Гидрат-анионный комплекс протона [H(H2O)n]+А− как основа комплексной функции кислотности водных растворов сильных минеральных кислот в избытке воды
Аннотация
На основе представлений о гидрат-анионном комплексе протона [H(H2O)n]+А− предложены уравнения, характеризующие каталитическую активность протона в водных растворах трех кислот: серной, соляной и хлорной. В основе уравнений лежит линейная зависимость величины «избыточной кислотности» от логарифма относительной стехиометрической концентрации воды Х=f(logС*w) в растворах кислот c преобладанием воды (Н2О/НА>1). С использованием прямо пропорциональной зависимости функции Гаммета (-H0) от суммы параметров (logC*H++m*∙Х) получены двухпараметровые уравнения для расчета комплексной функции кислотности –HW0= log C*H+ + BlogС*w (стандартное состояние - чистая вода, С0w). Уравнения позволяют рассчитывать функцию HW0 при заданной концентрации кислоты, располагая лишь данными по концентрациям протона CH+ и воды Сw, т.е. избегая использования соотношения коэффициентов активностей компонентов, входящих в параметр Х. Функция HW0 совокупно отражает участие протона и воды в характеристике кислотности среды, практически воспроизводит экспериментальные значения H0, полученные разными авторами в интервале концентраций от чистой воды до 68 мас.% (H2SO4), 40% (HCl), 70% (HClO4), объединяет шкалы рН и H0. Сделан вывод о том, что вклад BlogС*w, характеризующий участие воды в гидратных оболочках ионов, определяется их природой и играет не менее важную роль в характеристике кислотности среды, чем сам протон. Приведены итоговые таблицы концентрационной зависимости величин HW0 для каждой из кислот. Работа носит обзорно-методологический характер, поскольку основывается на критическом анализе литературных экспериментальных данных.
Литература
Smith M. B., March J. March’s Advanced Organic Chemistry Reactions, Mechanisms and Structure, 6th ed.; Wiley: New York, 2006; Chapter 11;
Chorkendorff, I., Niemantsverdriet, J.W. Concepts of Modern Catalysis and Kinetics. Third Completely Revised and Enlarged Edition.© 2017 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Boschstr. 12, 69469. ISBN 978-3-527-332687.Weinheim. Germany. 524 p.
Berezin D.B., Shuhto O.V., Syrbu S.A., Koifman O.I. Organicheskaya khimiya. Bazovyj kurs. Izd. "Lan'" ISBN 978-5-8114-1604-2. 2014 g. 2-e izd., ispr. i dop. 240 p.
Klumpp D. A. Electrophilic Aromatic Substitution in Arene Chemistry: Reaction Mechanisms and Methods for Aromatic Compounds (ed. J. Mortier), John Wiley & Sons, Inc, Hoboken, New Jersey. Publ. in Canada. 2016. 992 p.
Stuyver Th., Danovich D., De Proft F., Shaik S. J.Am.Chem.Soc. 2019. 141. 24. 9719–9730. DOI: 10.1021/jacs.9b04982.
Marx D., Tuckerman M.E., Hutter J., Parrinello M. Nature. 1999. V. 397. P. 601−604. DOI: 10.1038/17579.
Silverstein T.P. J. Chem. Educ. 2011. V. 88 P. 875. DOI: 10.1021/ed1010213.
Knight C., Voth G.A. Acc. Chem. Res. 2012. V. 45. P. 101–109. DOI: 10.1021/ar200140h.
Reed C.A. Acc. Chem. Res. 2013. V. 46. P. 2567–2575. DOI: 10.1021/ar400064q.
Peng Y., Swanson J.M.J., Kang S., Zhou R., Voth G.A. J. Phys. Chem. B. 2015. V. 119. P. 9212–9218. DOI: 10.1021/jp5095118.
Agmon N., Bakker H.J., Campen R.K., Henchman R.H., Pohl P., Roke S., Thämer M., Hassanali A. Chem. Rev. 2016. V. 116. P. 7642–7672. DOI: 10.1021/acs.chemrev.5b00736.
Paenurk E., Kaupmees K., Himmel D., Kutt A., Kaljurand I., Koppel I.A., Krossing I., I. Leito, Chem. Sci. 2017. V. 8. P. 6964–6973. DOI: 10.1039/C7SC01424D.
Klare H.F.T., Oestreich M. J. Am. Chem. Soc. 2021. V. 143. N 38. P. 15490–15507. DOI: 10.1021/jacs.1c07614.
