Наблюдение количественного характера водородных связей в кислотно-основных комплексах | Поиск

Исследователи в Соединенных Штатах продемонстрировали существование эффектов квантовой механики в кислотно-щелочных реакциях, бросив вызов теории Бренстеда-Лоури. Образующаяся короткая водородная связь стабилизируется делокализованным протоном, который быстро перемещается между молекулами кислоты и основания и имеет очень необычные спектральные характеристики.

Теория Бренстеда-Лоури была предложена в 1923 году и объясняет кислотно-основные реакции с точки зрения переноса протона. Эта теория является одним из краеугольных камней понимания химии и одним из первых принципов, которым обучают школьников. Но, несмотря на растущее понимание ограниченности традиционного мышления, внезапное открытие квантового компонента такой фундаментальной реактивности было совершенно случайным.

Признается: «Это была удача» Даниэль Курода из Университета штата Луизиана, один из главных исследователей, участвовавших в исследовании. Мы смотрели на структуру жидкостей… и мы увидели, что бумага [about an acid–base mixture] С проводимостью серной кислоты, но без ионизации. Мы хотели посмотреть, что из себя представляет шасси… поэтому мы начали рассматривать проект, а потом поняли, что у нас явно что-то совершенно другое.

Курода вместе с сотрудником Лу Ван в Университете Рутгерса, используя инфракрасную (ИК) спектроскопию для анализа спектроскопических характеристик различных смесей уксусной кислоты и 1-метилимидазола. Ожидается, что уксусная кислота как слабая кислота будет спонтанно реагировать со слабыми основаниями, такими как 1-метилимидазол, с образованием ионов ацетата и имидазола соответственно. Но вместо ожидаемого пика ацетата при 1560 см^-1Команда была удивлена, заметив очень широкие полосы между 2200 см^-1 и 3500 см^-1 Во всех неводных смесях. «Когда вы смешиваете две жидкости, вы можете описать инфракрасный спектр как сумму двух по отдельности», — объясняет Курода. «Этот случай дал нам нечто совершенно другое».

Используя методы компьютерного моделирования для изучения возможных объяснений своих данных, Курода и Ван предположили, что эти широкие пики возникли в результате образования кислотно-щелочных комплексов. Прямая реакция гидроксильной группы уксусной кислоты с 1-метилимидазолом азота привела к необычно короткой водородной связи, стабилизированной быстрым переходом протона между двумя молекулами. Квантово-механические эффекты объясняют большую разницу, особенно когда мы рассматриваем энергетические барьеры. Карлос Баез, эксперт по вычислительным и спектроскопическим методам из Техасского университета в Остине, США. «Сам протон является квантово-механическим, и его можно рассматривать с точки зрения сосуществующих резонансных структур».

Такое неклассическое поведение ранее наблюдалось в активных центрах ферментов, но Курода и Ван первыми сообщили о спектральных характеристиках. ‘Это [research] Важно, потому что показывает, что для интерпретации аналогии [IR] Спектры, мы должны учитывать эти квантово-механические эффекты, продолжает Байес. «Для более широкого сообщества это меняет то, как мы думаем о химии».

Размышляя о влиянии этой работы, Курода надеется призвать других исследователей быть открытыми в своем подходе к химии. «Могут быть и другие взаимодействия, в которых квантовая механика играет важную роль», — говорит Курода. «Я думаю, что в будущем мы должны больше включать химию».