From single hydrogen bonds to extended hydrogen-bond wires: Low-dimensional model systems for vibrational spectroscopy of associated liquids

Angewandte Chemie - International Edition

Volumn 52, Issue 37, 2013, Pages 9634-9654

  Olschewski, Martin ^a   Knop, Stephan ^a   Lindner, Jörg ^a   Vöhringer, Peter ^a  

^a UNIVERSITY OF BONN   (Germany)

Author keywords

hydrogen bonds; IR spectroscopy; liquids; molecular dynamics; water

Indexed keywords

EXPERIMENTAL RESEARCH; EXPERIMENTAL TECHNIQUES; HYDROGEN BOND NETWORKS; HYDROGEN BONDED SYSTEMS; LOW-DIMENSIONAL MODELING; PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES; SPECTROSCOPIC SIGNATURES; TWO-DIMENSIONAL INFRARED SPECTROSCOPY;

COMPLEX NETWORKS; INFRARED SPECTROSCOPY; LIQUIDS; MOLECULAR DYNAMICS; STATISTICAL MECHANICS; STRUCTURAL DYNAMICS; TWO DIMENSIONAL; WATER;

HYDROGEN BONDS;

EID: 84883551111     PISSN: 14337851     EISSN: 15213773     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/anie.201210009     Document Type: Review

References (162)

