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    Para a frente ou para trás? Novos caminhos para prótons na água ou metanol

    Crédito:FV Berlin

    Uma espectroscopia ultrarrápida colaborativa e um estudo de simulação de dinâmica molecular ab initio mostra que as vacâncias de prótons na forma de íons hidróxido / metóxido são tão relevantes para a transferência de prótons entre ácidos e bases quanto prótons em excesso hidratado (H 3 O + , H 5 O 2 + ), apontando assim para uma demanda clara de refinamento da imagem microscópica para transporte de prótons aquosos - em solução, bem como em células de combustível de hidrogênio ou proteínas transmembrana - longe do papel dominante atualmente freqüentemente assumido de prótons em excesso hidratado. O estudo foi publicado recentemente por cientistas do Instituto Max Born de Óptica Não Linear e Espectroscopia de Pulso Curto (MBI) e da Martin-Luther-University Halle-Wittenberg (MLU) no renomado Jornal da American Chemical Society .

    A troca de prótons entre dois grupos químicos (neutralização ácido-base) tem sido um problema de química de livro por muitos anos. Surpreendentemente, até esta data, não foram obtidos novos insights fundamentais sobre as etapas elementares do transporte de prótons. Isso pode muito bem estar no fato de que as etapas elementares (por prótons ou vacâncias de prótons) ocorrem em escalas de tempo extremamente curtas, que não são acessíveis com técnicas convencionais de laboratório (Figura 1). Observação dessas etapas elementares de reação, conforme alcançado pelas equipes de pesquisa de MBI e MLU, portanto, requer acesso direto a escalas de tempo de 1-100 picossegundos (0,000000000001 até 0,0000000001 segundos), necessitando de uma configuração experimental com uma resolução de alto tempo em conformidade, bem como sistemas de computador de alto desempenho.

    As equipes de pesquisa estudaram em conjunto um sistema modelo específico (7-hidroxiquinolina em misturas de água / metanol), onde um pulso de laser ultracurto desencadeia a desprotonação de um grupo OH e a protonação de um átomo de nitrogênio. A cronologia precisa das etapas elementares com essas classes de reações químicas permanece indefinida, levando a inúmeras especulações. Os cientistas do MBI e MLU agora foram capazes de determinar que a liberação de um próton do grupo OH para o solvente é realmente ultrarrápida, no entanto, a captação de um próton pelo átomo de nitrogênio é ainda mais rápida. Isso resulta em um mecanismo de transporte de vacâncias de prótons, isto é, de íons hidróxido / metóxido. As etapas elementares da reação foram elucidadas com espectros de IV resolvidos no tempo e cálculos químicos quânticos detalhados (ver Figura 2).

    Monitorar o transporte de prótons de 7-hidroxiquinolina em misturas de solvente de água / metanol em tempo real do reagente neutro N * através do cátion intermediário C * para o produto zwitteriônico Z * com espectroscopia de bomba de UV / sonda de IR de modos de marcadores ativos de IR ( uma), e seguindo trajetórias de dinâmica molecular ab initio (b). O instantâneo em (b) mostra o momento em que a primeira etapa de reação, abstração de prótons de uma molécula de água próxima pelo átomo de nitrogênio de 7-hidroxiquinolina (acima, átomo azul), apenas ocorreu e um íon OH– (laranja) foi formado, rodeado por outras moléculas de solvente. Crédito:FV Berlin




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