A combination of X-ray photoelectron spectroscopy and near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy has been used to provide an experimental measure of nitrogen atomic charges in nine ionic liquids (ILs). These experimental results are used to validate charges calculated with three computational methods: charges from electrostatic potentials using a grid-based method (ChelpG), natural bond orbital population analysis, and the atoms in molecules approach. By combining these results with those from a previous study on sulfur, we find that ChelpG charges provide the best description of the charge distribution in ILs. However, we find that ChelpG charges can lead to significant conformational dependence and therefore advise that small differences in ChelpG charges (<0.3 e) should be interpreted with care. We use these validated charges to provide physical insight into nitrogen atomic charges for the ILs probed.
REFERENCES
1.
J. P.
Hallett
and T.
Welton
, Chem. Rev.
111
, 3508
–3576
(2011
).2.
M.
Armand
, F.
Endres
, D. R.
MacFarlane
, H.
Ohno
, and B.
Scrosati
, Nat. Mater.
8
, 621
–629
(2009
).3.
D. R.
MacFarlane
, M.
Forsyth
, P. C.
Howlett
, M.
Kar
, S.
Passerini
, J. M.
Pringle
, H.
Ohno
, M.
Watanabe
, F.
Yan
, W. J.
Zheng
, S. G.
Zhang
, and J.
Zhang
, Nat. Rev. Mater.
1
, 15005
(2016
).4.
D. R.
MacFarlane
, N.
Tachikawa
, M.
Forsyth
, J. M.
Pringle
, P. C.
Howlett
, G. D.
Elliott
, J. H.
Davis
, M.
Watanabe
, P.
Simon
, and C. A.
Angell
, Energy Environ. Sci.
7
, 232
–250
(2014
).5.
P.
Hapiot
and C.
Lagrost
, Chem. Rev.
108
, 2238
–2264
(2008
).6.
Y. F.
Hu
, Z. C.
Liu
, C. M.
Xu
, and X. M.
Zhang
, Chem. Soc. Rev.
40
, 3802
–3823
(2011
).7.
X. P.
Zhang
, X. C.
Zhang
, H. F.
Dong
, Z. J.
Zhao
, S. J.
Zhang
, and Y.
Huang
, Energy Environ. Sci.
5
, 6668
–6681
(2012
).8.
X. Q.
Sun
, H. M.
Luo
, and S.
Dai
, Chem. Rev.
112
, 2100
–2128
(2012
).9.
H. L.
Li
and M. N.
Kobrak
, J. Chem. Phys.
131
, 194507
(2009
).10.
M.
Kohagen
, M.
Brehm
, J.
Thar
, W.
Zhao
, F.
Müller-Plathe
, and B.
Kirchner
, J. Phys. Chem. B
115
, 693
–702
(2011
).11.
A. R.
Zolghadr
, M. H.
Ghatee
, and F.
Moosavi
, Chem. Phys.
475
, 23
–31
(2016
).12.
R.
Ishizuka
and N.
Matubayasi
, J. Chem. Theory Comput.
12
, 804
–811
(2016
).13.
G.
Garcia
, M.
Atilhan
, and S.
Aparicio
, J. Mol. Liq.
211
, 506
–514
(2015
).14.
L. K.
Scarbath-Evers
, P. A.
Hunt
, B.
Kirchner
, D. R.
MacFarlane
, and S.
Zahn
, Phys. Chem. Chem. Phys.
17
, 20205
–20216
(2015
).15.
F.
Dommert
, K.
Wendler
, R.
Berger
, L.
Delle Site
, and C.
Holm
, ChemPhysChem
13
, 1625
–1637
(2012
).16.
R. M.
Lynden-Bell
and T. G. A.
Youngs
, J. Phys.: Condens. Matter
21
, 424120
(2009
).17.
S. T.
Keaveney
, J. B.
Harper
, and A. K.
Croft
, RSC Adv.
5
, 35709
–35729
(2015
).18.
