有机π共轭材料溶剂化显色效应和凝胶性能的理论研究

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近年来,随着溶剂化模型以及分子模拟技术的发展,理论计算为我们研究溶剂极性对有机共轭材料结构和性能影响提供了有力的工具。本论文在前人工作研究基础上,结合已有的实验现象,通过采用量子化学与分子动力学模拟相结合的方法,系统的研究了溶剂对有机π共轭材料分子构象,电子结构和微观溶液结构等方面影响。其研究内容主要包含三个方面:  (1)醌型D-π-A类化合物在不同溶剂中的蓝移现象  溶剂的极性和种类可以引起D-π-A类有机共轭分子吸收光谱和荧光光谱发生明显的红移或蓝移。本论文采用连续介质模型和明确/连续的混合溶剂模型,运用密度泛函方法和含时密度泛函理论,研究了溶剂极性对D-π-A类两性离子化合物1-(4-aza-4-methylphenyl)-2-trans-(4-o xyphenyl)ethane(AMTOE)分子几何、电子结构以及光谱性质的影响。计算结果表明,从弱极性的氯仿溶液到强极性的水溶液,AMTOE分子的吸收光谱和发射光谱均发生蓝移,并且吸收光谱的蓝移程度大于发射光谱的蓝移程度,与实验现象定性一致。吸收光谱和发射光谱发生蓝移的原因是,随着溶剂极性增强,HOMO轨道能级与LUMO轨道能级之间的能隙增大。长程矫正的含时密度泛函方法对于描述具有明显电荷转移的AMTOE分子的溶剂化显色效应比传统的含时密度泛函方法更为合理。此外,明确/连续的混合溶剂模型能更好的描述该类体系在强极性溶剂中的溶剂化显色效应。  (2)芳型D-π-A类化合物在不同溶剂中的红移现象  N,N-dimethyl-4-(4-nitrostyryl)benzenamine(DNB)是一类典型的芳式D-π-A类化合物,本论文在连续介质模型卜,通过TD-DFT方法计算研究了DNB分子在不同溶液中的紫外-可见光谱和荧光光谱。理论计算表明,从非极性的环己烷溶液到强极性的二甲亚砜溶液,DNB分子的吸收光谱以及发射光谱均发生了显著红移。值得注意的是,发射光谱的红移程度明显大于吸收光谱红移的程度,与实验现象定性一致。随着溶剂极性增强,由于HOMO轨道能级与LUMO轨道能级之间的能隙减少,吸收光谱和发射光谱发生红移。  (3)N,N-二吡啶尿素类化合物在乙醇溶液中分子构象和胶凝能力的理论研究通过采用密度泛函理论和分子动力学模拟相结合的方法,计算表征了N,N9-bis(4-pyridyl) urea(1)和N,N9-bis(2-pyridyl)Urea(3)在乙醇溶液中的分子构象,电子结构,溶质-溶剂分子间相互作用和微观溶液结构。理论计算结果表明,对于化合物1而言,ZZ型构象1a是最稳定的。从气相到乙醇溶剂,化合物1中极性基团羰基氧原、吡啶氮原子和氨基氢原子均暴露在分子的外侧,有利于在极性的乙醇溶液中形成较强的溶质-溶剂分子间氢键相互作用。而对于化合物3,有分子内N-H...N氢键形成的构象3d(ZE或EZ构型)则是最稳定的。但是由于分子内氢键作用的存在,使得其中一些极性基团折叠在分子内部,由于空间位阻作用,不易和乙醇溶剂分子形成有效的分子间氢键作用,所以化合物3与溶剂分子形成氢键的能力,即胶凝能力将会减弱。分子动力学模拟的结果也证实了这一点。分子动力学模拟结果表明,化合物3的溶剂配位数相对于化合物1显著降低,而二聚作用的存在使得化合物3的胶凝能力进一步减弱。换言之,密度泛函和分子动力学模拟结果,均表明化合物1的胶凝能力明显大于化合物3的胶凝能力,合理的解释了实验现象。
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