基于1,8-萘酰二胺的具有近红外吸收的π-共轭有机太阳能电池给体材料的分子设计

为了提高有机太阳能电池(Organic solar cells, OSCs)给体材料的光吸收效率,本文设计了系列以噻吩异靛蓝分子片段为中心,不同芳香杂环为π-桥,1,8-萘酰二胺(1,8-Naphthalimide, NI)分子片段为端基的新型π-共轭化合物作为有机太阳能电池给体材料.利用量子化学中的密度泛函理论和含时密度泛函理论方法,对所设计的化合物的光学和电子性质进行了研究,探究分子结构与光谱和电子性质之间的联系.计算结果表明,通过在母体化合物中引入不同的π-桥,可以有效调节所设计分子的前线分子轨道能级、能隙和光谱性质.但是,其对设计分子的几何结构影响不大.设计的化合物分子均具有窄的能隙,在可见光和近红外光谱(NIR)区都有强吸收,这有利于提高有机太阳能电池光吸收效率.前线分子轨道能级分析发现,部分设计的化合物能级与典型富勒烯受体材料相匹配,可选用传统PCBM,bisPCBM和PC₇₁BM作为受体材料,另一部分设计化合物,则应考虑选用其他的太阳能电池受体材料.研究结果表明,本文所设计的化合物可作为具有红光或NIR区有强吸收的高效太阳能电池给体材料应用于太阳能电...     

基于二酮基吡咯并吡咯的π-共轭分子的有机太阳能电池给体材料的设计与理论研究

本文设计了系列基于二酮基吡咯并吡咯(DPP)的有机小分子太阳能电池(OSCs)给体材料.设计的分子结构中，2个DPP分子片段作为2个端基通过不同的芳香杂环π-桥相连接.利用密度泛函理论和含时密度泛函理论方法研究了所设计化合物的电子和光学性质.研究结果表明，在分子中引入不同的π-桥可以有效调节设计分子的前线分子轨道能量、能隙和吸收光谱，但是对几何结构影响很小.所设计化合物1-8均在近红外光谱区具有强吸收和窄能隙，这有利于提高有机太阳能电池的短路电流和光吸收效率.前线分子轨道分析发现，化合物1-8具有较低的最高占据轨道能级，可提高有机太阳能电池的开路电压.化合物1-3,5和7的前线分子轨道能级与典型富勒烯受体材料相匹配，可选用PCBM,bisPCBM和PC₇₁BM作为受体材料；而化合物4,6和8则应考虑选用其他的太阳能电池受体材料.结果表明，所设计的分子可作为性能优良的OSCs给体材料，为开发和利用太阳能电池给体材料提供理论依据.     

N—F键调控的高能量密度化合物合成与性能研究进展

与传统N—O含能材料相比, N—F键调控的含能化合物因具有密度大、比冲高、与高热值金属燃烧放热量大等独特优势而受到各国研究人员的广泛关注.依据结构特点,N—F键含能化合物涵盖氟氮唑类含能化合物、二氟氨基二硝甲基化合物、偕二氟氨基化合物以及二氟氨基聚合物等4类含能化合物.综述了N—F键调控的含能化合物研究进展,重点探讨了N—F单键和二氟氨基引入策略以及其相关含能衍生物的合成技术途径,评述了典型氟氮含能化合物物化与爆轰性能.发展高效、安全、便捷的N—F键和二氟氨基合成方法,开发结构稳定、感度适中的新型N-氟唑类含能化合物、偕二氟氨基硝胺环状等高能量密度化合物将是含能材料领域重要的发展方向之一.     

N,N-B螯合物光物理性质的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)方法计算了4种N,N-B螯合物1,1q,2和2q的基态和激发态结构、吸收和发射光谱、跃迁密度矩阵、分子内电荷转移特征、黄昆(HR)因子、FranckCondon因子和电子耦合等光物理性质,深入探究化合物1q和2q在几何结构微调后发光效率降低的本质原因.计算结果表明,N,N-B螯合物中喹啉取代吡啶,以及吲哚配体中N杂原子的引入对光物理性质产生了较大影响.相比于化合物1和2,化合物1q和2q由于共轭面的扩展导致HOMO-LUMO能隙变窄,使吸收红移.通过计算HR因子和跃迁密度矩阵对激发态的特征和几何弛豫进行分析,结果表明化合物1q和2q具有明显增强的片段间电荷转移特征,发射能和振子强度减弱导致kr减小,并且激发态和基态间的电子耦合急剧增强造成快速的非辐射衰变,导致化合物1q和2q在CH2Cl2溶液中不发光.同时,化合物1和2具有高效的发光效率和较大的斯托克斯位移,是一类有发展前景的发光材料.     

