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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Американцы составили водную карту поверхности Луны

Основываясь на уточненных спектроскопических данных, американские астрофизики составили первые количественные карты содержания воды на поверхности Луны. Полученные данные показали, что основным источником воды на поверхности Луны является солнечный ветер. А составленные карты могут потом быть использованы для уточнения теоретических моделей поведения летучих веществ на безвоздушных космических объектах. Работа опубликована в Science Advances.