,2-二羟基蒽醌,可从茜草根部提取,具有与醌类衍生物相似的结构,常用于染料、染色剂和药物等。近年来,发现茜素分子具有质子转移特性,可用来制备新型“绿色”染料敏化电池。利用稳态吸收、稳态荧光和飞秒瞬态吸收光谱技术以及第一性原理理论计算对溶于乙醇溶液的茜素分子的质子转移过程进行了研究和分析。稳态吸收和稳态荧光研究结果表明: 在基态时,茜素分子的正常构型9,10-酮处于稳定状态,容易发生跃迁;在激发态时,茜素分子的互变异构体构型1,10-酮处于稳定状态,容易产生荧光发射。飞秒瞬态吸收光谱测量使用的激光的激发波长为370 nm。测得的瞬态吸收光谱在430 nm附近存在茜素的基态漂白信号。通过使用全局拟合方法对瞬态吸收光谱进行分析研究发现：茜素正常构型9,10-酮的激发态分子内质子转移时间为110.5 fs,茜素互变异构体构型1,10-酮分子内振动弛豫时间为30.7 ps,茜素互变异构体构型1,10-酮荧光寿命为131.7 ps。通过使用单波长动力学拟合的方法对瞬态吸收光谱进行分析发现：发生质子转移的时间尺度与运用全局拟合方法得出的结果基本一致;茜素分子的正常构型9,10-酮分子在110.5 fs的时间尺度内处于快速减少的趋势,而茜素分子的互变异构体构型1,10-酮分子在这一时间尺度内处于快速上升的趋势。当延迟时间增大时,茜素分子的互变异构体构型1,10-酮分子又呈现缓慢衰减的趋势。     

1-羟基蒽醌的分子内质子转移动力学

利用飞秒瞬态吸收光谱结合量化计算研究了1-羟基蒽醌在溶剂中的激发态分子内质子转移动力学. 分子受到400 nm光激发后的瞬态吸收谱呈现出激发态吸收和受激辐射两个光谱带. 受激辐射信号较激发态吸收信号滞后出现,由此确定质子转移时间是32 fs. 量化计算表明分子在沿质子转移路径衰变时,分子轨道和能级次序发生了反转,形成锥形交叉. 在质子转移之后,经锥形交叉布居的电子态发生内转换和分子间能量弛豫,时间分别是200 fs和16 ps. 基态回复时间是300 ps. 通过实验和理论研究,证实存在两个质子转移路径,其中主要的衰变路径保持了原来轨道的性质.     

2-(2’-羟基苯基)苯并咪唑的光谱特性

2-(2’-羟基苯基)苯并咪唑(简称HBI)是一类具有激发态质子转移效应的有机分子。观测了HBI分子在甲苯、甲苯与乙醇混合及乙醇三种溶液的吸收光谱,发现其吸收光谱相类似。用317 nm光激发,观测其荧光光谱,在甲苯溶液中只观测到一个荧光带,其峰值位于470 nm;在甲苯与乙醇的混合溶液及乙醇溶液的荧光光谱中,都观测到两个荧光带,其峰值分别位于370和450 nm。根据激发态质子转移理论可知,470 nm的荧光带是由激发态质子转移生成的互变异构体,即HBI酮式构型分子的发射,峰值位于370 nm的荧光带是HBI稀醇式构型分子的发射。由于乙醇具有较大的极性,可与HBI分子相互作用形成分子间氢键,即生成溶剂化物。当溶剂化物被激发,在激发态发生激发态质子转移生成两性离子,两性离子发射荧光回到基态。因此,在极性溶剂中HBI发射峰值位于450 nm的荧光带应归于两性离子的发射。当用532 nm强光激发HBI溶液时,发现HBI分子在非极性溶剂中无双光子效应,而在极性溶剂中却存在双光子效应,表明HBI的溶剂化物具有双光子效应。     

