Hydrogen bonding and π–π interactions in imidazolium-chloride ionic liquid clusters

文献情報

出版日 2015-03-18
DOI 10.1039/C5CP00459D
インパクトファクター 3.676
著者

Richard P. Matthews, Tom Welton, Patricia A. Hunt


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要旨

A systematic electronic structure analysis of hydrogen bonding (H-bonding), anion–π+ and π+–π+ interactions present in [C1C1im]Cl ion-pairs (IPs) and selected [C1C1im]2Cl2 IP-dimers has been carried out. Interactions have been characterised using a combination of QTAIM, NCIPLOT, NBO and qualitative MO theory. IP-dimers form non-directional charge quadrupolar arrangements due to Coulombic interactions. These are found to associate either as clusters or as loosely associated IP–IP structures. Large conformational changes are found to occur for very little cost in energy, indicating that charge screening is essentially independent of the cation ring orientation. H-bond formation is accompanied by charge transfer and polarisation of the entire [C1C1im]+ ring. Charge transfer does not follow the same trend for the CHelpG, QTAIM and NBO methods. Weak “stacked” π+–π+ interactions are stabilised in the presence of anions, which locate between and at the periphery of the rings, novel strongly bent H-bonds are also present. Primary (ring; C–H⋯Cl−) H-bonds and anion–π+ (C2⋯Cl−) interactions are found to decay more rapidly with distance than secondary (aliphatic; CM–H⋯Cl−) H-bonds. This leads to an increase in the relative importance of secondary H-bond interactions in the IP-dimers. Moreover, rotation of the methyl groups within the “stacked” π+–π+ IP-dimers facilitates the formation of (stronger) linear secondary H-bonds. Thus, compared to isolated IPs, secondary H-bonds may play an increased role within the condensed phase. Overall we find that structural fluidity is facilitated by fluctuating hydrogen bond, π+–π+ and anion–π+ interactions.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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年間論文数: 3036

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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