Механизмы фотоизомеризации нафтаценхинонов и нафтаценпиридонов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Малахов, Дмитрий Викторович

• Малахов, Дмитрий Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Малахов, Дмитрий Викторович

Глава 1. Введение

Глава 2. Обзор литературы.

Реакция фотоизомеризации фотохромных нафтаценхинонов и родственных структур.

2.1. Фотохромные превращения пара - и ана - хинонов.

2.2. Фотофизические процессы в ана - и пара - хинонах

2.3.Фотохимические свойства пара-хинонов и ана-хинонов, 15 в том числе производных нафтаценхинонов и нафтаценпиридонов.

2.3.1 .Фотохромизм антрахинонов, нафтаценхинонов и нафтаценпиридонов.

2.3.2. Тринлетный механизм фотоипдуцироваппой 17 изомеризации пара-хинонов в ана-хиноны на примере антрахинонов и нафтаценхинонов.

2.3.3. Возможные побочные фотохимические реакции 25 2.3.3.1. Тушение триплетных состояний кислородом. 25 2.3.3.2 Взаимодействие триплетных возбужденных 27 состояний со спиртами.

2.3.4. Фотохимические свойства фотоиндуцированных форм 29 антрахинонов, нафтаценпиридонов инафтаценхинонов.

2.4. Квантово-химические расчеты электронной структуры 34 возбужденных состояний и фотохимических реакций антрахинонов и нафтаценхинонов.

2.5. Особенности протекания фотоизомеризации 37 фотохромных веществ в полимерных матрицах

2.6. Двухфотонно-инициируемые фотохимические реакции.

Глава 3. Механизм фотоизомеризации нафтаценхинонов 44 и нафтаценпиридонов. Обсуждение результатов.

3.1. Флуоресцентные свойства пара-нафтаценхинонов и их ациламино- замещенных производных.

3.2 Кинетика и абсорбционная спектроскопия возбужденных состояний производных 5,12-нафтаценхинонов

3.3 Расчет структуры электронных уровней и поверхностей 61 потенциальной энергии для реакций фотоизомеризации производных нафтаценхинонов и нафтаценпиридонов.

3.4 Особенности механизма фотоизомеризации 65 нафтаценпиридонов

3.5 Особенности протекания фотоизомеризации 68 нафтаценхинонов при низких температурах.

Глава 4. Двухфотонно-инициируемая фотоизомеризация при импульсном возбуждении в полимерных матрицах. Применение для записи и хранения информации.

4.1 Двухфотонно-инициируемые реакции при 72 облучении фемтосекундными лазерными импульсами. Теоретическое рассмотрение.

4.2 Двухфотонные реакции нафтаценхинонов 81 и нафтаценпиридонов в полимерных матрицах, сечения двухфотонного поглощения.

4.3 Возможности практического применения 92 двухфотонно-инициируемых реакций для записи информации.

Выводы.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Малахов, Дмитрий Викторович

Выводы

1. Фотохимические реакции изомеризации фенокси-нафтаценхинонов и нафтаценгшридонов протекают через триплетиые возбужденные состояния с возможным участием промежуточной спироформы.

2. Обнаружена корреляция между экспериментально измеренными квантовыми выходами пара-ана фотоизомеризации и рассчитанными методом ЧПДП/С и AMI величинами энергетического барьера на триплетной ППЭ для ряда производных феноксинафгаценхинона.

3. Величина константы скорости интеркомбинационной конверсии б-фенокси-5,12-нафтаценхинона составляет около 10" с"1.

4. Появление сольватохромизма и флуоресцентных свойств ациламипозамещенных нафтаценхинонов связаны с переносом протона от амидиой группы к карбонильному атому кислорода.

5. Необратимое фоторазложение нафтаценпиридонов как в растворах, так и в полимерных матрицах, вызвано взаимодействием возбужденных состояний с кислородом и значительно уменьшается при уменьшении концентрации кислорода.

6. Сечения двухфотонного поглощения, измеренные с помощью двухфотонно-инициируемых реакций фотоизомеризации, составляют 0,2+0,1 • 10"50 см^с (А.=800 им ) для 6-фенокси-5,12-нафтаценхинона и 0,05±0,02-Ю"50 см4 с (А,=860 нм) для нафтаценпиридона.

