Hydrated molecular anions are present in the atmosphere. Revealing the structure of the microsolvation is key to understanding their chemical properties. The infrared spectra of CO3•−(H2O)1,2 and CO4•−(H2O)1,2 were measured via infrared multiple photon dissociation spectroscopy in both warm and cold environments. Redshifted from the free O–H stretch frequency, broad, structured spectra were observed in the O–H stretching region for all cluster ions, which provide information on the interaction of the hydrogen atoms with the central ion. In the C–O stretching region, the spectra exhibit clear maxima, but dissociation of CO3•−(H2O)1,2 was surprisingly inefficient. While CO3•−(H2O)1,2 and CO4•−(H2O) dissociate via loss of water, CO2 loss is the dominant dissociation channel for CO4•−(H2O)2. The experimental spectra are compared to calculated spectra within the harmonic approximation and from analysis of molecular dynamics simulations. The simulations support the hypothesis that many isomers contribute to the observed spectrum at finite temperatures. The highly fluxional nature of the clusters is the main reason for the spectral broadening, while water–water hydrogen bonding seems to play a minor role in the doubly hydrated species.

1.
R. G.
Harrison
and
H.
Tammet
,
Space Sci. Rev.
137
,
107
(
2008
).
2.
N. G.
Adams
,
D. K.
Bohme
,
D. B.
Dunkin
,
F. C.
Fehsenfeld
, and
E. E.
Ferguson
,
J. Chem. Phys.
52
,
3133
(
1970
).
3.
H.
Kawamoto
and
T.
Ogawa
,
Planet. Space Sci.
34
,
1229
(
1986
).
4.
M.
Ehn
,
H.
Junninen
,
T.
Petäjä
,
T.
Kurtén
,
V.-M.
Kerminen
,
S.
Schobesberger
,
H. E.
Manninen
,
I. K.
Ortega
,
H.
Vehkamäki
,
M.
Kulmala
, and
D. R.
Worsnop
,
Atmos. Chem. Phys.
10
,
8513
(
2010
).
5.
F. C.
Fehsenfeld
,
C. J.
Howard
, and
A. L.
Schmeltekopf
,
J. Chem. Phys.
63
,
2835
(
1975
).
6.
I.
Dotan
,
D. L.
Albritton
,
F. C.
Fehsenfeld
,
G. E.
Streit
, and
E. E.
Ferguson
,
J. Chem. Phys.
68
,
5414
(
1978
).
7.
M. L.
Huertas
and
J.
Fontan
,
Atmos. Environ.
16
,
2521
(
1982
).
8.
H.
Kawamoto
and
T.
Ogawa
,
Planet. Space Sci.
32
,
1223
(
1984
).
9.
O.
Möhler
and
F.
Arnold
,
J. Atmos. Chem.
13
,
33
(
1991
).
10.
J.
Viidanoja
,
T.
Reiner
, and
F.
Arnold
,
Int. J. Mass Spectrom.
181
,
31
(
1998
).
11.
J.
Viidanoja
,
T.
Reiner
,
A.
Kiendler
,
F.
Grimm
, and
F.
Arnold
,
Int. J. Mass Spectrom.
194
,
53
(
2000
).
12.
N.
Schoon
,
C.
Amelynck
,
P.
Bultinck
, and
E.
Arijs
,
Int. J. Mass Spectrom.
221
,
209
(
2002
).
13.
N. S.
Shuman
,
D. E.
Hunton
, and
A. A.
Viggiano
,
Chem. Rev.
115
,
4542
(
2015
).
14.
W. K.
Tang
,
C.
van der Linde
,
C.-K.
Siu
, and
M. K.
Beyer
,
J. Phys. Chem. A
121
,
192
(
2017
).
15.
C.
van der Linde
,
W.-K.
Tang
,
C.-K.
Siu
, and
M. K.
Beyer
,
Chem. - Eur. J.
22
,
12684
(
2016
).
