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随着社会的发展与科技的进步，人们对荧光染料的要求越来越高，尤其是纺织用荧光染料，不仅要求荧光染料具有较高的荧光量子产率，同时也要求荧光染料具有较好的生物安全性。此外，耐光牢度作为荧光染料的重要性能，它限制了部分荧光染料的应用范围，例如经常应用于生物医学领域探针的苯乙烯吡啶盐荧光染料不仅具有较高的荧光量子产率而且具有较宽的光谱，但由于其耐光牢度较差几乎不用于织物的染色。随着计算机技术的不断发展，很多辅助类科学软件不断的出现并应用于科学研究，如Gaussian，Materialstudio，Molcas等可以精准地预测和分析化合物的物理和化学性能，从而减少不必要的实验。
本文的研究目的在于设计、合成具有较好耐光牢度的荧光染料，结合先进的软件预测荧光染料的荧光性能，节省实验时间，同时为实验提供理论支持。主要内容和结论包括以下几个部分。
1.对现有的商业荧光染料和已报道的荧光染料进行分析总结，采用荧光强度和荧光量子产率两种标准对荧光染料进行分类，筛选出荧光强度很强且荧光量子产率在0.8-1.0之间的荧光染料。利用ECOSAR2.0预测荧光染料的生物毒性。结果表明磺酸基、羟基和羧基有利于降低化合物对水生生物的毒性，而溴取代基能增加化合物的毒性。利用Hansensolubilityparameters(HSP)预测染料的可染性。预测结果表明，筛选出的5种无毒且荧光性能好的荧光染料可对棉、腈纶、涤纶、锦纶6和锦纶66染色。但不同染料可染的最佳织物有所不同，采用罗丹明B染色涤纶织物验证HSP预测的可信度。结果表明以传统的阳离子染色工艺进行染色时，罗丹明B不能对涤纶进行上染。但当染色温度升至130℃时，罗丹明B可对涤纶上染，并且染色织物具有明显的荧光效果。采用DFT方法计算N-methylacridinium水溶液的吸收和发射光谱，计算结果与文献中的数据接近。
2.合成苯乙烯吡啶盐(DYE-BD)荧光染料，利用Gaussian09软件计算化学反应过程中的焓变与吉布斯自由能的变化。利用DFT和TD-DFT方法预测苯乙烯吡啶盐的吸收和发射光谱。结果表明，DFT和TD-DFT方法能准确地计算出苯乙烯吡啶盐的最大吸收波长和最大发射波长。但不同的方法预测结果的误差有所不同，对于DYE-BD来说，b31yp/dgdzvp2方法计算的最大发射波长与实验值最为接近，而pbe0/6-311+g(d，p)方法计算的最大吸收波长与实验值最为接近。建立了光致发光过程中能量变化的数学模型，利用量子化学的方法解释了DYE-BD耐光牢度差的原因。
3.利用不同基团对化合物的影响不同，设计了5种不同的荧光染料。采用Gaussian09软件计算化学反应中的焓变、吉布斯自由能的变化、最大吸收波长和最大发射波长。计算结果表明，6种荧光染料(包括母体染料)均可以通过Knoevenagel反应制备而成，并且设计的荧光染料均有荧光效果。ECOSAR2.0软件模拟结果表明4种荧光染料对水生生物无危害。磺酸基与羧基都能降低化合物的毒性，磺酸基可无视取代基的位置降低化合物的毒性，磺酸基降低化合物毒性的效果要优于羧基。利用量子化学的方法比较设计染料与母体染料的耐光牢度。制备了Z2和Z5两种荧光染料并应用于织物的染色。结果表明Z2和Z5具有明显的荧光效应，并且Z5的最大吸收波长和最大发射波长均与Gaussian09软件计算出的最大吸收波长和最大发射波长相近，Z2的耐光牢度比母体染料的耐光牢度好，并且毒性较低，在130℃下Z2和Z5可对涤纶织物进行染色。
4.设计合成三种含有羧基的小分子荧光染料，通过酰胺键将小分子荧光染料与羧甲基壳聚糖连接在一起形成大分子荧光染料。利用大分子骨架提高染料的耐光牢度。结果表明接枝大分子染料具有明显的荧光效果，大分子骨架可以提高母体染料的耐光牢度，但是对于不同母体染料，大分子提高耐光牢度的效果有所不同。母体染料耐光牢度越差，则大分子骨架的作用越明显。相反的，母体染料耐光牢度越好，则大分子骨架的作用越小。
5.设计合成具有双键的小分子苯乙烯吡啶盐荧光染料，利用Gaussian09软件模拟计算小分子荧光染料的最大吸收波长与最大发射波长，计算结果与实验结果相符;不同溶剂对荧光染料的吸收和发射光谱影响不同。结果表明，随着溶剂极性的增大，染料的最大吸收波长有所降低，最大发射波长有所增加，Stokes位移越来越大;小分子荧光染料分别与丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯和甲基丙烯酸甲酯聚合形成不同的大分子荧光染料。结果表明，虽然P-B-AM水溶液具有明显的荧光效应，但与P-B-AM-HEMA和P-B-HEMA相比，它的荧光强度较弱，并且P-B-AM涂层织物的反射率曲线没有明显的发射峰，所以P-B-AM的荧光效果较差。大分子荧光染料P-B-AM-HEMA和P-B-HEMA的耐光牢度优于母体荧光染料的耐光牢度，并且P-B-HEMA的耐光牢度要优于P-B-AM-HEMA的耐光牢度。由于分子量的不同，P-B-AM-HEMA可对腈纶织物进行染色，而P-B-HEMA却不能对腈纶织物进行染色，只能以涂层的方式进行。利用小分子荧光染料与甲基丙烯酸羟乙酯和甲基丙烯酸甲酯聚合形成的大分子荧光染料进行静电纺丝。结果表明，浓度为0.5g/mL的P-B-MMA-HEMA和P-B-MMA溶液可顺利地进行静电纺丝，并且P-B-MMA-HEMA和P-B-MMA的水溶液以及纺丝纤维膜均有明显的荧光性能。
