几个复杂分子体系激发态氢键动力学行为

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复杂分子体系的激发态动力学行为很强烈地受到分子与环境间相互作用的影响,比如很多发光体系在质子性溶剂中溶质溶剂间形成的分子间氢键,通常会导致荧光猝灭现象。氢键是一种最常见也是最重要的分子间或分子内的相互作用之一,是一种有别于普通化学键的特殊作用力,在化学、物理和生物等研究领域发挥着非常重要的作用。它的形成影响物质的聚集状态,并对物质的物理性能、形状结构等方面产生很大的影响。然而,分子键氢键是如何影响荧光猝灭地呢?这就需要人们去考察氢键在电子激发态的动力学行为对光化学的影响,本文正是以此为出发点的。目前,时间分辨的超快光谱技术、激发态的量子化学计算以及激发态动力学的实时模拟已经成为人们研究复杂分子体系激发态超快动力学的三个主要手段。由于分子体系的复杂性,单纯依靠时间分辨的光谱技术很难对复杂的激发态超快过程解释清楚,这就迫切需要激发态的量子化学计算甚至动力学实时模拟来进一步加以解释。三种手段的完美结合将会对复杂分子体系的激发态动力学研究产生深远的影响。需要注意的是,复杂分子体系的激发态量子化学计算及动力学模拟本身在当前还是件非常困难的事情。目前国内外对氢键激发态行为的认识存在较大的分歧,本文依次为出发点,使用理论计算的方法模拟研究了几种复杂分子体系激发态氢键动力学行为。我们运用含时密度泛函理论(TDDFT)方法研究了香豆素分子C151和C102在质子性溶剂中的电子激发态氢键动力学。首先模拟计算了C102分子在苯胺溶剂里的激发态氢键动力学行为,通过对其氢键复合物电子激发能、激发态构型、振动频率和红外光谱的描述,并结合与实验结果的对比,证明了分子间氢键在电子激发态发生加强的机理。其次又研究了香豆素C151分子在甲醇溶剂里的激发态氢键动力学现象,优化了氢键络合物的构型,模拟计算了激发态能量,给出了基态和激发态的能量的变化和一些官能团的键长的变化,计算结果证明了香豆素C151在质子性溶剂里面能形成不同类型的分子间氢键,而且不同类型的分子间氢键在激发态的行为也是不同的,计算结果与实验符合的非常好。最后,又研究了芴酮分子在甲醇溶液中的电子激发态氢键动力学,原有的理论研究认为芴酮分子和甲醇分子仅能形成分子间单氢键,我们依据实验结论在原有理论的基础出在该体系中不仅仅能形成分子间单氢键,而且能形成分子间双氢键,并且理论模拟了这种分子间双氢键的激发态动力学行为,计算结果与实验结果符合的非常好。这种分子间双氢键比单氢键要弱一些,但是在激发态这类双氢键同样是发生加强的。计算结果表明这种电子激发态氢键加强减小了激发态与基态间的能量差,能量差的减小能够促进两个电子态之间的内转换过程,很好的解释了芴酮在质子性溶剂里的荧光猝灭现象。
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