Photochemical dissociation of HOBr. A nonadiabatic dynamics study

Photochemical dissociation of HOBr. A nonadiabatic dynamics study

Accepted Manuscript Title: Photochemical dissociation of HOBr. A nonadiabatic dynamics study Author: Saadullah G. Aziz Abdulrahman O. Alyoubi Shaaban ...

466KB Sizes 0 Downloads 35 Views

Accepted Manuscript Title: Photochemical dissociation of HOBr. A nonadiabatic dynamics study Author: Saadullah G. Aziz Abdulrahman O. Alyoubi Shaaban A. Elroby Rifaat H. Hilal PII: DOI: Reference:

S1010-6030(16)30074-0 http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.jphotochem.2016.02.024 JPC 10153

To appear in:

Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry

Received date: Revised date: Accepted date:

31-1-2016 24-2-2016 27-2-2016

Please cite this article as: Saadullah G.Aziz, Abdulrahman O.Alyoubi, Shaaban A.Elroby, Rifaat H.Hilal, Photochemical dissociation of HOBr.A nonadiabatic dynamics study, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry http://dx.doi.org/10.1016/j.jphotochem.2016.02.024 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

Photochemical Dissociation of HOBr.  A Nonadiabatic Dynamics Study     Saadullah G. Aziz1, Abdulrahman O. Alyoubi 1, Shaaban A. Elroby 1,2,  and Rifaat H. Hilal 1,3*     Chemistry Department, Faculty of Science, King Abdulaziz University, Jeddah B.O. 208203, Saudi  Arabia;  E‐Mails:  [email protected]  (S.G.A.);  [email protected]  (A.O.A.);  [email protected]  (S.A.E.)  2 Chemistry Department, Faculty of Science, Beni‐Suef University, Beni‐Suef 6251, Egypt  3 Chemistry Department, Faculty of Science, Cairo University, Cairo 12613, Egypt    1

[email protected]   

 

  Highlights  The  excited  state  properties  and  photochemical  dissociation  of  hypobromous  acid,  HOBr  were  investigated using equation of motion coupled cluster (EOM‐CCSD ) and time‐dependent density  functional theory (TDDFTThe decay of the excited states of HOBr in the gas phase was examined  .    The  spectrum,  composed  of  10  excited  states,  was  simulated  with  the  nuclear  ensemble  approximation, sampling a Wigner distribution with 500 points.  Dynamics simulations were done  with the surface hopping method. ). Results are in good agreement with experimental data.   

 

Abstract  A number of single‐reference post Hartree‐Fock methods, namely CIS, symmetry  adopted cluster configuration interaction (SAC‐CI), equation  of motion coupled  cluster  (EOM‐CCSD  )  and  time‐dependent  density  functional  theory  (TDDFT),  were  used  to  investigate  the  excited  state  properties  and  photochemical  dissociation  of  hypobromous  acid,  HOBr.  Results  are  in  good  agreement  with  experimental data.  The decay of the excited states of HOBr in the gas phase was  examined  by  simulating  the  UV  photoabsorption  spectrum  and  nonadiabatic  dynamics at the TDDFT M06‐2X level of theory.  The spectrum, composed of 10  excited states, was simulated with the nuclear ensemble approximation, sampling  a Wigner distribution with 500 points.  Dynamics simulations were done with the  surface hopping method, started in two separate spectral windows, at 4.0 ± 0.25  eV  and  8.0  ±  0.25  eV,  to  be  compared  to  experimental  UV  spectral  data.  Three  hundred  trajectories were  considered  from  each  of these windows according  to  their excitation probabilities.  The excited‐state lifetime was determined.  The main  photochemical channel observed were HO and Br  eliminations, representing 67%  of all processes.  Key words: HOBr‐ Excited state dynamics‐ TDDFT – photodissociation – non‐adiabatic  dynamics 

