氢键对费米共振的影响

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费米共振是一种广泛存在于分子内和分子间的分子振动耦合和能量转移现象。费米共振在分子的能量转移,内转换以及反应动力学中具有重要的作用。费米共振能够加速两个振动模式之间的粒子数或者能量转移,进而影响分子的动力学行为和化学反应速率。此外,费米共振研究不仅在物理学中的分子振动电子态相互耦合,分子结构与性能等研究中有重要的理论意义,而且在材料、生物、化学中的谱线认证、归属、酶分子构型的确定,抗癌药物疗效的考证,地质学中包裹分析,晶体中杂质检测,声学、光学器件研制等都有重要应用。随着光学仪器和量子力学的进步和发展,费米共振研究不断深入,研究结果表明,费米共振蕴藏着丰富的理论和应用潜力。本文以量子力学、量子化学、溶剂效应等理论为依据,利用拉曼光谱技术和变换溶液浓度的方法,分别研究了:二硫化碳溶于苯中不同体积浓度下的v1-2v2费米共振对费米双线v1和2v2的拉曼散射截面的影响;二硫化碳分别溶于二氯甲烷,三氯甲烷和苯中,随着体积浓度变化,二硫化碳与二氯甲烷,三氯甲烷和苯之间形成的弱氢键对其v1-2v2费米共振的影响;以及吡啶分别溶于四氯化碳,甲酰胺和水中,研究反氢键对吡啶分子的v1-2v2费米共振的影响。取得如下创新性成果:1.利用变换溶液浓度的方法研究了二硫化碳的伸缩振动模式v1和弯曲振动模式v2的倍频2v2之间费米共振与费米双线拉曼散射截面的变化规律。结果是:随着二硫化碳体积浓度的逐渐减小,v1拉曼散射截面逐渐的减小,而2v2的拉曼散射截面逐渐的增加。根据费米共振和溶剂效应理论,我们详细的分析了费米共振对拉曼散射截面的影响机理。由于费米共振是振动模式之间通过能量转移而发生的振动耦合,所以当费米共振作用变强的时候,随着浓度变化就会有更多的能量从基频v1转移到倍频2v2,相应的导致了v1的散射能力减弱,散射截面减小,而2v2的散射能力增强,散射截面增加。2.分别利用二氯甲烷,三氯甲烷和苯作为稀释液稀释二硫化碳研究弱氢键的形成对二硫化碳v1-2v2费米共振的影响。随着二硫化碳体积浓度的逐渐降低,二硫化碳的v1和2v2的费米双线发生非对称移动,即:v1的位置几乎不发生移动,而2v2却逐渐的向高波数方向移动,并且稀释液相应的C-H伸缩振动模式发生移动;另外,根据费米共振理论,我们分别计算了二硫化碳溶于不同溶剂中不同体积浓度下的费米共振耦合系数W,结果表明,随着二硫化碳体积浓度的逐渐的减小,二硫化碳的费米共振耦合系数逐渐的增加。我们分析上述结果是由于弱氢键作用导致的。由于二硫化碳分子内双键C+=S具有较大的偶极距,因此能够与稀释液之间的C-H键相互作用,即形成弱氢键C-H…S(由于这种作用比传统定义的氢键作用要弱,因此定义为弱氢键)。弱氢键形成使得二硫化碳的C=S键和稀释液分子的C-H键之间的电子密度重新分布,二硫化碳分子的非谐力势发生改变,非谐振力常数增加,导致了v1-2v2费米共振作用增强;另外,这种电子密度重新分布对v1振动模式的影响不明显,所以v1随着体积浓度的变化不发生移动,但是对2v2的影响很明显,导致2v2随着体积浓度的变化逐渐的向高波数方向移动。3.分别利用四氯化碳,甲酰胺和水作为稀释液稀释吡啶研究反氢键对吡啶v1-v2费米共振的影响。根据费米共振理论,分别计算了吡啶的环呼吸振动模式v1和三角振动模式v12在四氯化碳,甲酰胺,水中不同体积浓度下的费米共振耦合系数W。计算结果表明,用水稀释的费米共振耦合系数随着体积浓度变化最快,甲酰胺次之,四氯化碳稀释的费米共振耦合系数随着体积浓度基本不发生变化。另外,我们还发现用水稀释的吡啶的C-H伸缩振动模式v2随着体积浓度变化移动的最快,甲酰胺次之,四氯化碳稀释的则变化的最慢。我们分析上述结果主要是由于稀释液与吡啶之间形成反氢键作用导致。由于吡啶的氮原子能够提供电子,因此能够与水形成较强的反氢键C-H…N,甲酰胺既是受体也是给体,也能够与吡啶形成反氢键,但是强度要比水的弱,四氯化碳则不能够与吡啶分子之间形成反氢键。当没有形成反氢键的时候,吡啶分子的氮原子上有一对孤对电子,由于非成键的孤对电子有相对较大的空间度,使得离域的π分子轨道变得很拥挤,当形成氢键的时候,分子轨道上的电子就会被吸引,使原本拥挤的π分子轨道变的不那么拥挤,允许π电子很好的离域和整个体系变的更加稳定,结果导致v2和v12振动模式蓝移而且振动模式的非谐振性减弱。最终导致吡啶分子的v1-v12费米共振减弱和C-H伸缩振动模式发生移动。
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