苯基脲类除草剂激发态动力学及光化学行为研究

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苯基脲类除草剂能抑制植物生长的活性,广泛应用于不同农作物芽前、苗后的阔叶与一年生杂草的控制,该类化合物化学性质稳定,且能长久的存在于环境中,造成土壤、地表水和地下水等污染,并可能对人有致癌作用。近几十年以来,科学家对苯基脲类除草剂在环境中的降解途径的探讨从未间断,但对其光物理和光化学过程的研究相对较少。该类化合物最主要的特征是拥有苯环和脲基,所以我们研究总结了具有代表性的苯基脲类化合物灭草隆(MN)和非草隆(FN)的光物理和光化学性质。本文使用含时密度泛函理论(TD-DFT)计算研究激发态结构动力学信息,同时利用CASSCF (Complete active space self consistent field)计算考察激发态和势能面交叉点的几何结构,结合共振拉曼光谱技术以及光谱强度分析,揭示在光激发的数十飞秒内,激发态分子的短时动力学信息。为了进一步探究苯基脲类除草剂在自然环境中的降解过程,本论文还通过激光闪光光解技术(LFP)结合量子化学计算,探讨了MN被可溶性有机质引发降解的可能机理。得到如下的研究结果:(1)获取了MN的电子跃迁、稳定几何结构及振动频率,最强吸收带的跃迁主体为πHOMO→πLUMO+1*(S0-S2)。获取了MN在甲醇水(1:10)溶剂中的电子吸收光谱和四个不同波长下的共振拉曼光谱,探讨不同波长的激发态对Franck-Condon区域短时动力学信息的影响。共振拉曼光谱结果表明灭草隆在Franck-Condon区域结构动力学具有多维性,其中13(1600cm1,苯环C=C伸缩振动)、29(1183cm1,苯环C-H面内摆动)、34(1091cm1,苯环变形振动/苯环C-H面内摆动)的基频、倍频和组合频在239.5、245.9、252.7nm共振拉曼光谱中占主导地位。这表明灭草隆的S2态激发态结构动力学主要沿苯环C=C伸缩振动、苯环C-H面内摆动、苯环变形振动这三个反应坐标进行。完全活性空间自洽场(CASSCF)方法计算表明,S2态和S1态势能面在Franck-Condon区域内存在势能面锥形交叉点(S2/S1),该交叉点对了解MN的S2态光解动力学具有重要意义。(2)获取了FN在甲醇水(1:10)溶剂中的电子吸收光谱和四个不同波长下的共振拉曼光谱,探讨不同波长的激发态对Franck-Condon区域短时动力学信息的影响。用TD-DFT计算得到化合物的电子跃迁、稳定几何结构及振动频率,最强吸收带的跃迁主体为πHOMO→πLUMO+1*(S0-S2)。共振拉曼光谱结果表明非草隆在Franck-Condon区域结构动力学具有多维性,其中14(1601cm1,苯环C=C伸缩振动)、30(1186cm1,苯环C-H面内摆动)和38(1014cm1,苯环变形振动/CH3摇摆振动)在228.7、239.5nm和245.9nm的共振拉曼光谱图中占主体,这表明非草隆的S2态激发态结构动力学主要沿C=C的伸缩振动、环C-H面内摆动和苯环变形振动展开的。比较灭草隆和非草隆中氯原子的存在对物质的激发态结构动力学的影响:氯原子的存在对苯环C=C伸缩振动、N-H面内摆动及苯环C-H面内摆动这三个主要振动几乎没有影响;仅对MN的25(1299cm-1, Ph-NH剪式振动)和FN的27(1307cm-1,苯环变形振动)有所影响,即氯原子的存着使苯环变形振动转变成了Ph-NH剪式振动,且具有一致性的是,MN的34的苯环的变形振动强度较之于FN的38有所减弱。综合比较可以得出结论,氯原子因本身原子质量较大,它将强烈影响苯基脲类除草剂中的苯环的变形振动。(3)获取了在乙腈:水1:1溶剂中二苯甲酮(BP)溶液和BP/MN混合溶液的瞬态吸收光谱,结合可能物种紫外光谱的计算对瞬态吸收光谱中出现的瞬态物种进行指认,通过总结瞬态吸收光谱的变化及对瞬态物种的衰减的动力学拟合分析,成功证明了二苯甲酮三重态能引发灭草隆的降解,并分析推断出可能的降解机理,这对于苯基脲类除草剂在自然环境中降解的探究具有重要意义。
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