The infrared (IR) action spectrum of the doubly substituted methyl-ethyl Criegee intermediate (MECI) is observed in the CH stretch overtone region with detection of OH products. The MECI exhibits four conformers, all of which undergo unimolecular decay via a 1,4 H-atom transfer mechanism, followed by the rapid release of OH products. Conformers with different orientations of the carbonyl oxide group with respect to the methyl and ethyl substituents (i.e., anti and syn) decay via distinct transition state barriers (16.1 kcal mol−1 and 15.4 kcal mol−1, respectively). The observed IR action spectrum is in good agreement with the predicted anharmonic IR absorption spectrum, but exhibits significant congestion, which is attributed to couplings between spectroscopic bright states and nearby dark states. Energy-dependent OH appearance rates are measured upon IR excitation of the strongest features in the IR action spectrum and are found to be on the order of 106–107 s−1. The experimental rates are in good agreement with computed Rice–Ramsperger–Kassel–Marcus rates for the unimolecular decay of MECI at these energies, which incorporate quantum mechanical tunneling and sophisticated hindered rotor treatments, as well as high-level theoretical calculations of the TS barrier heights, rovibrational properties, and torsional barriers associated with the MECI conformers. Master equation modeling is used to predict thermal rates for the unimolecular decay of anti- and syn-MECI of 473 s−1 and 660 s−1, respectively. Comparison with other previously studied Criegee intermediate systems provides insights into substituent effects on unimolecular decay under both energy-dependent and thermal conditions.

1.
D.
Johnson
and
G.
Marston
,
Chem. Soc. Rev.
37
,
699
(
2008
).
2.
K.
Sindelarova
,
C.
Granier
,
I.
Bouarar
,
A.
Guenther
,
S.
Tilmes
,
T.
Stavrakou
,
J. F.
Müller
,
U.
Kuhn
,
P.
Stefani
, and
W.
Knorr
,
Atmos. Chem. Phys.
14
,
9317
(
2014
).
3.
R. M.
Harrison
,
J.
Yin
,
R. M.
Tilling
,
X.
Cai
,
P. W.
Seakins
,
J. R.
Hopkins
,
D. L.
Lansley
,
A. C.
Lewis
,
M. C.
Hunter
,
D. E.
Heard
,
L. J.
Carpenter
,
D. J.
Creasey
,
J. D.
Lee
,
M. J.
Pilling
,
N.
Carslaw
,
K. M.
Emmerson
,
A.
Redington
,
R. G.
Derwent
,
D.
Ryall
,
G.
Mills
, and
S. A.
Penkett
,
Sci. Total Environ.
360
,
5
(
2006
).
4.
K. M.
Emmerson
,
N.
Carslaw
,
D. C.
Carslaw
,
J. D.
Lee
,
G.
McFiggans
,
W. J.
Bloss
,
T.
Gravestock
,
D. E.
Heard
,
J.
Hopkins
,
T.
Ingham
,
M. J.
Pilling
,
S. C.
Smith
,
M.
Jacob
, and
P. S.
Monks
,
Atmos. Chem. Phys.
7
,
167
(
2007
).
5.
Y. F.
Elshorbany
,
R.
Kurtenbach
,
P.
Wiesen
,
E.
Lissi
,
M.
Rubio
,
G.
Villena
,
E.
Gramsch
,
A. R.
Rickard
,
M. J.
Pilling
, and
J.
Kleffmann
,
Atmos. Chem. Phys.
9
,
2257
(
2009
).
6.
C. A.
Taatjes
,
D. E.
Shallcross
, and
C. J.
Percival
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
1704
(
2014
).
7.
M. A. H.
Khan
,
C. J.
Percival
,
R. L.
Caravan
,
C. A.
Taatjes
, and
D. E.
Shallcross
,
Environ. Sci.: Processes Impacts
20
,
437
(
2018
).
8.
J. H.
Kroll
,
S. R.
Sahay
,
J. G.
Anderson
,
K. L.
Demerjian
, and
N. M.
Donahue
,
J. Phys. Chem. A
105
,
4446
(
2001
).
9.
J. H.
Kroll
,
T. F.
Hanisco
,
N. M.
Donahue
,
K. L.
Demerjian
, and
J. G.
Anderson
,
Geophys. Res. Lett.
28
,
3863
, (
2001
).
10.
N. M.
Donahue
,
G. T.
Drozd
,
S. A.
Epstein
,
A. A.
Presto
, and
J. H.
Kroll
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
10848
(
2011
).
11.
L.
Vereecken
,
A.
Novelli
, and
D.
Taraborrelli
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
31599
(
2017
).
12.
R. L.
Mauldin
 III
,
T.
Berndt
,
M.
Sipilä
,
P.
Paasonen
,
T.
Petäjä
,
S.
Kim
,
T.
