Химики синтезировали молекулу с рекордной любовью к протонам

Австралийские химики получили вещество с самым высоким сродством к протону из всех известных. Им оказался дианион диэтинилбензола в газовой фазе. Он «обошел» на несколько процентов предыдущих рекордсменов: анион окиси лития (LiO^-) и метанид-анион (CH₃^-). Авторы продемонстрировали силу супероснования, отщепив с его помощью атом водорода от молекулы бензола. Исследование опубликовано в журнале Chemical Science, кратко о нем сообщает блог Королевского химического общества.

Основание и кислота — важнейшие понятия в химии. Согласно одной из теорий кислот и оснований (Бренстеда—Лоури) под основанием понимают частицу (нейтральную молекулу, анион), которая способна отщеплять протон (положительно заряженный атом водорода) от кислоты. Типичные основания можно получить, растворив в воде щелочь, например, NaOH. Образовавшиеся после диссоциации гидроксид-анионы легко отщепляют протоны от кислот, образуя воду. Такой же процесс можно провести и в газовой фазе — с тем же результатом. 

Силу основания можно сравнивать разными способами. Традиционно это делается с помощью констант основности — они показывают как хорошо вещество отщепляет протоны от выбранной кислоты, например, воды. Но в газовой фазе необходимо использовать другой показатель — сродство к протону. Он показывает как много энергии выделяется при реакции основания с протоном. Чем сильнее основание, тем больше энергии выделяется.

В число самых сильных оснований входят гидрид анион (продукт отщепления протона от молекулы водорода) и метанид (отщепление протона от метана). Последний сохранял статус самого сильно основания из полученных человеком вплоть до 2008 года. Затем химики синтезировали анион оксида лития LiO^-. Это соединение оказалось рекордсменом сродства к протону — при реакции присоединения выделяется около 1782 килождоулей на моль. Вещество, полученное авторами новой работы увеличивает рекордную планку на 60 килоджоулей на моль. 

Орто-диэтинилбензол представляет собой молекулу бензола, к которой присоединены два остатка ацетилена. Для синтеза его аниона авторы использовали электроспрей ионизацию более сложной молекулы, в которой к ацетиленовым фрагментам дополнительно были присоединены остатки карбоновой кислоты (-COOH). На первой стадии вещество в форме дианиона карбоновой кислоты переводилось в газовую фазу под действием сильного электрического поля. Затем из-за столкновений со специально введенными в прибор атомами гелия происходило двухстадийное отщепление молекул CO₂. В результате этого образовывались целевые молекулы. Их фиксировали с помощью масс-спектрометрии. 

Для того чтобы проверить экспериментально силу основания химики добавили к анионам диэтинилбензола бензол. Последний представляет собой чрезвычайно слабую кислоту, не отдающую свои протоны привычным основаниям. Как правило для этого требуются такие вещества как бутиллитий. Проанализировав изменения, происходившие с масс-спектром после впрыскивания бензола, ученые подтвердили, что новое вещество способно «отбирать» у ароматической молекулы протоны. С водородом и метаном аналогичные реакции запустить не удалось.

Сила основания была установлена с помощью квантово-химических расчетов. Авторы выполнили сходные расчеты для сильнейших оснований и обнаружили, что дианион орто-диэтинилбензола обладает сродством к протону на несколько десятков килоджоулей большим, чем у аниона оксида лития. Интересно, что смена расположения ацетиленовых фрагментов резко снижала сродство.

Как отмечают ученые, заметно, что чем больше «лишних» электронов находится у молекулы, тем выше ее основность. Это предлагает возможный путь для поиска сильных оснований, однако у него есть и обратная сторона. Многочисленные заряды дестабилизируют молекулу из-за электростатического отталкивания.

Владимир Королёв