7. При двухфотонном возбуждении реакция фотоизомеризации нафтаценхинонов и нафтаценпиридонов также протекает по триплетному механизму. Спектральная зависимость двухфотонной реакции пара-хинон - ана-хинон совпадает со спектром поглощения пара-нафтаценхинона, в то время как аналогичная зависимость реакции ана-пара-хинон значительно отличается от спектра поглощения ана-хинона. Из-за этого величина предельного накопления фотоиндуцированной формы при однофотонном возбуждении более чем в 2 раза превышает предельное накопление фотоиндуцированной формы при двухфотонном возбуждении.

8. Показана возможность применения локальных двухфотонно-инициируемых реакций нафтаценхинонов и нафтаценпиридонов в многослойных полимерных матрицах для записи информации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Малахов, Дмитрий Викторович, 1999 год

1. Barachevsky V.A. // Light-sensitive organic media with nonlinear optical properties // Proc. SPIE, 1998, vol. 3417, p. 236-246.

2. J.D. Bhawalkar, P.N. Prasad. // Nonlinear multiphoton processes in organic and polymeric materials // Rep. Prog. Phys., 1996, v. 59, 1041-1070.

3. A. Fischer, C. Cremer, E.H.K. Stelzer. // Fluorescence of coumarins and xanthenes after two-photon absorptionwith a pulsed titanium-sapphire laser. // Appl. Opt., 1995, v. 34, N 12, p. 19892003.

4. V. Nathan, A.Y. Guenther, S.S. Mitra. // Review of multiphoton absorption in crystalline solids. // J. Opt. Soc. Am. В., 1985, v. 2, N 2, 294-316.

5. T.Miyasawa, S.Koshihara, Y.Scgawa, M.Kira. // Selective Isomerization of cis-Stilbene by Non-resonant Two-Photon Excitation. // Chem.Lett. 1995, p. 217-218.

6. Parthenopoulos D.A., Rentzepis P.M. // Three-dimensional optical storage memory. // Science, 1989, v. 245, p. 843.

7. Маньджиков В.Ф. // Исследование двухфотонного возбуждения фотохромизма раствороь спиропиранов. // Автореферат канд. дисс., МГУ, 1974.

8. Маньджиков В.Ф., Дарманян А.П., Барачевский В.А., Герулайтис Ю.Н. // Фотохромизм органических соединений под действием лазерного излучения. // Опт. и еггект., 1972, т. 32. с. 412-413.

9. R.Piyaket, I.Cogor, S.C.Esener, C.Solomon, S.Hunter, J.E.Ford, A.S.Dvornikov, I.Tomov, P.M.Rentzepis. // Three-dimensional memory system based on two-photon absorption. // SPIE 1994, v. 2297, p. 435-446.

10. D.A. Parthenopoulos, P.M. Rentzepis. // Two-photon volume information storage in doped polymer system. // J. Appl. Phys. 1990, v. 68, N 11, p. 5814-5818.

11. A.S.Dvornikov, I.Cogor, F.McCormick, R.Piyaket, S.Esener, P.M.Rentzepis. // Molecular transformation as a means for 3D optical memory devices. // Opt.Commun. 1996, v. 128, p. 205210.

12. N.I. Koroteev, S.A. Magnitskii, V.V. Shubin, N.T. Sokoluk. // Photochemical and spectroscopic properties of naphthacenequinones as candidates for 3D optical data storage // Jpn. J. Appl. Phys. 1997, v. 36, p. 424.

13. F. Buchholtz, A. Zelichenok, V. Krongauz. // Synthesis of new photochromic polymers based on phenoxynaphthacenequinone. // Macromol., 1993, v. 26, p. 906-910.

14. Zh. Fang, Sh. Wang, Zh. Yang, Bo Chen, F. Li, J. Wang, S. Xu, Z. Jiang, T. Fang. // Synthesis and photochromism in solution of phenoxynaphthacenequinone derivatives. // J. Photochem. Photobiol, A. 1995, v. 88, p 23-30.

