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质子水合结构不对称

2018-08-22 06:31

水如何溶剂化和运输质子是化学家和生物学家共同面临的一个基本问题,对我们理解光合作用和细胞呼吸等过程至关重要。芝加哥大学一组研究人员利用宽频二维红外光谱技术揭示了酸如盐酸在水中分解时的质子行为。虽然一般的化学教科书上一般都说质子与水的结合是水合氢离子H3O+,但发现质子在两个水分子之间是紧密结合,而且结构主要是不对称的。

华盛顿大学圣路易斯分校(Washington University in St. Louis)化学助理教授、前芝加哥大学(University of Chicago)博士后阿诺德·o·贝克曼(Arnold O. Beckman)说:我们正在利用通过计算建模做出的预测,包括芝加哥大学(University of Chicago)化学教授格雷格·沃斯(Greg Voth)研究成果。

图片:CC0 Public Domain

博科园-科学科普:沃斯是开发纯水和生物系统中质子转移计算模型的领军人物,然而,研究水中质子所面临的实验和技术挑战使得这些模型无法得到验证,这项研究提供了关于水与质子相互作用复杂本质最全面的实验观点。这项研究是通过安德烈·托克马克科夫(Andrei Tokmakoff)团队在二维红外光谱领域的进展而实现的,他是芝加哥大学(University of Chicago)的化学教授,也是这篇论文的合著者。二维红外光谱在分子运动之前,利用短的红外激光脉冲捕捉分子结构的快照。

一旦能够捕捉到快照,研究人员发现,当两个水分子共享一个质子时,可能会出现许多结构上的变化,而且这些结构的持续时间比先前认为的要长。例如,质子可能在中间或有一点倾斜。或者这两个水分子之间的距离可能不同。这些数据将被用于改进计算模型,这将帮助研究人员定量地确定这些结构分布的性质,并理解为什么这些结构比以前认为的更持久。

此外,该论文的合著者、研究生研究员威廉·卡朋特(William Carpenter)打算研究质子从一个水分子到下一个水分子时,结构是如何及时发展的。福涅尔还计划在催化过程中应用质子转移研究。很多化学家都在尝试开发催化剂,模拟植物如何利用水分解来获得新的清洁能源。像水分解这样的催化过程依赖于多个质子转移事件,在分子水平上理解这是如何工作的,可以帮助我们使用水作为燃料。

博科园-科学科普|参考期刊文献 :《Nature Chemistry》|研究/来自:芝加哥大学, DOI: 10.1038/s41557-018-0091-y

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