1. Introduction 

The  important  role  played  by  the  different  bromine  species  in  ozone  depletion,  was recently recognized [1,2]. This is especially important in the Arctic spring and  in areas where there exist high concentration of HOX species ( e.g. OH radical) [3‐ 6].  The  depletion  of  ozone  by  BrO  and  OH  radical  was  in  investigated  in  the  laboratory [7‐9] where it was concluded that such a process would increase the  recycling of bromine.   The photolysis of HOBr  was suggested to be the most important channel in this  respect[10]. and may be written as                                        HOBr + hv   HO + Br   This photodissociation reaction was investigated near the threshold of dissociation  at 490 and 510 nm. Characterization of the OH photofragment was carried out via  Doppler and polarization spectroscopy using laser‐induced fluorescence [11].    The UV‐VIS spectrum of HOBr was, measured over the  200‐420 nm range.    Two  main absorption bands centered near 280 and 350 nm were observed[12,14].   A  third  long  wave  length  band,  centered  near  440  nm  was  later  detected  by  monitoring  the  yield  of  OH  radicals  as  the  wavelength  of  an  excitation  laser  is  scanned  over  the  region  from  440  to  650  nm.  This  band  has  been  assigned  to  a  transition   to a triplet state, and although its peak absorption cross section is very  small, its  influence  on  determining  the  photochemical  lifetime  of  HOBr  is large  due to its proximity to the peak of the solar actinic flux[9].  Motivated by the fact that very little is known about the photolysis of HOBr, its  photochemical  and  photophysical  dissociation  mechanism,  the  present  research  project is launched with a focus on the calculation of excited state properties, using  different correlated single‐reference methods. The reduced computational cost of 

such  methods  has  allowed  us  to  extend  our  investigations  to  nonadiabatic  dynamics  processes  [1]  starting  at  highly  excited  states  (S7−S11),  where  photochemical reactions of HOBr has been experimentally studied. It should be  noted  here  that,  although  the  molecule  at  hand  is  triatomic  small  and  can  in  principle  be  handled  by  quantum  dynamics,  yet  inclusion  of  this  number  of  excited  states  in  the  quantum  dynamics  simulations  is  practically  impossible.   Based on these nonadiabatic dynamics simulations, we have been able to provide  a much better insight into the photolysis of this molecule.    2. Computational Details  The ground‐state geometry was optimized at the MP2 level with the aug‐cc‐pVTZ  basis  set[17,18]  using  GAUSSIAN  09[19].    This  geometry  was  used  for  further  calculations  of  the  vertical  excitations  using  the  same  basis  set.    The  diffuse  character  of  this  basis  set  enables  it  to  give  the  correct  description  of  Rydberg  orbitals.  Excited state calculations started at the low level  CIS [20] , and then the  more accurate and involving symmetry adopted cluster  configuration interaction  (SAC‐CI)[16]  and  equation  of  motion  coupled  cluster  with  single  and  double  excitations  (EOM‐CCSD)[21],    methods.  TDDFT  (time‐dependent  density  functional  theory)  calculations  were  also  carried  out  with  M06‐2X  [22]  and  ωB97XD  [23]    functionals,  using  GAUSSIAN  09.  For  each  method,  10  singlet  excited  states  were  computed.  The  Cs  symmetry  was  enforced  in  all  static  calculations.    In a second part of the investigation, relaxed potential energy‐curve calculations  along  two  internal  coordinates,  namely  the  BrO‐H  and  the  HO‐Br  coordinates,  have been performed. The ground and 10 excited states (5A′ and 5A″) have been  computed on ground‐state relaxed geometries. The calculations have been carried  out at the EOM‐CCSD  method.        

In  the  last  part  of  the  study,  UV  photoabsorption  spectrum  and  nonadiabatic  dynamics simulations were carried out to understand the ultrafast decay of the  excited states of  HOBr  in the gas phase.  Computations were performed using  Newton‐X program package [24,25] at the TDDFT / M06‐2X level of theory.     In  order to simulate the photoabsorption spectrum, 500 points were sampled with  the  nuclear  ensemble  approximation  [25].  The  same  number  of  excited  states  computed  in  the  relaxed  potential  energy  curves  (10)  was  considered  here.  Dynamics simulations were started in two spectral windows at 4.0 ± 0.25  and 8.0  ± 0.25  eV. Three hundred trajectories were stochastically sampled from each of  these windows according to their excitation probabilities. Dynamics simulations  were  done  with  the  surface  hopping  method  [26,27].  Classical  equations  were  integrated with 0.5 fs time‐step, while quantum equations were integrated with  0.025 fs. For the quantum integration, all necessary quantities were interpolated  between  classical  steps.  Nonadiabatic  effects  between  excited  states  were  taken  into account by the fewest switches algorithm [28] with decoherence corrections  (α  =  0.1  Hartree)  [29].    Nonadiabatic  couplings  between  excited  states  were  computed  by  finite  differences  with  the  method  proposed  by  Hammes‐Schiffer  and Tully[30].    3. Results and Discussion  3.1.Excitation Energies and Oscillator Strengths   

