(Phys.org) —Kemikalielektioner på grundnivå lär dig om Brønsted-Lowry-syror. Dessa syror dissocierar i vatten och bildar ett H ⁺ jon och en negativt laddad motjon. Även om detta är en grundläggande läxa, själva upplösningsmekanismen är lite av ett mysterium. Den H ⁺ molekylen kombineras med vatten för att bilda H ₃ O ⁺ , men antalet vattenmolekyler som behövs för att hydratisera den enklaste syran, HF, är okänd. Försök att isolera HF och H ₂ O är svåra, till stor del på grund av den höga reaktiviteten hos HF och vattnets tendens att bilda vätebindningar.

För att förstå den grundläggande mekanismen bakom syraupplösning, Zhang et al. från Institute for Chemical Research vid Kyoto University inkapslade HF, samt HF•H ₂ O och H ₂ O inom ett C ₇₀ fulleren. De fann att för att tvinga in molekylerna i den öppna fullerenhålan, molekylerna krävde att "skjuta från utsidan" med högtrycksförhållanden, och "dra från insidan" via molekylära interaktioner mellan HF och H ₂ O. De kunde identifiera hur vätebindning uppstod mellan dessa två molekyler. Deras arbete dyker upp i Vetenskapliga framsteg .

Tidigare arbete av Zhang et al. visade att C ₇₀ fulleren kunde öppnas i en trestegsprocess som involverade tillägg av ett pyridazinderivat antingen till alfa- eller betabindningarna på C ₇₀ . Detta skapade en 13-ledig ringöppning som bildade lite olika föreningar, betecknad med α-13mem och β-13mem. Dehydrering av båda föreningarna resulterade i en 16-ledad ringöppning. Ringen kunde stängas igen via hydrolys och en tvåstegsprocess.

β-16mem var tillräckligt stor för att fånga H ₂ O, men α-16mem var det inte. Med tanke på dessa resultat från tidigare studier, för den aktuella studien, Zhang et al. använde α-16mem för att försöka kapsla in HF. Istället, de hittade tre olika möjligheter inom fullerenerna:HF@C ₇₀ , (HF•H ₂ O)@C ₇₀ , och H ₂ O@C ₇₀ .

Deras reaktionsförhållanden krävde högt tryck (9000 atm) för att "skjuta in" gästmolekylen i α-16mem-håligheten. Tidsberoende studier visade att HF fyllde hålrummet först, följt av H ₂ O • HF, och sedan H. ₂ O. Särskilt den öppna buren fängslade inte H ₂ O när HF inte var närvarande, vilket indikerar att interaktionen mellan H ₂ O och HF fick H ₂ O inkapsling. Ytterligare studier visade att HF "drar" H ₂ O in i kaviteten medan högtrycksmiljön "trycker" in den i kaviteten.

Denna process tillät författarna att studera interaktionen mellan H ₂ O och HF inom en begränsad miljö med hjälp av ¹ H NMR. NMR -analys visade att (H ₂ O•HF)@C ₇₀ växlades ner från H ₂ O@C ₇₀ och HF@C ₇₀ , som indikerade vätebindning. Vidare, skift- och kopplingsvärden indikerade att syre fungerade som vätebindningsacceptorn.

Genom att använda enkristallröntgendiffraktion, Zhang et al. demonstrerade strukturen för (HF•H ₂ O)@C ₇₀ , och rapportera den första röntgenstrukturen för dubbelinkapslad C ₇₀ . Dessa analyser och experimentella studier bekräftade att H ⁺ jon i HF bildar en linjär vätebindning med O i H ₂ O. Dessutom, jämfört med teoretiska beräkningar av fritt H ₂ O och HF, studierna av de inkapslade molekylerna avslöjade nära kontakt med väte och syre som kan vara karakteristiska för H3O ⁺ •F ^- .

C ₇₀ fullerenderivat ger en utmärkt nanomiljö för att studera isolerade kemiska arter, något som inte varit tillgängligt för kemister tidigare. Denna isolerade miljö gjorde det möjligt för författarna att undersöka interaktionerna mellan två föreningar utan störningar från den omgivande miljön och gav viktiga insikter om en allestädes närvarande kemisk process.

© 2017 Phys.org