Modellkomplexe oligonuklearer Metalloproteine auf Basis von Salen-Liganden und Spin-Crossover-Verbindungen als Chemosensoren

Der erste Teil der hier vorgestellten Arbeit verfolgt die Synthese potentieller Modellverbindungen oligonuklearer Metalloproteine auf Basis von Salen-Liganden. Dazu wurden zwei Ligandensysteme mit unterschiedlich raumerfüllenden Alkyl-Substituenten modifiziert und auf ihre koordinativen Eigenschaften hin untersucht. Für das Ligandensystem auf Basis des Bis-(salicylidenamino)-propan-2-ols konnten fünf Derivate (H3L1, H3L2A,H3L2B, H3L3, H3L4), für das zweite verwendete Ligandensystem auf Basis des 1H-3,5-Bis-(salicylidenaminomethyl)-pyrazols konnten zwei weitere Derivate (H3L5A, H3L5B) dargestellt und zu Koordinationsverbindungen umgesetzt werden.rnFür den hier verwendeten Bis-(salicylidenamino)-propan-2-ol Liganden H3L1, welcher die geringsten sterischen Anforderungen stellt, konnten mono-, tri- und tetranukleare Koordinationsverbindungen synthetisiert werden. Dabei gelingt es dem Liganden, sich sowohl in planarer als auch in unterschiedlich stark gewinkelter Konformation um ein oder mehrere Metallzentren anzuordnen, wobei der Ligand ein N2O2- seines N2O3-Donorsets zur Koordination nutzt. Die Verbindung {[Ni7(HL1)2(L1)2(OBz)4(OMe)(H2O)]}n zeigt, dass eine Verkettung der so gestalteten dreikernigen Einheiten über das freie Propanol-Sauerstoffatomdes Ligandenrückgrats möglich ist. Mit zunehmendem sterischen Anspruch der angefügten Alkylsubstituenten nimmt die geometrische Flexibilität und somit das Potential des Liganden zur Ausbildung höhernuklearer Strukturen ab. So ist für Liganden mit mittlerem sterischen Anspruch neben mononuklearen Komplexen noch die Gestaltung dinuklearer Systeme möglich. Erhöht man den sterischen Anspruch des Liganden weiter, findet nur noch eine Reaktion zu mononuklearen Verbindungen statt.rnMit den Pyrazol-basierten Ligandensystemen H3L5A und H3L5B konnten dinukleare Kupfer- und Nickelverbindungen synthetisiert werden.rnDer zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Gestaltung von Spin-Crossover Systemen (SCO). Dazu soll ein Spinübergang innerhalb des gestalteten schaltbaren Systems an die Anwesenheit eines Signalstoffs gekoppelt werden, so dass diese SCO-Verbindung als Sensor für den Signalstoff eingesetzt werden kann. Dazu wurden zwei unterschiedliche Ansätze entwickelt und untersucht.rnDie erste Methode beruht auf der Kombination eines zum Spin-Crossover befähigten Metallzentrums, eines Capping-Liganden, eines zur Signalstofferkennung funktionalisierten Co-Liganden sowie eines entsprechenden Signalstoffs. Als Capping-Liganden wurden tetra- und pentadentateLigandensysteme eingesetzt und mit unterschiedlich Picolyl-substituierten Monoaza-[12]-krone-4-Derivaten umgesetzt, wobei die Monoazakrone zur Komplexierung des Signalstoffs,hier in Form eines Alkalimetallions, zur Verfügung steht. Nach dieser ersten Methode konnten im Zeitraum dieser Arbeit noch keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt werden.rnEine vielversprechende zweite Möglichkeit beruht auf der Verwendung eines mehrzähnigen, etablierten Spin-Crossover Liganden,welcher in seiner Peripherie mit einer Bindungstasche zur Aufnahme des Signalstoffmodifiziert wird.Mit Hilfe des so gestalteten Liganden 4'-(4'''-Benzo-[15]-krone-5)-methyloxy-2,2':6',2''-terpyridin ([b15c5]-tpy) gelang die Umsetzung zu entsprechenden Eisen(II)- und Kobalt(II)komplexen der Zusammensetzung [M([b15c5]-tpy)2]2+. Alle synthetisierten Eisen(II)-Komplexe liegen aufgrund der hohen Ligandenfeldstärke des Terpyridins über einen Temperaturbereich von 300 – 400 K in ihrer diamagnetischen Low Spin Form vor. Die entsprechenden Kobalt(II)-Komplexe zeigen über einen Temperaturbereich von 2 – 350 K ein kontinuierliches, aber unvollständiges Spin-Crossover Verhalten.rnDer Einfluss von Signalstoffen auf das Spin-Crossover Verhalten der Kobalt(II)-Systeme wurde in einem ersten Versuch unter der Verwendung von Natriumionen als Signalstoff untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass Natriumionen für dieses System zwar nicht als Auslöser eines SCO verwendet werden können, sie aber dennoch eine starke Auswirkung auf den Verlauf des Spin-Crossovers haben.

