Dos moléculas de agua han sido atrapadas dentro de una jaula de fullereno permiten la formación de un enlace de hidrógeno entre las dos moléculas que se observó. Es la primera vez que el dímero elusiva del agua ha sido aislado y podría abrir el camino a los estudios fundamentales de enlaces de hidrógeno en agua. La técnica podría utilizarse también para estudiar la interacción de pares de otras especies a nivel de una sola molécula, los investigadores sugieren.
Después de la introducción de agua en un derivado de C70 abierto (β-13mem) bajo alta presión, la jaula de fullereno se cerró en una reacción de dos pasos
Inicialmente pensado demasiado pequeño para contener dos moléculas de agua, el equipo de Murata atrapado con éxito el dímero en una jaula C70 © Nature Publishing Group
'Los monómeros y dímeros de agua son raros,' dice Yasujiro Murata, de la Universidad de Kyoto, Japón, que dirigió la investigación. "Una molécula de agua quiere atrapar otra molécula de agua para dar un dímero, y al mismo tiempo el dímero agua se disocia en dos moléculas de agua. El dímero de agua también quiere atrapar otra molécula de agua para dar un trímero. Después de estos procesos, el agua en la fase de gas existe como una mezcla de oligómeros de:. Monómeros y dímeros son raras '
En el pasado, un número limitado de átomos y moléculas se han atrapado en fullerenos C60, incluyendo los gases raros, dihidrógeno y agua. El equipo de Murata quería ver si podían atrapar una sola molécula de agua en la cavidad un poco más grande de un fullereno C70.
Para ello se utilizó un método de 'molecular quirúrgica' pelar parte abierta de la carcasa exterior del fullereno a través de la hendidura escalonada de bonos dirigidos C = C de la jaula, para crear una abertura lo suficientemente grande para que entre agua. Luego expusieron las jaulas rotas en las aguas a altas temperaturas y presiones para intentar forzar una única molécula de agua en la jaula, antes de la restauración selectiva de la C = C bonos de atraparla.
El equipo utilizó HPLC para separar las jaulas que contienen agua de los que permanecieron vacías. Para su sorpresa, descubrieron que mientras que algunas jaulas habían atrapado una sola molécula de agua, como era de esperar, otros habían capturado a dos moléculas de agua. 'Sabíamos que el espacio interior del C60 no era lo suficientemente grande para dos moléculas de agua, y antes de este estudio pensamos que también era cierto para C70,' dice Murata. "Nos quedamos muy sorprendidos al observar jaulas que contienen dos moléculas de agua atrapadas. '
Pare en un dímero
El análisis de RMN de las jaulas de dos de agua demostró que las moléculas de agua estaban conectados por un enlace de hidrógeno, que constantemente se estaba escindido y re-formado. El equipo también encontró que la espectroscopía infrarroja proporciona señales distintas para las jaulas vacías, aquellas que contienen una molécula de agua y aquellos que contienen dos moléculas de agua.
Después de la introducción de agua en un derivado de C70 abierto (β-13mem) bajo alta presión, la jaula de fullereno se cerró en una reacción de dos pasos © Nature Publishing Group
"En este estudio hemos aclarado que dos especies químicas se pueden poner dentro de un C70, 'dice Murata. Esto podría extenderse a otras especies distintas de agua, sugiere, "y entonces puede estudiar la reacción química de estas dos especies a nivel de una sola molécula". El sistema también permite el estudio de las moléculas de agua individuales sin ningún enlace de hidrógeno.
Otros expertos en la materia están intrigados por las posibilidades que ofrece el nuevo trabajo. 'Cada jaula se convierte en un "nanolaboratorio", en el que la interacción de dos moléculas de agua pueden ser estudiados en una amplia gama de condiciones, aproximadamente aislado del entorno ", dice Malcolm Levitt, de la Universidad de Southampton en el Reino Unido. "Este material es probable que sea un campo de juego excelente para probar los modelos de interacciones intermoleculares y enlaces de hidrógeno, para el estudio de los efectos de confinamiento cuántico y, tal vez, proporcionar un camino para nuevos tipos de materiales.
Martin Chaplin, profesor emérito de la ciencia aplicada en la Universidad de South Bank de Londres en el Reino Unido, dice: "Este dímero agua encerrada y aislada, con un solo enlace de hidrógeno entre las dos moléculas, es un producto importante y fascinante. Aunque las moléculas de agua están unidas de hidrógeno que tienen una estructura diferente a los encontrados en los dímeros de agua atmosférica debido a la compresión causada por su situación en el interior del fullereno C70. Estoy seguro de que este trabajo animará a mucha investigación más a pesar de la complejidad sintética '.
Referencias
R Zhang et al, Nat. Chem, 2016, DOI:. 10.1038 / nchem.2464
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