A trihidrogén kation szerves molekulákból származik lézer segítségével • Arkady Kuramshin • Tudományos hírek a "Elemekről" • Kémia, asztrofizika

A trihidrogénkationot lézer segítségével szerves molekulákból nyertük

Ábra. 1. Trihidrogén kation H3+ részt vesz kémiai folyamatokban a csillagok és a Tejút és más galaxisok közötti csillagközi térben, valamint a Naprendszer óriási bolygóinak ionoszférájában. Ábra Takeshi Oka bemutatóról, 2005. H3+ a Galaktikus Központban; A csillagászat és a kémia egységesítése

A Michigan Egyetem kutatói a trihidrogénkation (H3+) nagy teljesítményű lézer hatásának kitett szerves vegyületekből. Ez a reakció két lépésben folytatódik (az elsőben H hidrogénmolekulát képez2amely a második lépésben elválasztja a protonot a töltött CHOH fragmenstől2+), és több száz femtoszekundum sorrendjét foglalja el, képes megmagyarázni a ritka folyamatok kémiai tulajdonságait, amelyek egyidejű szakadással vagy egyszerre több kémiai kötés kialakulásával jönnek létre, amelyek jellemzőek a gáztartalmú porcok kémiai átalakulásában az Univerzum csillagközi terében.

Trihidrogén kation (Trihidrogén kation) H3+ Ez a legegyszerűbb és leggyakoribb triatomikus ion az univerzumban. Először 1911-ben fedezte fel az elektron felfedezője, Joseph Thomson anód sugarak (anód sugarak) kísérletei során. A tömegspektrometria korai analógját alkalmazva nagyszámú molekuláris ionot észlelt a gázkibocsátásokban, tömeg / töltés aránya 3.A két lehetséges jelölt közül – C4+ vagy H3+ – Thomson megállt a második, és igaza volt.

Interstelláris tér, az ion H3+ amely a H bimolekuláris reakciója során keletkezett2+ + H2 → H3+ + H (lásd T. R. Hogness, E. G. Lunn, 1925. A pozitív sugárzás-analízis ionizációját) és az ion H2+a hidrogénmolekula ionizációja a kozmikus sugárzás hatására: \ (\ mathrm {H} _2 \ xrightarrow [] {h \ nu} \ mathrm {H} _2 ^ ++ \ bar % \). Mind a pozitív töltés, mind az egy párosítatlan elektrongyök-kation H-t tartalmaz2+ nagyon instabil részecske, és erős Lewis-savaként (egy részecske, amely az elektron sűrűségének hiányában és egy kémiai reakciópartner elektronjainak ezt a hiányosságát kompenzálja) kölcsönhatásba lép egy semleges hidrogén-molekulával rendelkező elektron párral2.

Az e reakcióból származó trihidrogén-kation H3+ szimmetrikus, és egyenlő oldalú háromszögnek tekinthető, amelynek csúcsain hidrogénatomok vannak. A H kationban3+ egy háromközpontú kételektront kötünk – e kation két elektronja egyformán kölcsönhatásba lép mindhárom hidrogénmaggal, ennek a kötésnek a energiája a trihidrogénkationban 104 kcal / mol (B. J. McCall és munkatársai, 2004. A rotációs hideg hidrogén disszociatív rekombinációja3+), amely lehetővé teszi számunkra, hogy a triatomikus kationról beszélünk, mint viszonylag stabil részecske.

Az IR spektroszkópia segítségével megállapítható volt, hogy H3+ az csillagközi közegben és csillagok és bolygók atmoszférájában (lásd T. Oka, 1980). A H infravörös spektrumának megfigyelése3+): megtalálható mind a galaxisunk központi molekuláris zónájában, mind a naprendszer gáti óriásainak ionoszférájában. Ezt a kationt néha úgynevezett "molekula, amely létrehozta az univerzumot". Először, a H kation formája3+ A hidrogén – a leggyakoribb elem – főként az Univerzumban jelen van. Másodszor, ez az ion szerepe az asztrokémiai folyamatokban, különösen akkor, amikor a világegyetem fiatal volt, sokkal fontosabb, mint bármely más molekula vagy molekuláris ion, amit tudunk: trihidrogén kation nélkül sem csillagok, sem kémiai elemek nem láthatók Mivel a termonukleáris csillagreaktorok kívül esnek, a lítiumnál nehezebb kémiai elemek kialakulása lehetetlen.