蓝光材料2-叔丁基-9,10-二(9,9-二正丙基芴基)蒽的合成与性能表征

本文设计并合成了一种新型蒽衍生物蓝光材料2-叔丁基-9,10-二(9,9-二正丙基芴基)蒽.化合物中引入的柔性烷基链有效抑制了分子间的相互作用,使该化合物不易结晶,同时提高了化合物在有机溶剂中的溶解度.通过量子力学方法计算发现,化合物具有顺反两种稳定构型,分子的平面性差,能减弱分子间相互作用.化合物在二氯甲烷溶液中的最大荧光发射峰在443 nm,在环己烷溶液中测得荧光量子效率为0.78,固态薄膜的最大发射峰波长相对溶液有少量红移(450 nm).热失重和差热分析结果表明,该化合物具有较高的热稳定性,分解温度和玻璃化转变温度分别为365℃和126℃.     

4-咔唑基-N-（3,′4′-二甲苯基）-1,8-萘二甲酰亚胺作为电子传输材料的实验和理论研究（英文）

通过乌尔曼偶联反应合成了一种新颖的萘胺-咔唑分子,4-咔唑基-N-（3,′4′-二甲苯基）-1,8-萘二甲酰亚胺（CNP）.运用量子化学中的密度泛函理论（TD-DFT）,在B3LYP/6-31（d）水平上对化合物在阴离子、阳离子、中性状态下进行了结构全优化,得到了化合物的总能量、HOMO能级、LUMO能级、电离能和电子亲合势.理论计算了化合物的紫外吸收光谱和红外光谱.紫外吸收光谱、红外光谱、HOMO能级和LUMO能级数值与实验值高度一致.在理论上分析了化合物作为电致发光材料的可能性,化合物CNP是一种很好的电子传输材料.     

ANPZ的合成及ANPZ·DMSO(1:1)晶体结构

富氮杂环化合物被认为是理想的高威力含能材料,因为这些化合物大多具有高的分子密度、低易损性和正的生成焓[1].2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪(ANPZ)是一种富氮杂环含能材料,也是合成新型高能钝感含能材料2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物(LLM-105)的前体.     

3-溴咔唑-9-乙酸晶体中的分叉型氢键及其理论分析

用半经验量子化学AM1方法分析了化合物3-溴咔唑-9-乙酸的分子构象.结果表明,化合物3-溴咔唑-9-乙酸晶体存在分子间非对称分叉型氢键;该非对称分叉型氢键支配化合物的堆积结构.与此同时,同咔唑环氮原子相连的羧甲基易在一定范围内摆动,分叉型氢键是晶体状态下和真空中羧甲基位置变化的原因之一;非对称分叉型氢键使分子体系得到4.97kJ/mol的额外稳定作用能.     

卤素、 氰基及N原子修饰对四硫富瓦烯衍生物载流子传输性质影响的理论研究

基于密度泛函理论结合跳跃模型和能带理论研究了氟、 氯、 氰基和N原子的引入对四硫富瓦烯(TTF)衍生物载流子传输性质的影响. 计算结果表明, 嵌N修饰会降低分子重组能, 特别是当N原子靠近TTF主体环时作用更明显. 与引入卤素修饰相比, 引入氰基修饰的分子具有更小的电子和空穴重组能及更低的前线分子轨道(FMO)能级. 同时迁移率的计算结果显示, 分子6具有1.15 cm²·V^-1·s^-1的高电子迁移率, 考虑其较低的LUMO能级, 推测其有望成为潜在的优异电子传输材料, 而相似的电子和空穴迁移率使分子2有望成为潜在的双极性传输材料. 同时还考察了S和N原子之间的弱相互作用, 当S或N原子对分子HOMO(或LUMO)有贡献时, 其相应的空穴(或电子)传输能力会有所提高.     

N,N-二(N-亚甲基-2-吡咯烷酮)甘氨酸(C12H19N3O4)的结构及配位性能的研究

用量子化学 Ｐ Ｍ３ 方法优化了 Ｎ, Ｎ二（ Ｎ亚甲基２吡咯烷酮） 甘氨酸（ Ｃ１２ Ｈ１９ Ｎ３ Ｏ４） 分子的顺式和反式两种构型;计算了分子的电离能、电子亲合能、电荷密度和前线轨道,并研究了该分子的配位性能。结果表明标题化合物稳定,顺式构型分子内有氢键,反式则没有。 Ｐ Ｍ３ 计算的标题化合物顺式构型几何参数与实验测定结果一致,顺式构型能与希土金属离子形成稳定的配合物。     

