电子激发和溶剂效应对芴酮-甲醇分子间氢键增强现象的理论研究 (cited: 1)

理论研究了电子激发和溶剂效应导致的芴酮-甲醇复合体系中分子间氢键增强现象．通过基态和激发态性质的计算,不仅展示了分子间氢键键长的变化以及变化在振动光谱中的影响,而且揭示了导致氢键变化的内在物理机制：溶质分子的电子激发及溶剂化效应引起的电子重新分布,增大了溶质和溶剂分子的偶极矩,导致了它们之间的相互作用的增大,并最终加强了分子间氢键的强度．还分别对处于液相及气相中的复合体的基态和激发态的几何结构、红外谱、复合体及构成分子的偶极矩进行了理论计算,结果阐明了电子激发与溶剂化效应对氢键变化的贡献,同时还发现只有进一步引入溶剂化效应,复合体的基态、激发态的性质才能与实验达到精确一致．所有激发态均采用所开发的基于含时密度泛函理论解析计算一阶、二阶激发态能量导数的方法．     

芳香性取代基对2-(2-羟基苯基)苯并咪唑激发态质子转移和光谱性质影响的理论研究

运用密度泛函(DFT)和含时密度泛函(TD DFT)理论方法研究了在2-(2-羟基苯基)苯并咪唑(HBI)苯环羟基的对位分别被呋喃基、吡咯基等五种芳香性取代基后的衍生物(HBI-R)分子内质子转移过程,考察了取代基的电子离域效应对分子结构、分子内氢键和质子转移的影响,模拟计算了各分子的IR振动光谱和电子光谱。研究发现,基态的HBI与HBI-R分子内氢键O—H…N比O…H—N强度大,因氢键中的O—H增长和H—N的缩短,激发态氢键O—H…N弱于O…H—N强度,基态和激发态的稳定构型分别为醇式和酮式结构,取代基总体上使酮式构型相对稳定性有所增加,但呋喃基、吡咯基和噻吩基却略降低了激发态酮式构型相对稳定性。取代基降低了HBI基态和激发态分子内质子转移反应的能垒,但影响不大。电子吸收光谱的最大吸收峰和荧光光谱的最大发射峰主要源于前线分子轨道HOMO与LUMO之间的电子跃迁,芳环取代基增强了电子离域效应,使光谱的吸收峰和发射峰波长均有较大的红移。     

稀土夹心双酞菁铽的荧光特性研究

利用稳态荧光光谱和时间分辨光谱方法研究了稀土夹心双酞菁铽衍生物(TbPcPc^*)氯仿溶液的荧光特性,分析了激发波长、溶液浓度对荧光特性的影响。TbPcPc^*氯仿溶液在707nm处有一强的荧光发射峰,它对应于电子从激发态S₁向基态S₀的跃迁。当使用500nm的光激发时,电子吸收能量发生向激发态S₁的跃迁以及到更高能级的混合跃迁,当电子从这些能级再跃迁到基态时主要发射525,707nm的荧光。Tb-PcPc^*氯仿溶液在707nm处的荧光发射峰具有两个衰减过程,短寿命的衰减为分子单体所产生,而长寿命的衰减为聚集体所产生。随着浓度的降低,单体所占比例增加,其对应的寿命组分比例也相应的增加。     

溶剂对香豆素343染料光谱性质和最低激发态偶极矩的影响

通过对香豆素343(C343)在不同溶剂中的稳态吸收光谱、稳态荧光光谱和时间分辨荧光光谱的分析,研究了溶剂对C343的光谱性质的影响,并获得了光谱特性与溶剂极性之间的依赖关系. 吸收光谱峰值的红移随着溶剂极性的增加而发生较小的变化. 然而,荧光光谱的峰值对溶剂的极性却很敏感,并随着溶剂极性参数f(ε,n)的增加呈线性增长. 这是由于C343激发态电荷分布的变化导致了它在极性溶剂中第一激发单重态能级的变化. 用溶剂效应测量法和量子化学计算方法确定了C343最低激发态的偶极矩,这两方法所得的结果一致. C343在不同溶剂中的时间分辨荧光光谱研究表明荧光寿命随着溶剂极性的增加而增加,即从甲苯溶液的3.09 ns线性地增加到水溶液中4.45 ns;荧光寿命延长的根源可归因于C343与氢键给体溶剂之间的分子间氢键相互作用.     

