特丁基對苯二酚的光譜及密度泛函研究*

施斌 袁荔 唐天宇 陸利敏 趙先豪 魏曉楠 唐延林

(貴州大學物理學院, 貴陽 550025)

特丁基對苯二酚是重要的食品抗氧化劑.理論上, 基于密度泛函理論, 采用B3LYP 泛函及6?311G(d,p)基組在氣相環境下優化分子的結構并進行頻率計算.在此基礎上, 基于含時密度泛函理論, 選用SMD(solvation model based on density)溶劑模型, 利用B3LYP 泛函并結合def2?TZVP 基組計算分子在無水乙醇溶劑中的前50 個激發態.再通過Multiwfn軟件對紅外光譜做振動分析并考察分子間相互作用對紅外光譜的影響, 對紫外光譜做分子軌道和電子空穴分析.實驗上, 通過KBr 壓片法, 利用傅里葉紅外變換光譜儀測定樣品紅外光譜.采用液相法, 以乙醇為溶劑, 利用紫外可見分光光度計測定樣品紫外光譜.通過對比分析可知, 理論光譜與實驗光譜總體吻合較好.紅外光譜各基團的特征吸收峰都較為明顯且較好吻合, 特丁基對苯二酚二聚體存在氫鍵作用, 這使得O—H 鍵的強度被削弱, 導致吸收頻率降低并在3670—3070 cm—1 處出現一個寬峰.紫外光譜主要由基態躍遷至第1, 2, 6, 7 激發態形成, 最大吸收峰位于200 nm 以下, 為π→π*和σ→π*躍遷形成, 268.8 nm 和221.4 nm 處的吸收峰均為n→π*和π→π*躍遷形成.由電子空穴圖可知, 這4 個主要激發均為電子局域激發.

1 引 言

食品抗氧化劑作為一種十分重要的食品添加劑,能夠有效阻止食品的氧化, 提高食品的安全性[1].特丁基對苯二酚(tert?butylhydroquinone, TBHQ)作為主要的人工合成抗氧化劑, 具有十分優異的抗氧化能力, 被廣泛的運用到動植物脂肪和富脂食品中[2?4].TBHQ 比食品抗氧化劑丁基羥基茴香醚(butylated hydroxyanisole, BHA)、二丁基羥基甲苯、沒食子酸丙酯的抗氧化能力強5—7 倍.然而,過量的TBHQ 可能具有致癌的風險[5].因此, 對食品抗氧化劑的檢測及結構性質的研究十分重要.

目前, 對TBHQ 的抗氧化性質及機理的研究較多, 對光譜的研究較少[6].逯美紅等[7]基于密度泛函理論(density functional theory, DFT)和實驗對TBHQ、BHA 的拉曼光譜進行對比研究, 并對主要的拉曼特征峰的振動模式進行了指認, 為TBHQ 的檢測提供了一定的依據, 但該研究僅運用拉曼光譜進行分析且沒有對TBHQ 的分子間相互作用和激發性質進行研究.Rode 等[8]同樣基于DFT, 模擬手性對噻吩磺酰胺單體和二聚體的紅外、紫外光譜并與實驗光譜進行對比研究, 充分研究了其幾何結構和理化性質.Snehalatha 等[9]對食品添加劑卡莫依辛進行了光譜分析和DFT 計算, 通過對比理論和實驗紅外光譜并進行振動分析, 對了解分子結構具有重要意義, 但是該研究并沒有詳細解釋氫鍵對紅外光譜可能造成的影響.以上基于量子化學方法, 通過對比實驗和理論光譜, 對了解物質的結構、性質及相關檢測十分重要.而目前關于TBHQ 的紅外、紫外光譜檢測和結構性質的研究卻很少.

