学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

偶氮化合物组装分子容器的实验和理论研究

作　者: 任志海
导　师: 蒲敏
学　校: 北京化工大学
专　业: 应用化学
关键词: 偶氮化合物异构机理分子容器二氧化硅水滑石组装密度泛函理论
分类号: O621.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 22次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

本文从实验表征和理论计算两个方面研究了偶氮化合物组装到二氧化硅凝胶和水滑石这两种分子容器中的结构和性能。实验上通过合成和表征揭示样品的结构和性能;理论上基于量子化学方法的密度泛函理论,研究了偶氮化合物的异构机理及它们组装到二氧化硅凝胶和水滑石中的主客体相互作用和顺反异构反应。1、采用密度泛函理论,在B3LYP/6-31G（d,p）、B3LYP/6-311++G（d,p）和B3LYP/aug-CC-pvdz水平上对偶氮苯分子（AB）的热致异构机理进行了研究,分别优化得到了偶氮苯分子在基态（S₀）的平衡态和过渡态的稳定几何构型,通过振动分析和内禀反应坐标追踪对过渡态进行了确认,并得到了零点能。计算结果表明,在偶氮苯顺反异构过程中,从顺式偶氮苯（CAB）出发首先通过两个C-N键的旋转跨越一个能垒到达一个连接两个顺式偶氮苯镜面异构体的一个过渡态TSa。内禀反应坐标追踪表明,TSa是连接整个异构反应的具有Cs对称性的过渡态（TS）的最经济的途径。TSa到TS的变化主要包括N=N-C键角的面内增长。然后,随着TS的N=N-C键角的进一步增长,反应到达另一个驻点。这个驻点是反式偶氮苯（TAB）通过C-N键的扭转发生等价镜面异构反应的过渡态（TSb）。在B3LYP/aug-CC-pvdz水平上计算得到的整个异构反应的总能垒为101.67kJ/mol。2、采用密度泛函理论B3LYP方法,在6-31G（d,p）和B3LYP/6-311++G（d,p）水平上对酸性媒介黄GG分子（MY10）的热致异构反应机理进行了研究,分别优化得到了MY10分子在S₀态的平衡态和过渡态的稳定几何构型,通过振动分析和内禀反应坐标追踪对过渡态进行了确认,并得到了零点能。计算结果表明,在MY10顺反异构过程中,从顺式MY10（cis-MY10）出发首先通过两个C-N键的旋转跨越一个能垒到达一个连接两个顺式偶氮苯镜面异构体的一个过渡态MY10-TSa。内禀反应坐标追踪表明,MY10-TSa是连接整个异构反应的具有Cs对称性的过渡态（MY10-TS）的最经济的途径。MY10-TSa到MY10-TS的变化主要包括N=N-C键角的面内增长。然后,随着MY10-TS的N=N-C键角增长协同C-N键的扭转,反应到达另一个驻点。这个驻点是反式偶氮苯（trans-MY10）通过C-N键的扭转发生等价镜面异构反应的过渡态（MY10-TSb）。在B3LYP/6-311++G（d,p）水平上计算得到的整个异构反应的总能垒为76.72kJ/mol。3、使用溶胶-凝胶法制备了偶氮苯组装二氧化硅凝胶,XRD谱图表明产物具有非晶结构的特征峰;红外光谱表征显示样品同时具有偶氮苯及二氧化硅的特征吸收峰,确定了组装产物的化学组成;UV-vis表征表明azo组装到SiO₂后光学活性没有发生明显变化;理论上,建立了SiO₂孔道的分子碎片模型,在B3LYP/Lan12dz水平上优化了偶氮苯分子的平衡态和过渡态在SiO₂孔道内的组装模型。能量计算表明,偶氮苯组装到SiO₂孔道前后发生异构反应的能垒相差较小,从理论上说偶氮苯组装到SiO₂后仍能发生异构反应。4、采用离子交换法制备了MY10插层Mg/Al水滑石,其XRD谱图表明样品具有水滑石类材料规则的层状结构,层间距约为1.58nm,可见MY10阴离子已成功插入层间;红外光谱表征显示样品同时具有MY10及Mg/Al水滑石前体的特征吸收峰,进一步确定了插层产物的化学组成;UV-vis表征表明MgAl-MY10-LDHs样品与MY10相比光学较弱。理论上,使用B3LYP方法,在6-31G（d,p）级别上计算了MY10阴离子和Mg/Al层板单元的电子结构,并建模得到MY10-Mg/Al层板的主.客体相互作用体系的稳定结构。分析表明在能量及前线分子轨道分布方面都有利于阴离子与层板的相互结合。结合实验测得的层间通道高度,可以推测层间MY10阴离子通过-COO^-与层板的直立羟基结合,并且在水滑石层间呈倾斜排列。

