N-甲基吡咯醛酮的激发态动态结构和溶剂调控研究

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芳香羰基化合物的光诱导电子转移、氢转移和能量转移反应在化学、生物和材料科学等领域起着很重要的作用。本文采用共振拉曼光谱学技术,结合量子化学计算,研究了N-甲基吡咯-2-甲醛、2-乙酰基-1-甲基吡咯和3-乙酰基-1-甲基吡咯等芳香羰基化合物分别在环己烷、乙腈和水溶剂中的1ππ*态结构动力学。通过考察这类杂环芳香羰基化合物S2(1ππ*)-S1(1nπ*)耦合机制及其溶剂效应,取得的研究结果如下:⑴获得了N-甲基吡咯-2-甲醛(NMPCA)在环己烷、乙腈和水溶剂中的电子吸收光谱,在上述3种溶剂中,随着溶剂极性增大,最大吸收波长λmax向低波数方向移动。获取了覆盖NMPCA在A-带和B-带电子吸收共7个激发波长的共振拉曼光谱,计算表明A-带和B-带电子吸收的跃迁主体为π→π*。共振拉曼光谱可以指认为11–13振动模式(A-带激发)或者7–11振动模式(B-带激发)的基频、倍频和合频,其中C=O伸缩振动(ν7)、C6-N1-C2/C2-C3-C4不对称伸缩振动(ν14)、环的变形振动+N1-C6伸缩振动(ν17)和环的变形振动(ν21)占据了绝大部分。这表明NMPCA的Sπ激发态结构动力学主要沿C=O伸缩振动、环的变形振动和环上N1-C6伸缩振动等反应坐标展开。在同一溶剂的共振拉曼光谱中随激发波长由长变短,ν7与ν14的强度比呈现出由强变弱再变强的现象,ν7/ν14强度比与溶剂的性质有很大关系,在(非质子性、非极性)环己烷溶剂中最大,(非质子性,强极性的)乙腈溶剂中居中,(质子性、强极性的)水溶剂中最小。⑵获得了2-乙酰基-1-甲基吡咯(2-Ac-NMP)在环己烷、乙腈和水溶剂中的电子吸收光谱,在上述3种溶剂中,随着溶剂极性增大,最大吸收波长λmax向低波数方向移动。获取了覆盖紫外光谱中A-带和B-带吸收的共7个激发波长的共振拉曼光谱,并结合密度泛函理论方法研究了2-Ac-NMP的A-带和B-带电子激发和Franck-Condon区域结构动力学。A-带和B-带吸收的跃迁主体为π→π*。A-带和B-带共振拉曼光谱可以分别被指认为13个振动模式和8个振动模式的基频、泛频和合频,其中C=O伸缩振动(ν8)、C3-C4-C5不对称伸缩振动+C2-C6伸缩振动(ν14)、环上C-H面内摇摆(ν18)占据了拉曼光谱强度的绝大部分。C=O伸缩振动(ν8)的变化规律被认为与Franck-Condon区域Sn/Sπ态混合或势能面交叉有关。溶剂对Sn/Sπ态混合或势能面交叉具有调控作用。⑶获得了3-乙酰基-1-甲基吡咯(3-Ac-NMP)在环己烷、乙腈和水溶剂中的电子吸收光谱,在上述3种溶剂中,随着溶剂极性增大,最大吸收波长λmax向低波数方向移动。获取了覆盖紫外光谱中A-带、B-带和C-带吸收的的共振拉曼光谱,A-带和B-带的主特征是π→π*的跃迁,其共振拉曼光谱可以被指认为9个Franck-Condon区域活性振动模的基频、倍频和合频,其中υ10(C=O伸缩振动)、υ11(C2=C3/C4=C5/C3=C6伸缩振动)、υ19(环变形振动),它们的基频、泛频和合频占据了共振拉曼光谱强度的绝大部分,这说明3-Ac-NMP的π→π*激发态结构动力学主要沿C=O伸缩振动、环的变形振动和环上C-H弯曲振动等反应坐标展开。由于A-带和B-带π→π*轨道跃迁的权重不同,A-带和B-带光谱的强度模式存在很大的差异。而C-带的跃迁包含π→π*、n→Ryd和π→Ryd,与A-带和B-带的跃迁类型不同,共振拉曼强度存在着显著差别,这反映了激发态结构动力学存在很大的差别。同时考察了同一溶剂中不同波长下和同一波长下不同溶剂中共振拉曼光谱强度模式的变化。ν10与ν19的强度比受到溶剂的影响,同时也与激发波长有关。
中文摘要第7-9页
Abstract第9-11页
第一章 前言第12-24页
    1.1 吡咯及其羰基衍生物简介第12页
    1.2 光化学和分子反应动力学概述第12-13页
    1.3 溶剂效应第13-14页
    1.4 国内外研究现状第14-16页
