Ny undersøgelse afslører, at protonhydreringsstrukturer er asymmetriske

Hvordan vand solvaterer og transporterer protoner er et grundlæggende spørgsmål, som både kemikere og biologer står over for, og det er afgørende for vores forståelse af processer som fotosyntese og cellulær respiration.

Et team af forskere ved University of Chicago brugte bredbånds 2-D IR-spektroskopi til at afsløre protonadfærd, når syrer som HCl dissocierer i vand. Selvom lærebøger i almen kemi typisk lærer, at protonen forbindes med vand som en hydroniumion H ₃ O+, de opdagede, at protonen er stærkt bundet mellem to vandmolekyler, og at strukturerne overvejende er asymmetriske.

"Vi bygger på forudsigelser lavet gennem beregningsmodellering, inklusive Greg Voths arbejde, professor i kemi ved University of Chicago, der er førende inden for udvikling af beregningsmodeller for protonoverførsel i rent vand og biologiske systemer, sagde Joseph Fournier, assisterende professor i kemi ved Washington University i St. Louis og tidligere Arnold O. Beckman postdoc ved University of Chicago. "Imidlertid, de eksperimentelle og tekniske udfordringer, der står over for at studere protonen i vand, har efterladt disse modeller ubekræftede. Vi føler, at denne undersøgelse giver det mest omfattende eksperimentelle syn på den komplicerede karakter af, hvordan vand interagerer med protoner."

Undersøgelsen blev muliggjort gennem fremskridt inden for 2-D IR-spektroskopi udviklet i gruppen af ​​Andrei Tokmakoff, professor i kemi ved University of Chicago og medforfatter på papiret. 2-D IR bruger korte infrarøde laserimpulser til at fange snapshots af molekylernes strukturer, før de kan bevæge sig. Når først du er i stand til at tage et øjebliksbillede, forskere fandt, at der var mange strukturelle variationer mulige, når en proton blev delt mellem to vandmolekyler, og at disse strukturer varer længere end tidligere antaget.

"For eksempel, protonen kunne være i midten eller lidt skæv. Eller de to vandmolekyler kan være i forskellige afstande fra hinanden, sagde Fournier.

Disse data vil nu blive brugt til at forbedre beregningsmodeller, som vil hjælpe forskere med kvantitativt at bestemme arten af ​​disse strukturelle fordelinger og forstå, hvorfor disse strukturer varer længere end tidligere antaget. Derudover medforfatter og kandidatstuderende forsker William Carpenter har til hensigt at studere, hvordan strukturerne udvikler sig over tid, når protonen bevæger sig fra et vandmolekyle til det næste.

Fournier planlægger også at anvende protontransportforskningen i katalytiske processer.

"Mange kemikere forsøger at udvikle katalysatorer, der efterligner, hvad planter gør - spaltning af vand til nye rene energikilder, " sagde han. "Katalytiske processer som vandopdeling er afhængige af flere protonoverførselsbegivenheder. At forstå, hvordan dette fungerer på molekylært niveau, kan hjælpe os med at bruge vand som brændstof."