本文的研究目的在于设计、合成具有较好耐光牢度的荧光染料，结合先进的软件预测荧光染料的荧光性能，节省实验时间，同时为实验提供理论支持。主要内容和结论包括以下几个部分。
1.对现有的商业荧光染料和已报道的荧光染料进行分析总结，采用荧光强度和荧光量子产率两种标准对荧光染料进行分类，筛选出荧光强度很强且荧光量子产率在0.8-1.0之间的荧光染料。利用ECOSAR2.0预测荧光染料的生物毒性。结果表明磺酸基、羟基和羧基有利于降低化合物对水生生物的毒性，而溴取代基能增加化合物的毒性。利用Hansensolubilityparameters(HSP)预测染料的可染性。预测结果表明，筛选出的5种无毒且荧光性能好的荧光染料可对棉、腈纶、涤纶、锦纶6和锦纶66染色。但不同染料可染的最佳织物有所不同，采用罗丹明B染色涤纶织物验证HSP预测的可信度。结果表明以传统的阳离子染色工艺进行染色时，罗丹明B不能对涤纶进行上染。但当染色温度升至130℃时，罗丹明B可对涤纶上染，并且染色织物具有明显的荧光效果。采用DFT方法计算N-methylacridinium水溶液的吸收和发射光谱，计算结果与文献中的数据接近。
2.合成苯乙烯吡啶盐(DYE-BD)荧光染料，利用Gaussian09软件计算化学反应过程中的焓变与吉布斯自由能的变化。利用DFT和TD-DFT方法预测苯乙烯吡啶盐的吸收和发射光谱。结果表明，DFT和TD-DFT方法能准确地计算出苯乙烯吡啶盐的最大吸收波长和最大发射波长。但不同的方法预测结果的误差有所不同，对于DYE-BD来说，b31yp/dgdzvp2方法计算的最大发射波长与实验值最为接近，而pbe0/6-311+g(d，p)方法计算的最大吸收波长与实验值最为接近。建立了光致发光过程中能量变化的数学模型，利用量子化学的方法解释了DYE-BD耐光牢度差的原因。
3.利用不同基团对化合物的影响不同，设计了5种不同的荧光染料。采用Gaussian09软件计算化学反应中的焓变、吉布斯自由能的变化、最大吸收波长和最大发射波长。计算结果表明，6种荧光染料(包括母体染料)均可以通过Knoevenagel反应制备而成，并且设计的荧光染料均有荧光效果。ECOSAR2.0软件模拟结果表明4种荧光染料对水生生物无危害。磺酸基与羧基都能降低化合物的毒性，磺酸基可无视取代基的位置降低化合物的毒性，磺酸基降低化合物毒性的效果要优于羧基。利用量子化学的方法比较设计染料与母体染料的耐光牢度。制备了Z2和Z5两种荧光染料并应用于织物的染色。结果表明Z2和Z5具有明显的荧光效应，并且Z5的最大吸收波长和最大发射波长均与Gaussian09软件计算出的最大吸收波长和最大发射波长相近，Z2的耐光牢度比母体染料的耐光牢度好，并且毒性较低，在130℃下Z2和Z5可对涤纶织物进行染色。
4.设计合成三种含有羧基的小分子荧光染料，通过酰胺键将小分子荧光染料与羧甲基壳聚糖连接在一起形成大分子荧光染料。利用大分子骨架提高染料的耐光牢度。结果表明接枝大分子染料具有明显的荧光效果，大分子骨架可以提高母体染料的耐光牢度，但是对于不同母体染料，大分子提高耐光牢度的效果有所不同。母体染料耐光牢度越差，则大分子骨架的作用越明显。相反的，母体染料耐光牢度越好，则大分子骨架的作用越小。
5.设计合成具有双键的小分子苯乙烯吡啶盐荧光染料，利用Gaussian09软件模拟计算小分子荧光染料的最大吸收波长与最大发射波长，计算结果与实验结果相符;不同溶剂对荧光染料的吸收和发射光谱影响不同。结果表明，随着溶剂极性的增大，染料的最大吸收波长有所降低，最大发射波长有所增加，Stokes位移越来越大;小分子荧光染料分别与丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯和甲基丙烯酸甲酯聚合形成不同的大分子荧光染料。结果表明，虽然P-B-AM水溶液具有明显的荧光效应，但与P-B-AM-HEMA和P-B-HEMA相比，它的荧光强度较弱，并且P-B-AM涂层织物的反射率曲线没有明显的发射峰，所以P-B-AM的荧光效果较差。大分子荧光染料P-B-AM-HEMA和P-B-HEMA的耐光牢度优于母体荧光染料的耐光牢度，并且P-B-HEMA的耐光牢度要优于P-B-AM-HEMA的耐光牢度。由于分子量的不同，P-B-AM-HEMA可对腈纶织物进行染色，而P-B-HEMA却不能对腈纶织物进行染色，只能以涂层的方式进行。利用小分子荧光染料与甲基丙烯酸羟乙酯和甲基丙烯酸甲酯聚合形成的大分子荧光染料进行静电纺丝。结果表明，浓度为0.5g/mL的P-B-MMA-HEMA和P-B-MMA溶液可顺利地进行静电纺丝，并且P-B-MMA-HEMA和P-B-MMA的水溶液以及纺丝纤维膜均有明显的荧光性能。