Abstract

The vibrational features of <i>p</i>-chlorobenzonitrile in its first electronically excited state S<sub>1</sub> and cationic ground state D<sub>0</sub> have been investigated by two-color resonance enhanced two-photon ionization and mass analyzed threshold ionization spectroscopy. The excitation energy of S<sub>1</sub> ← S<sub>0</sub> and the ionization energy of <sup>35</sup>Cl and <sup>37</sup>Cl isotopomers of <i>p</i>-chlorobenzonitrile are determined to be 35818 ± 2, and 76846 ± 5 cm<sup>–1</sup>, respectively. These two isotopomers have similar vibrational features. Most of the active vibrations in the S<sub>1</sub> and D<sub>0</sub> states are related to the motions of the in-plane ring deformation. The stable structures and vibrational frequencies of <i>p</i>-chlorobenzonitrile are also calculated by the B3LYP/aug-cc-pVDZ method for the S<sub>0</sub> and D<sub>0</sub> states, and TD-B3LYP/aug-cc-pVDZ method for the S<sub>1</sub> state. The changes in the molecular geometry are discussed in the S<sub>1</sub> ← S<sub>0</sub> photoexcitation process and the D<sub>0</sub> ← S<sub>1</sub> photoionization process. The comparisons between the transition energy of <i>p</i>-chlorophenol, <i>p</i>-chloroaniline, <i>p</i>-chloroanisole, and <i>p</i>-chlorobenzonitrile with those of phenol, anisole, aniline, and benzonitrile provide an insight into the substitution effect of Cl atom.

Highlights

  • 摘 要 本文利用双色共振双光子电离和质量分辨阈值电离光谱技术,研究了对氯苯 腈分子第一电子激发态 S1 和离子基态 D0 的振动特征, 获得了对氯苯腈分子 S1 S0 电子跃迁的激发能为 35818 ± 2 cm-1,精确的绝热电离能为 76846 ± 5 cm-1. 对 氯苯腈分子 35Cl、37Cl 两种同位素有相同的激发能和电离能以及相似的振动特征. 采用高精度密度泛函方法,计算了对氯苯腈分子在中性基态 S0、第一电子激发态 S1、离子基态 D0 的结构参数和振动频率,分析了电子激发和电离过程中对氯苯 腈分子结构和振动频率的变化,并对激发态和离子基态的振动光谱进行了归属, 振动光谱上的活性振动大多数是苯环平面内的弯曲振动. 通过比较对氯苯酚、对 氯苯胺、对氯苯甲醚、对氯苯腈与苯酚、苯胺、苯甲醚、苯腈分子的跃迁能,分 析了取代基 Cl 原子与苯环之间的相互作用以及对分子跃迁能影响

  • 采用双色共振双光子电离(Two-color resonance enhanced two-photon ionization, 2C-R2PI)光谱技术测量对氯苯腈分子的第一电子激发态光谱,第一束激发光激 发对氯苯腈分子跃迁到第一电子激发态,然后激发态的分子吸收第二束电离光电 离,通过固定电离光的波长,扫描激发光的波长获得分子激发态的光谱,激发光 的波长范围为 270 - 279.5 nm,电离光的波长固定在 240 nm. 实验中,两束激光 都是采用 Nd:YAG 激光器(Quantel Q-smart 850)泵浦染料激光器后,经过 BBO 晶体二倍频产生的,使用波长计(HighFinesse WS-7)校准两束激光的波长. 通过 透镜将激发光和电离光聚焦到电离室的中心位置,与分子束相互作用,对氯苯腈 分子电离后产生的离子信号在离子透镜直流电场的作用下,通过自由飞行区加速 到达微通道板 MCP 探测器上

  • AThe experimental values are shifts from 76846 cm-1, whereas the calculated ones are obtained from the B3LYP/aug-cc-pVDZ calculations, scaled by 0.981. b ν, 伸缩振动; β, 苯环平面内的弯曲振动; γ, 垂直于苯环平面的弯曲振动

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Summary

Introduction

摘 要 本文利用双色共振双光子电离和质量分辨阈值电离光谱技术,研究了对氯苯 腈分子第一电子激发态 S1 和离子基态 D0 的振动特征, 获得了对氯苯腈分子 S1 S0 电子跃迁的激发能为 35818 ± 2 cm-1,精确的绝热电离能为 76846 ± 5 cm-1. 对 氯苯腈分子 35Cl、37Cl 两种同位素有相同的激发能和电离能以及相似的振动特征. 采用高精度密度泛函方法,计算了对氯苯腈分子在中性基态 S0、第一电子激发态 S1、离子基态 D0 的结构参数和振动频率,分析了电子激发和电离过程中对氯苯 腈分子结构和振动频率的变化,并对激发态和离子基态的振动光谱进行了归属, 振动光谱上的活性振动大多数是苯环平面内的弯曲振动. 通过比较对氯苯酚、对 氯苯胺、对氯苯甲醚、对氯苯腈与苯酚、苯胺、苯甲醚、苯腈分子的跃迁能,分 析了取代基 Cl 原子与苯环之间的相互作用以及对分子跃迁能影响. Findley 等人通过光电子能谱技 术,测量了对氯苯腈分子的光电离曲线,由于光电子能谱的分辨率较差,获得的 分子电离能不精确,并且无法观察到离子态的振动光谱[14]. 对于第一电子激发 态 S1,采用含时密度泛函理论 TD-B3LYP/aug-cc-pVDZ 方法,对于分子基态 S0 和离子基态 D0,采用密度泛函理论 B3LYP/aug-cc-pVDZ 方法. 通过 B3LYP/aug-cc-pVDZ、TD-B3LYP/aug-cc-pVDZ 方法计算了 对氯苯腈分子 35Cl 和 37Cl 两种同位素在中性基态 S0 和第一电子激发态 S1 的零点 能,计算得到两种同位素激发能的差值仅为 0.2 cm-1,小于 2 cm-1 的实验测量误 差,表明实验上对氯苯腈分子两种同位素具有相同的激发能. 图 2 对氯苯腈分子35Cl同位素(a)和37Cl 同位素(b)的2C-R2PI光谱,横坐标是相对 000 带 能量的偏移值 Fig. 2.

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