生色团连接的苯骈三氮唑衍生物的激发态分子内质子转移

用从头算和密度泛函理论研究了对硝基二苯乙烯作为生色团连接的2-(2-羟基-苯基)-苯骈三氮唑的衍生物2-羟基-5-[对硝基-二苯乙烯基-氧亚甲基]-苯基-(2H-苯骈三氮唑)(C1)和4′-硝基-3,4-二[2-羟基-(2H-苯骈三氮唑)-苄氧基]-二苯乙烯(C2)发生激发态分子内质子转移(ESIPT)的可能性.系统研究了C1和C2发生ESIPT的互变异构体的基态与激发态的性质变化,包括相关的键长、键角等结构参数,Mulliken电荷和偶极矩,前线轨道以及势能曲线.计算结果表明,对于C1来讲,酮式(keto)的基态(K)不存在稳定结构,因此发生基态分子内质子转移(GSIPT)可能性很小.酮式的激发态(K*)的氢键强度要远强于烯醇式(enol)的激发态(E*)的氢键强度.分子在光致激发后,质子供体所带负电荷减小而质子受体所带负电荷增加.在K*,HOMO→LUMO的电子跃迁导致电子密度从"酚环"向质子化杂环转移.E*→K*跃迁只需要克服较小的能垒(约41 kJ.mol-1).计算结果表明C1发生ESIPT的可能性很大.C2由于具有高能量,其具有基态的单质子转移特征的异构体EK(同时含烯醇E与酮K结构)、具有基态的双质子转移特征的异构体2K(含有双酮结构),以及具有双酮结构特征的激发态2K*均无法获得它们的稳定结构,因此,基态分子内单或双质子转移和激发态分子内双重质子转移发生的可能性极小.然而,由于双烯醇式的激发态(2E*)和EK的激发态(EK*)存在稳定结构,且2E*→EK*跃迁具有低能垒,因此C2有可能发生激发态分子内单重质子转移.本文进一步计算了两个分子的紫外-可见吸收光谱与荧光发射光谱,获得了具有较大斯托克位移的ESIPT的荧光发射峰.     

2-(2-巯苯基)苯并噁唑分子内质子转移取代基电子效应的密度泛函理论研究

在B3LYP/6-31G(d,p)和TDB3LYP/6-31++G(d,p)//CIS/6-31G(d,p)水平上研究了2-(2-巯苯基)苯并噁唑及其衍生物基态和激发态分子内质子转移现象,并探讨取代基电子效应对分子内质子转移的影响,研究结果表明,在基态时,硫醇式异构体为优势构象,供电子取代基使基态分子内正向质子转移能垒(烯醇式→酮式)升高;而吸电子取代基则可降低能垒,有利于基态分子内质子转移并有助于硫酮式异构体的稳定.在激发态时,硫酮式结构为优势构象,所研究的2-(2-巯苯基)苯并噁唑化合物及衍生物均可以发生无能垒或低能垒(≤1.5kJ/mol)的激发态分子内质子转移.巯苯基部分是激发态失活的主要活性部分,供电子基团有利于激发态的质子转移,吸电子基团使激发态跃迁困难,不利于激发态的质子转移.     

基于异噁唑酮类份菁染料的激发态分子内质子转移的研究

运用量子化学理论计算方法研究了3-甲基-4-(1H-吲哚-3-次甲基)-异噁唑-5-酮(A)及其衍生物份菁染料的激发态分子内质子转移性质.研究表明:在基态3种染料AH(R=H),AO(R=—O(H3))和AP(R=—O(H2Ph))只存在酮式构型,在激发态AH与AP存在酮式和烯醇式2种构型,而AO存在酮式、烯醇式和仲胺式3种构型.红外光谱表明化合物从基态跃迁到激发态存在分子内的氢键增强作用,势能曲线显示激发态的质子转移为放热反应且能垒较低,通过分析电子光谱得到具有较大斯托克位移的激发态分子内质子转移的荧光发射峰,前线分子轨道理论计算进一步说明了其质子转移的发生过程.     

基于2-(2'-羟基苯基)苯并噻唑的激发态分子内质子转移化合物的光物理行为研究

运用量子化学理论计算方法结合现代光谱技术对激发态分子内质子转移(Excited state intramolecular proton transfer,ESIPT)化合物DHBIA{N,N'-di[3-hydroxy-4-(2'-benzothiazole)phenyl]5-tert-butyl-isophthalic amide}的激发态光物理行为进行了深入研究.研究表明:该化合物的醇式激发态很容易发生分子内C—N单键的快速扭转,使分子构型发生大幅扭曲,并显现出明显的扭曲的分子内电荷转移(Twisted intramolecular charge transfer,TICT)特征,激发态的这种构型弛豫导致的非辐射失活与质子转移过程相竞争,导致了激发态质子转移效率的降低以及相应酮式结构发光物种的大幅减少,从而致使化合物稀溶液的发光极为微弱.这种TICT特征也正是导致该化合物具有聚集发光增强性质的重要原因之一.     

