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Emel'yanenko VN, Stange P, Feder-Kubis J, Verevkin SP, Ludwig R. Dissecting intermolecular interactions in the condensed phase of ibuprofen and related compounds: the specific role and quantification of hydrogen bonding and dispersion forces. Phys Chem Chem Phys 2020; 22:4896-4904. [PMID: 31930249 DOI: 10.1039/c9cp06641a] [Citation(s) in RCA: 8] [Impact Index Per Article: 2.0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 11/21/2022]
Abstract
Ibuprofen is a well-established non-steroidal anti-inflammatory drug, inhibiting the prostaglandin-endoperoxide synthase. One of the key features defining the ibuprofen structure is the doubly intermolecular O-HO[double bond, length as m-dash]C hydrogen bond in cyclic dimers as know from carboxylic acids and confirmed by X-ray analysis. Until now, there was neither information about the vaporization enthalpy of ibuprofen nor about how this thermal property is determined by the subtle balance between different types of intermolecular interaction. In this study we derive the vaporization enthalpy of ibuprofen from thermochemical experiments to be . We dissected the hydrogen bond energy, EHB = 45.0 kJ mol-1, exclusively from measured vaporization enthalpies of related aliphatic carboxylic acids, their homomorph methyl esters and alkyl acetates, respectively. This contribution from hydrogen bonding could be confirmed almost quantitatively from quantum chemical calculations of ibuprofen clusters, which also suggest dispersion interaction of similar order (Edisp = 47 kJ mol-1). Following the full analysis of the gas-vapor transition enthalpy, we studied the changing structural components from the solid to the liquid phase of ibuprofen by means of Attenuated Total Reflection Infrared (ATR-IR) spectroscopy. The cyclic dimers as observed in the X-ray patterns are essentially preserved in the liquid state just above the melting point. However, with increasing temperature the doubly hydrogen-bonded cyclic dimers are replaced by singly hydrogen-bonded linear dimers in the liquid ibuprofen. The transfer enthalpy from the temperature-dependent equilibria of both dimers as obtained from the IR intensity ratios of the vibrational bands quantifies for the first time the energy of the released, single hydrogen bond to be EHB = 21.0 kJ mol-1. Overall, we show that a combination of thermodynamics, infrared spectroscopy and quantum chemistry provides quantification and detailed understanding of structure and molecular interaction in ibuprofen and related compounds.
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Affiliation(s)
- V N Emel'yanenko
- Universität Rostock, Institut für Chemie, Abteilung für Physikalische Chemie, Dr.-Lorenz-Weg 2, 18059, Rostock, Germany.
| | - P Stange
- Universität Rostock, Institut für Chemie, Abteilung für Physikalische Chemie, Dr.-Lorenz-Weg 2, 18059, Rostock, Germany.
| | - J Feder-Kubis
- Faculty of Chemistry, Wroclaw University of Science and Technology, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław, Poland
| | - S P Verevkin
- Universität Rostock, Institut für Chemie, Abteilung für Physikalische Chemie, Dr.-Lorenz-Weg 2, 18059, Rostock, Germany. and Department LL&M, University of Rostock, Albert-Einstein-Str. 25, 18059, Rostock, Germany
| | - R Ludwig
- Universität Rostock, Institut für Chemie, Abteilung für Physikalische Chemie, Dr.-Lorenz-Weg 2, 18059, Rostock, Germany. and Department LL&M, University of Rostock, Albert-Einstein-Str. 25, 18059, Rostock, Germany and Leibniz-Institut für Katalyse an der Universität Rostock e.V., Albert-Einstein-Str. 29a, 18059 Rostock, Germany
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Khudozhitkov AE, Neumann J, Niemann T, Zaitsau D, Stange P, Paschek D, Stepanov AG, Kolokolov DI, Ludwig R. Hydrogen Bonding Between Ions of Like Charge in Ionic Liquids Characterized by NMR Deuteron Quadrupole Coupling Constants-Comparison with Salt Bridges and Molecular Systems. Angew Chem Int Ed Engl 2019; 58:17863-17871. [PMID: 31588622 PMCID: PMC6899581 DOI: 10.1002/anie.201912476] [Citation(s) in RCA: 32] [Impact Index Per Article: 6.4] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Grants] [Track Full Text] [Download PDF] [Figures] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 09/30/2019] [Indexed: 11/23/2022]
Abstract
We present deuteron quadrupole coupling constants (DQCC) for hydroxyl-functionalized ionic liquids (ILs) in the crystalline or glassy states characterizing two types of hydrogen bonding: The regular Coulomb-enhanced hydrogen bonds between cation and anion (c-a), and the unusual hydrogen bonds between cation and cation (c-c), which are present despite repulsive Coulomb forces. We measure these sensitive probes of hydrogen bonding by means of solid-state NMR spectroscopy. The DQCCs of (c-a) ion pairs and (c-c) H-bonds are compared to those of salt bridges in supramolecular complexes and those present in molecular liquids. At low temperatures, the (c-c) species successfully compete with the (c-a) ion pairs and dominate the cluster populations. Equilibrium constants obtained from molecular-dynamics (MD) simulations show van't Hoff behavior with small transition enthalpies between the differently H-bonded species. We show that cationic-cluster formation prevents these ILs from crystallizing. With cooling, the (c-c) hydrogen bonds persist, resulting in supercooling and glass formation.
