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.     

10-羟基苯并喹啉激发态分子内质子转移取代基效应的理论研究

运用密度泛函(DFT)和含时密度泛函(TDDFT)计算方法研究了10-羟基苯并喹啉(HBQ)及其衍生物分子内质子转移过程,探究了取代基效应对质子转移过程的影响,研究发现,HBQ及其衍生物可以形成分子内氢键,且激发态时氢键增强.基态时各分子以醇式构型稳定存在,激发态时酮式构型为优势构象.各化合物的最大吸收峰和发射峰主要是电子从HOMO到LUMO之间的跃迁引起的.基态分子内质子转移(醇式→酮式)需要跃过较高的能垒因而难以发生,而激发态时只需跃过较低能垒就很容易发生分子内质子转移,吸电子基的引入可以使该过程的能垒降低,因此吸电子基有利于激发态质子转移.取代基效应影响化合物的光谱性质.     

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。     

苯硫酚分子内质子转移取代基效应的理论研究

在B3LYP/6-311+G(d,p)水平上研究了2-(1H-咪唑)苯硫酚(1d)、2-(噁唑)苯硫酚(2d)、2-(噻唑)苯硫酚(3d)及其衍生物的基态质子转移过程,探讨取代基电子效应对质子转移的影响.结果表明:吸电子引入后分子平面电子密度减小,N2-H1间距减小,分子内氢键增强,醇式到酮式质子转移能垒减小;供电子基引入后分子平面电子密度增大,N2-H1间距增大,分子内氢键减弱,质子转移能垒增大.Localized orbital locator(LOL)分析表明:取代基的引入对N1原子成键性质产生影响明显.三者质子转移能垒大小为1d3d2d,取代基引后能垒相对大小不变.     

苯硫酚分子内质子转移取代基效应的理论研究

在B3LYP/6-311+G(d, p)水平上研究了2-(1H-咪唑)苯硫酚(1d)、2-(噁唑)苯硫酚(2d) 、2-(噻唑)苯硫酚(3d)及其衍生物的基态质子转移过程, 探讨取代基电子效应对质子转移的影响. 结果表明: 吸电子引入后分子平面电子密度减小, N2-H1间距减小, 分子内氢键增强, 醇式到酮式质子转移能垒减小; 供电子基引入后分子平面电子密度增大, N2-H1间距增大, 分子内氢键减弱, 质子转移能垒增大. Localized orbital locator(LOL)分析表明: 取代基的引入对N1原子成键性质产生影响明显. 三者质子转移能垒大小为1d<3d<2d, 取代基引后能垒相对大小不变.     

溶剂极性对1，5-二羟基蒽醌分子双质子转移过程的影响

具有激发态分子内双质子转移特性的分子在荧光传感器、激光材料、生物分子探针等领域具有广泛的应用. 羟基蒽醌作为蒽醌类化合物是自然界中广泛存在且具有质子转移特性的次级代谢物,其衍生物已被广泛研究并成功应用于染料、免疫增强和抗癌药物. 近年来,1,5-二羟基蒽醌(1,5-DHAQ)作为一种具有两个分子内氢键的羟基蒽醌衍生物受到了广泛的关注. 本文采用飞秒瞬态吸收光谱结合含时密度泛函理论方法研究了溶剂极性对1,5-DHAQ分子激发态分子内双质子转移过程的影响. 1,5-DHAQ分子在甲苯、四氢呋喃和乙腈溶剂中的稳态荧光光谱表明,溶剂极性的改变对1,5-DHAQ的荧光峰位置产生了影响. 瞬态吸收光谱表明,溶剂极性的增大加快了质子转移的速率. 超快动力学拟合结果表明,溶剂极性的增大有助于加快1,5-DHAQ分子中的激发态分子内双质子转移过程. 此外,通过理论计算得到的势能曲线分析表明质子转移的能垒随着溶剂极性的增加而逐渐减小,从而促进1,5-DHAQ分子激发态分子内双质子转移过程的发生,这进一步验证和解释了实验结果. 本工作有助于开发和合成更稳定、高效的羟基蒽醌衍生物.     

8-羟基喹啉锂及其衍生物电子光谱性质的理论

运用密度泛函(DFT/B3LYP)方法对三种吸电子基(-C6H5、-CN、-Cl)取代的8-羟基喹啉锂(Liq)所形成的18种衍生物进行对比,从中找出最稳定的三种衍生物,并在此基础上应用含时密度泛函(TD-DFF)方法和单激发组态相互作用(CIS)分析了取代基对Liq前线分子轨道和电子光谱的影响.结果表明:吸电子取代基主要影响所在环的前线分子轨道,其影响程度和取代基的吸电子能力有关;同时取代位置的不同和取代基的共轭效应会导致电子光谱的移动方向不同,取代基在苯酚环上时使Liq电子光谱蓝移,而在吡啶环上时使Liq电子光谱红移,取代基共轭效应大电子光谱红移.该计算结果与实验结果吻合.     