因此, 本文對TBHQ 的理論和實驗紅外、紫外光譜進行比較分析, 一方面基于DFT 對紅外光譜進行振動分析并考察分子間弱相互作用對紅外光譜的影響, 另一方面對紫外光譜的主要激發態做分子軌道和電子空穴分析, 可以充分了解光譜特征、分子結構及激發性質, 對改造、檢測相關食品抗氧化劑具有重要意義.

2 方 法

2.1 計算方法

本文利用Gaussian16 軟件[10]基于密度泛函理論, 對TBHQ 分子的紅外、紫外光譜進行計算.首先, 利用B3LYP/6?311G(d, p)級別[11?12]在氣相環境下優化分子的結構并進行頻率計算.在幾何優化的每一步都精確地計算Hessian 矩陣, 優化結果均收斂且頻率計算無虛頻, 相關結構優化參數如表1 所示.再利用Multiwfn 3.7[13]軟件對頻率進行校正并繪制紅外光譜.由于能量的計算對基組的敏感性遠高于結構優化和振動分析, 因此, 在結構優化的基礎上, 基于含時密度泛函理論(time?depen?dent density functional theory, TDDFT), 在B3L?YP/def2?TZVP 級別下[14]計算分子在無水乙醇溶劑中前50 個激發態并繪制紫外光譜和電子空穴圖[15,16].為了充分考慮溶劑效應對結果的影響, 體現溶質與溶劑間的靜電相互作用和非靜電相互作用, 激發能的計算都是在SMD 隱式溶劑模型[17]下進行.

為了研究TBHQ 分子間的弱相互作用對紅外光譜的影響, 本文利用genmer 軟件結合molclus 1.9.6 軟件[18]對該分子的二聚體構型進行搜索, 并得到15 個構型.再調用Gaussian 16 軟件, 在B3LYP?D3(BJ)/6?311G(d, p)級別對15 個二聚體構型進行結構優化, 并采用M062X?D3 泛函在6?311+G(2d, p)基組水平上計算它們的單點能[19?23].對TBHQ 二聚體的弱相互作用的研究, 是利用約化密度梯度(reduced density gradient, RDG)函數方法[24].RDG 函數是用來描述均勻電子分布偏差的實空間函數, 表達式為

其中ρ 表示電子密度.sign (λ2)函數是電子密度Hessian 矩陣的第二大本征值λ2的符號.而弱相互作用的特點為RDG 函數值和ρ 函數值都較小, 可以通過在實空間相應區域形成梯度等值面進行表示, 再將sign(λ2)ρ 函數投影到RDG 等值面上, 則可以表現出弱相互作用的強度和類型[23].

2.2 實驗方法

本文通過實驗, 采用KBr 壓片法對TBHQ 紅外光譜進行測定.實驗前, 將TBHQ 和KBr 粉末烘干并按1∶100 比例充分研磨, 再壓制成均勻透明薄片, 利用Bruker Daltonics 公司生產的傅里葉紅外變換光譜儀測定.紫外光譜的測定是采用液相法, 以乙醇為溶劑, 利用MAPADA 公司生產的UV?6100S 型紫外可見分光光度計測定.實驗采用純度為99%的食品抗氧化劑TBHQ 均為浙江一諾生物科技有限公司生產.

3 結果與分析

3.1 幾何結構

食品抗氧化劑TBHQ 為白色粉末, 化學分子式為C10H14O2.利用B3LYP 泛函, 在6?311G(d, p)基組水平上將其幾何構型優化至局域能量極小值的穩定結構, 如圖1 所示, 其主要鍵長、鍵角和二面角列于表2.

3.2 紅外光譜

在結構優化的相同級別下, 對TBHQ 分子的頻率進行計算, 無虛頻.再利用Multiwfn 3.7 軟件對所有頻率進行校正, 校正因子為0.967, 并繪制氣相下4000—400 cm—1的紅外光譜.實驗上, 利用KBr 壓片法測定紅外光譜.其中, 計算光譜為圖中的紅色譜線, 對應于左邊Y 軸的摩爾吸收系數,實驗光譜為圖中的藍色譜線, 對應于右邊Y 軸的透過率.TBHQ 的紅外光譜如圖2 所示, 其特征吸收峰的振動分析如表3 所示.

