甲醛与碱金属离子、异烟肼与小分子相互作用激发态的理论研究

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分子间相互作用力在许多物理和化学、生物过程中具有十分重要的作用,在过去几十年间引起了科研工作者们的广泛关注。近年来,人们发现激发态的超分子在光物理和光化学过程中有着特殊的性质。  本文用密度泛函理论与含时密度泛函理论,对(1)甲醛与碱金属离子的激发态复合物(2)异烟肼与甲醛的激发态复合物(3)异烟肼与甲醇的激发态复合物三个体系进行理论研究。文中利用不同的方法分析了甲醇与碱金属离子、异烟肼与有机小分子之间的弱相互作用力、激发态弱键的成键本质,并系统地分析了分子间弱相互作用力形成后对单体的影响以及电子激发后对分子间弱相互作用力的影响。本论文主要包括以下三部分:  1.本文使用含时密度泛函理论(TDDFT)研究了甲醛单体及其与碱金属离子的复合物的电子激发态。使用TDDFT方法计算了几个单重态和三重激发态的垂直跃迁能量,第一单重态S1和第一三重激发态T1的绝热跃迁能,甲醛及其复合物基态S0态、S1态和T1态的绝热几何形状和振动频率,在TDDFT水平下计算的CH2O单体的数据比CIS方法更接近实验值。S1和T1激发态中的非线性C=O…M+相互作用弱于基态中的线性相互作用。在S0和S1两态中,由于甲醛分子与金属离子之间形成弱相互作用力导致C=O键伸长,并且其伸缩振动频率红移;但在T1电子激发态的复合物中,C=O键缩短,其频率蓝移。  2.本文使用含时密度泛函(TDDFT)方法,在B3LYP/6-311++G(d, p)水平下计算了激发态异烟肼与甲醛复合物(INH-CH2O)的体系。INH-CH2O复合物形成了两个分子间氢键,本文重点探讨了电子激发对复合物中两个氢键的不同影响。分析结果表明,INH分子与CH2O分子间形成的氢键HB1在激发态时强度增强,HB2在发生电子激发时减弱甚至断裂。红外光谱分析显示由于异烟肼与甲醛形成了分子间氢键,使得C=O、C-H和N-H键的伸缩振动频率发生红移。由于发生电子激发,INH-CH2O复合物中HB1相对应的C=O和H-C键发生红移,HB2相对应的C=O键发生红移而N-H键伸缩振动频率发生蓝移。  3.本文用含时密度泛函(TDDFT)理论,对激发态异烟肼与甲醇复合物(INH-MeOH)的体系进行理论研究。在B3LYP/6-311++G*的水平下计算了分子单体和两种构型INH-MeOH复合物的几何结构、振动频率、电子光谱。构型1复合物中的HB1在电子激发后成键增强,而HB2成键减弱;构型2复合物中形成的两个分子间氢键C=O…H-C在S1和T1状态下增强。两种构型复合物的S1态、T1态是局域激发,其中INH分子被激发,MeOH分子仍处于基态。S0→S1和S0→T1电子激发主要导致异烟肼中C=O键的频率有较大红移。
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