三元水溶液中氢键对分子结构与性质影响的拉曼光谱研究

In nature, hydrogen bond accounts for the association of water molecules, which is the most essential substance for life on earth. In particular, hydrogen bond is one of the main factors affecting the physical and chemical properties of aqueous solution. In this project, with the molecular, and the liquid-core optical fiber Raman technology as the major experimental method, to study the hydrogen bond effect on the structures and properties of molecule orbital theory as the theoretical foundation, the quantum chemistry calculation methods, such as the density functional theory B3LYP and the second-order perturbation theory 2M, as the basic algorithm in ternary aqueous solution, reveal the rules of hydrogen bond effects on molecules, establish hydrogen bond interaction model in ternary aqueous solution, and better understand the physical and the chemical properties of the aqueous solution. In this way, this project will provide experimental basis for the enrichment of the hydrogen bonding theory.

在自然界中，氢键是万物生存所依赖的最基本物质水分子缔合的根本原因。尤其在水溶液中，氢键作用是影响溶液物理化学性质的主要因素。本课题拟采用分子轨道理论为本研究的理论基础，以密度泛函理论B3LYP和二阶微扰理论MP2等量子化学计算方法为基础算法，以液芯光纤拉曼技术为主要实验手段；研究三元水溶液中氢键对分子结构与性质的影响；揭示氢键对分子作用规律，建立三元水溶液中氢键作用模型，解析其水溶液的物理和化学性质，为丰富氢键理论提供有价值的实验依据。

氢键作用是影响水溶液物理化学性质的主要因素。本项目采用多种拉曼光谱技术研究多元水溶液中氢键对其微观结构与性质的影响。本项目研究结果为丰富氢键理论和解析水溶液的物理和化学性质提供光谱学实验依据。由于采用了多种原位测试方法和较高光谱灵敏度，本项目取得了一些新的研究结果。例如：在三元水溶液中，乙腈C≡N键的电子云向碳原子发生偏移，二甲基亚砜（DMSO）中S=O双键的电子云向硫原子发生偏移；在三元体系中乙腈、DMSO与水形成氢键时存在明显的竞争关系，出现乙腈分子和DMSO分子共用一个水分子形成复合物的情况，并随着水含量的增加，共用水分子的情况会逐渐消失。此外，我们通过一系列同位素取代水(VH2O/VD2O=4/1, 1/1, 1/4) Raman光谱的数据分析更加有力的支持了水的多结构体模式。由于O—D…O与O—H…O氢键对称性的差异，与升高温度的影响类似，同位素取代促进全氢键化水（FHW）向部分氢键化水（PHW）转变。