1,#-萘酰亚胺类Cu(Ⅱ)离子比率荧光探针的ICT机理

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1,8-萘酰亚胺类Cu(Ⅱ)离子探针是一类具有分子内电荷转移(ICT)特征的比率型荧光分子探针,其荧光团内有着强的电子“推-立”体系,与Cu(Ⅱ)离子络合后导致荧光发射波长红移或蓝移,是用于检测Cu(Ⅱ)离子的高选择性和高灵敏度荧光探针。为了从微观上研究ICT机理的过程,我们运用密度泛函理论(DFT)以及含时密度泛函理论(TDDFT)研究了这类分子探针的光物理性质。  应用DFT方法对N-丁基-4,5-二[2-(苯胺基)乙胺基]-1,8萘酰亚胺(探针B)和4,5-二[2-(胺基)-N-(苯基)-乙酰胺基]-1,8萘酰亚胺(探针C),以及探针与Cu(Ⅱ)离子结合后的基态进行几何结构优化。通过自然键轨道(NBO)分析,考察了探针分子及其Cu(Ⅱ)离子络合物的成键特性及电子结构。基于基态结构,应用TDDFT进行了激发态计算,并进一步完成激发态结构优化和发射光谱的计算。通过计算证明了探针分子对Cu(Ⅱ)离子识别机理和荧光发射的分子内电荷转移(ICT)机理。  结果表明,探针B与Cu(Ⅱ)离子络合后,诱导萘胺N原子脱氢,并与相邻的萘环形成C=N双键,使得共轭体系被延长,偶极矩增大,更有利于萘胺基N原子上的p电子向萘环的π*轨道转移,因此导致吸收波长和荧光发射波长红移。探针C在激发态,萘胺基N原子的杂化状态发生改变,一个N与萘环形成C=N双键,N上p电子向萘环共轭体系转移部分电子,形成ICT态,因此发射波长红移。与Cu(Ⅱ)离子络合后,与萘环相连的C-N键的转动受到限制,在激发态时不能形成共平面的构型,因此不能转化为ICT态,所以络合物C-Cu(NO3)2只能发射LE态(局域激发态)的荧光波长,相对于探针C的发射波长是蓝移。另外,激发态时,萘胺基N原子的一个电子很容易转移到Cu(Ⅱ)的空d轨道,消除了顺磁效应,抑制了由于Cu(Ⅱ)离子的顺磁效应所导致的荧光淬灭。
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