碘-芳香烃弱束缚复合物光诱导分子间电子转移反应动力学

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本文采用量子化学计算与共振拉曼光谱相结合的方法对碘.苯复合物、碘.甲苯复合物以及碘.1,3,5三甲基苯复合物的光解短时动力学进行了分析研究,并通过密度泛函理论计算了卤素分子.苯复合物的各种可能构型的稳定化能量,振动频率以及电子跃迁能,最终得到这一体系中各复合物的最稳定结构。同时计算得到了碘.甲苯复合物以及碘.1,3,5三甲基苯复合物的稳定结构。比较了碘-芳香烃弱束缚复合物与碘:烯烃复合物在动力学特征上的不同以及本论文所讨论的三种碘-芳香烃弱束缚复合物在光解动力学方面的相同点及差异。 我们提出了卤素分子-苯复合物的六种(R,η<,6>,η<,2a>,η<,1a>,η<,2b>,η<,2b>,η<,1b>可能构型,用密度泛函理论分别计算了各构型的稳定化能(包括BSSE计算)、振动频率以及电子跃迁能,得到了η<,1a>。构型是F<,2>-C<,6>H<,6>和Cl<,2>-C<,6>H<,6>复合物最稳定的结构,而η<,2a>或η<,1a>是x<,2>-C<,6>H<,6>复合物(X=Br,I)能量最低点的结构。这些构型在气相或溶液相条件下将对光吸收和振动光谱做出重要贡献。采用与碘.苯复合物相同的计算基组,即B3LYP/Aug-cc-PVDZ(for C and H atoms)-SBD-cc-PVTZ ECPs(for I atom)计算水平对碘.甲苯复合物,碘.1,3,5三甲基苯复合物进行稳定构型的计算。文中通过计算比较了单独的甲苯分子的不同构型以及引入I<,2>后复合物的不同构型,得到单独的甲苯分子的稳定构型与碘.甲苯复合物的最稳定构型是完全相反的。碘.甲苯复合物的最稳定结构是碘原子面对苯环中不连甲基的碳原子向苯环平面外倾斜的构型,并且甲苯分子的甲基基团中有一个氢原子与苯环共平面。碘-1,3,5三甲基苯复合物的最稳定结构是碘原子面对苯环中不连甲基的碳原子向苯环面外倾斜的构型,三甲基苯分子的三个甲基基团中各有一个氢原子与苯环共平面。 在光解动力学方面,碘.苯复合物的不同激发波长的共振拉曼光谱显示,主要有四个Franck-Condon区域的基频。这四个Franck-Condon振动模分别是I.I键的伸缩振动(υ<,18>,211cm<-1>),苯环平面中C=C的对称伸缩振动(υ<,5>,1578cm<-1>),CCH的对称弯曲振动(υ<,7>,1188cm<-1>)以及苯环平面外的CH摇摆(υ<,15>,680cm<-1>)。用含时波包理论对碘-苯复合物进行绝对吸收横截面以及绝对拉曼横截面的拟合,得到碘-苯复合物主要振动模的简振模位移,并计算得到相对应的振动重组能。其中发生在I-I键伸缩振动(υ<,18>)的简振模位移△=8.02,振动重组能λ=6750cm<-1>。发生在苯环中C=C键伸缩振动(υ<,5>)的简振模位移△=0.55,振动重组能λ=239cm<-1>。 并与碘-烯烃复合物相应的参数进行比较,来判断由于复合物中电子给予体性质的变化所引起的电子转移反应的动力学特征的改变,从而得到碘-苯复合物光解反应动力学的电子转移机理。碘-甲苯复合物与碘-1,3,5三甲基苯复合物的共振拉曼光谱强度分析中主要考察了I-I键的伸缩振动和苯环平面中C=C的伸缩振动这两个主要振动模。在碘-甲苯复合物中这两个基频的位置分别为208cm<-1>(υ<,38>)和1595cm<-1>(υ<,10>),在碘-1,3,5三甲基苯复合物中它们的位置分别为203cm<-1>(υ<,54>)和1600cm<-1>(υ<,13>)。同理,通过强度分析可以得到碘.甲苯复合物与碘-1,3,5三甲基苯复合物在这两个主要振动模的简振模位移及对应的振动重组能。对于碘.甲苯复合物来说,发生在I-I键伸缩振动(υ<,38>)的简振模位移Δ=6.00,振动重组能λ=3726cm<-1>。发生在苯环中C=C键伸缩振动(υ<,10>)的简振模位移Δ=0.70,振动重组能λ=390cm<-1>。碘-1,3,5三甲基苯复合物发生在I-I键伸缩振动(υ<,54>)的简振模位移Δ=5.40,振动重组能λ=2960cm<-1>。发生在苯环中C=C键伸缩振动(υ<,13>)的简振模位移Δ=0.81,振动重组能λ=522cm<-1>。 通过三种复合物主要振动模的参数比较可以说明碘.芳香烃复合物中主要的振动模式是I-I键伸缩振动和苯环中C=C键伸缩振动,光解反应主要沿着这两个振动模进行,而且随着苯环中甲基数目的增多,发生在I-I键的振动重组能减小,而苯环中C=C键的振动重组能增大。表明甲基的存在使得I-I键的结构变化变小,I-I键不容易断裂,同时苯环内部C=C键结构变化较大,甲基的加入影响了苯环中C=C的结构变化。由于碘.苯复合物发生在I-I键伸缩振动和苯环中C=C键伸缩振动的简振模位移与振动重组能在三种复合物中是最大的,因此,碘-苯复合物在光解反应过程获得了更多的内激发,而且发生在这两个主要振动模的结构变化是最大的,表明碘.苯复合物中分子间的相互作用最强烈。
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