Spectra and energy level structure of thioglycolic acid molecules under density functional theory

doi:10.7523/j.ucas.2024.068

Abstract

Abstract:

Based on density functional theory， the geometric optimization of thioglycolic acid molecules was performed at the B3LYP/6-311G（d，p） level， and the first 20 excited states of the molecules were calculated at the CAM-B3LYP/TZVP theoretical level. Firstly， the ground state information of the molecules was calculated and obtained. The results showed that when the center wavenumber of infrared spectrum number was less than 1 856 cm^-1， the main vibrational mode of the molecules was bending vibration； when the center wavenumber of infrared spectrum number was greater than 1 856 cm^-1， the main vibrational mode of the molecules was stretching vibration. Secondly， the first 20 excited states of the molecules were calculated， and four electronic state transitions with high transition probabilities （oscillator strength 0.05） were selected， and ultraviolet-visible spectra were plotted. Finally， the excitation types of these four transitions are determined by orbital pair transitions. the excitation type of S0→S13 was charge transfer excitation； the excitation types of S0→S10 and S0→S11 were charge transfer excitation； the excitation type of S0→S20 was localized excitation. Studying thioglycolic acid， which is harmful to humans， can provide theoretical support for experimental research and provide a theoretical basis for subsequent research on its degradation.

Key words: thioglycolic acid, infrared spectrum, UV spectrum, hole-electron, energy level structure

CLC Number:

O641

Zhifan WEN, Hua WU, Yanjie WANG, Chenxiang ZHANG, Zhe SHI. Spectra and energy level structure of thioglycolic acid molecules under density functional theory[J]. Journal of University of Chinese Academy of Sciences, 2026, 43(4): 488-495.

Figures/Tables 11

Fig.1 Stable ground state configuration of TGA

Table 1 Convergence conditions of TGA at B3LYP/6-311G （d， p）

能量/J	偶极矩/（C·m）	最大受力/（a.u.）	方均根受力/（a.u.）	最大位移/（a.u.）	方均根位移/（a.u.）
-2.7×10^-15	2.7×10^-29	0.000 004	0.000 001	0.000 306	0.000 121

Fig.2 Experimental spectrum （a） and theoretical spectrum（b） of TGA

Table 2 Analysis of vibrational modes corresponding to infrared spectra of TGA

理论光谱峰对的中心波数/cm^-1	实验光谱峰对应的中心波数/cm^-1	振动分析
3 638	3 577	伸缩振动：羧基基团O—H键（图3（a））
3 078	2 956	伸缩振动：乙基基团C—H键（图3（b））
2 662	2 602	伸缩振动：巯基基团S—H键，羧基基团C=O键（图3（c））
1 856	1 793	弯曲振动：羧基基团O—H键，乙基基团C—H键；伸缩振动：羧基基团的C=O键（图3（d））
1 437	1 346	弯曲振动：乙基基团C—H键面内剪式弯曲振动（图3（e））
1 183	1 122	弯曲振动：羧基基团C=O、O—H键，羧基基团O—H键（图3（f））
679	599	弯曲振动：巯基基团S—H键（图3（g））

Fig.3 Molecular vibration pattern diagram of TGA

Fig.4 UV-Vis spectra of TGA

Table 3 Related parameters of four electronic state transitions for TGA

电子激发	能量/eV	中心波长/nm	振子强度	轨道跃迁	贡献权重（10%）/%
S0→S10	8.027 9	154	0.079 0	H-1-L+2、H-1-L+3	55.5、32.6
S0→S11	8.4 314	147	0.212 2	H-1-L+3、H-1-L+2	61.6、22.6
S0→S13	8.855 6	140	0.108 2	H-3-L+1	83.8、—
S0→S20	9.756 4	127	0.064 2	H-1-L+4、H-L+5	62.0、25.0

Fig.5 Contour map of orbital wave function for TGA

Fig.6 Hole-electron diagram and Chole-Electron diagram of TGA

Table 4 Excitation types of excited states for TGA

电子激发	激发类型	跃迁类型
S0→S10	电荷转移激发	$σ → σ *$
S0→S11	电荷转移激发	$σ → σ *$
S0→S13	电荷转移激发	$σ → σ *$
S0→S20	局域激发	$σ → σ *$

Table 4 Excitation types of excited states for TGA

电子激发	激发类型	跃迁类型
S0→S10	电荷转移激发	$σ → σ *$
S0→S11	电荷转移激发	$σ → σ *$
S0→S13	电荷转移激发	$σ → σ *$
S0→S20	局域激发	$σ → σ *$

Table 5 Quantitative analysis parameters of hole-electron transition in three electronic states for TGA

电子激发	D	S_r	H	t	Δσ	H_DI	E_DI
S0→S10	2.156	0.314 52	2.000	0.801	0.865	24.27	5.61
S0→S11	2.454	0.431 69	1.851	1.040	0.748	23.66	7.25
S0→S20	1.193	0.370 84	2.399	-0.402	0.590	17.42	4.19

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