大连化物所发现分子振动对氢键体系红外光谱的作用机制

撰稿: 大连化学物理研究所 发布时间:2020-06-19

  近日,分子反应动力学国家重点实验室和大连光源科学研究室江凌研究员、张兆军副研究员和张东辉院士团队,与台湾原子与分子科学研究所郭哲来研究员团队合作,利用自主发展的中性团簇红外光谱实验方法,揭示了分子振动对氢键体系红外光谱的作用机制。

  分子振动是构筑物质结构、光谱及动力学的基石。在氢键或范德华力键合的弱相互作用体系中,分子不停地振动转动、断键成键,形成各种动态的瞬态结构和柔性多变的势能面,给理解分子振动模式的贡献造成了极大的困难。因此,精确解析分子振动对红外光谱及动力学的作用机制是科学家们长期以来的梦想,它至少存在两大挑战:一是获得分辨较好的实验红外光谱,二是需要可靠的理论方法精准计算红外光谱的谱峰位置和相对强度。

  氨气在大气环境、工业催化等领域具有重要的作用,氨气团簇是研究分子振动对红外光谱及动力学作用机制的典型氢键体系。然而,由于缺乏原子尺度的实验表征手段以及精准可靠的理论计算方法,氨气团簇的红外光谱指认仍然存在争议。在该工作中,江凌团队利用自主发展的中性团簇红外光谱实验方法(J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 851),对中性氨气团簇开展了详尽的研究,获得了分辨较好的实验红外光谱(图A和B)。

  

  张兆军和张东辉团队利用自行发展的全维势能面动力学理论方法,郭哲来团队利用自主发展的非谐性量子化学理论方法,分别精准计算了氨气团簇的瞬态结构(图E和F)和红外光谱(图C和D),理论与实验高度吻合。研究结果表明,红外光谱的贡献主要来自于质子授体氨,NH伸缩振动基频与NH弯曲振动泛频之间的非谐性耦合产生了显著的费米共振(3150至3300 cm-1)。该项工作通过提高实验红外光谱的分辨率和理论方法精准预测的有效性,揭示了分子振动对氢键化合物红外光谱及动力学的作用机制,解决了长期以来对氨气团簇红外光谱指认的争议,为大气雾霾和生物分子功能等领域的前沿科学研究提供了新的策略。

  相关成果发表在CCS Chemistry上。该工作得到国家自然科学基金委“动态化学前沿研究”科学中心项目、中国科学院战略性先导专项B类“能源化学转化的本质与调控”﹑自然科学基金面上项目、大连化物所大连相干光源专项基金项目等资助。

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