Ionic liquids raise interesting but complicated questions for theoretical investigations due to the fact that a number of different inter-molecular interactions, e.g., hydrogen bonding, long-range Coulomb interactions, and dispersion interactions, need to be described properly. Here, we present a detailed study on the ionic liquids ethylammonium nitrate and 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate, in which we compare different dispersion corrected density functional approximations to accurate local coupled cluster data in static calculations on ionic liquid clusters. The efficient new composite method B97-3c is tested and has been implemented in CP2K for future studies. Furthermore, tight-binding based approaches which may be used in large scale simulations are assessed. Subsequently, ab initio as well as classical molecular dynamics simulations are conducted and structural analyses are presented in order to shed light on the different short- and long-range structural patterns depending on the method and the system size considered in the simulation. Our results indicate the presence of strong hydrogen bonds in ionic liquids as well as the aggregation of alkyl side chains due to dispersion interactions.

1.
C. A.
Angell
,
Y.
Ansari
, and
Z.
Zhao
,
Faraday Discuss.
154
,
9
(
2012
).
2.
H.
Olivier-Bourbigou
,
L.
Magna
, and
D.
Morvan
,
Appl. Catal., A
373
,
1
(
2010
).
3.
N. V.
Plechkova
and
K. R.
Seddon
,
Chem. Soc. Rev.
37
,
123
(
2008
).
4.
H.
Weingärtner
,
Angew. Chem. Int. Ed.
47
,
654
(
2008
).
5.
H.
Zhao
,
S.
Xia
, and
P.
Ma
,
J. Chem. Technol. Biotechnol.
80
,
1089
(
2005
).
6.
P.
Wasserscheid
and
T.
Welton
,
Ionic Liquids in Synthesis
(
John Wiley & Sons
,
2008
).
7.
S.
Zhang
,
N.
Sun
,
X.
He
,
X.
Lu
, and
X.
Zhang
,
J. Phys. Chem. Ref. Data
35
,
1475
(
2006
).
8.
V.
Borgel
,
E.
Markevich
,
D.
Aurbach
,
G.
Semrau
, and
M.
Schmidt
,
J. Power Sources
189
,
331
(
2009
).
9.
P.
Simon
and
Y.
Gogotsi
,
Nat. Mater.
7
,
845
(
2008
).
10.
R. F.
De Souza
,
J. C.
Padilha
,
R. S.
Gonçalves
, and
J.
Dupont
,
Electrochem. Commun.
5
,
728
(
2003
).
11.
A. P.
Abbott
and
K. J.
McKenzie
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
8
,
4265
(
2006
).
12.
M.
Freemantle
,
Chem. Eng. News
78
,
37
(
2000
).
13.
I.
Newington
,
J. M.
Perez-Arlandis
, and
T.
Welton
,
Org. Lett.
9
,
5247
(
2007
).
14.
K.
Shimizu
,
C. E.
Bernardes
,
A.
Triolo
, and
J. N. C.
Lopes
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
16256
(
2013
).
15.
O.
Russina
,
A.
Triolo
,
L.
Gontrani
, and
R.
Caminiti
,
J. Phys. Chem. Lett.
3
,
27
(
2011
).
16.
T.
Welton
,
Coord. Chem. Rev.
248
,
2459
(
2004
).
17.
A. P.
De Los Rios
and
F. J. H.
Fernandez
,
Ionic Liquids in Separation Technology
(
Elsevier
,
2014
).
18.
T.
Tsuda
and
C. L.
Hussey
,
Electrochem. Soc. Interface
16
,
42
(
2007
).
19.
B.
Kirchner
,
O.
Hollóczki
,
J. N.
Canongia Lopes
, and
A. A. H.
Pádua
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
5
,
202
(
2014
).
20.
B.
McLean
,
H.
Li
,
R.
Stefanovic
,
R. J.
Wood
,
G. B.
Webber
,
K.
Ueno
,
M.
Watanabe
,
G. G.
Warr
,
A.
Page
, and
R.
