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Switching of Protonation Sites in Hydrated Nicotine via a Grotthuss Mechanism

质子化 分子 光化学 化学 质子输运 质子 氢键 物理 有机化学 量子力学 离子 生物化学
作者
Yuika Okura,Garrett D. Santis,Keisuke Hirata,Vasilios S. Melissas,Shun‐ichi Ishiuchi,Masaaki Fujii,Sotiris S. Xantheas
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (5): 3023-3030 被引量:8
标识
DOI:10.1021/jacs.3c08922
摘要

The switching of the protonation sites in hydrated nicotine, probed by experimental infrared (IR) spectroscopy and theoretical ab initio calculations, is facilitated via a Grotthuss instead of a bimolecular proton transfer (vehicle) mechanism at the experimental temperature (T = 130 K) as unambiguously confirmed by experiments with deuterated water. In contrast, the bimolecular vehicle mechanism is preferred at higher temperatures (T = 300 K) as determined by theory. The Grotthuss mechanism for the concerted proton transfer results in the production of nicotine's bioactive and addictive pyrrolidine-protonated (Pyrro-H+) protomer with just 5 water molecules. Theoretical analysis suggests that the concerted proton transfer occurs via hydrogen-bonded bridges consisting of a 3 water molecule "core" that connects the pyridine protonated (Pyri-H+) with the pyrrolidine-protonated (Pyrro-H+) protomers. Additional water molecules attached as acceptors to the hydrogen-bonded "core" bridge result in lowering the reaction barrier of the concerted proton transfer down to less than 6 kcal/mol, which is consistent with the experimental observations.
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