The results obtained for vertical‐excitation energies, oscillator strengths, and state  assignments computed with the TD‐M06‐2X and ωB97XD functionals and EOM‐ CCSD  method,  are  shown  in  Table  1.    With  respect  to  the  vertical  excitation  energies, all three methods are in good agreement with the observed spectrum of  HOBr. All calculated excited states are in the range up to >10 eV. Two main band 

systems  dominate  the  computed  spectrum.  The  first  long  wave  length  band  system is centered on 3.5 eV and is composed of one configuration, namely the  HOMO‐LUMO transition. The MO’s involved are displayed in  Figure S3 of the  supplementary material (SM). These KS MO’s were computed at the M06‐2X /aug‐ cc‐pVTZ  level  of  theory.  For  visualization  and  to  make  the  assignment  of  the  delocalized KS MO’s more straightforward, a full natural orbital treatment (nbo)  has  been performed and the resulting orbitals are those displayed in  Figure S3.  The long wave length absorption at 3.39 eV is of very low intensity as compared  to the short wave length one. This transition is of the combination of nBr – Ryd and   ‐ *   type localized on the O‐Br bond region. Whereas, the short wavelength  absorption, which spans the 7.5‐8.5 eV range,  may be attributed to a transition  from a nBr–*.   The Symmetry Adapted Cluster/Configuration Interaction (SAC‐CI) methods of  Nakatsuji and coworkers[21] have been also used to explore the excited state space  for the singlet, triplet and ionized states of HOBr.  Results are summarized in table  2. SAC‐CI computations predicted two singlet states, one triplet and two ionized  states  in  the  region  <  11.5  eV.  The  singlet  states  are  heavily  mixed  with  several  configurations.    These  singlet  states  are  contaminated  by  1.7%  and  0.53%  of  doublet states. The triplet state, on the other hand, is pure. The first ionized state  is  of  symmetry  A”  and  is  characterized  by  ionization  potential  (I.P.)  =  10.6  eV,  leading to the formation of a cation. This state results in the removal of an electron  from the HOMO (MO 22; nonbonding Br orbital).      Ionization from the HOMO‐1 (MO 21) is responsible for the second ionized state ( A’) of  I.P. =11.3 eV. This MO is also of the n‐ type representing the lone pair of the pπorbitals on  the Br with little interaction with the p orbital of oxygen.     

3.2.Photodissociation pathways of HOBr  The  presence  of  radical  species  such  as  OH,  Br  and  OBr  reveals  two  possible  pathways  for  the  photodissociation  of  HOBr,  viz.,  OH  stretching  and  OBr  stretching pathways. The question arise is that how the excited singlet and triplet  states of HOBr are populated along these two pathways. In order to examine the  ordering  of  these  excited  states  along  these  stretching  pathways,  the  potential  energy  profile  was  computed  at  the  EOM‐CCSD/  aug‐cc‐pVTZ  level  of  theory,  along the HO and the OBr coordinates. Results are depicted in Figure S1 of the  supplementary  materials  (SM),  for  the  ground  and  lowest  excited  states  in  the  Franck‐Condon region. The O‐H distance is stretched up to 3.1 Å, while the O‐Br  distance is stretched up to 3.7 Å.     Excited singlet states all show parallel repulsive behavior along the O‐H stretching  coordinate with the profiles of states S1 – S4 are closely approaching in the 2.0 ‐2.2  Å. All states are showing a dissociative behavior. The energy profile of the triplet  states along the O‐H stretching coordinate is different, however. The lowest triplet  state T1 intersects the ground state at RO‐H of 2.366 Å. This seems to pinpoint the  deactivation  pathway  of  the  excited  HOBr.  The  energy  profiles  along  the  O‐Br  stretching coordinate show, however, a different behavior where both T1 and T2  contribute  to  the  deactivation  pathway.  Both  triplet  states  intersect  the  ground  state  at  3.02  Å.  In  conclusion,  upon  photo‐excitation,  one  would  expect  deactivation  through  intersection  of  the  low‐lying  triplet  with  the  ground  state  whereas, on the singlet PES, however, surface hoping may take place between S2/S3  states and dissociation is the dominant behavior. A question may arise at this point  is that how these triplets get populated?. To answer this question, the potential  energy profile along both RO‐H and RO‐Br for the lowest singlet and triplet states are  displayed in Figure 1.  Along the O‐Br coordinate S1 approaches and intersects T1   at a RO‐Br distance of 2.62 Å just before T1 intersects the ground state at a RO‐Br 

distance  of  2.82  Å  .  This  seems  to  explain  how  T1  gets  populated.  This  is  in  agreement  with  Minaev’s  [9,31,32]  excellent  work  on  the  spectra  of  HOX  ( 

X=Cl, Br and I).  Along the RO‐H coordinate, however, the situation is not that  straightforward.  Indeed,  T1  intersect  the  ground  state  at  RO‐H  of  2.367  Å  ,  however,  T1  intersects  S1  at  a  larger  O‐H  distance.  That  is,  T1  cannot  be  populated along this coordinate    3.3.UV‐Photoabsorption Spectrum simulation  The photoabsorption spectrum of HOBr in the UV region, calculated at the TDDFT  level with the M06‐2X functional using the aug‐cc‐pVTZ, is shown in Figure 2. In  the region up to 10 eV, the absorption spectrum shows two main bands, one with  high intensity with peaks at 8.37 eV (cross‐section=0.47 in Å2 per molecule‐1. )  and   a short wavelength absorption with much lower intensity at 4.37 eV ( cross‐section  = 0.003 in Å2 per molecule‐1). Moreover, the 4.37 eV band has a clear tail at 3.8 eV  whereas, a more diffuse low intensity shoulder at the low‐energy tail of the 8.37  eV band is predicted at ∼7.4 eV. The comparison of these spectral features with  the  vertical  spectrum  of  Table  1  allows  the  direct  assignment  of  most  of  these  features.    Experimentally,  excitation  laser  scanning  studies  [15]  show  that  excitation at 440 nm is responsible for the photodissociation of HOBr leading to  the  increase  of  OH  concentration.      The  photochemical  lifetime  of  troposphere  HOBr in  polar regions, is suggested to be shortened by a factor of 2 compared to  values based on the near‐UV absorption bands alone. Furthermore, experimental  observations suggest that absorption into this band is responsible for up to 50% of  the total photolysis rate of HOBr [10].     

Dynamics simulations starting from two energy windows centered at 4.0 and 8.0  eV show reaction pathways, leading to two main products. The dynamics in the  spectral  window  centered  about  4.0  eV  show  54%  probability  to  originate  from  excited state 3 (n*). Whereas, dynamics in the spectral windows centered about  8.0 eV, show 67% probability to originate from state 7 (nRyd*).  One should also  bear in mind that due to methodological limitations (trajectories were stopped just  before  conversion to the ground  state), only excited‐state dissociation processes  are accounted for in the present study. Two dissociation channels were observed  with the above probability values, namely , elimination of H and the consequent  formation of OBr and a second channel where the OH is eliminated leaving Br.  Let us examine the dynamics took place at the spectral windows 4.0 eV. Figure 3a  displays the evolution of the energies of the three states S0, S1 and S2 with time. The  trajectories  show  different  behavior,  however.  The  evolution  of  both  S1  and  S2  show slight attractive behavior in the first 25 fs where S1 starts a repulsive decay  much  steeper  than  that  of  S2  leading  to  crossing  S1/S2  at  35  fs.  These  dynamics  corresponds to a dissociation channel leading to the formation of the OH radical  in agreement with experimental observation [11,34]. At time 33.50 fs the molecule  was  on  surface  3  (S2).  The  energy  gap  to  S1  was  0.03  eV.  At  time  34.00  fs,  the  molecule was on surface 2 (S1), therefore a surface hopping took place. The energy  gap with S0 was 0.63 eV and with S1 was 0.07eV.  This seems to be the only surface  hopping taking place just before dissociation. Let us examine this hopping process  more closely, in substep 1341 belonging to step 68 , the molecule still on surface 3  with population in this state of 85.7% is ready for hopping into surface 2. Upon  hopping into S1 the population of surface 2 increase to 34% and remains populated  in  the  next  substeps,  and  in  fact  population  increases  to  about  50%  until  the  termination  of  the  trajectories.  The  dynamics  at  the  spectral  window  8.0  eV  is  much more involving, however. We simulated the dynamics while the system is 

