Исследование, опубликованное 6 октября в немецком научном журнале Angewandte Chemie International Edition, предоставляет экспериментальное доказательство существования химической связи между двумя отрицательно заряженными молекулами бисульфата или HSO4.Существование этой структуры — «супрамолекулы» с двумя отрицательно заряженными ионами — когда-то считалось невозможным, поскольку, по всей видимости, противоречит химическому закону, действующему почти 250 лет назад, который недавно подвергся новой проверке.«Анион-анионная димеризация бисульфата противоречит простым ожиданиям закона Кулона», — сказал профессор IU Амар Флад, ведущий автор исследования. «Но структурные доказательства, которые мы представляем в этой статье, показывают, что два гидроксианиона могут быть связаны химически.
Мы считаем, что отталкивание между этими анионами на больших расстояниях компенсируется притяжением на малых расстояниях».Флад — профессор химического факультета Блумингтонского колледжа искусств и наук. Первым автором исследования является Элизабет Фатила, научный сотрудник лаборатории Флода.В молекулярной химии две молекулы мономера, соединенные прочной ковалентной связью, называются «димером». (Полимер — это цепь из множества мономеров.) В супрамолекулярной химии димеры связаны множеством слабых нековалентных связей.
Отрицательно заряженная частица — это анион.Ключевой частью закона Кулона является идея о том, что две молекулы с одинаковым зарядом создают отталкивающую силу, которая предотвращает химическую связь — как два магнита с одним и тем же концом, находящиеся в тесном контакте. Но недавно эксперты начали утверждать, что отрицательно заряженные молекулы с атомами водорода, такие как бисульфат, состоящий из водорода, серы и кислорода, также могут образовывать жизнеспособные химические связи.
«Хотя супрамолекулярная химия начиналась как попытка создать новых молекулярных хозяев, которые держатся за дополнительных молекулярных гостей за счет нековалентных связей, область недавно расширилась, чтобы исследовать нековалентные взаимодействия между гостями с целью создания новых« химических разновидностей ». , — сказала Фатила. Отрицательно заряженный димер бисульфата в исследовании IU использует самокомплементарную антиэлектростатическую водородную связь.Существование молекулы стало возможным благодаря инкапсуляции внутри пары макроциклов cyanostar, молекулы, ранее разработанной лабораторией Флода в IU.
Фатила и его коллеги пытались связать единственную молекулу бисульфата внутри цианозвезды; присутствие двух отрицательно заряженных ионов бисульфата стало неожиданностью.«Эта статья вдохновляет, потому что она может запустить новый подход к распознаванию супрамолекулярных ионов», — сказал Джонатан Сесслер, профессор химии Техасского университета в Остине, который не принимал участия в исследовании. «Я ожидаю, что это станет началом чего-то нового и важного в этой области».Способность производить отрицательно заряженный димер бисульфата может также способствовать поиску химических решений нескольких экологических проблем.
Благодаря своим свойствам экстракции ионов, молекулы потенциально могут использоваться для удаления сульфат-ионов из процесса, используемого для преобразования ядерных отходов в твердые вещества, пригодные для хранения — метод, называемый стеклованием, которому эти ионы наносят вред, — а также для извлечения вредных веществ. фосфат-ионы из окружающей среды.«Эвтрофикация озер — лишь один пример серьезной угрозы окружающей среде, вызванной стоком фосфатов из удобрений», — сказал Флад, имея в виду неконтролируемый рост растений, который является результатом попадания избыточных фосфатных питательных веществ в озера и океан.
Когда эти химические вещества попадают в систему водоснабжения в виде стока удобрений, производимых молочными фермами и используемых для увеличения урожайности сельскохозяйственных культур, они могут вызвать массовое цветение водорослей, которые отравляют источники воды и убивают большое количество рыб.В августе Флад также был назначен главным исследователем нового, отдельного гранта от Национального научного фонда, специально направленного на удаление этих веществ из окружающей среды. Трехлетняя награда в размере 600 000 долларов США является результатом сотрудничества с Хизер Аллен, профессором Университета штата Огайо, который находится недалеко от той части страны, которая недавно испытала большое цветение водорослей из-за сельскохозяйственных стоков в озеро Эри.Новая молекула в исследовании была обнаружена с помощью оборудования в лаборатории ядерного магнитного резонанса химического факультета Блумингтона, лаборатории биологической масс-спектрометрии и Центре молекулярной структуры IU.
Соавторами исследования являются профессор Кришнан Рагхавачари, доцент Джонатан А. Карти, научный сотрудник Эрик Б. Твум, старший научный сотрудник Марен Пинк и доктор философии. студент Аркаджиоти Сенгупта, весь факультет химии Блумингтонского университета. Пинк также является директором Центра молекулярной структуры IU. Карти — менеджер лаборатории масс-спектрометрии.
Твум работает спектроскопистом в Центре ядерного магнитного резонанса.Это исследование было впервые представлено на 11-м Международном симпозиуме по макроциклической и супрамолекулярной химии в Сеуле, Южная Корея. Исследование было поддержано Национальным научным фондом.
Макроцикл cynostar, разработанный лабораторией Флода, является предметом заявки на патент, поданный IU Research and Technology Corp.