ANPZ的合成及ANPZ·DMSO(1∶1)晶体结构

富氮杂环化合物被认为是理想的高威力含能材料,因为这些化合物大多具有高的分子密度、低易损性和正的生成焓[1]。2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪(ANPZ)是一种富氮杂环含能材料,也是合成新型高能钝感含能材料2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物(LLM-105)的前体。美国DuPont公司的Do     

巯基偶氮苯单分子电子传输的取代基效应

用密度泛函理论B3LYP/6-31G**计算巯基偶氮苯分子及分子离子的空间构型和电子结构, 研究取代基对巯基偶氮苯单分子电子传输的影响. 结果表明, 拉电子基(—COOH、—NO2)的引入, 可以提高巯基偶氮苯单分子电子传输体系的稳定性, 使体系LUMO的离域性增高、S原子反应活性增强、HOMO-LUMO能隙显著减小, 进而降低电子传输能垒, 有利于分子电子传输. 相同取代基的分子离子比分子具有更小的HOMO-LUMO能隙, S—Au键更易形成, 金属-分子-金属结构的电子传输性更强.     

薁2/6-位芳基取代的模型化合物的设计合成及性质研究

设计合成了薁2/6-位芳基取代的六个模型化合物1～6,化合物1～3和4～6分别为薁2-位和6-位取代的化合物,其取代基顺序均分别为五氟苯、苯和α-噻吩.对化合物的紫外吸收光谱、荧光光谱、电化学以及质子响应等物理化学性质进行了研究,并结合密度泛函理论(DFT)计算研究了2/6-位不同取代芳基对于薁衍生物的基本物理化学性质的影响.吸收光谱研究表明,在薁的2/6-位引入不同取代芳基均可以使其S0→S2跃迁吸收峰红移(Δλ=6～68nm),2/6-位引入给电子的噻吩基团发生明显红移(Δλ=68/48nm),其中2-位引入给电子噻吩基团红移更加明显(Δλ=68nm).荧光光谱研究表明,在薁6-位引入强拉电子的五氟苯,所得化合物4荧光强度最强(φF=0.082);质子化后,同样含有五氟苯基的化合物1-H~+的荧光强度最强((φF=0.359).电化学和DFT理论计算表明,在薁2/6-位引入拉电子的五氟苯基可显著降低分子的最高已占分子轨道(HOMO)和最低空分子轨道(LUMO)能级(1和4的ΔEHOMO/ΔELUMO分别为-0.23/-0.18和-0.20/-0.15 eV).这些研究结果为基于薁的有机功能分子的设计合成及性质研究提供了有效依据.     

4-[2-(9,10-二氰基蒽)乙烯基] -N,N-二甲基苯胺的三荧光发射

从分子水平进行电子转移,电荷分离的研究是十分重要的,它不仅是自然界光合作用的基本过程,也是现代高新技术中的一个关键问题。近年来分子内含电子给体与电子受体的D-A化合物一直引起人们的极大兴趣。这些化合物能发生光致分子内电子转移,使其激发态分子的偶极矩远大于基态,它们的发射光谱对介质的粘度及极性十分敏感,随分子结构的变化而变化,展现出特有的光电性质,可利用作为非线性光学材料、光电转换材料以及荧光探针等。     

含氟β-二酮类化合物在质子溶剂中光稳定机理的研究

本工作利用吸收光谱及核磁共振氢谱的方法对两种含-CF₃基的β-二酮类化合物在质子溶剂中引起分子内氢键的破坏,缩醛化的发生及其动力学等进行了研究。工作探讨了光照使缩醛化产物回复至原有的分子内氢键结构以及回复后体系在暗场下继续进行缩醛化的过程,虽然光照使缩醛化产物破坏的原因尚待进一步研究,但这类含有-CF₃基的β-二酮类化合物在光照条件下能回复到含有分子内氢键的体系,这一特性可使这类化合物用作一种能在质子溶剂中应用的光稳定剂。其光稳定能力在本工作中已被证实。     

环糊精-石墨烯超分子体系

环糊精是由D型吡喃葡萄糖通过α-1,4-糖苷键连接而成的环状超分子主体化合物,其特殊的结构赋予了其良好的分子识别性能;石墨烯是仅由单层sp杂化的碳原子构筑的具有良好的电化学性能的材料.作为著名的"明星分子",石墨烯类材料无疑是近5年来研究热点之一.在各种各样的石墨烯材料中,由环糊精-石墨烯联合构筑的超分子体系在保留二者优良性能的同时又引入了新的功能特点.综述了近些年来新发展起来的环糊精-石墨烯超分子体系:通过二者作用方式进行了分类,分为共价键连接和非共价键连接;综述了该超分子体系在药物运输及释放、电化学检测(包括对药物分子、污染物和生物分子的检测)等领域的应用;最后对该体系在药物负载及释放、模拟生物固氮、燃料电池、研究电子传导等应用前景进行了展望.     