Phosphonate ligands in extended inorganic hybrids and as radical units in complexes

Phosphonatliganden in erweiterten anorganischen Hybridmaterialien undrnals Radikalträgern in KomplexenrnrnAnorganisch-organische Hybridmaterialien sind in der Regel extrem vielseitig. Die systematische Darstellung von niederdimensionalen Materialien (eindimensionale Kettenverbindungen oder zweidimensionalen Schichtverbindungen) mit einer Kontrolle über die Art der Verbindung,rnbietet neue Möglichkeiten im Bereich des molekularen Magnetismus. Hier im Fall von Metall-Phosphonat Verbindungen in erweiterten anorganischen Hybriden wurde der pH - Wert während der Reaktion eingestellt, wodurch der Grad der Protonierung des Phosphonatliganden kontrolliert wurde. Aufgrund der Tatsache, dass alle erhaltenen Metall Phosphonatverbindungen neutral waren, konnte das Ligand zu Metallverhältnis erstmals vorhergesagt werden. So wurden mehrere neue Metall–Phosphonat Verbindungen im Bereich von Null-dimensionalen (I0O0, Co-Kristallisation von M(H2O)6 mitrndeprotonierten Phosphonatligand), über eindimensionalen (I1O0, Kettenstrukturen) bis hin zu zweidimensionalen (I2O0, Schichtstrukturen) ausführlich diskutiert in Bezug auf ihr magnetisches Verhalten. Im Allgemeinen sind die erwarteten Austauschwechselwirkungen in einem erweiterten anorganischen Hybridmaterial stark, weil oft ein Superaustausch durch ein einzelnes Sauerstoffatom möglich ist. Hier waren oft mehrere konkurrierende Austauschwechselwirkungen vorhanden, so dass kompliziertere magnetische Verhalten beobachtet wurden.rnrnDarüber hinaus wurden drei neue Beispiele von Nitronyl-Nitroxidradikale dargestellt, in denen eine zusätzliche saure Funktionalität eingeführt war. Die Auswirkungen des sauren Charakters der zusätzlich eingeführten Sulfonsäure oder Phosphonsäure-Gruppe auf das Nitronyl-Nitroxidradikal wurden im Detail zum ersten Mal untersucht. Die mit der Phosphonsäure-Gruppe versehenen Nitronyl-Nitroxidradikale sind perfekte Proben für die Untersuchung einer Spin-Verschiebung in Nitronyl-Nitroxidradikale durch EPR-Spektroskopie, aufgrund des eingeführten Phosphors. Auch der Protonierungsgrad der zusätzlich eingeführten Phosphonsäure-Gruppe wurde berücksichtigt. In dieser Arbeit wurden die ersten Metallkomplexe der neuen substituierten sauren Nitronyl-Nitroxidradikale vorgestellt. Die Koordination von Nickel(II) Metallionen an die saure, zweite funktionelle Gruppe des Nitronyl–Nitroxid Radikal wurde beschrieben. Die magnetische Austauschwechselwirkung der Metallionen untereinander und die Metall-Radikal-Austauschwechselwirkungen wurden untersucht. rnrnIm Allgemeinen können interessante molekulare magnetische Materialien dadurch dargestellt werden, dass die Dimension der Metall-Phosphonat-Verbindungen als Beispiele für die erweiterten anorganischen Hybridmaterialien gesteuert werden kann. Mit Nitronyl-Nitroxidradikale als organische Liganden können in Zukunft noch mehr Spin-Träger in anorganisch-organischen Gerüstmaterialien integriert werden um die magnetischen Eigenschaften zu verbesseren.rn

Entwicklung von chiralen- sowie RP-HPLC-Methoden in Verbindung mit hochauflösender MS und deren Anwendung zur Analyse sekundärer organischer Aerosole in der Atmosphäre

Die Erdatmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%) und Edelga¬sen. Obwohl Partikel weniger als 0,1% ausmachen, spielen sie eine entscheidende Rolle in der Chemie und Physik der Atmosphäre, da sie das Klima der Erde sowohl direkt als auch indirekt beeinflussen. Je nach Art der Bildung unterscheidet man zwischen primären und sekundären Partikeln, wobei primäre Partikel direkt in die Atmosphäre eingetragen werden. Sekundäre Partikel hingegen entstehen durch Kondensation von schwerflüchtigen Verbindungen aus der Gasphase, welche durch Reaktionen von gasförmigen Vorläufersubstanzen (volatile organic compounds, VOCs) mit atmosphärischen Oxidantien wie Ozon oder OH-Radikalen gebildet werden. Da die meisten Vorläufersubstanzen organischer Natur sind, wird das daraus gebil¬dete Aerosol als sekundäres organisches Aerosol (SOA) bezeichnet. Anders als die meisten primären Partikel stammen die VOCs überwiegend aus biogenen Quellen. Es handelt sich da¬bei um ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die bei intensiver Sonneneinstrahlung und hohen Temperaturen von Pflanzen emittiert werden. Viele der leichtflüchtigen Vorläufersubstanzen sind chiral, sowohl die Vorläufer als auch die daraus gebildeten Partikel werden aber in den meisten Studien als eine Verbindung betrachtet und gemeinsam analysiert. Die mit Modellen berechneten SOA-Konzentrationen, welche auf dieser traditionellen Vorstellung der SOA-Bil¬dung beruhen, liegen deutlich unterhalb der in der Atmosphäre gefundenen, so dass neben diesem Bildungsweg auch noch andere SOA-Bildungsarten existieren müssen. Aus diesem Grund wird der Fokus der heutigen Forschung vermehrt auf die heterogene Chemie in der Partikelphase gerichtet. Glyoxal als Modellsubstanz kommt hierbei eine wichtige Rolle zu. Es handelt sich bei dieser Verbindung um ein Molekül mit einem hohen Dampfdruck, das auf Grund dieser Eigenschaft nur in der Gasphase zu finden sein sollte. Da es aber über zwei Alde¬hydgruppen verfügt, ist es sehr gut wasserlöslich und kann dadurch in die Partikelphase über¬gehen, wo es heterogenen chemischen Prozessen unterliegt. Unter anderem werden in An¬wesenheit von Ammoniumionen Imidazole gebildet, welche wegen der beiden Stickstoff-He¬teroatome lichtabsorbierende Eigenschaften besitzen. Die Verteilung von Glyoxal zwischen der Gas- und der Partikelphase wird durch das Henrysche Gesetz beschrieben, wobei die Gleichgewichtskonstante die sogenannte Henry-Konstante ist. Diese ist abhängig von der un¬tersuchten organischen Verbindung und den im Partikel vorhandenen anorganischen Salzen. Für die Untersuchung chiraler Verbindungen im SOA wurde zunächst eine Filterextraktions¬methode entwickelt und die erhaltenen Proben anschließend mittels chiraler Hochleistungs-Flüssigchromatographie, welche an ein Elektrospray-Massenspektrometer gekoppelt war, analysiert. Der Fokus lag hierbei auf dem am häufigsten emittierten Monoterpen α-Pinen und seinem Hauptprodukt, der Pinsäure. Da bei der Ozonolyse des α-Pinens das cyclische Grund¬gerüst erhalten bleibt, können trotz der beiden im Molekül vorhanden chiralen Zentren nur zwei Pinsäure Enantiomere gebildet werden. Als Extraktionsmittel wurde eine Mischung aus Methanol/Wasser 9/1 gewählt, mit welcher Extraktionseffizienzen von 65% für Pinsäure Enan¬tiomer 1 und 68% für Pinsäure Enantiomer 2 erreicht werden konnten. Des Weiteren wurden Experimente in einer Atmosphärensimulationskammer durchgeführt, um die Produkte der α-Pinen Ozonolyse eindeutig zu charakterisieren. Enantiomer 1 wurde demnach aus (+)-α-Pinen gebildet und Enantiomer 2 entstand aus (-)-α-Pinen. Auf Filterproben aus dem brasilianischen Regenwald konnte ausschließlich