氮混杂金属卟啉吸收光谱性质的理论研究

采用密度泛函理论在B3LYP/6-31+G(d)水平上研究了4种金属Mg, Ni, Cu, Zn配位的自由卟啉(FBP)及氮混杂卟啉(NECP)的几何结构及分子轨道能级. 采用含时密度泛函理论(TD-DFT)方法计算了金属与2种卟啉配位后在气体条件下的电子吸收光谱, 包括激发能、 吸收波长、 跃迁组成和振子强度.计算结果表明, 与金属配位的FBP(M-FBP)具有D_4h对称性, 分子轨道能级HOMO/HOMO-1和LUMO/LUMO+1因能级相近发生简并, HOMO-LUMO轨道能级差大约3.0 eV, 在Soret带出现较强吸收峰.由于C/N原子位置的改变, 非对称性结构的M-NECP前线轨道组成发生改变, 轨道能级差(HOMO-LUMO)减小至2.6 eV左右, 且能级发生分裂, Soret带出现多个电子吸收谱峰, Q带也出现吸收峰. 本文研究了水、 氯仿和苯3种不同极性溶剂对M-FBP和M-NECP的分子轨道及电子吸收光谱的影响, 结果表明, 随溶剂极性减弱金属配合物的电子吸收光谱发生红移, 并且吸收峰强度增强.     

烷基取代对罗丹明的电子结构与光谱的影响

在密度泛函理论(DFT)的B3LYP水平对不同烷基在不同位置取代形成的8种罗丹明化合物进行结构优化,并在此基础上应用含时密度泛函理论(TD-DFT)和单激发组态相互作用(CIS)方法分析了取代基对罗丹明的电子结构、前线分子轨道及电子光谱的影响.计算结果表明,前线分子轨道主要分布在罗丹明分子的氧杂蒽环上,罗丹明分子中两个N端的H各只有1个H被烷基取代时,最高占据轨道(HOMO)在主要共轭环分布最多,且HOMO和最低未占据轨道(LUMO)分布比例相差最小,两个N端4个H同时被甲基取代时,能隙最窄,对气相最大吸收波长红移程度最大,两个N端4个H同时被乙基取代时,气相荧光最大,发射波长最长.     

氢卟啉和镁卟啉分子溶剂效应的理论研究

采用溶剂场极化连续模型在密度泛函B3LYP/6-31G (D)水平上研究了氢卟啉和镁卟啉分子在四氢呋喃(THF)、二甲基亚砜(DMSO)、二氯甲烷(CH2Cl2)、氯仿(CHCl3)这四种不同极性的溶剂环境中的几何结构和分子轨道能级, 从而研究了溶剂效应引起的分子几何构型和轨道能级的变化. 然后采用上述溶剂环境下优化的几何结构在含时密度泛函水平上计算了它们的激发能、吸收波长、跃迁组成和振荡强度. 理论计算结果表明, 对比真空条件下的氢卟啉和镁卟啉分子的几何结构, 溶剂场中两种卟啉分子的几何结构都发生了微弱的变化, 这种变化随溶剂介电常数的增大而有所增强. 计算结果表明溶剂环境中氢卟啉和镁卟啉分子的电子吸收光谱发生了普遍的红移, 结合分子轨道理论对这种变化给出了可能的解释. 在此基础上, 对这种包含溶剂效应的理论分析方法用于检验卟啉类化合物作为染料敏化太阳能电池光敏剂的可行性作了进一步的探讨.     

呋喃查尔酮结构与电子光谱的密度泛函理论研究

在密度泛函理论的PBE1PBE/6-31G(d)水平上对呋喃查尔酮及其衍生物的几何结构进行优化计算.在获得基态稳定结构的基础上,应用含时密度泛函理论计算其电子吸收光谱,探讨了取代基和溶剂对电子吸收光谱的影响,计算结果与实验结果吻合很好,平均绝对偏差仅为3.3nm(0.04eV).结果表明,取代基的引入和溶剂极性的增大均使光谱发生红移.通过前线轨道分析,揭示了该类化合物的主要吸收峰均源自分子中HOMO→LUMO电子跃迁.     