Calio P.B., Li Ch., Voth G.A. J. Am. Chem. Soc. 2021. V. 143. N 44. P. 18672–18683. DOI: 10.1021/jacs.1c08552.
Librovich N.B., Kislina I.S. Kinetics and Catalysis. 2002. V. 43. N 1. P. 51–55.
Basilevsky M.V., Vener M.V. Russ. Chem. Rev. 2003. V. 72. N 1. P. 1–33. DOI: 10.1070/RC2003v072n01ABEH000774.
Gutowski K.E., Dixon D.A. J. Phys. Chem. A. 2006. V. 110. P. 12044–12054.
Cox R. A. Intern. J. Mol. Sc. 2011. P. 8316–8332. DOI: 10.3390/ijms12128316.
Cox R.A. Adv. Phys. Org. Chem. 2012. V. 46. P. 1–55. DOI: 10.1016/B978-0-12-398484-5.00001-8.
Kozlov V.A., Ivanov S.N., Koifman O.I. J. Phys.Org. Chem. 2017. V. 29. P. 1–29. DOI: 10.1002/poc.3715.
Trummal A., Lipping L., Kaljurand I., Koppel I.A., Leito I. J. Phys. Chem. A. 2016. V.120 N. 20. P. 3663–3669. DOI: 10.1021/acs.jpca.6b02253.
Ivanov S.N., Kozlov V.A., Koifman O.I. J. Sol. Chem. 2021. V. 5. N 5. P. 630–651. DOI: 10.1007/s10953-021-01066-7.
Voth G.A. Acc. Chem. Res. 2006. V. 39. N 2. P. 143–150.
Isaev A.N. RHZH. 2007. T. 51. N 5. P. 34–48. Isaev A.N. K voprosu o perenose protona vodorodnoj svyazi // ZHFH. 2012. T. 86. N 1. P. 75–81.
Silverstein T.P. Front. Mol. Biosci. 2021. V. 8. Nov. Art. 764099. DOI: 10.3389/fmolb.2021.764099.
Kozlov V.A., Nikiforova T.E., Loginova V.A., Koifman O.I. J. of Hazard. Mat. 2015. V. 299. P. 725–732. DOI: 10. 1016/j. jhazm at. 2015. 08. 004.
Cerfontain H. Mechanistic Aspects in Aromatic Sulfonation and Desalfonation. N.-Y., Lond.: Inter science. 1968. ch 2. P. 13–45.
Vinnik M.I., Abramovich L.D. Izv. AN SSSR. Ser. kim. 1972. N 4. P. 834–840.
Smirnov A.I., Vinnik M.I. Zhurn. fiz. Khimii. 1979. V. 53. N 5. P. 1247–1252.
Kozlov V.A., Popkova I.A. Zhurn. org. khimii. 1980. V. 16. N 1. P.106–110.
Kozlov V.A., Popkova I.A. Zhurn. org. khimii. 1982. V. 18. N 4. P. 881–886.
Kozlov V.A., Bagrovskaya N.A. Zhurn. org. khimii. 1986. V. 22. N 6. P. 1228–1236.
Koleva G., Galabov B., Kong J., Schaefer H.F., Schleyer P. von R. J. Am. Chem. Soc. 2011. V. 133. N 47. P. 19094–19101. DOI: 10.1021/ja201866h.
Galabov B., Nalbantova D., Schleyer P.R., Schaefer H. F., III. Acc. Chem. Res. 2016. V. 49. N 6. P. 1191–1199. DOI: 10.1002/chin.201635190.
Ivanov S.N., Gnedin B.G., Shhukina M.V. Zhurn. org. khimii. 1988. V. 24. N 4. P. 810–817.
Ivanov S.N., Kislov V.V., Gnedin B.G. Zh. Obshch. Khim. (in Russian) 1998. V. 68. N 7. P.1123−1128.
Paddison S.J., Elliott J.A. Solid State Ionics. 2006. V. 177. P. 2385–2390.
Dobrovol’skii Yu. A., Volkov E. V., Pisareva A. V., Fedotov Yu. A., Likhachev D. Yu., Rusanov A. L. Russ. J. Gen. Chem. 2007. V. 77. N 4. P. 766–777.
Agmon N., Gutman M. Nat. Chem. 2011. V. 3. P. 840−842. DOI: 10.1038/nchem.1184.
Feng S, Voth G.A. J. Phys. Chem. B. 2011. V. 115. N 19. P. 5903–5912. DOI: 10.1021/jp2002194.
Savage J., Voth G.A. J. Phys. Chem. C 2016. V. 120.
P. 3176−3186.
Mabuchi T., Tokumasu T. J. Phys. Chem. B. 2018. V. 122.
P. 5922–5932.
Weichselbaum E., Galimzyanov T., Batishchev O.V., Akimov S.A., Pohl P. Biomolecules. 2023. Feb 11; 13(2): 352. DOI: 10.3390/biom13020352.PMID: 36830721.
Hammett L.P. Physical Organic Chemistry. N.-Y., London.1940.
Jorgenson M.J., Hartter D.R., A J. Am. Chem. Soc. 1963. V. 85. P. 878−883. DOI: 10.1021/ja00890a009.
Robertson E. B., Dunford H. B. J. Am. Chem. Soc. 1964. V. 86. N 23. P. 5080–5089. DOI: 10.1021/ja01077a007.
Vinnik M.I. Russ. J. Usp. Khim. 1966. V. 35. P.1922–1952.
Rochester C.H. Acidity Functions, Acad. Press. N-Y. 1970.
Johnson C.D., Katritzky A.R., Shapiro S.A. J. Am. Chem. Soc. 1969. V. 91. P. 6654–6652. DOI: 10.1021/ja01052a021ю.
Bates R.G. Determination of pH. Theory and practice, John Wiley & Sons Inc. N.-J., London, Sydney. 1964.
Bell R.P. The Proton in Chemistry, Chapman and Hall. London. 1973.
Himmel D., Goll S. K., Leito I., Krossing I. A. Angew. Chem. Int. Ed. 2010. V. 49. P. 6885–6888. DOI: 10.1002/anie.201000252.
Scorrano G., More O'Ferrall R. J.Phys.Org.Chem. 2013. N 26. P. 1009–1015. DOI: 10.1002/poc.3171.
Popkova I.A., Kozlov V.A. Izv.Vuzov. Khimiya i khim. Tekhnol. 1986. V. 29. N 2. P. 29–33.
E`pshtejn L.M., Iogansen A.V. Usp. Khimii. 1990. V. 59. N 2. P. 229–257.
Oliferenko P.V., Oliferenko A.A., Poda G., Palyulin V.A., Zefirov N.S., Katritzky A.R. J. Chem. Inform. and Model. 2009. V. 49. N 3. P. 634–646. DOI: 10.1021/ci800323q.
Uchnevich G.V., Tarakanova E.G., Mayorov V.D., Librovich N.B. Russ. Chem. Rev. 1995. V. 64. P. 901–911. DOI: 10.1070/RC1995v064n10ABEH000183.
Palascak M.W., Shields G.C. J. Phys. Chem. A. 2004. V. 108. P. 3692–3694. DOI: 10.1021/jp049914o.
Camaioni D.M., Schwerdtfeger Ch. A. J. Phys. Chem. A. 2005. V. 109. P. 10795–10797. DOI: 10.1021/jp054088k.
Tarakanova E.G., Yukhnevich G.V., Librovich N.B. Khim. fiz. 2005. V. 24. N 6. P. 44.
Headrick J. M. et al. Science. 2005. V. 308. P. 1765–1769. DOI: 10.1126/science.1113094.
Kelly C. P., Cramer Ch.J., Truhlar D.G. J. Phys. Chem. B. 2006. V. 110. P. 16066–16081. DOI: 10.1021/jp063552y.
Markovitch O., Agmon N. J. Phys. Chem. A. 2007. V. 111. N 12. Р. 2253–2256. DOI: 10.1021/jp068960g.
Park M., Shin I., Singh N. J., Kim K. S. J. Phys. Chem. A. 2007. V. 111. P. 10692−10702. DOI: 10.1021/jp073912x.
Wang F., Izvekov S., Voth G.A. J. Am. Chem. Soc. 2008. V. 130. N 10. P. 3120–3126. DOI: 10.1021/ja078106i.
Vener M.V., Librovich N.B. Intern. Rev. Phys. Chem. 2009. V. 28. P. 407–434. DOI: 10.1080/01442350903079955.
Swanson J.M.J., Simons J. J. Phys. Chem. B. 2009. V. 113. P. 5149−5161. DOI: 10.1021/jp810652v.
Librovich N.B., Kislina I.S., Tarakanova E.G. J. Phys. Chem. 2009. V. 3. P. 136–139. DOI: 10.1134/S1990793109010217.
Stoyanov E.S., Stoyanova I.V., Reed C.A. J. Am. Chem. Soc. 2010. V. 132. P. 1484–1485. DOI: 10.1021/ja9101826.
Stoyanov E.S., Stoyanova I.V., Reed C.A. Chem. Sci. 2011. P. 462–472. DOI: 10.1039/C0SC00415D.
Kulig W., Agmon N. J. J. Phys. Chem. B. 2014. V. 118.
P. 278–286. DOI: 10.1021/jp410446d.
Meraj G., Chaudhari A. J. Mol. Liq. 2014. V. 190. P. 1–5. DOI: 10.1016/j.molliq.2013.10.006.
Yu Q., Bowman J. M. J. Am. Chem. Soc. 2017. V. 139.
P. 10984–10987. DOI: 10.1021/jacs.7b05459.
Bednyakov A. S., Stepanov N.F., Novakovskaya Yu.V. Russ. J. Phys. Chem. A. 2014. V. 88. P. 287–294. Z. Fiz. Khim. 88 (2014) 297-305.
Thämer M., De Marco L., Ramasesha K., Mandal A., Tokmakoff A. Science. 2015. V. 350. P. 78–82. DOI: 10.1126/science.aab3908.
Fournier J.A., Carpenter W.B., Lewis N.H.C., Tokmakoff A. Nature Chemistry. 2018. V. 10. P. 932–937. DOI: 10.1038/s41557-018-0091-yi.
Biswas R., Voth G.A. J. Chem. Sci. 2017. V. 129. P. 1045–1051. DOI: 10.1007/s12039-017-1283-5.
Zeng Y., Li A., Yan T.J. Phys. Chem. B. 2020. V. 124. N 9.
P. 1817–1823. DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c00990.
Ryding M.J., Izsák R., Merlot P., Reine S., Helgaker T., Uggerud E. Phys.Chem.Chem.Phys. 2015. V. 17. P. 5466–5473. DOI: 10.1039/c4cp05246c.
Siwick B.J., Bakker H.J. J. Am. Chem. Soc. 2007. V. 129. N 44. P. 13412–13420. DOI: 10.1021/ja069265p.
Pettersson L.G.M., Henchman R.H., Nilsson A. Chem. Rev. 2016. V. 116. P. 459–462. DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00363.
Lockwood G. K., Garofalini S.H. J. Phys. Chem. B. 2013. V. 117. P. 4089−4097. DOI: 10.1021/jp310300x.
Kazansky V.B. Catalysis Today. 2002. V. 73. P. 127–137.
Park M., Shin I., Singh N.J., Kim K.S. J. Phys Chem A. 2007. V. 111. N 42. P. 10692–702. DOI: 10.1021/jp073912x.
Buch V., Dubrovskiy A., Mohamed F., Parrinello M., Sadlej J., Hammerich A.D., Devlin J.P. J. Phys. Chem. A. 2008. V. 112. P. 2144– 2161. DOI: 10.1021/jp076391m.
Fulton J.L., Balasubramanian M. J. Am. Chem. Soc. 2010. V. 132. N 36. P. 12597–12604. DOI: 10.1021/ja1014458.
Lin W., Paesani F. J. Phys. Chem. A. 2013. V. 117. N 32. P. 7131–714. DOI: 10.1021/jp400629t.
Ivanov S.N., Gnedin B.G. Zh.Org.Khim. 1989. V. 25. N 4. P. 831–835.
Shilov E.A. Dokl.AN SSSR. 1938. V. I8. N 9. P. 643–648.
Ivanov S.N., Kislov V.V., Gnedin B.G. Zh.Org.Khim. 2004. V. 74. N 1. P. 94–102.
Ivanov S.N., Mikhajlov A.V., Gnedin B.G., Lebedukho A.Yu., Korolev V.P. Kinetika i kataliz. 2005. V. 46. N 1. P. 35–43.
Ivanov S.N., Kislov V.V., Gnedin B.G. Zhurn.obshh. khimii. 2004. V. 74. N 1. P. 103–109.
Ivanov S.N., Mikhajlov A.V., Gnedin B.G., Korolev V.P. ZhFKh. 2004. V. 78. N 4. P. 615–621.
Leopold K.R. Ann. Rev. Phys. Chem. 2011. V. 62.