Atkin
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
325
(
2015
).
21.
R. D.
Rogers
and
K. R.
Seddon
,
Science
302
,
792
(
2003
).
22.
S.
Zahn
,
F.
Uhlig
,
J.
Thar
,
C.
Spickermann
, and
B.
Kirchner
,
Angew. Chem., Int. Ed.
47
,
3639
(
2008
).
23.
S.
Grimme
,
W.
Hujo
, and
B.
Kirchner
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
4875
(
2012
).
24.
S.
Zahn
and
B.
Kirchner
,
J. Phys. Chem. A
112
,
8430
(
2008
).
25.
C.
Hardacre
,
J. D.
Holbrey
,
M.
Nieuwenhuyzen
, and
T. G.
Youngs
,
Acc. Chem. Res.
40
,
1146
(
2007
).
26.
M.
Macchiagodena
,
L.
Gontrani
,
F.
Ramondo
,
A.
Triolo
, and
R.
Caminiti
,
J. Chem. Phys.
134
,
114521
(
2011
).
27.
C. S.
Santos
,
H. V.
Annapureddy
,
N. S.
Murthy
,
H. K.
Kashyap
,
E. W.
Castner
, Jr.
, and
C. J.
Margulis
,
J. Chem. Phys.
134
,
064501
(
2011
).
28.
M.
Kohagen
,
M.
Brehm
,
Y.
Lingscheid
,
R.
Giernoth
,
J.
Sangoro
,
F.
Kremer
,
S.
Naumov
,
C.
Iacob
,
J.
Kärger
,
R.
Valiullin
, and
B.
Kirchner
,
J. Phys. Chem. B
115
,
15280
(
2011
).
29.
L.
Gontrani
,
O.
Russina
,
F. L.
Celso
,
R.
Caminiti
,
G.
Annat
, and
A.
Triolo
,
J. Phys. Chem. B
113
,
9235
(
2009
).
30.
M.
Brehm
,
H.
Weber
,
M.
Thomas
,
O.
Hollóczki
, and
B.
Kirchner
,
ChemPhysChem
16
,
3271
(
2015
).
31.
H. V.
Annapureddy
,
H. K.
Kashyap
,
P. M.
De Biase
, and
C. J.
Margulis
,
J. Phys. Chem. B
114
,
16838
(
2010
).
32.
H. K.
Kashyap
,
C. S.
Santos
,
H. V.
Annapureddy
,
N. S.
Murthy
,
C. J.
Margulis
, and
E. W.
Castner
, Jr.
,
Faraday Discuss.
154
,
133
(
2012
).
33.
H. K.
Kashyap
,
J. J.
Hettige
,
H. V.
Annapureddy
, and
C. J.
Margulis
,
Chem. Commun.
48
,
5103
(
2012
).
34.
S.
Saha
,
S.
Hayashi
,
A.
Kobayashi
, and
H.-o.
Hamaguchi
,
Chem. Lett.
32
,
740
(
2003
).
35.
Y.
Umebayashi
,
T.
Fujimori
,
T.
Sukizaki
,
M.
Asada
,
K.
Fujii
,
R.
Kanzaki
, and
S.-i.
Ishiguro
,
J. Phys. Chem. A
109
,
8976
(
2005
).
36.
K.
Fujii
,
T.
Fujimori
,
T.
Takamuku
,
R.
Kanzaki
,
Y.
Umebayashi
, and
S.-i.
Ishiguro
,
J. Phys. Chem. B
110
,
8179
(
2006
).
37.
M.
Deetlefs
,
C.
Hardacre
,
M.
Nieuwenhuyzen
,
A. A.
Padua
,
O.
Sheppard
, and
A. K.
Soper
,
J. Phys. Chem. B
110
,
12055
(
2006
).
38.
M.
Herstedt
,
W.
Henderson
,
M.
Smirnov
,
L.
Ducasse
,
L.
Servant
,
D.
Talaga
, and
J.-C.
Lassègues
,
J. Mol. Struct.
783
,
145
(
2006
).