R. F. W.
Bader
, Acc. Chem. Res.
18
, 9
–15
(1985
).19.
R. F. W.
Bader
, Chem. Rev.
91
, 893
–928
(1991
).20.
P.
Matczak
, Computation
4
(1
), 3
(2016
).21.
R. M.
Fogarty
, R.
Rowe
, R. P.
Matthews
, M. T.
Clough
, C. R.
Ashworth
, A.
Brandt
, P. J.
Corbett
, R. G.
Palgrave
, E. F.
Smith
, R. A.
Bourne
, T. W.
Chamberlain
, P. B. J.
Thompson
, P. A.
Hunt
, and K. R. J.
Lovelock
, Faraday Discuss.
206
, 183
–201
(2018
).22.
F.
Jensen
, Introduction to Computational Chemistry
(John Wiley & Sons Ltd
, West Sussex
, 2007
).23.
A. E.
Reed
, R. B.
Weinstock
, and F.
Weinhold
, J. Chem. Phys.
83
, 735
–746
(1985
).24.
A. E.
Reed
, L. A.
Curtiss
, and F.
Weinhold
, Chem. Rev.
88
, 899
–926
(1988
).25.
C. M.
Breneman
and K. B.
Wiberg
, J. Comput. Chem.
11
, 361
–373
(1990
).26.
C. I.
Bayly
, P.
Cieplak
, W. D.
Cornell
, and P. A.
Kollman
, J. Phys. Chem.
97
, 10269
–10280
(1993
).27.
E.
Sigfridsson
and U.
Ryde
, J. Comput. Chem.
19
, 377
–395
(1998
).28.
P. A.
Hunt
, B.
Kirchner
, and T.
Welton
, Chem. - Eur. J.
12
, 6762
–6775
(2006
).29.
M. S.
Shaik
, M.
Devereux
, and P. L. A.
Popelier
, Mol. Phys.
106
, 1495
–1510
(2008
).30.
A. J.
Misquitta
, A. J.
Stone
, and S. L.
Price
, J. Chem. Theory Comput.
4
, 19
–32
(2008
).31.
G. A.
Cisneros
, M.
Karttunen
, P. Y.
Ren
, and C.
Sagui
, Chem. Rev.
114
, 779
–814
(2014
).32.
N.
Mårtensson
and A.
Nilsson
, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
75
, 209
–223
(1995
).33.
W. F.
Egelhoff
, Surf. Sci. Rep.
6
, 253
–415
(1987
).34.
I. J.
Villar-Garcia
, E. F.
Smith
, A. W.
Taylor
, F. L.
Qiu
, K. R. J.
Lovelock
, R. G.
Jones
, and P.
Licence
, Phys. Chem. Chem. Phys.
13
, 2797
–2808
(2011
).35.
C.
Sleigh
, A. P.
Pijpers
, A.
Jaspers
, B.
Coussens
, and R. J.
Meier
, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
77
, 41
–57
(1996
).36.
B. J.
Lindberg
, K.
Hamrin
, G.
Johansson
, U.
Gelius
, A.
Fahlman
, C.
Nordling
, and K.
Siegbahn
, Phys. Scr.
1
, 286
–298
(1970
).37.
U.
Gelius
, P. F.
Heden
, J.
Hedman
, B. J.
Lindberg
, R.
Marine
, R.
Nordberg
, C.
Nordling
, and K.
Siegbahn
, Phys. Scr.
2
, 70
–80
(1970
).38.
D. N.
Hendrickson
, J. M.
Hollander
, and W. L.
Jolly
, Inorg. Chem.
8
, 2642
–2647
(1969
).39.
J. M.
Hollander
and W. L.
Jolly
, Acc. Chem. Res.
3
, 193
–200
(1970
).40.
L. E.
Cox
, D. M.
Hercules
, and J. J.
Jack
, J. Am. Chem. Soc.
94
, 6575
–6578
(1972
).41.
T.
