乙酸乙酯溶液的時間分辨熒光光譜研究

方梓秋，陳國慶*，吳亞敏

(1.江南大學 理學院，無錫 214122；2.江蘇省輕工光電工程技術(shù)研究中心，無錫 214122)

引 言

乙酸乙酯是形成白酒香氣的重要成分，同時也是一種用途廣泛的精細化工產(chǎn)品，常作為工業(yè)溶劑、香料原料和萃取劑，并普遍應用在印刷油墨、人造革、人造纖維、染料涂料、粘合劑、人造香精等產(chǎn)品的生產(chǎn)中。由于乙酸乙酯具有良好的溶解性，常常作為溶劑進行有機合成實驗、生化研究和蛋白質(zhì)順序分析。

有關(guān)乙酸乙酯的研究主要是將其作為溶劑或萃取劑來研究溶質(zhì)分子的特性[1-4]，而對乙酸乙酯自身的研究工作有：LIU等人利用自行研制的光纖探頭結(jié)合喇曼光譜裝置，實現(xiàn)對乙酸乙酯合成過程的實時監(jiān)測[5];TAN等人采用近紅外光譜結(jié)合區(qū)間偏最小二乘法對白酒中乙酸乙酯含量最優(yōu)波長區(qū)間進行確定，并建立了預測模型[6];FENG等人采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)鑒定杜康酒中的乙酸乙酯和己酸乙酯等含量較高的香氣成分[7];SUN等人利用傅里葉變換紅外光譜和衰減全反射技術(shù)結(jié)合化學計量學方法對酯類物質(zhì)進行快速定性和定量分析[8];KOLLING等人利用紅外光譜技術(shù)研究非質(zhì)子溶劑對乙酸乙酯羰基吸收峰的影響[9]。總體來看，國內(nèi)外對乙酸乙酯的振動光譜并結(jié)合算法進行定量預測方面的研究相對較多，但外界環(huán)境變化對乙酸乙酯自身光譜特性的影響相對較少。本文中通過實驗結(jié)合量子化學計算研究模擬白酒環(huán)境中乙酸乙酯穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)熒光光譜特性的變化，有助于豐富白酒光譜特性[10]的研究和了解環(huán)境對有機分子光學性質(zhì)的影響。

1 實 驗

1.1 實驗樣品

乙酸乙酯為國家標準物質(zhì)研究中心提供的光譜純，純度不小于99.5%；乙醇為國藥集團化學試劑有限公司提供的分析純，純度不小于99.75%；水為超純水。

1.2 實驗儀器

采用英國Edinburgh FLS920P型穩(wěn)態(tài)和時間分辨熒光光譜儀測得樣品的穩(wěn)態(tài)熒光光譜和熒光衰減曲線。測量穩(wěn)態(tài)熒光光譜時，設定激發(fā)波長為374nm，掃描波長范圍為390nm～600nm，掃描間隔為1nm，激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度均設置為5nm，積分時間設置為0.1s。測量熒光衰減曲線時，系統(tǒng)利用時間相關(guān)單光子計數(shù)技術(shù)，激發(fā)光源為中心波長為374nm的半導體激光器，脈沖寬度為57.7ps，測量的總光子數(shù)為10000，測量的時間范圍為0ns～50ns。

2 量子化學計算

采用密度泛函理論中的B3LYP[11]泛函，在6-31G(d,p)基組水平上對乙酸乙酯分子的表面靜電勢分布和多聚體結(jié)構(gòu)的基態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并通過頻率分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)無虛頻，確認優(yōu)化的結(jié)構(gòu)處于勢能面的能量最低點。全部計算均采用Gaussian 09程序完成。分子表面靜電勢分析和弱相互作用分析均采用Multiwfn程序[12]完成。分子間相互作用的等值面圖使用分子可視化(visual molecular dynamics,VMD)程序[13]繪制。

3 結(jié)果與討論

3.1 純乙酸乙酯熒光光譜

Fig.1 a—fluorescence spectra of ethyl acetate excited at 374nm b—fluorescence decay curves of ethyl acetate at 407nm and 431nm

Table 1 Fluorescence lifetime and proportion of ethyl acetate

3.2 不同體積分數(shù)乙酸乙酯乙醇水溶液的熒光光譜特性

將乙醇溶于超純水中，配制成體積分數(shù)為0.5的乙醇水溶液來模擬白酒環(huán)境。將乙酸乙酯溶于乙醇水溶液中，分別配制成體積分數(shù)為0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8和0.9的乙酸乙酯乙醇水溶液，以考察模擬白酒環(huán)境對乙酸乙酯熒光壽命的影響。設定激發(fā)波長為374nm，掃描波長范圍為390nm～600nm，掃描間隔為1nm，積分時間為0.1s，測量不同體積分數(shù)乙酸乙酯乙醇水溶液的熒光光譜，結(jié)果如圖2a所示。

