三类新型冠醚衍生物荧光分子传感器的构筑与理论研究

发布时间：2020-04-26 19:37

【摘要】：本文采用量子计算化学方法的密度泛函理论及含时密度泛函理论,设计了具有双重功能的冠醚衍生物荧光分子传感器,并对此类分子器件传感机理及分子开关等功能进行了理论计算与结果分析。首先,以蒽-席夫碱-氮杂18-冠-6为基底从理论上设计一种新型传感功能的分子器件(L_1),研究了它与二价铜离子的相互作用,并构成配合物L_1/Cu~(2+)(L_2)。在M06-2X/6-311(d,p)/SDD水平上对自由配体(L_1,L_2)及其配合物L/M~(n+)的结构进行优化,并在相同的水平下对频率进行讨论。自然价键理论(NBO)分析表明自由配体L_1,L_2与金属离子Ca~(2+)有较强的的相互作用。Fukui前线分子轨道理论(FMO)分析了反应前后自由配体(L_1,L_2)的电子云轨道分布,并对光致电子转移(PET)效应的产生及抑制进行探讨。采用含时密度泛函理论(TD-DFT)和CAM-B3LYP泛函计算并讨论了自由配体(L_1,L_2)、配合物L/M~(n+)紫外吸收光谱及激发态,得出了一种拥有“ON-OFF-ON”的荧光传感器,并能专属性识别金属离子Ca~(2+)。其次,将顺式/反式二苯乙烯与氮杂18-冠-6进行构筑形成了具有构型转变“分子开关”和“化学荧光”传感双重功能的新型化合物。密度泛函理论方法研究了自由配体L(L_1,L_2)及金属离子配合物L/M~(n+)在势能面极小值处的几何全优化结构。自由配体L与阳离子的相互作用通过自然价键理论(NBO)和Mayer键级进行计算与分析。NBO计算结果表明K~+,Sr~(2+)与自由配体L有较强相互作用,Mayer键级结果表明Sr~(2+)与自由配体L配合作用强于K~+。含时密度泛函理论(TD-DFT)方法计算了主体L_1,L_2及配合物L/M~(n+)的紫外吸收光谱、荧光发射光谱和激发态数据。紫外吸收光谱结果表明L_2/Sr~(2+)的吸收峰不同于L_2,并伴随着蓝移,表明自由配体L_2能够专属性地识别金属离子Sr~(2+)。第三,理论设计了一种具有变构开关和荧光化学传感双重功能分子器件-顺式/反式-二苯乙烯嵌入(E)-N-(蒽/芘-9-亚基)苯并-18-冠-6。将自由配体L_1,L_2与Mg~(2+),Ca~(2+),Sr~(2+),Ba~(2+)离子进行配位,密度泛函理论探讨了该传感器的传感机理及金属离子作用前后紫外吸收峰强度的变化。结合能和热力学数据结果表明配合物L/M~(2+)均能稳定存在。自然价键轨道计算结果显示Sr~(2+)与主体L_1,L_2之间的相互作用强于其他阳离子。轨道能隙值说明电子跃迁的难易程度,前线分子轨道图的分布解释了L_1,L_2的荧光发光机理。此研究为促进冠醚类荧光传感器在痕量检测、生物传感、医学癌细胞检测等应用的单一传感向双功能甚至多功能传感的发展提供理论基础。
【图文】：

冠醚衍生物,超分子化学,学科

图 1.4 四种常见的冠醚衍生物Fig. 1.4 The molecule structures of four crown ether derivative及其衍生物的应用十年的发展，超分子化学逐步成为了一门包含多种学科的信息、材料以及环境等学科[31]。超分子化学主要研究的是之间的作用力，主要包括：氢键、亲水/疏水、静电力以及

金属配合物,优化结构,配合物,参数

L1/Sr2+L2/Sr2+图 2.1 自由配体 L1, L2和 L/Mn+金属配合物在 M06-2X/6-311G(d,p)/SDD 水平上的几何全优化结构Fig. 2.1 The optimized geometry structures of L1, L2, and L/Mn+complexes calculated with thM06-2X/6-311G(d,p)/SDD表 2.1 配合物 L1/Mn+的优化结构参数Table 2.1 Geometrical parameters of complex L1/Mn+obtained using theM06-2X/6-311G(d,p)/SDDrO/N-M2+( )averageN85O45O47O50O55O58L1/Na+3.728 3.474 2.306 2.327 2.306 2.327 2.745L1/K+3.721 2.944 2.653 2.676 2.633 2.710 2.890L1/Ca2+2.627 2.407 2.510 2.411 2..414 2.390 2.392
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;O657.3;O641.4

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