39.
M.
Herstedt
,
M.
Smirnov
,
P.
Johansson
,
M.
Chami
,
J.
Grondin
,
L.
Servant
, and
J.
Lassegues
,
J. Raman Spectrosc.
36
,
762
(
2005
).
40.
C. S.
Consorti
,
P. A.
Suarez
,
R. F.
de Souza
,
R. A.
Burrow
,
D. H.
Farrar
,
A. J.
Lough
,
W.
Loh
,
L. H.
da Silva
, and
J.
Dupont
,
J. Phys. Chem. B
109
,
4341
(
2005
).
41.
C.
Hardacre
,
J. D.
Holbrey
,
S. J.
McMath
,
D. T.
Bowron
, and
A. K.
Soper
,
J. Chem. Phys.
118
,
273
(
2003
).
42.
D.
Bowron
,
C.
D’Agostino
,
L.
Gladden
,
C.
Hardacre
,
J.
Holbrey
,
M.
Lagunas
,
J.
McGregor
,
M.
Mantle
,
C.
Mullan
, and
T.
Youngs
,
J. Phys. Chem. B
114
,
7760
(
2010
).
43.
K. M.
Docherty
and
C. F.
Kulpa
, Jr.
,
Green Chem.
7
,
185
(
2005
).
44.
C.
Pretti
,
C.
Chiappe
,
D.
Pieraccini
,
M.
Gregori
,
F.
Abramo
,
G.
Monni
, and
L.
Intorre
,
Green Chem.
8
,
238
(
2006
).
45.
R. P.
Swatloski
,
J. D.
Holbrey
, and
R. D.
Rogers
,
Green Chem.
5
,
361
(
2003
).
46.
B.
Kirchner
, in
Ionic Liquids
(
Springer
,
2008
), pp.
213
262
.
47.
W.
Zheng
,
A.
Mohammed
,
L. G.
Hines
, Jr.
,
D.
Xiao
,
O. J.
Martinez
,
R. A.
Bartsch
,
S. L.
Simon
,
O.
Russina
,
A.
Triolo
, and
E. L.
Quitevis
,
J. Phys. Chem. B
115
,
6572
(
2011
).
48.
A. A.
Pádua
,
M. F.
Costa Gomes
, and
J. N.
Canongia Lopes
,
Acc. Chem. Res.
40
,
1087
(
2007
).
49.
M. G.
Del Popolo
,
J.
Kohanoff
,
R. M.
Lynden-Bell
, and
C.
Pinilla
,
Acc. Chem. Res.
40
,
1156
(
2007
).
50.
O.
Borodin
,
G. D.
Smith
, and
W.
Henderson
,
J. Phys. Chem. B
110
,
16879
(
2006
).
51.
L. J.
Hardwick
,
M.
Holzapfel
,
A.
Wokaun
, and
P.
Novák
,
J. Raman Spectrosc.
38
,
110
(
2007
).
52.
M.
Tuckerman
,
K.
Laasonen
,
M.
Sprik
, and
M.
Parrinello
,
J. Chem. Phys.
103
,
150
(
1995
).
53.
M.
Sprik
,
J.
Hutter
, and
M.
Parrinello
,
J. Chem. Phys.
105
,
1142
(
1996
).
54.
D.
Marx
and
J.
Hutter
,
Ab Initio Molecular Dynamics: Basic Theory and Advanced Methods
(
Cambridge University Press
,
2009
).
55.
M.
Iannuzzi
,
A.
Laio
, and
M.
Parrinello
,
Phys. Rev. Lett.
90
,
238302
(
2003
).
56.
B.
Kirchner
and
J.
Vrabec
,
Multiscale Molecular Methods in Applied Chemistry
(
Springer Science & Business Media
,
2012
), Vol. 307.
57.
B.
Kirchner
,
P. J.
di Dio
, and
J.
Hutter
, in
Multiscale Molecular Methods in Applied Chemistry
, Topics in Current Chemistry Vol. 307, edited by
B.