Fig.2 a—fluorescence spectra of ethyl acetate ethanol aqueous solutions with different volume fractions b—fluorescence decay curves of ethyl acetate ethanol aqueous solutions with different volume fractions at 404nm c—fluorescence decay curves at 431nm

由圖2a可知，不同體積分數(shù)的乙酸乙酯乙醇水溶液的熒光峰有少許的位移，分別在407nm～412nm和431nm～434nm范圍變動。隨著乙醇水溶液的體積增加，熒光強度逐漸減小。一是由于熒光物質(zhì)乙酸乙酯的減少，二可能是由于乙醇和水溶液的引入，分子間的相互作用有了新的變化：乙酸乙酯和乙醇、水分子之間形成多聚體結(jié)構(gòu)。分別在不同體積分數(shù)樣品的熒光峰處測得時間分辨熒光光譜，考察乙醇和水對乙酸乙酯動力學性質(zhì)的影響。圖2b和圖2c中分別是不同體積分數(shù)乙酸乙酯乙醇溶液在各自熒光峰處的熒光衰減曲線，衰減曲線的擬合結(jié)果和熒光壽命列于表2中。

Table 2 Fluorescence lifetime and proportion of ethyl acetate ethanol aqueous solution with different volume fractions

volume fractionemission wavelength/nmτ1/nsa1/%τ2/nsa2/%^τ/nsχ20.14121.6488.8614.8611.148.671.0754341.6787.8415.0212.169.071.1370.24121.5893.9712.766.035.401.1084341.694.1713.075.835.451.1970.34111.5695.7511.934.254.191.0764341.5796.2111.743.793.881.1640.44101.5295.759.922.822.861.1094341.5397.449.732.562.71.1140.54101.4997.4582.552.291.0974341.597.788.552.222.311.0940.64091.4497.735.432.271.760.9134331.4598.095.911.911.780.980.74081.4297.924.692.081.630.9334321.4397.994.862.011.651.0020.84081.3896.93.463.11.530.9714311.3997.914.212.091.560.9850.94071.3596.813.193.191.470.9304311.3495.232.894.771.490.963

由表中數(shù)據(jù)可知，在兩處熒光峰衰減過程中，短壽命成分所占比重最大，基本在1.3ns～1.6ns范圍內(nèi)，與乙酸乙酯的熒光壽命結(jié)果接近，說明熒光壽命不易受熒光分子含量的影響。而長壽命成分的壽命值隨著乙醇水溶液體積分數(shù)的增加也逐漸增大，且在體積比為50%乙酸乙酯乙醇水溶液時，該成分壽命值增幅較大，樣品的平均壽命值也在不斷增大。這可能是由于水分子的加入，使得乙酸乙酯和乙醇分子的多聚體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)新的多聚體形式，從而出現(xiàn)不同的熒光發(fā)射形式。

3.3 分子表面靜電勢

通過量子化學計算，研究乙酸乙酯和乙醇、水分子之間的多聚體模型。首先通過定量分子表面分析來預測分子間反應位點及結(jié)合模式，此處主要分析的是靜電勢[14]在分子范德華表面的分布。采用B3LYP泛函，在6-31G(d,p)基組水平對乙酸乙酯、乙醇和水分子進行表面靜電勢分布進行計算，從而判斷分子間結(jié)合位點。圖3a～圖3c分別為乙酸乙酯、乙醇和水分子的表面靜電勢分布圖。圖中越藍色的區(qū)域表示靜電勢越負，越紅色區(qū)域表示靜電勢越正，白色區(qū)域的靜電勢數(shù)值在0附近。由圖可知，乙酸乙酯酯基上的雙鍵氧原子處存在靜電勢極小值點，而單鍵氧原子由于被正靜電勢的碳原子包裹而未表現(xiàn)出較強的負電性，表明氧原子上的孤對電子對靜電勢有很大的負貢獻，靜電勢正值區(qū)域在碳鏈表面分布較為均勻；同理，乙醇羥基上的氧原子由于孤對電子的存在而顯示很強的負電性，而氫原子由于電負性小于碳、氧原子，因此在體系中顯現(xiàn)正電性；且羥基上的氫原子，由于所連的氧原子比碳原子的吸引電子能力更強而顯示明顯的正電性，對應體系中靜電勢極大值點；與乙醇相似，水由于氧原子兩端連有等價的氫原子，所以兩個氫原子均為體系中靜電勢極大值點。

Fig.3 a—electrostatic potential of ethyl acetate molecule surface b—electrostatic potential of ethanol molecule surface c—electrostatic potential of water molecule surface

通過極值點分析可知，乙酸乙酯的酯基雙鍵氧對應表面靜電勢最小值點，乙醇的羥基氫原子和水分子的兩個氫原子對應靜電勢最大值點，因此3個分子容易通過靜電相互作用結(jié)合成多聚體結(jié)構(gòu)，使得多聚體能量最大程度的降低，結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 弱相互作用可視化研究

