Квантовохімічні розрахунки електронних спектрів поглинання: Ab initio чи напівемпірика?
Анотація
З метою розробки підходів до прогнозу спектральних властивостей органічних барвників для сонячних комірок були проведені тестові розрахунки типових спряжених систем із різними структурними фрагментами. Серед них бензеновий, оксазольний, оксадіазольний, тіофеновий та кумариновий фрагменти. В якості замісників виступали нітро-, метокси-, диметиламіно- і діетиламіно- групи. Згідно з отриманими експериментальними даними, найбільші бато- і гіперхромні зсуви спектрів давала сполука із діетіламіногрупа в 7 положенні кумаринового фрагменту. Експериментальні спектри поглинання були виміряні розчинниках з різною полярністю. Серед них циклогексан, диметоксіетан, тетрагідрофуран, метанол, ацетонітрил та диметилсульфоксид. Показано, що не відбувається істотних змін λ(max) поглинання для сполук на основі кумарину, при зміні розчинника на більш полярний. Однак, при цьому, помітна тенденція до збільшення інтенсивності поглинання. Для теоретичної інтерпретації електронних спектрів поглинання використовувалася неемпірична теорія функціоналу густини (DFT), а також напівемпіричні методи (PPP/CIS, ZINDO/S, AM1/CIS). У розрахунках DFT використовувалися функціонали B3LYP, CAM-B3LYP, M06-2x, PBE1PBE та wB97XD. Показано, що різні функціонали DFT проявляють суттєву розбіжність в оцінках електронних збуджень. Зроблено висновок, що спектральні розрахунки DFT повинні виконуватися з використанням як функціоналу B3LYP, так і CAM-B3LYP (або M06-2x). Для оцінки сольватохромних властивостей π-спряжених сполук у рамках DFT використовувалася теорія лінійного відгуку. Загалом було показано, що напівемпіричні підходи, особливо π-електронний метод PPP/CIS та всевалентний метод ZINDO/S, можуть надати адекватні оцінки енергій збудження π-спряжених барвників за помірних витрат комп’ютерних ресурсів.
Завантаження
Посилання
O'Regan B., Grätzel M. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. Nature. 1991, 353(6346), 737-740. https://doi.org/10.1038/353737a0
Smestad G., Bignozzi C., Argazzi R. Testing of dye sensitized TiO2 solar cells I: Experimental photocurrent output and conversion efficiencies. Solar Energy Materials and Solar Cells. 1994. 32(3), 259-272. https://doi.org/10.1016/0927-0248(94)90263-1
Kay A., Grätzel M. Low cost photovoltaic modules based on dye sensitized nanocrystalline titanium dioxide and carbon powder. Solar Energy Materials and Solar Cells. 1996, 44(1), 99-117. https://doi.org/10.1016/0927-0248(96)00063-3
Hagfeldt A., Grätzel M. Molecular Photovoltaics. Acc. Chem. Res. 2000. 33(5), 269-277. https://doi.org/10.1021/ar980112j
Nazeeruddin M.K., De Ngelis F., Fantacci S., Selloni A., Viscardi G., Liska P., Ito S., Takeru B., Grätzel M. Combined Experimental and DFT-TDDFT Computational Study of Photoelectrochemical Cell Ruthenium Sensitizers. J. Am. Chem. Soc. 2005. 127(48), 16835-16847. https://doi.org/10.1021/ja052467l
Chiba Y., Islam A., Watanabe Y., Komiya R., Koide N., Han L. Dye-Sensitized Solar Cells with Conversion Efficiency of 11.1%. Jpn. J. Appl. Phys. 2005. 45(25), L638-L640. https://doi.org/10.1143/jjap.45.l638
Cao Y., Bai Y., Yu Q., Cheng Y., Liu S., Shi D., Gao F., Wang P. Dye-Sensitized Solar Cells with a High Absorptivity Ruthenium Sensitizer Featuring a 2-(Hexylthio)thiophene Conjugated Bipyridine. J. Phys. Chem. C. 2009. 113(15), 6290-6297. https://doi.org/10.1021/jp9006872
Gonga J., Sumathya K., Qiaob Q., Zhoub Z. Review on dye-sensitized solar cells (DSSCs). Advanced techniques and research trends. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. 68. 234–246. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.09.097
Carella A., Borbone F., Centore R Research progress on photosensitizers for DSSC. Frontiers in Chemistry. 2018, 6, 481 (24 pages). https://doi.org/10.3389/fchem.2018.00481
Sharma K., Sharma V., Sharma S. S. Dye-Sensitized Solar Cells: Fundamentals and Current Status. Nanoscale Research Letters. 2018, 13, 381 (46 pages). https://doi.org/10.1186/s11671-018-2760-6
Devadiga D., Selvakumar M., Shetty P., Santosh M.S. Dye-Sensitized Solar Cell for Indoor Applications: A Mini-Review. Journal of Electronic Materials, 2021, 50(6), 3187-3205. https://doi.org/10.1007/s11664-021-08854-3
Bera S., Sengupta D., Roy S., Mukherjee K. Research into dye-sensitized solar cells: a review highlighting progress in India. J. Phys. Energy. 2021, 3. 032013 (30 pages). https://doi.org/10.1088/2515-7655/abff6c
Kokkonen M., Talebi P., Zhou J., Asgari S., Soomro S.A., Elsehrawy F., Halme J., Ahmad S., Hagfeldt A., Hashmi S.G. Advanced research trends in dye-sensitized solar cells. J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 10527-10545. https://doi.org/10.1039/d1ta00690h
Theoretical And Computational Developments In Modern Density. Functional Theory A. K. Roy Ed, Nova Science Publishers, Inc.: New York, 2013; 598 p.
