The prediction of physicochemical properties of ionic liquids such as conductivity and melting point would substantially aid the targeted design of ionic liquids for specific applications ranging from solvents for extraction of valuable chemicals to biowaste to electrolytes in alternative energy devices. The previously published study connecting the interaction energies of single ion pairs (1 IP) of ionic liquids to their thermodynamic and transport properties has been extended to larger systems consisting of two ion pairs (2 IPs), in which many-body and same-ion interactions are included. Routinely used cations, of the imidazolium and pyrrolidinium families, were selected in the study coupled with chloride, tetrafluoroborate, and dicyanamide. Their two ion pair clusters were subjected to extensive configuration screening to establish most stable structures. Interaction energies of these clusters were calculated at the spin-ratio scaled MP2 (SRS-MP2) level for the correlation interaction energy, and a newly developed scaled Hartree-Fock method for the rest of energetic contributions to interaction energy. A full geometry screening for each cation-anion combination resulted in 192 unique structures, whose stability was assessed using two criteria—widely used interaction energy and total electronic energy. Furthermore, the ratio of interaction energy to its dispersion component was correlated with experimentally observed melting points in 64 energetically favourable structures. These systems were also used to test the correlation of the dispersion contribution to interaction energy with measured conductivity.

1.
S. J.
Andersen
,
J. K. E. T.
Berton
,
P.
Naert
,
S.
Gildemyn
,
K.
Rabaey
, and
C. V.
Stevens
,
ChemSusChem
9
,
2059
2063
(
2016
).
2.
S.
Bhattacharyya
,
A.
Filippov
, and
F.
Shah
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
28617
28625
(
2016
).
3.
N.
Daud
,
E.
Bakis
,
J. P.
Hallett
,
C. C.
Weber
, and
T.
Welton
,
Chem. Commun.
53
,
11154
11156
(
2017
).
4.
G. F.
Gregorio
,
C. C.
Weber
,
J.
Gräsvik
,
T.
Welton
,
A.
Brandt
, and
J. P.
Hallett
,
Green Chem.
18
,
5456
5465
(
2016
).
5.
J. P.
Hallett
and
T.
Welton
,
Chem. Rev.
111
,
3508
3576
(
2011
).
6.
A.
Izgorodin
,
E.
Izgorodina
, and
D. R.
MacFarlane
,
Energy Environ. Sci.
5
,
9496
9501
(
2012
).
7.
S.
Kwon
,
J.
Choi
,
S.
Cho
,
H.
Lee
,
W.
Oh
, and
S.-J.
Choi
,
J. Radioanal. Nucl. Chem.
311
,
1605
1611
(
2016
).
8.
J. V.
Langham
,
R. A.
O’Brien
,
J. H.
Davis
, and
K. N.
West
,
J. Phys. Chem. B
120
,
10524
10530
(
2016
).
9.
T.
Lee
,
S.
Oh
,
T. R.
Gohndrone
,
O.
Morales-Collazo
,
S.
Seo
,
J. F.
Brennecke
, and
W. F.
Schneider
,
J. Phys. Chem. B
120
,
1509
1517
(
2016
).
10.
S.
Menne
,
T.
Vogl
, and
A.
Balducci
,
Chem. Commun.
51
,
3656
3659
(
2015
).
11.
A.
Rout
,
K. A.
Venkatesan
,
T. G.
Srinivasan
, and
V. P. R.
Rao
,
Solvent Extr. Ion Exch.
29
,
602
618
(
2011
).
12.
B.
Kirchner
,
O.
Hollóczki
,
J. N.
Canongia Lopes
, and
A. A. H.
Pádua
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
5
,
202
214
(
2014
).
13.
E. I.
Izgorodina
,
Z. L.
Seeger
,
D. L. A.
Scarborough
, and
S. Y. S.
Tan
,
Chem. Rev.
117
,
6696
6754
(
2017
).
14.
K.
Shimizu
,
A.
Pensado
,
P.
Malfreyt
,
A. A. H.
Pádua
, and
J. N.
Lopes
,
Faraday Discuss.
154
,
155
169
(
2011
).
15.
S.
Lectez
,
J.
Roques
,
M.
Salanne
, and
E.
Simoni
,
J. Chem. Phys.
137
,
154705
(
2012
).
16.
F.
Dommert
,
J.