表1 TBHQ 分子幾何結構優化參數Table 1.Optimized geometry structure parameters of TBHQ.

圖1 TBHQ 分子幾何構型Fig.1.Geometric structure of TBHQ molecule.

表2 TBHQ 分子主要鍵長、鍵角、二面角Table 2.The main bond length, bond angle, and dihedral angle of TBHQ.

圖2 TBHQ 紅外光譜Fig.2.IR spectra of TBHQ.

通過對TBHQ 理論光譜和實驗光譜的對比分析可知特征吸收峰整體吻合較好.位于3001.16 cm—1處苯環上的C—H 伸縮振動, 1589.30, 1485.15 cm—1處苯環的環伸縮振動和771.51 cm—1處苯環上C—H 面外彎曲振動的吸收峰為芳烴的特征吸收峰; 2962.58 cm—1處C—H 伸縮振動和1442.72 cm—1處C—H 彎曲振動為烷烴的特征吸收峰; 3288.54 cm—1處O—H 伸縮振動和1309.63 cm—1處C—O 伸縮振動為酚的特征吸收峰.2358.88 cm—1處的小吸收峰可能是由于樣品中含有碳氮三鍵的雜質引起.而理論光譜和實驗光譜在3000 cm—1以上的區域存在較大差異, 可能是由于分子間氫鍵的作用造成.

為了探究TBHQ 分子之間是否形成氫鍵[25],首先利用genmer 軟件結合molclus1.9.6 軟件對該分子的二聚體構型進行搜索, 并得到15 個構型,再調用Gaussian16 軟件, 利用B3LYP?D3(BJ)泛函, 結合6?311G(d, p)基組對15 個二聚體構型進行結構優化, 并在M062X?D3/6?311+G(2d, p)下計算它們的單點能[23].15 個二聚體能量如圖3 所示.再通過Multiwfn 3.7 軟件結合VMD 軟件[26]繪制出TBHQ 二聚體的RDG 函數等值面圖[24,27].通過分析可知, 二聚體3, 8, 10, 13 和15 都存在分子間氫鍵的作用, 它們的RDG 函數等值面圖如圖4 所示.圖中, 等值面為藍色區域表示氫鍵、強鹵鍵等強吸引作用, 綠色區域表示范德瓦耳斯作用, 紅色區域表示在環、籠中出現較強的位阻效應等強互斥作用[23].

表3 TBHQ 分子紅外光譜振動分析Table 3.Vibration analysis of IR spectra of TBHQ.

圖3 TBHQ 二聚體的單點能Fig.3.Conformational energy of the dimer.

二聚體8 和10 的能量較低, 為—1079.7784744和—1079.7784757 Hartree, 且二聚體8 和10的總均 方 根 位 移(root mean square displacement/deviation)為0.00004117 nm, 它們的結構十分相似, 極可能為TBHQ 二聚體的穩定結構, 因此, 做出二聚體10 的紅外光譜如圖5 所示.而二聚體3 和13 的結構也較為相似.通過對圖4 進行分析可知, TBHQ 二聚體RDG 函數等值面在兩個羥基之間形成藍色等值面, 即形成了分子間氫鍵.通過對比單分子的紅外光譜可知, 二聚體的紅外光譜在3563.85 cm—1處出現一個吸收峰, 由振動分析可知, 其主要是由于形成分子間氫鍵的兩個酚羥基的O—H 伸縮振動形成, 而3709.24 cm—1處的吸收峰為未形成分子間氫鍵的酚羥基的O—H 伸縮振動形成.所以, 分子間氫鍵的形成削弱了O—H 鍵的強度, 導致吸收頻率降低.不同的分子間氫鍵使O—H 鍵的削弱程度不同, 在疊加效果下使得O—H 伸縮振動在紅外光譜3670—3070 cm—1處出現一個寬峰.而理論光譜是模擬氣相環境下單分子的紅外光譜, 并不存在分子間氫鍵的作用, 導致理論光譜和實驗光譜在3000 cm—1以上的區域存在較大差異.

