的溶剂化作用

电化学电容器的性能;立体选择催化药物合成;蛋白质链折叠。事实上这些都是化学问题,他们似乎彼此毫无共同之处。

但是他们做的事。他们都以这样或那样的方式关心的问题如何与溶质和溶剂分子的表面。在每种情况下,掌握问题是目前对这个问题的理解不足妨碍了溶剂化作用。因为溶解从未承认作为一种独特的分子科学的分支,没有通用的。

一个国际行动称为决心于今年6月启动,波鸿大学的德国鲁尔地区,希望能改变这种状况。它旨在建立溶解科学作为一门学科本身,与原则应适用于化学过程等众多领域的腐蚀、分子生物学和绿色化学。

“我相信溶解的重要性科学类似于神经科学或材料科学,但这尚未承认,”说理论化学家杜米尼克马克思,世卫组织正在协调岬角的溶解和接口程序,其三个关键重点之一。“我认为我们可以找到共同的观点,联系到目前为止无关的现象。”

决心有很大的野心。它是12的“集群”卓越选择由德国研究委员会从10倍的申请者,并将接收的总资金€2800万(£2400万)在5年期间,随着一次性€44 ?百万的德国科学与人文在波鸿构建新的实验研究设施。它包括几个区域合作伙伴,建立了全球合作机构从美国加州大学伯克利分校以色列魏兹曼科学研究所和印度理工学院在班加罗尔和坎普尔。

“溶剂化作用科学因此之前还没有被确认为一个截然不同的领域之间的界面化学、物理学和生物学,”说马丁Weik结构生物学研究所的生物物理学家,在格勒诺布尔,法国。这也许是这个复杂的跨学科性,避免建立一个良好定义的字段。“他打电话说吧”独特的,及时的和令人兴奋的”,说它伟大的承诺已经成为一个全球网络,平台了解溶剂化作用”。

成功的受害者

物质在溶剂是一个古老的问题是如何表现的。溶解的兴趣可以追溯到至少在一个通用溶剂的炼金术思想(或“万能溶剂”)可以溶解任何东西。它的吸引力是,通过溶解一切为其基本成分,左右人们相信——这可能会将任何物质转变成其他任何。溶剂化作用因此转变的关键。

溶解支撑的起源强烈应用领域如冶金、胶体科学和有机化学。热力学的一些基本规则的解决方案是建立物理化学家在19世纪早期,在1920年代,彼得·德拜和Erich Huckel在苏黎世了如何分散在水中离子的理论。“溶剂化作用科学在世纪之交,是真正的大感谢阿伦尼乌斯这样的人,范霍夫,奥斯特瓦尔德和德拜,物理化学家说帕维尔Jungwirth有机化学和生物化学研究所的在捷克共和国的布拉格。然后该领域的时尚——部分是自身成功的受害者,与主要问题是解决和一些剩余的东西需要遮遮掩掩。”

很多教科书只让溶剂通过引用

然而,理解实际上是高度有限,主要是在稀溶液离子。接近理想的一般理论系统相当完善,但魔鬼藏在细节之中,”Jungwirth说。例如,生理相关解决方案远非理想。”

因此,许多化学家面临经常溶解的问题,如溶剂对反应速率的影响,仍然缺乏一个全面的理论框架。根据最近的教科书的作者在合成的溶剂,“许多无机和有机化学文献仅使溶剂通过引用,或者更糟的是,没有提到一个给定的反应发生在一个特定的溶剂”。在有机化学溶剂的选择依赖于一些经验法则,通常基于声音但定性原则,耦合到一定程度的试验和错误。当然没有独特的方式来定义“对”不管怎样,因为有太多的因素需要考虑:成本、波动性、毒性、热、化学稳定性等等。

为什么现在要成熟溶解科学宣布为主题的?”如果你想统一与分子的东西,你必须了解的事情在分子或原子论的层面,它允许一个自底向上的策略,”马克思说。”,当涉及到分子的角度来看,我们所看到的巨大进步在这两个实验和仿真在过去十年左右的时间。

玛蒂娜Havenith决心的主要协调人,表示同意。的仿真和实验相互接近,和我们现在能够方法实验溶剂结构和溶剂动态在分子水平上,”她说。开发新技术来解决这些问题,比如和频代光谱学、太赫兹光谱和synchroton-based衍射方法。这些调查结果与计算机模拟的预测相比,现在可以显式地建模,包括许多溶剂分子,而不是像一些统一的背景中。“我们现在有技术,主要是光谱和成像技术和分子模拟,把溶解的坚定分子基础科学,“同意Jungwirth。

生命的溶剂

溶剂的分子粒度似乎理解溶解许多问题的关键。没有什么比在生物分子的水合作用更真实。1959年,生物化学家沃尔特Kauzmann提出疏水的力量——研发之间的吸引力的互动溶质在水里,等一些氨基酸的烃side-groups——可以解释的基础上,水分子是如何安排。自疏水的力量是蛋白质折叠的主要动力之一,蛋白质之间的相互作用,更不用说形成的脂质膜的一个重要因素,许多自然基质和药物的绑定他们的受体蛋白,它是分子生物学的核心重要性。Kauzmann了早期的建议,水分子保湿疏水粒子将自行安排成一个更紧密有序的安排比散装液体——一种“冰山”——为了保持它们之间的氢键。Kauzmann说,当两个疏水粒子聚集在一起,其中一些“结构化水”在他们的水化壳释放到批量的水化壳重叠。解放的结构化水供应一个熵的增加,使粒子的聚集在自由能有利的条款。

