丙酮分子n→π*跃迁光谱的平均溶剂静电势/分子动力学方法研究

采用量子力学/分子动力学方法研究了具体溶剂分子结构对溶质光谱行为的静电影响. 通过拟合溶质所处外电场和引入溶剂分子极化率, 考虑了溶质溶剂分子之间的相互极化效应, 得到合理的溶质和溶剂分子的电荷分布. 经过严格推导发现, 在传统的显溶剂模型中, 平衡和非平衡溶剂化能表达式均未考虑溶剂分子永久偶极弹簧能的贡献. 因此, 在正确计算永久偶极弹簧能的基础上, 重新建立了溶剂化能的表达式和新的吸收/发射光谱移动公式. 采用修改后的ASEP/MD程序, 计算得到了与实验值比较吻合的丙酮在水溶液中n→π*跃迁的光谱移动值, 验证了新公式的合理性.     

溶质和溶剂极性对二氮杂苯异构体吸收光谱移动的影响

采用根据连续介质理论和热力学约束平衡态方法得到的新非平衡态静电溶剂化能公式, 在单球孔穴点偶极模型近似下推导得到了吸收/发射光谱移动计算的新解析公式. 在CASSCF(6,5)/6-31＋＋G**水平上分别计算了邻位、间位、对位三种二氮杂苯异构体真空中的 跃迁吸收光谱能量值和在5种不同极性溶剂中的偶极矩, 并讨论了三种异构体偶极矩变化和溶剂极性变化对 跃迁的吸收光谱移动的影响.     

溶液中卤素离子的垂直电离能

本文主要分为三部分:第一部分主要介绍了当前溶剂效应理论及其计算方法,以及溶液中卤素负离子体系光致离子化现象的研究现状;第二部分在前期工作基础上简单介绍约束平衡态理论的基本思想,并推导了溶液中光致离子化过程光谱移动和垂直离子化能计算的点电荷单球孔穴模型的计算公式;第三部分是将新的能量公式应用于卤素负离子体系的光谱移动和垂直离子化能的研究,并与传统的非平衡溶剂化理论及实验结果进行比较.Marcus的传统方法和我们过去的处理,都希望通过直接积分平衡和非平衡态之间所需做的功或者能量变化来直接推导非平衡态的静电自由能.但不论对于Marcus采用的积分功公式,还是我们采用的Jackson积分公式,其共同的特点都是只能用于处理平衡态之间的能量变化.因此,对于非平衡溶剂化态,本文采用Leontovich的热力学约束平衡态的方法处理非平衡态,其核心思想是任何一个热力学非平衡态都可以通过外加场的方法达到相应的热力学约束平衡态.在连续介质模型下,若采用电场强度E和电极化P描述溶质溶剂体系的静电状态,在光致离子化过程中,溶液中的溶剂和溶质会经历这样三个不同的状态:通过外加电场exE使非平衡态达到约束平衡态non non2ex2[E+E,P],而约束平衡态和非平衡态之间的能量差可以通过在保持溶剂极化不变条件下,迅速移走约束外场所需做的功计算.最终,根据约束平衡态理论,可以得到非平衡态的溶剂化能的表达式为:在单球孔穴点电荷模型下,其形式为相应的光谱移动和垂直离子化能公式为:本文采用卤素负离子体系作为算例.首先,根据Cl?的真空离子化能计算结果,选择CCSD-t/aug-cc-pvqz来计算所有体系的真空离子化能,对于I离子体系选择基组为DGDZVP.理论计算得到了与实验值吻合很好的卤素单原子和双原子分子离子的真空离子化能,计算结果显示卤素单原子离子的真空离子化能随半径的增加而减小且都高于3.0eV,而分子离子则随半径的增加而增大但均低于2.6eV.分别采用传统理论和本文推导的表达式计算卤素负离子体系在水溶液中的光谱移动和垂直离子化能,其中球孔穴半径选取离子半径.结果表明,我们计算得到的结果与光电子发射能谱观测的实验数据吻合很好,而传统非平衡溶剂化理论得到的结果则明显高于实验观测数据.而且,我们理论计算得到的CTTS光谱的值与实验测定的CTTS光谱值也相当接近,表明我们的公式在估算卤素负离子体系的光谱移动和垂直离子化能方面比传统非平衡理论更准确;另外卤素单原子离子和双原子分子离子的真空垂直离子化能随溶质半径的增加呈相反变化趋势,但是由于溶剂效应的影响,其在溶液中的垂直离子化能随半径的增大的变化趋势相同.     

