Bazı azobenzen türevlerinin spektroskopik ve lineer olmayan optik özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, ticari firmalardan temin edilen ve 4 ve 4' pozisyonlarında elektron alıcıelektron verici grupların bağlı olduğu azobenzen türevlerinden dispers kırmızı 1 akrilat (disperse red 1 acrylate, C19H20N4O4, DR-1-AC), dispers kırmızı 1 metakrilat (disperse red 1 methacrylate, C20H22N4O4, DR-1-MC), dispers kırmızı 13 akrilat (disperse red 13 acrylate, C19H19ClN4O4, DR-13-AC) ve dispers kırmızı 13 metakrilat (disperse red 13 methacrylate, C20H21ClN4O4, DR-13-MC) bileşiklerinin temel seviye denge geometrik yapıları, titreşim spektrumları, NMR kimyasal kayma değerleri, elektronik soğurma spektrumları ve bazı elektronik ve nonlineer optik özellikleri deneysel ve/veya teorik yöntemlerle elde edildi. Tüm bileşiklerin temel seviye geometrileri B3LYP (DFT)/6-311++G(d,p) metodu kullanılarak elde edildi ve literatürde bu bileşiklere ait herhangi bir deneysel veriye rastlanmadığından, sonuçlar geometrik yapısı deneysel X-ışını dağılımı metoduyla aydınlatılmış olan benzer bir molekül ile karşılaştırıldı. Elde edilen optimize geometrik yapılar geriye kalan tüm hesaplamalarda giriş parametreleri olarak kullanıldı. Bileşiklerin titreşim spektrumları deneysel FT-IR tekniği ile 4000-400 cm-1 bölgesinde katı faz için kaydedildi ve B3LYP/6-311++G(d,p) metodu ile hesaplanarak karşılaştırıldı. Titreşim modlarının işaretlenmesi, SQM (scaled quantum mechanics) metoduyla elde edilen toplam enerji dağılımı (TED) sonuçları ve deneysel veriler kullanılarak gerçekleştirildi. 1H ve 13C NMR spektrumları kloroform (CDCl3) ve dimetilsülfoksit (DMSO) çözücüleri içerisinde kaydedildi ve GIAO (gauge-invariant atomic orbital) metodu kullanılarak teorik olarak hesaplanan sonuçlarla karşılaştırıldı. Böylece her bir hidrojen ve karbon atomunun kimyasal kayma değerleri belirlenerek bileşiklerin yapıları değerlendirildi ve literatürde yer alan benzer çalışmalarla karşılaştırıldı. Elektronik soğurma spektrumları mor ötesi-görünür bölge (UV-Vis) spektrometresi ile 200-800 nm aralığında etanol ve metanol çözücüleri içerisinde oda sıcaklığında kaydedildi ve zamana bağlı yoğunluk fonksiyonel teori (time dependent density functional theory, TDDFT) ve CIS(D) (singles-doubles configuration interaction) metotlarıyla teorik olarak elde edildi. Ayrıca gerçekleştirilen hesaplamalar sonucunda en yüksek dolu moleküler orbital (HOMO), en düşük boş moleküler orbital (LUMO) ve elektronik geçişlerde aktif rol aldıkları belirlenen diğer uyarılmış seviye moleküler orbital enerjileri, elektronik geçişler ve türleri, elektronik uyarılmaların gerçekleştiği dalga boyları ve dipol moment gibi bazı elektronik özellikler gaz fazı için ve çözücü içerisinde belirlendi ve bu sonuçların bir değerlendirilmesi verildi. İncelenen moleküllerin nonlineer optik özelliklerinden kutuplanabilirlik (polarizebilite) ve birinci aşırıkutuplanabilirlik (hiperpolarizebilite) değerleri tensörel bileşenleriyle birlikte teorik olarak hesaplandı ve sonuçlar literatürde yer alan benzer çalışmalarla karşılaştırıldı. Buna göre gerçekleştirilen tüm deneysel ve teorik çalışmalardan, incelenen moleküllerin temel seviyede trans konformasyonunda yer aldıkları, molekül içi güçlü bir elektronik yük transferinin olduğu ve söz konusu moleküllerin gösterdikleri iyi NLO özelliklerinden dolayı nonlineer optiksel malzemeler olarak kullanılmaya güçlü birer aday oldukları görüldü.

In this study, the ground state equilibrium structures, vibrational spectra, NMR chemical shift values, electronic absorption spectra and some electronic and nonlinear optical properties of commercially obtained selected azobenzene derivatives namely, disperse red 1 acrylate (C19H20N4O4, DR-1-AC), disperse red 1 methacrylate (C20H22N4O4, DR-1- MC), disperse red 13 acrylate (C19H19ClN4O4, DR-13-AC) and disperse red 13 methacrylate (C20H21ClN4O4, DR-13-MC) which are linked with electron withdrawingelectron donating groups on 4 and 4' positions were investigated. The ground state equilibrium structures of all compounds were determined by using B3LYP/6- 311++G(d,p) method, and since we have not found any experimental data for these compounds in literature, the results were compared with a similar molecule’s which the crystal structure was examined by XRD technique. The optimized geometrical structures were used as initial parameter for all remaining computations. The vibrational spectra of compounds were recorded by experimental FT-IR technique in 4000-400 cm-1 region for solid state, and compared with calculated ones using B3LYP/6-311++G(d,p) method. The vibrational modes were assigned with the help of experimental data and total energy distribution (TED) results obtained by SQM (scaled quantum mechanics) method. The 1H and 13C NMR spectra were recorded in chloroform (CDCl3) and dimethylsulfoxide (DMSO) solutions and compared with the calculated results obtained by using GIAO (gauge-invariant atomic orbital) method. Hence, the chemical shifts of hydrogen and carbon atoms were determined, and structures of the compounds were examined and compared with similar studies in literature. The electronic absorption spectra were recorded in ethanol and methanol solutions in 200-800 nm region using a UV-Vis spectrometer at room temperature, and obtained by time dependent-density functional theory (TD-DFT) and CIS(D) (singles-doubles configuration interaction) methods. Besides, some other electronic features such as energies of highest occupied molecular orbital (HOMO), lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) and some other excited level molecular orbitals, electronic excitations and species, the wavelengths that excitations are occurred and dipole moments were determined in vacuum and in solutions. The nonlinear optical properties such as polarizability and first hyperpolarizability of investigated molecules and their tensorial components were calculated and compared with the results of similar investigations in the literature. As a result, it was obtained from experimental and computational results that the all molecules exist in trans conformation in the ground state, they have a strong intramolecular charge transfer and therefore, they are strong candidates to be used in nonlinear optics.