7-吡啶吲哚同分异体结构与电子光谱性质的理论研究

运用密度泛函理论对7-吡啶吲哚可能存在的构型进行优化,计算异构体的几何构型、电子结构、前线分子轨道;应用含时密度泛函理论计算了异构体b,c和e的电子光谱性质以及溶剂效应对光谱性质的影响.结果表明,溶剂极性的增加使b的电子光谱蓝移,而c和e的电子光谱红移,且溶剂极性对最大吸收波长影响幅度较小.前线分子轨道分析,表明该类化合物的主要吸收光谱主要对应于分子中的HOMO→LUMO电子跃迁,且为π→π*跃迁.     

饱和、不饱和(N-杂环化)低聚硅烷的结构和光谱性质

用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)对线型(饱和N-杂环化)和(苯并N-杂环化)低聚硅烷的电子结构和吸收光谱性质以及溶剂效应进行了比较研究.对各体系的基态电子结构在B3LYP/6-31G(d,p)水平上进行了全优化,讨论了电荷分布和前线分子轨道性质.在获得基态稳定构型的基础上,用B3LYP/6-311+G(d)方法计算了电子吸收光谱的性质,探讨了主链的线型增长和溶剂对电子吸收光谱的影响.结果表明,随着主链的增长,低聚硅烷的电子结构发生明显扭曲,在(苯并N-杂环化)聚硅烷中形成了邻近苯并N-杂环之间π-π堆积作用,有利于结构的稳定.两类低聚硅烷的吸收光谱都随着主链的增长而发生明显的红移,(苯并N-杂环化)聚硅烷最大吸收光谱红移幅度要比(饱和N-杂环化)聚硅烷大得多.溶剂效应使得光谱略向短波长移动,溶剂的极性改变对吸收波长的影响不明显.     

扩展卟啉Ni(Ⅱ),Pd(Ⅱ)和Pt(Ⅱ)单金属配合物光电性质的理论研究

采用密度泛函方法(DFT),对六元扩展卟啉的Ni(Ⅱ),Pd(Ⅱ)和Pt(Ⅱ)单金属配合物进行了几何构型的优化.在优化的基础上,对6种配合物进行了电荷分解分析(CDA)、扩展电荷分解分析(ECDA)以及前线分子轨道的成分分析.基于几何优化的结果,在含时密度泛函(TD-DFT)方法下,计算了6种配合物的吸收光谱.得出如下结论:无论是R型还是M型配合物,Pd(Ⅱ)同六元扩展卟啉的电荷转移值都是最大的,从而也说明中心金属Pd(Ⅱ)同配体之间的相互作用也是最大的.通过对吸收光谱和前线分子轨道的分析,在B带最大吸收峰上,R型配合物主要显示出由金属到配体的电荷转移(MLCT),并且金属轨道在跃迁成分中占比越大,最大吸收峰红移越远,其最大吸收峰顺序λ(Ni@RHP)(492nm)λ(Pt@RHP)(477nm)λ(Pd@RHP)(467nm).而对于M型配合物的Ni@MHP和Pd@MHP,90%以上的跃迁来自配体内的电荷转移(ILCT),并且展示了几乎相等的最大吸收峰(540nm).Pt@MHP与前者相比有40nm的红移,并展示了MLCT的吸收特征.     

1,3-二氮杂薁类衍生物电子结构和光谱性质的理论研究

对1,3-二氮杂薁类衍生物采用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-31G(d)的水平上进行了几何构型的全优化, 在此基础上探讨了分子结构和前线分子轨道能量等性质的变化规律, 采用含时密度泛函理论(TD-DFT)计算了分子的电子跃迁性质, 采用二维平面图和三维立体图来直观表示激发态的性质, 研究分子内电子转移特性. 跃迁密度矩阵的二维等高线图反映了电子-空穴相干性, 三维跃迁密度图反映了跃迁偶极矩的方向和强度, 三维电荷差异密度图说明了激发过程中分子内电子转移性质.     

7-氮杂吲哚衍生物分子基态和激发态性质的理论研究

用从头算HF和密度泛函B3LYP方法对7-氮杂吲哚衍生物1,3-二(N-7-氮杂吲哚基)苯、1,3,5 三(N-7-氮杂吲哚基)苯和4,4′-二(N-7-氮杂吲哚基)联苯进行全优化, 计算分子的电离势IP和电子亲和势EA等相关能量, 并用ZINDO和TDDFT方法计算吸收光谱, 用CIS优化三种化合物分子的S1激发态结构, 并分析其能量与发射光谱的关系, 计算溶剂中分子的吸收和发射光谱, 并与实验结果对照. 计算结果表明, 从7-氮杂吲哚到上述三种衍生物依次愈来愈容易接受空穴, 吸收和发射光谱红移.     

