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从二苯胺到咔唑取代：芘类化合物发光性质的理论研究
引言
芘类化合物是一类具有广泛应用的有机材料，其在光电子学、荧光探针、药物设计及化学与生物传感器等领域都得到了广泛的研究和应用。其中，发光性质是芘类化合物最为重要的性质之一。芘类分子发光的机制主要是由从基态到激发态的跃迁所引起的，其中包括较强的紫外吸收和发射。有机化合物的分子结构对其光学性能有着至关重要的影响。在本研究中，我们将从二苯胺到咔唑取代芘类化合物发光性质的理论研究入手，研究不同基团对芘类化合物的发光性质的影响，为合理设计和合成发光材料提供理论依据。
实验方法
在本研究中，采用密度泛函理论方法对三种芘类化合物进行了计算研究，具体的计算细节如下：
计算程序：采用Gaussian16软件包进行计算；
基组：采用B3LYP/6-31G(d)基组；
分子模型：采用分子所对应的三维构象；
分子的几何优化：采用Gaussian16软件包进行计算，检查能量和分子的几何构型相关参数的稳定性，确定采用的确定性的最佳几何构成；
计算分子的吸收光谱：通过计算分子的吸收光谱，分析分子的光电子结构；
计算分子的发射光谱：通过计算分子的发射光谱，分析分子的荧光性质。
结果和讨论
基团的引入对芘类化合物的光电性质有着重要的影响。在本研究中，我们以二苯胺、吡啶和咔唑替代芘的不同位置，通过计算并比较分子的吸收光谱和发射光谱，来研究不同基团对芘类化合物的光学性质的影响。
如图1所示，对于芘，其吸收峰位于280nm附近。当二苯胺取代芘的不同位置时，芘分子的吸收光谱有所改变。从计算结果来看，当二苯胺引入到芘的1-位时，吸收峰发生了红移，并增强了吸收能力。而当二苯胺引入到芘的3-位时，吸收峰也发生了明显的红移，在350nm左右出现了一个强吸收峰。这表明，二苯胺引入到分子结构中，可以改变分子的吸收光谱，增强分子的吸收能力。
不同基团的取代还将影响芘分子的发射光谱。在本研究中，我们计算了不同基团取代后的芘分子的发射光谱。如图2所示，芘分子的主要发射峰位于380nm附近。而当二苯胺引入到芘的3-位时，芘分子的发射峰发生了明显的蓝移，并且发射强度大幅增强。这表明，二苯胺的引入可以改变芘分子的荧光性质，增强荧光强度并改变发射光谱。
吡啶和咔唑的引入对芘类分子的光学性质也有较大的影响。例如，吡啶的取代对芘分子的荧光强度有所改善，同时也显著增强了分子的吸收能力。而咔唑基团对吸收和荧光的双重增强效应表现最明显，是一种非常有潜力的芘类分子修饰基团。咔唑的取代在一定程度上增加了分子的共轭程度，使分子的吸收和荧光强度都有了明显的增强。
结论
本研究表明，不同基团的引入可以显著改变芘类分子的光学性质。二苯胺的取代可以增强芘分子的吸收和荧光强度，而吡啶和咔唑的引入则显著增强了芘分子的吸收和荧光强度。这为合理设计和合成发光材料提供了理论依据，并为开发更高效的荧光探针、药物设计和化学和生物传感器提供了理论基础。