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Affiliation(s)
- Alexander E. Khudozhitkov
- Boreskov Institute of CatalysisSiberian Branch of Russian Academy of SciencesProspekt Akademika Lavrentieva 5Novosibirsk630090Russia
- Novosibirsk State UniversityPirogova Street 2Novosibirsk630090Russia
| | - Jan Neumann
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische ChemieDr.-Lorenz-Weg 218059RostockGermany
| | - Thomas Niemann
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische ChemieDr.-Lorenz-Weg 218059RostockGermany
| | - Dzmitry Zaitsau
- Department LL&MUniversity of RostockAlbert-Einstein-Str. 2518059RostockGermany
| | - Peter Stange
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische ChemieDr.-Lorenz-Weg 218059RostockGermany
| | - Dietmar Paschek
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische ChemieDr.-Lorenz-Weg 218059RostockGermany
| | - Alexander G. Stepanov
- Boreskov Institute of CatalysisSiberian Branch of Russian Academy of SciencesProspekt Akademika Lavrentieva 5Novosibirsk630090Russia
- Novosibirsk State UniversityPirogova Street 2Novosibirsk630090Russia
| | - Daniil I. Kolokolov
- Boreskov Institute of CatalysisSiberian Branch of Russian Academy of SciencesProspekt Akademika Lavrentieva 5Novosibirsk630090Russia
- Novosibirsk State UniversityPirogova Street 2Novosibirsk630090Russia
| | - Ralf Ludwig
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische ChemieDr.-Lorenz-Weg 218059RostockGermany
- Department LL&MUniversity of RostockAlbert-Einstein-Str. 2518059RostockGermany
- Leibniz-Institut für Katalyse an der Universität Rostock e.V.Albert-Einstein-Str. 29a18059RostockGermany
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Khudozhitkov AE, Neumann J, Niemann T, Zaitsau D, Stange P, Paschek D, Stepanov AG, Kolokolov DI, Ludwig R. Hydrogen Bonding Between Ions of Like Charge in Ionic Liquids Characterized by NMR Deuteron Quadrupole Coupling Constants—Comparison with Salt Bridges and Molecular Systems. Angew Chem Int Ed Engl 2019. [DOI: 10.1002/ange.201912476] [Citation(s) in RCA: 5] [Impact Index Per Article: 1.0] [Reference Citation Analysis] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 01/10/2023]
Affiliation(s)
- Alexander E. Khudozhitkov
- Boreskov Institute of CatalysisSiberian Branch of Russian Academy of Sciences Prospekt Akademika Lavrentieva 5 Novosibirsk 630090 Russia
- Novosibirsk State University Pirogova Street 2 Novosibirsk 630090 Russia
| | - Jan Neumann
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische Chemie Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Germany
| | - Thomas Niemann
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische Chemie Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Germany
| | - Dzmitry Zaitsau
- Department LL&MUniversity of Rostock Albert-Einstein-Str. 25 18059 Rostock Germany
| | - Peter Stange
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische Chemie Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Germany
| | - Dietmar Paschek
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische Chemie Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Germany
| | - Alexander G. Stepanov
- Boreskov Institute of CatalysisSiberian Branch of Russian Academy of Sciences Prospekt Akademika Lavrentieva 5 Novosibirsk 630090 Russia
- Novosibirsk State University Pirogova Street 2 Novosibirsk 630090 Russia
| | - Daniil I. Kolokolov
- Boreskov Institute of CatalysisSiberian Branch of Russian Academy of Sciences Prospekt Akademika Lavrentieva 5 Novosibirsk 630090 Russia
- Novosibirsk State University Pirogova Street 2 Novosibirsk 630090 Russia
| | - Ralf Ludwig
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische Chemie Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Germany
- Department LL&MUniversity of Rostock Albert-Einstein-Str. 25 18059 Rostock Germany
- Leibniz-Institut für Katalyse an der Universität Rostock e.V. Albert-Einstein-Str. 29a 18059 Rostock Germany
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Affiliation(s)
- Nikolai V. Ignat'ev
- Institut für Anorganische Chemie; Institut für nachhaltige Chemie & Katalyse mit Bor (ICB); Julius-Maximilians-Universität Würzburg; Am Hubland 97074 Würzburg Germany
- Institut für nachhaltige Chemie & Katalyse mit Bor (ICB); Consultant, Merck KGaA; 64293 Darmstadt Germany
| | - Maik Finze
- Institut für Anorganische Chemie; Institut für nachhaltige Chemie & Katalyse mit Bor (ICB); Julius-Maximilians-Universität Würzburg; Am Hubland 97074 Würzburg Germany