黄酮类化合物抑制MMP-9的定量结构-活性关系和结构修饰的理论研究

运用密度泛函理论(DFT)和线性回归分析等方法研究了黄酮类化合物抑制MMP-9的定量结构-活性关系(QSAR)和结构修饰. 研究发现, 黄酮类化合物抑制MMP-9的实验生物活性数据－lg EC₅₀值与计算获得的黄酮类化合物的最低空分子轨道能量及分子水合能之间均存在着良好的线性关系|留一法交叉验证结果表明, 所建立的两个相应的QSAR模型都具有良好的稳定性和预测能力. 进一步研究发现, 在黄酮类化合物分子的A环、B环和C环上的合适部位选用供电子能力较强、能降低分子水合能的取代基团对其进行结构修饰, 有利于提高修饰后的分子抑制MMP-9的生物活性. 根据对木犀草素(Luteolin)分子进行结构修饰的结果(共33种化合物), 我们提出了黄酮类化合物抑制MMP-9可能的作用机理, 并设计出8种经结构修饰后生物活性有显著提高的MMP-9抑制剂, 希望将来得到实验的证实.     

含咔唑生色团的有机芳香杂环分子的二阶非线性光学性质

采用密度泛函理论B3LYP/6-31G^*方法, 对一系列含咔唑生色团的有机芳香杂环分子进行结构优化, 并采用有限场(FF)和含时密度泛函理论(TD-DFT)方法在6-311G^**水平上探讨了体系的二阶非线性光学(NLO)性质和电子光谱. 结果表明, 咔唑取代基推或拉电子能力的改变和引入芳香杂环对研究分子的极化率α和二阶NLO系数β值都有较大影响. 当取代基分别连有拉电子硝基和推电子羟基, 以及引入呋喃杂环都可以使体系分子的β值随分子的最大吸收波长λ_max的增大而减小(蓝移). 该系列化合物兼具有很大的二阶非线性响应与良好的透光范围, 避免了“非线性-透光性”矛盾, 可能在非线性材料领域中有很大的潜在应用价值.     

含能材料的密度、爆速、爆压和静电感度的理论研究

用密度泛函理论(DFT) B3LYP方法, 在6-31G*基组水平下, 全优化计算了系列硝胺类和硝基芳烃类爆炸物的几何构型, 用Monte-Carlo方法和自编程序, 基于0.001 e•bohr^－3等电子密度面所包围的体积空间求得分子平均摩尔体积(V)和理论密度(ρ). 用Kamlet-Jacobs方程基于理论密度(ρ)和PM3计算生成焓(ΔH_f)估算标题物的爆速(D)和爆压(p), 发现多环硝胺类化合物的爆轰性能优于芳烃硝基类化合物, 故此, 在寻求高能量密度材料(HEDM)时, 我们应特别关注多环硝胺化合物. 与ρ和D文献值比较, 表明本理论计算方法和结果是适用可靠的. 将爆速(D)和爆压(p)计算值与静电感度实验值(E_ES)进行比较和关联, 发现: 若对化合物进行细致分类讨论, 则它们之间存在较好的线性关系. 据此建议, 在含能材料分子设计中, 可通过理论计算爆轰性质(D或p)去预估难以定量求得或尚未合成的含能材料的静电火花感度值(E_ES). 此外, 我们还讨论了取代基对ρ, D和p的影响, 也有助于分子设计.     

3,7-二硝亚胺基-2,4,6,8-四硝基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷结构与性能的量子化学研究

设计了一种新型高能量密度化合物--3,7-二硝亚胺基-2,4,6,8-四硝基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷, 应用密度泛函理论(DFT)的B3LYP 方法在6-31G(d,p)基组水平上对该化合物进行了结构全优化, 并计算得到其红外(IR)光谱; 通过键级分析获得热解引发键的位置为N7-N22, 同时求得校正后的键离解能为91.47 kJ/mol. 采用Monte-Carlo方法预测该化合物的理论密度为2.16 g/cm³; 基于理论密度并结合等键反应及Kamlet-Jacobs公式预测了生成焓、爆速、爆压和爆热值分别为1219.94 kJ/mol, 10.43 km/s, 53.44 GPa和7407.84 J/g. 以上性能参数显示, 该目标化合物达到了高能量密度化合物的基本要求, 是一种潜在的含能材料. 同时给出了该化合物的逆合成路线.