Forskere isolerer hydrogenfluorid og vand for at forstå syreopløsning

(Phys.org)—Kemiundervisning på begynderniveau lærer om Brønsted-Lowry-syrer. Disse syrer dissocierer i vand og danner et H ⁺ ion og en negativt ladet modion. Selvom dette er en grundlæggende lektion, den egentlige opløsningsmekanisme er lidt af et mysterium. H ⁺ molekyle kombineres med vand for at danne H ₃ O ⁺ , men antallet af vandmolekyler, der skal til for at hydrere den enkleste syre, HF, er ukendt. Forsøg på at isolere HF og H ₂ O er svære, hovedsagelig på grund af den høje reaktivitet af HF og vands tendens til at danne hydrogenbindinger.

For at forstå den grundlæggende mekanisme bag syreopløsning, Zhang et al. fra Institut for Kemisk Forskning ved Kyoto Universitet indkapslet HF, samt HF•H ₂ O og H ₂ O inden for et C ₇₀ fulleren. De fandt ud af, at for at tvinge molekylerne ind i det åbne fullerenhulrum, molekylerne krævede at "skubbe udefra" under højtryksforhold, og "trække indefra" via molekylære interaktioner mellem HF og H ₂ O. De var i stand til at identificere, hvordan hydrogenbinding opstod mellem disse to molekyler. Deres arbejde vises i Videnskabens fremskridt .

Tidligere arbejde af Zhang et al. viste, at C ₇₀ fulleren kunne åbnes i en tre-trins proces, der involverede tilføjelse af et pyridazinderivat enten til alfa- eller beta-bindingerne på C ₇₀ . Dette skabte en 13-leddet ringåbning, der dannede lidt forskellige forbindelser, betegnet med α-13mem og β-13mem. Dehydrering af begge forbindelser resulterede i en 16-leddet ringåbning. Ringen kunne lukkes igen via hydrolyse og en to-trins proces.

β-16mem var stor nok til at fange H ₂ Åh, men det var α-16mem ikke. På baggrund af disse resultater fra tidligere undersøgelser, for det aktuelle studie, Zhang et al. brugt α-16mem til at forsøge at indkapsle HF. I stedet, de fandt tre forskellige muligheder indenfor fullerenerne:HF@C ₇₀ , (HF•H ₂ O)@C ₇₀ , og H ₂ O@C ₇₀ .

Deres reaktionsbetingelser krævede højt tryk (9000 atm) for at "skubbe" gæstemolekylet ind i α-16mem-hulrummet. Tidsafhængige undersøgelser viste, at HF ​​fyldte hulrummet først, efterfulgt af H ₂ O•HF, og så H ₂ O. Især det åbne bur fangede ikke H ₂ O når HF ikke var til stede, hvilket indikerer, at interaktionen mellem H ₂ O og HF fik H ₂ O indkapsling. Yderligere undersøgelser viste, at HF ​​"trækker" H ₂ O ind i hulrummet, mens højtryksmiljøet "skubber" det ind i hulrummet.

Denne proces gjorde det muligt for forfatterne at studere interaktionen mellem H ₂ O og HF i et begrænset miljø ved hjælp af ¹ H NMR. NMR-analyse viste, at (H ₂ O•HF)@C ₇₀ blev skiftet ned fra H ₂ O@C ₇₀ og HF@C ₇₀ , hvilket indikerede hydrogenbinding. Desuden, skift- og koblingsværdier indikerede, at oxygen virkede som hydrogenbindingsacceptoren.

Ved at bruge enkeltkrystal røntgendiffraktion, Zhang et al. demonstrerede strukturen af ​​(HF•H ₂ O)@C ₇₀ , og rapporter den første røntgenstruktur for dobbeltindkapslet C ₇₀ . Disse analyser og eksperimentelle undersøgelser bekræftede, at H ⁺ ion i HF danner en lineær hydrogenbinding med O i H ₂ O. Derudover, sammenlignet med teoretiske beregninger af fri H ₂ O og HF, undersøgelserne af de indkapslede molekyler afslørede tæt kontakt med brint og oxygen, der kan være karakteristisk for H3O ⁺ •F ^- .

C ₇₀ fullerenderivat giver et fremragende nanomiljø til at studere isolerede kemiske arter, noget, der ikke tidligere har været tilgængeligt for kemikere. Dette isolerede miljø gjorde det muligt for forfatterne at undersøge interaktionerne mellem to forbindelser uden indblanding fra det omgivende miljø og gav vigtig indsigt i en allestedsnærværende kemisk proces.

© 2017 Phys.org