高等学校化学学报 ›› 2019, Vol. 40 ›› Issue (5): 965.doi: 10.7503/cjcu20180851
收稿日期:
2018-12-20
出版日期:
2019-04-17
发布日期:
2019-04-17
作者简介:
联系人简介: 仇永清, 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事应用量子化学研究. E-mail:
基金资助:
KANG Huimin, WANG Hongqiang, WANG Huiying, WU Lixin, QIU Yongqing*()
Received:
2018-12-20
Online:
2019-04-17
Published:
2019-04-17
Contact:
QIU Yongqing
E-mail:qiuyq466@nenu.edu.cn
Supported by:
摘要:
采用密度泛函理论(DFT)方法对卟啉-碳硼烷-硼亚甲基二吡咯(BODIPY)三元化合物的几何结构、 吸收光谱及二阶非线性光学(NLO)特性进行计算分析. 结果表明, V型化合物的静态第一超极化率(βtot)大于相应直线型化合物, 且延长共轭链可提高体系的βtot. 分析体系的电子密度差分图得出, 化合物氧化还原态的电荷转移方式与本征态相比发生了改变, 从而使其二阶NLO性质发生明显变化. 含频第一超极化率计算结果表明, 在一定范围内频率对化合物有较小的色散效应. 因此, 通过延长二维化合物的共轭链及氧化还原反应, 可以有效调控其二阶NLO响应.
中图分类号:
TrendMD:
康慧敏, 王洪强, 王慧莹, 吴黎歆, 仇永清. 卟啉-碳硼烷-硼亚甲基二吡咯三元化合物二阶非线性光学性质的理论研究. 高等学校化学学报, 2019, 40(5): 965.
KANG Huimin,WANG Hongqiang,WANG Huiying,WU Lixin,QIU Yongqing. Theoretical Study on the Second-order Nonlinear Optical Properties of a Porphyrin-o-Carborane-Boron-dipyrromethene Triad Compound†. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(5): 965.
Compound | d(C1—C2)/ nm | d(C1—C3)/ nm | d(C2—C4)/ nm | d(Zn—Nmean)/ nm | d(B—N1)/ nm | d(B—N2)/ nm | d(B—F1)/ nm | d(B—F2)/ nm |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 0.1217 | 0.1424 | 0.1424 | 0.2070 | 0.1557 | 0.1557 | 0.1394 | 0.1394 |
1+ | 0.1217 | 0.1420 | 0.1423 | 0.2076 | 0.1561 | 0.1561 | 0.1389 | 0.1389 |
1- | 0.1221 | 0.1418 | 0.1418 | 0.2076 | 0.1549 | 0.1549 | 0.1404 | 0.1404 |
2 | 0.3160 | 0.1516 | 0.1516 | 0.2070 | 0.1558 | 0.1558 | 0.1394 | 0.1394 |
2+ | 0.3155 | 0.1515 | 0.1516 | 0.2075 | 0.1561 | 0.1561 | 0.1389 | 0.1389 |
2- | 0.3169 | 0.1514 | 0.1515 | 0.2076 | 0.1549 | 0.1549 | 0.1404 | 0.1404 |
3 | 0.1748 | 0.1508 | 0.1509 | 0.2069 | 0.1558 | 0.1558 | 0.1394 | 0.1393 |
Exp.[ | 0.1708 | 0.1510 | 0.1509 | 0.2062 | 0.1542 | 0.1524 | 0.1439 | 0.1393 |
3+ | 0.1737 | 0.1510 | 0.1510 | 0.2076 | 0.1562 | 0.1560 | 0.1391 | 0.1388 |
3- | 0.2343 | 0.1466 | 0.1471 | 0.2073 | 0.1553 | 0.1553 | 0.1399 | 0.1399 |
