Новости химической науки > Расшифрован колебательный спектр катиона метония

Группе исследователей из Кёльна, руководителем которой является Штефан Шлеммер (Stephan Schlemmer), впервые удалось расшифровать спектр частицы, отличающейся высокой динамичностью поведения – катиона метония, CH₅⁺.

Этот прорыв в теории высокоактивных частиц, который исследователи из Германии делят с коллегами из Японии, стал возможным благодаря исключительно низкому охлаждению неуловимой частицы и чрезвычайно точному измерению свойств ее колебательных переходов.

Катион метония, CH₅⁺, образуется при взаимодействии протона (H⁺) с молекулой метана (CH₄), является простейшим представителем частиц с динамическим поведением (fluxional molecules). В отличие от обычных молекул, которые можно отобразить в качестве относительно жестких структур, в которых шарики (атомы) связаны между собой палочками (химическими связями), пять ядер водорода в CH₅⁺ могут двигаться около ядра углерода относительно свободно. В отличие от «традиционных частиц», в метонии такое движение не прекращается даже при очень низких температурах – даже в криоусловиях происходит разрыв и образование связей. Таким образом, классическая шаростержневая модель не может применяться для описания структуры этого катиона. Долгое время вообще оспаривалась сама возможность существования CH₅⁺.

Рисунок из Science, 2015, 347, 6228, 1346

Экстраординарное динамическое поведение частиц отражается в колебательном спектре CH₅⁺. Известно, что анализ колебательных спектров позволяет не только идентифицировать вещества, но и, используя подходящие теоретические модели, определить прочность связи и другие характеристики строения молекулы. Тем не менее, известный к настоящему времени спектр CH₅⁺ настолько хаотичен, что ни один из сотен колебательных переходов не может быть интерпретирован или приписан чему-либо. Строение CH₅⁺ и его спектр долгое время считались одной из главных задач молекулярной физики.

Разработав и испытав новые эксперименты с улавливанием ионов, физики из Университета Кёльна преуспели в отборе образца ионов CH₅⁺, свободного от посторонних частиц и их охлаждении до температуры, приближающейся к абсолютному нулю. С помощью так называемого частотного гребня параметры вибрационных переходов могут быть измерены с высокой точностью, что позволяет реконструировать низшие энергетические уровни. Такой подход нужно было применить из-за недостатка теоретических моделей этой загадочной частицы. Таким образом, полученные результаты опирались только на данные, полученные экспериментальным путем, а также на фундаментальные принципы квантовой механики, в соответствии с которыми наблюдаемые колебательные переходы можно соотнести с дискретно расположенными энергетическими уровнями.

К удивлению исследователей, полученные результаты находились в хорошем согласовании с моделью, в соответствии с которой пять ядер водорода относительно свободно перемещаются около ядра углерода на более или менее постоянном расстоянии, однако исследователи заявляют, что еще рано делать окончательные выводы – модель строения метония должна быть проверена дополнительными способами.

В любом случае, зарегистрированный спектр уже может быть полезен для пересмотра существующих теоретических моделей и более точной интерпретации колебательных энергетических уровней, что окажет влияние на интерпретацию целого класса частиц с динамическим поведением (нежестких молекул).

Источник: Science, 2015, 347, 6228, 1346; DOI: 10.1126/science.aaa3304

метки статьи: #квантовая химия, #короткоживущие вещества, #природа химической связи, #реакционноспособные частицы