1. J.-P. Hansen, I. R. McDonald, Theory of simple liquids, 3rd ed., Academic Press, London, 2009.
2. C. G. Maitland, M. Rigby, E. B. Smith, W. A. Wakeham, Intermolecular forces-their origin and determination, Clarendon, Oxford, 1981.
3. H. C. Andersen, Annu. Rev. Phys. Chem. 1975, 26, 145-166.
4. G. C. Pimentel, A. L. McClellan, The hydrogen bond, W. H. Freeman, San Francisco, 1960
5. G. A. Jeffrey, An intrduction to hydrogen bonding, Oxford University Press, New York, 1997
6. S. J. Grabowski, Hydrogen Bonding-New Insights, Vol. 3, Springer, Amsterdam, 2006.
7. K. Laasonen, M. Sprik, M. Parrinello, R. Car, J. Chem. Phys. 1993, 99, 9080-9089
8. C. Cavazzoni, G. L. Chiarotti, S. Scandolo, E. Tosatti, M. Bernasconi, M. Parrinello, Science 1999, 283, 44-46
9. D. Marx, M. E. Tuckerman, J. Hutter, M. Parrinello, Mol. Phys. 1999, 397, 601-604
10. P. L. Geissler, C. Dellago, D. Chandler, J. Hutter, M. Parrinello, Science 2001, 291, 2121-2124
11. I. F. W. Kuo, C. J. Mundy, M. J. McGrath, J. I. Siepmann, J. Chem. Theory Comput. 2006, 2, 1274-1281
12. F. Paesani, G. A. Voth, J. Phys. Chem. B 2009, 113, 5702-5719.
13. F. H. Stillinger, Int. J. Quant. Chem. 1978, 14, 649-657
14. M. L. Klein, I. R. McDonald, J. Chem. Phys. 1979, 71, 298-308
15. R. W. Impey, M. L. Klein, Chem. Phys. Lett. 1984, 104, 579-582
16. B. M. Ladanyi, M. S. Skaf, Annu. Rev. Phys. Chem. 1993, 44, 335-368
17. K. B. Lipkowitz, D. B. Boyd, A. Wallqvist, R. D. Mountain, J. Comp. Chem. 2007, 13, 183-247.
18. D. Eisenberg, W. Kauzmann, The structure and the properties of water, Oxford University Press, Oxford, 1969
19. F. Franks, in Water, A comprehensive treatise, Vol. 1 (Ed.:, F. Franks,), Plenum Press, New York, 1972
20. F. H. Stillinger, Science 1980, 209, 451-457
21. R. Ludwig, Angew. Chem. 2001, 113, 1856-1876
22. Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 1808-1827
23. Y. Maréchal, The hydrogen-bond and the water molecule, Elsevier, Amsterdam, 2007.
24. A. H. Narten, H. A. Levy, J. Chem. Phys. 1971, 55, 2263-2269
25. A. K. Soper, M. G. Phillips, Chem. Phys. 1986, 107, 47-60
26. A. K. Soper, F. Bruni, M. A. Ricci, J. Chem. Phys. 1997, 106, 247-254
27. G. Hura, J. M. Sorenson, R. M. Glaeser, T. Head-Gordon, J. Chem. Phys. 2000, 113, 9140-9148
28. J. M. Sorenson, G. Hura, R. M. Glaeser, T. Head-Gordon, J. Chem. Phys. 2000, 113, 9149-9161
29. P. Wernet, D. Nordlund, U. Bergmann, M. Cavalleri, M. Odelius, H. Ogasawara, L. Å. Näslund, T. K. Hirsch, L. Ojamäe, P. Glatzel, L. G. M. Pettersson, A. Nilsson, Science 2004, 304, 995-999.
30. C. J. Montrose, J. A. Bucaro, J. Mashall-Coakley, T. A. Litowitz, J. Chem. Phys. 1974, 60, 5025-5029
31. O. Conde, J. Teixeira, J. Phys. 1983, 44, 525-529.
32. J. Teixeira, M. C. Bellissent-Funel, S. H. Chen, J. Phys. Condens. Matter 1990, 2, Sa 105 -Sa 108.
33. G. Sposito, J. Chem. Phys. 1981, 74, 6943-6949.
34. N. Agmon, Chem. Phys. Lett. 1995, 244, 456-462.
35. G. R. Fleming, M. Cho, Annu. Rev. Phys. Chem. 1996, 47, 109-134.
36. T. Elsaesser, H. J. Bakker, Ultrafast Hydrogen Bonding Dynamics and Proton Transfer Processes in the Condensed Phase, Kluwer, Dordrecht, 2003.
37. H. K. Nienhuys, R. A. van Santen, H. J. Bakker, J. Chem. Phys. 2000, 112, 8487-8494
38. H. J. Bakker, Y. L. A. Rezus, R. L. A. Timmer, J. Phys. Chem. A 2008, 112, 11523-11534.
39. M. F. Kropman, H. K. Nienhuys, S. Woutersen, H. J. Bakker, J. Phys. Chem. A 2001, 105, 4622-4626
40. H. J. Bakker, H. K. Nienhuys, G. Gallot, N. Lascoux, G. M. Gale, J. C. Leicknam, S. Bratos, J. Chem. Phys. 2002, 116, 2592-2598