取代基对2-(2-羟基苯基)苯并噻唑分子内氢键及质子转移的影响:密度泛函理论研究

运用密度泛函(DFT)和含时密度泛函(TD DFT)理论方法研究了在2-(2-羟基苯基)苯并噻唑(HBT)苯环羟基的邻位或对位分别引入羟基和醛基后的衍生物分子内质子转移过程,考察了取代基的电子效应及取代位置对分子内氢键和质子转移反应的影响,模拟计算了各分子的IR振动光谱和电子光谱.研究发现,HBT及其衍生物分子可以形成分子内氢键,且激发态时氢键增强.基态时以醇式构型稳定存在,激发态时酮式结构为优势构象.分子的最大吸收峰和发射峰主要源于电子从前线分子轨道HOMO到LUMO之间的跃迁.基态分子内质子转移需要越过较高的能垒因而难以发生,而激发态时只需越过较低能垒就很容易发生激发态分子内质子转移.取代基的电子效应和取代位置对HBT分子氢键强度、互变异构体的相对稳定性、电子光谱及质子转移反应的能垒均有一定影响.     

核黄素在不同极性溶剂中的光谱特性研究

实验测得核黄素在水、二甲基亚砜(DMSO)和三氯甲烷三种不同极性溶剂中的稳态吸收光谱、荧光光谱和时间分辨荧光光谱,研究了溶剂对核黄素光谱性质的影响。实验结果表明,在不同极性的溶剂中,核黄素的吸收峰位置几乎不变,而荧光光谱峰值随着溶剂极性的增大而出现红移。这是由于溶质分子的电子激发及溶剂化效应引起的电子重新分布导致它在极性溶剂中第一激发单重态能级的变化。在时间分辨荧光光谱实验中,核黄素在水溶液中荧光寿命也高于在其他两种溶剂中,荧光寿命的延长可归因于核黄素与氢键对体溶剂之间的分子间氢键相互作用。应用Gaussian09软件,采用密度泛函理论和含时密度泛函理论,结合基于密度的溶剂化模型,对不同极性溶剂中的核黄素分子进行基态和激发态优化和计算。通过前线分子轨道分析,核黄素的受激跃迁属于苯环和含氮杂环上的π电子向苯环及C N,C O共轭双键的反键轨道π*的跃迁。分子偶极矩的计算结果表明,核黄素分子的第一激发态偶极矩大于基态偶极矩,偶极矩的增大,导致溶质与溶剂分子之间的相互作用的增大。而溶剂分子与溶质分子基态和激发态的相互作用程度不同,使得吸收峰和荧光峰出现不同变化情况。极性越大的溶剂越有利于对激发态的稳定作用,使激发态能量降低,相应的发射波长发生红移。最后,通过分子表面静电势和弱相互作用分析,在水溶剂中考虑氢键作用对核黄素分子光谱的影响。多聚体结构的理论吸收和发射峰值更接近实验结果,说明多聚体结构合理。水分子二聚体与核黄素形成的环状结构,有利于提高核黄素分子的刚性,有利于荧光的发射,减少非辐射跃迁的几率,荧光寿命延长。     

基于ESIPT机理检测Al3+荧光探针分子结构和电子光谱的理论研究

本文应用密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD-DFT）方法，研究了具有激发态分子内质子转移（ESIPT）特性的3-羟基黄酮（3HF）及其两种氰基和氨基取代衍生物（3HF-CY和3HF-AM）作为水溶液中Al3+离子检测的荧光探针分子结构和电子光谱性质. 计算得到了与ESIPT过程相关的键长、键角以及势能曲线，模拟计算了单独分子和分子@Al3+复合物的吸收和荧光光谱. 结果表明，氰基或氨基的引入均会抑制3HF的质子在基态（S0）或激发态（S1）的转移. 而从得到的吸收光谱可以看出，在3HF中引入吸电子基团氰基可以引起其吸收光谱的红移，而给电子基团氨基的引入则出现相反现象. 此外，与3HF-AM的荧光光谱相比，3HF-AM@Al3+复合物发生了75.88 nm的蓝移，由此推测3HF-AM与水中的Al3+反应后，在光激发下溶液荧光会由绿色转变为紫色，表明3HF-AM分子可以作为有效检测水中Al3+的荧光探针.     