4 | 0.1759 | 0.1506 | 0.1507 | 0.2070 | 0.1558 | 0.1558 | 0.1394 | 0.1394 |
4+ | 0.1760 | 0.1507 | 0.1506 | 0.2076 | 0.1561 | 0.1560 | 0.1391 | 0.1389 |
4- | 0.2325 | 0.1469 | 0.1468 | 0.2072 | 0.1553 | 0.1553 | 0.1398 | 0.1398 |
Table 1 Partial bond lengths of the studied compounds as obtained using DFT(B3LYP functional) employing the 6-31G*/LANL2DZ basis set
Compound | d(C1—C2)/ nm | d(C1—C3)/ nm | d(C2—C4)/ nm | d(Zn—Nmean)/ nm | d(B—N1)/ nm | d(B—N2)/ nm | d(B—F1)/ nm | d(B—F2)/ nm |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 0.1217 | 0.1424 | 0.1424 | 0.2070 | 0.1557 | 0.1557 | 0.1394 | 0.1394 |
1+ | 0.1217 | 0.1420 | 0.1423 | 0.2076 | 0.1561 | 0.1561 | 0.1389 | 0.1389 |
1- | 0.1221 | 0.1418 | 0.1418 | 0.2076 | 0.1549 | 0.1549 | 0.1404 | 0.1404 |
2 | 0.3160 | 0.1516 | 0.1516 | 0.2070 | 0.1558 | 0.1558 | 0.1394 | 0.1394 |
2+ | 0.3155 | 0.1515 | 0.1516 | 0.2075 | 0.1561 | 0.1561 | 0.1389 | 0.1389 |
2- | 0.3169 | 0.1514 | 0.1515 | 0.2076 | 0.1549 | 0.1549 | 0.1404 | 0.1404 |
3 | 0.1748 | 0.1508 | 0.1509 | 0.2069 | 0.1558 | 0.1558 | 0.1394 | 0.1393 |
Exp.[ | 0.1708 | 0.1510 | 0.1509 | 0.2062 | 0.1542 | 0.1524 | 0.1439 | 0.1393 |
3+ | 0.1737 | 0.1510 | 0.1510 | 0.2076 | 0.1562 | 0.1560 | 0.1391 | 0.1388 |
3- | 0.2343 | 0.1466 | 0.1471 | 0.2073 | 0.1553 | 0.1553 | 0.1399 | 0.1399 |
4 | 0.1759 | 0.1506 | 0.1507 | 0.2070 | 0.1558 | 0.1558 | 0.1394 | 0.1394 |
4+ | 0.1760 | 0.1507 | 0.1506 | 0.2076 | 0.1561 | 0.1560 | 0.1391 | 0.1389 |
4- | 0.2325 | 0.1469 | 0.1468 | 0.2072 | 0.1553 | 0.1553 | 0.1398 | 0.1398 |
Compound | Functional | βx/a.u. | βy/a.u. | βz/a.u. | βtot/a.u. |
---|---|---|---|---|---|
1 | ωB97XD | -1007.03 | 0 | 0 | 1007.03 |
M06-2X | -1608.93 | 0 | 0 | 1608.93 | |
2 | ωB97XD | 138.90 | -11.58 | -46.30 | 150.48 |
m06-2X | -243.08 | -23.15 | -46.30 | 243.08 | |
3 | ωB97XD | -300.95 | 2754.85 | -347.25 | 2801.15 |
M06-2X | -601.90 | 2963.20 | -381.98 | 3044.23 | |
4 | ωB97XD | -219.93 | 3842.90 | 0 | 3854.48 |
M06-2X | -578.75 | 4305.90 | 0 | 4340.63 |