Kurtén
,
F.
Stratmann
,
V. M.
Kerminen
, and
M.
Kulmala
,
Nature
488
,
193
(
2012
).
13.
J. P.
Hakala
and
N. M.
Donahue
,
J. Phys. Chem. A
120
,
2173
(
2016
).
14.
W.
Chao
,
J.-T.
Hsieh
,
C.-H.
Chang
, and
J. J.-M.
Lin
,
Science
347
,
751
(
2015
).
15.
H.-L.
Huang
,
W.
Chao
, and
J. J.-M.
Lin
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
,
10857
(
2015
).
16.
L.-C.
Lin
,
H.-T.
Chang
,
C.-H.
Chang
,
W.
Chao
,
M. C.
Smith
,
C.-H.
Chang
,
J.
Jr-Min Lin
, and
K.
Takahashi
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
4557
(
2016
).
17.
T. R.
Lewis
,
M. A.
Blitz
,
D. E.
Heard
, and
P. W.
Seakins
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
4859
(
2015
).
18.
O.
Welz
,
J. D.
Savee
,
D. L.
Osborn
,
S. S.
Vasu
,
C. J.
Percival
,
D. E.
Shallcross
, and
C. A.
Taatjes
,
Science
335
,
204
(
2012
).
19.
C. A.
Taatjes
,
O.
Welz
,
A. J.
Eskola
,
J. D.
Savee
,
A. M.
Scheer
,
D. E.
Shallcross
,
B.
Rotavera
,
E. P. F.
Lee
,
J. M.
Dyke
,
D. K. W.
Mok
,
D. L.
Osborn
, and
C. J.
Percival
,
Science
340
,
177
(
2013
).
20.
L.
Vereecken
and
H.
Nguyen
,
Int. J. Chem. Kinet.
49
,
752
(
2017
).
21.
R. L.
Caravan
,
M. A. H.
Khan
,
B.
Rotavera
,
E.
Papajak
,
I. O.
Antonov
,
M.-W.
Chen
,
K.
Au
,
W.
Chao
,
D. L.
Osborn
, and
C. J.
Percival
,
Faraday Discuss.
200
,
313
(
2017
).
22.
B.
Ouyang
,
M. W.
McLeod
,
R. L.
Jones
, and
W. J.
Bloss
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
17070
(
2013
).
23.
Y.
Liu
,
K. D.
Bayes
, and
S. P.
Sander
,
J. Phys. Chem. A
118
,
741
(
2014
).
24.
L.
Sheps
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
4201
(
2013
).
25.
R.
Chhantyal-Pun
,
O.
Welz
,
J. D.
Savee
,
A. J.
Eskola
,
E. P. F.
Lee
,
L.
Blacker
,
H. R.
Hill
,
M.
Ashcroft
,
M. A. H.
Khan
,
G. C.
Lloyd-Jones
,
L.
Evans
,
B.
Rotavera
,
H.
Huang
,
D. L.
Osborn
,
D. K. W.
Mok
,
J. M.
Dyke
,
D. E.
Shallcross
,
C. J.
Percival
,
A. J.
Orr-Ewing
, and
C. A.
Taatjes
,
J. Phys. Chem. A
121
,
4
(
2017
).
26.
T. F.
Mentel
,
M.
Springer
,
M.
Ehn
,
E.
Kleist
,
I.
Pullinen
,
T.
Kurtén
,
M.
Rissanen
,
A.
Wahner
, and
J.
Wildt
,
Atmos. Chem. Phys.
15
,
6745
(
2015
).
27.
C. J.
Percival
,
O.
Welz
,
A. J.
Eskola
,
J. D.
Savee
,
D. L.
Osborn
,
D. O.
Topping
,
D.
Lowe
,
S. R.
Utembe
,
A.
Bacak
,
G.
McFiggans
,
M. C.
Cooke
,
P.
Xiao
,
A. T.
Archibald
,
M. E.
Jenkin
,
R. G.
Derwent
,
I.
Riipinen
,
D. W. K.
Mok
,
E. P. F.
Lee
,
J. M.
Dyke
,
C. A.
Taatjes
, and
D. E.
Shallcross
,
Faraday Discuss.
165
,
45
(
2013
).
28.
L.
Vereecken
and
J. S.
Francisco
,
Chem. Soc. Rev.
41
,
6259
(
2012
).
29.
F.
Liu
,
J. M.
Beames
, and
M. I.
Lester
,
J. Chem. Phys.
141
,
234312
(
2014
).
30.
F.
Liu
,
J. M.
Beames
,
A. S.
Petit
,
A. B.
McCoy
, and
M. I.
Lester
,
Science
345
,
1596
(
2014
).
31.
V. P.
Barber
,
S.
Pandit
,
A. M.
Green
,
N.
