Low-energy acetol ions CH,C(=O)CH,OH'+, 1, dissociate to CH3C(H)OH+ and HC=O by a double hydrogen transfer (DHT), a common reaction among oxygen-containing radical cations. Recent experimental work has shown that the isotopologue CH,C(=O)CH,OD'+ specifically loses HC=U to produce CH,C(D)OH+. This finding refutes an earlier postulated attractive mechanism based on the behaviour of 1 in ion-molecule reactions. Using ab initio MO calculations (at the CEPA//RHF/DZP level of theory complemented with valence bond (VB) methods), a low-energy pathway was traced that may explain all of the available experimental observations. It is shown that the unimolecular chemistry of 1 can be understood in terms of two proton transfers, taking place in intermediate 0 . H -0 and C.H.0 bonded hydrogen-bridged radical cations. The two protons originate from the same moiety and a charge transfer complex is therefore implicated and shown to be involved. These concepts of proton and charge transfer may well be more generally applicable and they do correctly predict the unimolecular chemistry of ionized acetoin, CH,C(=O)CH(CH,)OH'+ and related a-ketols.
Key words: ab initio calculations, hydrogen-bridged ions.Resume : Les ions acttol de basse tnergie, CH,(C=O)CH,OH'+, 1, se dissocient en CH,C(H)OH+ et en HC=O' par un double transfert d'hydrogkne (DTH), une reaction courante des cations radicaux contenant de l'oxygkne. Des travaux exptrimentaux rtcents ont montrk que l'isotopologue, CH,(C=O)CH,OD'+ perd specifiquement du HC=O pour fournir du CH,C(D)OH+. Cette observation refute un mecanisme attrayant propost anttrieurement et qui Ctait bast sur le comportement du compost 1 dans les rtactions ion-moltcule. Utilisant des calculs d'OM ab initio (au niveau CEPA//RHF/DZP de la thtorie avec un compltment des mtthodes de liaisons de valence), on a pu tracer une voie rtactionnelle de basse Cnergie qui peut expliquer toutes les donntes exptrimentales disponibles. I1 a t t t montrt que le chimie unimoltculaire du compost 1 peut se comprendre en termes de deux transferts de protons qui se produisent par l'intermtdiaire de cations radicaux de liasions hydrogknes ponttes 0 -H . 0 et C.H.0. Les deux protons ont leur origine dans la m&me partie de la moltcule; il y a donc un complexe de transfert de charge d'impliquer et on I'a dtmontrt. I1 est fort possible que ces concepts de transferts de protons et de charges puissent s'appliquer d'une faqon gtntrale et ils permettent de prtdire correctement la chimie unimoltculaire de l'actto'ine ioniste, CH,(C=O)CHCH,OH'+ et des a-cttols apparentis. tions." So begins Professor R.F.W. Bader an influential review article entitled "A quantum chemical theory of molecular structure and its applications" (1). One of the purposes of the present commemorative paper is to show that nowadays state-of-the-art ab initio molecular orbital (MO) calculations can indeed predict experimental observables and that they can indeed lead to a deeper understanding of the underlying phenomena. In this paper we deal with gas-phas...