Pinsäure Enantiomer 2 gefunden werden. Enantiomer 1 lag dauerhaft unterhalb der Nachweisgrenze von 18,27 ng/mL. Im borealen Nadelwald war das Verhältnis umgekehrt und Pinsäure Enantiomer 1 überwog vor Pinsäure Enantiomer 2. Das Verhältnis betrug 56% Enantiomer 1 zu 44% Enantiomer 2. Saisonale Verläufe im tropischen Regenwald zeigten, dass die Konzentrationen zur Trockenzeit im August höher waren als wäh¬rend der Regenzeit im Februar. Auch im borealen Nadelwald wurden im Sommer höhere Kon¬zentrationen gemessen als im Winter. Die Verhältnisse der Enantiomere änderten sich nicht im jahreszeitlichen Verlauf. Die Bestimmung der Henry-Konstanten von Glyoxal bei verschiedenen Saataerosolen, nämlich Ammoniumsulfat, Natriumnitrat, Kaliumsulfat, Natriumchlorid und Ammoniumnitrat sowie die irreversible Produktbildung aus Glyoxal in Anwesenheit von Ammoniak waren Forschungs¬gegenstand einer Atmosphärensimulationskammer-Kampagne am Paul-Scherrer-Institut in Villigen, Schweiz. Hierzu wurde zunächst das zu untersuchende Saataerosol in der Kammer vorgelegt und dann aus photochemisch erzeugten OH-Radikalen und Acetylen Glyoxal er¬zeugt. Für die Bestimmung der Glyoxalkonzentration im Kammeraerosol wurde zunächst eine beste¬hende Filterextraktionsmethode modifiziert und die Analyse mittels hochauflösender Mas¬senspektrometrie realisiert. Als Extraktionsmittel kam 100% Acetonitril, ACN zum Einsatz wo¬bei die Extraktionseffizienz bei 85% lag. Für die anschließende Derivatisierung wurde 2,4-Di¬nitrophenylhydrazin, DNPH verwendet. Dieses musste zuvor drei Mal mittels Festphasenex¬traktion gereinigt werden um störende Blindwerte ausreichend zu minimieren. Die gefunde¬nen Henry-Konstanten für Ammoniumsulfat als Saataerosol stimmten gut mit in der Literatur gefundenen Werten überein. Die Werte für Natriumnitrat und Natriumchlorid als Saataerosol waren kleiner als die von Ammoniumsulfat aber größer als der Wert von reinem Wasser. Für Ammoniumnitrat und Kaliumsulfat konnten keine Konstanten berechnet werden. Alle drei Saataerosole führten zu einem „Salting-in“. Das bedeutet, dass bei Erhöhung der Salzmolalität auch die Glyoxalkonzentration im Partikel stieg. Diese Beobachtungen sind auch in der Litera¬tur beschrieben, wobei die Ergebnisse dort nicht auf der Durchführung von Kammerexperi¬menten beruhen, sondern mittels bulk-Experimenten generiert wurden. Für die Trennung der Imidazole wurde eine neue Filterextraktionsmethode entwickelt, wobei sich ein Gemisch aus mit HCl angesäuertem ACN/H2O im Verhältnis 9/1 als optimales Extrak¬tionsmittel herausstellte. Drei verschiedenen Imidazole konnten mit dieser Methode quanti¬fiziert werden, nämlich 1-H-Imidazol-4-carbaldehyd (IC), Imidazol (IM) und 2,2‘-Biimidazol (BI). Die Effizienzen lagen für BI bei 95%, für IC bei 58% und für IM bei 75%. Kammerexperimente unter Zugabe von Ammoniak zeigten höhere Imidazolkonzentrationen als solche ohne. Wurden die Experimente ohne Ammoniak in Anwesenheit von Ammoni¬umsulfat durchgeführt, wurden höhere Imidazol-Konzentrationen gefunden als ohne Ammo¬niumionen. Auch die relative Luftfeuchtigkeit spielte eine wichtige Rolle, da sowohl eine zu hohe als auch eine zu niedrige relative Luftfeuchtigkeit zu einer verminderten Imidazolbildung führte. Durch mit 13C-markiertem Kohlenstoff durchgeführte Experimente konnte eindeutig gezeigt werden, dass es sich bei den gebildeten Imidazolen und Glyoxalprodukte handelte. Außerdem konnte der in der Literatur beschriebene Bildungsmechanismus erfolgreich weiter¬entwickelt werden. Während der CYPHEX Kampagne in Zypern konnten erstmalig Imidazole in Feldproben nach¬gewiesen werden. Das Hauptprodukt IC zeigte einen tageszeitlichen Verlauf mit höheren Kon¬zentrationen während der Nacht und korrelierte signifikant aber schwach mit der Acidität und Ammoniumionenkonzentration des gefundenen Aerosols.