16.
C.
van der Linde
,
W. K.
Tang
,
C.-K.
Siu
, and
M. K.
Beyer
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
10838
(
2018
).
17.
J. C.
Bopp
,
E. G.
Diken
,
J. M.
Headrick
,
J. R.
Roscioli
,
M. A.
Johnson
,
A. J.
Midey
, and
A. A.
Viggiano
,
J. Chem. Phys.
124
,
174302
(
2006
).
18.
J. A.
Burt
,
J. Chem. Phys.
57
,
4649
(
1972
).
19.
E. E.
Ferguson
,
F. C.
Fehsenfeld
, and
A. V.
Phelps
,
J. Chem. Phys.
59
,
1565
(
1973
).
20.
J. A.
Burt
,
J. Chem. Phys.
59
,
1567
(
1973
).
21.
J. T.
Moseley
,
P. C.
Cosby
,
R. A.
Bennett
, and
J. R.
Peterson
,
J. Chem. Phys.
62
,
4826
(
1975
).
23.
P. C.
Cosby
,
J. H.
Ling
,
J. R.
Peterson
, and
J. T.
Moseley
,
Bull. Am. Phys. Soc.
65
,
5267
(
1976
).
24.
G. P.
Smith
,
L. C.
Lee
,
P. C.
Cosby
,
J. R.
Peterson
, and
J. T.
Moseley
,
J. Chem. Phys.
68
,
3818
(
1978
).
25.
A. W.
Castleman
,
D. E.
Hunton
,
T. G.
Lindeman
, and
D. N.
Lindsay
,
Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys.
47
,
199
(
1983
).
26.
D. E.
Hunton
,
M.
Hofmann
,
T. G.
Lindeman
,
C. R.
Albertoni
, and
A. W.
Castleman
,
J. Chem. Phys.
82
,
2884
(
1985
).
27.
J. T.
Snodgrass
,
H. S.
Kim
, and
M. T.
Bowers
,
J. Chem. Phys.
88
,
3072
(
1988
).
28.
C. M.
Roehl
,
J. T.
Snodgrass
,
C. A.
Deakyne
, and
M. T.
Bowers
,
J. Chem. Phys.
94
,
6546
(
1991
).
29.
G. P.
Smith
,
L. C.
Lee
, and
J. T.
Moseley
,
J. Chem. Phys.
71
,
4034
(
1979
).
30.
M. E.
Jacox
and
D. E.
Milligan
,
J. Mol. Spectrosc.
52
,
363
(
1974
).
31.
R. A.
Relph
,
J. C.
Bopp
,
M. A.
Johnson
, and
A. A.
Viggiano
,
J. Chem. Phys.
129
,
064305
(
2008
).
32.
A. K.
Pathak
,
T.
Mukherjee
, and
D. K.
Maity
,
ChemPhysChem
9
,
2259
(
2008
).
33.
A. K.
Pathak
and
D. K.
Maity
,
J. Phys. Chem. A
113
,
13443
(
2009
).
34.
M.
Lalitha
and
L.
Senthilkumar
,
J. Mol. Graphics Modell.
54
,
148
(
2014
).
35.
S.
Zilberg
,
A.
Mizrahi
,
D.
Meyerstein
, and
H.
Kornweitz
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
9429
(
2018
).
36.
E.
Garand
,
T.
Wende
,
D. J.
Goebbert
,
R.
Bergmann
,
G.
Meijer
,
D. M.
Neumark
, and
K. R.
Asmis
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
849
(
2010
).
37.
L. I.
Yeh
,
M.
Okumura
,
J. D.
Myers
,
J. M.
Price
, and
Y. T.
Lee
,
J. Chem. Phys.
91
,
7319
(
1989
).
38.
M. S.
Johnson
,
K. T.
Kuwata
,
C.-K.
Wong
, and
M.
Okumura
,
Chem. Phys. Lett.
260
,
551
(
1996
).
39.
J.-H.
Choi
,
K. T.
Kuwata
,
Y.-B.
Cao
, and
M.
Okumura
,
J. Phys. Chem. A
102
,
503
(
1998
).
40.
W. H.
Robertson
,
E. A.
Price
,
J. M.
Weber
,
J.-W.
Shin
,
G. H.
Weddle
, and
M. A.
Johnson
,
J. Phys. Chem. A
107
,
6527
(
2003
).
41.
J. A.
DeVine
,
S.
Debnath
,
Y.-K.
Li
,
L. M.
McCaslin
,
W.
Schöllkopf
,
D. M.
Neumark
, and
K. R.
Asmis
,
Mol. Phys.
118
,
e1749953
(
2020
).
42.
E. M.
Myshakin
,
K. D.
Jordan
,
E. L.
Sibert
, and
M. A.
Johnson
,
J. Chem. Phys.
119
,
10138
(
2003
).
43.
H. K.
Gerardi
,
A. F.
DeBlase
,
X.
Su
,
K. D.
Jordan
,
A. B.
McCoy
, and
M. A.
Johnson
,
J. Phys. Chem. Lett.
2
,
2437
(
2011
).
44.
S. M.
Craig
,
F. S.
Menges
,
C. H.
Duong
,
J. K.
Denton
,
L. R.
Madison
,
A. B.
McCoy
, and
M. A.
Johnson
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
,
E4706
E4713
(
2017
).
45.
N.
Heine
,
E. G.
Kratz
,
R.
Bergmann
,
D. P.
Schofield
,
K. R.
Asmis
,
K. D.
Jordan
, and
A. B.
McCoy
,
J. Phys. Chem. A
118
,
8188
(
2014
).
46.
E.
Flórez
,
N.
Acelas
,
C.
Ibargüen
,
S.
Mondal
,
J. L.
Cabellos
,
G.
Merino
, and
A.
Restrepo
,
RSC Adv.
6
,
71913
(
2016
).
48.
A. K.
Pathak
,
A. K.
Samanta
, and
D. K.
Maity
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
6315
(
2011
).
49.
A. K.
Pathak
,
T.
Mukherjee
, and
D. K.
Maity
,
J. Phys. Chem. A
112
,
3399
(
2008
).
51.
P.
Hamm
and
G.
Stock
,
J. Chem. Phys.
143
,
134308
(
2015
).
52.
D. J.
Goebbert
,
E.
Garand
,
T.
Wende
,
R.
Bergmann
,
G.
Meijer
,
K. R.
Asmis
, and
D. M.
Neumark
,
J. Phys. Chem. A
113
,
7584
(
2009
).
53.
M. L.
Vestal
and
G. H.
Mauclaire
,
Bull. Am. Phys. Soc.
67
,
3758
(
1977
).
54.
M. E.
Jacox
and
W. E.
Thompson
,
J. Phys. Chem.
95
,
2781
(
1991
).
55.
M.
Zhou
and
L.
Andrews
,
J. Am. Chem. Soc.
120
,
13230
(
1998
).
56.
C.
Berg
,
T.
Schindler
,
G.
Niedner-Schatteburg
, and
V. E.
Bondybey
,
J. Chem. Phys.
102
,
4870
(
1995
).
57.
R. F.
Höckendorf
,
O. P.
Balaj
,
C.
van der Linde
, and
M. K.
Beyer
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
3772
(
2010
).
58.
O. P.
Balaj
,
C. B.
Berg
,
S. J.
Reitmeier
,
V. E.
Bondybey
, and
M. K.
Beyer
,
Int. J. Mass Spectrom.
279
,
5
(
2009
).
59.
N. K.
Bersenkowitsch
,
M.
Ončák
,
J.
Heller
,
T. F.
Pascher
,
C.
van der Linde
, and
M. K.
Beyer
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
22
,
12028
12038
(
2020
).
60.
N. K.
Bersenkowitsch
,
M.
