不同環(huán)境對(duì)二苯甲酮單重態(tài)和三重態(tài)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的影響

李慧丹，徐佳禛，牟永曉，王朝杰

（溫州醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院，浙江 溫州 325035）

不同環(huán)境對(duì)二苯甲酮單重態(tài)和三重態(tài)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的影響

李慧丹，徐佳禛，牟永曉，王朝杰

（溫州醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院，浙江 溫州 325035）

目的：分析二苯甲酮（BP）單重態(tài)和三重態(tài)在氣相和溶劑相（環(huán)己烷、氯仿、乙醚、乙醇）中的結(jié)構(gòu)和譜學(xué)性質(zhì)變化。方法：采用密度泛函理論和含時(shí)密度泛函方法在CAM-B3LYP/6-311++G（d，p）基組水平下計(jì)算分析BP的幾何結(jié)構(gòu)、紫外吸收光譜和紅外光譜，并運(yùn)用極化連續(xù)介質(zhì)模型考察溶劑效應(yīng)。結(jié)果：BP的單重態(tài)和三重態(tài)都是非平面對(duì)稱分子；單重態(tài)紫外吸收峰有2個(gè)，其中最大吸收波長(zhǎng)λmax隨溶劑極性的增大而紅移；三重態(tài)吸收峰比單重態(tài)多一個(gè)，吸收強(qiáng)度減小。紅外光譜中單重態(tài)的νC=O隨著溶劑極性的增大向低波數(shù)方向移動(dòng)；三重態(tài)中νC=O消失，出現(xiàn)一個(gè)νC-O和νC-C的混合振動(dòng)峰以及C-H彎曲振動(dòng)峰。結(jié)論：隨著溶劑極性的增大，單重態(tài)λmax和νC=O紅移，三重態(tài)紫外吸收峰均發(fā)生不同程度的紅移，但三重態(tài)的幾何構(gòu)型及紅外振動(dòng)峰變化不明顯。

二苯甲酮；密度泛函理論；紫外吸收光譜；紅外光譜

二苯甲酮類（benzophenone series，BPs）是防曬劑中最常見(jiàn)的一類化合物。它是一種光引發(fā)劑，也是一種接觸過(guò)敏源。它具有較好的光穩(wěn)定性和高轉(zhuǎn)換效率，因此廣泛應(yīng)用于個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品，例如護(hù)膚品、彩妝、化妝工具等[1]，同時(shí)也是醫(yī)藥、香料、有機(jī)顏料和殺蟲劑的中間體[2]。

二苯甲酮（benzophenone，BP）實(shí)驗(yàn)研究主要涉及BP結(jié)構(gòu)化合物的合成和性能研究[3-4]、合成工藝的優(yōu)化[5]及物理化學(xué)性質(zhì)研究。BP晶型主要有兩種，穩(wěn)定型α和不穩(wěn)定型β，其紅外吸收不同，會(huì)隨溫度的升高而變化[6]。國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)BP的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)開展了大量的研究。BEZRODNAYA等[7]通過(guò)從頭算法計(jì)算BP不同構(gòu)象的振動(dòng)和電子光譜，發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)構(gòu)象比平面穩(wěn)定，且溶劑極性越大，扭轉(zhuǎn)構(gòu)象就越穩(wěn)定，其中單個(gè)苯環(huán)的扭轉(zhuǎn)方式最佳[8]，即BP是一個(gè)非平面分子。KHEMIRI等[9]通過(guò)從頭算和密度泛函方法進(jìn)一步計(jì)算中性BP的幾何參數(shù)、電離能及電子態(tài)，結(jié)果表明BP是一個(gè)C2對(duì)稱、非平面的剛性分子。此外，SPIGHI等[10]和TRIVEDI等[11]還探討了BP的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和吸收峰的歸屬。

本研究通過(guò)比較不同溶劑中BP單重態(tài)和三重態(tài)的幾何參數(shù)、紫外吸收光譜以及紅外光譜，探討溶劑對(duì)BP的影響。BP的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1 方法