圖4 TBHQ 二聚體RDG 函數等值面圖 (a) 二聚體3; (b) 二聚體8; (c) 二聚體10; (d) 二聚體13; (e) 二聚體15Fig.4.RDG function isosurface map of dimer: (a) Dimer 3; (b) dimer 8; (c) dimer 10; (d) dimer 13; (e) dimer 15.

圖5 二聚體10 的紅外光譜Fig.5.IR spectrum of dimer 10.

3.3 紫外光譜

基 于TDDFT, 在B3LYP/def2?TZVP 級 別下, 利用SMD 溶劑模型, 計算分子在無水乙醇溶劑中前50 個激發態并繪制紫外光譜, 再利用Mul?tiwfn 3.7 軟件分析主要激發態的分子軌道特征和電子?空穴圖[16].實驗上, 利用液相法將樣品溶于乙醇溶液并測定紫外光譜.為了更好的將理論光譜和實驗光譜進行對比, 本文僅關注200—340 nm 波段振子強度大于0.05 的激發態, TBHQ 分子的紫外光譜如圖6 和7 所示, 激發性質如表4 所示.

通過對TBHQ 紫外光譜的對比分析可知, 理論和實驗光譜整體吻合較好.理論光譜最大吸收峰位于200 nm 以下的真空紫外區, 200 nm 以上有兩個小的吸收峰, 分別位于221.4 nm 和268.8 nm,主要由基態躍遷至1, 2, 6, 7 激發態形成.其中, 電子由第45 軌道(最高占據軌道)激發到第46 軌道(最低空軌道)對S0—S1 激發的貢獻較大; 電子由第45 軌道激發到第47 軌道對S0—S2 激發的貢獻較大; 電子由第44 軌道激發到第46 軌道對S0—S6激發的貢獻較大; 電子由第44 軌道激發到第47軌道對S0—S7 激發的貢獻較大.通過繪制以上4 個軌道的波函數等值面圖, 對激發特征進行分析,如圖8所示.其中, 軌道波函數正相位用紅色等值面表示, 負相位用藍色等值面表示, 等值面大小未標注時皆為0.05.通過分析可知, 第44 軌道的苯基上具有π軌道特征, 丁基上的C—C 鍵具有σ 軌道特征; 第45 軌道具有π 和n 軌道特征, 當等值面大小為0.18時n 軌道特征更明顯; 第46 軌道表現出π*軌道特征; 第47 軌道表現出n 和π*軌道特征, 當等值面大小為0.14 時π*軌道特征更明顯.因此, 268.8 nm處的吸收峰為n→π*和π→π*躍遷形成;221.4 nm處的吸收峰為n→π*和π→π*躍遷形成;200 nm 以下的吸收峰為π→π*和σ→π*躍遷形成.由實驗光譜可知, 其最大吸收峰同樣位于200 nm 以下, 在229.1 nm 和293.7 nm 處有吸收峰, 而靠近200 nm附近出現了尖峰, 主要是由于該波段接近真空紫外區, 受制于儀器自身測量范圍和精度的影響所造成的誤差.通過對上述光譜的分析可知, 實驗光譜相對理論光譜出現輕微紅移, 一方面可能是由于乙醇溶劑的極性造成了π→π*躍遷譜帶向長波方向位移, 另一方面, 可能是由于理論光譜是模擬單分子在溶劑下的光譜情況, 而實驗光譜是較多分子在溶劑下形成的光譜.

圖6 TBHQ 分子理論紫外光譜Fig.6.Theoretical UV spectrum of TBHQ.

圖7 TBHQ 分子實驗紫外光譜Fig.7.Experimental UV spectrum of TBHQ.

