Hydrogenbundne molekyler fanget i en fullerencelle • Arkady Kuramshin • Videnskabsnyheder om "Elementer" • Kemi

Hydrogenbundne molekyler fanget i et fullerenbur

Fig. 1. Introduktion af de studerede molekyler (HF, H2O · HF og H2O) ind i hulrummet af fulleren og syntese af forbindelser, der inkorporerer HF @ C70, (H2O · HF) @ C70og H2O @ C70 på grund af lukningen af ​​fullerencellen under to-trins processen. Figur fra den diskuterede artikel iVidenskabelige fremskridt

Studere reaktionsmekanismer – hvordan og gennem hvilken rækkefølge af trin og mellemprodukter de går videre – er meget vigtig for kemikere. Sådanne oplysninger er nødvendige for evnen til at håndtere kemiske processer. Desværre er det ikke altid muligt at indhente detaljerede oplysninger om processen, hvor et stort antal partikler samtidigt deltager i undersøgelsen af ​​reaktionen i en konventionel kolbe. Derfor forsøger forskere at reducere størrelsen af ​​"reaktionsbeholderen" til et volumen, som kan rumme det mindste antal interagerende partikler. Ved anvendelse af fullerenmolekylet som en "kolbe" kunne kemikere fra Japan undersøge hydrogenbindingens egenskaber mellem den enkleste fluorsyre (HF) og vandmolekylet.

Elektrolytisk dissociation af syrer – deres interaktion med vand, hvilket fører til dannelsen af ​​hydroxoniumionet H3O+ og syrerest samt hydrogenbindingen, som er den stærkeste intermolekylære interaktion, er ekstremt vigtig for organisering og selvorganisering af biologisk aktive molekyler og processer i levende væv.Selv i skolen taler de om teorien om syrer og baser af Brønsted-Lowry. I overensstemmelse med denne teori er en syre et stof, der, når det elektrolytisk dissocieres i vand, nedbrydes i kationen H+ og anionen af ​​syreesten. Efter dissociation, H ion+ kombinerer med et vandmolekyle til dannelse af hydroxoniumionet H3O+. På trods af den tilsyneladende enkelhed er detaljerne i denne proces dog stadig ikke helt klare. For eksempel er det stadig ikke klart, om syredissociation fremmer dannelsen af ​​en hydrogenbinding mellem et surt hydrogenatom og et oxygenatom af vand. Også kemikere havde ikke oplysninger om, hvor mange vandmolekyler der er nok til at hydrere selv den enkleste syre (i Brensted-Lowry-klassifikationen) – hydrogenfluorid (HF) molekyler. Alle forsøger at danse til at isolere HF og H molekylerne2O var ikke vellykket, hovedsageligt på grund af vandens tendens til at danne hydrogenbindinger, ikke kun med HF, men også med andre H-molekyler.2O.

For at lære mere om funktionerne i elektrolytisk syre dissociation besluttede forskere fra Institut for Kemisk Forskning ved Kyoto Universitet at placere en fullereen C i en celle.70 et hydrogenfluoridmolekyle, et hydrogenfluoridmolekyle bundet til et vandmolekyle (HF · H2O) og et vandmolekyle. Det blev fundet, at for at "skubbe" molekyler i en fullerencelle, skal de også udføres eksternt, øge trykket og "trækkes" ind i hulrummet ved anvendelse af intermolekylære interaktioner mellem HF og H2O. Studerende af processerne af molekyler, der kommer ind i fullerenhulen, formåede forskerne at bestemme egenskaberne af hydrogenbindingen, der forbinder hydrogenfluoridmolekylet og vandmolekylet.

Fullerener med et indre volumen, der er tilstrækkelige til at låse andre molekyler inde i hulrummet, er for nylig blevet anvendt i stigende grad som "kolber" eller reaktorer, hvis dimensioner er sammenlignelige med størrelserne af molekyler eller molekylære komplekser. Så i slutningen af ​​sidste år er fulderenen C lidt mindre i størrelse.60 Det blev med succes anvendt til måling af polariseringen af ​​OH-kovalente bindinger i et vandmolekyle (se: "Dry Water" hjalp til at måle polariseringen af ​​kovalente bindinger, "Elements", 02.11.2016).