in  surface  7  for 500  fs.  Figure  3b  displays the  evolution  of  the  energies  of the  7  states within the time domain studied. Note that the trajectories are all broken in  80 fs time interval due to the dissociation of the molecule. The molecule starts at  S7 and soon under goes the first surface hopping in step 16 after 8.0 fs to S6 where  it remains on this surface until step 64 after 32.0 fs where it hops into surface 5  which is immediately followed by another hopping into S4 at 33.0 fs.  However, due to the crowdness of the energy profiles in this region, the molecule  reverts back into surface 5 after 1.5 fs. At 38.0 fs it undergoes a hopping with high  probability into S4 then a final hopping with even higher probability took place to  S3 at 48.5 fs. The system remains on S3 until 78 fs where all trajectories were broken.  The energy profiles of all surfaces underwent drastic change at the 48.0 – 53.0 fs  range and at the 68.0‐ 72.0 fs range. In these two time domains S4, S5 and S7 show  a steep repulsive rise whereas; all other surfaces show an opposite trend.  The  very  idea  of  on‐fly  dynamics  is  based  on  nonadiabatic  couplings  between  excited states which were computed, in the present work, by finite differences with  the  method  proposed  by  Tully[28].Unfortunately,  Newton‐X  software  package  does handle spin‐orbit coupling so far, although efforts are being carried out to  include it.   The importance of SOC has been discussed for different HOX (X=Cl,  Br, and I) species by Minaev[9,31,32]; where he pinpointed the importance of SOC  and quadrapole coupling constants for spectral interpretation of HOI molecule in  a way which is more marked  than the other hypohalaous molecules.      4. Conclusion   The  photochemical‐dissociation  process  of  HOBr      an  important  atmospheric  pollutant,  was  investigated  with  quantum‐chemical  methods,  including  vertical  spectrum and  potential  energy  curves at  CIS,  EOM‐CCSD,  SAC‐CI and  TDDFT 

levels, as well as vibrationally broadened spectrum simulations and nonadiabatic  dynamics with TDDFT.  Energy  ordering  and  excited‐state  characters  calculated  with  single‐reference  methods,  especially  TDDFT,  are  in  good  agreement  with  experimental  results.   Deactivation  of  excited  HOBr  through  intersection  of  T1  with  the  ground  state  takes  place  along  the  O‐Br  coordinate.    T1  is  populated  by  intersection  with  S1  earlier  on  the  O‐Br  coordinate.  Internal  conversion  S1to  the  ground  state  is  not  observed in both cases studied, namely at the spectral windows at 4.0 and 8.0 eV.  Photodissociation  occurred  through  two  different  reaction  pathways  with  two  main products, including atomic elimination (Br, or H), and multifragmentation    (Br+OH,or OBr+H), mechanism. The main photochemical channel observed were  OH +Br,  representing 67% of all processes.     5. Acknowledgements  This project was funded by the National Plan for Science, Technology and Innovation (MAARIFAH) – King  Abdulaziz  City  for  Science  and  Technology  ‐  the  Kingdom  of  Saudi  Arabia  –  award  number  (11‐ENV 

1995‐03).  The  authors  also,  acknowledge  with  thanks  Science  and  Technology  Unit,  King  Abdulaziz  University for technical support.  