A számítások azt mutatják, hogy a csillagok első generációi gyorsan felmelegedtek a túl magas hőmérsékletekig, és még a végleges képződés színtere előtt is összeomlanak. Az ilyen túlmelegedés és az első generációs csillagok kialakulásának megakadályozása érdekében mechanizmusra volt szükség,lehetővé téve a felesleges energiának hatékony megszabadulását, amelyhez viszont olyan molekulát kellett kapnia, amely megszabadulhat a felesleges energiától sugárzás formájában. A fiatal világegyetemben, melynek kémiai összetételét csak három kémiai elem (hidrogén, hélium és lítium) képviselte, a vegyületek megválasztása meglehetősen kicsi volt, és egy olyan "szelep" szerepe, amely megmentette a fiatal Univerzum csillagait az idő előtti pusztulással, a H trihidrogén kation3+ (lásd Michele Pavanello és munkatársai, 2012. Hideg triatomi energia a középső spektrumtartományig). Az a tény, hogy egy elektronpár egyenletes eloszlása ​​szimmetrikusan elhelyezkedő három hidrogénatom között csak külső hatások hiányában figyelhető meg. A sugárzás felszívódása, egy másik molekulával való ütközés vagy más energiaáramlás miatt a trihidrogén kationos molekulában lévő elektronok eltolódnak, ami miatt a kation elveszíti szimmetriáját és izgalomba hozható energiaszintré válik, amelyből visszatérhet normális szimmetrikus állapotába, fotonokat és hűtést. Az ezen molekulák stabil szimmetrikus és emittáló energia aszimmetrikus állapota közötti átmenet lehetővé tette, hogy a korai generációk csillagai hatékonyan eloszlassák az energiát és a felesleges hőmérsékletet, lassan kialakulva és növekvő mértékben.

Annak a ténynek köszönhetően, hogy a formált csillagok szerepet játszottak a lítium, különösen a szén, az oxigén és a nitrogén nehezebb szintézisében, a modern univerzumban, továbbá a kation H képződésének fenti bimolekuláris reakciója mellett3+ csak a hidrogént tartalmazó részecskékből áll, más mechanizmusok vannak a trihidrogén kialakulására. A Szoláris Rendszer óriás bolygóinak ionoszférájában, szerves vegyületekben gazdag, valamint csillag, szén-dioxid, hidrogén és oxigén tartalmú molekulákat tartalmazó csillagközi gáz-porfelhőkben az ion H3+ szerves vegyületekből lehet kialakítani. Azonban eddig nem sikerült ezt megtenni.

Közben egy ilyen mechanizmus tanulmányozása a H kialakulásához3+ rávilágíthat a kémiai evolúció részleteire az interstelláris közegben és a bolygók atmoszférájának felső rétegeiben. Feltételezzük, hogy a kibocsátott médiumban lévő szén, nitrogén és oxigén atomjaival kölcsönhatásba lépünk, a trihidrogén H3+ ez egy stabil szimmetrikus és egy izgalmas aszimmetrikus állapotból is megy, és elindítja a kémiai folyamatok láncát, ami vízmolekulák, ammónia, hidrogén-cianid, metanol és más alkoholok, formaldehid és szénhidrogének képződéséhez vezet.A keletkező szerves anyag megsemmisülése a H kation forrásává válhat3+és a gerjesztett trihidrogénnel kölcsönhatásban részt vesznek a szerves anyagok szerkezetének – a legegyszerűbb aminosavak és cukrok – kialakulásának további folyamataiban – az élet építőkövei.