取代基对2-(2-羟基苯基)苯并噻唑分子内氢键及质子转移的影响:密度泛函理论研究

运用密度泛函(DFT)和含时密度泛函(TD DFT)理论方法研究了在2-(2-羟基苯基)苯并噻唑(HBT)苯环羟基的邻位或对位分别引入羟基和醛基后的衍生物分子内质子转移过程,考察了取代基的电子效应及取代位置对分子内氢键和质子转移反应的影响,模拟计算了各分子的IR振动光谱和电子光谱.研究发现,HBT及其衍生物分子可以形成分子内氢键,且激发态时氢键增强.基态时以醇式构型稳定存在,激发态时酮式结构为优势构象.分子的最大吸收峰和发射峰主要源于电子从前线分子轨道HOMO到LUMO之间的跃迁.基态分子内质子转移需要越过较高的能垒因而难以发生,而激发态时只需越过较低能垒就很容易发生激发态分子内质子转移.取代基的电子效应和取代位置对HBT分子氢键强度、互变异构体的相对稳定性、电子光谱及质子转移反应的能垒均有一定影响.     

特丁基对苯二酚的光谱及密度泛函研究

特丁基对苯二酚是重要的食品抗氧化剂.理论上,基于密度泛函理论,采用B3LYP泛函及6-311G(d,p)基组在气相环境下优化分子的结构并进行频率计算.在此基础上,基于含时密度泛函理论,选用SMD(solvation model based on density)溶剂模型,利用B3LYP泛函并结合def2-TZVP基组计算分子在无水乙醇溶剂中的前50个激发态.再通过Multiwfn软件对红外光谱做振动分析并考察分子间相互作用对红外光谱的影响,对紫外光谱做分子轨道和电子空穴分析.实验上,通过KBr压片法,利用傅里叶红外变换光谱仪测定样品红外光谱.采用液相法,以乙醇为溶剂,利用紫外可见分光光度计测定样品紫外光谱.通过对比分析可知,理论光谱与实验光谱总体吻合较好.红外光谱各基团的特征吸收峰都较为明显且较好吻合,特丁基对苯二酚二聚体存在氢键作用,这使得O—H键的强度被削弱,导致吸收频率降低并在3670—3070 cm^-1处出现一个宽峰.紫外光谱主要由基态跃迁至第1,2,6,7激发态形成,最大吸收峰位于200 nm以下,为π→π^*和s→π^*跃迁形成,268.8 nm和221.4 nm处的吸收峰均为n→π^*和π→π^*跃迁形成.由电子空穴图可知,这4个主要激发均为电子局域激发.     

基于密度泛函理论的肾上腺素分子的光谱分析

肾上腺素是一种神经和激素的传送体,研究肾上腺素分子的光谱和能级有助于了解其化学稳定性和药理作用。基于密度泛函理论（DFT）,利用Gaussian 09软件在B3LYP/6-311G（d,p）基组水平上对肾上腺素分子进行结构优化,采用含时密度泛函理论（TD-DFT）的PBE方法在def2tzvp基组水平上计算肾上腺素分子在气相中的前20个激发态,利用Multiwfn3.7（dev）软件绘制出其紫外光谱图并对激发性质进行分析。肾上腺素分子紫外光谱对应的主要跃迁是从基态分别到第1,2,4,8,15和16激发态的跃迁,其他的激发态的振子强度低于阈值0.03。理论计算得出肾上腺素的紫外光谱有两个吸收峰,分别位于206.23和273.92 nm,206.23 nm峰主要由基态跃迁到第16激发态形成,273.92 nm峰主要是基态跃迁到第2、4激发态形成,主要是由苯环上π→π*跃迁所产生,并与实验光谱吻合较好。对肾上腺素分子的激发态性质分析可知,上述吸收峰都是在最高占据轨道和最低空轨道的临近轨道跃迁产生的。利用密度泛函的PBE方法在6-311G（d, p）的基组水平上计算肾上腺素分子频率并绘制红外光谱,由振动分析可知,3 738和3 662 cm-1峰是由酚羟基O-H伸缩振动产生的特征吸收峰,3 715 cm-1峰是由醇羟基O-H伸缩振动产生的特征吸收峰,2 854 cm-1峰是由甲基的C18-H20键的伸缩振动产生的特征吸收峰,1 516和1 439 cm-1峰是苯环骨架的伸缩振动的特征吸收峰,1 279与1 057 cm-1峰分别是由C6-O10和C12-O23键伸缩振动产生的特征吸收峰,620 cm-1峰是N22-H17键摇摆振动的特征吸收峰。对比肾上腺素的实验红外光谱,发现理论光谱与实验光谱中各基团的特征吸收峰都较为明显且总体吻合较好。由于肾上腺素分子二聚体和多聚体之间形成氢键,分子间氢键的形成削弱了O-H键的强度,降低了能形成分子间氢键的羟基O-H的伸缩振动频率,从而导致实验光谱在3 500～2 500 cm-1之间呈现出一个宽峰。     