芳香性取代基对2-(2-羟基苯基)苯并咪唑激发态质子转移和光谱性质影响的理论研究

运用密度泛函(DFT)和含时密度泛函(TD DFT)理论方法研究了在2-(2-羟基苯基)苯并咪唑(HBI)苯环羟基的对位分别被呋喃基、吡咯基等五种芳香性取代基后的衍生物(HBI-R)分子内质子转移过程,考察了取代基的电子离域效应对分子结构、分子内氢键和质子转移的影响,模拟计算了各分子的IR振动光谱和电子光谱。研究发现,基态的HBI与HBI-R分子内氢键O—H…N比O…H—N强度大,因氢键中的O—H增长和H—N的缩短,激发态氢键O—H…N弱于O…H—N强度,基态和激发态的稳定构型分别为醇式和酮式结构,取代基总体上使酮式构型相对稳定性有所增加,但呋喃基、吡咯基和噻吩基却略降低了激发态酮式构型相对稳定性。取代基降低了HBI基态和激发态分子内质子转移反应的能垒,但影响不大。电子吸收光谱的最大吸收峰和荧光光谱的最大发射峰主要源于前线分子轨道HOMO与LUMO之间的电子跃迁,芳环取代基增强了电子离域效应,使光谱的吸收峰和发射峰波长均有较大的红移。     

两种薁磺酰胺席夫碱衍生物分子的光谱和热力学性质计算研究

使用密度泛函理论B3LYP方法,对两种薁磺酰胺席夫碱衍生物的分子结构、红外光谱、电子吸收光谱及热力学性质进行计算研究,并基于Tomasi的极化统一场模型(PCM)讨论电子吸收光谱的溶剂效应. 结果表明,红外光谱计算值与实验值吻合,电子吸收光谱都是π-π*跃迁,溶剂及溶剂极性大小对最低能量吸收波长无影响. 酚羟基的引入增大席夫碱的共轭体系,有利于提高分子的生物活性. 298 K时,两种衍生物的 分别为5544.3, 5304.6 kJ•mol-1, 分别为20548.7, 20331.2 kJ•mol-1, 分别为857.5, 881.1 J•mol-1•K-1.     

激发态分子内质子转移分子2-羟基-1-萘甲醛半碳酰腙的光谱特性

通过考察2-羟基-1-萘甲醛半碳酰腙(HNLSC)在不同极性溶剂中的吸收光谱和荧光光谱,详细研究了HNLSC分子在不同溶剂及酸、碱条件下的不同构型,证实了HNLSC具有典型的ESIPT特性。在非极性溶剂中分子主要以分子内氢键的闭式构型存在,这种闭式构型使分子具有ESIPT特性,在环己烷溶剂和高酸度极性溶剂中分子均表现出～415nm的正常荧光和～435nm处的反常ESIPT荧光。在极性质子溶剂中,因溶质和溶剂之间形成了分子间的氢键以及进一步去质子化,HNLSC形成了基态的溶剂化开式构型和离子构型,在吸收光谱中表现出～395nm的离子构型特征吸收。开式构型和离子构型阻断了分子内质子转移途径,因而在荧光光谱中仅表现出一个特征峰。实验进一步通过三乙胺和稀硫酸调节溶液体系的极性和酸度环境,证明在不同溶剂极性和酸度环境下,HNLSC分子不仅存在萘环上羟基变化引起的多种互变异构体间的转化平衡,同时存在—CHN—NH—CO—NH2结构域的烯醇式和酮式结构的相互转化。     

