温度扰动下氯化胆碱/丙三醇溶液的二维红外光谱研究
张雁东1, 吴晓静1,*, 李子轩1, 程龙玖2
1.合肥工业大学化学与化工学院, 安徽 合肥 230009
2.安徽大学化学化工学院, 安徽 合肥 230601
*通讯作者 e-mail: wuxiaojing@ustc.edu

作者简介: 张雁东, 1996年生, 合肥工业大学化学与化工学院硕士研究生 e-mail: 2952388021@qq.com

摘要

随着绿色化学的要求, 更多科研工作者们致力于绿色环保的低共熔溶剂(DES)研究上。 氯化胆碱类DES具有无毒无污染且容易制备的特性, 已被应用于许多不同的领域。 以氯化胆碱(Choline chloride, ChCl)和丙三醇(Glycerine, Gly)形成的DES为研究对象。 对比ChCl, Gly和ChCl/Gly的红外光谱图, 发现NC4和O—H发生了红移以及特征峰的合并和消失, 这些都表明ChCl/Gly通过N—$\mathrm{H}_{\mathrm{Ch}}^{+}$···Cl-和Cl-···H—OGly的方式形成DES。 为了探究不同温度下DES变化情况, 以温度为外扰测试25~135 ℃下ChCl/Gly的红外光谱数据, 对比这些数据发现不同温度下NC4和O—H光谱峰的强度、 宽度和位置都发生了一定程度的改变, 但是这些特征峰都是宽峰具有重叠现象, 很难通过一维光谱分析, 采用二维红外光谱(2D-IR)可以对复杂溶液体系进行更好的图谱分析, 探究其形成机理和分子间结构。 对ChCl/Gly中NC4和O—H特征峰随温度变化的数据进行2D-IR分析, 获得动态变化顺序, 推测溶液中不同的分子团簇。 研究发现25~65 ℃时O—H在3 539、 3 400、 3 380和3 177 cm-1有四个自动峰, NC4也出现不同的自动峰, 这些峰可归属于ChCl/Gly、 ChCl/(Gly)2、 ChCl/(Gly)3; 在65~105 ℃时O—H在3 539、 3 400和3 380 cm-1有三个自动峰, NC4有相应的变化, 这些峰可归属于ChCl/Gly和ChCl/(Gly)2; 在105~135 ℃时O—H只在3 380 cm-1有一个强自动峰, NC4也只出现一个自动峰, 可归属于ChCl/Gly。 通过2D-IR分析得出随温度上升溶液中分子团簇解离成更稳定的结构, 为了验证这一结论和探究不同团簇分子间Cl-作为桥梁形成N—$\mathrm{H}_{\mathrm{Ch}}^{+}$···Cl-和Cl-···H—OGly具体连接方式。 采用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-311G++(2d, p)理论水平上进行构型几何优化, 计算出相关的热力学数据, 证实了ChCl/Gly中不同分子团簇存在的可能性。 研究表明2D-IR和密度泛函理论计算相结合, 能够很好地用于分析DES中不同分子团簇随温度变化的规律, 较好地解决了一维红外光谱在温度外扰下难以分析重叠峰和宽峰的问题。

关键词: 低共熔溶剂; 二维红外光谱; 氢键; 密度泛函理论
中图分类号:O645 文献标志码:A
Two-Dimensional Infrared Spectroscopic Study of Choline Chloride/Glycerin Solution Disturbed by Temperature
ZHANG Yan-dong1, WU Xiao-jing1,*, LI Zi-xuan1, CHENG Long-jiu2
1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China
2. College of Chemistry & Chemical Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China
*Corresponding author
Abstract

With the requirements of green chemistry, more researchers are committed to studying green eutectic solvents (DES). Choline chloride eutectic solvent (DES) has been used in many fields because of its non-toxic, pollution-free and easy preparation. DES formed by choline chloride (ChCl) and glycerol (Gly) was studied in this paper. Comparing the infrared spectra of ChCl, Gly and ChCl/Gly, it was found that NC4 and O—H had red-shift and the combination and disappearance of characteristic peaks, which all indicated that ChCl/Gly formed DES through N—$\mathrm{H}_{\mathrm{Ch}}^{+}$···Cl- and Cl-···H—OGly. In order to explore the changes of DES at different temperatures, the infrared spectral data of ChCl/Gly at 25~135 ℃ were tested with temperature as an external disturbance. It was found that the intensity, width and position of NC4 and O—H spectral peaks changed to a certain extent at different temperatures, but these characteristic peaks were all wide peaks with overlapping phenomenon. It is difficult to conduct one-dimensional spectral analysis, but two-dimensional infrared spectroscopy (2D-IR) can better analyze the complex solution system and explore its formation mechanism and intermolecular structure. 2D-IR analysis was performed on the data of NC4 and O—H characteristic peaks in ChCl/Gly as a function of temperature to obtain the dynamic change sequence and predict the different molecular clusters in the solution. The results Three automatic O—H peaks at 3 539, 3 380 and 3 177 cm-1 at 25~65 ℃. Different automatic peaks of NC4 also appear, which can be attributed to ChCl/Gly, ChCl/(Gly)2 and ChCl/(Gly)3. At 65~105 ℃, O—H has two automatic peaks at 3 539, 3 380 and 3 400 cm-1, and NC4 has corresponding changes, which can be attributed to ChCl/Gly and ChCl/(Gly)2. At 105~135 ℃, O—H only had a strong automatic peak at 3 380 cm-1, and NC4 only had an automatic peak, attributed to ChCl/Gly. Through 2D-IR analysis, it is concluded that molecular clusters in the solution dissociate into a more stable structure with the rise of temperature. In order to verify this conclusion and explore the specific connection mode of N—$\mathrm{H}_{\mathrm{Ch}}^{+}$···Cl- and Cl-···H—OGly formed by Cl- between molecules of different clusters as Bridges. The density functional theory (DFT) was used to optimize the configuration geometry at the B3LYP/6-311G++(2d,p) theoretical level, and the relevant thermodynamic data were calculated, which confirmed the possibility of the existence of different molecular clusters in ChCl/Gly. The study shows that the combination of 2D-IR and density functional theory calculation can be well used to analyze the law of different molecular clusters in DES with temperature change, which better solves the problem that it is difficult to analyze overlapping and wide peaks in a one-dimensional infrared spectrum under temperature disturbance.

Keyword: Deep eutectic solvent; Two-dimensional infrared spectroscopy; Hydrogen bond; Density functional theory
引言

绿色化学的理念, 使人们不断努力开发对环境毒性影响最小或无毒性的新型环保溶剂。 Abbott等2003年首次报道了氯化胆碱(choline chloride, ChCl)与尿素以1:2的摩尔比混合可以形成熔点为12 ℃的混合溶剂并且具有粘度高、 无毒、 可生物降解等优点, 自此低共熔溶剂(deep eutectic solvent, DES)进入了人们的视线。 DES是由氢键受体(HBA)和氢键供体(HBD)通过加热搅拌混合在一起, 分子间通过氢键与官能团的相互作用来稳定所形成的溶剂[1]。 因为ChCl类DES这些特点, 已作为溶剂或反应介质广泛应用于许多领域, 包括化学合成[2, 3]、 物质溶解[4]、 催化化学[5]、 气体吸收[6]与石油化工[7]等。 D'Agostino等[8]应用(PFG)NMR 研究水相中三种基于ChCl的DES(尿素、 甘油和乙炔)中的Ch+和氢键供体分子迁移率, 以阐明水对混合物中物质的运动和分子间相互作用的影响。 Zhang等[9]结合实验和量子化学计算, 研究了ChCl/MgCl2· 6H2O形成DES过程中的电化学沉积机理。 但是对于ChCl类DES在不同温度下的变化情况研究较少[10]

采用2D-IR和DFT计算, 证实DES中生成了氢键且具有不同的分子团簇构型, 分析随温度的改变ChCl/Gly中NC4和O—H的光谱变化情况, 推测出其3种不同分子团簇的变化规律, 进一步说明了ChCl/Gly的形成机制。

1 实验部分
1.1 仪器设备

采用美国Thermo Fisher公司的傅里叶光谱仪(Nicolet 6700); 样品合成所用的搅拌器为集热式恒温加热磁力搅拌器(DF-101S, 上海力辰邦仪器科技有限公司); 样品制备过程中, 使用超声波清洗机(KM-23C, 广州科洁盟试验仪器有限公司)。

1.2 材料

氯化胆碱(ChCl)购自阿拉丁公司, 丙三醇(Glycerine, Gly)购自罗恩公司, 均为分析纯。 实验中采用ChCl/Gly(1:3摩尔比)的配制方法混合于圆底烧瓶中, 然后放入恒温加热磁力搅拌器中, 80 ℃恒温搅拌1.5 h。

