The vibrational spectra of gas phase tert-butyl hydroperoxide have been recorded in the OH-stretching fundamental and overtone regions (ΔvOH = 1–5) at room temperature using conventional Fourier transform infrared (ΔvOH = 1–3) and cavity ring-down (ΔvOH = 4–5) spectroscopy. In hydroperoxides, the OH-stretching and COOH torsion vibrations are strongly coupled. The double-well nature of the COOH torsion potential leads to tunneling splitting of the energy levels and, combined with the low frequency of the torsional vibration, results in spectra in the OH-stretching regions with multiple vibrational transitions. In each of the OH-stretching regions, both an OH-stretching and a stretch–torsion combination feature are observed, and we show direct evidence for the tunneling splitting in the OH-stretching fundamental region. We have developed two complementary vibrational models to describe the spectra of the OH-stretching regions, a reaction path model and a reduced dimensional local mode model, both of which describe the features of the vibrational spectra well. We also explore the torsional dependence of the OH-stretching transition dipole moment and show that a Franck–Condon treatment fails to capture the intensity in the region of the stretch–torsion combination features. The accuracy of the Franck–Condon treatment of these features improves with increasing ΔvOH.

1.
P. L.
Hanst
and
B. W.
Gay
,
Atmos. Environ.
17
,
2259
2265
(
1983
).
2.
J. D.
Crounse
,
L. B.
Nielsen
,
S.
Jørgensen
,
H. G.
Kjaergaard
, and
P. O.
Wennberg
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
3513
3520
(
2013
).
3.
B.
Bonn
,
R.
von Kuhlmann
, and
M. G.
Lawrence
,
Geophys. Res. Lett.
31
, (
2004
).
4.
K. S.
Docherty
,
W.
Wu
,
Y. B.
Lim
, and
P. J.
Ziemann
,
Environ. Sci. Technol.
39
,
4049
4059
(
2005
).
5.
F.
Bianchi
,
T.
Kurtén
,
M.
Riva
,
C.
Mohr
,
M. P.
Rissanen
,
P.
Roldin
,
T.
Berndt
,
J. D.
Crounse
,
P. O.
Wennberg
,
T. F.
Mentel
,
J.
Wildt
,
H.
Junninen
,
T.
Jokinen
,
M.
Kulmala
,
D. R.
Worsnop
,
J. A.
Thornton
,
N.
Donahue
,
H. G.
Kjaergaard
, and
M.
Ehn
,
Chem. Rev.
119
,
3472
3509
(
2019
).
6.
E.
Praske
,
R. V.
Otkjær
,
J. D.
Crounse
,
J. C.
Hethcox
,
B. M.
Stoltz
,
H. G.
Kjaergaard
, and
P. O.
Wennberg
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
115
,
64
69
(
2018
).
7.
D.
Fu
,
D. B.
Millet
,
K. C.
Wells
,
V. H.
Payne
,
S.
Yu
,
A.
Guenther
, and
A.
Eldering
,
Nat. Commun.
10
,
3811
(
2019
).
8.
S. S.
Brown
,
Chem. Rev.
103
,
5219
5238
(
2003
).
9.
J. L.
Fry
,
J.
Matthews
,
J. R.
Lane
,
C. M.
Roehl
,
A.
Sinha
,
H. G.
Kjaergaard
, and
P. O.
Wennberg
,
J. Phys. Chem. A
110
,
7072
7079
(
2006
).
10.
K. D.
Closser
,
K. M.
Vogelhuber
, and
S.
Hsieh
,
J. Phys. Chem. A
112
,
1238
1244
(
2008
).
11.
D. W.
Chandler
,
W. E.
Farneth
, and
R. N.
Zare
,
J. Chem. Phys.
77
,
4447
4458
(
1982
).
12.
M. D.
Likar
,
J. E.
Baggott
, and
F. F.
Crim
,
J. Chem. Phys.
90
,
6266
6274
(
1989
).
13.
T. M.
Ticich
,
M. D.
Likar
,
H. R.
Dübal
,
L. J.
Butler
, and
F. F.
Crim
,
J. Chem. Phys.
87
,
5820
5829
(
1987
).
14.
S. C.
Homitsky
,
S. M.
Dragulin
,
L. M.
Haynes
, and
S.
Hsieh
,
J. Phys. Chem. A
108
,
9492
9499
(
2004
).
15.
J.
Matthews
,
M.
Martínez-Avilés
,
J. S.
Francisco
, and
A.
Sinha
,
J. Chem. Phys.
129
,
074316
(
2008
).
16.
M.-C.
Chuang
,
J. E.
Baggott
,
D. W.
Chandler
,
W. E.
Farneth
, and
R. N.
Zare
,
Faraday Discuss. Chem. Soc.
75
,
301
313
(
1983
).
17.
V.
Barone
,
J. Chem. Phys.
122
,
014108
(
2005
).
18.
V.
Barone
,
M.
Biczysko
, and
J.
Bloino
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
1759
1787
(
2014
).
19.
H. R.
Dübal
and
F. F.
Crim
,
J. Chem. Phys.
83
,
3863
3872
(
1985
).
20.
H. G.
Kjaergaard
,
Z.
Rong
,
A. J.
McAlees
,
D. L.
Howard
, and
B. R.
Henry
,
J. Phys. Chem. A
104
,
6398
6405
(
2000
).
21.
D.
Cavagnat
and
L.
Lespade
,
J. Chem. Phys.
114
,
6030
6040
(
2001
).
22.
D.
Cavagnat
and
L.
Lespade
,
J. Chem. Phys.
114
,
6041
6050
(
2001
).
23.
D.
Cavagnat
,
L.
Lespade
, and
C.
Lapouge
,
J. Chem. Phys.
103
,
10502
10512
(
1995
).
24.
D.
Cavagnat
and
L.
Lespade
,
J. Chem. Phys.
106
,
7946
7957
(
1997
).
25.
D.
Cavagnat
and
L.
Lespade
,
J. Chem. Phys.
108
,
9275
9284
(
1998
).
26.
C.
Zhu
,
H. G.
Kjaergaard
, and
B. R.
Henry
,
J. Chem. Phys.
107
,
691
701
(
1997
).
27.
Z.
Rong
and
H. G.
Kjaergaard
,
J. Phys. Chem. A
106
,
6242
6253
(
2002
).
28.
Z.
Rong
,
D. L.
Howard
, and
H. G.
Kjaergaard
,
J. Phys. Chem. A
107
,
4607
4611
(
2003
).
29.
V.
Hänninen
and
L.
Halonen
,
J. Chem. Phys.
126
,
064309
(
2007
).
30.
D. P.
Schofield
,
H. G.
Kjaergaard
,
J.
Matthews
, and
A.
Sinha
,
J. Chem. Phys.
123
,
134318
(
2005
).
31.
A. B.
McCoy
,
M. K.
Sprague
, and
M.
Okumura
,
J. Phys. Chem. A
114
,
1324
1333
(
2010
).
32.
A. S.
Hansen
,
R. M.
Huchmala
,
E.
Vogt
,
M. A.
Boyer
,
T.
Bhagde
,
M. F.
Vansco
,
C. V.
Jensen
,
A.
Kjærsgaard
,
H. G.
Kjaergaard
,
A. B.
McCoy
, and
M. I.
Lester
,
J. Chem. Phys.
154
,
164306
(
2021
).
33.
W. H.
Miller
,
N. C.
Handy
, and
J. E.
Adams
,
J. Chem. Phys.
72
,
99
112
(
1980
).
34.
H. G.
Kjaergaard
,
H.
Yu
,
B. J.
Schattka
,
B. R.
Henry
, and
A. W.
Tarr
,
J. Chem. Phys.
93
,
6239
6248
(
1990
).
35.
H. G.
Kjaergaard
,
B. R.
Henry
, and
A. W.
Tarr
,
J. Chem. Phys.
94
,
5844
5854
(
1991
).
36.
J.
Wallberg
and
H. G.
Kjaergaard
,
Spectrochim. Acta, Part A
208
,
315
324
(
2019
).
37.
E. B.
Wilson
,
J. C.
Decius
, and
P. C.
Cross
,
Molecular Vibrations
(
McGraw-Hill
,
New York
,
1955
).
38.
J. H.
Frederick
and
C.
Woywod
,
J. Chem. Phys.
111
,
7255
7271
(
1999
).
39.
R.
Meyer
and
H. H.
Günthard
,
J. Chem. Phys.
49
,
1510
1520
(
1968
).