取代基对2-(2-羟基苯基)苯并噻唑分子内氢键及质子转移的影响:密度泛函理论研究

运用密度泛函(DFT)和含时密度泛函(TD DFT)理论方法研究了在2-(2-羟基苯基)苯并噻唑(HBT)苯环羟基的邻位或对位分别引入羟基和醛基后的衍生物分子内质子转移过程，考察了取代基的电子效应及取代位置对分子内氢键和质子转移反应的影响，模拟计算了各分子的IR振动光谱和电子光谱.研究发现，HBT及其衍生物分子可以形成分子内氢键，且激发态时氢键增强.基态时以醇式构型稳定存在，激发态时酮式结构为优势构象.分子的最大吸收峰和发射峰主要源于电子从前线分子轨道HOMO到LUMO之间的跃迁.基态分子内质子转移需要越过较高的能垒因而难以发生，而激发态时只需越过较低能垒就很容易发生激发态分子内质子转移.取代基的电子效应和取代位置对HBT分子氢键强度、互变异构体的相对稳定性、电子光谱及质子转移反应的能垒均有一定影响.     

10-羟基苯并喹啉激发态分子内质子转移取代基效应的理论研究

运用密度泛函(DFT)和含时密度泛函(TDDFT)计算方法研究了10-羟基苯并喹啉(HBQ)及其衍生物分子内质子转移过程,探究了取代基效应对质子转移过程的影响,研究发现,HBQ及其衍生物可以形成分子内氢键,且激发态时氢键增强.基态时各分子以醇式构型稳定存在,激发态时酮式构型为优势构象.各化合物的最大吸收峰和发射峰主要是电子从HOMO到LUMO之间的跃迁引起的.基态分子内质子转移(醇式→酮式)需要跃过较高的能垒因而难以发生,而激发态时只需跃过较低能垒就很容易发生分子内质子转移,吸电子基的引入可以使该过程的能垒降低,因此吸电子基有利于激发态质子转移.取代基效应影响化合物的光谱性质.     

极性染料溶液的微微秒动态荧光光谱移位

本文测量了染料分子DCM、甲酚紫、DODCI和DTDCI在极性溶剂中的微微秒时间分辨荧光光谱;作者将动态的光谱移位归结为由于溶质分子激发态与基态偶极矩的显著差异而引起的周围溶剂分子的介电弛豫;并从动态的光谱移位得到的弛豫时间很接近由连续腔体理论模型求得的计算值,表明连续胜体模型用于描述动态的光谱移位现象是适用的.     

Characterization of a Solvatochromic Fluorophore: 1-(2,2-Dicyanovinyo)-2,5-Dimethoxybenzene (DCN-2,5-DMOB)

Absorption spectra and steady-state fluorescence emission spectra for l-(2,2-dicyanovinyl)-2,5-dimethoxybenzene in five solvents were determined. Although the absorption spectra demonstrate little solvatochromism, emission peaks show a red shift of roughly 90 nm between cyclohexane and methanol or acetonitrile, which appears to indicate charge transfer associated with a relaxed, as opposed to a vertical, excited state. Semiempirical gas phase AM1 calculations on this compound and the related unsubstituted 2,2-dicyanovinyl benzene indicate a dihedral twist of roughly 35° between the phenyl and the dicyanovinyl planes for both molecules in their ground states, as well as substantial polarity associated with the ground states of these compounds.     

不同取代基对苯系物三维荧光光谱特征的影响

采用F-7000荧光光谱仪分别研究了14种苯系物在不同浓度时的三维荧光光谱特征,探讨了各物质三维荧光光谱特征与其结构特性之间的关系。结果表明：苯环上取代基的结构、位置及数量均会影响苯系物的荧光特征。其中苯、甲苯、乙苯、丙苯、异丙苯、二甲苯、均三甲苯荧光峰λ_ех/λ_еm=205~215 nm/280~295 nm;苯乙烯荧光峰λ_ех/λ_еm=230/345 nm;苯酚的两个荧光峰λ_ех/λ_еm=220/300和270/295 nm;苯胺两个荧光峰λ_ех/λ_еm=235/335和280/335 nm;氯苯有一个荧光峰λ_ех/λ_еm=215/290 nm;硝基苯无明显荧光信号。由于甲基、乙基等烷基与苯环直接相连的碳原子扩大了苯环刚性平面,1 mg·L-1浓度条件下,与苯相比较：甲苯和乙苯的荧光强度FI分别增强了10.62和9.45倍,λ_ех红移5 nm;对二甲苯、三甲苯、间二甲苯、邻二甲苯的FI增强倍数分别为5.49,4.87,2.14和1.33,说明烷基类取代基中与苯环共面、非共面碳原子的数量都会影响物质的荧光特性。苯乙烯的乙烯基团扩大刚性平面的同时,不饱和双键降低了其激发所需能量,苯乙烯浓度为0.002 mg·L-1的荧光强度与10 mg·L-1的乙苯荧光强度相当,λ_ех相对乙苯红移了20 nm。给电子基团-OH和-NH₂对苯环荧光强度的影响介于烷基与不饱和键之间,其n电子与苯环π体系形成了P-π共轭结构,刚性平面扩大,荧光强度增强,荧光光谱红移;含得电子基团-NO和-Cl类物质的n→π₁*跃迁属于禁戒跃迁,产生的激发态分子数较少,同时系间窜越作用强于π₁*→S₁,理论上荧光较弱或不发荧光,实验结果与理论一致。     