1.3 红外光谱采集

使用移液枪吸取15 μ L配制好的ChCl/Gly溶液滴在压好的溴化钾玻片上, 将溴化钾玻片放置在傅里叶红外光谱仪载物台上, 红外光谱仪激光器的激发波长530 nm, 激光功率10 mW, 分辨率1 cm-1, 采集光谱范围为4 000~400 cm-1, 通过外接变温装置使样品温度从25 ℃以2 ℃· min-1上升到125 ℃, 每次测试间隔10 ℃。

2 结果与讨论
2.1 一维红外光谱

如图1所示, 分别是ChCl/Gly形成的DES及其对应的ChCl和Gly的一维IR光谱。 在ChCl/Gly体系中, 864 cm-1处的峰属于NC4不对称伸缩振动, 3 286 cm-1处的宽峰属于O—H伸缩振动, 在对比ChCl和Gly光谱中的特征峰可以看到红移现象发生, ChCl中的NC4不对称伸缩振动峰, 由992 cm-1移动到了864 cm-1; Gly的O—H伸缩振动峰, 由3 321 cm-1移动到了3 286 cm-1, 一般氢键的形成会使电子云密度平均化, 谱峰向低波数移动, 因此这些特征峰的红移表明ChCl作为氢键受体(HBA)与Gly氢键供体(HBD)相结合, 形成N— HCh+···Cl-和Cl-··· H—OGly稳定的分子间氢键。

图1 ChCl、 Gly和ChCl/Gly的红外光谱图Fig.1 FTIR spectrum of ChCl, Gly and ChCl/Gly

分子间的氢键对温度的变化比较敏感, 氢键的变化可能导致ChCl/Gly中分子团簇发生变化。 图2分别为ChCl/Gly中随着温度的不断升高NC4和O—H的伸缩振动变化情况。 由图2(a)可知随温度的升高NC4光谱峰的吸收强度增强, 峰的位置也缓慢偏移, 推测N— HCh+···Cl-受到了温度的影响。 由图2(b)可知, 温度越低, O—H峰形变得更加平缓, 位置同样也发生了偏移, 推测温度的改变使得与Cl-形成Cl-···H—OGly的Gly分子个数发生了变化。

图2 不同温度下ChCl/Gly中NC4(a)和O—H(b)的红外光谱Fig.2 FTIR spectrum of NC4(a)and O—H(b) in ChCl/Gly at different tempertures

2.2 2D-IR对NC4和O—H的分析

图3第一列[即(a), (b), (c)]是ChCl/Gly在不同温度下, NC4键的同步图。 同步图中, 在885、 870和862 cm-1附近发现三个明显的自动峰且峰强度不相同, 说明这三个自动峰对应的官能团对温度变化的敏锐度不同, 即溶液中有三种不同的通过N— HCh+···Cl-连接的团簇分子。 此外, 出现了一组关于885和862 cm-1的负交叉相关峰(859, 841 cm-1), 说明自动峰附近的官能团之间可能存在分子间的相互作用。

图3 温度扰动时ChCl/Gly溶液中NC4的同步二维红外光谱图(第一列)与异步二维红外光谱图(第二列); ChCl/Gly溶液中O—H的同步二维红外光谱图(第三列)与异步二维红外光谱图(第四列)Fig.3 Synchronous (column 1) and Asynchronous (column 2) NC4 of 2D-IR in ChCl/Gly; Synchronous (column 3) and Asynchronous (column 4) O—H of 2D-IR in ChCl/Gly under temperature perturbation

图3第二例[即(d), (e), (f)]是ChCl/Gly在不同温度下, NC4键的异步图。 异步图中, 在(885, 862)、 (870, 853)、 (862, 857)、 (870, 862)(862, 825)、 (862, 831)cm-1处存在交叉峰, 说明在ChCl/Gly体系中存在不同的分子团簇对温度的敏感程度具有差异性。 根据Noda规则, 可得到随温度升高, NC4光谱强度变化顺序为: 870 cm-1> 885 cm-1> 862 cm-1。 即随温度升高, 870 cm-1处分子团簇最先发生变化。 由其变化规律和光谱分析, 可将862 cm-1归属于ChCl/Gly; 885 cm-1归属于ChCl/(Gly)2; 870 cm-1归属于ChCl/(Gly)3

图3第三列[即(g), (h), (i)]是ChCl/Gly在不同温度下, O—H的同步图。 同步图中, 在3 539、 3 400、 3 380、 3 177 cm-1附近发现四个自动峰和(3 537, 3 174)、 (3 589, 3 390) cm-1两个交叉峰, 且峰的方向一致, 说明ChCl/Gly溶液中的分子团簇并不稳定, 对温度的扰动具有协同响应。