                 

  6. References  1. Dudley  E.  Shallcross,  Kimberley  E.  Leather,  Asan  Bacak,  Ping  Xiao,  Edmond  P.  F.  Lee,  Reaction  between  CH3O2  and  BrO  Radicals:  A  New  Source  of  Upper  Troposphere  Lower  Stratosphere  Hydroxyl  Radicals,  J.  Phys. Chem. A 119(2015), 4618−4632  2. Finiayson‐Pitts B.J., Livingston F.E. , Berko H.N., Nature, 343(1990), 622‐625   3. Barrie L.A., J.W. Bottenheim, R.C. Schnell, P.J. Crutzen and R.A. Ramussen,  Ozone  destruction  and  photochemical  reactions  at  polar  sunrise  in  the  lower Attic atmosphere, Nature, 334(1988), 138‐141.  4. Yung, Y.L., J.P. Pinto, R.T. Watson , S.P. Sander, Atmosphericb romine and  ozone perturbation in the lower stratosphere J. Atmos. Sci., 37(1980), 339–353.  5. Bridier, I., B. Veyret , R. Lesclaux, Flash photolysis study of reactions of the  BrO radical with BrO and HO2, Chem. Phys. Lett., 201(1993), 563‐568.  6. Poulet G, M. Pirre, F. Maguin, R. Ramaroson , G. Le Bras, Role of BrO + HO2  reaction in the stratospheric chemistry of bromine, Geophys Res. Lett., 19  (1992) ,2305‐2308.  7. F.L.  NesbittlP,  .S.  Monkes,  W.A.  Payne  ,  L  .J.  Stief,  The  Reaction  O(3P)  +  HOBr: Temperature dependence of the rate constant and importance of the  reaction  as  an  HOBr  stratospheric  loss  process,  Geophys  Res.  Lett.,  22  (1995), 827‐830.  8. XueXi Tie and Guy B rasseur, The importance of heterogeneous bromine  chemistryi n the lower stratosphere, Geophys Res. Lett.,23 (1996),2505‐2508.  9. Boris F. Minaev ,The Singlet‐Triplet Absorption and Photodissociation of  the HOCl, HOBr, and HOI Molecules Calculated by the MCSCF Quadratic  Response Method, J. Phys. Chem. A103(1999), 7294‐7309 

10. Michael  Lock,  Rhett  J.  Barnes,  and  Amitabha  Sinha  ,  Near‐Threshold  Photodissociation  Dynamics  of  HOBr:  Determination  of  Product  State  Distribution,  Vector  Correlation,  and  Heat  of  Formation,  J.  Phys.  Chem.  100(1996), 7972‐7980.  11. John J. Orlando and James B. Burkholder, Gas‐Phase UV Visible Absorption  Spectra of HOBr and BrO, J. Phys. Chem.,99(1995),1143‐1150.  12. Trevor  Ingham,  Dieter  Bauer,  Jochen  Landgraf,  and  John  N.  Crowley,  Ultraviolet‐Visible  Absorption  Cross  Sections  of  Gaseous  HOBr  ,  J.  Phys.  Chem. A102(1998), 3293‐3298.  13. Michael  R.  Hand  and  Ian  H.  Williams  ,and  Joseph  S.  Francisco  Ab  Initio  Study of the Electronic Spectrum of HOBr, J. Phys. Chem. 100(1996), 9250‐ 9253.  14. Rhett  J.  Barnes,  Michael  Lock,  Jack  Coleman,  and  Amitabha  Sinha,  Observation  of  a  New  Absorption  Band  of  HOBr  and  Its  Atmospheric  Implications, J. Phys. Chem. 100(1996),453‐457.  15. Yarkony,  D.  R.  Nonadiabatic,  Quantum  Chemistry‐Past,  Present,  and  Future. Chem. Rev. 112(2011), 481−498.  16. K. Toyota, I. Mayumi, M. Ehara, M. J. Frisch, and H. Nakatsuji, “Singularity‐ free  analytical  energy  gradients  for  the  SAC/SAC‐CI  method:  Coupled  perturbed minimum orbital‐deformation (CPMOD) approach,” Chem. Phys.  Lett., 367 (2003),730‐36.  17. Kendall, R. A.; Dunning, T. H., Jr.; Harrison, R. J. Electron Affinities of the  First‐Row  Atoms  revisited.  Systematic  Basis  Sets  and  Wave  Functions.  J.  Chem. Phys. 96(1992), 6796−6807.  18.  Dunning,  T.  H.,  Jr.  Gaussian  Basis  Sets  for  Use  in  Correlated  Molecular  Calculations. I. The Atoms Boron Through Neon and Hydrogen. J. Chem.  Phys. 90(1989),1007−1023. 

