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Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A <Dateiname>.ppt Zentrum für Festkörperchem ie & Neue Materialien HALOGEN BOND AND INTERNAL MOTIONS: THE LOW-BARRIER CASE OF CF 3 Cl-DIMETHYLETHER. LUCA EVANGELISTI, GANG FENG, QIAN GOU AND WALTHER CAMINATI, Università di Bologna, Italy JENS-UWE GRABOW, Universität Hannover, Germany

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Zentrum für Festkörperchemie

&Neue

Materialien

HALOGEN BOND AND INTERNAL MOTIONS:THE LOW-BARRIER CASE OF

CF3Cl-DIMETHYLETHER.

LUCA EVANGELISTI, GANG FENG, QIAN GOU AND WALTHER CAMINATI, Università di Bologna, Italy

JENS-UWE GRABOW, Universität Hannover, Germany

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&Neue

Materialien

Non-covalent Bond Interactions

A) Normal Hydrogen Bond (Strong, ≈ 25 kJ/mol)B) Improper Hydrogen Bond (Weak, << 25 kJ/mol)

C) Anti Hydrogen Bond (Weak, << 25 kJ/mol)

The weak hydrogen bond in structural chemistry and biology, IUCr Monographs on crystallography, Vol. IX (G.R. Desiraju, T. Steiner eds.), Oxford University Press (2001). S. N. Delanoye, W.A. Herrebout, B.J. Van der Veken, J. Am. Chem. Soc. 124 (2002) 11854.

data are available from X-ray diffraction, theoretical calculations, IR absorption in rare gas solutions, and rotationally resolved spectroscopy.

C. G. Cole, A. C. Legon, Chem. Phys. Lett. 396 (2003) 31.

Halogen BondD. Hauchecorne, B. J. van der Veken, A. Moiana, W. Herrebout, Chem. Phys. 374 (2010) 30; D. Hauchecorne, R. Szostak, W. A. Herrebout, B. J. van der Veken. ChemPhysChem 10 (2009) 2105.

A. C. Legon, Angew. Chem. Int. Ed. 38 (1999) 2686; A. C. Legon, Phys. Chem. Chem. Phys. 12 (2010) 7736.

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•Supersonic Jet ExpansionMolecular Clustersnon-covalent BondingConformational Equilibria

•Molecular DynamicsLarge Amplitude MotionsInternal Rotation

FT-MW spectroscopy of species withnon-convalent halogen bonds (HaB)

Standard ab-initio and DFT calculations: Gaussian or others.

Economy calculations: Distributed polarizability model.

Conformations and potential energy surfaces of molecular adducts.

Effective Hamiltonian fits: Watson, coupled, …

Analysis with obs.-calc. deviations down to a few kHz (< 10-7 cm-1).

Effective potential function fits: flexible model

Inclusion of structural relaxations.

The HaB is competitive and sometimes preferred to the HB.The HaB is often more linear than the HB, with B···X-Y angles ~180°.

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Bologna supersonic jet FT-MW Spectrometer I:

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Plausible Conformations of Dimethylether…Cl-CF3 

MP2/6-311++G(d,p): Four configurations of CF3Cl-DME have been found to be stable within 1000 cm-1.

I ∆E = 0 cm-1 [a]

∆E0 = 0 cm-1 [b]

II

107 cm-1 41 cm-1

III

∆E = 715 cm-1

IV

716 cm-1

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PI group theory Dimethylether…Cl-CF3

2 x CH3 group & CF3 group: C3(1) C3(1)C3(2) = G27

Cs point group symmetry: E,

Molecular symmetry group: G54 (all internal rotations feasible)

H1

Cl

H3H2

C3 axis

C3 E C3 C3²

E (123) (123)² = (132)

A1 1 1 1

E 1 *

1 *

H. C. Longuet-Higgins, Mol. Phys. 6 (1963), 445.J. T. Hougen, J. Chem. Phys. 37 (1962), 1433; J. Chem. Phys. 39 (1963), 358.

C3 group

X1

X2X3

Γ(G54): A1, E1, E2, E3, E4, E5, G1, G2, G3, G4

But no internal rotation splitting observed!

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Another case: PI group theory CH3-F…H-CF3

CH3 group & CF3 group: C3(1)C3(2) = G9

Cs point group symmetry: E,

Molecular symmetry group: G18

H1

Cl

H3H2

C3 axis

C3 E C3 C3²

E (123) (123)² = (132)

A1 1 1 1

E 1 *

1 *

C3 group

X1

X2X3

Γ(G18): A1, E1, E2, E3, E4 Only one internal rotation splitting (A1, E1) observed!

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CF3-Top Internal Rotation Fine Structure

J,Ka,Kc ← J,Ka,Kc = 31,3←21,2

CH3 top & CF3 top

Only one splitting observed

Effective moment of inertia Iα = 86.0(3) uÅ2 for A1-E1 splitting of CH3F-CHF3

only slightly smaller thanIα = 89.23(2) uÅ2 for isolated CHF3

E1

A1 E1

A1

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&Neue

Materialien

Rigid Oxirane-Difluoromethane:Addivity of Planar Moments

 

Pii = 1/2 (-Iii + Ijj + Ikk) , i,j,k = a,b,c

S. Blanco, J.C. Lopez, A. Lesarri, W. Caminati, J.L. Alonso, ChemPhysChem 5 (2004) 1779.

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CH3-Top Internal Rotation Inertia Defect 

Pbb of the complex should amount to

Pbb(CHF3) + Pbb(CH3F) = 44.62 uÅ2 + 1.55 uÅ2 = 46.17 uÅ2.