采用密度泛函理論（density functional theory，DFT）中的長(zhǎng)程校正雜化密度泛函CAM-B3LYP方法，在6-311++G（d, p）基組水平上對(duì)BP進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到BP優(yōu)化的幾何構(gòu)型[主要鍵長(zhǎng)、鍵角、二面角參數(shù)和偶極矩（μ）]和紅外光譜。溶劑效應(yīng)采用極化連續(xù)模型（polarizable continuum model，PCM）進(jìn)行計(jì)算。對(duì)優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)用同一基組水平的含時(shí)密度泛函方法（time-dependent density functional method，TD-DFT）計(jì)算不同溶劑下紫外光譜性質(zhì)，計(jì)算得到最大吸收波長(zhǎng)（λmax）、激發(fā)能、振子強(qiáng)度（f）以及電子躍遷組成。所有計(jì)算均使用Guassian 09程序完成。

2 結(jié)果

2.1 分子幾何結(jié)構(gòu)分析 在真空中，單重態(tài)羰基C＝O鍵長(zhǎng)為1.213 ?，隨著溶劑（環(huán)己烷、氯仿、乙醚、乙醇）極性的增大伸長(zhǎng)至1.219 ?。真空中∠C1-C4-C5和∠C1-C3-C14數(shù)值相同，二面角∠O2-C1-C4-C5和∠O2-C1-C3-C14的數(shù)值大小也一致，且隨溶劑極性的增大略微增加。但二面角∠C3-C1-C4-C5大小為151.3°，說(shuō)明BP單重態(tài)是一個(gè)非平面對(duì)稱分子。

圖1 BP的結(jié)構(gòu)示意圖

真空中三重態(tài)的C＝O鍵長(zhǎng)為1.328 ?，鍵角∠C1-C4-C5和∠C1-C3-C14均為119.8°。隨著溶劑極性的增大，鍵角和C＝O鍵長(zhǎng)變化甚微，但二面角∠C3-C1-C4-C5由157.1°增加到157.4°，說(shuō)明BP三重態(tài)也是一個(gè)非平面對(duì)稱分子。對(duì)比真空中的單重態(tài)和三重態(tài)，三重態(tài)C＝O鍵長(zhǎng)比單重態(tài)伸長(zhǎng)0.11 ?左右，鍵角∠C3-C1-C4和∠C1-C3-C14分別擴(kuò)大9.5° 和1.8°，二面角∠C3-C1-C4-C5擴(kuò)大5.8°，而二面角∠O2-C1-C3-C14縮小5.8°，見(jiàn)圖2。

圖2 BP的主要鍵長(zhǎng)、鍵角和二面角參數(shù)

真空中單重態(tài)和三重態(tài)偶極矩分別為3.18 D和1.46 D，單重態(tài)的偶極矩明顯較大。隨著溶劑極性的增大，偶極矩相應(yīng)地增加了1.34 D和0.55 D。相比較，單重態(tài)的偶極矩變化幅度更大，見(jiàn)圖3。

圖3 BP單重態(tài)和三重態(tài)的偶極矩變化圖

2.2 紫外光譜分析 真空中，單重態(tài)的吸收光譜存在兩個(gè)明顯的吸收峰，分別為178.66 nm和235.14 nm，第一個(gè)吸收峰強(qiáng)度較大，為0.626，見(jiàn)圖4A。真空中的第一個(gè)吸收峰主要來(lái)源于分子的HOMO（H）-4→LUMO（L）+2（占23.68%）和HOMO-1→LUMO+4（占43.99%）的電子混合躍遷。但在乙醇中，吸收峰藍(lán)移至175.08 nm，由HOMO-5→LUMO（占20.77%）和HOMO-2→LUMO+3（占16.03%）的混合躍遷組成，且吸收峰強(qiáng)度略微增加。在其他溶劑中第一個(gè)吸收峰的軌道組成也不同，λmax在真空中為235.14 nm，而在其他溶劑相中，λmax均紅移且強(qiáng)度增加，并隨著溶劑極性的增大逐漸增加至242.76 nm。λmax均主要來(lái)源于分子的HOMO-3→LUMO電子躍遷和HOMO-2→LUMO電子躍遷的混合躍遷。兩個(gè)吸收峰的躍遷類型都屬于π-π*電子躍遷，見(jiàn)表1。

