香豆素衍生物的荧光发射能计算及XC泛函的合理选择

采用含时密度泛函理论(TDDFT)与单激发组态相互作用(CIS)处理相结合的计算方案对香豆素系列15种已知荧光化合物的发射能进行了系统考察. 结果表明, 发射能与吸收能一样, 其计算值主要取决于交换-相关(XC)泛函的选择. 只要泛函选用得当, 在使用较小基组的TDDFT/6-31G(d)//CIS/3-21G(d)理论水平上即可使绝大部分化合物的实验发射能在精度达0.16 eV以内得以重现. 与吸收能计算不同的是, 无法选用单一的一种泛函来对全系列化合物的发射能作出满意的理论预测. 激发态无明显电荷转移的、7位上有氨(或胺)基取代或有氮原子相连的化合物, 其适用泛函为不含Hartree-Fock(HF)交换能的纯泛函OLYP和BLYP. 而激发态发生较大程度电荷转移的、3 位上有共轭取代基的衍生物, 其适用泛函则为含20%的HF交换成分的混合泛函B3LYP. 因此, 发射能计算中的XC泛函选择, 应同时考虑取代基团效应以及激发态的电子结构特征. 其中, 发射能计算值受XC泛函中HF交换能比例的影响十分敏感. 文中还对激发能计算中的溶剂效应校正方案和激发态几何优化精度的影响进行了讨论.     

两种香豆素分子与TiO_2之间电荷转移的理论研究

染料敏化太阳能电池以其低成本高效率引起了人们广泛的关注,其中的光诱导电荷转移过程对太阳能电池的光电转化效率起着重要作用.本工作中我们以两种香豆素类染料分子7-羟基香豆素-4-乙酸(HCA)和7-N,N-二甲胺基香豆素-4-乙酸(DMACA)为例,从理论上研究了它们的几何结构和电子吸收光谱;并将其吸附在TiO_2表面上,计算了它们与TiO_2表面之间电荷转移的重组能、耦合强度和驱动力,进而计算了电荷转移速率.结果表明,DMACA分子中二甲胺基在第一激发态的旋转能垒约为0.08 eV,因此DMACA分子在第一激发态时很容易发生扭转.通过对HCA-TiO_2/DMACA-TiO_2体系中电子转移过程的研究,发现尽管两者重组能相似,但前者耦合强度和驱动力比后者小,使前者的电子转移速率略小于后者.当DMACA-TiO_2体系中二甲胺基在激发态发生扭转后,耦合强度略微减小,但由于驱动力减小,重组能增大,电子注入速率明显降低.因此,本工作不仅合理地解释了实验现象,而且也提供了一种理论预测染料分子-半导体界面上电子转移的可行性方法.     

联吡啶钌配合物[Ru(Htcterpy)X3]3-[X=NCS,CN,Cl]的电子结构和光谱性质的理论研究

利用DFT中的B3LYP方法优化了3个联吡啶钌配合物[Ru(Htcterpy)X3]3-[tcterpy=4,4',4"-tricarboxy-2,2'∶6',2"-terpyridine, X=NCS(1), CN(2), Cl(3)]的基态几何结构, 得到的几何参数与实验结果吻合得很好. 采用TD-DFT方法, 得到了配合物1~3在气态和溶液(乙醇溶液和水溶液)中的激发态电子结构和电子吸收光谱. 利用SCRF方法中的CPCM模型来模拟溶剂化效应. 研究结果表明, 配合物1~3在气态和溶液中的吸收跃迁性质相似, 低能吸收均被指认为MLCT和LLCT的混合跃迁, 高能吸收均被指认为三联吡啶配体内的π→π*跃迁. 溶剂化效应使配合物1~3在溶液中的吸收光谱蓝移.     

用含时密度泛函方法研究和设计推拉结构的荧光分子

应用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TDDFT)方法及连续极化模型研究了六种荧光材料分子基态和第一激发态的电子结构性质.这六种分子是:3-(二氰亚甲基)-5,5-二甲基-1-(3-[9-(2-乙基-己基)-咔唑基]-乙烯基)环己烷(DCDHCC),DCDHCC2,3-(二氰亚甲基)-5,5-二甲基-1-(4-二苯基氨基-苯乙烯基)环己烷(DCDPC),DCDPC2,3-(二氰亚甲基)-5,5-二甲基-1-(4-[9-咔唑基]-乙烯基)环己烷(DCDCC)和3-(二氰亚甲基)-5,5-二甲基-1-(4-二甲基氨基-苯乙烯基)环己烷(DCDDC).它们可作为有机发光显示器件的发光材料.比较了PBE0、M06、BMK、M062X和CAM-B3LYP五种泛函,其中BMK方法很好地再现了各个分子在丙酮溶剂中的吸收和发射光谱.同时计算了分子的电子亲和能和电离势并用于评价分子的电荷注入性质.研究表明,当使用双π桥和双受体时,分子的发射光谱会红移到理想的发光区域.据此设计了两个新的分子DCDCC2和DCDDC2,它们分别是DCDCC和DCDDC的双支对应分子.计算结果表明这两个分子也具有作为荧光发射体的良好性质.     

