The structures, energetics, and infrared (IR) spectra of the cationic monomethylamine-water clusters, [(CH3NH2)(H2O)n]+ (n=1–5), have been studied using quantum chemical calculations at the MP2/6-311+G(2d,p) level. The results reveal that the formation of proton-transferred CH2NH3+ ion core structure is preferred via the intramolecular proton transfer from the methyl group to the nitrogen atom and the water molecules act as the acceptor for the O⋯HN hydrogen bonds with the positively charged NH3+ moiety of CH2NH3+, whose motif is retained in the larger clusters. The CH3NH2+ ion core structure is predicted to be less energetically favorable. Vibrational frequencies of CH stretches, hydrogen-bonded and free NH stretches, and hydrogen-bonded OH stretches in the calculated IR spectra of the CH2NH3+ and CH3NH2+ type structures are different from each other, which would afford the sensitive probes for fundamental understanding of hydrogen bonding networks generated from the radiation-induced chemical processes in the [(CH3NH2)(H2O)n]+ complexes.

[1]
R.
Zhang
,
A.
Khalizov
,
L.
Wang
,
M.
Hu
, and
W.
Xu
,
Chem. Rev.
112
,
1957
(
2012
).
[2]
C.
Qiu
and
R.
Zhang
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
5738
(
2013
).
[3]
L.
Yao
,
O.
Garmash
,
F.
Bianchi
,
J.
Zheng
,
C.
Yan
,
J.
Kontkanen
,
H.
Junninen
,
S. B.
Mazon
,
M.
Ehn
,
P.
Paasonen
,
M.
Sipila
,
M.
Wang
,
X.
Wang
,
S.
Xiao
,
H.
Chen
,
Y.
Lu
,
B.
Zhang
,
D.
Wang
,
Q.
Fu
,
F.
Geng
,
L.
Li
,
H.
Wang
,
L.
Qiao
,
X.
Yang
,
J.
Chen
,
V. M.
Kerminen
,
T.
Petaja
,
D. R.
Worsnop
,
M.
Kulmala
, and
L.
Wang
,
Science
361
,
278
(
2018
).
[4]
M.
Kulmala
,
J.
Kontkanen
,
H.
Junninen
,
K.
Lehtipalo
,
H. E.
Manninen
,
T.
Nieminen
,
T.
Petaja
,
M.
Sipila
,
S.
Schobesberger
,
P.
Rantala
,
A.
Franchin
,
T.
Jokinen
,
E.
Jarvinen
,
M.
Aijala
,
J.
Kangasluoma
,
J.
Hakala
,
P. P.
Aalto
,
P.
Paasonen
,
J.
Mikkila
,
J.
Vanhanen
,
J.
Aalto
,
H.
Hakola
,
U.
Makkonen
,
T.
Ruuskanen
,
R. L.
Mauldin
 III
,
J.
Duplissy
,
H.
Vehkamaki
,
J.
Back
,
A.
Kortelainen
,
I.
Riipinen
,
T.
Kurten
,
M. V.
Johnston
,
J. N.
Smith
,
M.
Ehn
,
T. F.
Mentel
,
K. E. J.
Lehtinen
,
A.
Laaksonen
,
V. M.
Kerminen
, and
D. R.
Worsnop
,
Science
339
,
943
(
2013
).
[5]
J. H.
Zollner
,
W. A.
Glasoe
,
B.
Panta
,
K. K.
Carlson
,
P. H.
McMurry
, and
D. R.
Hanson
,
Atmos. Chem. Phys.
12
,
4399
(
2012
).
[6]
M. J.
Tubergen
and
R. L.
Kuczkowski
,
J. Am. Chem. Soc.
115
,
9263
(
1993
).
[7]
B. T.
Mmereki
and
D. J.
Donaldson
,
J. Phys. Chem. A
106
,
3185
(
2002
).
[8]
M.
Rozenberg
,
A.
Loewenschuss
, and
C. J.
Nielsen
,
J. Phys. Chem. A
116
,
4089
(
2012
).
[9]
B. C.
Garrett
,
D. A.
Dixon
,
D. M.
Camaioni
,
D. M.
Chipman
,
M. A.
Johnson
,
C. D.
Jonah
,
G. A.
Kimmel
,
J. H.
Miller
,
T. N.
Rescigno
,
P. J.
Rossky
,
S. S.
Xantheas
,
S. D.
Colson
,
A. H.
Laufer
,
D.
Ray
,
P. F.
Barbara
,
D. M.
Bartels
,
K. H.
Becker
,
H.
Bowen
,
S. E.
Bradforth
,
I.
Carmichael
,
J. V.
Coe
,
L. R.
Corrales
,
J. P.
Cowin
,
M.
Dupuis
,
K. B.
Eisenthal
,
J. A.
Franz
,
M. S.
Gutowski
,
K. D.
Jordan
,
B. D.
Kay
,
J. A.
LaVerne
,
S. V.
Lymar
,
T. E.
Madey
,
C. W.
McCurdy
,
D.
Meisel
,
S.
Mukamel
,
A. R.
Nilsson
,
T. M.
Orlando
,
N. G.
Petrik
,
S. M.
Pimblott
,
J. R.
Rustad
,
G. K.
Schenter
,
S. J.
Singer
,
A.
Tokmakoff
,
L. S.
Wang
,
C.
Wittig
, and
T. S.
Zwier
,
Chem. Rev.
105
,
355
(
2005
).
[10]
A.
Fujii
and
K.
Mizuse
,
Int. Rev. Phys. Chem.
32
,
266
(
2013
).
[11]
N.
Heine
and
K. R.
Asmis
,
Int. Rev. Phys. Chem.
34
,
1
(
2015
).
[12]
A. B.
Wolk
,
C. M.
Leavitt
,
E.
Garand
, and
M. A.
Johnson
,
Acc. Chem. Res.
47
,
202
(
2014
).
[13]
L. S.
Wang
,
Int. Rev. Phys. Chem.
35
,
69
(
2016
).
[14]
Z.
Luo
,
A. W.
Castleman
 Jr.
, and
S. N.
Khanna
,
Chem. Rev.
116
,
14456
(
2016
).
[15]
K.
Mizuse
,
J. L.
Kuo
, and
A.
Fujii
,
Chem. Sci.
2
,
868
(
2011
).
[16]
K.
Mizuse
and
A.
Fujii
,
J. Phys. Chem. A
117
,
929
(
2013
).
[17]
J. D.
Herr
,
J.
Talbot
, and
R. P.
Steele
,
J. Phys. Chem. A
119
,
752
(
2015
).
[18]
J. D.
Herr
and
R. P.
Steele
,
J. Phys. Chem. A
120
,
7225
(
2016
).
[19]
X.
Lei
,
X.
Kong
,
Z.
Zhao
,
B.
Zhang
,
D.
Dai
,
X.
Yang
, and
L.
Jiang
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
30125
(
2018
).
[20]
X.
Lei
,
X.
Kong
,
Z.
Zhao
,
B.
Zhang
,
D.
Dai
,
X.
Yang
, and
L.
Jiang
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
25583
(
2018
).
[21]
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. J. A.
Montgomery
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
T.
Keith
,
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
,
O.
Farkas
,
J. B.
Foresman
,
J. V.
Ortiz
,
J.
Cioslowski
, and
D. J.
Fox
,
Gaussian 09, Revision D.01
,
Wallingford CT
:
Gaussian Inc.
, (
2013
).
[22]
J. P.
Merrick
,
D.
Moran
, and
L.
Radom
,
J. Phys. Chem. A
111
,
11683
(
2007
).
[23]
G. E.
Douberly
,
R. E.
Miller
, and
S. S.
Xantheas
,
J. Am. Chem. Soc.
139
,
4152
(
2017
).
[24]
D. J.
Goebbert
,
T.
Wende
,
L.
Jiang
,
G.
Meijer
,
A.
Sanov
, and
K. R.
Asmis
,
J. Phys. Chem. Lett.
1
,
2465
(
2010
).
[25]
R.
Shishido
,
Y. C.
Li
,
C. W.
Tsai
,
D.
Bing
,
A.
Fujii
, and
J. L.
Kuo
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
25863
(
2015
).
[26]
R.
Shishido
,
J. L.
Kuo
, and
A.
Fujii
,
J. Phys. Chem. A
116
,
6740
(
2012
).
[27]
M.
Hachiya
,
Y.
Matsuda
,
K. I.
Suhara
,
N.
Mikami
, and
A.
Fujii
,
J. Chem. Phys.
129
,
094306
(
2008
).
This content is only available via PDF.
You do not currently have access to this content.