1,8-萘酰亚胺类衍生物的结构及紫外-可见吸收光谱

用密度泛函方法(DFT)优化了一系列1,8-萘酰亚胺衍生物, 用含时密度泛函(TDDFT)和导体极化连续模型(CPCM)计算了它们在气相、环己烷和二氯甲烷溶剂条件下的紫外可见吸收光谱. 计算结果表明, 优化的几何结构和X射线晶体结构数据吻合较好. 萘环4和5位胺基上取代基团(氢基、甲基、苯基和萘基)的变化使得它与萘酰亚胺部分的连接键长(N—C)变长、电荷转移增强、带隙降低. 溶剂化显色效应和前线轨道电子云一致表明此类物质的最大吸收峰对应π-π*跃迁. 异构体A中的分子内电荷转移增大和带隙的降低是它的紫外吸收光谱最大吸收峰比异构体B的发生红移的主要原因.     

西红花酸二甲酯电子吸收光谱与热力学性质的理论研究

使用密度泛函理论B3LYP方法,对西红花酸二甲酯的结构、电子吸收光谱、热力学性质进行理论计算研究,并基于Tomasi的极化统一场模型(PCM)讨论溶剂效应.结果显示,溶剂对西红花酸二甲酯的前线分子轨道特征几乎无影响,溶剂作用使该分子的最大吸收波长红移约42 nm,红移程度与溶剂极性无关.西红花酸二甲酯分子的气态热力学性质与温度的关系式分别为:Cm p=189.782+0.925T,S m=457.503+1.366T,H m=1164.899+0.195T+4.671×10-4T2,Gm=1164.899-0.263T-8.989×10-4T2.298 K时,西红花酸二甲酯分子的气态标准摩尔生成焓和标准摩尔生成自由能分别为-1180.67和-733.23 kJ·mol-1.     

无金属四噻吩[2,3-b]四氮杂卟啉及其镁配合物的结构和性质的密度泛函理论研究

酞菁(phthalocyanine)及其金属配合物是一类性能良好的多功能材料,在许多领域都有着重要的应用潜力.由于酞菁母体大环:四氮杂卟啉(porphyrazine)及其金属配合物具有紧稠的大环结构和可离域化的共轭π-电子体系,因而近年来人们开始对酞菁外侧的苯环进行各种化学修饰来调节此类物质的物理化学性质.本文工作主要集中于研究给电子噻吩杂环取代酞菁外侧苯环后产生的影响,为今后的实验和理论研究提供依据.本文利用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)中的B3LYP方法,在6-31G(d)基组水平上,对无金属四噻吩[2,3-b]四氮杂卟啉(TTPPzH2)及其镁配合物(TTPPzMg)的结构和性质进行了研究.在本文中,将无金属四噻吩[2,3-b]四氮杂卟啉(TTPPzH2)及其镁配合物(TTPPzMg)分别与无金属酞菁(H2Pc)及其镁配合物(MgPc),无金属卟啉(H2Pz)及其镁配合物(MgPz)在几何结构、原子电荷、分子轨道、紫外可见光谱(UV-Vis)及红外光谱(IR)等方面进行了比较,并且讨论了具有给电子能力的噻吩杂环的取代效应.结果表明:与H2Pz和H2Pc及其相应的金属配合物MgPz和MgPc相比较,由于给电子噻吩杂环的取代降低了体系的对称性,使得相应的键长键角发生了改变,从而影响了相应的键强以及中心NH键的酸性,并且通过比较键长和键角变化的程度解释了引起中心空穴收缩的原因:主要是由于键角的变化对中心空穴的收缩做出了贡献;同时,噻吩杂环的取代对各原子的电荷分布产生了一定的影响,其中对与硫(S)原子相毗邻的Cβ原子的影响最大;与H2Pz和MgPz比较,给电子噻吩杂环的连接增加了体系的共轭程度,减小了最高占据轨道(HOMO)-最低空轨道(LUMO)的能隙,而与H2Pc和MgPc相比较,由于给电子噻吩杂环取代酞菁外侧苯环降低了体系的共轭程度,增大了HOMO-LUMO的能隙,使得TTPPzH2和TTPPzMg的Q吸收带(酞菁类化合物的特征吸收峰)向长波方向移动发生了蓝移.其中,需要强调的是,由于低占据轨道的较大的离域性使得TTPPzH2和TTPPzMg的B带(酞菁类化合物的特征吸收峰)发生了红移;通过对轨道能量、分子轨道对称性及HOMO和LUMO轨道图进行比较,说明由于噻吩杂环中硫原子的贡献降低了各分子轨道的能级,同时改变了各分子轨道的对称性;此外,通过分析紫外可见光谱,发现与H2Pc和MgPc相类似,TTPPzH2和TTPPzMg在300～400nm处出现了两个明显的B吸收带,在500～600nm处出现了两个明显的Q吸收带,与四氮杂卟啉类化合物的Q吸收带范围(535～617nm)相一致;借助于正则坐标分析,对红外光谱中的重要吸收峰和振动模式进行了指认和分析.由于给电子噻吩杂环的取代使得计算和模拟的IR光谱发生了蓝移,但是大体的变化趋势与相关的理论和实验研究结果相一致,进一步说明了我们所选择的研究方法的合理性.此外,本文工作对于今后研究酞菁类化合物的结构和光谱性质具有深远的意义.     