表4 TBHQ 分子的激發性質Table 4.Excited state properties of TBHQ.

圖8 分子軌道波函數等值面圖 (a) 第44 軌道; (b) 第45 軌道; (c) 第45 軌道(等值面為0.18); (d) 第46 軌道; (e) 第47 軌道;(f) 第47 軌道(等值面為0.14)Fig.8.Isosurface of molecular orbital wavefunction: (a) The 44th molecular orbital; (b) the 45th molecular orbital; (c) the 45th mo?lecular orbital (isosurface = 0.18); (d) the 46th molecular orbital; (e) the 47th molecular orbital; (f) the 47 th molecular orbital(isosurface = 0.14).

圖9 TBHQ 的電子空穴圖 (a) S0—S1; (b) S0—S2; (c) S0—S6; (d) S0—S7Fig.9.Electron?hole distribution diagram of TBHQ: (a) S0—S1; (b) S0—S2; (c) S0—S6; (d) S0—S7.

通過對TBHQ 紫外光譜的分析可知, 在200—340 nm 波段, 其主要由基態躍遷至第1, 2, 6, 7 激發態形成, 因此對這4 個激發做電子空穴分析.通過Multiwfn3.7 結合VMD 軟件, 分別做出它們的電子空穴圖, 如圖9 所示, 其等值面值均為0.002.其中, 綠色區域為電子等值面, 藍色區域為空穴等值面.表5 為相關激發的電子空穴相關參數.其中,Sr衡量電子和空穴的重疊程度, 最大值1 說明完全重疊, 最小值0 說明完全不重疊; D 指數衡量電子與空穴質心之間的距離; H 指數是衡量電子與空穴的總體平均分布廣度; t 指數是衡量電子與空穴的分離程度, t ＞ 0 說明電子與空穴分離較為充分, t ＜ 0說明電子與空穴沒有充分分離; 空穴離域指數(hole delocalization index, HDI)和電子離域指數(electron delocalization index, EDI)分別衡量空穴和電子的離域情況, 它們的數值越小, 離域程度越高, 分布的均勻程度越大[23].通過結合圖形和相關參數分析可知, 這4 個激發的電子和空穴主要分布于苯環和酚羥基上, Sr指數都較大, 尤其是S0—S2 和S0—S6 激發的電子和空穴幾乎完全重疊;而D 指數較小, 說明電子與空穴質心很接近; t 指數都為負值, 說明電子和空穴沒有充分分離; H 指數都較為接近, 說明電子和空穴的總體分布廣度都差不多, 基本都覆蓋于體系中的苯環和酚羥基上;這4 個激發的HDI 和EDI 值并不是很大且都較為接近, 說明空穴和電子的離域特征明顯, 離域于整個苯環上.通過以上分析可知, 這4 個激發為電子局域激發.

表5 電子空穴相關參數Table 5.Electron?hole distribution related parameters of TBHQ.

4 結 論

本文通過理論和實驗相結合的方式, 對比研究了食品抗氧化劑TBHQ 的紅外光譜和紫外光譜,基于DFT 和TDDFT 得到的理論光譜與實驗光譜總體吻合較好.對紅外光譜的振動分析可知, 各基團的特征吸收峰都較為明顯且較好吻合, 而實驗光譜在3670—3070 cm—1處出現一個寬峰是由于分子間氫鍵的O—H 伸縮振動形成.紫外光譜最大吸收峰位于200 nm 以下, 為π→π*和σ→π*躍遷形成, 268.8 nm 和221.4 nm 處的吸收峰均為n→π*和π→π*躍遷形成.由電子?空穴分析可知, 基態躍遷至第1, 2, 6, 7 激發態均為電子局域激發.

通過對TBHQ 光譜的對比研究, 可以充分了解紅外、紫外光譜的形成機理, 并充分了解TBHQ的分子結構和激發性質.這對了解、改造以及檢測食品抗氧化劑TBHQ 具有重要意義.