水杨醛乙酰腙席夫碱作为Al3+荧光探针分子的理论研究

用密度泛函理论和含时密度泛函理论研究了实验上合成的一种基于水杨醛席夫碱的Al~(3+)荧光探针的性质.通过优化探针分子及其与Al~(3+)形成的配合物可能存在的异构体的几何结构,并模拟各异构体的电子吸收光谱,找到了最可能存在的异构体.最后模拟了它们的荧光光谱,进一步验证了前面推测的异构体的正确性,加深了人们对这一探测过程的认识.     

一种基于苯并噻二唑衍生物的F~-荧光探针分子的理论研究

用密度泛函理论研究了最近实验上合成的一种基于苯并噻二唑衍生物的F~-荧光探针(1)的性质.通过对相关化学反应热力学参数的计算,提出了1对F~-具有高选择性的可能原因;同时用含时密度泛函理论对电子吸收光谱和荧光发射光谱进行了理论计算,解释了实验光谱.     

联吡啶Ir(Ⅲ)配合物电子结构及光谱性质的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)对配合物Ir(ppy)2(N^N)+ [ppy=2-phenylpyrine, N^N=bpy= 2,2’-bipyridine(1); N^N=H2dcbpy=4.4’-dicarboxy-2,2’-bipyridine(2), N^N=Hcmbpy=4-carboxy-4’-methyl-2,2’-bipyridine(3)] 的基态和激发态几何构型进行优化, 通过TDDFT/B3LYP方法得到这些化合物在乙腈溶液中的吸收光谱和磷光发射光谱及其跃迁性质. 研究结果表明, 化合物1 (384 nm), 2(433 nm)和3 (413 nm) 最低的吸收谱被指认为MLCT/LLCT[dIr+π(ppy)→π*(N^N)]电荷跃迁. 化合物1(486 nm), 2(576 nm)和3 (567 nm)最低的磷光发射可以描述为[dIr+π(ppy)]→[π*(N^N)]跃迁. 这是由于联吡啶配体上吸电子基团的引入, 稳定了相应的空轨道, 导致了化合物2和3的吸收和发射光谱红移. 同时, 化合物非线性光学性质的计算结果表明, 三种化合物均具有较大的一阶超极化率(β), 联吡啶配体中吸电子基团的增加, 使得分子内电子转移增强, 导致一阶超极化率增大.     

三种黄酮类化合物的电子吸收光谱的理论研究

黄酮类化合物普遍存在于天然产物中,具有多种生理活性.本文中我们用密度泛函理论优化了3种黄酮类化合物的几何结构,用含时密度泛函理论计算了它们的垂直激发能,并拟合了它们的电子吸收光谱,同时还预测了它们的抗氧化活性.结果表明,拟合的光谱与实验光谱符合较好,很好地解释了实验光谱;3种黄酮类化合物的抗氧化活性均高于维生素C.     

理论预测Al3+与一种萘酚衍生物荧光探针分子形成配合物的结构

用量子化学方法研究了实验上合成的一种基于萘酚的Al~(3+)荧光探针分子L的性质.筛选出了L与Al~(3+)可能形成的配合物的几何结构,并通过电子吸收光谱和荧光光谱进行了验证.在该配合物中,L与Al~(3+)的络合比为2∶2;Al~(3+)采用六配位的结构;与萘环相连的氧原子形成氧桥,将两个Al~(3+)连接起来.最后研究了L与Al~(3+)生成不同配比化合物的反应焓变和吉布斯自由能变.结果表明,L与Al~(3+)的络合比为2∶2时反应焓变和吉布斯自由能变最负,反应最可能发生.这一工作加深了人们对这一识别过程的理解.     

黄芩素激发态分子内质予转移耦合电荷转移反应的实验和理论研究

通过稳态光谱实验和量子化学计算相结合,研究了黄芩素激发态质子转移耦合电荷转移的反应. 实验和计算中S1态吸收峰的缺失表明S1态是暗态. S1暗态导致在实验中观察不到黄芩素在乙醇溶液中的荧光峰,且固体的荧光峰很弱. 黄芩素分子的前线分子轨道和电荷差异密度表明S1态是电荷转移态,然而S2态是局域激发态. 计算的黄芩素分子的势能曲线在激发态只有一个稳定点,这表明了黄芩素激发态分子内质子转移的过程是一个无能垒的过程.     