3发色团激发态分子内质子转移机理的研究

采用密度泛函(DFT)和含时密度泛函理论(TDDFT)方法对一种新合成的发色团(3)在非质子性溶剂DMSO中的激发态分子内质子转移机制进行了理论研究.基于3发色团的基态和激发态优化结构, 计算得到了该发色团中与氢键相关的键长和键角的大小, 以及与氢键相连接的 O-H键红外振动光谱, 发现分子内氢键在激发态下有增强的趋势. 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.     

3发色团激发态分子内质子转移机理的研究

采用密度泛函(DFT)和含时密度泛函理论(TDDFT)方法对一种新合成的发色团(3)在非质子性溶剂DMSO中的激发态分子内质子转移机制进行了理论研究.基于3发色团的基态和激发态优化结构,计算得到了该发色团中与氢键相关的键长和键角的大小,以及与氢键相连接的O-H键红外振动光谱,发现分子内氢键在激发态下有增强的趋势.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.     

激发态下甘氨酸与水分子间氢键性质研究

在生物体中氨基酸通常以水作为溶剂,是形成细胞的重要成分.在该环境下,分子间氢键的产生会对氨基酸分子与水分子的结构和性质产生影响.为了研究其在基态和激发态下的性质,本文利用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)对甘氨酸分子和H₂O分子在基态和激发态下的分子间氢键的静电势、键长、自然键轨道(NBO)电荷、分子中的原子理论(AIM)分析、Wiberg键级b、红外(IR)光谱、空穴-电子轨道和基态与激发态之间的电子转移进行了理论研究.结果表明：分子间氢键的形成会导致分子结构的改变和红外光谱振动频率的移动.在激发态下,分子间氢键有不同程度的增强或减弱.该计算结果为氢键的形成和激发态下分子间氢键的研究提供理论依据.     

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.     

桥基取代2,7’-(乙烯基)-二-8-羟基喹啉类化合物的密度泛函理论研究

在B3LYP/6-31G(d)水平上对2,7′-(乙烯基)-二-8-羟基喹啉(2,7′-Ethq_2)及其6种桥基取代物的几何结构进行了全优化,探讨了取代基对分子的结构、电荷转移、前线分子轨道能级、能隙等方面的影响.采用含时的密度泛函理论(TD-DFT)研究各分子的气相及液相中的电子光谱,分析光谱的变化规律.结果表明,取代基的电子效应和立体效应对取代物的电子结构和电子光谱有重要影响,取代基重新调整了2,7′-Ethq_2的原子电荷布居,改变了前线分子轨道能隙,导致吸收光谱发生变化.氨基和氰基对2,7′-Ethq_2影响较为显著,吸收波长红移较大.此外溶剂的极性对其电子光谱也有影响,随溶剂极性的增大,硝基取代物的最大吸收波长发生明显的红移,其它取代物的最大吸收波长均发生较小的蓝移.     

不同位置取代的三氰基乙烯基蒽的含时密度泛函研究

运用密度泛函理论(DFT)RB3LYP方法和ab initio HF单激发态相互作用(CIS)法分别优化了2-三氰基乙烯基蒽(2-TCVA)和9-三氰基乙烯基蒽(9-TCVA)分子的基态及最低激发单重态几何结构.系统分析了前线分子轨道特征,并探索了电子跃迁机理.应用含时密度泛函理论计算了分子的电子光谱,计算结果与实验值符合得较好.     

不同取代基对喹啉电子光谱影响的理论研究

不同取代基团会引起电子光谱发生不同的变化,为获得分子结构与电子光谱之间的关系,采用量子化学计算方法进行了理论分析。使用DFT、CIS分别对基态、激发态进行几何结构优化,再用TDDFT计算优化结果得出电子光谱。结果表明:不同取代基团都改变了碳氮环基态、激发态的几何构型,前线区域轨道能量,π电子共轭系统,这些变化都导致电子光谱发生相应变化。得出不同取代基对电子光谱的影响规律,为电子光谱分析鉴定衍生物提供了理论参考。     

通过改变原子电负性调控异硫氰酸苯并恶唑荧光染料的激发态分子内质子转移过程和光物理性质

激发态分子内质子转移因其独特的光学性质而受到研究人员的青睐. 然而,关于改变原子电负性对激发态分子内质子转移过程和光物理性质影响的系统研究相对较少. 本文通过理论方法选择了一系列苯并噁唑异硫氰酸酯荧光染料(2-HOB、2-HSB 和2-HSeB),并通过改变氧族原子的电负性,系统地研究了激发态分子内质子转移过程和光物理性质. 计算的键角、键长、能隙和红外光谱分析表明,3个分子的分子内氢键强度依次为2-HOB<2-HSB<2-HSeB. 相应地,势能曲线的能垒大小为2-HOB>2-HSB>2-HSeB. 此外,计算的电子光谱表明,随着原子电负性的降低,发射光谱发生红移. 本工作将为基于激发态分子内质子转移性质的新型染料的合成和应用提供一定的理论指导.     