41. A. J. Lock, H. J. Bakker, J. Chem. Phys. 2002, 117, 1708-1713
42. J. Lindner, P. Vöhringer, M. S. Pshenichnikov, D. Cringus, D. A. Wiersma, M. Mostovoy, Chem. Phys. Lett. 2006, 421, 329-333
43. D. Schwarzer, J. Lindner, P. Vöhringer, J. Phys. Chem. A 2006, 110, 2858-2867
44. S. Ashihara, N. Huse, A. Espagne, E. T. J. Nibbering, T. Elsaesser, J. Phys. Chem. A 2007, 111, 743-746
45. L. Chieffo, J. Shattuck, J. J. Amsden, S. Erramilli, L. D. Ziegler, Chem. Phys. 2007, 341, 71-80
46. R. Rey, F. Ingrosso, T. Elsaesser, J. T. Hynes, J. Phys. Chem. A 2009, 113, 8949-8962
47. T. Schäfer, J. Lindner, P. Vöhringer, D. Schwarzer, J. Chem. Phys. 2009, 130, 224502-224508.
48. M. L. Cowan, B. D. Bruner, N. Huse, J. R. Dwyer, B. Chugh, E. T. J. Nibbering, T. Elsaesser, R. J. D. Miller, Nature 2005, 434, 199-202
49. J. Lindner, D. Cringus, M. S. Pshenichnikov, P. Vöhringer, Chem. Phys. 2007, 341, 326-335.
50. S. Woutersen, H. J. Bakker, Nature 1999, 402, 507-509.
51. S. Woutersen, H. J. Bakker, Phys. Rev. Lett. 1999, 83, 2077-2080
52. C. J. Fecko, J. D. Eaves, J. J. Loparo, A. Tokmakoff, P. L. Geissler, Science 2003, 301, 1698-1702
53. D. Schwarzer, J. Lindner, P. Vöhringer, J. Chem. Phys. 2005, 123, 161105
54. J. J. Loparo, S. T. Roberts, A. Tokmakoff, J. Chem. Phys. 2006, 125, 194521
55. D. Kraemer, M. L. Cowan, A. Paarmann, N. Huse, E. T. J. Nibbering, T. Elsaesser, R. J. D. Miller, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2008, 105, 437-442.
56. T. Steinel, J. B. Asbury, J. R. Zheng, M. D. Fayer, J. Phys. Chem. A 2004, 108, 10957-10964
57. C. J. Fecko, J. J. Loparo, S. T. Roberts, A. Tokmakoff, J. Chem. Phys. 2005, 122, 054506
58. R. Rey, J. T. Hynes, J. Chem. Phys. 1996, 104, 2356-2368
59. C. P. Lawrence, J. L. Skinner, J. Chem. Phys. 2002, 117, 5827-5838
60. C. P. Lawrence, J. L. Skinner, J. Chem. Phys. 2002, 117, 8847-8854
61. R. Rey, K. B. Møller, J. T. Hynes, J. Phys. Chem. A 2002, 106, 11993-11996
62. J. B. Asbury, T. Steinel, C. Stromberg, S. A. Corcelli, C. P. Lawrence, J. L. Skinner, M. D. Fayer, J. Phys. Chem. A 2004, 108, 1107-1119
63. C. P. Lawrence, J. L. Skinner, Chem. Phys. Lett. 2003, 369, 472-477
64. C. P. Lawrence, J. L. Skinner, J. Chem. Phys. 2003, 119, 3840-3848
65. K. B. Møller, R. Rey, J. T. Hynes, J. Phys. Chem. A 2004, 108, 1275-1289
66. R. Rey, K. B. Møller, J. T. Hynes, Chem. Rev. 2004, 104, 1915-1928
67. D. Laage, J. T. Hynes, Science 2006, 311, 832-835
68. D. Laage, J. T. Hynes, J. Phys. Chem. B 2008, 112, 14230-14242
69. H. J. Bakker, J. L. Skinner, Chem. Rev. 2010, 110, 1498-1517
70. C. Falvo, B. Palmieri, S. Mukamel, J. Chem. Phys. 2009, 130, 184501
71. A. Paarmann, T. Hayashi, S. Mukamel, R. J. D. Miller, J. Chem. Phys. 2009, 130, 204110-204113
72. T. L. C. Jansen, B. M. Auer, M. Yang, J. L. Skinner, J. Chem. Phys. 2010, 132, 224503.
73. E. T. J. Nibbering, T. Elsaesser, Chem. Rev. 2004, 104, 1887-1914
74. S. T. Roberts, K. Ramasesha, A. Tokmakoff, Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1239-1249.
75. M. Cho, Two-dimensional optical spectroscopy, CRC, Boca Raton, 2009
76. P. Hamm, M. T. Zanni, Concepts and Methods of 2D Infrared Spectroscopy, Cambridge University Press, Cambridge, 2011.
77. S. Rybak, B. Jeziorski, K. Szalewicz, J. Chem. Phys. 1991, 95, 6576-6601
78. K. Kim, K. D. Jordan, J. Phys. Chem. 1994, 98, 10089-10094
79. S. S. Xantheas, J. Chem. Phys. 1996, 104, 8821-8824
80. W. Klopper, J. G. C. M. van Duijneveldt-van de Rijdt, F. B. van Duijneveldt, Phys. Chem. Chem. Phys. 2000, 2, 2227-2234