非平衡溶剂化的连续介质模型和超快过程溶剂效应

在连续介质理论基础上, 根据Jackson的能量积分公式导出非平衡态静电自由能和溶剂化能的正确表达式. 引入“弹簧能”概念, 对平衡态和非平衡态的静电能构成给出了合理解释, 即此能量由溶质自由电荷和溶剂极化电荷的自能、 两者之间的相互作用能和极化电荷的“弹簧能”构成. 对目前几种代表性的非平衡溶剂化理论进行了论证和比较, 指出其中存在的基本理论问题. 根据新的非平衡溶剂化能建立了电子转移反应溶剂重组能的双球模型、 光谱移动的单球孔穴点偶极模型, 多级展开方法和非平衡溶剂效应的数值解方法.在Poisson方程求解中引入类导体屏蔽模型, 建立了任意孔穴极化电荷数值解方法并应用到Closs-Miller电子转移体系, 得到与实验值吻合的溶剂重组能, 解决了传统非平衡溶剂化理论高估溶剂重组能的问题.     

线性响应和两种态特定方法模拟AF350电子跃迁的溶剂效应

在极化连续模型框架下比较了线性响应与两种不同态特定方法计算的溶液中Alexa Fluor 350(AF350)分子激发能和光谱移动值的差异. AF350的第一激发态S0→S1电子跃迁属于π→π^*跃迁, 主要对应于最高占据分子轨道(HOMO)到最低空轨道(LUMO)的跃迁. 该分子激发态偶极矩大于基态偶极矩, 激发态时溶质溶剂相互作用比基态时更强, 随着溶剂极性增大, 会发生光谱红移的现象. 与实验值相比, 线性响应和两种态特定方法均高估了激发能, 其中以IBSF(Improta-Barone-Scalmani-Frisch)方法得到的激发能最小, 矫正的基态反应场方法(cGSRF)得到的激发能最大. 对于光谱移动值, 3种方法与实验值相比都偏小, 线性响应方法(LR)计算出的误差最大, 而IBSF方法得到的结果与实验值最吻合, 是预测溶液中AF350分子激发能和光谱移动值最准确的方法. 对比了Marcus传统理论和基于约束平衡的非平衡溶剂化理论的结果, 发现后者得到的激发能和光谱移动值更接近于实验值.     

醌型D-π-A类化合物AMTOE在不同溶剂中吸收和发射光谱的蓝移现象

采用连续介质模型(PCM)以及明确/连续的混合溶剂模型,运用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)方法,研究了溶剂极性对D-π-A类两性离子化合物1-(4-aza-4-methylphenyl)-2-trans-(4-oxyphenyl)ethane(AMTOE)分子几何、电子结构以及光谱性质的影响.计算结果表明,随着溶剂极性和超分子簇大小的增加,AMTOE基态(S0)分子几何从醌式结构向芳式结构转化.从基态(S0)到激发态(S1),化合物AMTOE醌式结构增强.从弱极性的氯仿溶液到强极性的水溶液,AMTOE分子的吸收光谱和发射光谱均发生蓝移,并且吸收光谱的蓝移程度大于发射光谱的蓝移程度,与实验现象定性一致.吸收光谱和发射光谱发生蓝移的原因是随着溶剂极性增强,HOMO轨道能级与LUMO轨道能级之间的能隙增大.对于具有明显电荷转移的AMTOE分子的溶剂化显色效应,长程矫正的含时密度泛函TD-CAM-B3LYP方法比传统的含时密度泛函TD-B3LYP方法更为合理.另外,明确/连续的混合溶剂模型能更好的描述该类体系在强极性溶剂中的溶剂化显色效应.     

