Solvation dependence of valence electronic states of water diluted in organic solvents probed by soft X-ray spectroscopy

文献情報

出版日 2014-04-03
DOI 10.1039/C4CP00762J
インパクトファクター 3.676
著者

Takashi Tokushima, Yuka Horikawa, Osamu Takahashi, Koichiro Sadakane


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要旨

Knowledge of hydrogen bonds is important in a wide range of scientific fields. However, information on the electronic state of hydrogen bonded molecules in liquids and solutions is still limited. We applied X-ray emission and absorption spectroscopy to observe the electronic state around oxygen of water and investigate the solvent dependence of occupied and unoccupied valence electronic states of water in acetonitrile, 3-methylpyridine, and ethylenediamine at room temperature under atmospheric pressure. Based on the direct comparison of the spectra, the pronounced variation of the unoccupied 2b2 state of water in acetonitrile and 3-methylpyridine was assigned to the difference of the dipole–dipole interaction and the donor hydrogen bond. For ethylenediamine solution, an enhancement of the peak structure in the post-edge region of X-ray absorption spectra and an evident shoulder structure on the higher energy side of the occupied 1b1 state in X-ray emission spectra were observed. Although ethylenediamine has two amino groups that can form the hydrogen bonds as a proton donor, the obtained results indicate that the amino groups of ethylenediamine also act as a proton acceptor in the hydrogen bond between water molecules. A systematic peak intensity variation of the pre-edge peak corresponding to the lowest unoccupied molecular orbital, 4a1, was also found through the comparison of three organic solvents. Since the peak intensity tends to decrease with increasing number of hydrogen bonds, the results can be interpreted by the covalency of hydrogen bonds.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

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Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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