19. Frisch,  M.  J.;  Trucks,  G.  W.;  Schlegel,  H.  B.;  Scuseria,  G.  E.;  Robb,  M.  A.;  Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Mennucci, B.; Petersson, G. A.;  et al. Gaussian 09, revision D.01; Gaussian, Inc.: Wallingford, CT, 2013.  20.  Foresman  J.  B.,  Head‐Gordon  M.,  Pople  J.  A.,  Frisch  M.  J.  Toward  a  Systematic Molecular Orbital Theory for Excited States, J. Phys. Chem., 96  (1992) 135‐49.  21. Kállay M. and Gauss J. Calculation of excited‐state properties using general  coupled‐cluster  and  configuration‐interaction  models.  J.  Chem.  Phys.,  121  (2004) 9257.  22. Y.  Zhao  and  D.  G.  Truhlar,  “Comparative  DFT  study  of  van  der  Waals  complexes:  Rare‐gas  dimers,  alkaline‐earth  dimers,  zinc  dimer,  and  zinc‐ rare‐gas dimers,” J. Phys. Chem., 110 (2006), 5121‐29.  23. Chai,  J.‐D.;  Head‐Gordon,  M.  Long‐Range  Corrected  Hybrid  Density  Functionals  with  Damped  Atom−Atom  Dispersion  Corrections.  Phys.  Chem. Chem. Phys. 10(2008),6615−6620.  24. Barbatti, M.; Ruckenbauer, M.; Plasser, F.; Pittner, J.; Granucci, G.; Persico,  M.; Lischka, H. Newton‐X: A Surface‐Hopping Program for Nonadiabatic  Molecular Dynamics. WIREs: Comp. Mol. Sci. 4(2014), 26−33.  25. Barbatti, M.; Granucci, G.; Ruckenbauer, M.; Plasser, F.; Crespo‐Otero, R.;  Pittner, J.; Persico, M.; Lischka, H. NEWTON‐X: A package for Newtonian  Dynamics  Close  to  the  Crossing  Seam.  Available  via  the  Internet  at  www.newtonx.org, 2013.  26. Crespo‐Otero,  R.;  Barbatti,  M.  Spectrum  Simulation  and  Decomposition  with  Nuclear  Ensemble:  Formal  Derivation  and  Application  to  Benzene,  Furan and 2‐Phenylfuran. Theor. Chem. Acc. 131(2012), 1237.  27. Tully, J. C. Molecular‐Dynamics with Electronic‐Transitions. J. Chem. Phys.  93(1990),1061−1071. 

28.  Barbatti,  M.  Nonadiabatic  Dynamics  with  Trajectory  Surface  Hopping  Method. WIREs: Comp. Mol. Sci. 1(2011), 620−633.  29.  Granucci,  G.;  Persico,  M.  Critical  Appraisal  of  the  Fewest  Switches  Algorithm for Surface Hopping. J. Chem. Phys. 126(2007), 134114−134111.  30.  Hammes‐Schiffer, S., Tully, J. C. Proton‐Transfer in Solution ‐ Molecular‐ Dynamics with Quantum Transitions. J. Chem. Phys. 101(1994), 4657−4667.  31.  Boris  Minaev  and  Elena  Bilan,  Spin‐Orbit  Coupling  Effects  in  Ozone  Depletion Spectroscopy, Bull. Polish Acad. Sci.,Theor.Chem.,49 (2001),134‐ 163.  32. B. Minaev and H. Agren, Ab initio study of the singlet‐triplet transitions in  hypobromous acid, J. Mol. Str. (Theochem), 492 (1999),53‐66.        

