Topological hydrogen-bond definition to characterize the structure and dynamics of liquid water

Journal of Physical Chemistry B

Volumn 114, Issue 50, 2010, Pages 16792-16810

  Henchman, Richard H ^a   Irudayam, Sheeba Jem ^b  

^a UNIVERSITY OF MANCHESTER   (United Kingdom)

^b School of Chemistry University of Manchester ^*

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

DIMERS; DYNAMICS; ENTROPY; HYDROGEN; LIQUIDS; MOLECULES; OXYGEN; POTENTIAL ENERGY; QUANTUM CHEMISTRY; SWITCHING; TOPOLOGY;

ACTIVATED PROCESS; CYCLIC DIMERS; DONOR AND ACCEPTOR; INTERSTITIAL WATER; LIQUID WATER; LOCAL ENERGY; MOLECULAR ENVIRONMENT; STRUCTURE AND DYNAMICS; TETRAHEDRAL GEOMETRY; TIME-SCALES; TRANSITION STATE; TRANSITION STATE THEORIES; TRIGONAL BIPYRAMIDAL GEOMETRY; VARIABLE NUMBER; WATER MOLECULE;

HYDROGEN BONDS;

EID: 78650929802     PISSN: 15206106     EISSN: 15205207     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp105381s     Document Type: Article

References (140)

1. Bernal, J. D.; Fowler, R. H. J. Chem. Phys. 1933, 1, 515-548.
2. Pauling, L. The nature of the chemical bond, 3rd ed.; Cornell: Ithaca, NY, 1960.
3. Narten, A. H.; Levy, H. A. Science 1969, 165, 447-454.
4. Eisenberg, D.; Kauzmann, W. The structure and properties of water; Oxford University Press: Oxford, U.K., 1969.
5. Franks, F. Water: a comprehensive treatise; Plenum Press: New York, 1972-1982; Vols. 1-7.
6. Stillinger, F. H. Science 1980, 209, 451-457.
7. Lang, E. W.; Ludemann, H. D. Angew. Chem., Int. Ed. 1982, 21, 315-329.
8. Jeffrey, G. A. An introduction to hydrogen bonding; Oxford University Press: Oxford, U.K., 1997.
9. Ludwig, R. Angew. Chem., Int. Ed. 2001, 40, 1808-1827.
10. Finney, J. L. Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B 2004, 359, 1145-1163.
11. Marechal, Y. The hydrogen bond and the water molecule; Elsevier: Oxford, U.K., 2007.
12. Ball, P. Chem. Rev. 2008, 108, 74-108.
13. Ball, P. Nature 2008, 452, 291-292.
14. Malenkov, G. J. Phys.: Condens. Matter 2009, 21, 283101.
15. Sharp, K. A.; Vanderkooi, J. M. Acc. Chem. Res. 2010, 43, 231-239.
16. Clark, G. N. I.; Cappa, C. D.; Smith, J. D.; Saykally, R. J.; Head-Gordon, T. Mol. Phys. 2010, 108, 1415-1433.
17. Clark, G. N. I.; Hura, G. L.; Teixeira, J.; Soper, A. K.; Head-Gordon, T. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2010, 107, 14003-14007.
18. Chaplin, M. Water structure and science, http://www.lsbu.ac.uk/water/.
19. Smith, J. D.; Cappa, C. D.; Wilson, K. R.; Cohen, R. C.; Geissler, P. L.; Saykally, R. J. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005, 102, 14171-14174.
20. Roberts, S. T.; Ramasesha, K.; Tokmakoff, A. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1239-1249.
21. Frank, H. S.; Wen, W. Y. Discuss. Faraday Soc. 1957, 24, 133-140.
22. Blokzijl, W.; Engberts, J. B. F. N. Angew. Chem., Int. Ed. 1993, 32, 1545-1579.
23. Wernet, P.; Nordlund, D.; Bergmann, U.; Cavalleri, M.; Odelius, M.; Ogasawara, H.; Naslund, L. A.; Hirsch, T. K.; Ojamae, L.; Glatzel, P.; Pettersson, L. G. M.; Nilsson, A. Science 2004, 304, 995-999.
24. Tokushima, T.; Harada, Y.; Takahashi, O.; Senba, Y.; Ohashi, H.; Pettersson, L. G. M.; Nilsson, A.; Shin, S. Chem. Phys. Lett. 2008, 460, 387-400.
25. Rahman, A.; Stillinger, F. H. J. Chem. Phys. 1971, 55, 3336-3359.
26. Rossky, P. J.; Karplus, M. J. Am. Chem. Soc. 1979, 101, 1913-1937.
27. Stanley, H. E.; Teixeira, J. J. Chem. Phys. 1980, 73, 3404-3422.
28. Jorgensen, W. L. Chem. Phys. Lett. 1980, 70, 326-329.
29. Jorgensen, W. L.; Chandrasekhar, J.; Madura, J. D.; Impey, R. W.; Klein, M. L. J. Chem. Phys. 1983, 79, 926-935.
30. Sciortino, F.; Fornili, S. L. J. Chem. Phys. 1989, 90, 2786-2792.
31. Swiatla-Wojcik, D. Chem. Phys. 2007, 342, 260-266.
32. Belch, A. C.; Rice, S. A.; Sceats, M. G. Chem. Phys. Lett. 1981, 77, 455-459.
33. Mezei, M.; Beveridge, D. L. J. Chem. Phys. 1981, 74, 622-632.
34. Buch, V. J. Chem. Phys. 1992, 96, 3814-3823.
35. Luzar, A.; Chandler, D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 8160-8173.
36. Luzar, A.; Chandler, D. Phys. Rev. Lett. 1996, 76, 928-931.
37. Bergman, D. L. Chem. Phys. 2000, 253, 267-282.
38. Raiteri, P.; Laio, A.; Parrinello, M. Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 087801.
39. Matsumoto, M. J. Chem. Phys. 2007, 126, 054503.
40. Koch, U.; Popelier, P. L. A. J. Phys. Chem. 1995, 99, 9747-9754.
41. Fernandez-Serra, M. V.; Artacho, E. Phys. Rev. Lett. 2006, 96, 016404.
42. Kumar, R.; Schmidt, J. R.; Skinner, J. L. J. Chem. Phys. 2007, 126, 204107.
43. Kollman, P.; McKelvey, J.; Johansson, A.; Rothenberg, S. J. Am. Chem. Soc. 1975, 97, 955-965.
44. Irudayam, S. J.; Plumb, R. D.; Henchman, R. H. Faraday Discuss. 2010, 45, 467-485.
45. Buckingham, A. D.; Del, B. e. n. e.; McDowell, S. A. C. Chem. Phys. Lett. 2008, 463, 1-10.
46. Hammerich, A. D.; Buch, V. J. Chem. Phys. 2008, 128, 111101.