Optimization in Solvent Selection for Chlorin e6 in Photodynamic Therapy

The photophysical properties of chlorin e6 (Ce6) in twelve different protic, aprotic and non-polar solvents were investigated using ultraviolet–visible and fluorescence spectroscopic methods. Solvatochromic effects were determined by the changes in quantum yield, Stokes shift, fluorescence half-life and excited state dipole moments of Ce6 in the different solvents. The absorption shifts observed in different solvents were further analyzed using the Kamlet-Abboud-Taft model and the nature of solute-solvent interactions between Ce6 and different protic and aprotic solvents was elucidated. The quantum yields were found highest in protic solvents (except water), followed by aprotic and non-polar solvents. Solvent polarity parameters showed a linear increasing trend with Stokes shift and fluorescence half-life, which indicated the presence of Ce6-solvent interaction. Using the Kamlet-Abboud-Taft model, a direct correlation between the solvent polarity parameters and absorption shift was observed, which substantiated the existence of Ce6-solvent interaction by hydrogen bond formation. The excited state dipole moments in specific protic and aprotic solvents were found to be higher than the ground state dipole moments, implying a more polar nature of Ce6 during excited state transition.     

经式8-羟基喹啉铝的光谱与激发性质密度泛函

经式8-羟基喹啉铝(mer-Alq3)是一种光电性能优良的小分子有机半导体发光材料.本文采用密度泛函理论(DFT)B3LYP/6-31G*方法和基组对其进行结构优化,计算并研究了该分子的红外光谱、拉曼光谱和前线轨道.计算得到的红外光谱、拉曼光谱均与实验相符.前线轨道表明基态最高占据轨道(HOMO)的电子云主要集中在苯酚环,最低未占据轨道(LUMO)的电子云主要集中在吡啶环.用含时密度泛函理论(TDDFT)计算得到紫外-可见吸收光谱,采用空穴-电子分析法研究了电子激发特征.结果表明:电子从基态到激发态的跃迁,主要是8-羟基喹啉环内或环间的电荷转移,以π-π*跃迁为主,包括局域激发和电荷转移激发两种类型.本工作对mer-Alq3分子发光机理提出更深入的认识,能为进一步提高该分子发光效率和调控分子的发光范围提供一定的理论指导.     

Encapsulation of Labetalol, Pseudoephedrine in β-cyclodextrin Cavity: Spectral and Molecular Modeling Studies

The absorption and fluorescence spectra of labetalol and pseudoephedrine have been studied in different polarities of solvents and β-cyclodextrin (β-CD). The inclusion complexation with β-CD is investigated by UV-visible, steady state and time resolved fluorescence spectra and PM3 method. In protic solvents, the normal emission originates from a locally excited state and the longer wavelength emission is due to intramolecular charge transfer (TICT). Labetalol forms a 1:2 complex and pseudoephedrine forms 1:1 complex with β-CD. Nanosecond time-resolved studies indicated that both molecules show triexponential decay. Thermodynamic parameters (ΔG, ΔH, ΔS) and HOMO, LUMO orbital investigations confirm the stability of the inclusion complex. The geometry of the most stable complex shows that the aromatic ring is deeply self included inside the β-CD cavity and intermolecular hydrogen bonds were established between host and guest molecules. This suggests that hydrophobic effect and hydrogen bond play an important role in the inclusion process.     