Tidligere viste samme gruppe af videnskabsmænd, at cellen af ​​fullereen C70 kan åbnes under tre-trins processen ved at åbne en cyklisk passage i fulleren inden i rammens struktur.Efter indførelsen i hulrummet af en fulleren af ​​et molekyle, som er egnet til størrelsen af ​​dets indre rum, kan disse "porte" relativt let lukkes under to-trins processen (figur 1). På baggrund af disse resultater forsøgte forskerne at anvende den udviklede metode til at placere HF-molekylet i hulrummet af en fulleren. Det var muligt at løse dette problem, og udover at inkludere HF @ C70 Forskerne lykkedes også at opnå forbindelser (HF · H2O) @ C70 og H2O @ C70 (X @ Y-notationen bruges til inklusionsforbindelser og betyder at gæstemolekylet X er inde i værts Y-molekylet, og de to molekyler er ikke forbundet ved kemiske eller intermolekylære interaktioner). For at skubbe "gæsterne" molekylerne ind i hulrummet af fullerenderivater og for at opnå inklusionskomplekser kræves der højt tryk (ca. 9000 atmosfærer).

Undersøgelser af reaktionerne ved dannelse af inklusionskomplekser ved anvendelse af spektroskopi og røntgendiffraktionsanalyse viste, at HF ​​hurtigst kommer ind i fullerenhulrummet, hydratiseret hydrogenfluorid H er andet i hastigheden af ​​"afvikling"2O · HF, og endelig er den største tid for en fulleren at komme ind i hulrummet krævet af et vandmolekyle.Det er også vigtigt, at tilstedeværelsen i hulrummet i fullerenmolekylet af hydrogenfluorid vandmolekyle kunne ikke komme ind i cellen – det indikerer, at dannelsen af ​​inklusionsforbindelser (HF · H2O) @ C70 indledende dannelse af HF · H-komplekset er påkrævet2O, hvor vand og hydrogenfluorid er hydrogenbundet.

Fig. 2. Resultaterne af undersøgelsen af ​​strukturen af ​​det hydrogenbundne kompleks H2O · HF indkapslet i en fullerencelle ved anvendelse af røntgenanalyse. Afstande mellem atomerne er angivet (hvid – hydrogenatomer den røde – oxygenatom grøn – et fluoratom), og vinklen mellem bånd hydrogenatomer i hydrogenfluorid. Figur fra den diskuterede artikel i Videnskabelige fremskridt

Studere processen med Kyoto tilladt kemikere at studere interaktionen mellem hydrogenfluorid og vand i et lukket rum under anvendelse af kernemagnetisk resonansspektroskopi 1H. Spektroskopi viste, at når de blev frigivet i cellen i forbindelsen (H2O · HF) @ C70 hydrogenbinding mellem vand og hydrogenfluorid ødelægges ikke. Parametre for den resulterende spektret indikerede, at denne forbindelse er et hydrogenbindingsacceptor atom vand oxygen. Undersøgelse (H2O · HF) @ C70 ved hjælp af røntgenanalyse bekræftede også tilstedeværelsen af ​​det komplekse HF · H indkapslet i fulleren2O-hydrogenbinding, som sker på en sådan måde, at de tre atomer – fluor, hydrogenfluorid og ilt af vand – er næsten på samme lige linje. Røntgendiffraktionsanalyse viser en lille interatomisk afstand mellem oxygen og hydrogen i en hydrogenbinding, hvilket kan indikere, at i HF · H-komplekset2O-fluor-oxygenbinding er allerede predissociated, og dens struktur er temmelig tættere på den situation, der opstår efter nedbrydning af hydrogenfluorid i ioner og hydrering af hydrogenionen – H3O+· F.

Således viste forskere igen, at fullerenderivater er et yderst bekvemt nanomiljø til undersøgelse af isolerede partikler og molekylære komplekser, og analysen af ​​sådanne systemer var ikke tilgængelig for tidligere kemikere. Forberedelsen af ​​gæst-værts komplekser gør det muligt at undersøge intermolekylære interaktioner, forsømme indflydelsen af ​​fremmede molekyler. En sådan undersøgelse kan være nyttig til en mere detaljeret undersøgelse af intermolekylære interaktioner,som vil give kemikere nye oplysninger om organisationen af ​​biomolekyler, som igen kan blive vigtige for udviklingen af ​​nye lægemidler og optimering af bioteknologiske processer.

Kilde: Rui Zhang, Michihisa Murata, Atsushi Wakamiya, Takafumi Shimoaka, Takeshi Hasegawa og Yasujiro Murata. Isolering af den enkleste hydraterede syre // Videnskabelige fremskridt. 2017. DOI: 10.1126 / sciadv.1602833.

Arkady Kuramshin


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: