近红外光谱用于低共熔溶剂中水结构的分析

doi:10.7503/cjcu20230017

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (6): 20230017.doi: 10.7503/cjcu20230017

近红外光谱用于低共熔溶剂中水结构的分析

王岩¹^,², 蔡文生¹^,², 邵学广¹^,²()

^1.南开大学化学学院分析科学研究中心, 天津市生物传感与分子识别重点实验室, 药物化学生物学国家重点实验室, 天津 300071
^2.物质绿色创造与制造海河实验室, 天津 300192

收稿日期:2023-01-13 出版日期:2023-06-10 发布日期:2023-03-04
通讯作者: 邵学广 E-mail:xshao@nankai.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(22174075);天津市自然科学基金(20JCYBJC01480);南开大学中央高校基本科研业务费专项资金(63211019);物质绿色创造与制造海河实验室项目(ZYTS202105)

Understanding the Water Structures in Deep Eutectic Solvents by Near-infrared Spectroscopy

WANG Yan¹^,², CAI Wengsheng¹^,², SHAO Xueguang¹^,²()

^1.Research Center for Analytical Sciences，College of Chemistry，Tianjin Key Laboratory of Biosensing and Molecular Recognition，State Key Laboratory of Medicinal Chemical Biology，Nankai University，Tianjin 300071，China
^2.Haihe Laboratory of Sustainable Chemical Transformations，Tianjin 300192，China

Received:2023-01-13 Online:2023-06-10 Published:2023-03-04
Contact: SHAO Xueguang E-mail:xshao@nankai.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(22174075);the Natural Science Foundation of Tianjin, China(20JCYBJC01480);the Foundation Research Funds for the Central Universities, Nankai University, China(63211019);the Program of Haihe Laboratory of Sustainable Chemical Transformations, China(ZYTS202105)

摘要/Abstract

摘要：

采用近红外光谱技术研究了含水量（摩尔分数）在5%~95%范围内水结构对低共熔溶剂(DESs)的氢键网络结构的影响. 通过分析氯化胆碱与尿素混合后不同时间的近红外光谱, 发现了尿素—NH基团与氯化胆碱Cl^-相互作用的光谱信息, 表明DESs熔点降低的原因主要是NH···Cl^-氢键的形成. 通过分析不同含水量的DESs-水混合物的近红外光谱, 发现了水分子之间以及水分子与尿素中—NH和C=O基团相互作用的光谱信息, 表明水在DESs中主要以3种结构存在: 类大体积水、与尿素C=O键合的水以及—NH分子间的桥连水. 类大体积水破坏DESs中NH···Cl^-, 使体系的稳定性降低, 而尿素—NH分子间的桥连水和与C=O键合的水使体系的稳定性增加. DESs中3种水结构的相对比例与含水量有关, 含水量在40%~80%既能有效降低体系的黏度, 又能维持DESs的性质.

关键词: 近红外光谱, 低共熔溶剂, 氯化胆碱-尿素, 水结构

Abstract:

The hydrogen bond network structure of choline chloride/urea deep eutectic solvents（DESs）-water mixtures was studied in the range of 5%—95% water content by near infrared spectroscopy. Through the analysis of the near-infrared spectra after choline chloride and urea mixing， the spectral feature of the interaction between urea —NH group and choline chloride Cl^- was found， indicating that the formation of NH···Cl^- was the reason for the decrease of DESs melting point. Through the near-infrared spectrum analysis of DESs-water mixtures with different water contents， the spectral information of the interaction between water molecules and between water molecules and the —NH and C=O groups in urea was found. Water mainly exists in three kinds of structures， including the bulk water， the hydrated water with urea C=O and the bridge water connect —NH groups. The bulk water destroyed NH···Cl^- in DESs， reducing the stability of the system， while the bridge water between urea —NH molecules and the hydrated water with urea C=O increase the stability of the system. The relative content of the three water structures in DESs is related to the water content. The water content of 40%—80% can not only effectively reduce the viscosity of the system， but also maintain the properties of DESs.

Key words: Near infrared spectroscopy, Deep eutectic solvent, Choline chloride/urea, Water structure

中图分类号:

O657

TrendMD:

王岩, 蔡文生, 邵学广. 近红外光谱用于低共熔溶剂中水结构的分析. 高等学校化学学报, 2023, 44(6): 20230017.

WANG Yan, CAI Wengsheng, SHAO Xueguang. Understanding the Water Structures in Deep Eutectic Solvents by Near-infrared Spectroscopy. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(6): 20230017.

图/表 4

Fig.1 NIR spectra(A) and CWT spectra(B) of ChCl, urea and ChCl⁃ureaThe inset in （A） shows the enlarged spectra in the range of 7250—6250 cm-1.

Fig.2 CWT spectra of mixture(A) and the intensity variation of the peaks at 6898, 6825, 6532 cm-1(B1) and 6621 cm-1(B2) over time

Fig.3 Transformed NIR spectra of water(a), ChCl⁃urea(b), ChCl⁃urea⁃water(c), TMAC⁃urea⁃water(d) and ChCl⁃DMF⁃water(e) in the range of 7250—6250 cm-1

Fig.4 Transformed NIR spectra of water(black), DESs(red) and different water content of DESs(A) and variation of peak intensity at 7100, 6940, 6795, 6621 cm-1 with water content(B) in the range of 7250—6250 cm-1

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Understanding the Water Structures in Deep Eutectic Solvents by Near-infrared Spectroscopy

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