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摘 要

本论文主要基于密度泛函理论中的B3LYP方法，在6-31G(d)基组水平上用Gaussian 09软件优化得到了顺式偶氮苯(CAB)和反式偶氮苯（TAB）单重态、三重态以及它们过渡态的构型，并得到偶氮苯顺反异构化的机理。本论文主要研究了偶氮苯通过角N=N-C和N-C共同旋转的的异构化机理，这种异构化途径的能垒为38.91kcal/mol。数据分析发现单重态的反式偶氮苯的能量最低，结构最稳定，在365nm的激发波长下，偶氮苯可发生由反式到顺式的光致异构，在420nm的激发波长下可以发生由顺式到反式的热致异构。顺反结构转化的过程中偶氮苯对位碳的原子距离会由9.6Å变为5.5Å，从而偶氮苯的其他一些性质也会发生改变。偶氮苯异构体A分子中两个苯环处在同一个平面，两环之间距离较大共轭不明显，有明显的紫外可见吸收峰；而在偶氮苯异构体B分子中两个苯环不在一个平面形成大π键，共轭体系增加，吸收光谱红移，无明显紫外吸收峰，所以偶氮苯异构宏观表现为光致变色。本论文主要计算研究了顺式偶氮苯（CAB）和反式偶氮苯的（TAB）的几何结构、电子结构、电荷分布、电子能态、吸收光谱等性质的变化情况。从而为芳香族偶氮苯类化合物光致变色材料的设计和研发提供了一定的理论依据和指导。

关键词： 偶氮苯 光致异构 吸收光谱 密度泛函理论

ABSTRACT

This thesis mainly based on B3LYP method of density functional theory and 6-31G * (D, P) basis set level with Gaussian 09 software in the optimization of the CIS type azobenzene (CAB) and trans azobenzene (TAB) singlet and triplet states and their transition state configurations, and azobenzene CIS trans isomerization mechanism. This paper mainly studies the azobenzene by angle N=N-C and N-C co rotation of the isomerization mechanism, the isomerization pathways can barrier for the 38.91kcal/mol. Data analysis found that singlet trans azobenzene lowest energy and the most stable structure, at 365 nm excitation wavelength of azobenzene can occur from trans to CIS light induced isomerization and 420 nm excitation wavelength to the CIS to anti thermal isomerization. Shun anti structure transformation in the process of azobenzene para carbon atom distance will be changed from 9.6Å to 5.5Å, thus some other properties of azobenzene will change. Azobenzene isomers a molecular two benzene rings are in a same plane, two ring distance between larger conjugate is not obvious, there are obvious purple UV Vis absorption peak; while in the azobenzene isomers B molecule two benzene rings are not in a plane formed big pi bond, conjugated system increased, red shift of light absorption, no significant UV absorption peak, so azobenzene isomerizes to the macro performance for photochromic. This paper mainly studied cis azobenzene (CAB) and trans azobenzene (TAB) the geometrical structure, electronic structure, charge distribution, electron energy state and absorption spectrum properties of. In order to aromatic azobenzene compound optical design and development of electrochromic materials provides a theoretical basis and guidance.

KEYWORDS：Azobenzene Photoisomerization Absorption spectra Density functional theory

目 录

摘要 I

ABSTRACT ii

第一章 综述 1

1.1 引言 1

1.2 偶氮苯的光致变色机理 1

1.3 偶氮苯的一些应用 3

1.4 本课题的工作 3

第二章 理论基础和计算方法 5

2.1 引言 5

2.2 密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT) 5

2.3 前线分子轨道理论 7

第三章 计算模型和方法 8

3.1 引言 8

3.2 计算方法 9

3.2 模型的构建以及优化 9

第四章 结果与讨论 11

4.1 偶氮苯异构体分子的几何结构 11

4.2 偶氮苯异构体分子转换能垒 13

4.3 偶氮苯异构体分子的电子结构 14

4.4 偶氮苯异构体分子的红外吸收 15

4.5 偶氮苯异构体分子的紫外吸收 17

第五章 结论 20

参考文献 21

致谢 23

第一章 综述

1.1 引言

光致变色现象是指一种物质A在特定的光的作用下转变为物质B，再经过一定的光的作用下又逆转为B导致了这种物质对光的吸收的峰值级颜色发生相对应的变化。并且化合物B在另外一种波长和强度光的照射或者热的作用下，又可以可逆转的变为化合物A。由于化合物A和化合物B在一定的外界刺激下可以可逆的相互转换，其化学结构之间发生相应的可逆转换，从而导致其对应的光化学性质和光物理性质等也发生相应的可逆转变。例如分子的吸收光谱、荧光光谱、共轭程度、导电性、磁性、电化学性质、配位能力、极性、折光指数、介电常数、和亲疏水性质也会随之而发生相应的较大的变化。基于此，光致材料广泛的应用于光电器材、分子逻辑开关、离子识别、分子自主装、药物控制释放、超分辨成像等诸多领域。

1.2 偶氮苯的光致变色机理

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