两种薁磺酰胺席夫碱衍生物分子的光谱和热力学性质计算研究

使用密度泛函理论B3LYP方法,对两种薁磺酰胺席夫碱衍生物的分子结构、红外光谱、电子吸收光谱及热力学性质进行计算研究,并基于Tomasi的极化统一场模型(PCM)讨论电子吸收光谱的溶剂效应.结果表明,红外光谱计算值与实验值吻合,电子吸收光谱都是π-π*跃迁,溶剂及溶剂极性大小对最低能量吸收波长无影响.酚羟基的引入增大席夫碱的共轭体系,有利于提高分子的生物活性.298 K时,两种衍生物的ΔfHθm分别为5544.3,5304.6 k J·mol-1,ΔfGθm分别为20548.7,20331.2 k J·mol-1,Sθm分别为857.5,881.1 J·mol-1·K-1.     

溶剂对香豆素343染料光谱性质和最低激发态偶极矩的影响

通过对香豆素343(C343)在不同溶剂中的稳态吸收光谱、稳态荧光光谱和时间分辨荧光光谱的分析,研究了溶剂对C343的光谱性质的影响,并获得了光谱特性与溶剂极性之间的依赖关系. 吸收光谱峰值的红移随着溶剂极性的增加而发生较小的变化. 然而,荧光光谱的峰值对溶剂的极性却很敏感,并随着溶剂极性参数f(ε,n)的增加呈线性增长. 这是由于C343激发态电荷分布的变化导致了它在极性溶剂中第一激发单重态能级的变化. 用溶剂效应测量法和量子化学计算方法确定了C343最低激发态的偶极矩,这两方法所得的结果一致. C343在不同溶剂中的时间分辨荧光光谱研究表明荧光寿命随着溶剂极性的增加而增加,即从甲苯溶液的3.09 ns线性地增加到水溶液中4.45 ns;荧光寿命延长的根源可归因于C343与氢键给体溶剂之间的分子间氢键相互作用.     

脱氢枞酸基D-A型分子的合成、空间构型及光谱性能

对三苯胺进行溴代和C-N偶联反应合成4-萘基三苯胺(a),对脱氢枞酸进行酯化、溴代、硝化、还原和C-N偶联反应合成13-[N,N-(4-萘基苯基)-苯基]胺基-脱异丙基脱氢枞酸甲酯(b)及13-[N,N-双(4-萘基苯基)]胺基-脱异丙基脱氢枞酸甲酯(c)两个化合物,通过1H MNR,13C MNR及MS对化合物的结构进行表征。为了研究化合物结构与光谱性能之间的关系,首先利用Gaussian 09程序采用密度泛函DFT/B3LYP方法,对三个化合物的空间构型进行全优化,得到它们的键长、键角和二面角,对比发现脱氢枞酸骨架和萘环的引入会影响化合物的共平面性,而萘环的引入会增大化合物的共轭程度。光谱性能方面,研究了三种化合物在甲醇、二氧六环、四氢呋喃、二氯甲烷和环己烷这5种极性逐渐减小的溶剂中的荧光发射光谱和紫外吸收光谱。结果表明,在荧光光谱中,化合物a,b和c在不同极性溶剂中最大荧光发射波长均有不同程度位移,在甲醇中最大,在环己烷中最小,但是位移并非随着极性的增大而只发生红移,在二氯甲烷、四氢呋喃和二氧六环3种极性依次增大的溶剂中,a,b,c的荧光发射波长均随着溶剂极性的增大而发生较大程度的蓝移;在同一溶剂中,化合物b和c相对于a的荧光发射波长依次发生红移,c的红移程度与b差距不大。紫外吸收光谱中,三个化合物在不同极性溶剂中的最大吸收波长也有差异,在200～250 nm区间,三个化合物均在二氯甲烷中有较大位移,在300～350 nm区间,在甲醇中位移较大,而在250～300 nm区间,最大吸收波长差别不大;在同一溶剂中,它们在300～350 nm区间的最大吸收波长差别较大,化合物c较a红移26 nm。结合结构优化所得数据可以证明,化合物的共轭程度对荧光发射光谱和紫外吸收光谱均有影响,而共平面性对荧光发射光谱影响较大。化合物a,b和c在不同极性溶剂中荧光发射光谱和紫外吸收光谱的较大变化,表明它们有明显的溶致变色行为,具有作为分子探针探测外部环境极性大小的潜能。     

