密度泛函理论研究吲哚并咔唑同分异构体结构,芳香性和光谱性质

在B3LPY/6-31G(d, p)基组水平上,利用密度泛函理论(DFT)优化了吲哚并咔唑五种同分异构体的几何和电子结构.基于这五种同分异构体的几何结构下,其吸收和发射光谱的研究使用相同的基组水平并采用极化连续介质模型(PCM)下用含时密度泛函理论(TD-DFT)计算.由于三种近似线性分子(吲哚并[2,3-a]咔唑、吲哚并[2,3-b]咔唑和吲哚并[3,2-b]咔唑)的电荷转移跃迁的振荡强度较大,这些异构体的发射光谱存在明显差异;基于吲哚并[2,3-c]咔唑和吲哚并[3,2-a]咔唑的构型特征,这两种同分异构体的发射谱具有高能量.比较计算结果表明,吲哚并[2,3-b]咔唑在这些分子中的振荡强度最大.这是因为当吲哚并咔唑的五种同分异构体的结构从基态变为激发态时,这些分子的分子轨道(MO)能级不同.由计算结果还得出,这五个分子适用于P型传输材料,并且每个分子的三个苯环均具有共轭效应.     

两种薁磺酰胺席夫碱衍生物分子的光谱和热力学性质计算研究

使用密度泛函理论B3LYP方法,对两种薁磺酰胺席夫碱衍生物的分子结构、红外光谱、电子吸收光谱及热力学性质进行计算研究,并基于Tomasi的极化统一场模型(PCM)讨论电子吸收光谱的溶剂效应.结果表明,红外光谱计算值与实验值吻合,电子吸收光谱都是π-π*跃迁,溶剂及溶剂极性大小对最低能量吸收波长无影响.酚羟基的引入增大席夫碱的共轭体系,有利于提高分子的生物活性.298 K时,两种衍生物的ΔfHθm分别为5544.3,5304.6 k J·mol-1,ΔfGθm分别为20548.7,20331.2 k J·mol-1,Sθm分别为857.5,881.1 J·mol-1·K-1.     

两种薁磺酰胺席夫碱衍生物分子的光谱和热力学性质计算研究

使用密度泛函理论B3LYP方法,对两种薁磺酰胺席夫碱衍生物的分子结构、红外光谱、电子吸收光谱及热力学性质进行计算研究,并基于Tomasi的极化统一场模型(PCM)讨论电子吸收光谱的溶剂效应. 结果表明,红外光谱计算值与实验值吻合,电子吸收光谱都是π-π*跃迁,溶剂及溶剂极性大小对最低能量吸收波长无影响. 酚羟基的引入增大席夫碱的共轭体系,有利于提高分子的生物活性. 298 K时,两种衍生物的 分别为5544.3, 5304.6 kJ•mol-1, 分别为20548.7, 20331.2 kJ•mol-1, 分别为857.5, 881.1 J•mol-1•K-1.     

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.     

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．     

两种常用合成抗氧化剂的拉曼光谱研究

随着社会的不断进步,食品工业得到快速发展,随之食品安全问题也层出不穷。由于合成抗氧化剂价格较低且对食品有较好的防腐保鲜作用,常被一些食品生产商过量添加在食品中,严重危及人们身心健康。因而,对于食品中合成抗氧化剂的检测研究是十分必要的。丁基羟基茴香醚(BHA)和叔丁基对苯二酚(TBHQ)是两种常见的合成抗氧化剂。实验上, 利用共聚焦显微拉曼光谱仪分别对BHA和TBHQ进行拉曼光谱检测,获得样品的拉曼散射谱。理论上,应用密度泛函理论DFT(B3LYP)的三参数混合方法及6-31G(d, p)基组对其进行空间结构优化并计算其拉曼光谱,给出了光谱强度图。将理论结果与实验结果进行对比发现,在50～4 000 cm-1范围内BHA及TBHQ分子拉曼特征明显且拉曼活性较强,其振动频率在实验上和理论上显示出较好的一致性。另外,给出了BHA和TBHQ分子的红外活性、拉曼活性以及各频率谱线对应的振动模式归属。结果表明,BHA和TBHQ分子的拉曼频移表征物质的特征结构,可以作为鉴定和识别的检测依据。该研究报道了抗氧化剂BHA和TBHQ的拉曼光谱,并对其理论机制进行分析,为拉曼光谱技术应用于食品添加剂研究领域提供了理论和实验依据。     

云南松松塔中两种新木脂素圆二色谱的密度泛函研究

采用梯度校正的密度泛函理论方法,计算了云南松松塔中分离的2种新木脂素的绝对结构为7S,8R的手性结构、电子吸收光谱、电子圆二色谱、红外振动光谱和振动圆二色谱,计算值与实验值相符. 分子轨道和振动模式分析,两种新木质素具有相似的手性光谱. 电荷密度转移对电子圆二色谱具有主要贡献;而振动圆二色谱主要源于分子骨架运动.     

