2-噻吩甲醛及其衍生物分子聚集结构的溶剂效应和激发态结构动力学研究

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具有活泼氢(如OH和NH基团)的羰基分子,通过两个羰基分子(二聚体)之间或羰基分子与溶剂分子(簇)之间的相互作用所形成的分子间氢键已被广泛研究。2-噻吩甲醛(2TC)是一种不含OH或NH基团的杂环芳香型含羰基分子。并且在纯液体和稀溶液中,它在C=O区的振动光谱上谱带不尽相同。因此,本文利用拉曼光谱、紫外吸收光谱和密度泛函理论(DFT)计算,研究了2TC分子聚集对C=O伸缩模振动频率的影响。同时,研究了2TC在Frank-Condon区域的激发态结构力学特征。另外,本文研究了5-硝基-2-噻吩甲醛(NTC)分子聚集对C=O伸缩模振动频率的影响及其在Frank-Condon区域的激发态结构力学特征。获得如下研究结果:(1)2-噻吩甲醛(2TC)有两种构象异构体cis-2TC/trans-2TC。基态禁阻cis-2TC异构化为trans-2TC,cis-2TC是主要的异构体。分子间氢键弱相互作用促进了二聚体、三聚体和四聚体的形成。单体、二聚体、三聚体和四聚体共存于纯液中,而单体是稀溶液中的主要组分。溶剂的极性或C=O键上的电荷密度对单体的C=O伸缩振动频率有显著影响。2TC浓度对分子聚集有显著影响。在极性溶剂(如乙腈和二恶烷)中,四聚体、三聚体、二聚体和单体的相对数量取决于溶液浓度。在中等或稀浓度下,2TC溶剂团簇或二聚体是主要组分,而在较浓的溶液中,三聚体和四聚体占主导地位。(2)测得2TC在乙腈和环己烷中两个强吸收带(分别被称为A带和B带)的最大吸收波长。采用245.9、252.7、282.4和299.1 nm的激发光获得了共振拉曼光谱,并进行了强度分析。研究结果显示在两种溶剂中2TC将在Franck-Condon区域上呈现不同的结构动力学特征。比如,2TC在乙腈溶剂中B带S3态主要沿着C4C3/C2C1伸缩振动+H6C2C3面内弯曲振动?6(|(35)i|=0.56,?i=238 cm-1)等运动展开。2TC在环己烷溶剂中B带S3态主要沿着C4C3/C2C1伸缩振动+H6C2C3面内弯曲振动?6(|(35)i|=0.56,?i=238 cm-1),O10C9伸缩振动?5(|(35)i|=0.48,?i=195 cm-1)运动展开,并伴随有其他振动。前者乙腈溶剂中,2TC总振动重组能为776 cm-1,后者环己烷溶剂中2TC总振动重组能为876 cm-1。两者相近,并且都将大多数振动重组能分配到噻吩环上。这表明,2TC S3态几何结构的变化,除主要沿噻吩环骨架振动外,C=O也经历了较大变化。(3)2TC在乙腈溶剂中A带S2态主要沿着O10C9伸缩振动?5(|(35)i|=0.56,?i=263cm-1),C4C3/C2C1伸缩振动+H7C3C4/H11C9O10面内弯曲振动?7(|(35)i|=0.61,?i=263cm-1),C4C3/C2C1伸缩振动+H7C3C4/H8C4S5/H11C9O10面内弯曲振动?9(|(35)i|=0.45,?i=135 cm-1),S5C4伸缩振动+O10C9C1/C4C3C2/C3C2C1面内弯曲振动?18(|(35)i|=0.58,?i=127 cm-1),S5C4伸缩振动+S5C4C3/O10C9C1/C9C1S5面内弯曲振动?20(|(35)i|=0.62,?i=128 cm-1),运动展开。2TC在环己烷溶剂中A带S2态主要沿着C4C3/C2C1伸缩振动+H7C3C4/H11C9O10面内弯曲振动?7(|(35)i|=0.7,?i=347 cm-1),O10C9伸缩振动?5(|(35)i|=0.6,?i=304 cm-1)运动展开,并伴随有C4C3/C2C1伸缩振动+H7C3C4/H8C4S5/H11C9O10面内弯曲振动?9(|(35)i|=0.5,?i=167 cm-1),S5C4伸缩振动+S5C4C3/O10C9C1/C9C1S5面内弯曲振动?20(|(35)i|=0.62,?i=128 cm-1),S5C4伸缩振动+O10C9C1/C4C3C2/C3C2C1面内弯曲振动?18(|(35)i|=0.49,?i=91 cm-1)。由于在ACN(∑?i=916 cm-1)中比在CHX(∑?i=1231 cm-1)中总的振动重组能减小,说明ACN使得2TC的激发态寿命比在CHX中变得更短。(4)利用密度泛函理论计算,确认基态5-硝基-2-噻吩甲醛(NTC)的存在形式以cis-NTC为主。结合密度泛函理论计算,对紫外吸收光谱的A带和B带进行了指认。获取了FT-IR、FT-Raman及273.9、282.4、299.1、309.1、319.9、341.5 nm下的共振拉曼光谱。光谱指认结果显示,纯固态的5-硝基-2-噻吩甲醛主要由cis-NTC组成。我们分析NTC的拉曼光谱,最终认为NTC初始的结构动力学主要沿S3(?H-1?L*,A’)势能面展开,并且在FC区域不存在明显的S3S1振动耦合。
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