Catalizzatori per la reazione di Water Gas Shift a media ed alta temperatura

L’H2 è un vettore energetico di elevato interesse, utilizzato nell’industria chimica per la produzione di NH3 e CH3OH, oltre che per le reazioni di idrogenazione ed HDS. Un importante processo nella produzione di H2 è la reazione di Water Gas Shift (WGS), usata nel trattamento delle correnti uscenti dal reattore di Steam Reforming (SR) del metano: CO + H2O  CO2 + H2 ∆H0298K = -41,2 KJ/mol. Sulla base di precedenti lavori, sono stati sviluppati nuovi catalizzatori per la reazione WGS ad alta temperatura (HTS), alternativi ai tradizionali sistemi a base di Fe/Cr, in considerazione dei vincoli economici (elevati valori del rapporto vapore/gas secco o S/DG) ed ambientali (formazione di CrVI) di questi sistemi. Partendo da sistemi Cu/Zn/Al con un basso contenuto di rame, ottenuti da precursori tipo idrotalcite (HT), stato studiato l’effetto dell’aggiunta di piccole quantità di alcuni promotori sull’attività e stabilità dei catalizzatori ottenuti, osservando un effetto positivo sulle caratteristiche fisiche, come l’aumento dell’area superficiale e della dispersione della fase attiva. I campioni contenenti i promotori erano inoltre caratterizzati da una maggiore stabilità termica e, in alcuni casi, da un’attività catalitica superiore a quella del catalizzatore di riferimento privo di promotori. L’aggiunta di piccole quantità di alcali alla formulazione con la migliore attività portava ad un ulteriore aumento di attività e di stabilità, attribuibile ad una minore formazione di coke sulla superficie. I sistemi più interessanti potevano operare anche a bassi valori del rapporto S/DG, interessanti dal punto di vista industriale. Lo studio dell’adsorbimento di CO mediante FT-IR ha permesso di ipotizzare la possibile natura della fase attiva nei sistemi. Infine, lo studio è stato esteso a sistemi per la reazione di WGS a media temperatura (MTS), osservando anche in questo caso un positivo effetto legato all’aggiunta di promotori, con un aumento dell’attività catalitica e della stabilità con il tempo di reazione.

Reforming dell'etanolo con processo ciclico: studio della reattività di ossidi misti con struttura spinello

This work deals with a study on the feasibility of a new process, aimed at the production of hydrogen from water and ethanol (a compound obtained starting from biomasses), with inherent separation of hydrogen from C-containing products. The strategy of the process includes a first step, during which a metal oxide is contacted with ethanol at high temperature; during this step, the metal oxide is reduced and the corresponding metallic form develops. During the second step, the reduced metal compound is contacted at high temperature with water, to produce molecular hydrogen and with formation of the original metal oxide. In overall, the combination of the two steps within the cycle process corresponds to ethanol reforming, where however COx and H2 are produced separately. Various mixed metal oxides were used as electrons and ionic oxygen carriers, all of them being characterized by the spinel structure typical of M-modified non-stoichiometric ferrites: M0,6Fe2,4O4 (M = Co, Mn or Co/Mn). The first step was investigated in depth; it was found that besides the generation of the expected CO, CO2 and H2O, the products of ethanol anaerobic oxidation, also a large amount of H2 and coke were produced. The latter is highly undesired, since it affects the second step, during which water is fed over the pre-reduced spinel at high temperature. The behavior of the different spinels was affected by the nature of the divalent metal cation. The new materials were tested in terms of both redox proprieties and catalytic activity to generate hydrogen. Still the problem of coke formation remains the greater challenge to solve.

