酮类和酸酐类化合物的拉曼非一致效应及聚集结构的研究

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分子间相互作用广泛存在于生物体以及普通分子间,研究分子间相互作用力对于理解物理、化学和生物学中物质的结构和性质变化起着重要作用。分子振动光谱可以直接或间接地反应分子的结构和性质,液相中的分子振动受到各种形式的分子间相互作用影响,例如通过观察固-液相转变导致的光谱谱带强度、形状和谱带最大值的频率位置以及在某些情况下的谱带分裂的变化,能够得知分子间弱相互作用的存在形式以及作用方式等。羰基化合物一直以来都是研究分子聚集态以及分子间弱相互作用的重点。当相邻分子之间存在的偶极-偶极相互作用,分子间共振能量发生转移,使得分子间形成长程或短程有序排列结构,各向异性与各向同性拉曼光谱不重合的现象时,称为“非一致效应”。本论文利用显微拉曼光谱与密度泛函理论(DFT)计算相结合的方法,系统的研究了浓度和溶剂等因素对2,5-己二酮、丙酸酐、异丁酸酐以及一些相似物质中“C=O伸缩振动模”的非一致效应(NCE)的影响,并利用“聚集态理论”合理的解释了化合物的聚集状态,本研究有助于我们对分子间相互作用力和NCE效应产生的机理有更深层次的理解。1.采用DFT和PCM(极化连续介质模型,Polarizable Continuum Model)与拉曼光谱相结合的方法研究了2,5-己二酮分子中C=O伸缩振动模的NCE效应,利用B3LYP-D3/6-311G(d,p)基组优化得到2,5-己二酮单分子及二聚体最稳定的几何构型,并计算得到振动模的退偏比、振动频率和零点修正自由能的总能量。理论计算结果表明:C=O振动模的频率逐渐移向高波数时,2,5-己二酮分子由二聚体转换为单分子结构。为了进一步观察浓度效应,采集了不同浓度的2,5-己二酮在四氯化碳中的各向异性与各向同性拉曼光谱。结果表明:随着不断稀释,C=O振动模的峰频发生蓝移,各向异性与各向同性拉曼光谱的峰频差逐渐减小。另外,我们收集了相同浓度的2.5-己二酮分子在不同种极性的溶剂中的各向异性和各向同性拉曼光谱,发现溶剂的极性对NCE的大小有影响,极性越大的溶剂对NCE的值影响越大,这一结果与我们的PCM理论模型谱图一致。在探究分子内羰基间的间距对NCE的影响时,发现随着分子内间距的减小ΔνNCE逐渐减小,这是因为分子内羰基随着距离的减小耦合作用增强,抑制了分子间羰基的偶极-偶极相互作用。2.利用DFT、PCM理论计算和拉曼光谱,研究了丙酸酐C=O振动模的“非一致效应”,采集不同浓度和不同溶剂下的丙酸酐拉曼光谱并依据分子聚集态理论,分析浓度改变对ΔνNCE的影响,结果表明:随着溶剂的不断稀释,光谱性质发生改变,丙酸酐分子由二聚体向单分子转换,C=O振动模的各向同性和各向异性振动频率发生蓝移,ΔνNCE逐渐减小直至趋近于一个临界值,其大小取决于溶质的结构和性质;分析溶剂极性对ΔνNCE影响时,发现随着溶剂极性的增加,ΔνNCE值变小,这是因为极性大的溶剂会减弱丙酸酐分子的短程有序结构。3.本文首次系统的研究了异丁酸酐分子中的C=O伸缩振动模的“拉曼非一致效应”、浓度效应和溶剂效应的关系,并利用“聚集态理论模型”解释了液体分子的聚集状态。结果表明:在四氯化碳作为溶剂时,随着不断的稀释,拉曼光谱谱峰逐渐移向高波数,ΔνNCE数值减小;在DMSO作为溶剂时,随着不断的稀释,各向异性与各向同性拉曼光谱谱峰均移向低波数,ΔνNCE数值表现为减小。为了解释不同的实验现象,我们利用B3LYP/6-311G(d,p)基组计算优化得到异丁酸酐的单体和二聚结构,理论计算和实验结果保持一致,异丁酸酐的二聚结构可以为解释不同的实验现象提供有利的证据。研究“溶剂效应”时,我们选用几种不同极性的物质作为溶剂,发现随着溶剂极性的增大,ΔνNCE数值减小。同样利用DFT理论计算结合极化连续介质模型(PCM模型)的方法得到不同溶剂中的理论拉曼光谱,发现极性越弱的溶剂计算得到的光谱越接近于气相条件下的异丁酸酐显微拉曼谱图。
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