Schmidt
,
B.
Qiao
,
Y.
Zhao
,
C.
Krekeler
,
L.
Site
,
R.
Berger
, and
C.
Holm
,
J. Chem. Phys.
129
,
224501
(
2008
).
17.
W.
Jiang
,
D. J.
Hardy
,
J. C.
Phillips
,
A. D.
MacKerell
,
K.
Schulten
, and
B.
Roux
,
J. Phys. Chem. Lett.
2
,
87
92
(
2011
).
18.
C.
Merlet
,
M.
Salanne
,
B.
Rotenberg
, and
P. A.
Madden
,
J. Phys. Chem. C
115
,
16613
16618
(
2011
).
19.
T.
Mev́ndez-Morales
,
J.
Carrete
,
O.
Cabeza
,
L. J.
Gallego
, and
L. M.
Varela
,
J. Phys. Chem. B
115
,
6995
7008
(
2011
).
20.
A.
Kandratsenka
,
J.
Schroeder
,
D.
Schwarzer
, and
V. S.
Vikhrenko
,
J. Chem. Phys.
130
,
174507
(
2009
).
21.
A. C. F.
Mendonça
,
A. A. H.
Pádua
, and
P.
Malfreyt
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
1600
1610
(
2013
).
22.
O.
Borodin
,
J. Phys. Chem. B
113
,
11463
11478
(
2009
).
23.
J. C.
Wu
,
J.-P.
Piquemal
,
R.
Chaudret
,
P.
Reinhardt
, and
P.
Ren
,
J. Chem. Theory Comput.
6
,
2059
2070
(
2010
).
24.
K.
Shimizu
and
J. N.
Lopes
,
J. Mol. Liq.
210
,
257
263
(
2015
).
25.
F.
Lipparini
,
L.
Lagardère
,
B.
Stamm
,
E.
Cancès
,
M.
Schnieders
,
P.
Ren
,
Y.
Maday
, and
J.-P.
Piquemal
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
1638
1651
(
2014
).
26.
A.
Dequidt
,
J.
Devémy
, and
A. A. H.
Pádua
,
J. Chem. Inf. Model.
56
,
260
268
(
2016
).
27.
J.-M.
Andanson
,
E.
Bordes
,
J.
Devémy
,
F.
Leroux
,
A. A. H.
Pádua
, and
M. F.
Gomes
,
Green Chem.
16
,
2528
2538
(
2014
).
28.
E. I.
Izgorodina
,
D.
Golze
,
R.
Maganti
, and
V.
Armel
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
7209
7221
(
2013
);
E. I.
Izgorodina
et al,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
7129
(
2014
).
29.
E. I.
Izgorodina
, and
U. L.
Bernard
,
J. Phys. Chem. A
113
,
7064
7072
(
2009
).
30.
S.
Tan
,
S.
Barrera Acevedo
, and
E. I.
Izgorodina
,
J. Chem. Phys.
146
,
064108
(
2017
).
31.
N. V.
Plechkova
and
K. R.
Seddon
,
Chem. Soc. Rev.
37
,
123
150
(
2008
).
32.
C. M.
Gordon
,
J. D.
Holbrey
,
A. R.
Kennedy
, and
K. R.
Seddon
,
J. Mater. Chem.
8
,
2627
2636
(
1998
).
33.
J. D.
Holbrey
and
S.
Seddon
,
J. Chem. Soc., Dalton Trans.
2133
2140
(
1999
).
34.
R. N. D.
Das
and
K.
Roy
,
Mol. Diversity
17
,
151
196
(
2013
).
35.
D. C.
Weis
and
D. R.
MacFarlane
,
Aust. J. Chem.
65
,
1478
1486
(
2012
).
36.
J. O.
Valderrama
,
Ind. Eng. Chem. Res.
53
,
1004
1014
(
2014
).
37.
H. D. B.
Jenkins
,
D.
Tudela
, and
L.
Glasser
,
Inorg. Chem.
41
,
2364
2367
(
2002
).
38.
H. D. B.
Jenkins
,
H. K.
Roobottom
,
J.
Passmore
, and
L.
Glasser
,
Inorg. Chem.
38
,
3609
3620
(
1999
).
39.
A.
Klamt
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
1
,
699
709
(
2011
).
40.
A.
Klamt
,
F.
Eckert
, and
W.
Arlt
,
Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng.
1
,
101
122
(
2010
).
41.
K. E.
Gutowski
,
J. D.
Holbrey
,
R. D.
Rogers
, and
D. D.
Dixon
,
J. Phys. Chem. B
109
,
23196
23208
(
2005
).
42.
U.
Preiss
,
S.
Bulut
, and
I.
Krossing
,
J. Phys. Chem. B
114
,
11133
11140
(
2010
).
43.
P.
Eiden
,
S.
Bulut
,
T.
Köchner
,
C.
Friedrich
,
T.
Schubert
, and
I.
Krossing
,
J. Phys. Chem. B
115
,
300
309
(
2010
).
44.
K.
Dong
,
L.
Zhao
,
Q.
Wang
,
Y.
Song
, and
S.
Zhang
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
6034
6040
(
2013
).
45.
C.
Spickermann
,
S. C.
Lehmann
, and
B.
Kirchner
,
J. Chem. Phys.
128
,
244506
(
2008
).
46.
R.
Ludwig
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
10
,
4333
4339
(
2008
).
47.
V. N.
Emel′yanenko
,
G.
Boeck
,
S. P.
Verevkin
, and
R.
Ludwig
,
Chem. - Eur. J.
20
,
11640
11645
(
2014
).
48.
K.
Fumino
,
T.
Peppel
,
M.
Geppert-Rybczynska
,
D. H.
Zaitsau
,
J. K.
Lehmann
,
S. P.
Verevkin
,
M.
Köckerling
, and
R.
Ludwig
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
14064
14075
(
2011
).
49.
T.
Peppel
,
C.
Roth
,
K.
Fumino
,
P.
Paschek
,
M.
Kockerling
, and
R.
Ludwig
,
Angew. Chem., Int. Ed.
50
,
6661
6665
(
2011
).
50.
F.
Weinhold
,
J. Chem. Phys.
109
,
367
372
(
1998
).
51.
F.
Weinhold
,
J. Chem. Phys.
109
,
373
384
(
1998
).
52.
R.
Ludwig
,
F.
Weinhold
, and
T. C.
Farrar
,
J. Chem. Phys.
102
,
5118
5125
(
1995
).
53.
R.
Ludwig
,
ChemPhysChem
6
,
1376
1380
(
2005
).
54.
R.
Ludwig
,
F.
Weinhold
, and
T. C.
Farrar
,
Ber. Bunsenges. Phys. Chem.
102
,
205
212
(
1998
).
55.
R.
Ludwig
and
F.
Weinhold
,
J. Chem. Phys.
110
,
508
515
(
1999
).
56.
R.
Ludwig
,
F.
Weinhold
, and
T. C.
Farrar
,
Mol. Phys.
97
,
479
486
(
1999
).
57.
R.
Ludwig
,
F.
Weinhold
, and
T. C.
Farrar
,
Mol. Phys.
97
,
465
477
(
1999
).
58.
R.
Ludwig
,
ChemPhysChem
6
,
1369
1375
(
2005
).
59.
R.
Ludwig
,
F.
Weinhold
, and
T. C.
Farrar
,
J. Chem. Phys.
107
,
499
507
(
1997
).
60.
B.
Kirchner
,
J. Chem. Phys.
123
,
204116
(
2005
).
61.
J.
Friedrich
,
E.
Perlt
,
M.
Roatsch
,
C.
Spickermann
, and
B.
Kirchner
,
J. Chem. Theory Comput.
7
,
843
851
(
2011
).
62.
C.
Spickermann
,
E.
Perlt
,
M.
von Domaros
,
M.
Roatsch
,
J.
Friedrich
, and
B.
Kirchner
,
J. Chem. Theory Comput.
7
,
868
887
(
2011
).
63.
K.
Fumino
,
A.
Wulf
, and
R.
Ludwig
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
11
,
8790
8794
(
2009
).
64.
K.
Fumino
,
A.
Wulf
, and
R.
Ludwig
,
Angew. Chem., Int. Ed.
48
,
3184
3186
(
2009
).
65.
K.
Fumino
,
A.
Wulf
, and
R.
Ludwig
,
Angew. Chem., Int. Ed.
47
,
3830
3834
(
2008
).
66.
A.
Wulf
,
K.
Fumino
,
R.
Ludwig
, and
P. F.
Taday
,
ChemPhysChem
11
,
349
353
(
2010
).
67.
K.
Fumino
,
V.
Fossog
,
P.
Stange
,
K.
Wittler
,
W.
Polet
,
R.
Hempelmann
, and
R.
Ludwig
,
ChemPhysChem
15
,
2604
2609
(
2014
).
68.
E. A.
Turner
,
C. C.
Pye
, and
R. D.
Singer
,
J. Phys. Chem. A
107
,
2277
2288
(
2003
).
69.
S.
Zahn
,
G.
Bruns
,
J.
Thar
, and
B.
Kirchner
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
10
,
6921
6924
(
2008
).
70.
E. I.
Izgorodina
,
J.
Rigby
, and
D. R.
MacFarlane
,
Chem. Commun.
48
,
1493
1495
(
2011
).
71.
P.
Halet
,
Z. L.
Seeger
,
S.
Barrera Acevedo
, and
E. I.
Izgorodina
,
J. Phys. Chem. B
121
,
577
588
(
2017
).
72.
K.
Muller-Dethlefs
and
P.
Hobza
,
Chem. Rev.
100
,
143
168
(
2000
).
73.
J.
Rezac
and
P.
Hobza
,
Chem. Rev.
116
,
5038
5071
(
2016
).
74.
J.
Rigby
and
E. I.
Izgorodina
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
1632
1646
(
2012
).
75.
O.
Hollóczki
,
F.
Malberg
,
T.
Welton
, and
B.
Kirchner
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
16880
16890
(
2014
).
76.
P. A.
Hunt
,
J. Phys. Chem. B
111
,
4844
4853
(
2007
).
77.
P. A.
Hunt
,
I. R.
Gould
, and
B.
Kirchner
,
Aust. J. Chem.
60
,
9
14
(
2007
).
78.
D. G.
Fedorov
and
K.
Kitaura
,
Chem. Phys. Lett.
389
,
129
134
(
2004
).
79.
D. G.
Fedorov
,
R. M.
Olson
, and
K.
Kitaura
,
J. Comput. Chem.
25
,
872
880
(
2004
).
80.
J.
Rigby
,
S.
Barrera Acevedo
, and
E. I.
Izgorodina
,
J. Chem. Theory Comput.
11
,
3610
3616
(
2015
).
81.
M. W.
Schmidt
,
K. K.
Baldridge
,
J. A.
Boatz
,
S. T.
Elbert
,
M. S.
Gordon
,
J. H.
Jensen
,
S.
Koseki
,
N.
Matsunaga
,
K. A.
Nguyen
, and
S.
Su
,
J. Comput. Chem.
14
,
1347
1363
(
1993
).
82.
R. M.
Parrish
,
L. A.
Burns
, and
D. G. A.
Smith
,
A. C.
Simmonett
,
A.
DePrince
,
E. G.
Hohenstein
,
U.
Bozkaya
,
A. Y.
Sokolov
,
R. D.
Remigio
,
R. M.
Richard
,
J. F.
Gonthier
,
A. M.
James
,
H. R.
McAlexander
,
A.
Kumar
,
M.
Saitow
,
X.
Wang
,
B. P.
Pritchard
,
P.
Verma
,
H. F.
Schaefer
,
K.
Patkowski
,
R. A.
King
,
E. F.
Valeev
,
F. A.
Evangelista
,
J. M.
Turney
,
T. D.
Crawford
, and
C. D.
Sherrill
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
3185
3197
(
2017
).
83.
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
,
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
,
Farkas
,
J. B.
Foresman
,
J. V.
Ortiz
,
J.
Cioslowski
, and
D. J.
Fox
, gaussian 09, Revision E.01,
Gaussian, Inc.
,
Wallingford, CT
,
2016
.
84.
R. P.
Matthews
,
T.
Welton
, and
P. A.
Hunt
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
3238
3253
(
2014
).
85.
R. P.
Matthews
,
T.
Welton
, and
P. A.
Hunt
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
14437
14453
(
2015
).
86.
R. P.
Matthews
,
C.
Ashworth
,
T.
Welton
, and
P. A.
Hunt
,
J. Phys.: Condens. Matter
26
,
284112
(
2014
).
87.
S.
Grimme
,
J.
Antony
,
S.
Ehrlich
, and
H.
Krieg
,
J. Chem. Phys.
132
,
154104
(
2010
).
88.
S.
Grimme
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
1
,
211
228
(
2011
).
89.
S.
Grimme
,
A.
Hansen
,
J.
Brandenburg
, and
C.
Bannwarth
,
Chem. Rev.
116
,
5105
5154
(
2016
).
90.
S.
Zahn
,
D. R.
MacFarlane
, and
E. I.
Izgorodina
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
13664
13675
(
2013
).
91.
E. I.
Izgorodina
,
D.
Golze
,
R.
Maganti
, and
V.
Armel
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
7209
7221
(
2013
).
92.
J.
Rigby
and
E. I.
Izgorodina
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
3111
3122
(
2014
).
93.
S. F.
Boys
and
F.
Bernardi
,
Mol. Phys.
19
,
553
566
(
2006
).
94.
F.
Jensen
,
J. Chem. Phys.
110
,
6601
6605
(
1999
).
95.
A.
Halkier
,
T.
Helgaker
,
P.
Jorgensen
,
W.
Klopper
, and
J.
Olsen
,
Chem. Phys. Lett.
302
,
437
446
(
1999
).
96.
A.
Karton
and
J. M. L.
Martin
,
Theor. Chem. Acc.
115
,
330
333
(
2006
).
97.
M.
Newville
,
T.
Stensitzki
,
D. B.
Allen
, and
A.
Ingargiola
, LMFIT: Non-Linear Least-Square Minimization and Curve-Fitting for Python (
2014
).
98.
K.
Fumino
,
V.
Fossog
,
P.
Stange
,
D.
Paschek
,
R.
Hempelmann
, and
R.
Ludwig
,
Angew. Chem., Int. Ed.
54
,
2792
2795
(
2015
).
99.
L.
Scarbath-Evers
,
P. A.
Hunt
,
B.
Kirchner
,
D. R.
MacFarlane
, and
S.
Zahn
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
20205
20216
(
2015
).
100.
M.
Levitt
,
J. Mol. Biol.
170
,
723
764
(
1983
).
101.
S.
Erkoc
and
E.
Guneyler
,
Phys. E
8
,
40
49
(
2000
).
102.
A.
Ince
and
S.
Erkoc
,
Comput. Mater. Sci.
50
,
865
870
(
2011
).
103.
B.
Leimkuhler
,
C.
Matthews
,
B.
Leimkuhler
, and
C.
Matthews
,
Molecular Dynamics With Deterministic and Stochastic Numerical Methods
(
Springer
,
2015
), Vol. 39, pp.
211
260
.
104.
E. J.
Maginn
,
Acc. Chem. Res.
40
,
1200
1207
(
2007
).
105.
D. M.
Eike
,
J. F.
Brennecke
, and
E. J.
Maginn
,
Green Chem.
5
,
323
328
(
2003
).
106.
S.
Jayaraman
and
E. J.
Maginn
,
J. Chem. Phys.
127
,
214504
(
2007
).
107.
L.
Glasser
,
Thermochim. Acta
421
,
87
93
(
2004
).
108.
S.
Forsyth
,
J.
Golding
,
D. R.
MacFarlane
, and
M.
Forsyth
,
Electrochim. Acta
46
,
1753
1757
(
2001
).
109.
J.
Golding
,
N.
Hamid
,
D. R.
MacFarlane
,
M.
Forsyth
,
C.
Forsyth
,
C.
Collins
, and
J.
Huang
,
Chem. Mater.
13
,
558
564
(
2001
).
110.
W. A.
Henderson
,
V. G.
Young
,
S.
Passerini
,
P. C.
Trulove
, and
H. C.
DeLong
,
Chem. Mater.
18
,
934
938
(
2006
).
111.
D. R.
MacFarlane
,
P.
Meakin
,
J.
Sun
,
N.
Amini
, and
M.
Forsyth
,
J. Phys. Chem. B
103
,
4164
4170
(
1999
).
112.
T.
Kanatani
,
R.
Ueno
,
K.
Matsumoto
,
T.
Nohira
, and
R.
Hagiwara
,
J. Fluorine Chem.
130
,
979
984
(
2009
).
113.
B. L.
Bhargava
and
S.
Balasubramanian
,
J. Chem. Phys.
123
,
144505
(
2005
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.