Single hydration of the gas phase F+CH3I→ I+CH3F reaction allows to probe solvent effects on a fundamental nucleophilic substitution reaction. At the same time, the addition of a solvent molecule opens alternative product channels. Here, we present crossed beam imaging results on the dynamics of the F(H2O)+CH3I→[FCH3I]+H2O ligand exchange pathway at collision energies between 0.3 and 2.6 eV. Product kinetic energies are constrained by the stability requirement of the weakly bound product complexes. This implies substantial internal excitation of the water molecule and disfavors efficient energy redistribution in an intermediate complex, which is reflected by the suppression of low kinetic energies as collision energy increases. At 0.3 eV, internal nucleophilic displacement is important and is discussed in light of the competing nucleophilic substitution pathways that form I and I(H2O).

[1]
Z.
Herman
and
K.
Birkinshaw
,
Ber. Bunsengesellschaft
77
,
566
(
1973
).
[2]
A. T. J. B.
Eppink
and
D. H.
Parker
,
Rev. Sci. Instrum.
68
,
3477
(
1997
).
[3]
J.
Mikosch
,
U.
Frühling
,
S.
Trippel
,
D.
Schwalm
,
M.
Weidemüller
, and
R.
Wester
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
8
,
2990
(
2006
).
[4]
Z.
Herman
,
V.
Pacák
,
A. J.
Yencha
, and
J.
Futrell
,
Chem. Phys. Lett.
37
,
329
(
1976
).
[5]
E.
Carrascosa
,
M.
Stei
,
M. A.
Kainz
, and
R.
Wester
,
Mol. Phys.
113
,
3955
(
2015
).
[6]
L. S.
Pei
,
E.
Carrascosa
,
N.
Yang
,
S.
Falcinelli
, and
J. M.
Farrar
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
1684
(
2015
).
[7]
B.
Bastian
,
E.
Carrascosa
,
A.
Kaiser
,
J.
Meyer
,
T.
Michaelsen
,
G.
Czakó
,
W. L.
Hase
, and
R.
Wester
,
Int. J. Mass Spectrom.
438
,
175
(
2019
).
[8]
J.
Meyer
and
R.
Wester
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
68
,
333
(
2017
).
[9]
E.
Carrascosa
,
J.
Meyer
, and
R.
Wester
,
Chem. Soc. Rev.
46
,
7498
(
2017
).
[10]
J.
Meyer
,
E.
Carrascosa
,
T.
Michaelsen
,
B.
Bastian
,
A. Y.
Li
,
H.
Guo
, and
R.
Wester
,
J. Am. Chem. Soc.
141
,
20300
(
2019
).
[11]
M.
Stei
,
E.
Carrascosa
,
A.
Dörfler
,
J.
Meyer
,
B.
Olasz
,
G.
Czakó
,
A. Y.
Li
,
H.
Guo
, and
R.
Wester
,
Sci. Adv.
4
,
eaas9544
(
2018
).
[12]
B.
Olasz
and
G.
Czakó
,
J. Phys. Chem. A
122
,
8143
(
2018
).
[13]
E.
Carrascosa
,
J.
Meyer
,
J. X.
Zhang
,
M.
Stei
,
T.
Michaelsen
,
W. L.
Hase
,
L.
Yang
, and
R.
Wester
,
Nat. Commun.
8
,
25
(
2017
).
[14]
V.
Tajti
and
G.
Czakó
,
J. Phys. Chem. A
121
,
2847
(
2017
).
[15]
R.
Otto
,
J.
Brox
,
S.
Trippel
,
M.
Stei
,
T.
Best
, and
R.
Wester
,
Nat. Chem.
4
,
534
(
2012
).
[16]
X.
Liu
,
J.
Xie
,
J. X.
Zhang
,
L.
Yang
, and
W. L.
Hase
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
1885
(
2017
).
[17]
[18]
J. X.
Zhang
,
J.
Mikosch
,
S.
Trippel
,
R.
Otto
,
M.
Weidemüller
,
R.
Wester
, and
W. L.
Hase
,
J. Phys. Chem. Lett.
1
,
2747
(
2010
).
[19]
J. V.
Seeley
,
R. A.
Morris
, and
A. A.
Viggiano
,
J. Phys. Chem. A
101
,
4598
(
1997
).
[20]
J. V.
Seeley
,
R. A.
Morris
,
A. A.
Viggiano
,
H. B.
Wang
, and
W. L.
Hase
,
J. Am. Chem. Soc.
119
,
577
(
1997
).
[21]
L.
Yang
,
X.
Liu
,
J. X.
Zhang
, and
J.
Xie
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
9992
(
2017
).
[22]
B.
Bastian
,
T.
Michaelsen
,
L. L.
Li
,
M.
Ončák
,
J.
Meyer
,
D. H.
Zhang
, and
R.
Wester
,
J. Phys. Chem. A
124
,
1929
(
2020
).
[23]
B.
Olasz
and
G.
Czakó
,
J. Phys. Chem. A
123
,
454
(
2019
).
[24]
R.
Wester
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
396
(
2014
).
[25]
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
:
Gaussian Inc
, (
2016
).
[26]
B.
Olasz
,
I.
Szabó
, and
G.
Czakó
,
Chem. Sci.
8
,
3164
(
2017
).
[27]
J. X.
Zhang
,
L.
Yang
,
J.
Xie
, and
W. L.
Hase
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
660
(
2016
).
[28]
K.
Hiraoka
,
S.
Mizuse
, and
S.
Yamabe
,
J. Phys. Chem.
92
,
3943
(
1988
).
[29]
R.
Sun
,
C. J.
Davda
,
J. X.
Zhang
, and
W. L.
Hase
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
2589
(
2015
).
[30]
A. D.
Estillore
,
L. M.
Visger
, and
A. G.
Suits
,
J. Chem. Phys.
133
,
074306
(
2010
).
[31]
J.
Mikosch
,
J. X.
Zhang
,
S.
Trippel
,
C.
Eichhorn
,
R.
Otto
,
R.
Sun
,
W. A.
De Jong
,
M.
Weidemüller
,
W. L.
Hase
, and
R.
Wester
,
J. Am. Chem. Soc.
135
,
4250
(
2013
).
[32]
Z.
Herman
,
A.
Lee
, and
R.
Wolfgang
,
J. Chem. Phys.
51
,
452
(
1969
).
[33]
D. D.
Parrish
and
D. R.
Herschbach
,
J. Am. Chem. Soc.
95
,
6133
(
1973
).
[34]
A.
Lee
,
R. L.
Leroy
,
Z.
Herman
,
R.
Wolfgang
, and
J. C.
Tully
,
Chem. Phys. Lett.
12
,
569
(
1972
).
[35]
S. A.
Safron
,
N. D.
Weinstein
,
D. R.
Herschbach
, and
J. C.
Tully
,
Chem. Phys. Lett.
589
,
9
(
2013
).
[36]
Z.
Herman
,
Int. J. Mass Spectrom.
212
,
413
(
2001
).
This content is only available via PDF.

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.