 

 

  7 6 5 4 3 2 G

S1

S2

T1

1 0 1.5

2

2.5

3 RBr‐O

  10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1

1.5

4

Å 

G

0.5

3.5

2

RO‐H Å

 

S1

2.5

S2

3

T1

3.5

 

Figure 1: Potential energy profile along the O‐H and O‐Br stretching coordinates  (in angstrom) for the lowest singlet and triplet states of HOBr, computed at the  EOM‐CCSD/aug‐cc‐pVTZ level of theory.     

 

 

  Figure  2    :  Photoabsorption  cross‐section  in  Å2.molecule‐1  as  a  function  of  the  excitation  energy  (eV)  of  HOBr  simulated  at  the  M06‐2X/aug‐cc‐pVTZ  level  of  theory.   

 

 

(a) 

(b)  Figure 3: Potential energies of the ground and (a) states S1, S2 and S3 at the spectral  window 4.0 eV ;(b) states S1‐S7 at the spectral window 8.0 eV, as a function of time.   

Table 1 :   Vertical‐Excitation Energies, Oscillator Strengths and main configurations obtained for  HOBr with different methods and aug‐cc‐pVTZ basis Set.  B97‐XD    Sy E,e m  V  3.58  A”  4.43 

A’ 

6.77 

A” 

6.88 

A” 

8.43 

A’ 

9.11 

A” 

10.31 

A” 



0.00 2  0.01 8  0.00 6  0.01 1  0.12  0.00 2  0.04 4 

M06‐2X  E,e Sy V  m 

  Assignmen t    nBr–* 

weigh t  0.70 

3.45 

A” 

nBr – * 

0.70 

4.33 

A’ 

nBr ‐ *  nO ‐*  nO ‐ *  nBr ‐ *  nBr ‐5p   ‐ *  nBr ‐5p 

0.60  0.25  0.64  ‐ 0.22  0.60  0.33  0.69 

6.69 

A” 

7.40 

A’ 

8.60 

A’ 

9.15 

A” 

nBr ‐Ryd  nBr‐ * 

0.60  ‐0.24 

8.85 

A” 



0.00 1  0.01 7  0.01 2  0.03 7  0.08 1  0.02 9  0.01

  Assignmen t    nBr –* 

weigh t 

EOM‐CCSD E,e Sy V  m 

0.68 

3.77

A” 

nBr –* 

0.68 

4.63

A’ 

0.00 2  0.02 

nBr ‐* 

0.64 

7.015 

A” 

0.02 

nBr ‐ *    nBr ‐ Ryd  ‐ *  nBr ‐ Ryd nBr Ryd  nBr ‐ Ryd

0.66    0.48 ‐0.38  0.49 ‐0.41  ‐0.51

7.78 

A’ 

0.05 

8.42

A”

0.08 

8.64

A’

0.18 

8.85

A”

0.01 



  Assignmen t    nBr–*  n– *  nBr – *  nBr – *  ‐*  nBr‐*   ‐*  nBr ‐ *  n‐ Ryd  nBr ‐Ryd  nBr ‐ Ryd  n ‐ Ryd  nBr ‐ Ryd 

weigh t  0.32  0.45  0.33  0.47  ‐0.39  ‐0.33  ‐0.39  ‐0.33  0.41 0.39  0.41 0.39  ‐0.51

    Table 2: Transition energies of singlet, triplet and ionized states of HOBr computed at the  SAC‐CI /aug‐cc‐pVTZ level of theory. 

 

Spin 

symm 

E,eV 

S2   S1   T1  Ionized  cation  doublet 

Aʹ  A”  A’  A’  A” 

4.635  3.776  3.790  11.324  10.604 

Transition dipole, au  x  y  ‐0.0852  0.1695  0.0  0.0  0.0  0.0         

f  z  0.0000  0.0085  0.0     

0.0041  0.000  0.0  0.955  0.948