推/拉电子取代基对PCBM结构及光谱性质影响的理论研究

应用密度泛函理论(DFT)方法计算[6,6]-苯基-C₆₁-丁酸甲酯(PCBM)及其苯环对位取代得到的4种衍生物的几何和电子结构. 采用第一激发能校正了分子的最低未占据分子轨道(LUMO)能级, 探讨了推/拉电子基团对分子前线轨道的影响. 在全优化几何构型的基础上, 采用含时密度泛函理论(TD-DFT)方法研究了电子吸收光谱特征和电荷转移态性质, 并讨论了推/拉电子基团对体系电子吸收光谱性质的影响. 通过对重组能和电子亲和势的计算, 预测了PCBM与4种衍生物的电子能力及电子迁移率大小的关系. 结果表明, 在PCBM中, 在苯环的对位引入推电子基团可以提高分子的前线轨道能级, 改变前线轨道电子云分布, 明显增强可见光范围内的吸收强度, 增加可见光范围内的电荷转移吸收, 且激发态的电荷转移随着引入基团推电子能力的增加而增强. 化合物5的激发态分子内电荷转移性质最强, 且具有较独特的光伏性质. 而在同样位置引入拉电子基团, 则降低了分子前线轨道能级对电子吸收光谱的影响.     

鸢尾苷元和鸢尾苷的电子结构和光谱性质的含时密度泛函理论研究

采用ab initio 的HF和DFT的B3LYP方法, 对化合物鸢尾苷元和鸢尾苷基态结构进行优化, 分析了前线分子轨道特征和能级分布. 用含时密度泛函理论(TD-DFT)和半经验的ZINDO方法, 对鸢尾苷元和鸢尾苷的电子光谱进行了研究, 发现该物质主要吸收光谱源于分子内的π→π*的电子跃迁. 计算结果表明, 分子结构改变可影响化合物前线分子轨道分布和吸收光谱, 吸电子基使紫外光谱红移.     

两种4-氨基安替比林席夫碱-Pt(Ⅱ)配合物电子光谱性质的理论研究

采用密度泛函理论(DFT),在PBE0/6-31+G(d)-LANL2DZ水平下,对两种含有不同取代基的4-氨基安替比林席夫碱-Pt(Ⅱ)配合物A和B的几何构型、前线分子轨道及其分布特征进行理论计算.在优化构型的基础上,用含时密度泛函理论(TD-DFT)在相同水平下对上述配合物进行电子吸收光谱研究.计算还考虑了二氯甲烷溶剂对电子结构和光谱性质的影响.结果表明,配合物A和B的最强吸收波长分别来自于HOMO→LUMO和HOMO-5→LUMO的跃迁,以上跃迁存在明显的分子内电荷转移的特征.此外,在4-氨基安替比林配体上引入强的给电子基团-N(CH3)2,配合物A的最大吸收波长相对于配合物B发生了红移现象.     