Kirchner
and
J.
Vrabec
(
Springer Berlin Heidelberg
,
2012
), pp.
109
153
.
58.
M.
Bühl
,
A.
Chaumont
,
R.
Schurhammer
, and
G.
Wipff
,
J. Phys. Chem. B
109
,
18591
(
2005
).
59.
B.
Bhargava
and
S.
Balasubramanian
,
Chem. Phys. Lett.
417
,
486
(
2006
).
60.
B.
Bhargava
and
S.
Balasubramanian
,
J. Chem. Phys.
127
,
114510
(
2007
).
61.
M. H.
Ghatee
and
Y.
Ansari
,
J. Chem. Phys.
126
,
154502
(
2007
).
62.
R.
Ludwig
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
10
,
4333
(
2008
).
63.
S. B. C.
Lehmann
,
M.
Roatsch
,
M.
Schöppke
, and
B.
Kirchner
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
7473
(
2010
).
64.
E. I.
Izgorodina
,
U. L.
Bernard
, and
D. R.
MacFarlane
,
J. Phys. Chem. A
113
,
7064
(
2009
).
65.
J.
Kohanoff
,
C.
Pinilla
,
T. G.
Youngs
,
E.
Artacho
, and
J. M.
Soler
,
J. Chem. Phys.
135
,
154505
(
2011
).
66.
Y.
Zhang
and
W.
Yang
,
J. Chem. Phys.
109
,
2604
(
1998
).
67.
S.
Grimme
,
J.
Antony
,
S.
Ehrlich
, and
H.
Krieg
,
J. Chem. Phys.
132
,
154104
(
2010
).
68.
T.
Bally
and
G. N.
Sastry
,
J. Phys. Chem. A
101
,
7923
(
1997
).
69.
K.
Karu
,
M.
Mišin
,
H.
Ers
,
J.
Sun
, and
V.
Ivaništšev
, “
Performance of SCAN density functional for a set of ionic liquid ion pairs
,”
Int. J. Quant. Chem.
(published online).
70.
S.
Grimme
,
C.
Bannwarth
, and
P.
Shushkov
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
1989
(
2017
).
71.
S.
Grimme
,
C.
Bannwarth
,
E.
Caldeweyher
,
J.
Pisarek
, and
A.
Hansen
,
J. Chem. Phys.
147
,
161708
(
2017
).
72.
C.
Riplinger
,
B.
Sandhoefer
,
A.
Hansen
, and
F.
Neese
,
J. Chem. Phys.
139
,
134101
(
2013
).
73.
C.
Riplinger
,
P.
Pinski
,
U.
Becker
,
E. F.
Valeev
, and
F.
Neese
,
J. Chem. Phys.
144
,
024109
(
2016
).
74.
F.
Neese
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
2
,
73
(
2012
).
75.
F.
Pavošević
,
C.
Peng
,
P.
Pinski
,
C.
Riplinger
,
F.
Neese
, and
E. F.
Valeev
,
J. Chem. Phys.
146
,
174108
(
2017
).
76.
R. A.
Kendall
,
T. H.
Dunning
, Jr.
, and
R. J.
Harrison
,
J. Chem. Phys.
96
,
6796
(
1992
).
77.
D. E.
Woon
and
T. H.
Dunning
, Jr.
,
J. Chem. Phys.
98
,
1358
(
1993
).
78.
F.
Weigend
,
A.
Köhn
, and
C.
Hättig
,
J. Chem. Phys.
116
,
3175
(
2002
).
79.
S.
Boys
and
F.
Bernardi
,
Mol. Phys.
19
,
553
(
1970
).
80.
S.
Grimme
,
J. G.
Brandenburg
,
C.
Bannwarth
, and
A.
Hansen
,
J. Chem. Phys.
143
,
054107
(
2015
).
81.
S.
Grimme
,
S.
Ehrlich
, and
L.
Goerigk
,
J. Comput. Chem.
32
,
1456
(
2011
).
82.
B. M.
Axilrod
and
E.