Cremer
, C.
Kolbeck
, K. R. J.
Lovelock
, N.
Paape
, R.
Wölfel
, P. S.
Schulz
, P.
Wasserscheid
, H.
Weber
, J.
Thar
, B.
Kirchner
, F.
Maier
, and H. P.
Steinrück
, Chem. - Eur. J.
16
, 9018
–9033
(2010
).42.
K. R. J.
Lovelock
, I. J.
Villar-Garcia
, F.
Maier
, H. P.
Steinrück
, and P.
Licence
, Chem. Rev.
110
, 5158
–5190
(2010
).43.
S.
Men
, K. R. J.
Lovelock
, and P.
Licence
, Phys. Chem. Chem. Phys.
13
, 15244
–15255
(2011
).44.
B. B.
Hurisso
, K. R. J.
Lovelock
, and P.
Licence
, Phys. Chem. Chem. Phys.
13
, 17737
–17748
(2011
).45.
I. J.
Villar-Garcia
, K. R. J.
Lovelock
, S.
Men
, and P.
Licence
, Chem. Sci.
5
, 2573
–2579
(2014
).46.
R. K.
Blundell
and P.
Licence
, Phys. Chem. Chem. Phys.
16
, 15278
–15288
(2014
).47.
R. K.
Blundell
and P.
Licence
, Chem. Commun.
50
, 12080
–12083
(2014
).48.
S.
Men
, D. S.
Mitchell
, K. R. J.
Lovelock
, and P.
Licence
, ChemPhysChem
16
, 2211
–2218
(2015
).49.
A. R.
Santos
, R. K.
Blundell
, and P.
Licence
, Phys. Chem. Chem. Phys.
17
, 11839
–11847
(2015
).50.
A.
Vairavamurthy
, Spectrochim. Acta, Part A
54
, 2009
–2017
(1998
).51.
F.
Zhang
, P.
Wang
, J.
Koberstein
, S.
Khalid
, and S. W.
Chan
, Surf. Sci.
563
, 74
–82
(2004
).52.
H.
Dau
, P.
Liebisch
, and M.
Haumann
, Anal. Bioanal. Chem.
376
, 562
–583
(2003
).53.
N.
Weiher
, E.
Bus
, L.
Delannoy
, C.
Louis
, D. E.
Ramaker
, J. T.
Miller
, and J. A.
van Bokhoven
, J. Catal.
240
, 100
–107
(2006
).54.
J. D.
Grunwaldt
, M.
Caravati
, and A.
Baiker
, J. Phys. Chem. B
110
, 25586
–25589
(2006
).55.
F.
Jalilehvand
, Chem. Soc. Rev.
35
, 1256
–1268
(2006
).56.
J.
Rigby
and E. I.
Izgorodina
, Phys. Chem. Chem. Phys.
15
, 1632
–1646
(2013
).57.
I. J.
Villar-Garcia
, S.
Fearn
, G. F.
De Gregorio
, N. L.
Ismail
, F. J. V.
Gschwend
, A. J. S.
McIntosh
, and K. R. J.
Lovelock
, Chem. Sci.
5
, 4404
–4418
(2014
).58.
T.
Vander Hoogerstraete
and K.
Binnemans
, Green Chem.
16
, 1594
–1606
(2014
).59.
G. F.
De Gregorio
, C. C.
Weber
, J.
Grasvik
, T.
Welton
, A.
Brandt
, and J. P.
Hallett
, Green Chem.
18
, 5456
–5465
(2016
).60.
C.
Kolbeck
, M.
Killian
, F.
Maier
, N.
Paape
, P.
Wasserscheid
, and H. P.
Steinrück
, Langmuir
24
, 9500
–9507
(2008
).61.
R.
Nyholm
, J. N.
Andersen
, U.
Johansson
, B. N.
Jensen
, and I.
Lindau
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
467
, 520
–524
(2001
).62.
