＊10-羥基苯并喹啉鋰配合物電子結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)的理論研究

李杰,賀婧媛,程瑛,徐雷,戴鍵鑫,邢立文,康延賞,施和平

(1.山西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,山西太原 030006;2.忻州師范學(xué)院五寨分院,山西五寨 036200)

＊10-羥基苯并喹啉鋰配合物電子結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)的理論研究

李杰1,2,賀婧媛1,程瑛1,徐雷1,戴鍵鑫1,邢立文1,康延賞1,施和平1＊

(1.山西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,山西太原 030006;2.忻州師范學(xué)院五寨分院,山西五寨 036200)

采用B3LYP和ab initio CIS方法在6-31G(d,p)水平上對(duì)10-羥基苯并喹啉鋰配合物(LiBQ配合物)的基態(tài)和激發(fā)態(tài)的幾何構(gòu)型進(jìn)行全優(yōu)化.在基態(tài)和激發(fā)態(tài)的優(yōu)化構(gòu)型的基礎(chǔ)上采用含時(shí)密度泛函理論(TD-DFT)的PCM模型計(jì)算配合物的吸收和發(fā)射光譜.計(jì)算得到的最大吸收和最大發(fā)射都是由于配體內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ILCT)所致.計(jì)算結(jié)果表明配合物(LiBQ)是一種良好的發(fā)射藍(lán)光的金屬有機(jī)電致發(fā)光材料.

10-羥基苯并喹啉鋰配合物;TD-DFT;吸收光譜;發(fā)射光譜

自1987年 Tang等[1]發(fā)現(xiàn)三(8-羥基喹啉)鋁(III)(A lq3)是具有高量子產(chǎn)率的金屬有機(jī)電子傳輸材料以來,基于金屬有機(jī)配合物的電致發(fā)光技術(shù)的研究已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn).研究人員致力于合成出性能更優(yōu)良、更穩(wěn)定、且具有特定發(fā)射光譜的新的金屬有機(jī)配合物[2].從某種意義上講,有機(jī)配體的性能直接影響金屬有機(jī)配合物的電致發(fā)光的性能,而有機(jī)配體的性能又主要取決于有機(jī)分子的結(jié)構(gòu).

近年來,密度泛函理論(DFT)和含時(shí)密度泛函理論(TD-DFT)已經(jīng)被人們廣泛接受.用來描述金屬有機(jī)配合物基態(tài)、激發(fā)態(tài)的性質(zhì)和金屬有機(jī)配合物的電致發(fā)光性能.目前,國內(nèi)外的研究組在配合物光譜性質(zhì)的量子化學(xué)研究方面,取得了相當(dāng)多的研究結(jié)果[3-14].

在本文中,我們報(bào)道10-羥基苯并喹啉鋰配合物(LiBQ配合物)的電子結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)的理論研究,以便更深入地了解這種配合物的結(jié)構(gòu)和電致發(fā)光性能.

1 計(jì)算方法

首先,用B3L YP/6-31G(d,p)方法對(duì)LiBQ配合物的基態(tài)構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化[15-17],在得到優(yōu)化構(gòu)型的基礎(chǔ)上分析振動(dòng)頻率和前線軌道特征.然后,用B3L YP/6-31G(d,p)的方法對(duì)離子的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,在此基礎(chǔ)上計(jì)算LiBQ配合物的電離能和電子親和能.最后,在6-31G(d,p)水平上采用單重激發(fā)態(tài)(CIS)方法對(duì)LiBQ配合物的激發(fā)態(tài)幾何構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化.在優(yōu)化構(gòu)型的基礎(chǔ)上,采用含時(shí)密度泛函理論(TD-DFT)計(jì)算LiBQ配合物在CH2Cl2溶液的吸收光譜和發(fā)射光譜[18].所有計(jì)算均使用 Gaussian 03程序包[19],在中科院超級(jí)計(jì)算中心的深騰7 000超級(jí)計(jì)算機(jī)上完成.

2 結(jié)果和討論

2.1 LiBQ配合物的基態(tài)的結(jié)構(gòu)

用DFT/B3LYP/6-31G(d,p)方法對(duì)LiBQ配合物進(jìn)行全優(yōu)化.LiBQ配合物的優(yōu)化的結(jié)構(gòu)見圖1(P102).優(yōu)化后得到的幾何參數(shù)見表1(P102).由圖1和表1可以看出,優(yōu)化后的基態(tài)結(jié)構(gòu)是平面結(jié)構(gòu).

圖1 基態(tài)時(shí)LiBQ配合物的優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Optimized geometry of LiBQ comp lex in the ground state

表1 在B3L YP/6-31G(d,p)下,LiBQ的基態(tài)的部分優(yōu)化的鍵長,鍵角和二面角Table 1 Selected optimized bond lengths,bond angles and dihedral angles of the L iBQat B3LYP/6-31G(d,p)level in their ground state

2.2 基態(tài)下LiBQ配合物的前線分子軌道性質(zhì)

前線分子軌道是衡量化合物的激發(fā)特性和電子或空穴傳輸能力的一個(gè)合理的定性指標(biāo)[20].LiBQ配合物的HOMO和LUMO示意圖見圖2.從圖2中可以看出LiBQ配合物的HOMO的電荷密度主要在配體苯酚環(huán)上.這是成鍵軌道.LiBQ配合物的LUMO的電荷密度主要在吡啶環(huán)上.這是反鍵軌道.電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)主要是由含氧的苯酚環(huán)流向含氮的吡啶環(huán),屬于π→π＊躍遷.金屬Li離子起到支持和約束配體的作用.它對(duì) HOMO和LUMO沒有貢獻(xiàn),不直接參與發(fā)光.

圖2 基態(tài)下LiBQ配合物的 HOMO和LUMO圖Fig.2 Isodensity surface p lots of HOMO and LUMO of LiBQ comp lex in the ground state

2.3 基態(tài)下LiBQ配合物的電離能和電子親和能

電離能(IP)包括垂直電離能(IPv)和絕熱電離能(IPa).垂直電離能是在中性分子的優(yōu)化構(gòu)型基礎(chǔ)上,陽離子與中性分子的能量的差.而絕熱電離能是優(yōu)化的陽離子與優(yōu)化的中性分子的能量差.電子親和能(EA)包括垂直電子親和能(EAv)和絕熱電子親和能.垂直電子親和能是在中性分子的優(yōu)化構(gòu)型基礎(chǔ)上,陰離子與中性分子的能量的差,而絕熱電子親和能是優(yōu)化的陽離子與優(yōu)化的中性分子的能量差.LiBQ配合物的IP和EA列于表2(P103).從表2可知在基態(tài)下LiBQ配合物的電離能是6.280 eV和6.137 eV,電子親和能是0.244 eV和0.079 eV.LiBQ配合物有較大的電離能可以阻擋空穴,同時(shí)又有較小的電子親和能有利于電子傳輸.

表2 基態(tài)下LiBQ配合物的電離能和電子親和能Table 2 IP and EA of the LiBQ complex in the ground state(eV)

2.4 基態(tài)下LiBQ配合物的電子吸收光譜

在用B3L YP/6-31G(d,p)方法得到的基態(tài)(S0)優(yōu)化構(gòu)型基礎(chǔ)上,采用含時(shí)密度泛函理論(TD-DFT)計(jì)算了LiBQ配合物在CH2Cl2溶液中的電子吸收光譜.計(jì)算數(shù)據(jù)列于表3.以計(jì)算所得的垂直激發(fā)能和相應(yīng)的振子強(qiáng)度為基礎(chǔ),借助于SW IZARD軟件模擬吸收光譜.LiBQ配合物模擬的吸收光譜見圖3.從圖3和表3中可以看出LiBQ配合物的最大吸收波長為413 nm.在CH2Cl2溶劑中,計(jì)算的最大波長是由 HOMO到LUMO的電子轉(zhuǎn)移引起的.他們主要是由于具有配體內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(IL TC)特征的π{(苯酚)→π＊(吡啶)}轉(zhuǎn)移引起的.

圖3 模擬的LiBQ配合物在CH2 Cl2溶液中的吸收光譜Fig.3 Simulated absorption spectrum of LiBQ complex in CH2 Cl2 sovent

圖4 LiBQ配合物的第一單重激發(fā)態(tài)的HOMO和LUMO圖Fig.4 Contour p lots of HOMO and LUMO of LiBQ comp lex in the first excited state

表3 計(jì)算的LiBQ配合物的電子吸收光譜數(shù)據(jù)Table 3 Computed electronic absorption spectrum data of LiBQ complex in the ground state

2.5 LiBQ配合物的第一激發(fā)態(tài)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)

用單重激發(fā)態(tài)(CIS)方法在6-31G(d,p)基組上計(jì)算得到了LiBQ配合物的第一單重激發(fā)態(tài)(S1)的優(yōu)化構(gòu)型.優(yōu)化后的主要幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表4.第一單重激發(fā)態(tài)的 HOMO和LUMO見圖4.LiBQ配合物優(yōu)化后的第一單重激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)類似于基態(tài)結(jié)構(gòu).

表4 第一激發(fā)態(tài)下LiBQ配合物部分優(yōu)化的鍵長,鍵角和二面角Table 4 Selected optimized bond lengths,bond angles and dihedral angles of LiBQ complex in the first excited state

2.6 LiBQ配合物的發(fā)射光譜

首先采用 HP/6-31G(d,p)方法得到LiBQ配合物的第一激發(fā)態(tài)(S1)的優(yōu)化結(jié)構(gòu),隨后在所得到的優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,采用含時(shí)密度泛函理論(TD-DFT)方法計(jì)算其在CH2Cl2溶液中的電子發(fā)射光譜.計(jì)算數(shù)據(jù)列于表5.LiBQ配合物模擬的發(fā)射光譜見圖5.從表5中可以看出,LiBQ配合物的發(fā)射峰來源于具有激發(fā)態(tài)配體內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(IL TC)特征的π{(苯酚)→π＊(吡啶)}轉(zhuǎn)移.LiBQ配合物在CH2Cl2溶劑中最大發(fā)射波長為430 nm.計(jì)算結(jié)果表明,LiBQ配合物是一種具有發(fā)射藍(lán)光的有機(jī)電致發(fā)光材料.

圖5 第一激發(fā)態(tài)下模擬的LiBQ配合物的發(fā)射光譜Fig.5 Simulated emission spectrum of LiBQ complex in the ground state

表5 第一激發(fā)態(tài)下計(jì)算的LiBQ配合物計(jì)算的發(fā)射光譜數(shù)據(jù)Table 5 Computed emission spectrum data of LiBQ complex in the first excited state

3 結(jié)論

本論文基于密度泛函理論(DFT)和單重激發(fā)態(tài)(CIS)方法在6-31G(d,p)水平上,對(duì)LiBQ配合物進(jìn)行了理論研究.采用TD-DFT方法計(jì)算了配合物在CH2Cl2溶液中的吸收和發(fā)射光譜.計(jì)算結(jié)果表明配合物的最大吸收主要?dú)w結(jié)于配體內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ILCT),最大發(fā)射也主要來自于配體內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ILCT).研究結(jié)果表明該配合物是良好的電致發(fā)光材料,該研究為金屬有機(jī)電致發(fā)光材料的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù).

[1] Tang CW,VanSlyke S A.Organic Electroluminescent Diodes[J].ApplPhys Lett,1987,51:913-915.

[2] Ghedini M,LaDeda M,Aiello I,et al.Synthesis and Photophysical Characterisation of Soluble Photoluminescent Metal Complexes with Substituted 8-hydroxyquinolines[J].Synthetic M et,2003,138:189-192.

[3] Jamo rski C,Casida M E,Salahub D R.Dynamic Polarizabilities and Excitation Spectra from a Molecular Imp lementation of Time-dependent Density-functional Response Theory:N2 as a Case Study[J].J Chem Phys,1996,104:5134-5147.

[4] Stratmann R E,Scuseria G E,Frisch M J.An Efficient Implementation of Time-dependent Density-functional Theo ry fo r the Calculation of Excitation Energies of Large Molecules[J].J Chem Phys,1998,109:8218-8224.

[5] Rosa A,Baerends E J,VanGisbergen SJ A A,et al.Electronic Spectra of M(CO)6(M=Cr,Mo,W)Revisited by a Relativistic TDDFT App roach[J].J Am Chem Soc,1999,121:10356-10365.

[6] Adamo C,Barone V.Inexpensive and Accurate Predictions of Optical Axcitations in Transition-metal Complexes:the TDDFT/PBEO route[J].Theor Chem Acc,2000,105:169-172.

[7] Farrell IR,VanSlageren J,Zalis S,et al.Time-resolved Emission Spectra and TD-DFT Excited-state Calculations of[W(CO)4(1,10-phenanthroline)]and[W(CO)4(3,4,7,8-tetramethyl-1,10-phenanthroline)][J].Inorg Chim Acta,2001,315:44-52.

[8] Hay PJ.Theoretical Studies of the Ground and Excited Electronic States in Cyclometalated Phenylpyridine Ir(III)Complexes Using Density Functional Theory[J].J Phys Chem,2002,A 106:1634-1641.

[9] Halls M D,Schelgel H B.Molecular O rbital Study of the First Excited State of the OLED Material Tris(8-hydroxyquinoline)aluminum(III)[J].Chem M ater,2001,13:2632-2640.

[10] 李明霞,周欣,張紅星,等.[M(N)X2](M=Ru,O s;X=S2C6H4,mnt)的電子結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)的理論研究[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào),2009,30(11):2284-2287.

[11] 吳玉輝,周欣,王嵩,等.IrR(CO)(PH3)2(mnt)配合物的基態(tài)和激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)及光譜性質(zhì)的理論研究[J].化學(xué)學(xué)報(bào),2009,67(1):33-38.

[12] 吳玉輝,周欣,張紅星.系列二亞胺Os(II)配合物[Os(L)2(CN)2(phen)](L=PH3,DMSO;phen=1,10-鄰二氮雜菲)及[Os(PH3)2(phen)Br2]電子結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)的理論研究[J].化學(xué)學(xué)報(bào),2009,67(3):197-202.

[13] 廖奕,蘇忠民,陳亞光,等.8-羥基喹啉鈹及其衍生物電子光譜性質(zhì)的含時(shí)密度泛函理論研究[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào),2003,24(3):477-480.

[14] 顏力楷,蘇忠民,仇永清,等.水楊醛縮乙二胺雙席夫堿及其Ni(Ⅱ)配合物的電子結(jié)構(gòu)和非線性光學(xué)性質(zhì)的INDO/C I研究[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào),2006,27(4):711-715.

[15] Becke A D.Density-functional Exchange-energy Approximation with Correct Asymptotic Behavior[J].Phys Rev A,1988,38:3098-3100.

[16] Becke A D.Density-functional thermochemistry.III.The Role of Exact Exchange[J].J Chem Phys,1993,98:5648-5652.

[17] Lee C,Yang W,Parr R G.Development of the Colle-Salvetti Correlation-energy Formula into a Functional of the Electron Density[J].Phys Rev,1988,B37:785-789.

[18] Casida M E,Jamorski C,Casida K C,et al.Molecular Excitation Energies to High-lying Bound States from Timedependent Density-functional Response Theory:Characterization and Correction of the Time-dependent Local Density Approximation Ionization Threshold[J].J Chem Phys,1998,108:4439-4449.

[19] Frisch M J,Trucks GW,Schlegel H B,et al.Gaussian 03[CP].Gaussian Inc,Pittsburgh,PA,2003.

[20] Belletete M,Mo rin J F,Leclerc M,et al.A Theo retical,Spectroscopic,and Photophysical Study of 2,7-Carbazolenevinylene-Based Conjugated Derivatives[J].J Phys Chem,2005,A 109:6953-6959.

Theoretical Study on Electronic Structure and Spectra
Properties of 10-hydroxybenzo[h]quinoline L ithium Complex

L IJie1,2,HE Jing-yuan1,CHENG Ying1,XU Lei1,DA IJian-xin1,XING Li-wen1,KANG Yan-shang1,SH IHe-ping1
(1.School of Chemistry and Chem ical Engineering,Shanxi University,Taiyuan030006,China;2.Wuzhai B ranch of Xinzhou Teachers College,W uzhai036200,China)

The geometric structures of 10-hydroxybenzo[h]quinoline lithium(LiBQ)comp lex in the groundstate(S0)and the low est singlet excited-state(S1)were optimized by B3L YP and ab initio CIS methods at 6-31G(d,p)level respectively.The absorption and emission spectra of the comp lex were investigated by the time dependent density functional theory(TD-DFT)level with PCM model on the basis of the optimized ground and excited states geometry respectively.The calculated lowest-lying absorption of the comp lex was attributed to intraligand charge transfer(ILCT)transitions mainly.The calculated emission of the comp lex can be described as originated from an excited state with intralig and charge transfer(ILCT)character mainly.The result displayed that the comp lex w as a potential electroluminescent material with blue light emission.

10-hydroxybenzo[h]quinoline lithium;TD-DFT;absorption spectrum;emission spectrum

O627

A

0253-2395(2011)01-0101-05＊

2010-06-22;

2010-09-14

山西省科技項(xiàng)目(20100321085)

李杰(1972-),男,山西五寨人,碩士研究生,山西省忻州師范學(xué)院五寨分院教師,主要從事應(yīng)用化學(xué).E-mail:hepingshi@sxu.edu.cn