图5、6、7、8分别为ZnPc、ZnPcNO2在DMF、DMSO中的紫外可见光谱。由UV-Vis电子吸收光谱图可看出,在300-400nm和600-700nm范围内有两个酞菁类化合物所具有的特征吸收带。通常的紫外可见吸收光谱观测到的是Q带与B带两特征吸收峰,Q带在可见光区600-700nm,B带在近紫外区300-400nm。
对比同一溶剂中ZnPc与ZnPcNO2的UV-Vis电子吸收光谱图可以发现,ZnPcNO2的Q带较ZnPc在DMF中有约40nm的红移,在DMSO中约有40nm的红移。由于Q带的位置与中心金属及周环取代基团种类、位置、数目以及分子间聚集形态等因素密切相关,其形成是由酞菁π电子的π→π*的跃迁,其最大吸收峰为电子从最高已占轨道HOMO向最低空轨道LOMO所贡献。在化合物中HOMO轨道有环内碳原子提供,LUMO由碳原子和氮原子提供;而在苯环上引入硝基吸电子基团后,降低了酞菁环电子云密度,使得HOMO与LUMO间能级变大,增加电子跃迁所需能量。
在对比不同浓度下的配合物吸收光谱可以发现,对于ZnPc-DMF与ZnPc-DMSO,随着浓度的下降,600-700nm间的峰强度不断减弱,由于在610nm附近的峰远小于670nm处的峰,推测此时ZnPc主要以单体存在,可能存在少量聚集体;对于ZnPcNO2-DMSO,峰值同样随浓度下降而下降,但是600-700nm之间的两个峰值基本相近,推测其主要以聚集体(二聚体)存在,而在ZnPcNO2-DMF中出现的3个峰则推测为可能是三聚体的存在,由此主要是由于硝基的存在使酞菁环上电荷密度分散, 降低了分子间的静电排斥, 促使分子相互聚合。
对比ZnPc-DMF与ZnPc-DMSO的UV-Vis谱图,可以发现谱图没有明显差异。这是因为DMF和DMSO这两种溶剂都是强极性非质子溶剂,极性相差不大(偶极矩:DMF为3.79,而DMSO为3.96),虽然DMSO极性大于DMF,但是由于酞菁环结构的稳定性较好,因而其吸收峰强度变化不大;而对于ZnPcNO2-DMF与ZnPcNO2-DMSO的UV-Vis谱图,DMF中各峰值均高于DMSO中的峰(前者强度约为后者的两倍),主要是因为在强极性溶剂DMSO中,其对配合物基态与激发态的作用强于DMF,
*
使得π→π轨道能级降低。
1.61.41.2Intensity(a.u.)ZnPc-UV-DMF1.00.80.60.40.20.0300 10uM/L8uM/L3446uM/L4uM/L2uM/L1uM/L670606400500600wavelength/nm700800
图5 ZnPc UV-Vis电子吸收光谱(DMF) 1.21.00.8ZnPc-UV-DMSOIntensity (a.u.)0.60.40.20.010uM/L3486746108uM/L6uM/L4uM/L2uM/L1uM/L300400500600700800Wavelength (nm)图6 ZnPc UV-Vis电子吸收光谱(DMSO)
0.500.450.40ZnPcNO2-UV-DMFIntensity(a.u.)0.350.300.2510uM/L0.208uM/L0.156uM/L0.104uM/L0.050.002uM/L1uM/L300500600700wavelength/nm图7 ZnPcNO UV-Vis电子吸收光谱(DMF) 2400800
0.300.25ZnPcNO2-UV-DMSO10uM/LIntensity(a.u.)0.208uM/L0.150.100.050.006uM/L4uM/L2uM/L1uM/L300 400500600wavelength/nm700800
图8 ZnPcNO2 UV-Vis电子吸收光谱(DMSO) 图9、10、11、12分别为ZnPc-DMF(610nm)、ZnPc-DMSO(610nm)、ZnPcNO2-DMF(650nm)、ZnPcNO2-DMSO(650nm)吸收峰(第2个吸收峰)的浓度与吸光度线性关系。
0.200.180.16Intensity(a.u.)0.140.120.100.080.060.040.020.0002468图9 ZnPc 610nm吸收峰的吸光度与浓度线性关系(DMF) A=0.01917C+0.010972 R=0.970710C(uM/L)
0.140.120.10Intensity (a.u.)0.080.060.040.020.0009C(图10 ZnPc 610nm吸收峰的吸光度与浓度线性关系(DMSO) uM/L)12345678y=0.01624x+0.00622 R=0.96920.250.20Intensity(a.u.)0.150.10A=0.02182C+0.005932 R=0.98800.050.0002468图11 ZnPcNO2 650nm吸收峰的吸光度与浓度线性关系(DMF) 10C(uM/L)0.250.20Intensity(a.u.)0.150.100.050.000246810C(uM/L)
A=0.02242C - 0.012852 R=0.9881图12 ZnPcNO2 650nm吸收峰的吸光度与浓度线性关系(DMSO) 酞菁金属配合物的摩尔消光系数?的计算是根据朗伯-比尔定律,计算公式为??A。通过1?C测得不同浓度的溶液中的吸光度,以浓度(c)和吸光度(A)作图求得线性关系,其斜率值即为?。 其中:?——PcM 的摩尔消光系数;A —— 溶液的吸光度;l —— 光程(1 cm);c ——PcM 的浓度。
表1 ZnPc、ZnPcNO2在不同溶剂中的摩尔吸光系数 ?(L·mol-1·cm-1) ZnPc-DMF 19170 ZnPc-DMSO 16240 ZnPcNO2-DMF 21820 ZnPcNO2-DMSO 22420
荧光光谱分析
图13、14、15、16分别为ZnPc-DMF、ZnPc-DMSO、ZnPcNO2-DMF、ZnPcNO2-DMSO荧光谱图。从测定结果看出:(1)在两种溶剂中,ZnPc的荧光峰均在610nm和676nm附近;而ZnPcNO2最强的荧光峰则是在720nm附近。(2)相同溶剂(DMF或DMSO)下,ZnPcNO2最大波长荧光峰位置相对于ZnPc均发生红移,红移40nm左右,而且在同浓度情况下,ZnPcNO2的荧光强度明显小于ZnPc。这表明吸电子基团的引入对于荧光强度有着很大的影响,这是由于硝基的吸电子效应降低了酞菁环电子云密度,使得HOMO与LUMO间能级变大,引起荧光光谱红移,且荧光峰强度降低。(3)同种配合物,尤其是ZnPcNO2,在不同溶剂中荧光强度变化有着很大的差异,其原因不仅可能是由溶剂性质引起的溶剂效应,而且可能存在溶剂配位引起的配位溶剂效应。具体表现为:1.酞菁化合物分子与溶剂分子之间的色散力及酞菁化合物分子固有偶极与溶剂分子诱导偶极间相互作用导致其在溶液中的最大吸收峰波长发生红移;2.溶剂和酞菁分子的固有偶极相互作用使其最大吸收峰波长产生小的红移;3.溶剂分子的固有偶极与酞菁分子的诱导偶极的相互作用仅使最大吸收峰波长产生微弱的红移。