Un estudio colaborativo de espectroscopía ultrarrápida y simulaciones de dinámica molecular ab initio muestra que las vacantes de protones en forma de iones hidróxido / metóxido son tan relevantes para la transferencia de protones entre ácidos y bases como el exceso de protones hidratados (H ₃ O ⁺ , H ₅ O ₂ ⁺ ), apuntando así a una clara demanda de refinamiento de la imagen microscópica para el transporte de protones acuosos, tanto en solución como en células de combustible de hidrógeno o proteínas transmembrana, lejos del papel dominante actualmente asumido del exceso de protones hidratados. El estudio fue publicado recientemente por científicos del Instituto Max Born de Óptica No Lineal y Espectroscopía de Pulso Corto (MBI) y de la Universidad Martin-Luther-Halle-Wittenberg (MLU) en el renombrado Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

El intercambio de protones entre dos grupos químicos (neutralización ácido-base) ha sido un problema de química de libros de texto durante muchos años. Asombrosamente, hasta la fecha no se han obtenido nuevos conocimientos fundamentales sobre los pasos elementales del transporte de protones. Esto bien puede deberse al hecho de que los pasos elementales (por protones o vacantes de protones) tienen lugar en escalas de tiempo extremadamente cortas, que no son accesibles con técnicas de laboratorio convencionales (Figura 1). Observación de estos pasos de reacción elementales, como lo lograron los equipos de investigación de MBI y MLU, por lo tanto, requiere acceso directo a escalas de tiempo de 1-100 picosegundos (0.000000000001 hasta 0.0000000001 segundos), necesitando una configuración experimental con una resolución de tiempo alta en consecuencia, así como sistemas informáticos de alto rendimiento.

Los equipos de investigación han estudiado conjuntamente un sistema modelo particular (mezclas de 7-hidroxiquinolina en agua / metanol), donde un pulso de láser ultracorto desencadena la desprotonación de un grupo OH y la protonación de un átomo de nitrógeno. La cronología precisa de los pasos elementales con esta clase de reacciones químicas sigue siendo difícil de alcanzar, dando lugar a numerosas especulaciones. Los científicos de MBI y MLU ahora han podido determinar que la liberación de un protón del grupo OH al solvente es realmente ultrarrápida, sin embargo, la captación de un protón por el átomo de nitrógeno es incluso más rápida. Esto da como resultado un mecanismo de transporte de vacantes de protones, es decir, de iones hidróxido / metóxido. Los pasos de reacción elementales se han aclarado con espectros de IR resueltos en el tiempo y cálculos químicos cuánticos detallados (ver Figura 2).