Unconventional CHδ+⋯N hydrogen bonding interactions in the stepwise solvation of the naphthalene radical cation by hydrogen cyanide and acetonitrile molecules

文献情報

出版日 2015-12-07
DOI 10.1039/C5CP06502J
インパクトファクター 3.676
著者

Sean P. Platt, Isaac K. Attah, M. S. El-Shall, Saadullah G. Aziz


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要旨

Equilibrium thermochemical measurements using the mass-selected ion mobility (MSIM) technique have been utilized to investigate the binding energies and entropy changes of the stepwise association of hydrogen cyanide (HCN) and acetonitrile (CH3CN) molecules with the naphthalene radical cation (C10H8˙+) in the gas phase forming the C10H8˙+(HCN)n and C10H8˙+(CH3CN)n clusters with n = 1–3 and 1–5, respectively. The lowest energy structures of the C10H8˙+(HCN)n and C10H8˙+(CH3CN)n clusters for n = 1–2 have been calculated using the M062X and ω97XD methods within the 6-311+G** basis set, and for n = 1–6 using the B3LYP method within the 6-311++G** basis set. In both systems, the initial interaction occurs through unconventional CHδ+⋯N ionic hydrogen bonds between the hydrogen atoms of the naphthalene cation and the lone pair of electrons on the N atom of the HCN or the CH3CN molecule. The binding energy of CH3CN to the naphthalene cation (11 kcal mol−1) is larger than that of HCN (7 kcal mol−1) due to a stronger ion–dipole interaction resulting from the large dipole moment of CH3CN (3.9 D). On the other hand, HCN can form both unconventional hydrogen bonds with the hydrogen atoms of the naphthalene cation (CHδ+⋯NCH), and conventional linear hydrogen bonding chains involving HCN⋯HCN interactions among the associated HCN molecules. HCN molecules tend to form “externally solvated” structures with the naphthalene cation where the naphthalene ion is hydrogen bonded to the exterior of an HCN⋯HCN chain. For the C10H8˙+(CH3CN)n clusters, “internally solvated” structures are favored where the acetonitrile molecules are directly interacting with the naphthalene cation through CHδ+⋯N unconventional ionic hydrogen bonds. In both the C10H8˙+(HCN)n and C10H8˙+(CH3CN)n clusters, the sequential binding energy decreases stepwise to about 6–7 kcal mol−1 by three HCN or CH3CN molecules, approaching the macroscopic enthalpy of vaporization of liquid HCN (6.0 kcal mol−1).

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
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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