Liquid-jet photoemission spectroscopy as a structural tool: site-specific acid-base chemistry of vitamin C
Status PubMed-not-MEDLINE Jazyk angličtina Země Anglie, Velká Británie Médium electronic
Typ dokumentu časopisecké články
PubMed
38963770
PubMed Central
PMC11267885
DOI
10.1039/d4cp01521e
Knihovny.cz E-zdroje
- Publikační typ
- časopisecké články MeSH
Liquid-jet photoemission spectroscopy (LJ-PES) directly probes the electronic structure of solutes and solvents. It also emerges as a novel tool to explore chemical structure in aqueous solutions, yet the scope of the approach has to be examined. Here, we present a pH-dependent liquid-jet photoelectron spectroscopic investigation of ascorbic acid (vitamin C). We combine core-level photoelectron spectroscopy and ab initio calculations, allowing us to site-specifically explore the acid-base chemistry of the biomolecule. For the first time, we demonstrate the capability of the method to simultaneously assign two deprotonation sites within the molecule. We show that a large change in chemical shift appears even for atoms distant several bonds from the chemically modified group. Furthermore, we present a highly efficient and accurate computational protocol based on a single structure using the maximum-overlap method for modeling core-level photoelectron spectra in aqueous environments. This work poses a broader question: to what extent can LJ-PES complement established structural techniques such as nuclear magnetic resonance? Answering this question is highly relevant in view of the large number of incorrect molecular structures published.
Zobrazit více v PubMed
Faubel M. Steiner B. Toennies J. P. J. Chem. Phys. 1997;106:9013–9031. doi: 10.1063/1.474034. DOI
Winter B. Faubel M. Chem. Rev. 2006;106:1176–1211. doi: 10.1021/cr040381p. PubMed DOI
Winter B. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. 2009;601:139–150. doi: 10.1016/j.nima.2008.12.108. DOI
Seidel R. Winter B. Bradforth S. E. Annu. Rev. Phys. Chem. 2016;67:283–305. doi: 10.1146/annurev-physchem-040513-103715. PubMed DOI
Siegbahn K., ESCA. Atomic, Molecular and Solid State Structure Studied by Means of Electron Spectroscopy, Almqvist & Wiksells Uppsala, Uppsala, 1967
Signorell R. Winter B. Phys. Chem. Chem. Phys. 2022;24:13438–13460. doi: 10.1039/D2CP00164K. PubMed DOI PMC
Dupuy R. Richter C. Winter B. Meijer G. Schlögl R. Bluhm H. J. Chem. Phys. 2021;154:060901. doi: 10.1063/5.0036178. PubMed DOI
Perrine K. A. Parry K. M. Stern A. C. Spyk M. H. C. V. Makowski M. J. Freites J. A. Winter B. Tobias D. J. Hemminger J. C. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2017;114:13363–13368. doi: 10.1073/pnas.1707540114. PubMed DOI PMC
Ghosal S. Hemminger J. C. Bluhm H. Mun B. S. Hebenstreit E. L. Ketteler G. Ogletree D. F. Requejo F. G. Salmeron M. Science. 2005;307:563–566. doi: 10.1126/science.1106525. PubMed DOI
Wu C. H. Weatherup R. S. Salmeron M. B. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015;17:30229–30239. doi: 10.1039/C5CP04058B. PubMed DOI
Malmgren S. Ciosek K. Hahlin M. Gustafsson T. Gorgoi M. Rensmo H. Edström K. Electrochim. Acta. 2013;97:23–32. doi: 10.1016/j.electacta.2013.03.010. DOI
Reuss T. Nair Lalithambika S. S. David C. Döring F. Jooss C. Risch M. Techert S. Acc. Chem. Res. 2023;56:203–214. doi: 10.1021/acs.accounts.2c00525. PubMed DOI PMC
