关于呋喃[3,4-b]吡啶类杂环化合物的结构,电子性质和导电性研究

摘要

本文使用密度泛函理论研究了呋喃[3，4-b]吡啶类杂环化合物结构与电子性质，从单体，低聚物到聚合物。详细地分析和讨论了从单体到聚合物的分子结构与电子性质的内在联系，以及N原子取代对电子结构和导电性的影响。同时还计算了噻吩，呋喃，吡咯等作为电子供体，呋喃[3，4-b]吡啶类杂环单元作为受体的共聚物的结构，电子性质与导电性。
　　 在第一节中，简单介绍了有机导电聚合物的研究状况，实用价值，导电机理，设计原理等。由于其良好的应用价值，无论是在学术上还是工业上均受到国内外的广泛关注和研究。在本节后还介绍了本文工作的意义。
　　 在第二节中，我们重点介绍了本文所使用的理论计算方法-密度泛函理论，包括其原理，常用的方法，和一些常见的密度泛理论软件包。其次还介绍了几种文中所使用的理论分析手段，如分子中的原子理论(AIM)，自然成键轨道(NBO)分析，以及无核化学位移(NICS)分析。
　　 在第三节中，我们主要研究了六种不同的呋喃[3，4-b]吡啶类杂环化合物(FPD，FPZ，FPDZ，FPMD，FTZ1，和FTZ2)的结构和电子性质，从单体，低聚物((二聚物、三聚物和四聚物)，到聚合物。对于这些化合物，我们详细分析和讨论了氮原子取代数目对它们的结构和电子性质，以及导电性的影响。并且使用分子中的原子理论(AIM)，自然成键轨道(NBO)，以及无核化学位移(NICS)等手段分析了低聚体和聚合体之间的电子结构和能隙的联系。详细讨论了低聚物和聚合物中心键的性质。NICS的变化表明：随着聚合度的增加，中间部位的芳香性降低，共轭度增强，其结构接近醌式结构。我们还对聚合物进行了周期边界条件(PBC)，获得了能带结构。能带计算的结果表明，这六种均聚物具有很低的能隙，它们也许是一种潜在的导电聚合物。
　　 在第四节中，我们使用密度泛函理论研究了以噻吩，噻吩并[3，2-b]噻吩两种化合物作为供体单元，以FPD，FPZ，和FTZ作为受体的六种共轭聚合物。希望通过对它们电子结构的研究，了解以噻吩，噻吩并[3，2-b]噻吩两种化合物作为供体单元的导电差异性，以及它们的单体、低聚物和聚合物电子结构的关系。NICS的变化表明：随着聚合度的增加，中间部位的芳香性降低，共轭度增强。我们还对聚合物进行了周期边界条件(PBC)，获得了能带结构。能带计算的结果表明，六种共聚物具有很低的能隙，而噻吩基于的聚合物能隙值更低，可能是更好的导电材料。
　　 在第五节中，我们研究了以呋喃和吡咯作为芳香性的供体，以FPD，FPZ，和FTZ作为醌式受体的六种共轭聚合物的结构和电子性质，从单体到聚合物。从N取代数目和氢键作用两方面重点分析了他们结构，电子性质，导电性的差异利用分子中的原子理论(AIM)，自然成键轨道(NBO)，以及无核化学位移(NICS)，电子转移，HOMO-LUMO能级图分析，前线轨道等手段。通过比较可以看出吡咯不仅是更好的电子供体也是好的氢键提供者，而吡咯基于的聚合物能隙值更低。氮原子取代数目增加，会增强供体和受体的电子作用力度，共轭程度增大，能隙也降低。我们还对聚合物进行了周期边界条件(PBC)，获得了能带结构。能带的计算结果表明，六种共聚物具有较低的能隙，特别是(FTZF)n和(FTZP)n。可见它们都是好的导电材料候选者。