Skip to main content
Log in

Calix[4]arene-p-sulfonic acid hydrates [CH2(OH)C6H2SO3H]4nH2O (n = 6, 8, 9, 10, 12): a quantum chemical study

  • Full Articles
  • Published:
Russian Chemical Bulletin Aims and scope

Abstract

The cluster structures of calix[4]arene-p-sulfonic acid hydrates [CH2(OH)C6H2SO3H]4nH2O (n = 6, 8, 9, 10, 12) and the activation barriers to proton migration in them were studied as functions of the number of water molecules (n) within the framework of the density functional theory using the gradient-corrected methods PBE/PAW and B3LYP/6-31G** in the cluster approximation. The average attachment energy of a water molecule calculated for calix[4]arenep-sulfonic acid polyhydrates is 0.5—0.7 eV, while the calculated activation barriers to proton transfer are close to experimental values (0.2—0.4 eV) and depend on the number of water molecules per SO3H group.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Similar content being viewed by others

References

  1. Proton Conductors: Solids, Membranes and Gels–Materials and Devices, Ed. Ph. Colomban, Camb. Univ. Press, Cambridge, 1992.

  2. K. D. Kreuer, Chem. Mater., 1996, 8, 610.

    Article  CAS  Google Scholar 

  3. Y. Wang, K. S. Chen, J. Mishler, S. C. Cho, X. C. Adroher, Appl. Energy, 2011, 88, 981.

    Article  CAS  Google Scholar 

  4. A. B. Yaroslavtsev, Yu. A. Dobrovolsky, N. S. Shaglaeva, L. A. Frolova, E. V. Gerasimova, E. A. Sanginov, Russ. Chem. Rev., 2012, 81, 191.

    Article  CAS  Google Scholar 

  5. H. Zhang, P. K. Shen, Chem. Rev., 2012, 112, 2780.

    Article  CAS  Google Scholar 

  6. Yu. A. Dobrovolsky, E. V. Volkov, A. V. Pisareva, Yu. A. Fedotov, D. Yu. Likhachev, A. L. Rusanov, Russ. J. Gen. Chem. (Engl. Transl.), 2007, 77, 766 [Ros. Khim. J., 2007, 50, 95].

    Article  Google Scholar 

  7. S. S. Ivanchev, S. V. Myakin, Russ. Chem. Rev., 2010, 79, 101.

    Article  CAS  Google Scholar 

  8. V. V. Rodionov, A. M. Mikhailova, N. G. Bukun, Russ._J. Electrochem. (Engl. Transl.), 1996, 32, 464 [Elektrokhimiya, 1996, 32, 503].

    CAS  Google Scholar 

  9. N. Bukun, V. Rodionov, A. Mikhailova, Yu. Dobrovolsky, Solid State Ionics, 1997, 97, 257.

    Article  CAS  Google Scholar 

  10. A. V. Pisareva, G. V. Shilov, A. I. Karelin, Yu. A. Dobrovolsky, Russ. J. Phys. Chem. A (Engl. Transl.), 2008, 82, 355 [Zh. Fiz. Khim., 2008, 82, 433].

    CAS  Google Scholar 

  11. A. V. Pisareva, G. V. Shilov, A. I. Karelin, R. V. Pisarev, Yu. A. Dobrovolsky, Russ. Chem. Bull. (Int. Ed.), 2008, 57, 364 [Izv. Akad. Nauk. Ser. Khim., 2008, 356].

    Article  CAS  Google Scholar 

  12. A. V. Pisareva, G. V. Shilov, A. I. Karelin, Yu. A. Dobrovolsky, R. V. Pisarev, Russ. J. Phys. Chem. A (Engl. Transl.), 2010, 84, 444 [Zh. Fiz. Khim., 2010, 84, 514].

    Article  CAS  Google Scholar 

  13. O. S. Filipenko, I. I. Chuev, L. S. Leonova, G. V. Shilov, S. M. Aldoshin, Dokl. Phys. Chem. (Engl. Transl.), 2001, 376, 27 [Dokl. Akad. Nauk, 2001, 376, 501].

    Article  Google Scholar 

  14. E. M. Garanin, Yu. V. Tolmachev, S. D. Bunge, A. K. Khitrin, A. N. Turanov, A. Malkovskiy, A. P. Sokolov, J. Solid State Electrochem., 2011, 15, 549.

    Article  CAS  Google Scholar 

  15. T. S. Zyubina, L. V. Shmygleva, R. V. Pisarev, A. S. Zyubin, A. V. Pisareva, Yu. A. Dobrovolsky, Russ. Chem. Bull. (Int. Ed.), 2012, 61, 1521 [Izv. Akad. Nauk. Ser. Khim., 2012, 1505].