Thürmer S. Malerz S. Trinter F. Hergenhahn U. Lee C. Neumark D. M. Meijer G. Winter B. Wilkinson I. Chem. Sci. 2021;12:10558–10582. doi: 10.1039/D1SC01908B. PubMed DOI PMC
Winter B. Hergenhahn U. Faubel M. Björneholm O. Hertel I. V. J. Chem. Phys. 2007;127:094501. doi: 10.1063/1.2770457. PubMed DOI
Winter B. Aziz E. F. Ottosson N. Faubel M. Kosugi N. Hertel I. V. J. Am. Chem. Soc. 2008;130:7130–7138. doi: 10.1021/ja8009742. PubMed DOI
Hollas D. Pohl M. N. Seidel R. Aziz E. F. Slavček P. Winter B. Sci. Rep. 2017;7:756. doi: 10.1038/s41598-017-00756-x. PubMed DOI PMC
Li J. Lu J. Chew A. Han S. Li J. Wu Y. Wang H. Ghimire S. Chang Z. Nat. Commun. 2020;11:2748. doi: 10.1038/s41467-020-16480-6. PubMed DOI PMC
Barreau L. Ross A. D. Garg S. Kraus P. M. Neumark D. M. Leone S. R. Sci. Rep. 2020;10:5773. doi: 10.1038/s41598-020-62461-6. PubMed DOI PMC
Nishitani J. West C. W. Suzuki T. Struct. Dyn. 2017;4:044014. doi: 10.1063/1.4979857. PubMed DOI PMC
Yin Z. Chang Y.-P. Balčiūnas T. Shakya Y. Djorović A. Gaulier G. Fazio G. Santra R. Inhester L. Wolf J.-P. Wörner H. J. Nature. 2023;619:749–754. doi: 10.1038/s41586-023-06182-6. PubMed DOI PMC
Ernst R. R., Bodenhausen G. and Wokaun A., Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions, Oxford University Press, 1990
Yoo H.-D. Nam S.-J. Chin Y.-W. Kim M.-S. Arch. Pharm. Res. 2016;39:143–153. doi: 10.1007/s12272-015-0649-9. PubMed DOI
Shen S.-M. Appendino G. Guo Y.-W. Nat. Prod. Rep. 2022;39:1803–1832. doi: 10.1039/D2NP00023G. PubMed DOI
Nicolaou K. C. Snyder S. A. Angew. Chem., Int. Ed. 2005;44:1012–1044. doi: 10.1002/anie.200460864. PubMed DOI
Suyama T. L. Gerwick W. H. McPhail K. L. Bioorg. Med. Chem. 2011;19:6675–6701. doi: 10.1016/j.bmc.2011.06.011. PubMed DOI PMC
Aziz E. F. Ottosson N. Faubel M. Hertel I. V. Winter B. Nature. 2008;455:89–91. doi: 10.1038/nature07252. PubMed DOI
Ottosson N. Børve K. J. SpÅngberg D. Bergersen H. Sæthre L. J. Faubel M. Pokapanich W. Öhrwall G. Björneholm O. Winter B. J. Am. Chem. Soc. 2011;133:3120–3130. doi: 10.1021/ja110321q. PubMed DOI
He L. Tomaník L. Malerz S. Trinter F. Trippel S. Belina M. Slavíček P. Winter B. Küpper J. J. Phys. Chem. Lett. 2023;14:10499–10508. doi: 10.1021/acs.jpclett.3c01763. PubMed DOI PMC
Mudryk K. Lee C. Tomaník L. Malerz S. Trinter F. Hergenhahn U. Neumark D. M. Slavíček P. Bradforth S. Winter B. J. Am. Chem. Soc. 2024;146:16062–16075. doi: 10.1021/jacs.4c03174. PubMed DOI PMC
Thürmer S. Seidel R. Winter B. Ončák M. Slavíček P. J. Phys. Chem. A. 2011;115:6239–6249. doi: 10.1021/jp111674s. PubMed DOI
Malerz S. Mudryk K. Tomaník L. Stemer D. Hergenhahn U. Buttersack T. Trinter F. Seidel R. Quevedo W. Goy C. Wilkinson I. Thürmer S. Slavíček P. Winter B. J. Phys. Chem. A. 2021;125:6881–6892. doi: 10.1021/acs.jpca.1c04695. PubMed DOI PMC
Szent-Györgyi A., Nobel Lecture, Nobel Foundation, 1937, https://www.nobelprize.org
Institute of Medicine, Dietary Reference Intakes for Vitamin C, Vitamin E, Selenium, and Carotenoids, The National Academies Press, Washington, DC, 2000 PubMed
Davies M., Partridge D. and Austin J., Vitamin C: Its Chemistry and Biochemistry, Royal Society of Chemistry, 2007
Ems T., St Lucia K. and Huecker M. R., Biochemistry, Iron Absorption, StatPearls Publishing, Treasure Island (FL), 2022 PubMed
