卟啉与C60二取代化合物相互作用研究

摘要

卟啉与富勒烯的给受体系分子自组装由于在模拟自然界光合成作用和新型光电材料设计等方面具有潜在的应用价值，越来越受到人们的关注。
　　 富勒烯具有独特的空间构型和电子结构，在给-受体超分子体系中常用作电子/电荷受体。卟啉具有刚性的大环结构，含有大π电子共轭体系，在给-受体超分子体系中常用作电子/电荷给体。在过去的十年间很多研究小组都已经系统的研究了卟啉-富勒烯的超分子体系，然而大部分的研究都仅限于未取代富勒烯和卟啉的弱相互作用，或者通过化学键或配位键连接的卟啉-富勒烯单取代物超分子体系。对于卟啉与多取代(尤其是二取代)富勒烯之间的弱相互作用的研究鲜见报道，这可能与富勒烯多取代物的分离困难有关。在已有研究的基础上，我们在本论文中系统研究了卟啉与吡咯烷二取代的C60衍生物之间弱相互作用，整个研究分为实验与理论两部分，具体内容为：
　　 (1)实验方面：设计及合成了一种新型的环状锌卟啉二聚体，通过电子吸收光谱和荧光光谱分析，研究了该二卟啉与吡咯烷二取代的C60衍生物之间的弱相互作用的稳定常数。重点研究了4种二取代物异构体，trans2-，trans3-，trans4-，e-C60间与二卟啉相互作用的差异，并与C60和一取代C60进行了比较。研究表明，取代基团的引入降低了C60与二卟啉的相互作用的稳定常数，并且对于二取代C60化合物，其与二卟啉作用的稳定常数有trans2>trans3>trans4>e的变化顺序，表明取代基位置对二取代C60与二卟啉的结合常数有一定影响，这应该是由于空间位阻效应导致的。
　　 (2)理论计算方面：利用DFT泛函计算了简化模型下的锌卟吩与trans-3型C60二取代物间的弱相互作用。具体择了四种DFT理论(BHandH，pw91，cam-b31yp，wb97xd)，结果表明wb97xd和BHandH，尤其是前者能很好地描述富勒烯与锌卟啉间的弱相互作用，这表明考虑长程相互作用(尤其是色散作用)的DFT、理论对卟啉-富勒烯间的弱相互作用描述，要明显好于未考虑色散校正的DFT理论。对卟啉与trans-3型C60的相互作用计算结果表明，取代基团与卟啉环之间的σ-π相互作用，对总弱相互作用有重要贡献。利用multiWFN软件结合VMD软件，对弱相互作用的可视化表示进行了研究，给出了弱相互作用的具体指向和作用前后的差分电荷分布图示。

目录

文摘

英文文摘

第一章 前言

第一节 超分子化学简述

第二节 卟啉超分子化学

1.2.1 单卟啉砌块超分子

1.2.2 二聚和多聚卟啉砌块超分子

第三节 富勒烯化学的进展

第四节 卟啉和富勒烯分子自组装研究进展

1.4.2 氢键模式

1.4.2 静电模式

1.4.3 π-π键相互作用

1.4.4 互锁体系-轮烃和索烃

1.4.5 轴向配位作用

1.4.6 冠醚-胺键

第五节 本论文的选题

第二章 合成与表征

第一节 实验仪器及试剂处理

2.1.1 实验仪器

2.1.2 试剂

第二节 锌卟啉环状二聚体的合成

2.2.1 引言

2.2.2 合成路线

2.2.2 实验部分

第三节 二-N-甲基C60吡咯烷的合成

2.3.1 引言

2.3.2 合成路线

2.3.2 实验部分

第四节 合成方法讨论

2.4.1 N-甲基C60吡咯烷的反应机理

2.4.2 合成条件讨论

第三章 环状锌卟啉二聚体和C60吡咯烷相互作用的光谱研究

第一节 引言

第二节 基本原理

第三节 实验部分

3.3.1 UV-vis光谱的测量

3.3.2 荧光光谱的测量

第四节 结论

第四章 锌卟啉与C60吡咯烷相互作用化学计算

第一节 引言

第二节 计算方法

第三节 结果与讨论

4.3.1 结构优化

4.3.2 稳定化能比较

4.3.3 NBO电荷布局和E(2)分析

4.3.4 锌卟啉和C60吡咯烷之间的弱相互作用

4.3.5 锌卟啉和C60吡咯烷之间的电子密度分析

第四节 总结

参考文献

致谢

附录 主要化合物的核磁、质谱和MALDI-TOF-MS、荧光图谱、T-Ⅰ和T-Ⅱ结构优化数据

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果