Electronic Structure Characteristics of ESIPT and TICT Fluorescence Emissions and Calculations of Emitting Energies

A scheme of time-dependent density functional theory (TDDFT) combined with the single-excitation configuration interaction (CIS) approach was employed to investigate the first excited singlet state (S₁) for eight salicylanilide derivatives and analogues, which have similar structural formulas. The results showed that fluorescence-emitting mechanisms of these molecules were in two distinct manners (excited-state intramolecular proton transfer (ESIPT) and twisted intramolecular charge transfer (TICT)), which agreed with the well-known experiments. For ESIPT compounds with inconspicuous charge transfer (CT) during electron transition, pure functionals without Hartree-Fock (HF) exchange energy, such as OLYP and BLYP, were suitable to calculate emitting energies. For TICT compounds with large CT during electron transition, hybrid functionals with about 37% HF exchange energy, such as mPW1B95 and MPW1K, performed well. On condition that the exchange-correlation (XC) functionals were chosen properly according to the rules above, reliable emitting energies for salicylanilide derivatives and analogues could be obtained at the TDDFT/6-31G(d)//CIS/3-21G(d) level. The average accuracy reached about 0.2 eV. For the salicylanilides with both proton transfer (PT) and CT reaction channels, only one channel occurred actually according to the principle of energy minimum. This actual reaction decided proper XC functionals, whereas the reaction that did not occur actually was trivial. Eight appendent compounds were calculated to prove that this successful scheme is expected to be suitable for other ESIPT and TICT compounds.     

Proper Choice of XC Functionals and Calculations of Fluorescence-Emitting Energies for Coumarin Derivatives

A scheme of time-dependent density functional theory (TDDFT) combined with single-excitation configuration interaction (CIS) approach was employed to make a detailed investigation of the emitting energy for fifteen well-known coumarin derivatives. The results showed that the predicted emitting energies as well as the absorption ones were dominated mainly by the exchange-correlation (XC) functional to be used. So long as a functional is properly chosen, the experimental emitting energy of most derivatives can be accurately reproduced within 0.16 eV by a calculation at the TDDFT/6-31G(d)//CIS/3-21G(d) theoretical level. It was found that, nevertheless, the hybrid functional, B3LYP, well predicted the absorption energies for all the fifteen coumarin derivatives but none of the functionals could work equally well for the emitting energy calculations. Two pure functionals, OLYP and BLYP, yield good emitting energies for the 7-aminocoumarins or derivatives with a N atom connected to 7-position, which exhibit inconspicuous charge transfer (CT) in their excited states, whereas the B3LYP hybrid functional, with 20% Hartree-Fock (HF) exchange energy, performs significantly better than OLYP and BLYP for those 3-substituted coumarins with larger CT in excited states. Thus, in comparison with the absorption energies, the selection of proper functionals for the emitting energy calculations becomes more complex. In all probability, it is effective and doable to choose an XC-functional with alterable fraction of HF exchange energy according to the composition and structure characteristics of molecule.     

密度泛函理论研究镥二聚体低电子能态的相对稳定性、结构以及成键性质

用密度泛函理论方法研究了镥二聚体（Lu2）低能量电子态的性质,计算了电子态相对能量、平衡键长、振动频率以及基态解离能,考察了密度泛函性质、相对论有效势种类以及Hartree—Fock交换作用大小对计算结果的影响．结果表明,无论采用何种密度泛函和相对论有效势,体系的基态都为三重态,与其他一些基于分子轨道理论的从头计算方法得到的结论是一致的．另外,与分子轨道从头计算结果以及实验结果比较发现,采用杂化密度泛函理论和Stuttgart小核有效势计算得到的结果总体吻合最好．最后,特别分析研究了B3LYP计算中Hartree—Fock交换作用大小对基态键长和基态解离能的影响,发现随着交换作用的增大,键长增长,解离能减小,这是由于5d轨道杂化导致的共价成键作用减弱造成的．     

8-羟基喹啉锰配合物电子结构和光谱性质的含时密度泛函研究

采用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法, 对8-羟基喹啉锰配合物进行结构优化, 探讨了配合物的结构、分子轨道能级和组成、电荷分布和转移等; 采用含时密度泛函理论(TDDFT)B3LYP/6-31G(d,p)方法对配合物的电子结构进行计算, 获得其吸收光谱. 结果表明, Mn(Ⅲ)与8-羟基喹啉中的N原子和O原子形成不对称六配位的稳定配合物, 金属锰对前线轨道的贡献很大, 在HOMO轨道中占28.53%, 在LUMO轨道中占68.30%; 中心金属锰(Ⅲ)强烈地参与发光, 电子在基态与激发态之间的跃迁, 主要是中心金属锰及8-羟基喹啉配体间的电荷转移, 在可见光区存在2个强度较大的吸收峰, 分别位于756.8 nm和532.7 nm处. 通过对双分子体系的研究发现, 相邻2个分子之间能够进行微量电荷的转移, 分子间的相互作用对前线轨道组成有明显的影响.     

