We use cryogenic ion trap vibrational spectroscopy in combination with quantum chemical calculations to study the structure of mono- and dialuminum oxide anions. The infrared photodissociation spectra of D2-tagged AlO1-4 and Al2O3-6 are measured in the region from 400 to 1200 cm−1. Structures are assigned based on a comparison to simulated harmonic and anharmonic IR spectra derived from electronic structure calculations. The monoaluminum anions contain an even number of electrons and exhibit an electronic closed-shell ground state. The Al2O3-6 anions are oxygen-centered radicals. As a result of a delicate balance between localization and delocalization of the unpaired electron, only the BHLYP functional is able to qualitatively describe the observed IR spectra of all species with the exception of AlO3. Terminal Al–O stretching modes are found between 1140 and 960 cm−1. Superoxo and peroxo stretching modes are found at higher (1120-1010 cm−1) and lower energies (850-570 cm−1), respectively. Four modes in-between 910 and 530 cm−1 represent the IR fingerprint of the common structural motif of dialuminum oxide anions, an asymmetric four-member Al–(O)2–Al ring.

1.
M.
Trueba
and
S. P.
Trasatti
,
Eur. J. Inorg. Chem.
17
,
3393
3403
(
2005
).
2.
K. R.
Asmis
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
9270
9281
(
2012
).
3.
J.
Sauer
and
H.-J.
Freund
,
Catal. Lett.
145
,
109
125
(
2015
).
4.
D. K.
Böhme
and
H.
Schwarz
,
Angew. Chem., Int. Ed.
44
,
2336
2354
(
2005
).
5.
S.
Feyel
,
J.
Döbler
,
R.
Hökendorf
,
M. K.
Beyer
,
J.
Sauer
, and
H.
Schwarz
,
Angew. Chem., Int. Ed.
47
,
1946
1950
(
2008
).
6.
Z.-C.
Wang
,
T.
Weiske
,
R.
Kretschmer
,
M.
Schlangen
,
M.
Kaupp
, and
H.
Schwarz
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
16930
16937
(
2011
).
7.
L.-H.
Tian
,
T.-M.
Ma
,
X.-N.
Li
, and
S.-G.
He
,
Dalton Trans.
42
,
11205
11211
(
2013
).
8.
I.
Cherchneff
and
E.
Dwek
,
Astronom. J.
713
,
1
24
(
2010
).
9.
J. R.
Scott
,
G. S.
Groenewold
,
A. K.
Gianotto
,
M. T.
Benson
, and
J. B.
Wright
,
J. Phys. Chem. A
104
,
7079
7090
(
2000
).
10.
G. E.
Johnson
,
E. C.
Tyo
, and
A. W.
Castleman
, Jr.
,
J. Phys. Chem. A
112
,
4732
4735
(
2008
).
11.
R.
Kretschmer
,
Z.-C.
Wang
,
M.
Schlangen
, and
H.
Schwarz
,
Angew. Chem., Int. Ed.
52
,
9513
9517
(
2013
).
12.
S. B. H.
Bach
and
S. W.
McElvany
,
J. Phys. Chem.
95
,
9091
9094
(
1991
).
13.
L. V.
Serebrennikov
,
S. B.
Osin
, and
A. A.
Maltsev
,
J. Mol. Struct.
81
,
25
33
(
1982
).
14.
S. M.
Sonchik
,
L.
Andrews
, and
K. D.
Carlson
,
J. Phys. Chem.
87
,
2004
2011
(
1983
).
15.
S. J.
Bares
,
M.
Haak
, and
J. W.
Nibler
,
J. Chem. Phys.
82
,
670
675
(
1985
).
16.
G.
Stößer
and
H.
Schnöckel
,
Angew. Chem., Int. Ed.
44
,
4261
4264
(
2005
).
17.
S. R.
Desai
,
H.
Wu
, and
L.-S.
Wang
,
Int. J. Mass Spectrom.
159
,
75
80
(
1996
).
18.
S. R.
Desai
,
H.
Wu
,
C. M.
Rohlfing
, and
L.-S.
Wang
,
J. Chem. Phys.
106
,
1309
1317
(
1997
).
19.
G.
Meloni
,
M. J.
Ferguson
, and
D. M.
Neumark
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
5
,
4073
4079
(
2003
).
20.
F. A.
Akin
and
C. C.
Jarrold
,
J. Chem. Phys.
118
,
5841
5851
(
2003
).
21.
M.
Sierka
,
J.
Döbler
,
J.
Sauer
,
H. J.
Zhai
, and
L. S.
Wang
,
ChemPhysChem
10
,
2410
2413
(
2009
).
22.
K. J.
Mascaritolo
,
A. M.
Gardner
, and
M. C.
Heaven
,
J. Chem. Phys.
143
,
114311
(
2015
).
23.
G.
Santambrogio
,
E.
Janssens
,
S.