A trihidrogén-kation szerves molekulák képződésének jellemzőit nehéz megmagyarázni, mivel ezek a reakciók egyedülállóak – az új kémiai kötések kialakulása előtt két vagy több kötés egymást követő megszakadására van szükség, míg a "klasszikus" kémiai reakciók vagy az egy kötés szakadásának jellemző sorrendje – egy kötés (lásd alifás nukleofil szubsztitúció reakcióját), vagy a régi törés és az új kémiai kötések kialakulása egyszerre és egyidejűleg következik be.

Marcos Dantus (Marcos Dantus) kémiai és fizikai tiszteletbeli kémiai és fizikai professzorának kutatói a lézerek segítségével reprodukálhatják a Tejút, a Jupiter, a Szaturnusz és az Uránusz ionoszféra, és talán a Föld ionoszférájában lévő reakciókat, a trihidrogénkation szerves molekulákból, például metil-alkoholból (CH3OH), aceton (CH3C (0) CH3) vagy etilénglikolt (C2H6O2). A H. Kísérleti tanulmányozásához3+ használt nagy teljesítményű (2,5 ÷ 6,0) × 1014 Watt / cm2 zafír lézert, amely a reakció elindítását és a reakciótermékek szerkezetének tanulmányozását és a H3+ a reakció elemi szakaszai, valamint a repülés közbeni tömegelemző, amelyet a lézersugárzás szerves molekulák hatásából származó ionok összetételének megerősítésére használtak.

Ábra. 2. Az etilénglikol és egy lineárisan polarizált lézer besugárzásával kapott reakciókeverék tömegspektruma (lézer sugárzás polarizációja) 2,5 × 1014 Watt / cm2. Csak azokat a ionokat mutatják be, amelyek fontosak a feltárt kutatás keretei között – azaz a tömeg / töltés arány (m/Z), amelyhez nem lépi túl a 7. jelet m/Z = 3 a trihidrogén H jeléhez viszonyítva3+ (a részecske tömege három atomi tömegegységgel egyenlő, a töltés egyenlő az egységgel). A tanulmány szerzői kizárják a C ion képződését3+mert ezen és más spektrumokon nincs jel, amely egy tripla ionizált szénatomnak felel meg (m/Z = 4 – a C esetében3+ a szénatom tömege 12 atomi tömegegység, a töltés három).Ábra a tárgyalt cikkből Tudományos jelentések

A tömegspektrometria segítségével megállapítást nyert, hogy a nagy teljesítményű lézersugárzás által a szerves vegyületek besugárzásának eredményeképpen az átalakulás egyik terméke a trihidrogén kation H3+, a kutatók a megfigyelt reakció ilyen paraméterét a szivattyúzás / próbafolyamat késése (a lézer impulzus alkalmazása és a H-kation kimutatása között eltelt idő3+). Ezzel párhuzamosan a kvantumkémia segítségével a szerves vegyületek megsemmisítésének különféle változatainak modellezését hajtották végre a trihidrogén kation emissziójával, kiszámították a különböző kialakítási útvonalak spektrális paramétereit, a H képződési sebességét kiszámítottuk3+ és megjósolta a késleltetés értékét a szivattyúzás / érzékelés folyamatában. Annak érdekében, hogy következtetéseket vonhassanak le a tanulmányozott reakciók folytatásához, a kapott eredmények kísérletileg korreláltak a kvantumkémiai számításokkal kapott adatokkal (ez a megközelítés összehasonlította a kísérlet eredményeit és modelljét, melynek neve " alkalmazott elméleti kémia ", amelyet gyakran alkalmaznak a modern kémia területén).

Az empirikusan nyert adatok összehasonlítása és a kvantumkémiai modellezés eredménye lehetővé tette a kutatók számára, hogy megállapítsák, hogy a H kation3+ szerves anyagok, ez egy új, csak 2011-ben ismertetett, típusú kémiai reakciók – "vándorlás reakciók" (lásd J. Bowman, 2011. Roaming reakciók: A harmadik út). Az ilyen típusú reakciókban az eredeti molekula megsemmisítésével új kémiai kötések keletkeznek, nem egymáshoz viszonyítva (a klasszikus kémiai reakciókra jellemző) atomok között, hanem az egymástól megfelelő távolságra elhelyezkedő atomok között.