Table 2 Computed static first hyperpolarizability for compounds 1—4 employing the 6-31G*/LANL2DZ basis set
Compound | Functional | βx/a.u. | βy/a.u. | βz/a.u. | βtot/a.u. |
---|---|---|---|---|---|
1 | ωB97XD | -1007.03 | 0 | 0 | 1007.03 |
M06-2X | -1608.93 | 0 | 0 | 1608.93 | |
2 | ωB97XD | 138.90 | -11.58 | -46.30 | 150.48 |
m06-2X | -243.08 | -23.15 | -46.30 | 243.08 | |
3 | ωB97XD | -300.95 | 2754.85 | -347.25 | 2801.15 |
M06-2X | -601.90 | 2963.20 | -381.98 | 3044.23 | |
4 | ωB97XD | -219.93 | 3842.90 | 0 | 3854.48 |
M06-2X | -578.75 | 4305.90 | 0 | 4340.63 |
Compound | λ/nm | Egm/eV | fos | Main transitiona |
---|---|---|---|---|
1 | 553.6(506)b | 2.24 | 0.1087 | H-1→L+2(32%), H→L+1(67%) |
420.0(424)b | 2.95 | 2.0288 | H-1→L+2(45%), H→L+1(23%), H→L+3(25%) | |
2 | 548.7 | 2.26 | 0.0346 | H-1→L+1(37%), H→L+2(63%) |
404.9 | 3.06 | 1.9836 | H-1→L+2(63%), H→L+1(34%) | |
3 | 551.4(506)b,(548.6)c | 2.25 | 0.0610 | H-1→L+2(34%), H→L+1(65%) |
408.8(424)b,(385)c | 3.03 | 1.6190 | H-1→L+2(56%), H→L+1(30%), H→L+3(11%) | |
4 | 552.1 | 2.25 | 0.0774 | H-1→L+2(34%), H→L+1(66%) |
414.7 | 2.99 | 1.3802 | H-1→L+2(39%), H→L+1(21%), H→L+3(33%) |
Table 3 Detailed TD-DFT calculations for compounds 1—4 employing the 6-31G*/LANL2DZ basis set
Compound | λ/nm | Egm/eV | fos | Main transitiona |
---|---|---|---|---|
1 | 553.6(506)b | 2.24 | 0.1087 | H-1→L+2(32%), H→L+1(67%) |
420.0(424)b | 2.95 | 2.0288 | H-1→L+2(45%), H→L+1(23%), H→L+3(25%) | |
2 | 548.7 | 2.26 | 0.0346 | H-1→L+1(37%), H→L+2(63%) |
404.9 | 3.06 | 1.9836 | H-1→L+2(63%), H→L+1(34%) | |
3 | 551.4(506)b,(548.6)c | 2.25 | 0.0610 | H-1→L+2(34%), H→L+1(65%) |
408.8(424)b,(385)c | 3.03 | 1.6190 | H-1→L+2(56%), H→L+1(30%), H→L+3(11%) | |
4 | 552.1 | 2.25 | 0.0774 | H-1→L+2(34%), H→L+1(66%) |
414.7 | 2.99 | 1.3802 | H-1→L+2(39%), H→L+1(21%), H→L+3(33%) |
Fig.2 UV-Vis spectra of the compounds 1(A), 2(B), 3(C) and 4(D) along with electron density difference maps(EDDM) of corresponding transitionsPurple and blue colors indicate accumulation and depletion of electron density, respectively.
Compound | NBO charge/e | Compound | NBO charge/e | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Porphyrin | BODIPY | Ethynel/carborane | Porphyrin | BODIPY | Ethynel/carborane | ||
1 | 0.001 | -0.021 | 0.020 | 3 | 0.121 | 0.103 | -0.224 |
1+ | 0.719 | 0.218 | 0.039 | 3+ | 0.951 | 0.241 | -0.193 |
1- | -0.521 | -0.475 | -0.004 | 3- | -0.136 | -0.233 | -0.789 |
2 | 0.097 | 0.087 | -0.183 | 4 | 0.120 | 0.114 | -0.234 |
2+ | 0.827 | 0.339 | -0.166 | 4+ | 0.765 | 0.216 | 0.020 |
2- | -0.424 | -0.367 | -0.209 | 4- | -0.162 | -0.166 | -0.672 |
Table 4 NBO charge of all the complexes employing the 6-31G*/LANL2DZ basis set
Compound | NBO charge/e | Compound | NBO charge/e | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Porphyrin | BODIPY | Ethynel/carborane | Porphyrin | BODIPY | Ethynel/carborane | ||
1 | 0.001 | -0.021 | 0.020 | 3 | 0.121 | 0.103 | -0.224 |
1+ | 0.719 | 0.218 | 0.039 | 3+ | 0.951 | 0.241 | -0.193 |
1- | -0.521 | -0.475 | -0.004 | 3- | -0.136 | -0.233 | -0.789 |
2 | 0.097 | 0.087 | -0.183 | 4 | 0.120 | 0.114 | -0.234 |
2+ | 0.827 | 0.339 | -0.166 | 4+ | 0.765 | 0.216 | 0.020 |
2- | -0.424 | -0.367 | -0.209 | 4- | -0.162 | -0.166 | -0.672 |
Compound | βx/a.u. | βy/a.u. | βz/a.u. | βtot/a.u. |
---|---|---|---|---|
1+ | 63755.10 | -752.38 | 254.65 | 63766.68 |
1- | -1624111.40 | 48094.13 | 10255.45 | 1624852.20 |
2+ | 7280.68 | -57.88 | 46.30 | 7280.68 |
2- | -46566.23 | 393.55 | -1250.10 | 46577.80 |
3+ | -706.08 | 1666.82 | -312.52 | 1840.43 |
3- | 59564.95 | -85770.75 | 69.45 | 104429.65 |
4+ | 10984.68 | -10903.65 | -231.50 | 15475.78 |
4- | 22524.95 | -73489.68 | -567.18 | 76858.00 |
Table 5 Computed static first hyperpolarizability for oxidized and reduced of compounds 1—4 employing the 6-31G*/LANL2DZ basis set
Compound | βx/a.u. | βy/a.u. | βz/a.u. | βtot/a.u. |
---|---|---|---|---|
1+ | 63755.10 | -752.38 | 254.65 | 63766.68 |
1- | -1624111.40 | 48094.13 | 10255.45 | 1624852.20 |
2+ | 7280.68 | -57.88 | 46.30 | 7280.68 |
2- | -46566.23 | 393.55 | -1250.10 | 46577.80 |
3+ | -706.08 | 1666.82 | -312.52 | 1840.43 |
3- | 59564.95 | -85770.75 | 69.45 | 104429.65 |
4+ | 10984.68 | -10903.65 | -231.50 | 15475.78 |
4- | 22524.95 | -73489.68 | -567.18 | 76858.00 |
Compound | ω=0.0239 a.u. | ω=0.0340 a.u. | ||
---|---|---|---|---|
β(-ω; ω,0) | β(-2ω; ω,ω) | β(-ω; ω,0) | β(-2ω; ω,ω) | |
1 | 1030.18 | 1284.83 | 1157.50 | 2002.48 |
2 | 138.90 | 104.18 | 127.33 | 150.48 |
3 | 2963.20 | 3379.90 | 3159.98 | 4363.78 |
4 | 4085.98 | 4606.85 | 4340.63 | 5787.50 |
Table 6 Estimated values of β(-ω; ω,0) and β(-2ω; ω,ω) at specific frequencies calculated at 6-31G*/LANL2DZ level
Compound | ω=0.0239 a.u. | ω=0.0340 a.u. | ||
---|---|---|---|---|
β(-ω; ω,0) | β(-2ω; ω,ω) | β(-ω; ω,0) | β(-2ω; ω,ω) | |
1 | 1030.18 | 1284.83 | 1157.50 | 2002.48 |
2 | 138.90 | 104.18 | 127.33 | 150.48 |
3 | 2963.20 | 3379.90 | 3159.98 | 4363.78 |
4 | 4085.98 | 4606.85 | 4340.63 | 5787.50 |
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