The Role of the Charge State of the Molecule and the External Electric Field in the Functioning of Molecular Switches Based on Spiropyran Molecule

Abstract

The geometric structure and energy of the electronic system of spiropyran and merocyanine molecules in electrically neutral form, as well as in cationic and anionic form in the presence of an external electric field (from – 0.02 a.u. to + 0.02 a.u.) were investigated using quantum mechanical methods. Spiropyran and merocyanine molecules with attached hydrogen atom to the oxygen and nitrogen atoms were also studied. It is shown that the attaching of a hydrogen atom to a nitrogen atom causes breaking of N-Cspiro bond and in the case of attaching to the oxygen Cspiro-O bond cleavage is observed. In both cases, such cleavage is accompanied by sp3 → sp2 rehybridization of the atomic orbitals of the spiro atom. It is shown that in the electric field E = +0.01 a.u. the right and left moieties simultaneously turned on 90°, breaking common π- electronic system. It is discovered that in the electric field E = +(0.01-0.02) a.u. spiropyran molecule with attached hydrogen atom to the oxygen atom transforms into merocyanine molecule.

В роботі проведені дослідження геометричної структури і енергії електронної системи молекул спіропірана і мероціаніна в електронейтральної формі, а також в катіонній та аніонной формі в присутності зовнішнього електричного поля (від – 0,02 а.о. до +0,02 а.о.) з використанням квантово-механічних методів. Досліджено також молекули спіропірана і мероціаніна з приєднаним атомом водню до атома азоту або кисню. Показано, що приєднання атома водню до атома азоту викликає розрив зв'язку N-Cspiro, а приєднання до атому кисню - розрив зв'язку O-Cspiro. В обох випадках такий розрив супроводжується sp3 → sp2 перегібрідизацією атомних орбіталей спіроатома. Показано, що в електричному полі E = +0,01 а.о. правий і лівий фрагменти катіона мероціаніна одночасно розгортаються на 90о, розриваючи єдину π-електронну систему. Виявлено, що в електричному полі E = +(0,01- 0,02) а.о. молекула спіропірана з приєднаним до атому кисню атомом водню перетворюється в молекулу мероціаніна.

В работе проведены исследования геометрической структуры и энергии электронной системы молекул спиропирана и мероцианина в электронейтральной форме, а также в катионной и анионной форме в присутствии внешнего электрического поля (от – 0,02 а.е. до +0,02 а.е.) с использованием квантово-механических методов. Исследованы также молекулы спиропирана и мероцианина с присоединенным атом водорода к атому азота или кислорода. Показано, что присоединение атома водорода к атому азота вызывает разрыв связи N-Cspiro, а присоединение к атому кислорода − разрыв связи OCspiro. В обоих случаях такой разрыв сопровождается sp3 → sp2 -перегибридизацией атомных орбиталей спироатома. Показано, что в электрическом поле Е = +0,01 а.е. правый и левый фрагменты катиона мероцианина одновременно разворачиваются на 90°, разрывая единую π-электронную систему. Обнаружено, что в электрическом поле E = +(0,01-0,02) а.е. молекула спиропирана с присоединѐнным к атому кислорода атомом водорода превращается в молекулу мероцианина.