Adaptive Reaktion bei der Lösung von flexiblen Molekülen: Oligohydrate von 4‐Hydroxy‐2‐butanon

Abstract

AbstractDurch Wasser hervorgerufene Strukturveränderungen spielen eine zentrale Rolle in der Chemie und Biologie, sind aber auf molekularer Ebene nach wie vor schwer vorherzusagen, zu messen und zu kontrollieren. Hier untersuchen wir in der Gasphase die größenabhängige Wasseraggregation am flexiblen Molekül 4‐Hydroxy‐2‐butanon und modellieren die Konformationsanpassungsfähigkeit flexibler Substrate an Wirtswassergerüste, sowie die Präferenzen für sequentielles Tröpfchenwachstum. Das Experiment wurde mittels breitbandiger Rotationsspektroskopie durchgeführt und mit quantenchemischen Berechnungen nachvollzogen. Experimentell wurden vom Di‐ bis zum Pentahydrat (4‐Hydroxy‐2‐butanon‐(H2O)n=2–5) zwei verschiedene Isomere beobachtet, einschließlich der 18O‐Isotopologen für die Di‐ und Trihydrate. Um Wassermoleküle effektiv unterzubringen, verändert sich interessanterweise das schwere Atomgerüst von 4‐Hydroxy‐2‐butanon in jedem beobachteten Isomer und entspricht nicht der stabilen Konformation des freien Monomers. Alle Solvate gehen von der Alkoholgruppe (Protonendonor) aus, behalten aber die Carbonylgruppe als sekundären Bindungspunkt bei. Die Wassergerüste ähneln stark denen in reinen Wasserclustern und balancieren zwischen der Fähigkeit von 4‐Hydroxy‐2‐butanon, die Orientierung und Position der Wassermoleküle zu steuern, und der Fähigkeit von Wasser, die Konformation des Monomers zu modulieren. Die vorliegende Arbeit liefert somit eine genaue molekulare Beschreibung, wie sich torsionsflexible Moleküle im Verlauf der fortschreitenden Solvatation dynamisch an Wasser anpassen.