Li
,
T.
Siebert
,
G.
Meijer
,
K. R.
Asmis
,
J.
Döbler
,
M.
Sierka
, and
J.
Sauer
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
15143
15149
(
2008
).
24.
E. F.
Archibong
and
A.
St-Amant
,
J. Phys. Chem. A
102
,
6877
6882
(
1998
).
25.
E. F.
Archibong
and
A.
St-Amant
,
J. Phys. Chem. A
103
,
1109
1114
(
1999
).
26.
G. L.
Gutsev
,
P.
Jena
, and
R. J.
Bartlett
,
J. Chem. Phys.
110
,
2928
2935
(
1999
).
27.
A.
Martínez
,
F. J.
Tenorio
, and
J. V.
Ortiz
,
J. Phys. Chem. A
105
,
11291
11294
(
2001
).
28.
A. B. C.
Patzer
,
C.
Chang
,
E.
Sedlmayr
, and
D.
Sülzle
,
Eur. Phys. J. D
32
,
329
337
(
2005
).
29.
A. V.
Nemukhin
and
J.
Almlof
,
J. Mol. Struct.: THEOCHEM
85
,
101
107
(
1992
).
30.
A. V.
Nemukhin
and
F.
Weinhold
,
J. Chem. Phys.
97
,
3420
3430
(
1992
).
31.
A. B. C.
Patzer
,
C.
Chang
,
E.
Sedlmayr
, and
D.
Sülzle
,
Eur. Phys. J. D
6
,
57
62
(
1999
).
32.
S.
Neukermans
,
N.
Veldeman
,
E.
Janssens
,
P.
Lievens
,
Z.
Chen
, and
P. v. R.
Schleyer
,
Eur. Phys. J. D
45
,
301
308
(
2007
).
33.
S. M.
Woodley
,
Proc. R. Soc. A
467
,
2020
2042
(
2011
).
34.
A. B.
Rahane
,
M. D.
Deshpande
, and
V.
Kumar
,
J. Phys. Chem. C
115
,
18111
18121
(
2011
).
35.
M. I. M.
Sarker
,
C. S.
Kim
, and
C. H.
Choi
,
Chem. Phys. Lett.
411
,
297
301
(
2005
).
36.
E. F.
Archibong
,
N.
Seeburrun
, and
P.
Ramasami
,
Chem. Phys. Lett.
481
,
169
172
(
2009
).
37.
G. L.
Gutsev
,
C. A.
Weatherford
,
K.
Pradhan
, and
P.
Jena
,
J. Comput. Chem.
32
,
2974
2982
(
2011
).
38.
D. J.
Goebbert
,
E.
Garand
,
T.
Wende
,
R.
Bergmann
,
G.
Meijer
,
K. R.
Asmis
, and
D. M.
Neumark
,
J. Phys. Chem. A
113
,
7584
7592
(
2009
).
39.
I. M.
Goldby
,
B.
von Issendorff
,
L.
Kuipers
, and
R. E.
Palmer
,
Rev. Sci. Instrum.
68
,
3327
3334
(
1997
).
40.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4954158 for additional experimental (mass spectrum, effect of mutiple messenger tags) and computational (total energies and structures) results.
41.
W.
Schöllkopf
,
S.
Gewinner
,
H.
Junkes
,
A.
Paarmann
,
G.
von Helden
,
H.
Bluem
, and
A. M. M.
Todd
,
Proc. SPIE
9512
,
95121L
(
2015
).
42.
N.
Heine
and
K. R.
Asmis
,
Int. Rev. Phys. Chem.
34
,
1
34
(
2015
).
43.
M.
Sierka
,
Prog. Surf. Sci.
85
,
398
434
(
2010
).
44.
M.
Sierka
,
J.
Döbler
,
J.
Sauer
,
G.
Santambrogio
,
M.
Brümmer
,
L.
Wöste
,
E.
Janssens
,
G.
Meijer
, and
K. R.
Asmis
,
Angew. Chem., Int. Ed.
46
,
3372
3375
(
2007
).
45.
J. P.
Perdew
,
Phys. Rev. B
33
,
8822
8824
(
1986
).
46.
A. D.
Becke
,
Phys. Rev. A
38
,
3098
3100
(
1988
).
47.
F.
Weigend
and
R.
Ahlrichs
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
7
,
3297
3305
(
2005
).
48.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
98
,
5648
(
1993
).
49.
TURBOMOLE V6.5 2013, a development of University of Karlsruhe and Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 1989-2007, TURBOMOLE GmbH, since 2007; available from http://www.turbomole.com.
50.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
98
,
1372
(
1993
).
51.
K.
Raghavachari
,
G. W.
Trucks
,
J. A.
Pople
, and
M.
Head-Gordon
,
Chem. Phys. Lett.
157
,
479
483
(
1989
).
52.
K. A.
Peterson
and
T. H.
Dunning
,
J. Chem. Phys.
117
,
10548
(
2002
).