P. 327–349. DOI: 10.1146/annurev-physchem-032210-103409.
Fraenkel D. J. Phys. Chem. B. 2012. V. 116.
P. 11662–11677. DOI: 10.1021/jp3060334.
Fraenkel D. J. Phys. Chem. B. 2012. V. 116. P. 11678–11686. DOI: 10.1021/jp306042q.
Thaunay F., Hassan A.A., Cooper R.J., Williams E.R., Clavaguera C., Ohanessian G. Int.J.Mass Spectr. 2017. V. 418. P. 15–23. DOI: 10.1016/j.ijms.2017.01.005.
Blades A.T., Kebarle P. J. Phys. Chem. A. 2005. V. 109.
P. 8293–8298. DOI: 10.1021/jp 0540353.
Kulichenko M., Fedik N., Bozhenko K.V., Boldyrev A.I. J. Phys. Chem. B. 2019. V. 123. P. 4065–4069. DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b01744.
Bing G., Zhi–feng L. J. Chem. Phys. 2005. V. 123. P. 224302. DOI: 10.1063/1.2134698.
Kozlov V.A., Bagrovskaya N.A., Berezin B.D. Izv. VUZov SSSR. Khimiya i khim. Tekhnol. 1985. V. 28. N 2. P. 34–37.
Dupont D., Raiguel S., Binnemansa K. Chem. Commun. 2015. V. 51. P. 9006–9009. DOI: 10.1039/C5CC02731D.
Shan W., Yang Q., Su B., Bao Z., Ren Q., Xing H. J. Phys. Chem. C. 2015. V. 119. P. 20379–20388. DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b02814.
Cox R. A. Advances in Physical Organic Chemistry. 2000. N 35. Р. 1–66. ISBN 0-12-033535-2.
Cox R.A., Yates K. Can. J. Chem. 1981. 59. P. 2116–2124. DOI: 10.1139/v81-306.
Ivanov S.N., Gnedin. B.G., Shhukina M.V. Zhurn.org. khimii. 1990. V. 26. N 4. P. 1415–1422.
Popkova I. A., Kozlov V. А. Russ. Zh. Obshch. Khim. 1988. V. 58. P. 877–880.
Fadeeva Y.A., Nikolaeva A.V., Safonova L.P. J. Mol. Liq. 2014. V. 193. P. 1–5. DOI: 10.1016/j.molliq.2013.12.010.
Bentley T.W. Can. J. Chem. 2008. V. 86. P. 277–280. DOI: 10.1139/V08-003.
Cox R.A. Can. J. Chem. 2012. V. 90. P. 811–818. DOI: 10.1139/v2012-060.
Marcus Y. Ions in Water and Biophysical Implications. Springer Science + Business Media. Dordrecht. 2012. DOI: 10.1007/978-94-007-4647-3.
Yates K., Wai H. J. Am. Chem. Soc. 1964. V. 86. P. 5408–5413. DOI: 10. 1021/ ja010 78a008.
Alongi K.S., Shields G.C. Theoretical Calculations of Acid Dissociation Constants: A Review Article. Ann. Rep. in Comp. Chem. 2010. V. 6. DOI: 10.1016/S1574-1400(10)06008-1.
Walrafen G.E., Yang W.H., Chu Y.C., Hokmabadi M.S. Journal of Solution Chemistry. 2000. V. 29. P. 905–936. DOI: 10.1023/A:1005134717259.
Ivanov S.N., Kozlov V.A. Vestnik IvGU, Matematika, Biologiya. Khimiya. 2022. N. 2. P. 34–40.
Erokhina E., Dy`mnikova N., Mory`ganov A. Ros. Khim. Zh. 2022. 66(4). 6-13. DOI: 10.6060/rcj.2022664.1.
Genis A., Kuznetsov A. Ros. Khim. Zh. 2020. 63(1). 27-45. DOI: 10.6060/rcj.2019631.2.
Meretin R.N., Nikiforova Т.E. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 11. P. 117-125. DOI: 10.6060/ivkkt.20216411.6408.
Drogobuzhskaya S.V., Shirokaya A.A., Solov’ev S.A. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2019. V. 62. N 11. P. 117125. DOI: 10.6060/ivkkt.20196211.5982.
Cao Nhat Linh, Zyablov A.N., Duvanova O.V., Selemenev V.F. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 2. P. 7176. DOI: 10.6060/ivkkt.20206302.6071.