氟硼二吡咯类pH荧光探针PET光谱特性的理论计算

氟硼二吡咯(BODIPY)类pH荧光探针分子是基于光诱导电子转移(PET)的荧光探针分子, 识别基团氮原子上引入不同取代基可呈现不同的光学灵敏度. 本文应用密度泛函理论(DFT)及含时密度泛函理论(TD-DFT)方法对六种含不同取代基的探针分子进行了几何构型优化及激发态计算, 探讨了不同取代基对PET效应影响. 计算结果表明: 基态时这些探针分子的最高占有分子轨道(HOMO)和最低未占有分子轨道(LUMO)都在荧光母体BODIPY的π, π^*轨道, 而识别基团上氮原子孤对电子所在的轨道为HOMO-1轨道. 但是在激发态, 当氮原子上有两个取代基时, HOMO-1→LUMO跃迁的激发能都小于荧光团的HOMO→LUMO跃迁, 这将有可能产生PET效应并导致荧光熄灭, 而当氮原子上有一个取代基时不会出现这种现象. 通过激发态结构优化可以发现, 无论识别基团氮原子上有一个还是两个取代基, N原子的轨道对称性都发生变化, 由sp³→sp², 孤对电子占据在p轨道上, 其轨道能级升高至荧光团的HOMO和LUMO轨道之间, 将导致不同程度的PET效应, 与实验结果一致.     

石墨烯条带的电子结构与性质:电场及长度效应

在密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TDDFT)的基础上对宽度上含有8个zigzag链的石墨烯条带(8-ZGNR)的基态和激发态的性质进行了理论研究,着重考察了条带长度及电场的影响.B3LYP杂化泛函的计算结果显示:在基态上,8-ZGNR的最低能量态并不具有磁性,随着长度的增加,才会显示出反铁磁的性质.静电场的加入使8-ZGNR显示出反铁磁性和半金属性.在激发态上,诱导电子会随着外激光脉冲的变化而发生移动和变化,但是相比而言,α自旋电子更容易被激发而产生较明显的诱导电子密度,而β自旋电子则更容易脱离外激光场的控制而产生非绝热现象.     

Structure,epr parameters,and reactivity of organic free radicals from a density functional approach

Summary A recently introduced density functional incorporating gradient corrections and some Hartree-Fock exchange has been used to study the structures, properties, and reactivity of representative organic free radicals. A general theoretical model has been introduced, in which standardized grid, functional, and orbital basis set are used to compute geometrical parameters, vibrational frequencies, and one-electron properties. The results are compared with available experimental data from diatomic to polyatomic radicals. All the geometric and electronic parameters compare favourably with available experimental data and with the results of refined post Hartree-Fock computations. Also the thermodynamics and kinetics of a representative unimolecular reaction (isomerization of formaldehyde radical cation) are well reproduced. These findings together with the very favourable scaling of the computations with the number of electrons suggest that the density functional approach is a promising theoretical tool for the study of relationships between structure and properties of large free radicals.     

局域和长程杂化密度泛函研究推拉结构有机发光分子

用含时密度泛函方法研究了具有推拉结构的有机发光材料3-(二氰亚甲基)-5,5-二甲基-1-(4-[9-咔唑基]-苯乙烯基)环己烯(DCDCC)的吸收和荧光光谱, 并考虑了溶剂效应. 通过与实验光谱的比较, 重点评价了包括局域和长程在内的8种交换泛函. 结果表明泛函的选择对结果的可靠性至关重要, 在密度泛函和含时密度泛函理论框架下, 包含44% Hartree Fock交换泛函的BMK杂化函数联同连续极化模型和中等大小的基组最适合研究DCDCC分子的光谱性质. 此外, 尽管DCDCC分子内电荷转移并没有强致发出双荧光, 但仍然可以用平面分子内电荷转移和扭转分子内电荷转移模型解释DCDCC激发态的结构. BMK泛函计算的结果表明DCDCC的激发态结构支持平面分子内电荷转移模型.