多元醇水溶液微观结构的拉曼光谱研究

本项目拟用偏振拉曼光谱和超额拉曼光谱，系统地研究一系列多元醇/水溶液的微观结构，主要关注这些混合溶液在分子层次的微观非均匀混合，以及这些醇类分子对水结构的影响。首先测量乙二醇、1,2-丙二醇以及1,3-丙二醇等多元醇水溶液的偏振拉曼光谱，结合量子化学计算对这些光谱进行标识；然后分析由于分子间的自聚集而引起的光谱非一致效应(NCE)，利用该效应研究这些混合溶液的微观非均匀混合情况，以及-OH基团数目和位置等对微观非均匀混合的影响；最后通过-OH伸缩振动区域的超额拉曼光谱研究多元醇对水结构的影响，着重了解-OH基团数目和位置的影响。系统地分析这些拉曼光谱可以在分子层次上深入了解多元醇水溶液的微观结构，以及液相醇类分子与水分子之间的各种相互作用。

本项目试图通过测量多元醇水溶液的拉曼光谱来研究亲水基团如何影响到水溶液的微观结构。1）我们通过对比不同的醇及多元醇水溶液的OH伸缩谱段拉曼光谱及其超额拉曼光谱，首次发现亲水基团会协同地和疏水基团一起稳定水笼结构，2）我们以丙酮为模型分子，也发现了丙酮中同样是亲水和疏水基团协同地稳定水笼结构。这些研究结果表明在考虑有机分子水溶液时，例如蛋白质水溶液，DNA水溶液等，疏水相互作用和亲水相互作用是需要同时考虑，而不是孤立地考虑的。这样的思路将会对各种水溶液尤其是生命物质水溶液有着重要影响。3）项目试图测量多元醇的非一致效应来研究其混合情况，但是我们发现这一思路存在不足，尤其是多元醇有非常多的异构体，这些异构体会严重影响到光谱的解析。所以我们通过CH伸缩谱段的偏振光谱研究了乙醇，丙醇，丁醇，戊醇，乙醇，乙二醇，丙三醇等多种醇的异构体及其相对含量，并分析了水对他们的影响。这些研究更正了这些物质在CH伸缩谱段的传统光谱归属，并暗示之前多年来对CH伸缩谱段的光谱应用都有可能有问题。这异构体的研究中我们也发现了亲水-疏水协同相互作用对异构体分布的影响。4）在研究水溶液过程中我们试图回答水的微观结构，我们提出了相对差谱的新分析方法，利用这个方法发现了水中自由OH基团的含量只有3%，提出了水的微观结构模型，还探讨了氢原子引起的量子效应。这些研究可能对水及水溶液的微观结构有帮助。这这些研究的基础上我们发现了拉曼差谱的一个新方法，利用这个新方法可以定量的研究水溶液的微观结构及其中的分子间相互作用，在此基础上我们获取了基金委的面上项目资助进一步定量地研究各种水溶液的微观结构。