    Article  CAS  Google Scholar 

  16. D. R. Stewart, C. D. Gutsche, J. Am. Chem. Soc., 1999, 121, 4136.

    Article  CAS  Google Scholar 

  17. S. Shinkai, K. Araki, T. Tsubaki, T. Arimura, O. Manabe, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 1987, 2297.

    Google Scholar 

  18. S. Shinkai, K. Araki, T. Matsuda, N. Nishiyama, H. Ikeda, I. Takasu, M. Iwamoto, J. Am. Chem. Soc., 1990, 112, 9053.

    Article  CAS  Google Scholar 

  19. S. Shinkai, T. Arimura, K. Araki, H. Kawabata, H. Satoh, T. Tsubaki, O. Manabe, J. Sunamoto, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 1989, 2039.

    Google Scholar 

  20. S. Shinkai, K. Araki, T. Matsuda, O. Manabe, Bull. Chem. Soc. Jpn, 1989, 62, 3856.

    Article  CAS  Google Scholar 

  21. S. Shinkai, S. Mori, T. Tsubaki, T. Sone, O. Manabe, Tetrahedron Lett., 1984, 25, 5315.

    Article  CAS  Google Scholar 

  22. A. V. Pisareva, R. V. Pisarev, A. I. Karelin, L. V. Shmygleva, I. S. Antipin, A. I. Konovalov, S. E. Solovieva, Yu. A. Dobrovolsky, S. M. Aldoshin, Russ. Chem. Bull. (Int. Ed.), 2012, 61, 1892 [Izv. Akad. Nauk. Ser. Khim., 2012, 1877].

    Article  CAS  Google Scholar 

  23. L. V. Shmygleva, A. V. Pisareva, R. V. Pisarev, A. E. Ukshe, Yu. A. Dobrovolśkii, Russ. J. Electrochem. (Engl. Transl.), 2013, 49, 801 [Elektrokhimiya, 2013, 49, 893].

    Article  CAS  Google Scholar 

  24. A. E. Ukshe, L. V. Shmygleva, A. V. Pisareva, N. G. Bukun, Yu. A. Dobrovolśkii, Russ. J. Electrochem. (Engl. Transl.), 2013, 49, 807 [Elektrokhimiya, 2013, 49, 899].

    Article  CAS  Google Scholar 

  25. O. Nakamura, T. Kodama, I. Ogino, Y. Miyake, Chem. Lett., 1979, 8, 17.

    Article  Google Scholar 

  26. O. Nakamura, I. Ogino, T. Kodama, Solid State Ionics, 1981, 3-4, 347.

    Article  CAS  Google Scholar 

  27. A. Hardwick, P. G. Dickens, R. C. T. Slade, Solid State Ionics, 1984, 13, 345.

    Article  CAS  Google Scholar 

  28. A. I. Korosteleva, L. S. Leonova, E. A. Ukshe, Sov. Electrochem. (Engl. Transl.), 1987, 23, 1266 [Elektrokhimiya, 1987, 23, 1349].

    Google Scholar 

  29. K. D. Kreuer, M. Hampele, K. Dolde, A. Rabenau, Solid State Ionics, 1988, 28-30, 589.

    Article  Google Scholar 

  30. L. A. Fisun, V. N. Pak, J. Appl. Chem. (Engl. Transl.), 1992, 65, 213 [Zh. Prikl. Khim., 1992,65, 260].

    Google Scholar 

  31. A. I. Chikin, A. V. Chernyak, Z. Jin, Yu. S. Naumova, A. E. Ukshe, N. V. Smirnova, V. I. Volkov, Yu. A. Dobrovolsky, J. Solid State Electrochem., 2012, 16, 2767.

    Article  CAS  Google Scholar 

  32. P. C. Rieke, N. E. Vanderborgh, J. Membr. Sci., 1987, 32, 313.

    Article  CAS  Google Scholar 

  33. T. A. Zawodzinski, Jr, T. E. Springer, F. Uribe, S. Gottesfeld, Solid State Ionics, 1993, 60, 199.

    Article  CAS  Google Scholar 

  34. T. A. Zawodzinski, Jr., C. Derouin, S. Radzinski, R. J. Sherman, V. T. Smith, T. E. Springer, S. Gottesfeld, J. Electrochem. Soc., 1993, 140, 1041.

    Article  CAS  Google Scholar 

  35. T. A. Zawodzinski, Jr., T. E. Springer, J. Davey, R. Jestel, C. Lopez, J. Valerio, S. Gottesfeld, J. Electrochem. Soc., 1993, 140, 1981.