现在得到广泛认可,Kauzmann疏水水化的冰山模型过于简单:水分子在水化壳并不一定更有序,更不用说冻成冰一样不动,尽管一些研究表明,他们可能比大部分旋转的更慢。^1、2所以还不清楚什么导致疏水的力量。事实上,化学家大卫·钱德勒加州大学伯克利分校的和他的同事相信可能有不止一个的疏水水化模式,这取决于溶质粒子的大小。约1海里以上,他说,水分子可以通过重新整理自己不再只是适应闯入者形成一个空腔,同时保留氢键,但必须接受不可避免的损失一些氢键在接口与疏水表面。³

这个损失的氢键扩展疏水表面会导致情况变得热力学有利的两个表面之间的所有的水在共同飞行清除表面的方法,导致突然干燥过渡表面吸附在一起。³有证据表明,这在某些情况下可能发生的蛋白质折叠和聚集,但总体还不清楚这一现象。^4、5的细节,然而有一件事是清楚的:到底发生了什么不能理解或预测的基础上,任何简单和普遍原则,但依赖于精确的化学成分和表面的形状。这意味着需要使用显式建模,水化单个水分子——这是计算大型溶质分子,如蛋白质所面临的挑战。

不容易探测等复杂的影响实验。我们需要实验技术涵盖了不同时间尺度的溶解动力学,”。说哈费尼特但她说,电池可用的方法做了。中子散射技术,如,给访问水化结构。核磁共振和电介质光谱探针慢的部分水化动力学在纳秒和微秒范围,”她说。新的激光技术,如飞秒荧光、二维红外太赫兹和光学克尔光谱学,现在产量信息更快的时间尺度。

Havenith发展太赫兹光谱的相对较新的方法,就是能探测时间尺度的水网络的集体运动不到一微微秒(典型的一生氢键散装水)。她的研究表明,多么令人惊讶的是复杂和微妙的生物分子水合作用。合作精神Sagi以色列魏兹曼科学研究所,她看着水化水动力学的变化作为锌metalloprotease酶(肿瘤起源期间参与重组结缔组织)结合底物。他们发现,随着衬底的方法结合位点,干预的水空间似乎变得更加缓慢,在粗略的比例接近结合位点。⁶这慢水动力学反过来减缓震动的衬底,以帮助指导。似乎这样的酶能“优化”的性格水化水帮助它做它的工作。

有鉴于此,Weik希望的药物可以合理设计,通过修改水和溶剂性质的目标”。许多蛋白质利用单个水分子为绑定他们的基质,用它们作为氢键桥梁。更普遍,它变得明显,水化水起着关键作用使蛋白质和其他生物分子“活跃”,把他们的形状而注入的波动,使他们足够柔软的结合和释放他们的目标。越来越关注这些生物分子行为动机的动力方面的水,根据Weik。我认为分子生物学领域的现在可以完全溶解方面融入他们的分子的理解,”他说。

离子的权力

另一个大自然的玩笑是安排水分子氢键链中充当“电线”以及氢离子可以由氢键的翻转,将离子长距离快速要求在许多酶反应。这样的质子转移只是一个例子的方式溶解化学科学可以弥合不同领域。的电荷转移不仅是至关重要的许多生化过程还在液相催化和电化学,”马克思说。的确,离子溶剂化作用是腐蚀过程的核心,矿物风化(因此元素的生物地球化学循环),电催化作用和电池技术、海水淡化,和神经信号,只是几个例子。

的电化学反应是能量转换的基础或存储过程,如燃料电池,电解槽和电池,”说沃尔夫冈Schuhmann波鸿的electrochemist和决心的团队的一员。如果我们想开发这些电化学系统基于基本知识反应电气接口,了解溶解过程的影响是必不可少的。例如,他说,在一个金属原子被氧化和腐蚀溶解,显然这一过程涉及溶剂化作用。电池中锂离子插入正式腐蚀的反面:溶剂化锂离子首先必须剥其溶解壳。Schuhmann说,直到现在,这些溶剂化作用和反溶剂步骤还没有很好地理解,很大程度上是因为一个电极和电解质的界面太复杂。

因为溶解离子周围的云松散相关溶剂分子,它使离子的有效规模大大超过其离子半径。这具有深远的影响对离子的行为非常小的封闭空间,如纳米孔。例如,一些海水淡化技术探索碳纳米管的使用。直径约8以下,水可以通过氢键单一文件的管,但是离子不能通过即使原则上他们足够小,因为他们首先要失去水合作用领域,大力太昂贵。⁷

离子在纳米孔似乎也成为desolvated如何对设备的性能称为超级电容器,可快速存储和排放大量的电荷。与普通电容器,电荷由绝缘体分开于金属板,在超级电容器的形式捕获离子在多孔碳电极的表面吸收巨大的表面积。这是预测,超级电容器的储能能力将减少毛孔方法nanometre-scale宽度,因为笨重的离子溶剂化离子液体用于这些设备不能进入。但在2006年一个团队工作在美国和法国恰恰相反:某些类型的多孔碳的能力对于很小的毛孔就显著增加。研究人员认为,毛孔内的离子是人去楼空,但是他们仍然不理解如何落实这一点,。⁸

还有待观察这样的决心能解决多少问题。但是,程序本身渴望成为催化剂作为解决方案。Havenith说,她希望决心将“实施长期的变化”——它将刺激不同领域的研究人员分享工具和思想,认识到他们面临一些相同的问题,他们实际上是同志在这个新-老-化学的分支。

菲利普球是一个基于科学作家在伦敦,英国