Spectral Investigations of Solvatochromism and Preferential Solvation on 1,4-Dihydroxy-2,3-Dimethyl-9,10-Anthraquinone

Solvatochromic and preferential solvation of 1,4-dihydroxy-2,3-dimethyl-9,10-anthraquinone (DHDMAQ) have been investigated using optical absorption and fluorescence emission techniques. Optical absorption spectra of DHDMAQ in different solvents show the intra molecular charge transfer band in the region 400–550nm. The observed blue shift with solvent polarity indicates the delocalisation of the excited state, owing to reduction in quasiaromaticity of the chelate rings formed by intra molecular hydrogen bonds, due to electrostatic or hydrogen bonding interaction. This is also confirmed by the observed low oscillator strength and the transition dipole moment. The observed quantum yield of DHDMAQ in different solvents is due to the inter molecular hydrogen bond in the excited state in addition to the intra molecular hydrogen bond. It also reveals from the low oscillator strength, which indicates that the radiative decay is low. Excited state dipole moment of DHDMAQ is calculated by solvatochromic data and it shows a lower value than ground state dipole moment. The preferential solvation parameter shows that in dimethyl formamide (DMF) + ethanol mixture, the DHDMAQ is preferentially solvated by ethanol in DMF rich region and by DMF in ethanol rich region. In the case of DMF + dichloromethane mixture DHDMAQ is preferentially solvated by DMF.     

Preferential Solvation Studies of 1, 5 Diamino Anthraquinone in Binary Liquid Mixtures

The absorption and fluorescence spectra of 1,5-diaminoanthraquinone(1,5-DAAQ) have been investigated in organic solvents-Benzene(BZ), Ethanol (ETOH), Acetonitrile (AN), Dimethylformamide (DMF) and Dimethyl sulfoxide (DMSO). There is an intra molecular hydrogen bond formed between quinoid oxygen and the substituents NH₂ [C = O...H-N]. The interaction of the hydrogen atom of - NH₂ leads to red shift in both absorption and fluorescence spectra. The dipole moment ratio of 1,5 DAAQ in ground and excited states was calculated from stokes shift obtained from optical absorption and fluorescence spectra. Photo physical properties of 1,5-DAAQ dye was studied using this absorption and fluorescence spectroscopy techniques in binary liquid mixtures(AN + DMF, AN + DMSO, AN + ETOH and BZ + ETOH).     

基于密度泛函的茶多酚分子EGCG和GCG的光谱计算

茶多酚是绿茶中主要生化活性成分之一。选取茶多酚中含量较高,同时也是性质较活泼、功效较明显的表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）及其异构体没食子儿茶素没食子酸酯（GCG）分子做红外光谱和紫外光谱的计算和研究。使用Gaussian软件,采用B3LYP密度泛函理论（DFT）在6-311g(d,p)基组水平上优化其几何构型。频率计算得到红外光谱后,再进行振动特征分析,可以看到在EGCG和GCG的红外光谱图中每个振动模式下所有基团振动的权重,结合谱图做出相应的振动归属和对比分析。发现：两分子红外谱图相似,分别在1 711和1 717 cm-1处为羰基的伸缩振动吸收峰,苯环上酚羟基的伸缩振动吸收峰集中在3 500~3 800 cm-1,1 000～1 600 cm-1的多个峰都有苯环面内弯曲振动参与,在1 350和1 280 cm-1附近吸收峰是亚甲基次甲基面内弯曲振动引起的,在500 cm-1以下吸收峰都为原子的面外弯曲振动。采用固相粉末压片法,使用IRPRESTIGE-21红外光谱仪测量了EGCG分子的红外光谱（400～4 000 cm-1）,对比理论计算的EGCG分子红外光谱各吸收峰位值,发现在固相中实际测得的EGCG分子的红外光谱与气相下的理论计算值基本吻合,理论计算值略微有些红移,原因可能是理论计算在气相条件下采用的势函数存在误差,相比于无分子相互作用力的气相,实际测量固相光谱的分子键强度比气相条件下要略大些。使用Gaussian软件,采用含时密度泛函理论（TD-DFT）,选取乙醇作为溶剂,计算了EGCG分子的15个激发态,分析了激发态的组成和能级跃迁情况。计算所得的2个吸收峰分别位于229.3和276.4 nm处,主要对应p电子与苯环π键上电子形成的p-π共轭的电子跃迁及苯环、杂环上π→π*跃迁。从分析振子强度得知,基态跃迁到S4,S5,S6和S12激发态为产生紫外光谱的主要原因,另外的激发态可能为禁阻跃迁,振子强度均小于0.01。上述计算值与使用UV-6100S型紫外分光光度计所测得的EGCG分子在乙醇溶剂中235.1和278.7 nm的最大吸收峰吻合,计算值略有蓝移,可能是茶多酚提取时或本身就带有弱碱性所致。该研究可为研究EGCG分子和GCG分子的性质和生物活性及茶多酚的抗氧化性提供理论参考。