Para-Xylene分子结构和光谱的外场效应研究

Study on Structure and Infrared Spectra of Para-Xylene in the External Electric Field by Density Functional Theory

对二甲苯(PX)是一种重要的化工原料,广泛地用于合成聚脂纤维树脂,是医药和农药用聚合单体,因此了解对二甲苯分子结构和光谱的外场效应具有十分重要的意义。为研究外电场对PX分子结构和红外(IR)光谱产生的影响,本文采用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法在6-311++G(d,p)基组水平上优化了不同外电场(0～0. 030 a. u.,0～1. 542×1010V·m^(-1))作用下PX分子的基态几何结构,在此基础上利用同样的方法计算了PX分子在不同电场下的振动频率,得到了分子的IR光谱,最后对PX的分子结构和IR光谱受外电场作用的的影响规律进行了研究。结果表明:频率497 cm^(-1)的吸收峰为苯环上的C1-H7和C2-H8的面外摇摆振动,812 cm^(-1)的吸收峰是苯环上的C4-H9和C5-H10的面外摇摆振动,1 547 cm^(-1)为苯环上的C1-H7和C2-H8的面内弯曲振动,3 017 cm^(-1)为甲基上的C11-H14和C15-H17的伸缩振动所产生,3 164 cm^(-1)为苯环上的C4-H9和C5-H10的伸缩振动所产生;外电场与分子内电场的叠加效应使得R(4,9),R(5,10),R(11,14)和R(15,17)等的键长随着外电场的增强急剧增长,而R(1,7),R(2,8),R(11,12)和R(15,16)等随着外电场的增强变化不明显;随着R(4,9)和R(5,10)的增加,吸收峰Ⅱ和Ⅴ出现了明显的红移,它们的频率分别减少了133和140 cm^(-1),峰Ⅳ在外电场较弱时频率增加,而当外电场较强时频率又开始减小,峰Ⅰ和Ⅲ的频率变化不明显。总之,在外电场的作用下,分子结构变化剧烈,红外光谱吸收峰出现了红移或蓝移,伴随着吸收峰的移动,分子的摩尔收系数ε也进行了重新分配,分子的振动斯塔克效应(VSE)明显。

Para-xylene(PX)is an important chemical raw materials.In order to study the influence of external electrical field on molecular structure and infrared spec tra of PX,the method B3LYP of the density functional theory at 6-311++G(d,p)level has been used to calculate geometrical parameters and infrared(IR)spectr a under different external electric fields(from 0 to 0.030 a.u.)in this art icle.The results show that the most strongest absorption of IR spectra of PX is produced by C11-H14 and C15-H17 stretching vibration;the molecular geometr y parameters is strongly dependent on the external field intensity;the signifi cant negative(“red”)and positive(“blue”)frequency shifts,the redistrib ution of molar absorption coefficient are observed,i.e.,vibrational Stark e ffect(VSE)is obvious.