Trongsiriwat
,
P. J.
Walsh
,
S. J.
Klippenstein
, and
M. I.
Lester
,
J. Am. Chem. Soc.
140
,
10866
(
2018
).
32.
K. T.
Kuwata
,
L. C.
Valin
, and
A. D.
Converse
,
J. Phys. Chem. A
109
,
10710
(
2005
).
33.
K. T.
Kuwata
and
L. C.
Valin
,
Chem. Phys. Lett.
451
,
186
(
2008
).
34.
B.
Long
,
J. L.
Bao
, and
D. G.
Truhlar
,
Nat. Commun.
10
(
1
),
2003
(
2019
).
35.
G. T.
Drozd
,
T.
Kurten
,
N. M.
Donahue
, and
M. I.
Lester
,
J. Phys. Chem. A
121
,
6036
(
2017
).
36.
Y.
Fang
,
F.
Liu
,
V. P.
Barber
,
S. J.
Klippenstein
,
A. B.
McCoy
, and
M. I.
Lester
,
J. Chem. Phys.
145
,
234308
(
2016
).
37.
Y.
Fang
,
F.
Liu
,
V. P.
Barber
,
S. J.
Klippenstein
,
A. B.
McCoy
, and
M. I.
Lester
,
J. Chem. Phys.
144
,
061102
(
2016
).
38.
Y.
Fang
,
F.
Liu
,
S. J.
Klippenstein
, and
M. I.
Lester
,
J. Chem. Phys.
145
,
044312
(
2016
).
39.
Y.
Fang
,
V. P.
Barber
,
S. J.
Klippenstein
,
A. B.
McCoy
, and
M. I.
Lester
,
J. Chem. Phys.
146
,
134307
(
2017
).
40.
V. P.
Barber
,
S.
Pandit
,
V. J.
Esposito
,
A. B.
McCoy
, and
M. I.
Lester
,
J. Phys. Chem. A
123
,
2559
(
2019
).
41.
M.
Nakajima
and
Y.
Endo
,
J. Chem. Phys.
140
,
011101
(
2014
).
42.
C.
Cabezas
,
J.-C.
Guillemin
, and
Y.
Endo
,
J. Chem. Phys.
145
,
224314
(
2016
).
43.
C.
Cabezas
,
J.-C.
Guillemin
, and
Y.
Endo
,
J. Chem. Phys.
146
,
174304
(
2017
).
44.
M.
Nakajima
and
Y.
Endo
,
J. Chem. Phys.
139
,
101103
(
2013
).
45.
M.
Nakajima
and
Y.
Endo
,
J. Chem. Phys.
145
,
244307
(
2016
).
46.
M.
Nakajima
,
Q.
Yue
, and
Y.
Endo
,
J. Mol. Spectrosc.
310
,
109
(
2015
).
47.
J. M.
Beames
,
F.
Liu
,
L.
Lu
, and
M. I.
Lester
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
20045
(
2012
).
48.
J. M.
Beames
,
F.
Liu
,
L.
Lu
, and
M. I.
Lester
,
J. Chem. Phys.
138
,
244307
(
2013
).
49.
L.
Sheps
,
A. M.
Scully
, and
K.
Au
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
26701
(
2014
).
50.
Y.-P.
Chang
,
C.-H.
Chang
,
K.
Takahashi
, and
J. J.-M.
Lin
,
Chem. Phys. Lett.
653
,
155
(
2016
).
51.
F.
Liu
,
J. M.
Beames
,
A. M.
Green
, and
M. I.
Lester
,
J. Phys. Chem. A
118
,
2298
(
2014
).
52.
M. F.
Vansco
,
B.
Marchetti
, and
M. I.
Lester
,
J. Chem. Phys.
149
,
244309
(
2018
).
53.
M. F.
Vansco
,
B.
Marchetti
,
N.
Trongsiriwat
,
T.
Bhagde
,
G.
Wang
,
P. J.
Walsh
,
S. J.
Klippenstein
, and
M. I.
Lester
,
J. Am. Chem. Soc.
141
,
15058
(
2019
).
54.
A. M.
Green
,
V. P.
Barber
,
Y.
Fang
,
S. J.
Klippenstein
, and
M. I.
Lester
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
,
12372
(
2017
).
55.
M. I.
Lester
and
S. J.
Klippenstein
,
Acc. Chem. Res.
51
,
978
(
2018
).
56.
T. A.
Stephenson
and
M. I.
Lester
,
Int. Rev. Phys. Chem.
39
,
1
(
2020
).
57.
C.
Cabezas
,
I.
Kleiner
,
M.
Carvajal
, and
Y.
Endo
,
J. Mol. Spectrosc.
353
,
23
(
2018
).
58.
E. C.
Friedrich
,
S. N.
Falling
, and
D. E.
Lyons
,
Synth. Commun.
5
,
33
(
1975
).
