二氟二碘甲烷(CF2I2)的微波光谱以及碘原子核四极矩耦合常数

《Journal of Molecular Spectroscopy》:Microwave spectrum and iodine nuclear quadrupole coupling constants of difluorodiiodomethane, CF2I2

【字体: 时间:2026年05月16日 来源:Journal of Molecular Spectroscopy 1.3

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  迈克尔·J·卡里略(Michael J. Carrillo)| 迈克尔·J·图伯格恩(Michael J. Tubergen)| G·史米蒂·格鲁布斯(G. Smitty Grubbs)| 斯蒂芬·A·库克(Stephen A. Cooke)| 斯图尔特·E·诺维克(Stewar

  
迈克尔·J·卡里略(Michael J. Carrillo)| 迈克尔·J·图伯格恩(Michael J. Tubergen)| G·史米蒂·格鲁布斯(G. Smitty Grubbs)| 斯蒂芬·A·库克(Stephen A. Cooke)| 斯图尔特·E·诺维克(Stewart E. Novick)
美国俄亥俄州肯特市肯特州立大学化学与生物化学系,邮编44240

摘要

首次报道了二氟二碘甲烷的高分辨率旋转光谱。使用分子束宽带傅里叶变换微波光谱仪在5.9–18.1 GHz的频率范围内记录了该光谱。通过对163个旋转跃迁的1378个超精细跃迁进行拟合,确定了两个等效碘原子的旋转常数、离心畸变常数、核四极耦合常数和核自旋-旋转常数:A = 2743.79691(18) MHz,B = 587.83103(5) MHz,C = 528.72470(5) MHz,χaa = ?1213.287(6) MHz,χbb – χcc = ?885.210(5) MHz,以及χab' role="presentation">χab= 1437.721(5) MHz。由于碘的较大核四极耦合效应,在光谱中观察到了31个禁戒偶极/允许四极跃迁。采用ab initio方法和量子化学计算(在MP2/aug-cc-pVTZ-pp和MP2//B3LYP/6-311G**理论水平上进行)来预测旋转常数、离心畸变常数、核四极耦合常数和核自旋-旋转常数,并指导数据分析。

引言

对二卤甲烷系列(CH?X?,X = Cl, Br, 和 I)的微波(MW)光谱研究具有挑战性,因为很难分配出由两个等效卤素原子(自旋大于?)引起的广泛超精细分裂的光谱[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]。这些研究不仅提供了关于分子结构(键角和键长)的精确信息,还有助于更好地理解核四极耦合张量[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]。观察到自然界中丰富的氯和溴同位素,使得能够为对称物种(例如CH?3?Cl?和CH???Br?)和不对称物种(CH?3?Cl3?Cl和CH???Br?1Br)[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [11]分配光谱。Kisiel及其同事观察并分配了二碘甲烷(CH?I?)的光谱[9]。由于碘只有一个天然存在的同位素(12?I),因此也分配了CD?I?的光谱,以获得CH?I?的精确分子结构[9], [10]。尽管具有挑战性,但这些研究是理解由两个等效高自旋原子引起的复杂超精细分裂的关键。
图1所示的二氟二碘甲烷(CF?I?)是一种含碘的分子(ICM),属于二氟二卤甲烷系列(CF?X?),该系列还包括二氟二氯甲烷(CF?Cl?)和二氟二溴甲烷(CF?Br?)。CF?Cl?(Freon-12)是一种氯氟烃,曾用作制冷剂和气溶胶推进剂,而CF?Br?(Halon-1202)被归类为哈龙,并曾用于便携式灭火器。这两种化学物质由于蒙特利尔协议[12]的影响已逐步停止工业生产。由于对紫外线辐射的高敏感性以及随后形成的自由基(如CF?X(X = Cl, Br, 或 I),这些化学物质对臭氧层有害[13]。多个研究小组已经研究了CF?Cl?的MW光谱,最高达到260 GHz,从而能够精确确定其结构和核四极耦合常数[14], [15], [16], [17], [18]。CF?Br?的三种最丰富同位素体的MW光谱也已被报道[19]。除了溴的核四极超精细分裂(高达42 MHz)外,b型旋转跃迁还受到1?F自旋-自旋耦合的影响,分裂了11 kHz[19]。CF?I?的光谱分配完成了这一系列研究,并提供了关于氟化对Cl、Br和I原子电子环境及核四极耦合张量影响的见解。
之前尚未报道过CF?I?的旋转光谱。McAlpine等人分析了红外光谱300–4000 cm?1范围内的9个振动模式中的4个[20]。他们还观察到了A?的扭转模式ν?,这种模式在其他CF?X?物种的IR光谱中曾被描述为“理论上不活跃”的[21], [22]。Mack等人[23]报道了CF?I?的气相电子衍射结构,包括C-F、C-I、F•••F、I•••I的键长和原子间距离。Cao等人[24]使用超快电子衍射技术重新测量了CF?I?的结构参数,并得到了很好的吻合结果。二氟二碘甲烷及其衍生的自由基物种也是许多其他光谱实验的主题,包括基质分离、超快光解和多光子电离飞行时间技术[25], [26], [27], [28], [29], [30], [31]。本手稿描述了CF?I?复杂的纯旋转光谱,并利用拟合的核四极耦合常数来更好地理解碘原子的电子环境以及氟化效应。

章节摘录

实验和计算方法

CF?I?的旋转光谱如图2a所示,使用密苏里科技大学的一种分子束啁啾脉冲傅里叶变换微波光谱仪在5.7 GHz - 18.1 GHz的频率范围内收集;该仪器的详细信息在其他地方有描述[32]。CF?I?从Synquest Laboratories?购买(纯度为95%),未经进一步纯化直接使用。液体样品被放置在样品储液器中,并通过...

CF?I?的分子结构

表1的第一列报告了两种理论模型结构的键长和键角。模型结构的优化笛卡尔坐标在补充材料中提供。MP2//B3lYP/6-311G**模型预测的C-I键长略长于MP2/aug-cc-pVTZ-PP模型,但所有其他键长和键角都非常吻合。El-Khoury等人使用B3LYP、M06-2×、MP2等理论方法对CF?I?进行了广泛的理论计算

结论

首次研究了CF?I?的旋转光谱。精确确定了旋转常数、四次离心畸变常数和核四极耦合常数。进行了MP2/aug-cc-pVTZ-pp和MP2//B3LYP/6-311G**计算以辅助实验数据分析。实验确定的常数与MP2/aug-cc-pVTZ-pp和MP2//B3LYP/6-311G**的理论光谱常数非常吻合。

CRediT作者贡献声明

迈克尔·J·卡里略(Michael J. Carrillo):撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 原始草稿,方法论,研究,形式分析。迈克尔·J·图伯格恩(Michael J. Tubergen):撰写 – 审稿与编辑,验证。G·史米蒂·格鲁布斯(G. Smitty Grubbs):撰写 – 审稿与编辑,验证,监督,资源获取,项目管理,方法论,研究,资金筹集,形式分析,数据管理,概念化。斯蒂芬·A·库克(Stephen A. Cooke):研究,概念化。

[54]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢已故的斯图尔特·E·诺维克教授(Stewart E. Novick)对本手稿所述研究的贡献。感谢俄亥俄超级计算机中心提供的资源支持。[54] MJC想感谢林伟教授(Prof. Wei Lin)在禁戒跃迁方面的讨论。对于GSGII,本材料基于美国国家科学基金会(National Science Foundation)在Grant No. CHE-MRI-2019072项目下的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
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