81. G. S. Tschumper, M. L. Leininger, B. C. Hoffman, E. F. Valeev, H. F. Schaefer, M. Quack, J. Chem. Phys. 2002, 116, 690-701.
82. H. G. Kjaergaard, A. L. Garden, G. M. Chaban, R. B. Gerber, D. A. Matthews, J. F. Stanton, J. Phys. Chem. A 2008, 112, 4324-4335.
83. W. S. Benedict, N. Gailar, E. K. Plyler, J. Chem. Phys. 1956, 24, 1139-1165
84. L. Fredin, B. Nelander, G. Ribbegard, J. Chem. Phys. 1977, 66, 4065-4072.
85. E. H. T. Olthof, A. van der Avoird, P. E. S. Wormer, J. G. Loeser, R. J. Saykally, J. Chem. Phys. 1994, 101, 8443-8454
86. K. Liu, J. D. Cruzan, R. J. Saykally, Science 1996, 271, 929-933
87. T. Häber, U. Schmitt, M. A. Suhm, Phys. Chem. Chem. Phys. 1999, 1, 5573-5582
88. F. N. Keutsch, R. J. Saykally, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2001, 98, 10533-10540
89. R. W. Larsen, P. Zielke, M. A. Suhm, J. Chem. Phys. 2007, 126, 194307
90. M. A. Suhm, Adv. Chem. Phys. 2009, 142, 1-57
91. T. N. Wassermann, M. A. Suhm, J. Phys. Chem. A 2010, 114, 8223-8233.
92. M. N. Afsar, J. B. Hasted, J. Opt. Soc. Am. 1977, 67, 902-904
93. M. N. Afsar, J. B. Hasted, Infrared Phys. 1978, 18, 835-841.
94. J. T. Kindt, C. A. Schmuttenmaer, J. Chem. Phys. 1997, 106, 4389-4400
95. M. Heyden, J. Sun, S. Funkner, G. Mathias, H. Forbert, M. Havenith, D. Marx, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2010, 107, 12068-12073.
96. G. E. Walrafen, J. Phys. Chem. 1990, 94, 2237-2239.
97. K. Winkler, J. Lindner, H. Bürsing, P. Vöhringer, J. Chem. Phys. 2000, 113, 4674-4682
98. K. Winkler, J. Lindner, P. Vöhringer, Phys. Chem. Chem. Phys. 2002, 4, 2144-2155.
99. A. Kandratsenka, D. Schwarzer, P. Vöhringer, J. Chem. Phys. 2008, 128, 244510-244516.
100. S. Mukamel, Principles of nonlinear optical spectroscopy, Oxford University Press, New York, 1995.
101. J. T. Fourkas, Annu. Rev. Phys. Chem. 2002, 53, 17-40.
102. K. Lazonder, M. S. Pshenichnikov, D. A. Wiersma, Opt. Lett. 2006, 31, 3354-3356
103. S. T. Roberts, J. J. Loparo, A. Tokmakoff, J. Chem. Phys. 2006, 125, 084502.
104. J. C. Owrutsky, D. Raftery, R. M. Hochstrasser, Annu. Rev. Phys. Chem. 1994, 45, 519-553.
105. P. Hamm, M. H. Lim, R. M. Hochstrasser, J. Phys. Chem. B 1998, 102, 6123-6138.
106. M. C. Asplund, M. T. Zanni, R. M. Hochstrasser, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2000, 97, 8219-8224
107. L. P. DeFlores, R. A. Nicodemus, A. Tokmakoff, Opt. Lett. 2007, 32, 2966-2968
108. J. Helbing, P. Hamm, J. Opt. Soc. Am. B 2011, 28, 171-178.
109. V. Cervetto, J. Helbing, J. Bredenbeck, P. Hamm, J. Chem. Phys. 2004, 121, 5935-5942.
110. S. H. Shim, M. T. Zanni, Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 748-761
111. D. B. Strasfeld, S. H. Shim, M. T. Zanni, Adv. Chem. Phys. 2009, 141, 1-28.
112. E. B. Wilson, Jr., J. C. Decius, P. C. Cross, Molecular vibrations, The theory of infrared and Raman vibrational spectra, McGraw-Hill, London, 1955.
113. H. Graener, G. Seifert, J. Chem. Phys. 1993, 98, 36-45
114. H. Graener, G. Seifert, A. Laubereau, Chem. Phys. 1993, 175, 193-204
115. T. L. C. Jansen, D. Cringus, M. S. Pshenichnikov, J. Phys. Chem. A 2009, 113, 6260-6265.
116. W. Saenger, C. Betzel, B. Hingerty, G. M. Brown, Nature 1982, 296, 581-583
117. W. Saenger, C. Betzel, B. Hingerty, G. M. Brown, Angew. Chem. 1983, 95, 908-909
118. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1983, 22, 883-884
119. J. E. H. Koehler, W. Saenger, W. F. Gunsteren, Eur. Biophys. J. 1988, 16, 153-168
120. M. Olschewski, J. Lindner, P. Vöhringer, Angew. Chem. 2013, 125, 2663-2667
121. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 2602-2605.
122. R. G. Gilbert, S. C. Smith, Theory of Unimolecular and Recombination Reactions, Blackwell Scientific, Oxford, 1990.
123. S. Woutersen, Y. Mu, G. Stock, P. Hamm, Chem. Phys. 2001, 266, 137-147
124. Y. S. Kim, R. M. Hochstrasser, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 11185-11190
125. J. Zheng, K. Kwak, J. Asbury, X. Chen, I. R. Piletic, M. D. Fayer, Science 2005, 309, 1338-1343
126. K. Kwak, J. Zheng, H. Cang, M. D. Fayer, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 19998
127. J. F. Cahoon, K. R. Sawyer, J. P. Schlegel, C. B. Harris, Science 2008, 319, 1820-1823
128. M. D. Fayer, Annu. Rev. Phys. Chem. 2009, 60, 21-38.
129. A. D. Bain, Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 2003, 43, 63-103.
130. M. Quack, M. A. Suhm, Chem. Phys. Lett. 1990, 171, 517-524
131. M. Quack, M. A. Suhm, J. Chem. Phys. 1991, 95, 28-59
132. M. Quack, M. A. Suhm, Chem. Phys. Lett. 1991, 183, 187-194.
133. H. Graener, T. Q. Ye, J. Phys. Chem. 1989, 93, 5963-5965
134. H. Graener, T. Q. Ye, A. Laubereau, J. Chem. Phys. 1989, 91, 1043-1046
135. H. Graener, T. Q. Ye, A. Laubereau, J. Chem. Phys. 1989, 90, 3413-3416
136. S. Woutersen, U. Emmerichs, H. J. Bakker, J. Chem. Phys. 1997, 107, 1483-1490
137. N. E. Levinger, P. H. Davis, M. D. Fayer, J. Chem. Phys. 2001, 115, 9352-9360
138. K. J. Gaffney, P. H. Davis, I. R. Piletic, N. E. Levinger, M. A. Fayer, J. Phys. Chem. A 2002, 106, 12012-12023
139. K. J. Gaffney, I. R. Piletic, M. D. Fayer, J. Phys. Chem. A 2002, 106, 9428-9435.
140. B. M. Auer, J. L. Skinner, J. Chem. Phys. 2008, 128, 224511-224512
141. A. Paarmann, T. Hayashi, S. Mukamel, R. J. D. Miller, J. Chem. Phys. 2008, 128, 191103-191105
142. M. Yang, J. L. Skinner, J. Chem. Phys. 2011, 135, 164505.
143. I. Paterson, J. P. Scott, Tetrahedron Lett. 1997, 38, 7445-7448
144. I. Paterson, J. P. Scott, J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1 1999, 1003-1014.
145. J. Seehusen, J. Lindner, D. Schwarzer, P. Vöhringer, Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 8484-8495
146. S. Knop, T. L. Jansen, J. Lindner, P. Vöhringer, Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 4641-4650.
147. H. Fidder, J. Knoester, D. A. Wiersma, J. Chem. Phys. 1991, 95, 7880-7890.
148. M. W. Parson, Modern optical spectroscopy, Springer, Berlin, 2007.
149. J. T. King, C. R. Baiz, K. J. Kubarych, J. Phys. Chem. A 2010, 114, 10590-10604.
150. R. M. Hexter, J. Chem. Phys. 1960, 33, 1833-1841.
151. A. Remorino, R. M. Hochstrasser, Acc. Chem. Res. 2012, 45, 1896-1905.
152. A. Staib, J. T. Hynes, Chem. Phys. Lett. 1993, 204, 197-205.
153. E. R. Lippincott, R. Schroeder, J. Chem. Phys. 1955, 23, 1099-1106.
154. K. Kwac, E. Geva, J. Phys. Chem. B 2011, 115, 9184-9194
155. K. Kwac, E. Geva, J. Phys. Chem. B 2012, 116, 2856-2866.
156. P. Hamm, G. Stock, Phys. Rev. Lett. 2012, 109, 173201.
157. J. Bredenbeck, A. Ghosh, H. K. Nienhuys, M. Bonn, Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1332-1342
158. J. A. Mondal, S. Nihonyanagi, S. Yamaguchi, T. Tahara, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 10656-10657
159. W. Xiong, J. E. Laaser, R. D. Mehlenbacher, M. T. Zanni, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2011, 108, 20902-20907.
160. S. Garrett-Roe, P. Hamm, J. Chem. Phys. 2008, 128, 104507-104513
161. S. Garrett-Roe, P. Hamm, Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1412-1422
162. S. Garrett-Roe, F. Perakis, F. Rao, P. Hamm, J. Phys. Chem. B 2011, 115, 6976-6984.