    Article  CAS  Google Scholar 

  36. Y. Sone, P. Ekdunge, D. Simonsson, J. Electrochem. Soc., 1996, 143, 1254.

    Article  CAS  Google Scholar 

  37. A. V. Anantaraman, C. L. Gardner, J. Electroanal. Chem., 1996, 414, 115.

    Google Scholar 

  38. S. Slade, S. A. Campbell, T. R. Ralph, F. C. Walsh, J. Electrochem. Soc., 2002, 149, A1556.

    Article  CAS  Google Scholar 

  39. H. Wang, B. A. Holmberg, L. Huang, Z. Wang, A. Mitra, J. M. Norbeck, Y. Yan, J. Mater. Chem., 2002, 12, 834.

    Article  CAS  Google Scholar 

  40. E. L. Thompson, T. W. Capehart, T. J. Fuller, J. Jorne, J. Electrochem. Soc., 2006, 153, A2351.

    Article  CAS  Google Scholar 

  41. L. Maldonado, J.-Ch. Perrin, J. Dillet, O. Lottin, J. Membr. Sci., 2012, 389, 43.

    Article  CAS  Google Scholar 

  42. Y. Israeli, G. P. A. Yap, C. Detellier, Supramol. Chem., 2001, 12, 457.

    Article  CAS  Google Scholar 

  43. Y.-M. Legrand, A. van der Lee, M. Barboiu, Science, 2010, 329, 299.

    Article  CAS  Google Scholar 

  44. S. J. Dalgarno, C. L. Raston, Dalton Trans., 2003, 287.

    Google Scholar 

  45. S. J. Dalgarno, J. L. Atwood, C. L. Raston, Cryst. Growth Des., 2007, 7, 1762.

    Article  CAS  Google Scholar 

  46. J. L. Atwood, A. W. Coleman, H. Zhang, S.G. Bott, J. Inclusion Phenom. Mol. Recogn. Chem., 1989, 7, 203.

    Article  CAS  Google Scholar 

  47. Z. Asfari, J. Harrowfield, P. Thuery, J. Vicens, Supramol. Chem., 2003, 15, 69.

    Article  CAS  Google Scholar 

  48. A. W. Coleman, S. G. Bott, S. D. Morley, C. M. Means, K. D. Robinson, H. Zhang, J. L. Atwood, Angew. Chem., Int. Ed., 1988, 27, 1361.

    Article  Google Scholar 

  49. R.-G. Lin, L.-S. Long, R.-B. Huang, L.-S. Zheng, Inorg. Chem. Commun., 2007, 10, 1257.

    Article  CAS  Google Scholar 

  50. J. L. Atwood, G. W. Orr, N. C. Means, F. Hamada, H. Zhang, S. G. Bott, K. D. Robinson, Inorg. Chem., 1992, 31, 603.

    Article  CAS  Google Scholar 

  51. J. L. Atwood, L. J. Barbour, S. Dalgarno, C. L. Raston, H. R. Webb, J. Chem. Soc., Dalton Trans., 2002, 4351.

    Google Scholar 

  52. M. Makha, A. N. Sobolev, Cryst. Growth Des., 2007, 7, 1441.

    Article  CAS  Google Scholar 

  53. S. J. Dalgarno, M. J. Hardie, C. L. Raston, Cryst. Growth Des., 2004, 4, 227.

    Article  CAS  Google Scholar 

  54. F. Gandara, E. Gutierrez-Puebla, M. Iglesias, N. Snejko, M. A. Monge, Cryst. Growth Des., 2010, 10, 128.

    Article  CAS  Google Scholar 

  55. J. L. Atwood, D. L. Clark, R. K. Juneja, G. W. Orr, K. D. Robinson, R. L. Vincent, J. Am. Chem. Soc., 1992, 114, 7558.

    Article  CAS  Google Scholar 

  56. T. E. Clark, M. Makha, A. N. Sobolev, H. Rohrs, J. L. Atwood, C. L. Raston, Chem. Eur. J., 2008, 14, 3931.

    Article  CAS  Google Scholar 

  57. A. Ikeda, S. Shinkai, Chem. Rev., 1997, 97, 1713.

    Article  CAS  Google Scholar 

  58. J. K. Khedkar, R. V. Pinjari, S. P. Gejji, J. Phys. Chem. A, 2011, 115, 10624.

    Article  CAS  Google Scholar 

  59. L. Liu, L. N. Zakharov, J. A. Golen, A. L. Rheingold, T. A. Hanna, Inorg. Chem., 2008, 47, 11143.

    Article  CAS  Google Scholar 

  60. T. S. Zyubina, Russ. Chem. Bull. (Int. Ed.), 2009, 58, 1581 [Izv. Akad. Nauk, Ser. Khim., 2009, 1534].

    Article  CAS  Google Scholar 

  61. T. S. Zyubina, A. V. Pisareva, Yu. A. Dobrovolsky, A. S. Zyubin, G. A. Pokatovich, I. S. Irgibaeva, S. H. Lin, A. M. Mebel´, Russ. J. Electrochem. (Engl. Transl.), 2007, 43, 502 [Elektrokhimiya, 2007, 43, 528].