15. Letokhov V.S. // Laser-Induced Chemistry- Basic Nonlinear Processes and Applications. // Appl. Phys. В., 1988, v. 46, p.237-251.

16. Строкач Ю.П., Барачевский В.А., Соколюк H.T., Герасименко Ю.Е. // Механизм фотоизомеризации феноксинафтаценхинонов в растворах при лазерном фотовозбуждении. // Хим.Физика 1987, т. 6, № 3, с. 320-325.

17. Malkin J., Zelichenok A., Krongauz V., Dvornikov A.S., Rentzepis P.M. // Photochromism and Kinetics of Naphthacenequinones. // J. Am. Chem. Soc. 1994, v. 116, p 1101-1105.

18. В.И. Ерошкин, Е.Г1. Фокин, А.П. Волков, Т.А. Андреева, JI.С. Клименко, Ю.К. Долгих, А.Ф. Симоненко. // Сравнительное изучение фотохромных свойств 1-арилоксиантрахинонов в полимерных пленках. // Журн. Физ. Хим., 1991, т. 65, № 6, с. 1479-1484.

19. И.Л. Белайц, Н.И. Кунавин, Р.Н. Нурмухаметов, А.Е. Подорольская. // Спектры поглощения и люминесценции 2-винил производных индандиона-1,3. // Оптика и спектроскопия, 1975, т. 38, № 5, с. 908-912.

20. Н.А. Борисевич, Н.А. Лысак, С.В. Мельничук, С.А. Тихомиров, Г.Б. Толсторожев. // Пикосекундная спектроскопия кетильного радикала. // ДАН СССР, 1987, т. 295, № 4 , с. 900-903.

21. Б.M. Красовицкий, Б.M. Болотин. // Органические люминофоры, Л, Химия, 1976.

22. Перевод с японского языка статьи Фотохимия производных антрахинона, Х.Иноуэ и М.Хида, помещенной в журнале «Юки госей кагаку кекайси», 1974, т.32, № 5, с. 348-361., Всесоюзный центр переводов, перевод № Ц-47549.

23. N.P.Gritsan, A.Kellmann, F.Tfibel, L.S.Klimenko. // Laser Photolysis Study of the Reaction Mechanism in the Photochromism of l-(Acyloxy)-2-methoxyanthraquinones. // J. Phys. Chem. A, 101,794-801, 1997.

24. N.P. Gritsan, I.V. Khmelinski O.M. Usov. // Experimental and Theoretical Study of Photoenolization Mechanism for 1-Methylanthraquinone. // J. Am. Chem. Soc, 1991, 113, 96159620.

25. B.B. Романов. // Синтез и свойства некоторых пери-арилокси пара- и ана- хинонов. автореферат диссертации, НИОПиК, Москва, 1981.

26. Органические фотохромы под ред. А.В.Ельцова., Л:Химия, 1982.

27. Ya. Yokoyama, S. Fukui, Yo.Yokoyama. // Photochromic Properties of i hermallv Irreversible 6-Aryloxy-5,12-naphthacenequinones. // Chem.Lett., 355, 1996.

28. N.P.Gritsan, L.S. Klimenko, E.M. Shvartsberg, I.V. Khmelinski, E.P.Fokin. // Mechanism of photochromic transformations of pery-acyloxy-9,10- and- 1,4-anthraquinone derivatives. // J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 1990, v. 52, N 1, p. 137-156.

29. P.Boldt, S.Zippel, G.Haucke. // l-Amino-4-(4-hydroxyalkylphenyl)- and l-Amino-4-(co-hydroxyalkoxy)-9,10-anthraquinones for photochromic methacrylate polymers. // J. Chem. Res.(M), 1997, p. 2318-2346.

30. J. Abe, N. Nemoto, Y. Nagase, Y. Shirai. // Novel concept for non-destructive readout method for photochromic rewriteable memory devices. // Chem. Phys. Lett. 1997, v. 276, p. 450.

31. В.Я. Артюхов, А.И. Галеева. // Спектроскопическая параметризация метода ЧПДП. // Изв. вузов MB и ССО СССР, Физика, 1986, №11, с. 96-100.