六元扩展卟啉的Zn2+,Cd2+,Hg2+单金属配合物的光电性质的理论研究

通过定域密度矩阵方法和含时密度泛函方法研究了六元扩展卟啉及其Zn,Cd和Hg单金属配合物的光电性质.通过计算得到扩展卟啉HP同金属Zn2+,Cd2+和Hg2+发生配位时,分子趋于平面化.配合物在Q带有弱得吸收峰,它们随着中心金属的原子序数的增加产生了红移.在B带有强吸收峰,其特征峰主要来自于中心金属离子的d轨道和同金属配位的C原子所处的吡咯环以及吡咯环两侧的meso-C原子上的苯基的参与.对于扩展卟啉极其配合物,定域密度矩阵方法也可以很好的预测光谱和电子跃迁性质.     

含靛红并苊醌二甲酰亚胺端基的A-D-A型小分子受体材料的合成及其光电性质研究

以靛红/氮杂靛红并苊醌二甲酰亚胺为受体端基,以引达省并噻吩衍生物为电子给体,设计并合成了两个结构新颖的A-D-A型小分子电子传输材料(A1和A2),结合密度泛函理论计算对比研究了吡啶氮原子的引入对A1和A2的分子结构、吸收光谱以及能级结构的影响.理论计算和吸收光谱研究发现:相比A1,吡啶氮的引入不仅可以提高A2的骨架平面性,而且还可以使其分子内电荷转移吸收峰发生27nm的红移.电化学和理论计算研究表明,吡啶氮原子的引入增强了A2的电子亲和力,因而有效地降低了A2的最高已占分子轨道(HOMO)和最低空分子轨道(LUMO)能级.以A1和A2为电子受体材料,以商业购买的PBDB-T为电子给体材料,构造了含PBDB-T:A1或PBDB-T:A2(质量比1∶1)共混薄膜的非富勒烯太阳能电池器件,其最高能量转换效率分别获为5.19%和6.19%.     

褐煤分子片段结构电子吸收光谱的理论研究

应用不同密度泛函计算了几种代表性化合物和褐煤分子片段结构的电子吸收光谱性质,考察了结构修饰与杂环原子对电子光谱性质的影响.计算结果表明,杂化泛函B3LYP和HSEH1PBE较适合这类体系电子吸收光谱的计算,预测的吸收光谱主要出现在近紫外区,随着共轭环的增加,λmax吸收移向可见光区.当共轭支链基团通过C≡C键和分子片段模型连接时,在可见光区(460~480 nm)有非常强的吸收.杂环原子的存在及其在五元环中的位置对电子吸收光谱有显著影响,处在相对对称的位置时,前线轨道的共轭程度较高,导致λmax吸收出现较显著的红移,预测的这些分子片段光谱性质有助于理解褐煤的光响应性质.     

杂环戊二烯作为π-桥调控锌卟啉染料光电性能的理论研究

为了研究杂环戊二烯作为π?桥对锌卟啉染料光电性能的影响,在染料YD2?o?C8的基础上,通过引入含有不同杂原子的杂环戊二烯作为π?桥设计了6种新型锌卟啉染料。采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD?DFT)方法对染料的前线分子轨道、吸收光谱和电子-空穴分离特性进行研究。结果表明,与染料YD2?o?C8相比,杂环戊二烯的引入可以提升卟啉染料的光电性能,且改变杂原子可以调控卟啉染料的光电性能。对杂环戊二烯性质与卟啉染料光电性能的相关性研究发现,杂环戊二烯的最低空轨道能级与卟啉染料光电性能之间具有较好的线性关系。杂环戊二烯的接受电子能力越强,相应卟啉染料的光电性能越好。硅杂环戊二烯由于具有最强的接受电子能力而使相应的卟啉染料具有最宽的光谱吸收范围以及最强的分子内电荷转移能力。     

(H2O)m（HBr）n（m+n≤4）团簇的结构与性质

利用杂化密度泛函方法B3LYP结合6-311++g(2df,2p)基组研究了(H2O)m(HBr)n(m+n≤4)混合团簇的结构及红外光谱.确定了团簇的稳定结构以及键能,发现分子间以红移氢键的形式结合形成混合团簇,且H2O分子个数为3时HBr发生解离.理论模拟了稳定结构的红外光谱,并分析了红外光谱主要吸收峰所对应的振动模式.通过自然键轨道(NBO)分析发现了红移氢键是由质子供体与质子受体间的超共轭作用决定的.