53.
M.
Sierka
,
B.
Helmich
, and
R.
Wlodarczyk
,
Program DoDo
(
Humboldt University Berlin
,
Friedrich-Schiller University Jena
,
2013
).
54.
V.
Barone
,
J. Chem. Phys.
122
,
14108
(
2005
).
55.
H.-J.
Werner
,
P. J.
Knowles
,
G.
Knizia
,
F. R.
Manby
, and
M.
Schütz
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
2
,
242
253
(
2012
).
56.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
B.
Mennucci
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
M.
Caricato
,
X.
Li
,
H. P.
Hratchian
,
A. F.
Izmaylov
,
J.
Bloino
,
G.
Zheng
,
J. L.
Sonnenberg
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
J. A.
Montgomery
, Jr.
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
A.
Rendell
,
J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
N.
Rega
,
J. M.
Millam
,
M.
Klene
,
J. E.
Knox
,
J. B.
Cross
,
V.
Bakken
,
C.
Adamo
,
J.
Jaramillo
,
R.
Gomperts
,
R. E.
Stratmann
,
O.
Yazyev
,
A. J.
Austin
,
R.
Cammi
,
C.
Pomelli
,
J. W.
Ochterski
,
R. L.
Martin
,
K.
Morokuma
,
V. G.
Zakrzewski
,
G. A.
Voth
,
P.
Salvador
,
J. J.
Dannenberg
,
S.
Dapprich
,
A. D.
Daniels
,
Ö.
Farkas
,
J. B.
Foresman
,
J. V.
Ortiz
,
J.
Cioslowski
, and
D. J.
Fox
, gaussian 09,
Gaussian, Inc.
,
Wallingford CT
,
2009
.
57.
L.
Andrews
and
M.
McCluskey
,
J. Mol. Spectrosc.
154
,
223
225
(
1992
).
58.
S.
Gowtham
,
A.
Costales
, and
R.
Pandey
,
J. Phys. Chem. B
108
,
17295
17300
(
2004
).
59.
H.-J.
Zhai
,
L.-M.
Wang
,
S.-D.
Li
, and
L.-S.
Wang
,
J. Phys. Chem. A
111
,
1030
1035
(
2007
).
60.
B.
Tremblay
,
P.
Roy
,
L.
Manceron
,
M. E. l.
Alikhani
, and
D.
Roy
,
J. Chem. Phys.
104
,
2773
(
1996
).
61.
A.
Beste
and
R. J.
Bartlett
,
Chem. Phys. Lett.
366
,
100
108
(
2002
).
62.
S.
Gowtham
,
M.
Deshpande
,
A.
Costales
, and
R.
Pandey
,
J. Phys. Chem. B
109
,
14836
14844
(
2005
).
63.
E. F.
Archibong
and
P.
Ramasami
,
Comput. Theor. Chem.
964
,
324
328
(
2011
).
64.
P. V.
Avramov
,
I.
Adamovic
,
K.-M.
Ho
,
C. Z.
Wang
,
W. C.
Lu
, and
M. S.
Gordon
,
J. Phys. Chem. A
109
,
6294
6302
(
2005
).
65.
A. B.
Rahane
and
M. D.
Deshpande
,
J. Phys. Chem. C
116
,
2691
2701
(
2012
).
66.
A. K.
Kandalam
,
B.
Kiran
,
P.
Jena
,
S.
Pietsch
, and
G.
Ganteför
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
26589
26593
(
2015
).
67.
E. F.
Archibong
and
E. N.
Mvula
,
Chem. Phys. Lett.
408
,
371
376
(
2005
).
68.
K. R.
Asmis
,
G.
Meijer
,
M.
Brümmer
,
C.
Kaposta
,
G.
Santambrogio
,
L.
Wöste
, and
J.
Sauer
,
J. Chem. Phys.
120
,
6461
6470
(
2004
).
69.
M.
Sodupe
,
J.
Bertran
,
L.
Rodriguez-Santiago
, and
E. J.
Baerends
,
J. Phys. Chem. A
103
,
166
170
(
1999
).
70.
K. R.
Asmis
,
G.
Santambrogio
,
M.
Brümmer
, and
J.
Sauer
,
Angew. Chem., Int. Ed.
44
,
3122
3125
(
2005
).
71.
G.
Pacchioni
,
F.
Frigoli
,
D.
Ricci
, and
J. A.
Weil
,
Phys. Rev. B
63
,
054102
(
2001
).
72.
X.
Solans-Monfort
,
V.
Branchadell
,
M.
Sodupe
,
M.
Sierka
, and
J.
Sauer
,
J. Chem. Phys.
121
,
6034
6041
(
2004
).
73.
J. P.
Merrick
,
D.
Moran
, and
L.
Radom
,
J. Phys. Chem. A
111
,
11683
11700
(
2007
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.