32. Грачев В.Т., Игнатов В.Ф., Зволинский В.П., Соколюк Н.Т. // Электронная структура и фотохромизм 6-фенокси-5,12- и 5-фенокси-6,12-нафтаценхипонов. // Тезисы I Конференции научно-учебного центра физ.-хим. методов 12-14.01.88 УДИ. Москва, 1988, стр 48.

33. M.J.S. Dewar, E.G. Zoebisch, E.F.Healy, J.J.P.Stewart. // AMI: A New General Purpose

34. Quantum Mechanical Molecular Model. // J. Am. Chem. Soc., 1985, v. 107, p. 3902-3909.

35. Е.В. Быстрицкая, 'Г.С. Карпович, О.Н. Карпухин. // Кинетическая неэквивалентность молекул азосоединений в реакции фотоизомеризации в полимерной матрице. // ДАН СССР, 1976, т. 228, №3, с. 632-635.

36. О.Н. Карпухин. // Влияние подвижности среды на формально-кинетические закономерности протекания химических реакций в конденсированной фазе. // Усп. Хим. 1978, т. 47, №6, с. 1119-1143.

37. Я.С. Лебедев. // Кинетика химических реакций с широкой дисперсией реакционной способности. // Кинет, катал., 1978, т. 19, № 6, с. 1367-1375.

38. F. Tatezono, Т. llarada, Y. Shimizu, М. Ohara М. hie. // Photochrome rewriatable memory media: a new nondestructive readout method. // Jpn. J. Appl. Phys, 1993, v. 32 PI, N 9A, p. 3987-3990.

39. B.A. Маркель, М.И. Штокман. // Кинетика двухквантового сенсибилизированного возбуждения в синглетном и синглег-триплетном каналах. // Опт. и спектр., 1989, т. 67, вып. 1, с.115-121.

40. A. Tsuchida, W.Sakai, М. Miyake, М. Yamamoto. // Two-photon ionization of aromatic molecules in polymer matrices. // J. Photopolym. Sci. Technol., 1991, v. 4, N 2, p. 221-224.

41. M. Uchida, M. Irie, // Structural Properties for Two-photon Photochromism of Pvran Derivatives // Chem.Lett., 1995, p. 323-324.

42. S.V. Andreyev, V.S. Antonov, I.N. Knyazev, V.S. Letokhov. // Two-step photoionization of H2CO by radiation of N2 and H2 lasers and measurement of the lifetime of its (A2 state. // Chem. Phys. Lett. 1977, v. 45, N 1, p. 166-168.

43. J.T. Richards, J.K. Thomas. // The biphotonic photolysis of liquid benzene. // Chem. Phys. Lett. 1970, v. 5, N 8, p. 527-528.

44. Rousseau D.L., Leroi G.E., Link G.L. // Two-photon induced chemical reaction in AgCl. // J.Chem. Phys., 1965, v. 42, N 11, p 4048-4049.

45. Speiser S., Oref I., Goldstein Т., Kimel S., // Laser-induced two-photon decomposition of azoethane. // Chem. Phys. Lett. 1971, v. 11, N. 1, p. 117-119.

46. Dvornikov A.S., Rentzepis P.M. // Novel organic ROM materials for optical 3D memory devices. // Opt. Commun. 1997, v. 136, p 1-6.

47. M. Castillejo, M. Martin, R. Nalda, J. Solis. // Nanosecond versus picosecond near UV multiphoton dissotiation of ketene. //Chem. Phys. Lett., 1997, v. 268, p.465-470.

48. Q. Zhang, U. Marvet, M. Dantus. // Femtosecond dynamic of photoinduced molecular detachment from halogenated alkanes. II Asynchronous concerted elimination of h from Clhh- // J. Chem. Phys., 1998, v. 109, N 11, p. 4428-4442.

49. S.A. Trushin, K. Sugawara, II.Takeo. // Observation of CrCO in the 5pm multiphoton decomposition of Cr(CO)6 // Chem. Phys. Lett. 1997, v. 267, N 5-6. p. 573-579.

50. T. Miyazawa, Ch. Liu, M. Kira. // Selective Carbon-Bromine Bond Fission Induced by Non-Resonant Two-Photon (NRTP) Excitation of trans-4-Bromostilbene. // Chem. Lett., 1997, p. 459.