Ončák
,
J.
Heller
,
C.
van der Linde
, and
M. K.
Beyer
,
Chem. - Eur. J.
24
,
12433
(
2018
).
61.
R. C.
Dunbar
,
Mass Spectrom. Rev.
23
,
127
(
2004
).
62.
N. C.
Polfer
,
Chem. Soc. Rev.
40
,
2211
(
2011
).
63.
J.
Oomens
,
B. G.
Sartakov
,
G.
Meijer
, and
G.
von Helden
,
Int. J. Mass Spectrom.
254
,
1
(
2006
).
64.
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,
Gaussian, Inc.
,
Wallingford, CT
,
2016
.
65.
S.
Grimme
,
J.
Antony
,
S.
Ehrlich
, and
H.
Krieg
,
J. Chem. Phys.
132
,
154104
(
2010
).
66.
T. D.
Kühne
,
M.
Iannuzzi
,
M.
Del Ben
,
V. V.
Rybkin
,
P.
Seewald
,
F.
Stein
,
T.
Laino
,
R. Z.
Khaliullin
,
O.
Schütt
,
F.
Schiffmann
,
D.
Golze
,
J.
Wilhelm
,
S.
Chulkov
,
M. H.
Bani-Hashemian
,
V.
Weber
,
U.
Borštnik
,
M.
Taillefumier
,
A. S.
Jakobovits
,
A.
Lazzaro
,
H.
Pabst
,
T.
Müller
,
R.
Schade
,
M.
Guidon
,
S.
Andermatt
,
N.
Holmberg
,
G. K.
Schenter
,
A.
Hehn
,
A.
Bussy
,
F.
Belleflamme
,
G.
Tabacchi
,
A.
Glöß
,
M.
Lass
,
I.
Bethune
,
C. J.
Mundy
,
C.
Plessl
,
M.
Watkins
,
J.
VandeVondele
,
M.
Krack
, and
J.
Hutter
,
J. Chem. Phys.
152
,
194103
(
2020
).
67.
M.
Brehm
and
B.
Kirchner
,
J. Chem. Inf. Model.
51
,
2007
(
2011
).
68.
M.
Thomas
,
M.
Brehm
,
R.
Fligg
,
P.
Vöhringer
, and
B.
Kirchner
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
6608
(
2013
).
69.
M.
Thomas
,
M.
Brehm
, and
B.
Kirchner
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
3207
(
2015
).
70.
P.
Parneix
,
M.
Basire
, and
F.
Calvo
,
J. Phys. Chem. A
117
,
3954
(
2013
).
71.
F.
Calvo
,
Y.
Li
,
D. M.
Kiawi
,
J. M.
Bakker
,
P.
Parneix
, and
E.
Janssens
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
25956
(
2015
).
72.
E. A.
Woronowicz
,
W. H.
Robertson
,
G. H.
Weddle
,
M. A.
Johnson
,
E. M.
Myshakin
, and
K. D.
Jordan
,
J. Phys. Chem. A
106
,
7086
(
2002
).
73.
D.
Thölmann
,
D. S.
Tonner
, and
T. B.
McMahon
,
J. Phys. Chem.
98
,
2002
(
1994
).
74.
M.
Sena
,
J. M.
Riveros
, and
N. M. M.
Nibbering
,
Rapid Commun. Mass Spectrom.
8
,
1031
(
1994
).
75.
P. D.
Schnier
,
W. D.
Price
,
R. A.
Jockusch
, and
E. R.
Williams
,
J. Am. Chem. Soc.
118
,
7178
(
1996
).
76.
T.
Schindler
,
C.
Berg
,
G.
Niedner-Schatteburg
, and
V. E.
Bondybey
,
Chem. Phys. Lett.
250
,
301
(
1996
).
77.
B. S.
Fox
,
M. K.
Beyer
, and
V. E.
Bondybey
,
J. Phys. Chem. A
105
,
6386
(
2001
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.