Kredit:FV Berlin
En kollaborativ ultrasnabb spektroskopi och ab initio molekylär dynamiksimuleringsstudie visar att protonvakanser i form av hydroxid/metoxidjoner är lika relevanta för protonöverföring mellan syror och baser som hydratiserade överskottsprotoner (H 3 O + , H 5 O 2 + ), vilket pekar på ett tydligt krav på förfining av den mikroskopiska bilden för vattenhaltig protontransport – i lösning såväl som i vätebränsleceller eller transmembranproteiner – bort från den för närvarande ofta antagna dominerande rollen av hydratiserade överskottsprotoner. Studien har nyligen publicerats av forskare från Max Born Institute of Nolinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) och Martin-Luther-University Halle-Wittenberg (MLU) i den berömda Journal of the American Chemical Society .
Utbytet av protoner mellan två kemiska grupper (syra-basneutralisering) har varit ett lärobokskemiproblem i många år. Förvånande, fram till detta datum har ingen ny grundläggande insikt om de elementära stegen av protontransport erhållits. Detta kan mycket väl ligga i det faktum att de elementära stegen (genom protoner eller protonvakanser) sker på extremt korta tidsskalor, som inte är tillgängliga med konventionella laboratorietekniker (Figur 1). Observation av dessa elementära reaktionssteg, som uppnåtts av forskarteamen från MBI och MLU kräver således direkt tillgång till tidsskalor på 1-100 pikosekunder (0,0000000000001 till 0,0000000001 sekunder), vilket kräver en experimentell uppställning med en motsvarande hög tidsupplösning samt högpresterande datorsystem.
Forskarteamen har tillsammans studerat ett särskilt modellsystem (7-hydroxikinolin i vatten/metanolblandningar), där en ultrakort laserpuls utlöser deprotoneringen av en OH-grupp och protoneringen av en kväveatom. Den exakta kronologin för de elementära stegen med dessa klasser av kemiska reaktioner har förblivit svårfångade, leder till många spekulationer. Forskarna vid MBI och MLU har nu kunnat fastställa att frisättningen av en proton från OH-gruppen till lösningsmedlet verkligen är ultrasnabb, ändå är upptagningen av en proton av kväveatomen ännu snabbare. Detta resulterar i en transportmekanism av lediga protoner, dvs av hydroxid/metoxidjoner. De elementära reaktionsstegen har belysts med tidsupplösta IR-spektra och detaljerade kvantkemiska beräkningar (se figur 2).
Övervakning av protontransport av 7-hydroxikinolin i vatten/metanollösningsmedelsblandningar i realtid från reaktantens neutrala N* via mellankatjonen C* till den zwitterjoniska produkten Z* med UV-pump/IR-sondspektroskopi av IR-aktiva markörlägen ( a), och följa ab initio molekylära dynamikbanor (b). Ögonblicksbilden i (b) visar ögonblicket när det första reaktionssteget, protonabstraktion från en närliggande vattenmolekyl av kväveatomen av 7-hydroxikinolin (ovan, blå atom), precis har ägt rum och en OH–-jon (orange) har bildats, omgiven av andra lösningsmedelsmolekyler. Kredit:FV Berlin
