Исследование комбинационного рассеяния света в жидких аренах и их галогенозамещенных в низкочастотной области спектра

Цель. Исследование комбинационного рассеяния света в жидких аренах и их галогенозамещенных в низкочастотной области спектра с учетом процессов кластеризации в их структуре.

Методы. Применялись методы спектроскопии комбинационного рассеяния света, а также метод моделирования с использованием кластерных представлений строения жидкостей. Спектры комбинационного рассеяния света в низкочастотной области спектра от 17 до 500 см-1 были получены на спектрометре LabRAM HR Evolution при комнатной температуре (23°С).

Результаты. Проведен анализ теоретических и экспериментальных работ по свойствам димерных конфигураций бензола и по влиянию процессов кластеризации в веществах на их ИК-спектры и спектры комбинационного рассеяния света. Получены низкочастотные области спектров комбинационного рассеяния света жидких бензола, о-ксилола, этилбензола, фторбензола, хлорбензола, бромбензола, толуола, о-фтортолуола, м-фтортолуола, п-фтортолуола, о-хлортолуола, м-хлортолуола, п-хлортолуола, 2,4-дихлортолуола, 2,6-дихлортолуола. Апробирована модель формирования и распада кластерных образований. Получены формулы для оценки минимальной частоты либрационных колебаний ωmin димерного образования в структуре кластера и положения максимумов спектральных полос в низкочастотной области спектра комбинационного рассеяния света в зависимости от количества частиц, входящих в кластерные образования. Полученные теоретические результаты ωmin находятся в удовлетворительном согласии с данными эксперимента в пределах суммарной погрешности.

Предложенная модель позволяет прогнозировать положение некоторых спектральных полос спектра комбинационного рассеяния. Наличие других спектральных полос, очевидно, связано с многочастичным взаимодействием в структуре кластеров и требует дополнительных исследований.

Заключение. Предложенная модель формирования и распада кластерных образований и соотношения, следующие из нее, позволяют по известным значениям энтальпии образования и момента инерции димера оценить значение минимальной частоты в низкочастотной области спектра комбинационного рассеяния света жидких аренов и их галогенозамещенных, и наоборот, по известным значениям минимальной частоты оценить значения энтальпии образования и момента инерции димера, не прибегая к сложным квантово-механическим расчетам.

1. Ландсберг Г. С., Мандельштам Л. И. Новое явление при рассеянии света // Журнал Русского физико-химического общества (часть физическая). 1928. Т. 60, № 4. С. 335–338.

2. Характерные особенности низкочастотной области инфракрасных спектров и кластерная модель строения жидкостей / Г. А. Мельников, Н. М. Игнатенко, К. Н. Болдырев, О. А. Манжос, А. С. Громков // Оптика и спектроскопия. 2023. Т. 131, вып. 3. С 361–369. https://doi.org/10.21883/OS.2023.03.55386.4535-22.

3. Галашев А. Е., Рахманова О. Р. Взаимодействие ионов хлора с кластерами воды, абсорбирующими озон. Компьютерный эксперимент // Химическая физика. 2011. Т. 30, № 4. С. 3–15.

4. Eaton D. C. Ozone complexes with substituted aromatic compounds // Honors Theses. 1976. URL: https://digitalworks.union.edu/theses/2208/ (дата обращения: 13.01.2024).

5. Разумовский С. Д., Заиков Г. Е. Озон и его реакции с органическими соединениями. М.: Наука, 1974. 322 с.

6. Галашев А. Е. Молекулярно-динамическое моделирование адсорбции озона и нитрат-ионов кластерами воды // Теплофизика высоких температур. 2012. Т. 50, вып. 2. С. 222–232.

7. Фабелинский И. Л. Комбинационному рассеянию света – 70 лет // Успехи физических наук. 1998. Т. 168, № 12. С. 1341–1360. https://doi.org/10.3367/UFNr.0168.199812g.1341.

8. Волькенштейн М. В. Раман-эффект и междумолекулярное взаимодействие // Успехи физических наук. 1937. Т. 18, вып. 2. С. 153–202. https://doi.org/10.3367/UFNr.0018.193706a.0153.

9. Ахманов С. А., Коротеев Н. И. Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света: активная спектроскопия рассеяния света. М.: Наука, 1981. 543 с.

10. Бенуэлл К. Н. Основы молекулярной спектроскопии. М.: Мир, 1985. 384 с.

11. Беллами Л. Д. Новые данные по ИК-спектрам сложных молекул. М.: Мир, 1971. 318 с.

12. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно неоднородных средах. Т. 1. Однократное рассеяние и теория переноса. М.: Мир, 1981. 280 с.

13. Тарасевич Б. Н. ИК-спектры основных классов органических соединений. М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2012. 55 с.

14. Combination scatter of light in liquids, taking into account clusterization processes in their structure / G. A. Melnikov, O. A. Manzhos, N. M. Ignatenko, A. S. Gromkov // 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE). Tomsk: IEEE, 2020. P. 946–951. https://doi.org/10.1109/EFRE47760.2020.9241975.

15. ИК-спектры и магические числа в кластерных системах / Г. А. Мельников, Н. М. Игнатенко, В. Г. Мельников, Е. Н. Черкасов, О. А. Апалькова // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2014. № 4. С. 96–101.

16. Formation of cluster systems in condensed matters and IR spectra of liquids / G. Melnikov, N. Ignatenko, P. Krasnych, V. Melnikov, E. Cherkasov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 110. P. 012064. https://doi.org/10.1088/1757-899X/110/1/012064.