47. Wendler, K.; Thar, J.; Zahn, S.; Kirchner, B. J. Phys. Chem. A 2010, 114, 9529-9536.
48. Giguere, P. A. J. Raman Spectrosc. 1984, 15, 354-359.
49. Giguere, P. A. J. Chem. Phys. 1987, 87, 4835-4839.
50. Csajka, F. S.; Chandler, D. J. Chem. Phys. 1998, 109, 1125-1133.
51. Eaves, J. D.; Loparo, J. J.; Fecko, C. J.; Roberts, S. T.; Tokmakoff, A.; Geissler, P. L. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005, 102, 13019-13022.
52. Laage, D.; Hynes, J. T. Science 2006, 311, 832-835.
53. Laage, D.; Hynes, J. T. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 14230-14242.
54. Ohmine, I. J. Phys. Chem. 1995, 99, 6767-6776.
55. Luzar, A.; Chandler, D. Nature 1996, 379, 55-57.
56. Luzar, A. Chem. Phys. 2000, 258, 267-276.
57. Rapaport, D. C. Mol. Phys. 1983, 50, 1151-1162.
58. Malenkov, G. G.; Frank-Kamenetskii, M. M.; Grivtsov, A. G. J. Struct. Chem. 1987, 28, 230-233.
59. Henchman, R. H.; McCammon, J. A. J. Comput. Chem. 2002, 23, 861-869.
60. Voloshin, V. P.; Naberukhin, Y. I. J. Struct. Chem. 2009, 50, 78-89.
61. Luzar, A. Faraday Discuss. 1996, 103, 29-40.
62. Luzar, A. J. Chem. Phys. 2000, 113, 10663-10675.
63. Chandra, A. Phys. Rev. Lett. 2000, 85, 768-771.
64. Xu, H. F.; Stern, H. A.; Berne, B. J. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 2054-2060.
65. Tay, K. A.; Bresme, F. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 409-415.
66. Astley, T.; Birch, G. G.; Drew, M. G. B.; Rodger, P. M. J. Phys. Chem. A 1999, 103, 5080-5090.
67. Laage, D.; Hynes, J. T. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 7697-7701.
68. Jedlovszky, P.; Brodholt, J. P.; Bruni, F.; Ricci, M. A.; Soper, A. K.; Vallauri, R. J. Chem. Phys. 1998, 108, 8528-8540.
69. Sutmann, G.; Vallauri, R. J. Mol. Liq. 2002, 98-99, 213-224.
70. Markovitch, O.; Agmon, N. Mol. Phys. 2008, 106, 485-495.
71. Stillinger, F. H.; Weber, T. A. Phys. Rev. A 1982, 25, 978-989.
72. Sciortino, F.; Geiger, A.; Stanley, H. E. Nature 1991, 354, 218-221.
73. Sciortino, F.; Geiger, A.; Stanley, H. E. J. Chem. Phys. 1992, 96, 3857-3865.
74. Debenedetti, P. G.; Stillinger, F. H. Nature 2001, 410, 259-267.
75. Ohmine, I.; Tanaka, H. Chem. Rev. 1993, 93, 2545-2566.
76. Morokuma, K.; Pedersen, L. J. Chem. Phys. 1968, 48, 3275.
77. Kollman, P. A.; Allen, L. C. J. Chem. Phys. 1969, 51, 3286.
78. Dyke, T. R.; Mack, K. M.; Muenter, J. S. J. Chem. Phys. 1977, 66, 498-510.
79. Sciortino, F.; Geiger, A.; Stanley, H. E. Phys. Rev. Lett. 1990, 65, 3452-3455.
80. Keutsch, F. N.; Saykally, R. J. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2001, 98, 10533-10540.
81. Geiger, A.; Kleene, M.; Paschek, D.; Rehtanz, A. J. Mol. Liq. 2003, 106, 131-146.
82. Latimer, W. M.; Rodebush, W. H. J. Am. Chem. Soc. 1920, 42, 1419-1433.
83. Lennard-Jones, J.; Pople, J. A. Proc. R. Soc. London, Ser. A 1951, 205, 155-162.
84. Olovsson, I. Croat. Chem. Acta 1982, 55, 171-190.
85. Finney, J. L. J. Mol. Liq. 2001, 90, 303-312.
86. Nilsson, A.; Ogasawara, H.; Cavalleri, M.; Nordlund, D.; Nyberg, M.; Wernet, P.; Pettersson, L. G. M. J. Chem. Phys. 2005, 122, 154505.
87. Lee, H. S.; Tuckerman, M. E. J. Chem. Phys. 2006, 125, 154507.
88. Olovsson, I. Z. Phys. Chem. 2006, 220, 963-978.
89. Kusalik, P. G.; Svishchev, I. M. Science 1994, 265, 1219-1221.
90. Yeh, Y. L.; Mou, C. Y. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 3699-3705.
91. Soper, A. K.; Ricci, M. A. Phys. Rev. Lett. 2000, 84, 2881-2884.
92. Mason, P. E.; Brady, J. W. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 5669-5679.
93. Paesani, F.; Iuchi, S.; Voth, G. A. J. Chem. Phys. 2007, 127, 074506.
94. Henchman, R. H. J. Chem. Phys. 2007, 126, 064504.
95. Klefas-Stennett, M.; Henchman, R. H. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 3769-3776.
96. Irudayam, S. J.; Henchman, R. H. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 5871-5884.
97. Irudayam, S. J.; Henchman, R. H. J. Phys.: Condens. Matter 2010, 22, 284108.
98. Walsh, T. R.; Wales, D. J. J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1996, 92, 2505-2517.
99. Arunan, E. Curr. Sci. 2007, 92, 17-18.
100. Smith, B. J.; Swanton, D. J.; Pople, J. A.; Schaefer, H. F.; Radom, L. J. Chem. Phys. 1990, 92, 1240-1247.
101. Tschumper, G. S.; Leininger, M. L.; Hoffman, B. C.; Valeev, E. F.; Schaefer, H. F.; Quack, M. J. Chem. Phys. 2002, 116, 690-701.
102. Abascal, J. L. F.; Vega, C. J. Chem. Phys. 2005, 123, 234505.
103. Case, D. A.; Darden, T. A.; Cheatham, T. E., III; Simmerling, C. I.; Wang, J.; Duke, R. E.; Luo, R.; Merz, K. M.; Pearlman, D. A.; Crowley, M.; Walker, R. C.; Zhang, W.; Wang, B.; Hayik, S.; Roitberg, A.; Seabra, G.; Wong, K. F.; Paesani, F.; Wu, X.; Brozell, S.; Tsui, V.; Gohlke, H.; Yang, L.; Tan, C.; Mongan, J.; Hornak, V.; Cui, G.; Beroza, P.; Mathews, D. H.; Schafmeister, C.; Ross, W. S.; Kollman, P. A. AMBER 9; University of California: San Francisco, CA, 2006.
104. Berendsen, H. J. C.; Grigera, J. R.; Straatsma, T. P. J. Phys. Chem. 1987, 91, 6269-6271.
105. Grishina, N.; Buch, V. Chem. Phys. Lett. 2003, 379, 418-426.
106. Kuo, I. F. W.; Mundy, C. J. Science 2004, 303, 658-660.
107. Auer, B.; Kumar, R.; Schmidt, J. R.; Skinner, J. L. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2007, 104, 14215-14220.
108. Soper, A. K.; Phillips, M. G. Chem. Phys. 1986, 107, 47-60.
109. Bjerrum, N. Science 1952, 115, 385-390.
110. Dunitz, J. D. Nature 1963, 197, 860-862.
111. Debenedetti, P. G.; Stanley, H. E. Phys. Today 2003, 56, 40-46.
112. Nemethy, G.; Scheraga, H. A. J. Chem. Phys. 1962, 36, 3382-3400.
113. Huang, C.; Wikfeldt, K. T.; Tokushima, T.; Nordlund, D.; Harada, Y.; Bergmann, U.; Niebuhr, M.; Weiss, T. M.; Horikawa, Y.; Leetmaa, M.; Ljungberg, M. P.; Takahashi, O.; Lenz, A.; Ojamae, L.; Lyubartsev, A. P.; Shin, S.; Pettersson, L. G. M.; Nilsson, A. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2009, 106, 15214-15218.
114. Tanaka, H. Phys. Rev. Lett. 1998, 80, 113-116.
115. Pauling, L. J. Am. Chem. Soc. 1935, 57, 2680-2684.
116. NIST chemistry webbook, NIST standard reference database number 69, http://webbook.nist.gov/chemistry/.
117. Lin, S. T.; Maiti, P. K.; Goddard, W. A. J. Phys. Chem. B 2010, 114, 8191-8198.
118. Angell, C. A. Science 2008, 319, 582-587.
119. Speedy, R. J. J. Phys. Chem. 1987, 91, 3354-3358.
120. Wagner, W.; Pruss, A. J. Phys. Chem. Ref. Data 2002, 31, 387-535.
121. Loparo, J. J.; Fecko, C. J.; Eaves, J. D.; Roberts, S. T.; Tokmakoff, A. Phys. Rev. B 2004, 70, 180201.
122. Bakker, H. J.; Rezus, Y. L. A.; Timmer, R. L. A. J. Phys. Chem. A 2008, 112, 11523-11534.
123. Smith, D. W. G.; Powles, J. G. Mol. Phys. 1966, 10, 451-463.
124. Lang, E.; Ludemann, H. D. J. Chem. Phys. 1977, 67, 718-723.
125. Woutersen, S.; Emmerichs, U.; Bakker, H. J. Science 1997, 278, 658-660.
126. Jana, B.; Bagchi, B. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 2221-2224.
127. Malaspina, D. C.; Fris, J. A. R.; Appignanesi, G. A.; Sciortino, F. Europhys. Lett. 2009, 88, 16003.
128. Svishchev, I. M.; Kusalik, P. G. Chem. Phys. Lett. 1993, 215, 596-600.
129. Angell, C. A.; Finch, E. D.; Woolf, L. A.; Bach, P. J. Chem. Phys. 1976, 65, 3063-3074.
130. Wilbur, D. J.; Defries, T.; Jonas, J. J. Chem. Phys. 1976, 65, 1783-1786.
131. Evans, M. G.; Polanyi, M. Trans. Faraday Soc. 1935, 31, 875-894.
132. Eyring, H. J. Chem. Phys. 1935, 3, 107-115.
133. Haas, C. Phys. Lett. 1962, 3, 126-128.
134. Onsager, L.; Runnels, L. K. J. Chem. Phys. 1969, 50, 1089-1103.
135. Singwi, K. S.; Sjolander, A. Phys. Rev. 1960, 119, 863-871.
136. Wang, J. H. J. Phys. Chem. 1965, 69, 4412.
137. Agmon, N. J. Phys. Chem. 1996, 100, 1072-1080.
138. Angell, C. A. Science 1995, 267, 1924-1935.
139. Stillinger, F. H. Science 1995, 267, 1935-1939.
140. Fellers, R. S.; Leforestier, C.; Braly, L. B.; Brown, M. G.; Saykally, R. J. Science 1999, 284, 945-948.