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Proton-Transfer Isomerization Driven by Strong Electric Fields in Aqueous Microdroplets

化学 异构化 水溶液 电场 光化学 化学物理 拉曼光谱 光谱学 密度泛函理论 吸收光谱法 吸收(声学) 工作(物理) 领域(数学) 分子动力学 力场(虚构) 互变异构体 质谱法 分子开关 计算化学 光离子化 分子 化学过程 过程(计算)
作者
Yu-Jia Qi,Yue Zhou,Juan Tan,Qinlei Liu,Zhen-Feng Cai
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (1): 1638-1645
标识
DOI:10.1021/jacs.5c18552
摘要

Proton-transfer isomerization is a fundamental process in chemistry, drug development, and materials science. External electric fields can serve as a powerful driving force for such isomerization, yet conventional approaches to generating strong fields are often limited by poor stability and demanding operational conditions. Here, we demonstrate that the spontaneously generated strong electric fields at the interface of aqueous microdroplets can efficiently drive the proton-transfer isomerization of 2,5-diamino-1,4-benzoquinone (DABQ). Combining mass spectrometry (MS), surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), ultraviolet-visible (UV-vis) absorption spectroscopy and density functional theory (DFT) calculations, we show that the isomerization proceeds via a water-assisted proton transfer pathway that concurrently converts the keto-enol and enamine-imine isomers. By tuning the interfacial electric field strength, the direction of the isomerization equilibrium and the distribution of individual isomers can be precisely controlled. Furthermore, we find that the environmental pollutant N-(1,3-dimethylbutyl)-N'-phenyl-p-phenylenediamine quinone (6PPD-Q), which possesses a similar molecular backbone, also undergoes spontaneous isomerization in microdroplets, resulting in a significant reduction of its ecological toxicity across multiple trophic levels. This work establishes a novel platform for studying and controlling proton-transfer isomerization and offers a promising strategy for mitigating the toxicity of environmental pollutants.
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