    Article  CAS  Google Scholar 

  62. T. S. Zyubina, Russ. J. Inorg. Chem. (Engl. Transl.), 2008, 53, 1438 [Zh. Neorgan. Khim., 2008, 53, 1537].

    Article  Google Scholar 

  63. G. Kresse, D. Joubert, Phys. Rev. B, 1999, 59, 1758.

    Article  CAS  Google Scholar 

  64. G. Kresse, J. Hafner, Phys. Rev. B, 1993, 47, 558.

    Article  CAS  Google Scholar 

  65. G. Kresse, J. Hafner, Phys. Rev. B, 1994, 49, 14251.

    Article  CAS  Google Scholar 

  66. G. Kresse, J. Furthmuller, Comput. Mater. Sci., 1996, 6, 15.

    Article  CAS  Google Scholar 

  67. G. Kresse, J. Furthmuller, Phys. Rev. B, 1996, 54, 11169.

    Article  CAS  Google Scholar 

  68. M. Methfessel, A. T. Paxton, Phys. Rev. B, 1989, 40, 3616.

    Article  CAS  Google Scholar 

  69. A. D. Becke, J. Chem. Phys., 1993, 98, 5648.

    Article  CAS  Google Scholar 

  70. M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, J. A. Montgomery, Jr., T. Vreven, K. N. Kudin, J. C. Burant, J. M. Millam, S. S. Iyengar, J. Tomasi, V. Barone, B. Mennucci, M. Cossi, G. Scalmani, N. Rega, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, M. Klene, X. Li, J. E. Knox, H. P. Hratchian, J. B. Cross, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J. W. Ochterski, P. Y. Ayala, K. Morokuma, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, V. G. Zakrzewski, S. Dapprich, A. D. Daniels, M. C. Strain, O. Farkas, D. K. Malick, A. D. Rabuck, K. Raghavachari, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, Q. Cui, A. G. Baboul, S. Clifford, J. Cioslowski, B. B. Stefanov, G. Liu, A. Liashenko, P. Piskorz, I. Komaromi, R. L. Martin, D. J. Fox, T. Keith, M. A. Al-Laham, C. Y. Peng, A. Nanayakkara, M. Challacombe, P. M. W. Gill, B. Johnson, W. Chen, M. W. Wong, C. Gonzalez, J. A. Pople, Gaussian 03, Revision B.03, Gaussian, Inc., Pittsburgh (PA), 2003.

    Google Scholar 

  71. J. K. Khedkar, M. M. Deshmukh, S. R. Gadre, S. P. Gejji, J. Phys. Chem. A, 2012, 116, 3739.

    Article  CAS  Google Scholar 

  72. Y. K. Lau, S. Ikuta, P. Kebarle, J. Am. Chem. Soc., 1982, 104, 1462.

    Article  CAS  Google Scholar 

  73. M. D. Newton, J. Chem. Phys., 1977, 67, 5535.

    Article  CAS  Google Scholar 

  74. N. Hontama, Y. Inokuchi, T. Ebata, C. Dedonder-Lardeux, C. Jouvet, S. S. Xantheas, J. Phys. Chem. A, 2010, 114, 2967.

    Article  CAS  Google Scholar 

  75. J.-P. Scharff, M. Mahjoubi, R. Perrin, N. J. Chem., 1991, 15, 883.

    CAS  Google Scholar 

  76. Vl. V. Voevodin, S. A. Zhumatiy, S. I. Sobolev, A. S. Antonov, P. A. Bryzgalov, D. A. Nikitenko, K. S. Stefanov, Vad. V. Voevodin, Praktika superkompýutera "Lomonosov" [Practice of the Lomonosov Supercomputer], Otkrytye Sistemy [Open Systems], Open Systems Publ., Moscow, 2012, Iss. 7 (in Russian). Also available on the Internet at http://www.osp.ru/os/2012/07/13017641/.

    Google Scholar 

Download references

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to T. S. Zyubina.

Additional information

Published in Russian in Izvestiya Akademii Nauk. Seriya Khimicheskaya, No. 11, pp. 2632—2641, November, 2015.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Check for updates. Verify currency and authenticity via CrossMark

Cite this article

Zyubina, T.S., Shmygleva, L.V., Pisarev, R.V. et al. Calix[4]arene-p-sulfonic acid hydrates [CH2(OH)C6H2SO3H]4nH2O (n = 6, 8, 9, 10, 12): a quantum chemical study. Russ Chem Bull 64, 2632–2641 (2015). https://doi.org/10.1007/s11172-015-1201-2

Download citation

  • Received:

  • Revised:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s11172-015-1201-2

Key words

Navigation