质子化功能离子液体在许多重要领域具有潜在的应用价值,然而人们对其相互作用模式、质子转移行为等方面的认识尚不清晰.本文利用DFT/B3LYP和MP2方法,以脯氨酸阳离子[HPro]+、脯氨酸甲酯阳离子[HProC1]+和糖精阴离子[Sac]组成的质子化离子液体(PILs)为研究对象,探讨气态离子对、分子对、双聚体团簇中的结构单元及其作用模式.利用过渡态和内禀反应坐标(IRC)理论研究气态[HPro]+[Sac]和[HProC1]+[Sac]中的质子转移反应,AIM(atoms in molecules)理论分析给出氢键相互作用本质等.计算结果表明,气态单聚体中氢转移能垒很小,体系中存在离子对和分子对的动态平衡.质子转移发生后,体系内部基本作用单元改变,作用强度下降,形成分子对的相互作用能量远远小于离子对的相互作用能量.双聚体团簇计算说明体系中没有质子转移反应发生,在[HPro]2+[Sac]2中相互作用的基本结构单元为离子、分子和两性离子,酯化后双聚体[HProC1]2+[Sac]2中全部为阴阳离子相互作用.质子转移反应、两性离子和酯化作用等的深入研究对于理解功能化PILs的性质、结构因素及其应用具有一定的实际意义.
利用密度泛函理论(DFT)方法,在B3LYP/6-311+G(d,p)水平下,对质子化甜菜碱阳离子与双三氟甲磺酰亚胺阴离子形成的气态阴阳离子对([Hbet][Tf2N])进行理论研究,通过几何结构优化和频率分析得到势能面上的六个稳定构型.计算结果表明[Hbet]+和[Tf2N]-之间能够形成较强的氢键相互作用,氢键相互作用的稳定化能主要来源于[Tf2N]-中O,N原子的孤对电子和[Hbet]+中参与形成氢键的O—H,C—H反键轨道之间的相互作用.自然布局分析(NPA)给出气态[Hbet][Tf2N]离子对中阴阳离子间的电荷转移比传统离子液体中电荷转移的数值小.AIM(atoms in molecules)分析得到[Hbet]+和[Tf2N]-之间的氢键相互作用以静电作用为主.通过实验和理论结果相比较,初步探讨影响离子液体熔点及其对金属离子选择性溶解的结构因素.