图3第四列[即(j), (k), (l)]是ChCl/Gly在不同温度下, O—H的异步图。 异步图中, 在(3 400, 3 097)、 (3 380, 3 177)、 (3 205, 3 070) cm-1三个负交叉峰和(3 539, 3 380)、 (3 177, 3 070) cm-1两个正交叉峰, 且随着温度的升高, 图中的噪点在消失和特征峰的强度提高, 说明ChCl/Gly体系中通过Cl-···H—OGly连接的分子团簇向稳定结构解离。 根据Noda规则, 可得到随温度升高, O—H光谱强度变化顺序为: 3 177 cm-1> 3 539 cm-1/3 400 cm-1> 3 380 cm-1。 即随温度升高3 177 cm-1处分子团簇最先发生变化, 然后3 539/3 400 cm-1处开始发生变化, 3 380 cm-1处的分子团簇结构最稳定。 由其变化顺序和光谱分析, 可将3 380 cm-1归属于ChCl/Gly; 3 539和3 400 cm-1归属于ChCl/(Gly)2; 3 177 cm-1归属于ChCl/(Gly)3

2.3 结构优化和热力学计算

为了验证通过2D-IR得到的推论和得到各分子团簇具体构型, 对3种ChCl/Gly团簇构型采用密度泛函理论(DFT), 在B3LYP/6-311G++(2d, p)理论水平上进行相关构型几何优化, 优化过程中进行多次计算, 消除虚频, 确保所得团簇的稳定性。 由相关文献[11]可知在ChCl类DES中一个Cl-可形成四个分子间氢键, 图4清楚地展示了ChCl/Gly溶剂体系中的3种不同团簇分子的结构, 这也验证了2D-IR图推测的结论, 这些模拟图表明Gly通过对ChCl中Ch+与Cl-之间静吸引力的破坏, 从而在ChCl/Gly中形成高度互联的氢键, 验证一维红外光谱中推测的氢键产生导致化学键红移的结论, 同时这些氢键的产生可能也是DES溶液粘度、 熔点、溶解度等理化性质改变的原因。

图4 B3LYP优化得到ChCl/Gly溶液中各团簇分子的稳定结构Fig.4 B3LYP optimized the stable configuration of clusters in ChCl/Gly solution

对优化数据使用等式(1)—式(3)获得ChCl、 Gly和DES混合物的热力学值

ΔXChCl=XChCl-XCh-XCl(1)

ΔXHBD=X(Gly)n-nXGly(2)

ΔXDES=XDES-XChCl-nX(Gly)(3)

表1可得, 形成的DES中各团簇分子的电子能、 焓、 吉布斯自由能(Δ E、 Δ H、 Δ G)均是负的, 代表Gly和ChCl之间的有利相互作用。 最稳定的是ChCl/Gly, Δ E、 Δ H、 Δ G分别为-97.53、 -100.32和-23.25 kJ· mol-1; 其次是ChCl/(Gly)2, Δ E、 Δ H、 Δ G分别为-70.46、 -74.22和-16.89 kJ· mol-1; ChCl/(Gly)3最不稳定, Δ E、 Δ H、 Δ G分别为-56.98、 -59.86和-12.36 kJ· mol-1。 结果表明, ChCl周围与Cl-结合形成氢键的Gly分子越多的团簇分子越不稳定。 这与从2D-IR得到的随温度升高DES溶液解离为更稳定团簇的推论一致。

表1 各团簇分子的热力学常数 Table 1 Thermodynamic constants of each cluster molecule
3 结论

通过比较ChCl、 Gly和ChCl/Gly红外光谱对比发现了ChCl/Gly溶液中NC4和O—H发生了红移, 证明了DES溶液中生成了N— HCh+···Cl-和Cl-···H—OGly分子间氢键, 氢键的生成是造成红移的主要原因。 测试不同温度下ChCl/Gly溶液的红外光谱, 通过2D-IR将一维红外光谱中微小差距放大, 分析发现溶液中氢键的连接方式并不相同, 具有不同的团簇构型, 通过密度泛函理论得到了温度外扰下ChCl/Gly溶液中团簇构型的最稳定结构, N— HCh+···Cl-和Cl-···H—OGly的连接方式以及分子团簇随温度变化的解离方向。

参考文献
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