真空中的三重態(tài)在270.47 nm、303.26 nm、445.72 nm處存在吸收峰，其中第一個(gè)吸收峰是一個(gè)肩峰，強(qiáng)度最弱，僅為0.098。與氣相相比，溶劑相的三個(gè)吸收峰都發(fā)生不同程度的紅移，且強(qiáng)度增加，見(jiàn)圖4B。在真空中的第一個(gè)吸收峰主要來(lái)源于LUMO→LUMO+6電子躍遷和HOMO-1→LUMO π-π*電子躍遷的混合躍遷，其他溶劑中主要由HOMO-2→LUMO+5和HOMO-1→LUMO π-π*電子混合躍遷組成。隨著溶劑極性的增大，第二個(gè)吸收峰從303.26 nm紅移至309.33 nm。吸收峰均是LUMO→LUMO+1電子躍遷和HOMO-1→LUMO π-π*電子躍遷的混合躍遷。λmax隨著溶劑極性的增大，往長(zhǎng)波方向紅移2.9 nm。λmax也都來(lái)源于LUMO→LUMO+1的π-π*電子躍遷，見(jiàn)表1。

表1 BP單重態(tài)和三重態(tài)的吸收光譜數(shù)據(jù)

溶劑分為極性較小（環(huán)己烷、氯仿、乙醚）和極性較大（乙醇）兩部分，本研究發(fā)現(xiàn)在真空中，單重態(tài)的第二個(gè)吸收峰為235.14 nm，在環(huán)己烷中為239.65 nm。而在乙醇溶劑中，單重態(tài)的第二個(gè)吸收峰為242.76 nm。同樣的，真空中三重態(tài)的第三個(gè)吸收峰為445.72 nm，而在環(huán)己烷和乙醇溶劑中，吸收峰分別為452.30 nm和448.64 nm。結(jié)果表明極性較大的溶劑對(duì)單重態(tài)紫外吸收峰的影響比極性小的溶劑略大。相反，對(duì)于三重態(tài)的吸收峰來(lái)說(shuō)，極性小的溶劑比極性較大的溶劑影響更大。

A：?jiǎn)沃貞B(tài)的紫外吸收光譜；B：三重態(tài)的紫外吸收光譜圖4 BP紫外吸收光譜

2.3 紅外光譜分析 單重態(tài)的紅外吸收峰強(qiáng)度較大的分別為1 768 cm-1，1 309 cm-1和724 cm-1。其中1 768 cm-1是C＝O的伸縮振動(dòng)（ν）；1 309 cm-1是苯環(huán)上C-C的伸縮振動(dòng)（νC-C）；724 cm-1是C-H的面外彎曲振動(dòng)，見(jiàn)表2和圖5A。隨著溶劑極性的增大，C＝O的伸縮振動(dòng)峰（νC＝O）從1 768 cm-1向低波數(shù)方向移動(dòng)至1 733 cm-1，且強(qiáng)度增強(qiáng)。724 cm-1振動(dòng)峰波數(shù)和1 309 cm-1振動(dòng)峰波數(shù)僅減少了2 cm-1和1 cm-1，見(jiàn)表2。這說(shuō)明溶劑的變化僅對(duì)單重態(tài)的C＝O振動(dòng)峰影響較明顯，對(duì)其他峰影響甚微。

BP三重態(tài)存在4個(gè)明顯的紅外吸收峰：1 517 cm-1，1 316 cm-1，778 cm-1和707 cm-1。1 316 cm-1的吸收峰強(qiáng)度最大，為139.27，是苯環(huán)上C-C的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)和C-O伸縮振動(dòng)，而其他三個(gè)吸收峰都是C-H的面外或面內(nèi)彎曲振動(dòng)，見(jiàn)圖5B。隨著溶劑極性的增大，778 cm-1和707 cm-1振動(dòng)峰無(wú)變化，但1 316 cm-1和1 517 cm-1峰分別減少至1 310 cm-1和1 513 cm-1。見(jiàn)表3和圖5B。