51. Gritsan N.P., Klimenko L S., Leonenko Z.V., Mainagashev I.Ya., Mamatyuk V.I., Vetchinov V.P. // Experimental and quantum chemical study of the reaction of 1,10-anthraqumones with alcohols and amines.//Tetrahedron, 1995, v. 51, N. 10, p. 3061-3076.

52. Gostev F.E., Kachanov A.A., Kovalenko S.A., Lozovoy V.V., Panov S.I., Sarkisov O.M., Sviridenkov E.A., Titov A.A., Tovbin D.G. // Instruments and Experimental Techniques. 1996, v 39, p.567.

53. J.B. Birks. // Photophysics of Aromatic Molecules, Wiley-Interscience, London 1970.

54. Nepras M, Novak A. // Electronic structure and properties of polynuclear aromatic ketones and quinones.VII Phosphorescence and polarization of phosphorescence of linear polynuclear p-quinones. // Coll. Czech. Chem. Commun. 1977, v. 42, p. 2343.

55. Плотников В.Г. // Теоретические основы спектрально-люминесцентой систематики молекул. // Усп. Химии, 1980, т.49, с. 327.

56. Iwata, К.; Weaver, W.L.; Gustafson, T.L. // Time dependence of the depolarization ratio in picosecond time-resolved Raman spectroscopy. Effect of reorientation. // Chem. Phys. Lett., 1993, v. 210, N. 1-3, p. 50-54.

57. П.Г. Крюков, B.C. Летохов. // Распространение импульса в резонансно усиливающей (поглощающей) среде. // Усп. Физ. Наук 1969, т. 99, № 2, с. 169-227.

58. С. Xu W.W. Webb. // Measurement of two-photon excitation cross sections of molecular fluorophores with data from 690 to 1050 nm. // J. Opt. Soc. Am. 1996, v. 13, N 3, p. 481-491.

59. Н.И. Коротеев, И.Л. Шумай, Физика мощного лазерного излучения, М., Наука, 1991.

60. К.М. Dyumaev, А.А. Manenkov, А.P. Maslyukov, G.A. Matyushin, V.S. Nechitailo, A.M. Prokhorov. // Dyes in modified polymers: problems of photostability and conversion efficiency at high intensities. // J. Opt. Soc. Am. 1992, v. 9, N 1, p. 143.

61. D.E. Spence, P.N. Kean, W. Sibett. // 60-fsec pulse generation from a self-mode-locked Ti:sapphire laser. // Opt. Lett. 1991, v. 16, N 1, p 42-44.

62. M.J.P. Dymott, A.I. Ferguson. // Self-mode-locked diode-pumped Cr:LiSAF laser. // Opt. Lett. 1994, v. 19, N23, p. 1988-1990.

63. K. Tamura, C.R. Doerr, L.E. Nelson, H.A. Haus E.P. Ippen. // Technique for obtaining high-energy ultrashort pulses from an additive-pulse mode-locked erbium-doped liber ring laser. // Opt. Lett. 1994, v. 19, N1, p. 46-48.

64. Ю.Е. Герасименко, H.T. Соколюк, Л.П. Писулина. // Некоторые антра- и нафтаценопиридоны и пиридины, их таутомерия и фотохромизм. // Ж. Орг. Хим. 1984, т. 20, № 5, с. 1078-1083.

65. G.S. Не, L. Yuan, N. Cheng, J.D. Bhawalkar, P.N. Prasad, L.L. Brott, S.J. Clarson, B.A. Reinhardt. // Nonlinear properties of a new chromophore, J. Opt. Soc. Am. В., 1997, v. 14, N 5, p.1079-1087.

66. J. Walz, K. Ulrich, H. Port, II.C. Wolf. // Fulgides as switches for intramolecular energy transfer. // Chem. Phys. Lett. 1993, v. 213, N 3-4, p. 321-324.

67. Binyukov V.I., Koroteev N.I., Krikunov S.A., Magnitskii S.A., Malakhov D.V., Shubin V.V. // Photoisomerization quantum yields of naphthacenequinones embedded into polymeric matrices. // Jpn. J. Appl. Phys., 1998, v. 37, N 4B, p. 2118.