2-(3-巯基-2-吡啶基)苯并咪唑分子内质子转移及溶剂化效应

在B3LYP/6-31G(d,p)和TD B3LYP/6-31++G(d,p)//CIS/6-31G(d,p)水平上,研究了2-(3-巯基-2-吡啶基)苯并咪唑(MPyBI)在气相和七种溶剂(环己烷、苯、三氯甲烷、乙醇、乙腈、二甲亚砜和水)中基态和激发态的分子内质子转移(GSIPT和ESIPT)过程.在基态势能面的研究中发现,该化合物存在分子内双质子转移,其中分步的双质子转移在动力学上具有优势.同时对激发态质子转移势能面及激发态转移过程中的光物理现象进行了研究,结果表明该化合物存在快速的无能垒的激发态分子内质子转移,随着溶剂极性的增强,可以降低基态过渡态的能垒,改变硫醇式与硫酮式互变异构体的比例,从而灵敏地控制荧光的强度.     

气相水杨酸激发态分子内质子转移特性分析

采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)研究了气相水杨酸(SA)分子的激发态氢键动力学过程。通过对水杨酸分子基态和激发态结构的优化,以及对其稳态吸收和发射光谱特性、前线分子轨道、红外振动光谱和势能曲线的计算分析,阐明水杨酸分子内质子转移可在激发态下自发地发生,导致其激发态可存在烯醇式和酮式两种异构体结构,并揭示了这种质子转移源于分子内电荷转移的激发态氢键的加强机制。     

氢键对水辅助甲酸分子质子转移反应影响的理论研究

采用密度泛函B3LYP方法和6-31G(d,p)基组,对甲酸与质子性溶剂水分子(用W表示)形成的HCOOH-(H_2O)_n(n=1～3)复合物在气相时发生的基态多质子转移反应过程进行了理论研究.7个甲酸复合物HCOOH-W,HCOOH-W_2,HCOOH-W-aW,HCOOH-W-dW,HCOOH-W_3,HCOOH-W_2-aW和HCOOH-W_2-dW中发生的多质子转移反应都是以异步协同质子迁移方式进行.甲酸复合物HCOOH-(H_2O)_n(n=1～3)中水分子的数量和氢键链连接方式对基态多质子转移反应有显著影响.     

八元瓜环超分子作用下2-(2-氨基-3-吡啶基)苯并咪唑的质子转移

利用荧光发射光谱、 紫外吸收光谱和核磁共振氢谱(¹H NMR)研究了八元瓜环(CB8)与2-(2-氨基-3-吡啶基)苯并咪唑(2-A3PyBI)的超分子相互作用及其对2-A3PyBI分子内质子转移过程的影响. 结果表明, 在水溶液中2-A3PyBI具有双重荧光发射峰, 分别对应其2种质子转移异构体. 固定pH值下的荧光滴定实验表明主客体包合比为1:2, 2-A3PyBI进入CB8空腔后促进了其分子内激发态质子转移过程. 同时, ¹H NMR结果表明2-A3PyBI的苯环部分进入了CB8空腔.     

2,6-二巯基嘌呤质子转移异构化的密度泛函理论研究

采用密度泛函B3LYP方法, 在6-311＋G(d,p)基组水平上对2,6-二巯基嘌呤质子转移引起的硫醇式与硫酮式互变异构反应进行了计算研究, 获得了互变异构过程的反应焓、活化能、活化吉布斯自由能和质子转移反应的速率常数等性质. 计算结果表明, 2,6-二巯基嘌呤无论是孤立分子还是一水合物, 其二硫酮式R是最稳定异构体. 由二硫酮式通过分子内质子转移向二硫醇式异构化共有6条反应通道, 其主通道(1)速控步骤的活化能为139.1 kJ•mol^－1, 速率常数为2.16×10^－12 s^－1; 当水分子参与反应以双质子转移机理异构化时, 活化能显著降低, 有利于硫酮式向硫醇式转变, 其主通道(7)速控步骤的活化能为61.3 kJ•mol^－1, 速率常数为1.33×10 s^－1. 计算结果还表明, 氢键作用在增大2,6-二巯基嘌呤氢键一水合物稳定性、降低质子转移异构化反应活化能等方面起着重要的作用.     

七元瓜环纳米腔限制环境下2-(3-乙酰胺基-2-吡啶基)苯并咪唑的激发态质子转移

以荧光发射光谱,1H NMR谱及量子化学计算研究了2-(3-乙酰胺基-2-吡啶基)苯并咪唑(2-3Am2PyBI)质子转移过程及其与七元瓜环超分子(CB7)的包合作用,考察了乙酰基取代基效应及CB7的包合作用对2-3Am2PyBI质子转移过程的影响.结果表明:乙酰基取代促进了质子转移过程;2-3Am2PyBI阳离子构型更易与CB7发生包合作用;在特定溶液pH值条件下,摩尔比法荧光光谱实验表明超分子包合作用抑制了2-3Am2PyBI的激发态质子转移过程;Benesi-Hildebrand方程拟合得到,超分子体系的包合比为1∶1;1H NMR测试进一步表明2-3Am2PyBI以苯环部分进入CB7的空腔,同时,以量化计算与荧光实验结合,从理论与实验方面共同验证了2-3Am2PyBI的质子转移异构体.