對(duì)比單重態(tài)和三重態(tài)的紅外光譜圖，發(fā)現(xiàn)在三重態(tài)的紅外光譜中，1 768 cm-1的C＝O伸縮振動(dòng)峰消失，但在1 316 cm-1處出現(xiàn)一個(gè)C-C的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)和C-O伸縮振動(dòng)峰，在778 cm-1處多出現(xiàn)一個(gè)C-H的面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰。

3 討論

表2 BP單重態(tài)的紅外光譜數(shù)據(jù)

在單重態(tài)的幾何分析中可以明顯看出BP分子是一個(gè)非平面對(duì)稱分子，這與KHEMIRI等[9]描述的C2對(duì)稱，非平面結(jié)果高度一致，同時(shí)，對(duì)比BP單重態(tài)和三重態(tài)，我們可以確定三重態(tài)也同樣是一個(gè)非平面的對(duì)稱分子。HOFFMANN等[12]認(rèn)為BP的幾何結(jié)構(gòu)平衡取決于共軛效應(yīng)和空間位阻，雖然羰基和苯環(huán)的共軛效應(yīng)會(huì)形成平面結(jié)構(gòu)，但是2個(gè)苯環(huán)上的H9與H10的空間位阻會(huì)阻止共平面的形成。他們假定2個(gè)苯環(huán)分別會(huì)旋轉(zhuǎn)一定角度α和β（α=β），并通過(guò)擴(kuò)展休克爾理論計(jì)算BP基態(tài)和激發(fā)態(tài)的平衡幾何構(gòu)型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)BP基態(tài)和激發(fā)態(tài)中苯環(huán)分別扭轉(zhuǎn)38°和32°，而BP基態(tài)晶體實(shí)驗(yàn)值為33°。本研究用DFT方法計(jì)算的BP單重態(tài)和三重態(tài)的二面角分別為28.6°和22.8°，與FLEISCHER等[13]研究結(jié)果相近。SETT等[14]也發(fā)現(xiàn)DFT方法比自洽場(chǎng)（Hartree-Fock，RHF）方法更適合計(jì)算BP的幾何結(jié)構(gòu)和振動(dòng)波數(shù)，并用B3LYP/6-311G（d, p）計(jì)算BP基態(tài)分子的偶極矩。結(jié)果顯示基態(tài)在真空、環(huán)己烷、乙腈溶劑中的偶極矩分別為2.98 D、3.51 D、4.14 D，隨著溶劑極性的遞增，偶極矩也隨之增加。本研究的計(jì)算結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，表明用CAM-B3LYP/6-311++G（d, p）計(jì)算BP是可靠的，偶極矩的增加同樣有利于基態(tài)電荷轉(zhuǎn)移。對(duì)比單重態(tài)和三重態(tài)的偶極矩，發(fā)現(xiàn)不管在哪種溶劑中，單重態(tài)的偶極矩總是比三重態(tài)大，這可能是由于BP在三重態(tài)時(shí)，C＝O的n電子躍遷到π*分子軌道中，從而使激發(fā)態(tài)的極性減小。

表3 BP三重態(tài)的紅外光譜數(shù)據(jù)

圖5 不同溶劑中BP紅外光譜圖

本研究所計(jì)算的BP幾何參數(shù)的不同可能是造成單重態(tài)和三重態(tài)紫外吸收峰不一致的主要原因。在考察不同溶劑對(duì)BP單重態(tài)的電子和振動(dòng)光譜影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)178.66 nm處的吸收峰隨溶劑極性的增大藍(lán)移3.5 nm，而λmax紅移7.6 nm，紅外特征峰νC=O紅移了35 cm-1。理論計(jì)算的結(jié)果與文獻(xiàn)[15-16]中實(shí)驗(yàn)觀察的結(jié)果相近。隨著溶劑的不同，單重態(tài)的λmax軌道組成也隨之發(fā)生變化。主要來(lái)源軌道易受溶劑影響的原因可能是組成λmax的若干軌道電子躍遷的貢獻(xiàn)差異較小。