全文目录

摘要  4-7
ABSTRACT  7-17
第一章绪论  17-29
  1.1 偶氮化合物概述  17-20
    1.1.1 偶氮化合物的异构机理  17-19
    1.1.2 偶氮化合物的应用  19-20
  1.2 二氧化硅凝胶概述  20-22
    1.2.1 二氧化硅凝胶的制备方法  20-21
    1.2.2 二氧化硅凝胶的结构和性能  21
    1.2.3 二氧化硅凝胶的应用  21-22
  1.3 水滑石类化合物概述  22-27
    1.3.1 水滑石的组成、结构和性质  22-25
      1.3.1.1 水滑石的组成和结构  22-23
      1.3.1.2 水滑石类化合物的性质  23-25
    1.3.2 水滑石的制备方法  25-26
    1.3.3 水滑石的应用  26-27
    1.3.4 水滑石的理论研究  27
  1.4 课题研究的内容和意义  27-29
    1.4.1 课题研究内容  27-28
    1.4.2 课题研究的意义  28-29
第二章理论基础和计算方法  29-41
  2.1 从头计算方法  29-35
    2.1.1 分子轨道法的三个基本近似  30-32
    2.1.2 分子轨道理论  32-34
    2.1.3 基函数  34-35
  2.2 密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)  35-37
  2.3 过渡态理论(Transition State Theory,TST)  37-38
  2.4 内禀反应坐标理论  38-41
第三章偶氮苯异构机理的理论研究  41-49
  3.1 计算方法  41
  3.2 结果与讨论  41-48
    3.2.1 偶氮苯的热致异构机理  41-48
      3.2.1.1 偶氮苯热致异构反应的平衡态和过渡态构型  41-45
      3.2.1.2 偶氮苯热致异构反应的内禀反应途径  45-46
      3.2.1.3 偶氮苯热致异构反应的位能面分析  46-48
  3.3 小结  48-49
第四章酸性媒介黄GG异构机理的理论研究  49-59
  4.1 计算方法  49
  4.2 结果与讨论  49-56
    4.2.1 酸性媒介黄GG的热致异构机理  49-56
      4.2.1.1 酸性媒介黄GG热致异构反应的平衡态和过渡态构型  49-53
      4.2.1.2 酸性媒介黄GG热致异构反应的内禀反应途径  53-54
      4.2.1.3 酸性媒介黄GG热致异构反应的位能面分析  54-56
  4.3 小结  56-59
第五章二氧化硅凝胶组装偶氮苯的理论和实验研究  59-65
  5.1 实验制备及表征  59-60
    5.1.1 实验药品  59
    5.1.2 二氧化硅干凝胶的制备  59
    5.1.3 二氧化硅凝胶组装偶氮苯的制备  59
    5.1.4 样品表征  59-60
  5.2 计算方法  60
  5.3 结果与讨论  60-63
    5.3.1 XRD表征  60-61
    5.3.2 FTIR表征  61-62
    5.3.3 UV-vis表征  62-63
    5.3.4 理论计算结果  63
  5.4 小结  63-65
第六章酸性媒介黄GG插层Mg/Al水滑石的理论和实验研究  65-73
  6.1 实验制备及表征  65-66
    6.1.1 实验药品  65
    6.1.2 Mg/Al水滑石前体的制备  65
    6.1.3 酸性媒介黄GG插层Mg/Al水滑石的制备  65
    6.1.4 样品表征  65-66
  6.2 计算方法  66
  6.3 结果与讨论  66-71
    6.3.1 XRD表征  66-67
    6.3.2 FTIR表征  67-68
    6.3.3 UV-vis表征  68
    6.3.4 理论计算结果  68-71
  6.4 小结  71-73
第七章结论  73-74
论文的创新点  74-75
参考文献  75-81
致谢  81-82
研究成果及发表的学术论文  82-83
作者与导师简介  83-84
硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  84-85

偶氮化合物组装分子容器的实验和理论研究

内容摘要

全文目录

相似论文