59.
A. M.
Green
, “
Spectroscopic investigation of atmospherically significant Criegee intermediates and hydroxyl radicals
,” Ph.D. dissertation (
University of Pennsylvania
,
Philadelphia, PA
,
2017
).
60.
A.
Pross
and
S.
Sternhell
,
Aust. J. Chem.
23
,
989
(
1970
).
61.
S. J.
Klippenstein
,
L. B.
Harding
, and
B.
Ruscic
,
J. Phys. Chem. A
121
,
6580
(
2017
).
62.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
X.
Li
,
M.
Caricato
,
A. V.
Marenich
,
J.
Bloino
,
B. G.
Janesko
,
R.
Gomperts
,
B.
Mennucci
,
H. P.
Hratchian
,
J. V.
Ortiz
,
A. F.
Izmaylov
,
J. L.
Sonnenberg
,
D.
Williams-Young
,
F.
Ding
,
F.
Lipparini
,
F.
Egidi
,
J.
Goings
,
B.
Peng
,
A.
Petrone
,
T.
Henderson
,
D.
Ranasinghe
,
V. G.
Zakrzewski
,
J.
Gao
,
N.
Rega
,
G.
Zheng
,
W.
Liang
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
K.
Throssell
,
J. A.
Montgomery
, Jr.
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M. J.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E. N.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
T. A.
Keith
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
A. P.
Rendell
,
J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
J. M.
Millam
,
M.
Klene
,
C.
Adamo
,
R.
Cammi
,
J. W.
Ochterski
,
R. L.
Martin
,
K.
Morokuma
,
O.
Farkas
,
J. B.
Foresman
, and
D. J.
Fox
, Gaussian 16, Revision A.03,
Wallingford, CT
,
2016
.
63.
J.
Towns
,
T.
Cockerill
,
M.
Dahan
,
I.
Foster
,
K.
Gaither
,
A.
Grimshaw
,
V.
Hazlewood
,
S.
Lathrop
,
D.
Lifka
,
G. D.
Peterson
,
R.
Roskies
,
J. R.
Scott
, and
N.
Wilkins-Diehr
,
Comput. Sci. Eng.
16
,
62
(
2014
).
64.
J. R.
Barker
,
T. L.
Nguyen
,
J. F.
Stanton
,
C.
Aieta
,
M.
Ceotto
,
F.
Gabas
,
T. J. D.
Kumar
,
C. G. L.
Li
,
L. L.
Lohr
,
A.
Maranzana
,
N. F.
Ortiz
,
J. M.
Preses
,
J. M.
Simmie
,
J. A.
Sonk
, and
P. J.
Stimac
, Multiwell 2019 Software Suite,
University of Michigan
,
Ann Arbor, Michigan, USA
,
2019
, http://clasp-research.engin.umich.edu/multiwell/.
65.
Y.
Georgievskii
,
J. A.
Miller
,
M. P.
Burke
, and
S. J.
Klippenstein
,
J. Phys. Chem. A
117
,
12146
(
2013
).
66.
K. S.
Pitzer
,
J. Chem. Phys.
14
,
239
(
1946
).
67.
T.
Baer
and
W. L.
Hase
,
Unimolecular Reaction Dynamics Theory and Experiments
(
Oxford University Press
,
New York
,
1996
).
68.
P.
Hobza
and
Z.
Havlas
,
Chem. Rev.
100
,
4253
(
2000
).
69.
D. J.
Nesbitt
and
R. W.
Field
,
J. Phys. Chem.
100
,
12735
(
1996
).
70.
C. G.
Elles
and
F. F.
Crim
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
57
,
273
(
2006
).
71.
K. T.
Kuwata
,
M. R.
Hermes
,
M. J.
Carlson
, and
C. K.
Zogg
,
J. Phys. Chem. A
114
,
9192
(
2010
).
72.
M. C.
Smith
,
W.-L.
Ting
,
C.-H.
Chang
,
K.
Takahashi
,
K. A.
Boering
, and
J. J.-M.
Lin
,
J. Chem. Phys.
141
,
074302
(
2014
).
73.
R. L.
Caravan
,
M. F.
Vansco
,
K.
Au
,
M. A. H.
Khan
,
Y.-L.
Li
,
F. A. F.
Winiberg
,
K.
Zuraski
,
Y.-H.
Lin
,
W.
Chao
,
N.
Trongsiriwat
,
P. J.
Walsh
,
D. L.
Osborn
,
C. J.
Percival
,
J. J.-M.
Lin
,
D. E.
Shallcross
,
L.
Sheps
,
S. J.
Klippenstein
,
C. A.
Taatjes
, and
M. I.
Lester
, “
First direct kinetic measurements and theoretical predictions of an isoprene-derived Criegee intermediate
,”
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
(unpublished) (
2020
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.