Retrieval simulations of the vertical profiles of water vapour and other chemical species in the Martian atmosphere using PACS

Water vapour, despite being a minor constituent in the Martian atmosphere with its precipitable amount of less than 70 pr. μm, attracts considerable attention in the scientific community because of its potential importance for past life on Mars. The partial pressure of water vapour is highly variable because of its seasonal condensation onto the polar caps and exchange with a subsurface reservoir. It is also known to drive photochemical processes: photolysis of water produces H, OH, HO2 and some other odd hydrogen compounds, which in turn destroy ozone. Consequently, the abundance of water vapour is anti-correlated with ozone abundance. The Herschel Space Observatory provides for the first time the possibility to retrieve vertical water profiles in the Martian atmosphere. Herschel will contribute to this topic with its guaranteed-time key project called "Water and related chemistry in the solar system". Observations of Mars by Heterodyne Instrument for the Far Infrared (HIFI) and Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) onboard Herschel are planned in the frame of the programme. HIFI with its high spectral resolution enables accurate observations of vertically resolved H2O and temperature profiles in the Martian atmosphere. Unlike HIFI, PACS is not capable of resolving the line-shape of molecular lines. However, our present study of PACS observations for the Martian atmosphere shows that the vertical sensitivity of the PACS observations can be improved by using multiple-line observations with different line opacities. We have investigated the possibility of retrieving vertical profiles of temperature and molecular abundances of minor species including H2O in the Martian atmosphere using PACS. In this paper, we report that PACS is able to provide water vapour vertical profiles for the Martian atmosphere and we present the expected spectra for future PACS observations. We also show that the spectral resolution does not allow the retrieval of several studied minor species, such as H2O2, HCl, NO, SO2, etc.

The Role of Anharmonicity in Hydrogen-Bonded Systems: The Case of Water Clusters

The nature of vibrational anharmonicity has been examined for the case of small water clusters using second-order vibrational perturbation theory (VPT2) applied on second-order Møller–Plesset perturbation theory (MP2) potential energy surfaces. Using a training set of 16 water clusters (H2O)n=2–6,8,9 with a total of 723 vibrational modes, we determined scaling factors that map the harmonic frequencies onto anharmonic ones. The intermolecular modes were found to be substantially more anharmonic than intramolecular bending and stretching modes. Due to the varying levels of anharmonicity of the intermolecular and intramolecular modes, different frequency scaling factors for each region were necessary to achieve the highest accuracy. Furthermore, new scaling factors for zero-point vibrational energies (ZPVE) and vibrational corrections to the enthalpy (ΔHvib) and the entropy (Svib) have been determined. All the scaling factors reported in this study are different from previous works in that they are intended for hydrogen-bonded systems, while others were built using experimental frequencies of covalently bonded systems. An application of our scaling factors to the vibrational frequencies of water dimer and thermodynamic functions of 11 larger water clusters highlights the importance of anharmonic effects in hydrogen-bonded systems.

Benchmark Structures and Binding Energies of Small Water Clusters with Anharmonicity Corrections

For (H2O)n where n = 1–10, we used a scheme combining molecular dynamics sampling with high level ab initio calculations to locate the global and many low lying local minima for each cluster. For each isomer, we extrapolated the RI-MP2 energies to their complete basis set limit, included a CCSD(T) correction using a smaller basis set and added finite temperature corrections within the rigid-rotor-harmonic-oscillator (RRHO) model using scaled and unscaled harmonic vibrational frequencies. The vibrational scaling factors were determined specifically for water clusters by comparing harmonic frequencies with VPT2 fundamental frequencies. We find the CCSD(T) correction to the RI-MP2 binding energy to be small (<1%) but still important in determining accurate conformational energies. Anharmonic corrections are found to be non-negligble; they do not alter the energetic ordering of isomers, but they do lower the free energies of formation of the water clusters by as much as 4 kcal/mol at 298.15 K.