Teller
,
J. Chem. Phys.
11
,
299
(
1943
).
83.
Y.
Muto
,
Proc. Phys. Math. Soc. Jpn.
17
,
629
631
(
1943
).
84.
H.
Kruse
and
S.
Grimme
,
J. Chem. Phys.
136
,
154101
(
2012
).
85.
The CP2K Developers Group
, Cp2k version 2.7 (development version),
2015
. CP2K is freely available from http://www.cp2k.org/.
86.
J.
Hutter
,
M.
Iannuzzi
,
F.
Schiffmann
, and
J.
VandeVondele
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
4
,
15
(
2014
).
87.
A. D.
Becke
,
Phys. Rev. A
38
,
3098
(
1988
).
88.
C.
Lee
,
W.
Yang
, and
R. G.
Parr
,
Phys. Rev. B
37
,
785
(
1988
).
89.
J. P.
Perdew
and
W.
Yue
,
Phys. Rev. B
33
,
8800
(
1986
).
90.
A. D.
Boese
,
N. L.
Doltsinis
,
N. C.
Handy
, and
M.
Sprik
,
J. Chem. Phys.
112
,
1670
(
2000
).
91.
N. C.
Handy
and
A. J.
Cohen
,
Mol. Phys.
99
,
403
(
2001
).
92.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
93.
Y.
Zhang
and
W.
Yang
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
890
(
1998
).
94.
S. H.
Vosko
,
L.
Wilk
, and
M.
Nusair
,
Can. J. Phys.
58
,
1200
(
1980
).
95.
J. P.
Perdew
,
M.
Ernzerhof
, and
K.
Burke
,
J. Chem. Phys.
105
,
9982
(
1996
).
96.
C.
Adamo
and
V.
Barone
,
J. Chem. Phys.
110
,
6158
(
1999
).
97.
J.
VandeVondele
,
M.
Krack
,
F.
Mohamed
,
M.
Parrinello
,
T.
Chassaing
, and
J.
Hutter
,
Comput. Phys. Commun.
167
,
103
(
2005
).
98.
M.
Guidon
,
J.
Hutter
, and
J.
VandeVondele
,
J. Chem. Theory Comput.
6
,
2348
(
2010
).
99.
S.
Goedecker
,
M.
Teter
, and
J.
Hutter
,
Phys. Rev. B
54
,
1703
(
1996
).
100.
C.
Hartwigsen
,
S.
Goedecker
, and
J.
Hutter
,
Phys. Rev. B
58
,
3641
(
1998
).
101.
M.
Krack
,
Theor. Chem. Acc.
114
,
145
(
2005
).
102.
J.
VandeVondele
and
J.
Hutter
,
J. Chem. Phys.
127
,
114105
(
2007
).
103.
J.-D.
Chai
and
M.
Head-Gordon
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
10
,
6615
(
2008
).
104.
E. R.
Johnson
and
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
123
,
024101
(
2005
).
105.
M.
Elstner
,
P.
Hobza
,
T.
Frauenheim
,
S.
Suhai
, and
E.
Kaxiras
,
J. Chem. Phys.
114
,
5149
(
2001
).
106.
S.
Grimme
,
A.
Hansen
,
J. G.
Brandenburg
, and
C.
Bannwarth
,
Chem. Rev.
116
,
5105
(
2016
).
107.
J. G.
Brandenburg
,
S.
Grimme
,
C.
Bannwarth
, and
A.
Hansen
,
J. Chem. Phys.
148
,
064104
(
2018
).
108.
P.
Jurečka
,
J.
Šponer
,
J.
Černý
, and
P.
Hobza
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
8
,
1985
(
2006
).
109.
M. S.
Marshall
,
L. A.
Burns
, and
C. D.
Sherrill
,
J. Chem. Phys.
135
,
194102
(
2011
).
110.
S.
Plimpton
,
J. Comput. Phys.
117
,
1
(
1995
).
111.
S.
Plimpton
 et al, Lammps molecular dynamics simulator,
2017
.
112.
J. N.
Canongia Lopes
,
J.
Deschamps
, and
A. A. H.
Pádua
,
J. Phys. Chem. B
108
,
2038
(
2004
).
113.
T.
Zentel
,
V.
Overbeck
,
D.
Michalik
,
O.
Kühn
, and
R.
Ludwig
,
J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys.
51
,
034002
(
2018
).
114.
K.
Fumino
,
A.
Wulf
, and
R.
Ludwig
,
Angew. Chem., Int. Ed.
48
,
3184
(
2009
).
115.
M.
Thomas
,
M.
Brehm
,
O.
Hollóczki
,
Z.
Kelemen
,
L.
Nyulászi
,
T.
Pasinszki
, and
B.
Kirchner
,
J. Chem. Phys.
141
,
024510
(
2014
).
116.
M.
Brehm
and
B.
Kirchner
,
J. Chem. Inf. Model.
51
,
2007
(
2011
).
117.
E.
Bodo
,
S.
Mangialardo
,
F.
Ramondo
,
F.
Ceccacci
, and
P.
Postorino
,
J. Phys. Chem. B
116
,
13878
(
2012
).
118.
L.
Goerigk
,
A.
Hansen
,
C.
Bauer
,
S.
Ehrlich
,
A.
Najibi
, and
S.
Grimme
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
32184
(
2017
).
119.
D. S.
Firaha
,
M.
Thomas
,
O.
Hollóczki
,
M.
Korth
, and
B.
Kirchner
,
J. Chem. Phys.
145
,
204502
(
2016
).
120.
R.
Hayes
,
S.
Imberti
,
G. G.
Warr
, and
R.
Atkin
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
3237
(
2011
).
121.
X.
Song
,
H.
Hamano
,
B.
Minofar
,
R.
Kanzaki
,
K.
Fujii
,
Y.
Kameda
,
S.
Kohara
,
M.
Watanabe
,
S.-i.
Ishiguro
, and
Y.
Umebayashi
,
J. Phys. Chem. B
116
,
2801
(
2012
).
122.
J.-P.
Belieres
and
C. A.
Angell
,
J. Phys. Chem. B
111
,
4926
(
2007
).
123.
O.
Hollóczki
,
M.
Macchiagodena
,
H.
Weber
,
M.
Thomas
,
M.
Brehm
,
A.
Stark
,
O.
Russina
,
A.
Triolo
, and
B.
Kirchner
,
ChemPhysChem
16
,
3325
(
2015
).
124.
L.
Gontrani
,
E.
Bodo
,
A.
Triolo
,
F.
Leonelli
,
P.
D’Angelo
,
V.
Migliorati
, and
R.
Caminiti
,
J. Phys. Chem. B
116
,
13024
(
2012
).
125.
R.
Atkin
and
G. G.
Warr
,
J. Phys. Chem. B
112
,
4164
(
2008
).
126.
O.
Russina
,
M.
Macchiagodena
,
B.
Kirchner
,
A.
Mariani
,
B.
Aoun
,
M.
Russina
,
R.
Caminiti
, and
A.
Triolo
,
J. Non-Cryst. Solids
407
,
333
(
2015
).
127.
S.
Zahn
,
J.
Thar
, and
B.
Kirchner
,
J. Chem. Phys.
132
,
124506
(
2010
).
128.
S.
Zahn
,
K.
Wendler
,
L.
Delle Site
, and
B.
Kirchner
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
15083
(
2011
).
129.
R.
Hayes
,
S.
Imberti
,
G. G.
Warr
, and
R.
Atkin
,
Angew. Chem., Int. Ed.
52
,
4623
(
2013
).
130.
M.
Brehm
,
H.
Weber
,
A. S.
Pensado
,
A.
Stark
, and
B.
Kirchner
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
5030
(
2012
).
131.
M.
Brehm
,
H.
Weber
,
A. S.
Pensado
,
A.
Stark
, and
B.
Kirchner
,
Z. Phys. Chem.
227
,
177
(
2013
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.