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.     

非平衡溶剂化新理论在有机染料电子光谱中的应用

总结了非平衡溶剂化新理论和在量子化学软件Q-Chem中基于含时密度泛函理论(TD-DFT)实现溶剂效应下计算电子吸收和发射光谱的数值解方法.采用该方法计算了染料敏化太阳能电池(DSSCs)中三苯胺型有机染料■在真空和乙腈溶剂中的电子结构与光谱性质,研究发现,π共轭桥上碳碳双键的个数和溶剂效应会促进光电转换.     

4-氨基-1,8-萘二酰亚胺的结构及光谱性质的理论研究

采用HF和密度泛函理论中的B3LYP和PBE0方法,在7个不同的基组下优化得到了4-氨基-1,8-萘二酰亚胺(ANI)的基态几何构型,用CIS/6-31+G(d)方法得到第一激发态几何构型,频率分析无虚频.在此基础上运用HF-CIS,TD-B3LYP和TD-PBE0方法研究了在气相及DMSO,DMF,MeCN,THF,CHCl3和EtOH溶剂中ANI的前线轨道及电子光谱.结果表明,HOMO→LUMO的跃迁是π→π*跃迁.随溶剂极性的增加,其最大吸收和荧光波长红移.用TD-B3LYP/6-31+G(d)方法得到的溶剂中ANI的吸收光谱计算值与实验值吻合性较好,但荧光光谱计算值与实验值有较大差异.进一步经线性拟合校正,ANI在非质子溶剂中的计算值与实验值能较好地吻合.计算显示激发态ANI具有较大的偶极矩,与解释相关荧光分子探针的光诱导电子转移方向选择性现象的光生电场理论一致.     

MnCl2/DMSO溶液的拉曼光谱和理论计算

利用拉曼光谱研究了不同温度和浓度MnCl₂/DMSO溶液体系离子的溶剂化作用, 结果表明, 在0~0.8 mol/L浓度范围内, 随着浓度增加, Mn²⁺与DMSO的相互作用逐渐增强, S=O伸缩振动峰向低波数移动, S=O双键减弱; C—S伸缩振动峰向高波数移动, C—S键增强. 温度升高, S=O双键和C—S键伸缩振动峰均向相反的方向移动, 溶剂化作用减弱. 56 ℃以上, 单体DMSO迅速增加, 与Mn²⁺溶剂化作用的DMSO迅速减少, 二聚体DMSO减少缓慢, 温度对溶剂化作用的影响大于溶剂自身的缔合. 利用密度泛函理论对可能存在的溶剂化构型[Mn(DMSO)_n]²⁺进行了优化、 热力学性质及理论拉曼光谱计算, 从理论上证实了Mn²⁺与DMSO存在相互作用, 导致DMSO的S=O键拉伸和C—S键收缩, 与实验光谱结果一致.     

溶剂-导体界面电子转移溶剂重组能的球-界面模型

在连续介质理论基础上, 根据热力学基本原理, 用一个外加电场Eex将非平衡态2[Enon2, Dnon2]变成约束平衡态[E*2, D*2], 推导出了正确普适的溶剂重组能公式. 基于球-界面近似, 推导出了正确的溶剂-导体界面电子转移溶剂重组能公式. 和Marcus的公式相比, 本文的结果多了(εs-εop)/(εop(εs-1))因子. 对极性溶剂, 预测的溶剂重组能约为Marcus模型所得结果的一半. 以C343(Coumarin 343)-TiO2体系为算例, 计算了溶剂重组能并与实验值进行了比较.     