Article Accurate Experimental Values for the Free Energies of Hydration of H+, OH-, and H3O+

Accurate experimental values for the free energies of hydration, or the free energies of solvation, of the H+, OH-, and H3O+ ions are of fundamental importance. By use of the most accurate value for the free energy of solvation of H+, the known value for the free energy of solvation of water, and the known values for the gas phase and aqueous phase deprotonation of water, the corresponding experimental free energy of solvation for OH- is −106.4 ± 0.5 kcal/mol. Similarly, by use of the known values for ΔGf 0 for H3O, H2O+, and OH-, the known values for ΔGs for H+ and OH-, and the known value for the aqueous phase autoionization of water, we obtain an experimental free energy of solvation value for H3O+ of −103.4 ± 0.5 kcal/mol. These values are in excellent agreement with the commonly accepted values and with the value for ΔGs(OH-) obtained from embedding clusters of OH-(H2O)n in a dielectric continuum.

Thermodynamics of Forming Water Clusters at Various Temperatures and Pressures by Gaussian-2, Gaussian-3, Complete Basis Set-QB3, and Complete Basis Set-APNO Model Chemistries; Implications for Atmospheric Chemistry

The Gaussian-2, Gaussian-3, complete basis set- (CBS-) QB3, and CBS-APNO methods have been used to calculate ΔH° and ΔG° values for neutral clusters of water, (H2O)n, where n = 2−6. The structures are similar to those determined from experiment and from previous high-level calculations. The thermodynamic calculations by the G2, G3, and CBS-APNO methods compare well against the estimated MP2(CBS) limit. The cyclic pentamer and hexamer structures release the most heat per hydrogen bond formed of any of the clusters. While the cage and prism forms of the hexamer are the lowest energy structures at very low temperatures, as temperature is increased the cyclic structure is favored. The free energies of cluster formation at different temperatures reveal interesting insights, the most striking being that the cyclic trimer, cyclic tetramer, and cyclic pentamer, like the dimer, should be detectable in the lower troposphere. We predict water dimer concentrations of 9 × 1014 molecules/cm3, water trimer concentrations of 2.6 × 1012 molecules/cm3, tetramer concentrations of approximately 5.8 × 1011 molecules/cm3, and pentamer concentrations of approximately 3.5 × 1010 molecules/cm3 in saturated air at 298 K. These results have important implications for understanding the gas-phase chemistry of the lower troposphere.

The ability of the Gaussian-2, Gaussian-3, Complete Basis Set–QB3, and Complete Basis Set–APNO model chemistries to model the geometries of small water clusters

The Gaussian-2, Gaussian-3, Complete Basis Set-QB3, and Complete Basis Set-APNO methods have been used to calculate geometries of neutral clusters of water, (H2O)n, where n = 2–6. The structures are in excellent agreement with those determined from experiment and those predicted from previous high-level calculations. These methods also provide excellent thermochemical predictions for water clusters, and thus can be used with confidence in evaluating the structures and thermochemistry of water clusters.

The Role of Anharmonicity in Hydrogen-Bonded Systems: The Case of Water Clusters

The nature of vibrational anharmonicity has been examined for the case of small water clusters using second-order vibrational perturbation theory (VPT2) applied on second-order Møller–Plesset perturbation theory (MP2) potential energy surfaces. Using a training set of 16 water clusters (H2O)n=2–6,8,9 with a total of 723 vibrational modes, we determined scaling factors that map the harmonic frequencies onto anharmonic ones. The intermolecular modes were found to be substantially more anharmonic than intramolecular bending and stretching modes. Due to the varying levels of anharmonicity of the intermolecular and intramolecular modes, different frequency scaling factors for each region were necessary to achieve the highest accuracy. Furthermore, new scaling factors for zero-point vibrational energies (ZPVE) and vibrational corrections to the enthalpy (ΔHvib) and the entropy (Svib) have been determined. All the scaling factors reported in this study are different from previous works in that they are intended for hydrogen-bonded systems, while others were built using experimental frequencies of covalently bonded systems. An application of our scaling factors to the vibrational frequencies of water dimer and thermodynamic functions of 11 larger water clusters highlights the importance of anharmonic effects in hydrogen-bonded systems.

Comparison of Model Chemistry and Density Functional Theory Thermochemical Predictions with Experiment for Formation of Ionic Clusters of the Ammonium Cation Complexed with Water and Ammonia; Atmospheric Implications

The G2, G3, CBS-QB3, and CBS-APNO model chemistry methods and the B3LYP, B3P86, mPW1PW, and PBE1PBE density functional theory (DFT) methods have been used to calculate ΔH° and ΔG° values for ionic clusters of the ammonium ion complexed with water and ammonia. Results for the clusters NH4+(NH3)n and NH4+(H2O)n, where n = 1−4, are reported in this paper and compared against experimental values. Agreement with the experimental values for ΔH° and ΔG° for formation of NH4+(NH3)n clusters is excellent. Comparison between experiment and theory for formation of the NH4+(H2O)n clusters is quite good considering the uncertainty in the experimental values. The four DFT methods yield excellent agreement with experiment and the model chemistry methods when the aug-cc-pVTZ basis set is used for energetic calculations and the 6-31G* basis set is used for geometries and frequencies. On the basis of these results, we predict that all ions in the lower troposphere will be saturated with at least one complete first hydration shell of water molecules.

Hydration of OCS with One to Four Water Molecules in Atmospheric and Laboratory Conditions

Carbonyl sulfide is the most abundant sulfur gas in the atmosphere. We have used MP2 and CCSD(T) theory to study the structures and thermochemistries of carbonyl sulfide interacting with one to four water molecules. We have completed an extensive search for clusters of OCS(H2O)n, where n = 1−4. We located three dimers, two trimers, five tetramers, and four pentamers with the MP2/aug-cc-pVDZ method. In each of the complexes with two or more waters, OCS preferentially interacts with low-energy water clusters. Our results match current theoretical and experimental literature, showing correlation with available geometries and frequencies for the OCS(H2O) species. The CCSD(T)/aug-cc-pVTZ thermochemical values combined with the average amount of OCS and the saturated concentration of H2O in the troposphere, lead to the prediction of 106 OCS(H2O) clusters·cm−3 and 102 OCS(H2O)2 clusters·cm−3 at 298 K. We predict the structures of OCS(H2O)n, n = 1−4 that should predominate in a low-temperature molecular beam and identify specific infrared vibrations that can be used to identify these different clusters.

Quantum Mechanical Study of Sulfuric Acid Hydration: Atmospheric Implications

The role of the binary nucleation of sulfuric acid in aerosol formation and its implications for global warming is one of the fundamental unsettled questions in atmospheric chemistry. We have investigated the thermodynamics of sulfuric acid hydration using ab initio quantum mechanical methods. For H2SO4(H2O)n where n = 1–6, we used a scheme combining molecular dynamics configurational sampling with high-level ab initio calculations to locate the global and many low lying local minima for each cluster size. For each isomer, we extrapolated the Møller–Plesset perturbation theory (MP2) energies to their complete basis set (CBS) limit and added finite temperature corrections within the rigid-rotor-harmonic-oscillator (RRHO) model using scaled harmonic vibrational frequencies. We found that ionic pair (HSO4–·H3O+)(H2O)n−1 clusters are competitive with the neutral (H2SO4)(H2O)n clusters for n ≥ 3 and are more stable than neutral clusters for n ≥ 4 depending on the temperature. The Boltzmann averaged Gibbs free energies for the formation of H2SO4(H2O)n clusters are favorable in colder regions of the troposphere (T = 216.65–273.15 K) for n = 1–6, but the formation of clusters with n ≥ 5 is not favorable at higher (T > 273.15 K) temperatures. Our results suggest the critical cluster of a binary H2SO4–H2O system must contain more than one H2SO4 and are in concert with recent findings(1) that the role of binary nucleation is small at ambient conditions, but significant at colder regions of the troposphere. Overall, the results support the idea that binary nucleation of sulfuric acid and water cannot account for nucleation of sulfuric acid in the lower troposphere.