Gaussian 09, Revision A.02, M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, X. Li, M. Caricato, A. Marenich, J. Bloino, B. G. Janesko, R. Gomperts, B. Mennucci, H. P. Hratchian, J. V. Ortiz, A. F. Izmaylov, J. L. Sonnenberg, D. Williams-Young, F. Ding, F. Lipparini, F. Egidi, J. Goings, B. Peng, A. Petrone, T. Henderson, D. Ranasinghe, V. G. Zakrzewski, J. Gao, N. Rega, G. Zheng, W. Liang, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, T. Vreven, K. Throssell, J. A. Montgomery, Jr., J. E. Peralta, F. Ogliaro, M. Bearpark, J. J. Heyd, E. Brothers, K. N. Kudin, V. N. Staroverov, T. Keith, R. Kobayashi, J. Normand, K. Raghavachari, A. Rendell, J. C. Burant, S. S. Iyengar, J. Tomasi, M. Cossi, J. M. Millam, M. Klene, C. Adamo, R. Cammi, J. W. Ochterski, R. L. Martin, K. Morokuma, O. Farkas, J. B. Foresman, and D. J. Fox, Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2016.
Schmidt M. W., Baldridge K. K., Boatz J. A., Elbert S. T., et al. General atomic and molecular electronic structure system. J. Comput. Chem. 1993, 14 (1), 1347-1363. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112
Tirado-Rives J., Jorgensen W. L. Performance of B3LYP Density Functional Methods for a Large Set of Organic Molecules J. Chem. Theory Comput. 2008, 4, 297–306. https://doi.org/10.1021/ct700248k
Zhao Y., Truhlar D.G. The M06 suite of density functionals for main group thermochemistry, thermochemical kinetics, noncovalent interactions, excited states, and transition elements: two new functionals and systematic testing of four M06-class functionals and 12 other functionals. Theor Chem Account. 2008, 120, 215-241. https://doi.org/10.1007/s00214-007-0310-x
Silva-Junior M. R., Schreiber M., Sauer S. P., Thiel W. Benchmarks for electronically excited states: Time-dependent density functional theory and density functional theory based multireference configuration interaction. J. Chem. Phys. 2008, 129, 104103. https://doi.org/10.1063/1.2973541
Leang S. S., Zahariev F., and Gordon M. S. Benchmarking the performance of time-dependent density functional methods. J. Chem. Phys. 2012, 136, 104101. https://doi.org/10.1063/1.3689445
Krasovitsky B. M., Afanasiadi, L. M. Preparative Chemistry of Organic Luminophores. Kharkiv: Folio, 1997; 205 p. [in Rus]. Красовицкий Б. М., Афанасиади Л. М. Препаративная химия органических люминофоров, Харьков: Фолио, 1997; 205 с.
Krasovitsky B.M., Grinev B.V., Vinetskiaya J. M., Bogdanova L.I. Spectra of organic luminophores. Atlas, Volume 1. Kharkiv: Folio, 2001; 139 p. [in Rus]. Красовицкий Б. М., Гринев Б. В., Винецкая Ю. М., Богданова Л. И. Спектры органических люминофоров. Атлас. Выпуск первый. Харьков: Фолио, 2001; 139 с.