17. On the influence of clustering processes in the liquid structure on Raman scattering / G. Melnikov, N. Ignatenko, L. Petrova, O. Manzhos, A. Gromkov // MATEC Web of Conferences. 2021. Vol. 344. P. 01010. https://doi.org/10.1051/matecconf/202134401010.

18. The structure of small clusters and IR spectrum condensed matters / G. A. Melnikov, N. M. Ignatenko, V. G. Melnikov, E. N. Cherkasov, O. A. Manzhos // Journal of Nano- and Electronic Physics. 2015. Vol. 7, no. 4. P. 04087.

19. Magic numbers in mass spectra of large Van der Waals clusters / O. Echt, O. Kandler, T. Leisner, W. Miehle, E. Recknagel // Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions. 1990. Vol. 86. P. 2411– 2415. https://doi.org/10.1039/FT9908602411.

20. Nagels N., Hauchecorne D., Herrebout W. A. Exploring the C-X…π halogen bonding motif: an infrared and Raman study of the complexes of CF₃X (X = Cl, Br and I) with the aromatic model compounds benzene and toluene // Molecules. 2013. Vol. 18, is. 6. P. 6829–6851. https://doi.org/10.3390/molecules18066829.

21. Arrays of plasmonic nanoparticle dimers with defined nanogap spacers / H.-Ho Jeong, M. C. Adams, J.-P. Günther, M. Alarcón-Correa, I. Kim, E. Choi, C. Miksch, A. F. Mark, A. G. Mark, P. Fischer // ACS Nano. 2019. Vol. 13, is. 10. P. 11453–11459. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b04938.

22. Plasmonic mode mixing in nanoparticle dimers with nm-separations via substrate-mediated coupling / J. Theiss, M. Aykol, P. Pavaskar, S. B. Cronin // Nano Res. 2014. Vol. 7. P. 1344–1354. https://doi.org/10.1007/s12274-014-0499-7.

23. Efficient bond function basis set for π-π interaction energies / Y. Ding, Y. Mei, J. Z. H. Zhang, F.-M. Tao // Journal of Computational Chemistry. 2008. Vol. 29, no. 2. P. 275–279. https://doi.org/10.1002/jcc.20788.

24. Моделирование димерных образований в структуре кластеров бензола / Г. А. Мельников, Н. М. Игнатенко, В. М. Пауков, В. В. Сучилкин // Физико-математическое моделирование систем: материалы XIX Международного семинара. Воронеж: ВГТУ, 2018. С. 145–149.

25. Melnikov G. A. Clusters of Fibonacci in the structure of condensed medium // Известия вузов. Физика. 2018. Т. 61, № 9-2(729). С. 207–210.

26. Аракелян Г. Математика и История золотого сечения. М.: Логос, 2014. 404 с.

27. Bertie J. E., Keefe C. D. Infrared intensities of liquids XXIV: optical constants of liquid benzeneh6 at 25 °C extended to 11.5 cm−1 and molar polarizabilities and integrated intensities of benzene-h6 between 6200 and 11.5 cm−1 // Journal of Molecular Structure. 2004. Vol. 695/696. P. 39–57. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2003.11.002.

28. Simulated structure, dynamics, and vibrational spectra of liquid benzene / R. Chelli, G. Cardini, P. Procacci, R. Righini, S. Califano, A. Albrecht // The Journal of Chemical Physics. 2000. Vol. 113. P. 6851–6863. https://doi.org/10.1063/1.1290729.

29. Badoğlu S., Yurdakul Ş. FT-IR spectroscopic and DFT computational study on solvent effects on 8-hydroxy-2-quinolinecarboxylic acid // Optics and Spectroscopy. 2015. Vol. 118. С. 364–388. https://doi.org/10.1134/S0030400X15030066.

30. Kearley G. J., Jonson M. R., Tomkinson J. Intermolecular interactions in solid benzene // The Journal of Chemical Physics. 2006. Vol. 124. P. 044514. https://doi.org/10.1063/1.2145926.

31. Smith T., Slipchenko L. V., Gordon M. S. Modeling π–πinteractions with the effective fragment potential method: the benzene dimer and substituents // The Journal of Physical Chemistry A. 2008. Vol. 112. P. 5286–5294. https://doi.org/10.1021/jp800107z.

32. Smith Q. A., Gordon M. S., Slipchenko L. V. Benzene-pyridine interactions predicted by the effective fragment potential method // The Journal of Physical Chemistry A. 2011. Vol. 115. P. 4598–4609. https://doi.org/10.1021/jp201039b.

33. Giraud G., Wynne K. A comparison of the low-frequency vibrational spectra of liquids obtained through infrared and Raman spectroscopies // The Journal of Chemical Physics. 2003. Vol. 119. P. 11753– 11764. https://doi.org/10.1063/1.1623747.

34. Infrared cavity ringdown spectroscopy of methanol clusters: Single donor hydrogen bonding / R. A. Provencal, J. B. Paul, K. Roth, C. Chapo, R. N. Casaes, R. J. Saykally, G. S. Tschumper, H. F. III Schaefer // The Journal of Chemical Physics. 1999. Vol. 10. P. 4258–4267. https://doi.org/10.1063/1.478309.

35. Arivazhagan M., Jeyavijayan S. Molecular structure and vibrational spectroscopic studies of 1-nitro-4-(trifluoromethoxy) benzene by density functional method // Indian Journal of Pure & Applied Physics. 2011. Vol. 49. P. 516–522.

36. Structural evolution and properties of subnanometer Tcn (n = 2–15) clusters / P. F. Weck, E. Kim, F. Poineaua, K. R. Czerwinskia // Physical Chemistry Chemical Physics. 2009. Vol. 11. P. 10003–10008. https://doi.org/10.1039/B914610E.