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Zaitsau DH, Emel'yanenko VN, Stange P, Verevkin SP, Ludwig R. Dissecting the Vaporization Enthalpies of Ionic Liquids by Exclusively Experimental Methods: Coulomb Interaction, Hydrogen Bonding, and Dispersion Forces. Angew Chem Int Ed Engl 2019; 58:8589-8592. [DOI: 10.1002/anie.201904813] [Citation(s) in RCA: 14] [Impact Index Per Article: 2.8] [Reference Citation Analysis] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 04/17/2019] [Indexed: 11/09/2022]
Affiliation(s)
- Dzmitry H. Zaitsau
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische Chemie Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Germany
- Department LL&MUniversität Rostock Albert-Einstein-Str. 25 18059 Rostock Germany
| | - Vladimir N. Emel'yanenko
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische Chemie Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Germany
| | - Peter Stange
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische Chemie Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Germany
| | - Sergey P. Verevkin
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische Chemie Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Germany
- Department LL&MUniversität Rostock Albert-Einstein-Str. 25 18059 Rostock Germany
| | - Ralf Ludwig
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische Chemie Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Germany
- Department LL&MUniversität Rostock Albert-Einstein-Str. 25 18059 Rostock Germany
- Leibniz-Institut für Katalyse an der Universität Rostock e.V. Albert-Einstein-Str. 29a 18059 Rostock Germany
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Zaitsau DH, Emel'yanenko VN, Stange P, Verevkin SP, Ludwig R. Zerlegung der Verdampfungsenthalpien ionischer Flüssigkeiten durch rein experimentelle Methoden: Coulomb‐Wechselwirkung, Wasserstoffbrücken und Dispersionskräfte. Angew Chem Int Ed Engl 2019. [DOI: 10.1002/ange.201904813] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 11/11/2022]
Affiliation(s)
- Dzmitry H. Zaitsau
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische Chemie Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Deutschland
- Department LL&MUniversität Rostock Albert-Einstein-Str. 25 18059 Rostock Deutschland
| | - Vladimir N. Emel'yanenko
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische Chemie Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Deutschland
| | - Peter Stange
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische Chemie Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Deutschland
| | - Sergey P. Verevkin
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische Chemie Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Deutschland
- Department LL&MUniversität Rostock Albert-Einstein-Str. 25 18059 Rostock Deutschland
| | - Ralf Ludwig
- Universität RostockInstitut für ChemieAbteilung für Physikalische Chemie Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Deutschland
- Department LL&MUniversität Rostock Albert-Einstein-Str. 25 18059 Rostock Deutschland
- Leibniz-Institut für Katalyse an der Universität Rostock e.V. Albert-Einstein-Str. 29a 18059 Rostock Deutschland
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Khudozhitkov AE, Stange P, Golub B, Paschek D, Stepanov AG, Kolokolov DI, Ludwig R. Charakterisierung von Wasserstoffbrücken zwischen Ionen in protischen ionischen Flüssigkeiten mittels NMR-Deuteron-Quadrupol-Kopplungskonstanten - Unterschiede zu H-Brücken in Amiden, Peptiden und Proteinen. Angew Chem Int Ed Engl 2017. [DOI: 10.1002/ange.201708340] [Citation(s) in RCA: 5] [Impact Index Per Article: 0.7] [Reference Citation Analysis] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 11/06/2022]
Affiliation(s)
- Alexander E. Khudozhitkov
- Boreskov Institute of Catalysis, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences; Prospekt Akademika Lavrentieva 5 Novosibirsk 630090 Russland
- Novosibirsk State University; Pirogova Street 2 Novosibirsk 630090 Russland
| | - Peter Stange
- Universität Rostock; Institut für Chemie; Abteilung für Physikalische Chemie; Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Deutschland
| | - Benjamin Golub
- Universität Rostock; Institut für Chemie; Abteilung für Physikalische Chemie; Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Deutschland
| | - Dietmar Paschek
