Frem eller tilbage? Nye veje for protoner i vand eller methanol

En kollaborativ ultrahurtig spektroskopi og ab initio molekylær dynamik simuleringsundersøgelse viser, at ledige protoner i form af hydroxid/methoxidioner er lige så relevante for protonoverførsel mellem syrer og baser som hydrerede overskydende protoner (H ₃ O ⁺ , H ₅ O ₂ ⁺ ), peger således på et klart krav om forfining af det mikroskopiske billede for vandig protontransport – i opløsning såvel som i brintbrændselsceller eller transmembranproteiner – væk fra i øjeblikket ofte antaget dominerende rolle for hydrerede overskydende protoner. Undersøgelsen er for nylig offentliggjort af forskere fra Max Born Institute of Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) og Martin-Luther-University Halle-Wittenberg (MLU) i det berømte Journal of the American Chemical Society .

Udvekslingen af ​​protoner mellem to kemiske grupper (syre-base-neutralisering) har været et lærebogskemiproblem i mange år. Overraskende nok, indtil denne dato er der ikke opnået ny grundlæggende indsigt om de elementære trin i protontransport. Dette kan meget vel ligge i, at de elementære trin (ved protoner eller ledige protoner) foregår på ekstremt korte tidsskalaer, som ikke er tilgængelige med konventionelle laboratorieteknikker (figur 1). Observation af disse elementære reaktionstrin, som opnået af forskerholdene fra MBI og MLU kræver således direkte adgang til tidsskalaer på 1-100 picosekunder (0,000000000001 til 0,0000000001 sekunder), nødvendiggør en eksperimentel opsætning med en tilsvarende høj tidsopløsning samt højtydende computersystemer.

Forskerholdene har i fællesskab undersøgt et bestemt modelsystem (7-hydroxyquinolin i vand/methanol-blandinger), hvor en ultrakort laserimpuls udløser deprotoneringen af ​​en OH-gruppe og protoneringen af ​​et nitrogenatom. Den præcise kronologi af de elementære trin med disse klasse af kemiske reaktioner er forblevet uhåndgribelig, fører til adskillige spekulationer. Forskerne fra MBI og MLU har nu været i stand til at fastslå, at frigivelsen af ​​en proton fra OH-gruppen til opløsningsmidlet faktisk er ultrahurtig, alligevel er opsamlingen af ​​en proton af nitrogenatomet endnu hurtigere. Dette resulterer i en transportmekanisme af ledige protoner, dvs. af hydroxid/methoxid-ioner. De elementære reaktionstrin er blevet belyst med tidsopløste IR-spektre og detaljerede kvantekemiske beregninger (se figur 2).