云南松松塔中两种新木脂素圆二色谱的密度泛函研究

采用梯度校正的密度泛函理论方法,计算了云南松松塔中分离的2种新木脂素的绝对结构为7S,8R的手性结构、电子吸收光谱、电子圆二色谱、红外振动光谱和振动圆二色谱,计算值与实验值相符. 分子轨道和振动模式分析,两种新木质素具有相似的手性光谱. 电荷密度转移对电子圆二色谱具有主要贡献;而振动圆二色谱主要源于分子骨架运动.     

Y型均三嗪类衍生物三阶非线性光学性质研究

采用密度泛函理论B3LYP/6-31+G*方法对含Y型均三嗪类衍生物的6个分子(Y1-Y6)进行几何构型优化,对其最优构型采用TD-DFT (TDB3 LYP/6-31+G*)计算电子吸收光谱,用有限场FF方法及自编程序计算三阶非线性光学(NLO)性质.结果表明,6个含Y型均三嗪类有机分子的三阶非线性光学系数γ值为1010数量级个原子单位(10-30 esu),显示出良好的三阶非线性光学性能.在其三支链的末端引入不同的推、拉电子基团(Y2→Y6),对其电子光谱和三阶非线性光学响应具有明显的影响.引入强供电子基团,γ增大幅度较大,有利于改善体系的三阶非线性光学性质,从而可获得良好的非线性光学材料.     

Y型均三嗪类衍生物三阶非线性光学性质研究

采用密度泛函理论B3LYP/6-31+G*方法对含Y型均三嗪类衍生物的6个分子(Y1-Y6)进行几何构型优化,对其最优构型采用TD-DFT(TDB3LYP/6-31+G*)计算电子吸收光谱,用有限场FF方法及自编程序计算三阶非线性光学（NLO）性质。结果表明,6个含Y型均三嗪类有机分子的三阶非线性光学系数g值为1010数量级个原子单位(10-30 esu),显示出良好的三阶非线性光学性能。在其三支链的末端引入不同的推、拉电子基团（Y2→Y6）,对其电子光谱和三阶非线性光学响应具有明显的影响。引入强供电子基团,g增大幅度较大,有利于改善体系的三阶非线性光学性质,从而可获得良好的非线性光学材料。     

封装椭圆形C70的手性纳米管的理论表征

应用第一性原理计算,研究了椭圆形的C₇₀分子在碳纳米管中的可能取向．采用(14,7)单壁纳米管为原型材料,发现纳米管和C₇₀分子的弱化学相互作用是决定分子取向的决定因素．通过模拟扫描隧道显微镜图像和计算光学性质,发现封装的椭圆体C₇₀分子的局域电子结构敏感地依赖于分子取向     

平面型卟啉类衍生物吸收光谱的密度泛函计算

用于光动力疗法（PDT）中的光敏剂是一类吸收一定波长的光后达到激发三重态,然后将三重态能量转移给生物体内的氧分子使得基态氧激发为单线态氧的一类物质。目前,临床应用的光敏剂大部分是以卟啉为主的平面型分子。平面分子一般具有较大的共轭键,被光激发后系间窜跃小,三重态寿命较长,因此可以获得高产率的单线态氧。然而临床使用的这类光敏剂吸收波长位于紫外区域,照射光会对人体组织造成光损伤,因此改善临床光敏剂光毒性特征,合成具有可见光区域吸收波段的光敏剂是光动力疗法研究的重要内容之一。该研究依据密度泛函(DFT)及其含时理论(TD-DFT),对三类平面型卟啉衍生物[耳坠型卟啉(a), 三磺酸基酞菁(b), 三磺酸基酞菁合Ni(Ⅱ)(c)]的基态和激发态性质进行了严格的密度泛函计算。几何优化计算显示：分子(a)的最稳定构型中,所有原子都处于一个平面,分子直径大约是7 Å, 分子空穴达到5 Å。分子(b)所有的原子也处于同一平面,分子直径达到8 Å,但是分子空穴只有4 Å。分子(c)的最稳定构型与平面结构发生了偏离,这是由于金属Ni的四配位倾向形成变形四面体,分子的空穴变得更小。几何优化结果说明耳坠型卟啉分子大的空穴有助于其捕获更多的基态氧并进行能量传递。前线轨道能量和轨道布局计算显示：耳坠型分子(a)最高占据能量是最高的,即电子更易被激发。三类分子的最高占据轨道与最低空轨道的能级间隔分别为0.072, 0.076和0.075 a.u.,可以看出耳坠型分子(a)有最低的能级间隙。从轨道布局来看,三类分子中所有原子的p轨道参与了共轭大π键的形成,其中分子(c)中金属d轨道也参与了大π键的形成。对三类分子的吸收光谱进行了模拟,三类分子都具有卟啉特有的Soret带和Q带。(a)分子Q带位于450～900 nm,(b)分子和(c)分子的Q带位于400～800 nm, 其中(a)分子的最大吸收波段是939 nm。该研究从分子结构,轨道能量以及吸收光谱对三类卟啉类光敏剂的微观特性进行了理论计算和讨论,研究结果将为发现和开发近红外吸收的卟啉类高效光敏剂提供理论依据。     

M@C_(20)H_(20)(M=Sc,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni)几何结构和电子性质的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)中的广义梯度近似(GGA)方法对M@C_(20)H_(20)(M=Sc,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni)几何结构和电子性质进行了计算研究.几何结构优化发现,过渡金属原子M内掺到C_(20)H_(20)笼时,都稳定于碳笼中心.能隙和内掺能计算发现,M@C_(20)H_(20)的热力学稳定性随着M原子序数的增大而逐渐减弱,内掺M原子使得其动力学稳定性大幅度下降,但是其中Ni@C_(20)H_(20)结构仍然具有良好的热力学和动力学稳定性,其有望在实验中被成功合成出来.电子性质研究发现,随着M原子序数的逐渐增大,M原子对M@C_(20)H_(20)前线轨道的贡献也越来越大,M@C_(20)H_(20)(M=Sc,V,Cr,Mn,Fe,Co)都具有一定的磁矩,而Ni@C_(20)H_(20)为闭壳层结构,磁矩为零.     

氨基甲酸酯类农药的密度泛函理论计算及拉曼光谱研究

为了获得氨基甲酸酯类农药分子的分子结构振动信息,应用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP杂化泛函和6-31G(d,p)基组对三种氨基甲酸酯类农药(西维因、克百威和涕灭威)分子进行了几何结构优化和频率计算,利用拉曼光谱仪采集了这三种氨基甲酸酯类农药的实验拉曼光谱,并将理论方法计算的拉曼光谱和实验拉曼光谱进行比较。结果表明,理论方法计算的结果与实验值具有很好的匹配性。对三种氨基甲酸酯类农药分子在400～3 200 cm-1范围内的振动频率进行了全面地归属,找到了氨基甲酸酯类农药分子的四个特征峰,分别位于874,1 014,1 162和1 716 cm-1附近。对比分析三种农药实验拉曼光谱的差异,找到三种农药分子各自不同的特征峰。研究结果为氨基甲酸酯类农药的检测分析提供了理论基础,将应用于农产品中氨基甲酸酯类农药残留的鉴别。     

基于密度泛函理论的盐酸罂粟碱太赫兹振动光谱计算与分析

为了进一步探究太赫兹振动光谱的理论机理,为违禁药品的太赫兹光谱检测提供完善合理的科学依据,本文以盐酸罂粟碱为例,基于第一性原理的密度泛函理论计算方法,利用BLYP、LC-BLYP、B97-XD、B3LYP和CAM-B3LYP函数并结合6-311++G（d,p）基组,分别讨论其分子构象并对盐酸罂粟碱的光谱吸收特性和振动模式进行了表征和分析。计算结果表明,盐酸罂粟碱是以异喹啉N原子上的质子化阳离子和两个最低质子化构象的形式存在的。四个指纹峰中有三个是由能量最低的分子构象共振引起,另一个是由第二个最低能量的分子构象共振引起的。在该方法中,LC-BLYP函数被证明是五个函数中最合适的一个。研究表明,太赫兹时域光谱技术可以有效地检测非法药物,采用密度泛函理论合理计算振动频率,可以为今后违禁药品及各种衍生物的检验提供依据。     

基于衰减全反射式太赫兹时域光谱技术的食用油光谱特性研究

食用油是人类营养和能量的重要来源,为人体提供必需的脂肪酸,研究食用油在太赫兹波段光学特性,对食用油成分分析及品质评价具有重要价值。衰减全反射式太赫兹时域光谱技术是一种新型的太赫兹时域光谱技术,通过样品与倏逝波的相互作用,获取样品的太赫兹光谱。与透射式或反射式太赫兹时域光谱技术相比,该技术能有效地避免测量食用油等液体样品时样品池对光学参数的影响,并能获得样品的精确光学参数。分别利用透射式太赫兹时域光谱技术和衰减全反射式太赫兹时域光谱技术测量了大豆油的吸收光谱。结果表明,与透射式太赫兹时域光谱技术相比,衰减全反射式太赫兹时域光谱技术能更有效地提取大豆油的吸收系数、吸收峰分布等光学特性。进一步利用衰减全反射式太赫兹时域光谱技术研究了大豆油、核桃油、葡萄籽油在太赫兹波段的光学特性,获得了三种食用油在1~1.8 THz范围内的折射率谱和吸收光谱。利用密度泛函理论计算了食用油中四种主要成分(软脂酸、硬脂酸、油酸和亚油酸)在太赫兹波段的振动、转动模式,理论计算结果同实验测量结果吻合较好。研究表明,在太赫兹波段食用油的吸收峰与所含脂肪酸分子种类与含量有关,其主要来源为脂肪酸分子的低频振动和转动。研究成果对食用油成分定性定量分析及品质检测等具有指导意义。     

DFT and TD-DFT study on structure and properties of organic dye sensitizer TA-St-CA

The geometry, electronic structure, polarizability and hyperpolarizability of organic dye sensitizer TA-St-CA, which contains a π-conjugated oligo-phenylenevinylene unit with an electron donor–acceptor moiety, was studied using density functional theory (DFT), and the electronic absorption spectrum was investigated via time-dependent DFT (TD-DFT) with several hybrid functionals. The calculated geometry indicates that the strong conjugated effects are formed in the dye. The TD-DFT results show that the hybrid functional PBE1PBE and MPW1PW91 are more suitable than B3LYP for calculating electronic absorption spectra. The features of electronic absorption spectra were assigned on account of the qualitative agreement between the experiment and the calculations. The absorption bands in visible and near-UV region are related to photoinduced electron transfer processes, and the diphenylaniline group is major chromophore that contributed to the sensitization, and the interfacial electron transfer are electron injection processes from the excited dyes to the semiconductor conduction band. Compared with the similar dye D5, the good performance of TA-St-CA in dye-sensitized solar cells may be resulted from the higher energy level of the lowest unoccupied molecular orbital and the larger oscillator strengths for the most excited states with intramolecular electron transfer character.     

三方结构MgSiO3 (0001)表面的几何结构，电子结构及表面能

本文基于密度泛函理论（DFT）计算了三角晶系钛铁矿结构MgSiO3（0001）表面的基本性质,包括了不同终止面-Mg,-Mge和-SiO3的几何结构,电子状态和能量。本文描述了模型的晶体结构和表面弛豫等结构特性。不同终止面表面的电子态密度和局部电势阐明了原子之间的化学键。分子的解离量,表面能,巨热力学势展示了不同终止面表面的热力学稳定性。计算的带隙表明,终止面Mge中的额外Mg原子使表面变得金属化,终止面SiO3中空缺的Mg原子使表面表现出P型导电。表面能的结果表明终止面Mg是最稳定的平面。此外,在富含Mg的条件下显示终止面Mge是最低势面。     

计算平均力势的理论方法

提出了一个用于计算平均力势的普适性的理论框架,方法克服了以前的方法的缺陷,仅仅需要溶剂粒子在单个溶质粒子附近的密度分布作为输入.计算了两个大尺寸溶质粒子浸在小尺寸硬球溶剂浴中的平均力势,理论预言与可能的模拟数据符合.调查了溶剂-溶质相互作用势、溶剂密度、溶质粒子尺寸对过量平均力势的影响.结论是:溶剂粒子在单个溶质粒子附近的减少导致吸引的过量平均力势,而溶剂粒子在单个溶质粒子附近的聚集导致排斥的过量平均力势,高溶剂密度与大溶质粒子尺寸能强化这种趋势.讨论了这种空耗吸引-聚集排斥与生物学中的疏水吸引-水化排斥的联系.     

Spectroscopy and Photophysics of Iso- and Alloxazines: Experimental and Theoretical Study

We present a systematic study of the effect of methyl substitution on iso- and alloxazines in acetonitrile solutions. Substitution patterns have profound effects on both spectral and photophysical properties, with fluorescence quantum yields varying by more than an order of magnitude. TD-DFT calculation were used for the first time to correlate electronic structure changes with the substitution patterns, with good agreement between calculated and theoretical band positions and oscillator strengths. Both n-pi* and pi-pi* states in these compounds are predicted, with the oscillator strengths indicating that only the pi-pi* states should be observable in the absorption spectra. Substitution patterns are shown to be responsible for energy order inversion between these states.