- Universität Rostock; Institut für Chemie; Abteilung für Physikalische Chemie; Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Deutschland
| | - Alexander G. Stepanov
- Boreskov Institute of Catalysis, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences; Prospekt Akademika Lavrentieva 5 Novosibirsk 630090 Russland
- Novosibirsk State University; Pirogova Street 2 Novosibirsk 630090 Russland
| | - Daniil I. Kolokolov
- Boreskov Institute of Catalysis, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences; Prospekt Akademika Lavrentieva 5 Novosibirsk 630090 Russland
- Novosibirsk State University; Pirogova Street 2 Novosibirsk 630090 Russland
| | - Ralf Ludwig
- Universität Rostock; Institut für Chemie; Abteilung für Physikalische Chemie; Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Deutschland
- Leibniz-Institut für Katalyse an der Universität Rostock e.V.; Albert-Einstein-Straße 29a 18059 Rostock Deutschland
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Khudozhitkov AE, Stange P, Golub B, Paschek D, Stepanov AG, Kolokolov DI, Ludwig R. Characterization of Doubly Ionic Hydrogen Bonds in Protic Ionic Liquids by NMR Deuteron Quadrupole Coupling Constants: Differences to H-bonds in Amides, Peptides, and Proteins. Angew Chem Int Ed Engl 2017; 56:14310-14314. [DOI: 10.1002/anie.201708340] [Citation(s) in RCA: 29] [Impact Index Per Article: 4.1] [Reference Citation Analysis] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 08/14/2017] [Indexed: 11/08/2022]
Affiliation(s)
- Alexander E. Khudozhitkov
- Boreskov Institute of Catalysis; Siberian Branch of Russian Academy of Sciences; Prospekt Akademika Lavrentieva 5 Novosibirsk 630090 Russia
- Novosibirsk State University; Pirogova Street 2 Novosibirsk 630090 Russia
| | - Peter Stange
- Universität Rostock; Institut für Chemie; Abteilung für Physikalische Chemie; Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Deutschland
| | - Benjamin Golub
- Universität Rostock; Institut für Chemie; Abteilung für Physikalische Chemie; Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Deutschland
| | - Dietmar Paschek
- Universität Rostock; Institut für Chemie; Abteilung für Physikalische Chemie; Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Deutschland
| | - Alexander G. Stepanov
- Boreskov Institute of Catalysis; Siberian Branch of Russian Academy of Sciences; Prospekt Akademika Lavrentieva 5 Novosibirsk 630090 Russia
- Novosibirsk State University; Pirogova Street 2 Novosibirsk 630090 Russia
| | - Daniil I. Kolokolov
- Boreskov Institute of Catalysis; Siberian Branch of Russian Academy of Sciences; Prospekt Akademika Lavrentieva 5 Novosibirsk 630090 Russia
- Novosibirsk State University; Pirogova Street 2 Novosibirsk 630090 Russia
| | - Ralf Ludwig
- Universität Rostock; Institut für Chemie; Abteilung für Physikalische Chemie; Dr.-Lorenz-Weg 2 18059 Rostock Deutschland
- Leibniz-Institut für Katalyse an der Universität Rostock e.V.; Albert-Einstein-Strasse 29a 18059 Rostock Germany
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Bonsa AM, Paschek D, Zaitsau DH, Emel'yanenko VN, Verevkin SP, Ludwig R. The Relation between Vaporization Enthalpies and Viscosities: Eyring's Theory Applied to Selected Ionic Liquids. Chemphyschem 2017; 18:1242-1246. [DOI: 10.1002/cphc.201700138] [Citation(s) in RCA: 9] [Impact Index Per Article: 1.3] [Reference Citation Analysis] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 02/10/2017] [Indexed: 11/08/2022]
Affiliation(s)
- Anne-Marie Bonsa
- Universität Rostock; Institut für Chemie; Abteilung für Physikalische Chemie; Dr.-Lorenz-Weg 1 18059 Rostock Germany
| | - Dietmar Paschek
- Universität Rostock; Institut für Chemie; Abteilung für Physikalische Chemie; Dr.-Lorenz-Weg 1 18059 Rostock Germany
| | - Dzmitry H. Zaitsau
- Universität Rostock; Institut für Chemie; Abteilung für Physikalische Chemie; Dr.-Lorenz-Weg 1 18059 Rostock Germany
| | - Vladimir N. Emel'yanenko
- Universität Rostock; Institut für Chemie; Abteilung für Physikalische Chemie; Dr.-Lorenz-Weg 1 18059 Rostock Germany
| | - Sergey P. Verevkin
- Universität Rostock; Institut für Chemie; Abteilung für Physikalische Chemie; Dr.-Lorenz-Weg 1 18059 Rostock Germany
| | - Ralf Ludwig
- Universität Rostock; Institut für Chemie; Abteilung für Physikalische Chemie; Dr.-Lorenz-Weg 1 18059 Rostock Germany
- Leibniz-Institut für Katalyse an der Universität Rostock e.V.; Albert-Einstein-Str. 29a 18059 Rostock Germany
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