綜上，本研究采用DFT和TD-DFT的雜化密度泛函CAM-B3LYP方法，在6-311++G（d, p）水平下計(jì)算得到五種環(huán)境中，BP單重態(tài)和三重態(tài)的幾何結(jié)構(gòu)、紅外光譜、紫外光譜。計(jì)算結(jié)果表明BP單重態(tài)和三重態(tài)都是非平面的對(duì)稱分子。BP單重態(tài)的紫外吸收峰有兩個(gè)，主要分布于遠(yuǎn)紫外區(qū)，最大吸收波長(zhǎng)λmax易受溶劑影響發(fā)生紅移，另一個(gè)則發(fā)生藍(lán)移。與單重態(tài)相比，三重態(tài)吸收峰有三個(gè)，主要分布于近紫外區(qū)，吸收峰強(qiáng)度有所減弱。隨著溶劑極性的增大，三重態(tài)吸收峰發(fā)生不同程度的紅移。其中非極性溶劑對(duì)三重態(tài)的影響比極性溶劑略大。此外，單重態(tài)和三重態(tài)的吸收峰都屬于π-π*的電子躍遷，除三重態(tài)的最大吸收波長(zhǎng)λmax外，其他吸收峰均主要來(lái)源于電子混合躍遷。對(duì)比單重態(tài)和三重態(tài)的紅外光譜發(fā)現(xiàn)單重態(tài)的νC=O隨著溶劑極性的增大向低波數(shù)方向移動(dòng)；三重態(tài)增加了一個(gè)C-H面外彎曲振動(dòng)的吸收峰和一個(gè)νC-C與νC-O的混合振動(dòng)峰，但隨著溶劑極性的增大變化甚微。本研究為了解不同溶劑中BP單重態(tài)和三重態(tài)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、電子光譜性質(zhì)及后續(xù)的相關(guān)理論機(jī)制研究提供重要的參考價(jià)值。

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（本文編輯：楊穎）

The structure and properties of singlet and triplet states of benzophenone in different environments

LI Huidan, XU Jiazhen, MOU Yongxiao, WANG Chaojie. School of Pharmaceutical Sciences, Wenzhou Medical University, Wenzhou, 325035

Objective:To study the structural and spectroscopic properties of singlet and triplet states of benzophenone in vacuum phase and solvent environments (cyclohexane, chloroform, ether, ethanol).Methods:The geometry confi guration, electronic structure, ultraviolet and infrared spectroscopy of benzophenone were calculated by density functional theory (DFT) and time-dependent density functional (TD-DFT) methods with CAM-B3LYP function and 6-311++G(d, p) basis set. The solvent effects were dealt with the polarizable continuum model.Results:The singlet and triplet states of benzophenone were non-planar symmetry. The UV-vis spectra of singlet state showed two obvious absorption peaks. The maximum absorption wavelength underwent a redshift with the increasing solvent polarity. There were three absorption peaks in triplet state and their intensities were weakened as compared with the singlet state. The C=O stretching frequency of infrared spectroscopy was shifted to the lower wave numbers in singlet state with increasing polarity while disappeared in singlet state. A new C-H bending mode and a combination of modes implying C-C and C-O stretching vibration were appeared in triplet state.Conclusion:The C=O stretching frequency and the maximum absorption wavelength are sensitive to the solvent polarity and show a red-shift with increasing solvent polarity. However, there is no striking difference between vacuum phase and solvent environments in IR absorption peaks of triplet state as well as geometry confi guration.

benzophenone; density functional theory; ultraviolet-visible spectroscopy; infrared spectroscopy

O641

A

10.3969/j.issn.2095-9400.2017.06.004

2016-12-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（21177098）；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（LY16B07006）。

李慧丹（1992-），女，浙江臺(tái)州人，碩士生。

王朝杰，副教授，Email：chjwang@wmu.edu.cn。