40.
L.
Halonen
and
T.
Carrington
,
J. Chem. Phys.
88
,
4171
4185
(
1988
).
41.
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 C.01,
Gaussian, Inc.
,
Wallingford, CT
,
2016
.
42.
D. T.
Colbert
and
W. H.
Miller
,
J. Chem. Phys.
96
,
1982
1991
(
1992
).
43.
T. B.
Adler
,
G.
Knizia
, and
H.-J.
Werner
,
J. Chem. Phys.
127
,
221106
(
2007
).
44.
K. A.
Peterson
,
T. B.
Adler
, and
H.-J.
Werner
,
J. Chem. Phys.
128
,
084102
(
2008
).
45.
H. J.
Werner
,
P. J.
Knowles
,
G.
Knizia
,
F. R.
Manby
,
M.
Schütz
,
P.
Celani
,
T.
Korona
,
R.
Lindh
,
A.
Mitrushenkov
,
G.
Rauhut
 et al., see http://www.molpro.net,
2012
.
46.
E.
Vogt
,
P.
Bertran Valls
, and
H. G.
Kjaergaard
,
J. Phys. Chem. A
124
,
932
942
(
2020
).
47.
R.
Meyer
,
J. Chem. Phys.
52
,
2053
2059
(
1970
).
48.
C.
Eckart
,
Phys. Rev.
47
,
552
558
(
1935
).
49.
S. V.
Krasnoshchekov
,
E. V.
Isayeva
, and
N. F.
Stepanov
,
J. Chem. Phys.
140
,
154104
(
2014
).
50.
H. M.
Pickett
,
J. Chem. Phys.
56
,
1715
1723
(
1972
).
51.
D.
Lauvergnat
,
J. M.
Luis
,
B.
Kirtman
,
H.
Reis
, and
A.
Nauts
,
J. Chem. Phys.
144
,
084116
(
2016
).
52.
P. W.
Atkins
and
R. S.
Friedman
,
Molecular Quantum Mechanics
, 5th ed. (
Oxford University Press
,
2011
).
53.
B.
Fehrensen
,
D.
Luckhaus
, and
M.
Quack
,
Chem. Phys.
338
,
90
105
(
2007
).
54.
K. A.
Sahetchian
,
R.
Rigny
,
J.
Tardieu de Maleissye
,
L.
Batt
,
M.
Anwar Khan
, and
S.
Mathews
,
Proc. Combust. Inst.
24
,
637
643
(
1992
).
55.
C. D.
Wijaya
,
R.
Sumathi
, and
W. H.
Green
,
J. Phys. Chem. A
107
,
4908
4920
(
2003
).
56.
J. M.
Simmie
,
G.
Black
,
H. J.
Curran
, and
J. P.
Hinde
,
J. Phys. Chem. A
112
,
5010
5016
(
2008
).
57.
B.-G.
Ryu
,
C. R.
Park
,
Y.
Lee
,
S. K.
Shin
, and
H. L.
Kim
,
J. Photochem. Photobiol. A
149
,
15
21
(
2002
).
58.
R. D.
Bach
and
H. B.
Schlegel
,
J. Phys. Chem. A
124
,
4742
4751
(
2020
).
59.
W.
Reints
,
D. A.
Pratt
,
H.-G.
Korth
, and
P.
Mulder
,
J. Phys. Chem. A
104
,
10713
10720
(
2000
).
60.
C. M.
Western
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
186
,
221
242
(
2017
).
61.
D.
Rueda
,
O. V.
Boyarkin
,
T. R.
Rizzo
,
A.
Chirokolava
, and
D. S.
Perry
,
J. Chem. Phys.
122
,
044314
(
2005
).
62.
E.
Vogt
,
R. M.
Huchmala
,
A. S.
Hansen
,
C. V.
Jensen
,
M. A.
Boyer
,
J.
Wallberg
,
A.
Kjaersgaard
,
T.
Bhagde
,
M. F.
Vansco
,
M. I.
Lester
,
A. B.
McCoy
, and
H. G.
Kjaergaard
, “
Coupling of torsion and OH-stretching in tert-Butyl hydroperoxide
, Electronic Research Data Archive at University of Copenhagen. https://sid.erda.dk/public/archives/39b2ab90465b80245edd3360d12417a1/published-archive.html.

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.