激发态质子转移分子2-（2′-羟基苯基）苯并噻唑在不同溶剂中的光谱特性

观测了2-（2′-羟基苯基）苯并噻唑（HBT）在不同极性溶剂中的吸收光谱和荧光光谱,详细研究了溶剂极性对HBT发生激发态分子内质子转移（ESWT）影响的机制。吸收光谱表明在常态条件下,HBT在各种溶剂中都以烯醇式构型和酮式构型共同存在,但以烯醇式构型占绝大多数。荧光光谱表明在纯环己烷溶剂中,HBT被紫外光激发时,绝大多数烯醇式构型发生ESIPPT转变为酮式构型,分子的ESIPT效率最大。在含有乙醇的极性溶剂中,HBT烯醇式会形成溶剂化的烯醇式构型,阻碍分子发生ESIPT反应。溶剂中乙醇含量愈多极性愈强,溶剂化烯醇式的成份就愈多,HBT的ESIPT效率就愈低。以400nm光激发HBT溶液时,在510nm处发现酮式构型荧光,从而确认了400nm处的弱吸收是酮式构型的吸收;且在436和456nm处还有新的荧光峰,分析其可能来源于酮式构型去质子化阴离子的发射。     

激发态质子转移分子2-(2''-羟基苯基)苯并噻唑在不同溶剂中的光谱特性

观测了2-(2’-羟基苯基)苯并噻唑(HBT)在不同极性溶剂中的吸收光谱和荧光光谱,详细研究了溶剂极性对HBT发生激发态分子内质子转移(ESIPT)影响的机制。吸收光谱表明在常态条件下,HBT在各种溶剂中都以烯醇式构型和酮式构型共同存在,但以烯醇式构型占绝大多数。荧光光谱表明在纯环己烷溶剂中,HBT被紫外光激发时,绝大多数烯醇式构型发生ESIPT转变为酮式构型,分子的ESIPT效率最大。在含有乙醇的极性溶剂中,HBT烯醇式会形成溶剂化的烯醇式构型,阻碍分子发生ESIPT反应。溶剂中乙醇含量愈多极性愈强,溶剂化烯醇式的成份就愈多,HBT的ESIPT效率就愈低。以400 nm光激发HBT溶液时,在510 nm处发现酮式构型荧光,从而确认了400 nm处的弱吸收是酮式构型的吸收;且在436和456nm处还有新的荧光峰,分析其可能来源于酮式构型去质子化阴离子的发射。     

Analysis of the Effects of Protic,Aprotic, and Multi-Component Solvents on the Fluorescence Emission of Naphthalene and its Exciplex with Triethylamine

The emission spectra of naphthalene (NP)–triethylamine (TEA) systems were measured under steady-state illumination conditions in some protic and aprotic solvent-tetrahydrofuran (THF) mixtures. The fluorescence spectrum of the NP–TEA system in THF could be separated into two component bands (band A at 329 nm (fluorescence of NP) and band B at 468 nm (emission from an intermolecular exciplex)). The intensities of bands A and B decreased with increasing solvent polarity. The intensity of band B also decreased owing to the hydrogen-bonding interaction between TEA and protic solvents, but in this case the intensity of band A increased. The decrease in the intensity of band A with increasing solvent polarity is considered to be caused by the enhanced formation of an ion-pair parallel to the formation of an exciplex with increasing solvent polarity. The decrease in the intensity of band B is considered to be caused by the enhanced formation of ion-pair both parallel to and through the formation of the exciplex. The increase in the intensity of band A and the decrease in that of band B upon the addition of protic solvents is caused by the decrease in the concentration of free TEA. Acetonitrile only has a polar effect and trichloroacetic acid only has a hydrogen-bonding (protonation) effect, while alcohols have both the effects.     