Krasovitsky B.M., Grinev B.V., Vinetskiaya J. M., Bogdanova L.I. Spectra of organic luminophores. Atlas, Volume 2. Kharkiv: Folio, 2001; 151 p. [in Rus]. Красовицкий Б.М., Гринев Б. В., Винецкая Ю. М., Богданова Л. И. Спектры органических люминофоров. Атлас. Выпуск второй. Харьков: Фолио, 2003; 151 с.
Kovalenko S. N., Sytnik K. M., Nikitchenko V. M., Rusanova, S. V., Chernykh V. P., Porokhnyak A. O. Recyclization of 2-imino-2H-1-benzopyrans by the action of nucleophilic reagents 4. Use of 2-(N-aroylhydrazono)coumarin-3-carboxamides for the synthesis of 3-(1,3,4-oxadiazol-2-yl)coumarins. Chem. Heterocycl. Compd. 1999, 35 (2), 167–170. https://doi.org/10.1007/BF02251703
Zubkov V. A., Kovalenko S. N., Chernykh V. P., Ivkov S.M. New derivatives of coumarin: 2-(N-R-imino)-2H-1-benzopyrans. Chem. Heterocycl. Compd. 1994, 30 (6), 665–670. https://doi.org/10.1007/BF01166306
Kovalenko S. N., Zubkov V. A., Chernykh V. P., Turov A. V., Ivkov S. M. Recyclization of 2-imino-2H-1-benzopyrans under the influence of nucleophilic reagents. 1. New approach to the synthesis of 3-(1,3,4oxadi-, thiadi-, and triazolyl-2)coumarins. Chem. Heterocycl. Compd. 1996, 32(2), 163–168. https://doi.org/10.1007/BF01165439
Tomasi J., Mennucci B., Cammi R., Quantum mechanical continuum solvation models. Chemical Reviews. 2005, 105, 2999. https://doi.org/10.1021/cr9904009
Mennucci B., Caricato M., Ingrosso F., Cappelli C., Cammi R., Tomasi J., Scalmani G. How the environment controls absorption and fluorescence spectra of PRODAN: A quantum-mechanical study in homogeneous and heterogeneous media. The Journal of Physical Chemistry B. 2008, 112, 414-423. https://doi.org/10.1021/jp076138m
Pariser R., Parr R. G. A semi-empirical theory of the electronic spectra and electronic structure of complex unsaturated molecules. I. J. Chem. Phys. 1953, 21(3), 466-471. https://doi.org/10.1063/1.1698929
Pariser R., Parr R. G. A semi-empirical theory of the electronic spectra and electronic structure of complex unsaturated molecules. II. J. Chem. Phys. 1953, 21 (5), 767-776. https://doi.org/10.1063/1.1699030
Zakharov A. B., Ivanov V.V., Adamowicz L. Optical Parameters of p-Conjugated Oligomer Chains from the Semiempirical Local Coupled-Cluster Theory. In book: “Practical Aspects of Computational Chemistry IV”, J. Leszczynski, M. K. Shukla, Eds. Springer Scence+Business Media, New York 2016. Chapter 3, P. 57-102. https://doi.org/10.1007/978-1-4899-7699-4_3
Da Motta L., Neto J. D., Zerner M. C. New parametrization scheme for the resonance integrals (Hμv) within the INDO/1 approximation. Main group elements. International Journal of Quantum Chemistry. 2001, 81, 187-201. https://doi.org/10.1002/1097-461X(2001)81:3<187::AID-QUA1>3.0.CO;2-B
RDKit: Open-source cheminformatics; http://www.rdkit.org
Mardirossian N. Head-Gordon M. Thirty years of density functional theory in computational chemistry: an overview and extensive assessment of 200 density functionals. Mol Phys. 2017, 115, 2315-2372. https://doi.org/10.1080/00268976.2017.1333644
Yanai T., Tew D. P., Handy N. C. A new hybrid exchange–correlation functional using the Coulomb-attenuating method (CAM-B3LYP) Chemical Physics Letters. 2004, 393, 51–57. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2004.06.011
Kirkwood J. G. Theory of solutions of molecules contaiting widely separated charges with special applications to zwitterions J. Chem. Phys. 1934, 2. 351-361. https://doi.org/10.1063/1.1749489
Continuum Solvation Models in Chemical Physics: From Theory to Applications B. Mennucci, R. Cammi eds. John Wiley & Sons, Ltd.: Chichester, 2007; 619 p.
Цитування
Towards the computational design of organic molecules with specified properties
Zakharov Anton B., Kyrpa Mariia, Kyrychenko Alexander V., Kovalenko Sergiy M., Kalugin Oleg N., Ivanov Volodymyr V. & Adamowicz Ludwik (2025) Structural Chemistry
Crossref