    1.5 论文研究内容第16-17页
    参考文献第17-24页
第二章 理论基础第24-29页
    2.1 密度泛函理论(DFT)第24页
    2.2 含时密度泛函理论(TD-DFT)第24-25页
    2.3 基组重叠误差(BSSE)第25页
    2.4 共振拉曼效应(Resonance Raman Effect)第25-26页
    2.5 溶剂效应模型第26-27页
    参考文献第27-29页
第三章 实验部分第29-32页
    3.1 实验试剂第29页
    3.2 实验仪器第29页
    3.3 紫外光谱实验第29-30页
    3.4 傅立叶变换红外光谱实验第30页
    3.5 傅立叶变换拉曼光谱实验第30页
    3.6 共振拉曼光谱实验第30-31页
        3.6.1 实验仪器第30页
        3.6.2 实验方法第30-31页
        3.6.3 光谱校正第31页
    参考文献第31-32页
第四章 N-甲基吡咯-2-甲醛激发态结构动力学及其溶剂效应第32-47页
    4.1 基态几何结构第32-33页
    4.2 紫外光谱研究第33-34页
    4.3 共振拉曼光谱第34-40页
        4.3.1 共振拉曼光谱的获取第34-36页
        4.3.2 共振拉曼光谱的指认第36-39页
        4.3.3 共振拉曼光谱分析第39-40页
    4.4 溶剂对 NMPCA 的调控作用第40-45页
        4.4.1 量化计算第40-41页
        4.4.2 溶剂对紫外的影响第41-42页
        4.4.3 溶剂对 FT-Raman 的影响第42-44页
        4.4.4 溶剂对共振拉曼的影响第44-45页
    4.5 本章小结第45-46页
    参考文献第46-47页
第五章 2-乙酰基-1-甲基吡咯激发态结构动力学及其溶剂效应第47-63页
    5.1 基态几何结构第47-48页
    5.2 紫外光谱研究第48-50页
    5.3 共振拉曼光谱第50-57页
        5.3.1 共振拉曼光谱的获取第50-52页
        5.3.2 共振拉曼光谱的指认第52-55页
        5.3.3 共振拉曼光谱分析第55-57页
    5.4 溶剂对 2-Ac-NMP 的调控作用第57-62页
        5.4.1 量化计算第57-58页
        5.4.2 溶剂对紫外的影响第58-59页
        5.4.3 溶剂对 FT-Raman 的影响第59-61页
        5.4.4 溶剂对共振拉曼的影响第61-62页
    5.5 本章小结第62页
    参考文献第62-63页
第六章 3-乙酰基-1-甲基吡咯激发态结构动力学及其溶剂效应第63-79页
    6.1 基态几何结构第63-64页
    6.2 紫外光谱研究第64-66页
    6.3 共振拉曼光谱第66-72页
        6.3.1 共振拉曼光谱的获取第66-68页
        6.3.2 共振拉曼光谱的指认第68-71页
        6.3.3 共振拉曼光谱分析第71-72页
    6.4 溶剂对 3-Ac-NMP 的调控作用第72-78页
        6.4.1 量化计算第72-74页
        6.4.2 溶剂对紫外的影响第74-75页
        6.4.3 溶剂对 FT-Raman 的影响第75-76页
        6.4.4 溶剂对共振拉曼的影响第76-78页
    6.5 本章小结第78页
    参考文献第78-79页
第七章 全文总结第79-84页
    7.1 分子结构比较第79页
    7.2 紫外吸收光谱第79-80页
    7.3 共振拉曼光谱第80-83页
    7.4 总结第83-84页
硕士期间发表的论文第84-85页
致谢第85页
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