激发态质子转移分子2-(2'-羟基苯基)苯并噻唑溶液的全光开关效应

研究了激发态质子转移(ESPT)分子2-(2'-羟基苯基)苯并噻唑(HBT)在不同极性溶剂中的光开关行为,探讨了溶剂极性对HBT分子光开光效应的影响.揭示了光开关脉冲信号的形成原因,建立了基于光诱导HBT分子激发态非线性折射效应的皮秒全光开关的理论模型.根据对时间响应函数的理论计算和实验结果分析,确定了光开关脉冲信号下降前沿和上升后沿的形成机理以及影响因素,并提出了增强光开关信号下降前沿的关断深度,提升上升后沿的恢复速度的有效途径和方法.本文工作为制成皮秒量级关断,微秒甚至纳秒量级重新打开的快速全光开关器 关键词： 全光开关 2-(2'-羟基苯基)苯并噻唑(HBT) 激发态质子转移 非线性光学特性     

五氯苯酚分子在激发和电离过程中分子结构和简谐振动的变化研究

利用密度泛函理论(DFT)计算得到了五氯苯酚(PCP)分子在基态(S₀态)、第一电子激发态(S₁态)和离子基态(D₀态)优化的结构参数和简谐振动频率值.通过分析PCP分子在激发和电离过程中的苯环与取代基OH和Cl之间的键长和键角的变化情况，可以看到取代基OH和Cl的给电子和吸电子效应使苯环的结构发生了变化，尤其是靠近Cl原子处的变化较明显.通过分析每个简谐振动模式对应的振动频率值在激发和电离过程中的变化情况，可以看到PCP分子在S₀态和D₀态的同一振动模式对应的振动频率值接近，在S₁←S₀跃迁中，PCP分子中约二分之一的平面内弯曲和平面内伸缩振动受到的影响较大，而平面外弯曲振动受到的影响较小.     

苋菜红分子基态和激发态结构与光谱性质的量子化学研究

应用英国Edinburgh FLS920P光谱仪对苋菜红的吸收光谱和荧光光谱进行了实验检测.同时,分别采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)对苋菜红分子的基态和激发态构型进行优化,经振动分析合理后,比较这两种能态下分子结构的差异,并对其前线分子轨道和发光机制进行了分析.在此基础上,选用6种泛函并结合溶剂化模型(PCM)在6-311++G(d,p)水平上分别计算苋菜红的吸收光谱和荧光光谱.计算结果表明:苋菜红含有分子内氢键,基态结构非平面,两个萘环所在平面有一定的夹角,激发态时两个萘环共平面;CAM-B3LYP泛函得到光谱的理论值与实验结果基本吻合;421 nm处的荧光峰值波长对应的轨道跃迁为LUMO→HOMO-1.     

氢键效应对2,3-二氢-3-酮基-1H-吡啶并[3,2,1-kl]吩噻嗪光物理性质的影响

利用含时密度泛函理论(TDDFT)方法和飞秒时间分辨的瞬态吸收光谱技术对2,3-二氢-3-酮基-1H-吡啶并[3,2,1-kl]吩噻嗪(PTZ4)和3-酮基-1H-吡啶并[3,2,1-kl]吩噻嗪(PTZ5)这两种荧光探针分子的光物理性质进行了研究. TDDFT结果表明PTZ4和PTZ5在甲醇溶液形成了氢键络合物导致它们吸收峰的红移. PTZ4分子在基态有四种稳定构型,其在四氢呋喃溶液中的双荧光峰正是来自于四种构型下的内部电荷转移态. PTZ4分子在四氢呋喃和甲醇溶液中的瞬态吸收光谱表明,从局域态到转移态的弛豫时间常数在四氢呋喃中为16.0 ps,在甲醇中为7.5 ps;PTZ4分子在甲醇中的激发态寿命为53.8 ps,而这种超短的寿命可能是由于PTZ4分子在激发态时形成的面外型氢键络合物导致的.     

7-羟基喹啉的双光子荧光光谱特性

利用超快激光脉冲作为激发光源,研究了激发态质子转移有机分子7-羟基喹啉溶液的双光子吸收光谱特性。实验发现在波长为532nm的脉冲激光作用下,该溶液在波长约为380nm和550nm处出现了两个荧光峰,研究证明,峰波长为380nm处的荧光是7-羟基喹啉醇式结构下分子从激发态返回基态时发射的荧光,而峰波长为550nm处的荧光是该溶液的酮式结构分子从激发态返回基态时发射的荧光。