水及有机溶剂中离子溶剂化焓的理论计算

离子溶剂化热力学的理论研究是一项令人感兴趣的工作.在Born理论的基础上人们先后提出了多种较详细的计算离子溶剂化热力学量的模型或公式,并对离子在不同溶剂中的溶剂化自由能进行了理论计算.本文从离子-溶剂间的相互作用力出发,分别考虑了离子溶剂化过程中造腔作用、静电吸引、静电排斥及非静电相互作用对离子溶剂化焓的贡献,得到了一个具有一定意义的、计算离子溶剂化焓的理论公式。     

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.     

3-吡咯烷基苯并蒽酮的电子结构和光谱性质

苯并蒽酮衍生物在新型荧光材料、非线性光学材料和液晶显示材料等领域有较大的应用前景.本文采用量子化学方法优化了3-吡咯烷基苯并蒽酮的基态几何结构和第一单重激发态的几何结构,并与X射线晶体衍射实验值进行了对比.利用含时密度泛函理论(TD-DFT)的不同泛函,计算了3-吡咯烷基苯并蒽酮在气相和溶剂中的吸收和发射光谱,考察了它的电子结构和光谱特征,并分析了不同泛函、基组以及溶剂效应对吸收和发射光谱的影响.计算结果表明:3-吡咯烷基苯并蒽酮的最强吸收和发射光谱都是具有π→π*跃迁特征的电荷转移(CT)态;泛函B3LYP能较好地重现实验吸收能;而对于具有分子内电荷转移特征的激发态,泛函MPWK能较好地重现实验发射能.溶剂效应的计算表明,不同极性的溶剂对3-吡咯烷基苯并蒽酮的吸收光谱和发射光谱的影响较小.理论预测的光谱与实验结果一致.     

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.     

溶剂系统向量选择性参数Q值的研究

提出了溶剂和溶剂系统向量参数表示方法,给出了正相及反相二元溶剂系统Ｑ值参数表。得到经验公式：Ｒ＿ｆ＝ａ＋ｂｌｎＱ＋ｃＱ。     

苯乙烯基吡嗪类化合物的构象研究

有选择地合成了四种结构不同的苯乙烯吡嗪衍生物，测定了它们在不同极性溶剂中的吸收光谱和荧光光谱，根据其在基态条件下可能的分子构象和所得到得到的光谱数据，进一步对该类分子的最佳发光构象做出较为肯定的结论。     

电子转移溶剂重组能计算的自洽反应场新方法

基于非平衡溶剂化理论, 推导了用于非平衡溶剂化能数值计算的类导体屏蔽模型(COSMO)的相关公式. 在此基础上, 修改了HONDO99中COSMO模块, 并用以估算了[(CH₂)₂C]+—(CH₂)_n—C(CH₂)₂(n＝1～13)体系中的电子转移溶剂重组能. 结果表明, 溶剂重组能值与电子转移距离的倒数有很好的线性关系. 根据溶剂重组能数值解结果, 用新的双球模型给出了合理的给受体球半径.     

塞曼原子吸收光谱法中谱线轮廓研究：Ⅲ.π成分作用

分析了塞曼原子吸收光谱(ZAAS)法中π成分的作用,特别对横向磁场调制ZAAS法中偏光元件与π成分作用间的关系进行了详细讨论。报道了32种元素的34条谱线在无偏光元件条件下的相对灵敏系数(R_x(nP))的理论计算值与实验测定值。     

孔雀绿和孔雀绿母体的激光诱导效应——He-Ne激光与循环伏安法

He-Ne激光能促进孔雀绿的阳极氧化速度,增加峰电流的增长速度,但对孔雀绿母体峰电流的增长速度反而减小。溶剂参数π~*与孔雀绿的氧化电位Eox_2及吸收光谱的λ_(max)间有线性关系。在DMSO溶剂中,发现氧化后的孔雀绿,在可见光谱有“烧洞”现象。并观测了“激光诱导后期效应”。