Experimental Pbb of the complex isPbb(CHF3

…CH3F) = 44.69 uÅ2, i.e. 1.48 uÅ2 smaller.

Planar moment of inertia Pbb = (h/16π2)(-1/B + 1/A + 1/C)

is related to V3 barrier of internal rotor by:

A00 = Ar + W00(2) F ρa

2

B00 = Br

C00 = Cr+ W00(2) F ρc

2

Experimental Pbb is reproduced for

V3 (CH3) = 0.36 kJ/mol (= 30 cm-1).

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&Neue

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Barriers to Internal Rotation:CH3 and CF3 Tops

V3 (CH3) = 0.36 kJ/mol

V’3 (CF3) = 0.840(5) kJ/mol

MP2/6-311++G(2df,2p): EXPERIMENTAL:

from planar moments Pbb

from A1-E1 splittings

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&Neue

Materialien

Internal rotor CF3 CH3

I / u Å2 85.0 3.20

V3 / kJ mol-1 0.840 0.36

s = 4V3/9F 67.92 2.5

AE[*] / MHz 2.6·10-1 1.2·105

  CF3 and CH3 Internal Rotors:

Energy Spacing

Barrier & Inertia

Ratio 106

[*]: Energy spacing between A1 and E1 or E2 sublevels.

Weak CH···F Bridges and Internal Dynamics inthe CH3F·CHF3 Molecular Complex**

Walther Caminati,* Juan C. Lòpez, José L. Alonso, and Jens-Uwe Grabow

Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 3840-3844

Molecular Complexes VIP

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Dimethylether…Cl-CF3:MP2/6-311++G(d,p) results for most stable conformers

  I II III IV

A/MHz 2453 3497 3651 2514

B/MHz 1005 595 601 705

C/MHz 872 570 572 614

μa/D -1.1, -2.1, -2.3, -2.3,

μb/D -0.1, 0.0, 0.0, 0.0,

μc/D 0.8 1.0 0.0 0.0

χaa/MHz 38.3 -71.4 -73.2 36.3

(χbb-χcc)/MHz -95.7 3.0 0.5 -109.6

χab/MHz 2.6 0.1 -2.1 8.8

χac/MHz 0.1 -18.3 -8.0 0.0

χbc/MHz -27.5 -0.0 -0.2 0.0

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Dimethylether…Cl-CF3:Spectrocopic Constants for observed isotopologs

  35Cl 37ClA/MHz 11738(8) 11616(11)B/MHz 595.3990(9) 595.367(1)C/MHz 565.8360(7) 565.961(1)χaa/MHz -76.587(3) -60.0(2)(χbb-χcc)/MHz 2.46(4) 0.7(6)DJ/kHz 1.146(4) 1.077(5)DJK/MHz -1.008(3) -0.9906(3)d1/kHz 0.027(1) 0.094(7)HJ/Hz -0.220(1) -0.39(2)h1/Hz -0.080(2) -0.27(3)b/kHz 10.0 10.0Nc 80 61

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Dimethylether…Cl-CF3: Planar Moment 

Pbb of the complex should amount to

Pbb(CHF3)+Pbb(H3COCH3)=44.62 uÅ2+45.00 uÅ2=89.62 uÅ2

Experimental Pbb of the complex isPbb(CHF3

…H3COCH3) = 43.701 uÅ2, i.e. 45.919 uÅ2 smaller.

Planar moment of inertia Pbb = (h/16π2)(-1/B + 1/A + 1/C)

is related to V3 barrier of internal rotor by:

A00 = Ar + W00(2) F ρa

2 = Ar + W00(2) F ρa

2

B00 = Br + W00(2) F ρb

2 = Br

C00 = Cr + W00(2) F ρc

2 = Cr

Experimental Pbb is reproduced for

V3 (CF3) = ~0 kJ/mol (VERY SMALL).

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Dimethylether…Cl-CF3 Complex:Force Constant and Dissociation Energy

 

OClC halogen bond (HaB)

ks = 1.3 Nm-1

ED = 2.7 kJ·mol-1

(similar to weak hydrogen bond (HB) << 25 kJ/mol)

DJ = DJ(eff) – [-1/2 (ρb4 + ρc

4) W00(4) F] (small contribution)

ks = 16π4 (μ RCM)2 [4B4 + 4C4 - (B-C)2 (B+C)2] / (h DJ)ED(Lennard-Jones) = 1/72 ks RCM

2

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Coaxial oriented Beam-Resonator Arrangement (COBRA)

Fabry-Perot resonator

resonatortuning

FT

FID

Impulse

polarization pulse:

coherence between

rotating molecular dipoles

oscillating macroscopic

dipole moment:

electromagnetic field at frequencies

of molecular transitions

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&Neue

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In-Phase/Quadrature-Phase Modulation Passage-Acquired Coherence Technique (IMPACT) FT-MW

polarization chirp:

superposition of multiple coherence

Between rotating molecular dipoles

superposition of oscillating macroscopic

dipole moments:

electromagnetic field at frequencies

of participating molecular transitions

(LASER-ablation)source planar

reflector

parabolicreflectors

double-ridgehorn

chirp

t

FT

FID

linewidth < 10kHz

Doppler doublets

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AcknowledgementAcknowledgement

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Land Niedersachsen

Università di Bologna

Minister of Education, Italy