Characterising the Electronic Structure of Ionic Liquids: An Examination of the 1‐Butyl‐3‐Methylimidazolium Chloride Ion Pair

戒指(化学) 自然键轨道 化学 氢键 离子 离子液体 接受者 债券定单 离子键合 结晶学 计算化学 粘结长度 分子 密度泛函理论 有机化学 催化作用 晶体结构 物理 凝聚态物理
作者
Patricia A. Hunt,Barbara Kirchner,Tom Welton
出处
期刊:Chemistry: A European Journal [Wiley]
卷期号:12 (26): 6762-6775 被引量:469
标识
DOI:10.1002/chem.200600103
摘要

In this paper we analyse the electronic properties of gas-phase 1-butyl-3-methylimidazolium Cl ion pairs, [C(4)C(1)im]Cl, in order to deepen our understanding of ionic liquids in general. Examination of charge densities, natural bond orbitals (NBO), and delocalised molecular orbitals computed at the B3LYP and MP2/6-31(++)G(d,p) levels have enabled us to explain a number of experimental phenomena: the relative acidity of different sites on the imidazolium ring, variations in hydrogen-bond donor and acceptor abilities, the apparent contradiction of the hydrogen-bond-donor parameters for different types of solute, the low probability of finding a Cl(-) anion at the rear of the imidazolium ring and the expansion of the imidazolium ring in the presence of a strong hydrogen-bond acceptor. The unreactive but coordinating environment and large electrochemical window have also been accounted for, as has the strong electron-donating character of the carbon atoms to the rear of the ring in associated imidazolylidenes. The electronic structure of the [C(4)C(1)im](+) cation is best described by a C(4)==C(5) double bond at the rear, and a delocalised three-centre 4 e(-) component across the front (N(1)-C(2)-N(3)) of the imidazolium ring; delocalisation between these regions is also significant. Hydrogen-bond formation is driven by Coulombic stabilisation, which compensates for an associated destabilisation of the electronic part of the system. Interactions are dominated by a large positive charge at C(2) and the build up of pi-electron density above and below the ring, particularly that associated with the double bond between C(4) and C(5). The NBO partial charges have been computed and compared with those used in a number of classical simulations.
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