单异硫氰基3：1不对称酞菁锌的光谱性质研究

测定了三种含异硫氰基3：1不对称酞菁锌配合物（RO）6（NCS）PcZn（Ⅱ）（R=n-C4 H9；n-C5 H11;n-C10H21）在五种有机溶剂中的电子吸收光谱，研究了取代基和溶剂对吸收光谱的影响和规律。同时测定它们在有机溶剂中的荧光发射光谱，研究了外部取代基、溶剂和浓度对最大发射波长及荧光强度的影响规律，发现此类配合物具有特定的荧光效应，有望成为光动力诊断和治疗的有效光敏剂。     

单异硫氰基3∶1不对称酞菁锌的光谱性质研究

测定了三种含异硫氰基3∶1不对称酞菁锌配合物(RO)₆(NCS)PcZn(Ⅱ)(R=n-C₄H₉; n-C₅H₁₁; n-C₁₀H₂₁)在五种有机溶剂中的电子吸收光谱,研究了取代基和溶剂对吸收光谱的影响和规律。同时测定它们在有机溶剂中的荧光发射光谱,研究了外部取代基、溶剂和浓度对最大发射波长及荧光强度的影响规律,发现此类配合物具有特定的荧光效应,有望成为光动力诊断和治疗的有效光敏剂。     

若丹明6G溶液体系的荧光量子效率

本文对八种若丹明6G溶液的荧光量子效率进行了测量,并着重讨论了染料若丹明6G溶液体系的量子效率的溶剂效应.在研究中发现:若丹明6G溶渡的荧光量子效率与溶液极性(ε-1)/(2ε+1)之间存在线性关系,体系的荧光量子效率随溶剂极性的增加而下降.由于染料分子与成氢键溶剂作用愈强,能量散逸愈快将是导致这一结果的主要原因.这一规律也适用于ANS染料溶液体系中.     

Solvent effects on the structure of the triplet excited state of xanthone: a time‐resolved resonance Raman study

Solvent effects, especially intermolecular hydrogen bonding, play a central role in the photophysics and photochemistry of aromatic ketones. To gain insight into the solute–solvent interactions and their implications for structure and reactivity, we studied xanthone (XT) in two different solvents of similar dipolarity: acetonitrile (ACN; aprotic) and methanol (MeOH; protic), using time‐resolved resonance Raman (TR³) spectroscopy in conjunction with time‐dependent density functional theory calculations. Raman excitation profiles of XT in ACN followed the triplet‐triplet absorption band with a shoulder at the blue end, but for MeOH, they followed the triplet‐triplet absorption band quite closely; therefore, we propose that the resonance enhancement of Raman peaks are from two states in ACN and from a single state in the MeOH solvent. Furthermore, a resonance Raman peak at 614 cm⁻¹ (a₂ symmetry) that appeared in ACN but not in the MeOH solvent has been identified as a vibronic active mode that could be involved in coupling the two lowest 1³ππ* (1³A₁) and 1³nπ* (1³A₂) excited states. This was further confirmed by depolarization ratio measurements of some of the representative TR³ peaks in ACN, which showed a depolarized intensity for the 614 cm⁻¹ peak while the other peaks were polarized. Interestingly, we also observed blue shifting of some of the vibrational frequencies of XT in the 1³ππ* state compared with the ground state with increasing solvent polarity. This anomalous blue shift casts doubt on the general use of the resonance canonical structure to explain the structure of the excited states. In summary, we propose that the different hydrogen bonding mechanisms exhibited by the two lowest triplet states of XT separate them further in energy and that this can contribute to its low reactivity towards H atom abstraction in protic solvents. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.