A. D.
Becke
, Phys. Rev. A
38
, 3098
–3100
(1988
).63.
C. T.
Lee
, W. T.
Yang
, and R. G.
Parr
, Phys. Rev. B
37
, 785
–789
(1988
).64.
A. D.
Becke
, J. Chem. Phys.
98
, 5648
–5652
(1993
).65.
R. H.
Hertwig
and W.
Koch
, Chem. Phys. Lett.
268
, 345
–351
(1997
).66.
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. J. A.
Montgomery
, 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, Revision D.01, Gaussian, Inc.
, Wallingford CT
, 2009
.67.
S.
Grimme
, J.
Antony
, S.
Ehrlich
, and H.
Krieg
, J. Chem. Phys.
132
, 154104
(2010
).68.
S.
Grimme
, S.
Ehrlich
, and L.
Goerigk
, J. Comput. Chem.
32
, 1456
–1465
(2011
).69.
A. V.
Marenich
, C. J.
Cramer
, and D. G.
Truhlar
, J. Phys. Chem. B
113
, 6378
–6396
(2009
).70.
V. S.
Bernales
, A. V.
Marenich
, R.
Contreras
, C. J.
Cramer
, and D. G.
Truhlar
, J. Phys. Chem. B
116
, 9122
–9129
(2012
).71.
T. A.
Keith
, AIMAll, TK Gristmill Software, Overland Park KS, 2014
.72.
E. D.
Glendening
, J. K.
Badenhoop
, A. E.
Reed
, J. E.
Carpenter
, J. A.
Bohmann
, C. M.
Morales
, and F.
Weinhold
, NBO 5.0 Program, 2001
.73.
J. K.
Chang
, M. T.
Lee
, W. T.
Tsai
, M. J.
Deng
, H. F.
Cheng
, and I. W.
Sun
, Langmuir
25
, 11955
–11960
(2009
).74.
R. M.
Fogarty
, R. P.
Matthews
, M. T.
Clough
, C. R.
Ashworth
, A.
Brandt-Talbot
, P. J.
Corbett
, R. G.
Palgrave
, R. A.
Bourne
, T. W.
Chamberlain
, T.
Vander Hoogerstraete
, P. B. J.
Thompson
, P. A.
Hunt
, N. A.
Besley
, and K. R. J.
Lovelock
, Phys. Chem. Chem. Phys.
19
, 31156
–31167
(2017
).75.
F.
Rodrigues
, D.
Galante
, G. M.
do Nascimento
, and P. S.
Santos
, J. Phys. Chem. B
116
, 1491
–1498
(2012
).76.
C.
Ehlert
, M.
Holzweber
, A.
Lippitz
, W. E. S.
Unger
, and P.
Saalfrank
, Phys. Chem. Chem. Phys.
18
, 8654
–8661
(2016
).77.
Y.
Horikawa
, T.
Tokushima
, O.
Takahashi
, H.
Hoke
, and T.
Takamuku
, J. Phys. Chem. B
120
, 7480
–7487
(2016
).78.
D.
Weingarth
, I.
Czekaj
, Z. F.
Fei
, A.
Foelske-Schmitz
, P. J.
Dyson
, A.
Wokaun
, and R.
Kotz
, J. Electrochem. Soc.
159
, H611
–H615
(2012
).79.
J. K.
Chang
, M. T.
Lee
, C. W.
Cheng
, W. T.
Tsai
, M. J.
Deng
, Y. C.
Hsieh
, and I. W.
Sun
, J. Mater. Chem.
19
, 3732
–3738
(2009
).80.
O.
Höfft
, S.
Bahr
, M.
Himmerlich
, S.
Krischok
, J. A.
Schaefer
, and V.
Kempter
, Langmuir
22
, 7120
–7123
(2006
).81.
S.
Men
and J.
Jiang
, Chem. Phys. Lett.
677
, 60
–64
(2017
).© 2018 Author(s).
2018
Author(s)
You do not currently have access to this content.