A Dantus-csoportban végzett vizsgálatok eredményei a molekuláris hidrogénhez kapcsolódó vándorlás első példájaként szolgálnak2ami különösen érdekes annak a ténynek köszönhetően, hogy a vándorlási reakciók új fejezetet jelentenek a kémia területén, amelynek megírása most kezdődött el. Ez a még meg nem írott fejezet segít egyes pontok tisztázásában azokkal a folyamatokkal szemben, amelyek a klasszikus elméleti kémia szempontjából nem valószínűek vagy nem folytatódnak, ahogyan ténylegesen meg is tesznek.

Ábra. 3. A H ion kialakulásának két módja3+ a CH általános képletű vegyülettel reagáltatjuk3RH2+. (A) Az első mechanizmus végrehajtásakor az ion H3+ három hidrogénatomból áll, amelyek egy szénatomhoz kapcsolódnak. (B) Ezen az úton egy hidrogénatomhoz két hidrogénatom kapcsolódik3+a szomszédos R csoport hidrogénatomjával egyesül. Mindkét séma szerint a hidrogénatomok a H3+kiemelve piros. Ábra a tárgyalt cikkből Tudományos jelentések

Az egyik oka annak, hogy keveset tudunk a vándorlási reakciókról általában (és a H ion kialakulásáról)3+ különösen), – az a tény, hogy ezek a reakciók nagy sebességgel haladnak, ami megnehezíti tanulmányozásukat. Tehát a tanulmányozott tanulási folyamat számára H3+, amely három régi kémiai kötés megtörését és három új formáció kialakulását vonja maga után, 100-240 femtoszekundumban megy végbe. Ez alatt az idő alatt a repülő golyónak még ideje sem volt az atom átmérőjével megegyező távolság, és a kísérletekben a szerves vegyülettől származó metanol-molekula egyszerre több transzformációban is részt vett. Először a metanol CH3OH a lézersugárzás hatására két elektron elvesztette és kétszeresen feltöltött CH kationgá alakult3OH2+. Ezután a kation ezen kationja két C-H kötése megszakadt, így a kórokozó hidrogén és a CHOH-kation2+, amelyből a trihidrogén kation képződésének végső szakaszában vándorolt ​​hidrogént és elszakította a protonot. A kutatók szerint a leginkább meglepő a vizsgált mechanizmus a két kémiai kötés szekvenciális törése egyszerre, és a vándorló molekuláris hidrogén H2 szerves molekula gerjesztése után. A második szakasz az ion H képződése3+ egy ionizált szerves molekula és egy vándorló divodorum H kölcsönhatásában2 – az ionképződés logikus és várható folyamata, a leggyakoribb az univerzumban.

Információ a reakció mechanizmusáról és arról, hogy milyen gyorsan alakul ki a H kialakulása3+, egy lépéssel közelebb áll ahhoz, hogy megértsük az "életmolekulák" kialakulásának alapját képező, a világűrben zajló folyamatok lényegét. A kutatók tervei annak meghatározására, hogy a szerves molekula mérete hogyan befolyásolja a kóros reakció valószínűségét és sebességét, ami az ion H3+.

Forrás: Nagitha Ekanayake, Muath Nairat, Balram Kaderiya, Peyman Feizollah, Bethany Jochim, Travis Severt, Ben Berry, Kanaka Raju Pandiri, Kevin D.Carnes, Shashank Pathak, Daniel Rolles, Artem Rudenko, Itzik Ben-Itzhak, Christopher A. Mancuso, B. Scott Fales, James E. Jackson, Benjamin G. Levine, Marcos Dantus. A trihidrogén kation mechanizmusai és időeltolódott dinamikája (H3+) lézeres mezők kialakulása // Tudományos jelentések. 2017. V. 7. (1). Cikkszám: 4703. DOI: 10.1038 / s41598-017-04666-w.

Arkady Kuramshin


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: