2′-取代苯基（吡啶基）苯并唑系化合物质子转移及其对氟离子识别的理论研究

论文摘要

质子转移在化学和生物化学过程中起着重要的作用,一直以来都是化学研究的热点。本文通过量子化学计算研究了一些2′-取代苯基（吡啶基）苯并唑系化合物的基态和激发态质子转移性质,并在此将基础上,研究了以这类化合物为荧光信号基团,利用激发态质子转移原理对氟离子的荧光化学传感作用。主要研究结果如下:1.在B3LYP/6-31+G（d）和TD B3LYP/6-311++G（d,p）//CIS/6-31+G（d）水平上,研究了2-（3′-氨基-2′-吡啶基）苯并咪唑（3′-APyBI）在气相中基态和激发态的分子内质子转移性质,计算了其在溶剂（水、乙腈、乙醇、四氢呋喃）中的发射光谱。在基态势能面的研究中发现,该化合物存在两条分步的双质子转移路径,其中在动力学上路径1（a1 i1 i2）具有优势。同时激发态研究表明,该化合物主要发生的是激发态的单质子转移。发射光谱计算表明,3′-APyBI存在双荧光发射峰,短波发射约在390nm处,Stokes位移峰约在490nm处。2.用密度泛函理论（DFT）和二级微扰理论（MP2）研究了带不同质子供体的2-苯基苯并三唑衍生物[2-（2′-羟苯基）苯并三唑（H-TIN）,2-（2′-氨苯基）苯并三唑（APyBT）和2-（2′-巯苯基）苯并三唑（MPyBT）]的激发态分子内质子转移（ESIPT）性质以及它们作为紫外光吸收剂的光物理机制。结果表明,在基态时三个化合物的最稳定异构体均是存在分子内氢键的正常构型N,而互变异构体T和其扭曲构型Ttwisted都是不稳定的。激发态势能曲线表明H-TIN和APyBT的ESIPT分别需要克服约7.06kJ/mol和20.7kJ/mol的能垒,而MPyBT的ESIPT无需能垒;同时结合分子轨道,电荷差分密度三维立体图的分析结果表明三个化合物都能发生ESIPT,并且伴随有扭曲分子内电荷转移,这些原因均表明它们具有好的紫外光稳定作用。3.理论研究2-（3′-羟基-2′-吡啶基）苯并噁唑（HPyBO）在气相,水,三氯甲烷,乙腈,环己烷中的光诱导分子内质子和电荷转移。结果表明HPyBO的烯醇式构型E1为最稳定构型,气相条件下顺式酮式构型K1在基态时不稳定,而溶剂中则可以稳定存在。随着溶剂极性增加,E1能够更容易的向E2,E3和E4等构型转变。基态和激发态势能曲线研究表明,在溶剂和气相中HPyBO的ESIPT都需要克服不大的能垒,其ESIPT是个快速过程。考虑溶剂效应后K1可发生向K2的旋转异构化。HPyBO的各异构体都存在分子内电荷转移,E1向K1的ESIPT过程中,伴随有明显的光诱导的电荷转移。溶剂条件下HPyBO表现出双荧光发射性,这与实验结果一致,溶剂极性对HPyBO的荧光发射有显著影响,极性增大时其双荧光峰发射发生相向的位移,即短波峰红移,而Stokes峰则蓝移。4.研究了2-（2′-氨基苯基）苯并咪唑（APBI）的氨基位中一个H被-CH3（E-C）,-SiH3（E-OSi）,-NH2 （E-N）,-COH （E-CO）,-NO2（E-NO2）,-CF3 （E-F）,-CN （E-CN3）,-OMe （E-OMe）,-COCH3 （E-CC）,Ts （E-S）,p-CH3-C6H4-CO- （E-C=O）和p-CH3-C6H4-NHCO- （E-CN）取代后,取代基对APBI基态以及激发态分子内质子转移光物理化学性质的影响。结果显示基态时取代基引入并不改变APBI的略为偏离平面的构型,烯醇构型E为最稳定构型,次稳定构型为E绕C2-C7单键内旋转所得的R构型。当取代基为E-CN3,E-F,E-NO2,E-N,E-OMe和E-S的衍生物有稳定的酮式构型K。基态各环的NICS研究表明取代基的引入会影响APBI环的电子离域性。所有研究的衍生物都能发生ESIPT,当引入取代基为E-CN3,E-N或E-OMe时,所得的APBI衍生物的S1态分子内质子转移是无能垒过程;取代基E-C,E-C=O或E-OSi对APBI的ESIPT势能面无影响,S1态时这一类中K*构型与E*构型几乎在同一能级上,ESIPT需克服约20kJ/mol的能垒;而S1态时取代基E-CC,E-CN,E-CO,E-F,E-NO2和E-S等使得APBI的K*构型能量低于E*,这一类化合物在S1态发生ESIPT的难易程度是E-S（0.2kJ/mol）<E-F（3.0kJ/mol） <E-NO2（7.2kJ/mol） <E-CN（12.6kJ/mol） <E-CC（15.8kJ/mol） <E-CO（17.0kJ/mol）。总的看来在APBI的氨基位引入取代基其母体结构仍具有ESIPT性质。5.对2′-取代氨基苯基（或吡啶基）苯并唑系化合物2′-氨基位引入对氟离子（F-）的氢键识别基团（p-甲基苯磺酰基,p-甲基苯氨甲酰基）而得的12种化合物对F-的荧光传感作用进行了理论研究。结果表明识别基团为p-甲基苯磺酰基的化合物e（2-（2′-p-甲基苯磺酰氨基苯基）苯并咪唑）既有对F-最强的结合作用,又有较好的可侦测荧光信号性。这些化合物对F-的识别传感机理是通过分子间氢键结合,并引起结合位点处质子的脱离从而阻断了探针化合物的ESIPT导致化合物原有荧光发射性质发生变化。相互作用能,基态和激发态结构以及光谱计算表明a（2-（2′-p-甲基苯磺酰氨基苯基）苯并噻唑唑）,c（2-（2′-p-甲基苯磺酰氨基苯基）苯并噁唑）,e（2-（2′-p-甲基苯磺酰氨基苯基）苯并咪唑）,g（2-（2′-p-甲基苯磺酰氨甲酰苯基）苯并噻唑）,j（2-（2′-p-甲基苯磺酰氨甲酰吡啶基）苯并噻唑）和l（2-（2′-p-甲基苯磺酰氨甲酰吡啶基）苯并噁唑）等化合物都有很大的潜力应用于对F离子的荧光比率传感上。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 氢键与质子转移
• 1.2 苯并唑系化合物质子转移研究
• 1.3 质子转移原理在阴离子荧光识别中的应用
• 1.4 本文设计思想和主要研究内容
• 第二章 基本理论与计算方法
• 2.1 从头计算方法
• 2.1.1 电子相关方法
• 2.2 密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）
• 2.3 基组
• 2.4 溶剂化效应
• 2.5 光化学光物理基本原理
• 2.5.1 激发态
• 2.5.2 激发态的失活
• 2.5.3 势能面
• 第三章 2-（3′-氨基-2′-吡啶基）苯并咪唑分子内质子转移性质及发射光谱的理论研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 基态几何结构
• 3.3.2 基态能量及分子内质子转移性质
• 3.3.3 2-（3′-氨基-2′-吡啶基）苯并咪唑的发射光谱和溶剂效应
• 3.4 小结
• 第四章 含不同质子供体的2′-苯基苯并三唑衍生物激发态质子转移的理论研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 结构和能量
• 4.3.2 质子转移性质
• 4.4 小结
• 第五章 2-（3′-羟基-2′-吡啶基）苯并噁唑的光诱导分子内质子和电荷转移理论研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 气相结构与能量
• 5.3.2 质子转移和电荷转移性质
• 5.3.3 溶剂效应的影响
• 5.4 小结
• 第六章 2-（2′-氨基苯基）苯并咪唑衍生物的分子内质子转移理论研究：取代基效应
• 6.1 引言
• 6.2 计算方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 取代基对构型和能量的影响
• 6.3.2 取代基对分子内激发态质子转移的影响
• 6.4 小结
• 第七章 2′-取代氨基苯基（或吡啶基）苯并唑系化合物对 F－离子化学传感的理论研究
• 7.1 引言
• 7.2 计算方法
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 几何构型与能量
• -离子的识别作用'>7.3.2 对F^-离子的识别作用
• 7.3.3 吸收和发射光谱
• 7.4 小结
• 第八章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录（攻读学位期间发表论文目录）