光致分子内质子传递和碱基衍生物的激发态动力学研究

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激发态分子内质子转移(ESIPT)体系因其独特的特点,在荧光探针、光电材料、近红外发射器等方面具有重要的运用。7-羟基-1-茚酮(7HIN)和2’-羟基苯丙酮(OHPP)作为最简单、分子量相近的ESIPT分子,光谱对溶剂响应不同。研究其动力学过程可能会对实际运用提供理论参考。ESIPT过程是非常快速的过程,飞秒时间分辨吸收光谱可以提供体系的激发态寿命和激发态物种弛豫的信息。密度泛函理论(DFT)方法和含时密度泛函理论(TDDFT)方法可以从分子层面上对体系激发态结构和性质进行研究,计算准确性好。7HIN和OHPP的紫外吸收光谱对溶剂几乎无依赖性,荧光则较敏感。7HIN在非质子性溶剂中发射单荧光,质子性溶剂中发射双荧光(甲醇)甚至是多荧光(水)。7HIN的ESIPT过程需要跨越能垒,是不可逆过程。OHPP在不同的溶剂中均发射双荧光,激发态质子转移(PT)态的荧光强度强于局域激发(LE)态的荧光强度。7HIN在环己烷和乙腈溶剂中激发态质子转移寿命约为3 ps,在水和甲醇溶剂中为5 ps。PT态荧光寿命为884 ps(环己烷)、634 ps(乙腈)、384 ps(水)、1100 ps(氘代水)、688 ps(甲醇)和1400 ps(氘代甲醇)。OHPP在甲醇溶剂中需要4个寿命模拟,在其他溶剂中只需三个寿命模拟。OHPP激发态质子转移寿命为2 ps,内转换寿命为20-40 ps,970 ps为PT态的寿命。7HIN和OHPP都会弛豫至三重态,寿命很长。甲醇和水溶剂作为PT体系的一部分参与7HIN的PT过程,属于协同机理。7HIN在水溶剂中形成新的激发态荧光物种。N6-甲基腺嘌呤(N6ADE)、N6-甲基-2’-脱氧腺苷(N6ADO)、N6,N6-二甲基腺嘌呤(DMADE)和N6,N6-二甲基腺苷(DMADO)体系在乙腈、水溶剂中发射双荧光,分子内电荷传递(ICT)态荧光对溶剂敏感。N6ADE和N6ADO的ICT态的荧光强度比LE态的荧光强度低,且在水溶剂中淬灭明显。DMADE和DMADO在乙腈溶剂中,ICT态的荧光强度强于LE态的荧光强度,在水中情况则相反。双甲基取代提高氨基的供电子能力,ICT过程为很小能垒或是无能垒过程。理论计算表明甲基取代的腺嘌呤衍生物与水形成分子间氢键,造成荧光峰红移和淬灭。溶剂和糖基可以改变Franck-Condon区域的跃迁轨道类型与跃迁轨道的能级排序。分析DMADO和N6ADO的紫外吸收跃迁信息,提出DMADO和N6ADO在Franck-Condon区域发生锥形交叉反应的能力与比例可能不同。水和N6ADE、N6ADO形成分子间氢键可能还有利于N10H的解离反应形成的锥形交叉。
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