考慮乙醇和水分子對乙酸乙酯的影響，構(gòu)建兩種多聚體結(jié)構(gòu)，分別是乙酸乙酯與一個乙醇和水分子的三聚體結(jié)構(gòu)和兩個乙酸乙酯與兩個乙醇和水分子的六聚體結(jié)構(gòu)，如圖4a和圖4b所示。在與靜電勢分布計算相同的泛函和基組水平，對兩者進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果無虛頻，表面結(jié)構(gòu)處于勢能面能量最低點。

基于約化密度梯度函數(shù)(reduced density gradient，RDG)和電子密度ρ之間的關(guān)系，YANG課題組開發(fā)出一種有效而便捷的方法來研究弱相互作用，稱為RDG方法[15]，該方法在研究有機分子結(jié)構(gòu)方面得到廣泛的應用[16-20]。通過繪制RDG和ρ乘以電子密度Hessian矩陣的第二大本征值函數(shù)sign(λ2)乘積之間的散點圖，并將該函數(shù)乘積sign(λ2)ρ投影到RDG等值面上，就可以在實空間中表征各種類型和強度的弱相互作用，研究對象主要是氫鍵、范德華力和位阻作用。RDG填色等值面圖中左側(cè)藍色區(qū)域表示較強、起吸引作用的弱相互作用，即氫鍵；中間綠色區(qū)域表示相互作用強度較弱的范德華作用；右側(cè)紅色區(qū)域表示有互斥作用的位阻效應。散點圖上也出現(xiàn)若干垂直于橫坐標的“尖釘”，原文中稱為spike。spike上的點正對應于弱相互作用區(qū)域，散點圖上各個spike位置和RDG填色圖上的等值面通過顏色進行一一對應。圖5a和圖5b分別是三聚體結(jié)構(gòu)的RDG填色等值面圖和散點圖。圖6a和圖6b分別是六聚體結(jié)構(gòu)的RDG填色等值面圖和散點圖。

Fig.4 a—trimer structure of ethyl acetate and ethanol water molecule b—hexamer structure of ethyl acetate and ethanol water molecule

由圖5a可知，乙酸乙酯酯基上的雙鍵氧原子與乙醇分子、水分子的氫原子存在藍色的等值面為氫鍵，表明三者是以氫鍵作用結(jié)合，且乙醇和水分子之間的氫鍵作用最強，對應散點圖最左側(cè)垂直于x軸的spike，對應橫坐標-0.027a.u.；乙醇與乙酸乙酯之間的氫鍵作用對應橫坐標為-0.025a.u.的spike，而水與乙酸乙酯之間等值面顏色偏綠色，更接近分子間的范德華作用。在三聚體結(jié)構(gòu)中，由于水分子的加入，使得該多聚體的平面性得到了提高，這有利于乙酸乙酯熒光的發(fā)射過程。

而在圖6a中，兩個乙酸乙酯和兩個乙醇分子之間的深藍色等值面，表示兩者之間的存在強氫鍵作用；水分子與乙醇分子之間也存在較強的氫鍵作用，對應散點圖中橫坐標為-0.032a.u.的spike，此處的氫鍵強度要略高于三聚體結(jié)構(gòu)中的氫鍵強度，而水分子與乙酸乙酯之間還是以范德華力作用為主。所以，此處的水分子由于兩端均可形成氫鍵，可作為連接乙酸乙酯和乙醇二聚體的媒介，使得兩個二聚體形成層狀結(jié)構(gòu)，每層都是由多個短而強的氫鍵和范德華力所連接，相互交織而成為有序的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)剛性增強，進一步阻礙分子的運動，減少激發(fā)態(tài)分子的非輻射躍遷，使得熒光壽命得到延長。

Fig.5 a—RDG coloring contours of trimer structure b—RDG coloring scatter plot of trimer structure

Fig.6 a—RDG coloring contours of hexamer structure b—RDG coloring scatter plot of hexamer structure

4 結(jié) 論

實驗中測得不同體積分數(shù)乙酸乙酯乙醇水溶液的時間分辨熒光光譜，發(fā)現(xiàn)隨著乙酸乙酯體積分數(shù)的減小，混合溶液的熒光平均壽命逐漸增大。其中短壽命成分為乙酸乙酯，長壽命成分為乙酸乙酯和乙醇及水分子的多聚體結(jié)構(gòu)。對乙酸乙酯進行分子表面靜電勢分布計算，分析可知酯基上雙鍵氧原子為多聚體結(jié)合的反應位點。由于水分子的引入及其結(jié)構(gòu)特殊性，連接乙酸乙酯和乙醇的二聚體形成層狀的結(jié)構(gòu)，每層之間存在多個氫鍵和范德華力的作用，相互交織形成有序的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，形成更加剛性的分子環(huán)境，降低非輻射躍遷的幾率，從而熒光壽命較長。