Martıénez-Navarrete N. Camacho M. Martıénez-Lahuerta J. Martıénez-Monzó J. Fito P. Food Res. Int. 2002;35:225–231. doi: 10.1016/S0963-9969(01)00189-2. DOI
Hirst E. L., in The Structure and Synthesis of Vitamin C (Ascorbic Acid) and its Analogues, ed. L. Zechmeister, Y. Asahina, C. Dhéré, K. Freudenberg, C. R. Harington, E. L. Hirst, F. Kuffner, H. Rudy, E. Spath, G. Tóth and G. Zemplén, Springer, Vienna, Vienna, 1939, pp. 132–159
Berger S. Tetrahedron. 1977;33:1587–1589. doi: 10.1016/0040-4020(77)80166-X. DOI
Birch T. W. Harris L. J. Biochem. J. 1933;27:595. PubMed PMC
Viefhaus J. Scholz F. Deinert S. Glaser L. Ilchen M. Seltmann J. Walter P. Siewert F. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. 2013;710:151–154. doi: 10.1016/j.nima.2012.10.110. DOI
Malerz S. Haak H. Trinter F. Stephansen A. B. Kolbeck C. Pohl M. Hergenhahn U. Meijer G. Winter B. Rev. Sci. Instrum. 2022;93:015101. doi: 10.1063/5.0072346. PubMed DOI
Nguyen-Truong H. T. J. Phys.: Condens. Matter. 2018;30:155101. doi: 10.1088/1361-648X/aab40a. PubMed DOI
Sodhi R. N. Brion C. J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 1984;34:363–372. doi: 10.1016/0368-2048(84)80050-X. DOI
Pluhařová E. Slavíček P. Jungwirth P. Acc. Chem. Res. 2015;48:1209–1217. doi: 10.1021/ar500366z. PubMed DOI
Runge E. Gross E. K. U. Phys. Rev. Lett. 1984;52:997–1000. doi: 10.1103/PhysRevLett.52.997. DOI
Muchová E. Slavček P. J. Phys.: Condens. Matter. 2018;31:043001. doi: 10.1088/1361-648X/aaf130. PubMed DOI
Salzner U. Baer R. J. Chem. Phys. 2009;131:231101. doi: 10.1063/1.3269030. PubMed DOI
Krylov A. I. Annu. Rev. Phys. Chem. 2008;59:433–462. doi: 10.1146/annurev.physchem.59.032607.093602. PubMed DOI
Feng X. Epifanovsky E. Gauss J. Krylov A. I. J. Chem. Phys. 2019;151:014110. doi: 10.1063/1.5100022. PubMed DOI
Ghosh D. Roy A. Seidel R. Winter B. Bradforth S. Krylov A. I. J. Phys. Chem. B. 2012;116:7269–7280. doi: 10.1021/jp301925k. PubMed DOI PMC
Aryasetiawan F. Gunnarsson O. Rep. Prog. Phys. 1998;61:237. doi: 10.1088/0034-4885/61/3/002. DOI
Govoni M. Galli G. J. Chem. Theory Comput. 2015;11:2680–2696. doi: 10.1021/ct500958p. PubMed DOI
Vidal M. L. Feng X. Epifanovsky E. Krylov A. I. Coriani S. J. Chem. Theory Comput. 2019;15:3117–3133. doi: 10.1021/acs.jctc.9b00039. PubMed DOI
Vidal M. L. Krylov A. I. Coriani S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2020;22:2693–2703. doi: 10.1039/C9CP03695D. PubMed DOI
Gilbert A. T. B. Besley N. A. Gill P. M. W. J. Phys. Chem. A. 2008;112:13164–13171. doi: 10.1021/jp801738f. PubMed DOI
Herbert J. M. Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci. 2021;11:e1519.
Cammi R. Tomasi J. Int. J. Quantum Chem. 1995;56:465–474. doi: 10.1002/qua.560560850. DOI
Jagoda-Cwiklik B. Slavíček P. Cwiklik L. Nolting D. Winter B. Jungwirth P. J. Phys. Chem. A. 2008;112:3499–3505. doi: 10.1021/jp711476g. PubMed DOI
Pliego J. R. Riveros J. M. J. Phys. Chem. A. 2001;105:7241–7247. doi: 10.1021/jp004192w. DOI
Bryantsev V. S. Diallo M. S. Goddard III W. A. J. Phys. Chem. B. 2008;112:9709–9719. doi: 10.1021/jp802665d. PubMed DOI
Tomaník L. Muchová E. Slavíček P. Phys. Chem. Chem. Phys. 2020;22:22357–22368. doi: 10.1039/D0CP02768E. PubMed DOI
Pluhařová E. Ončák M. Seidel R. Schroeder C. Schroeder W. Winter B. Bradforth S. E. Jungwirth P. Slavíček P. J. Phys. Chem. B. 2012;116:13254–13264. doi: 10.1021/jp306348b. PubMed DOI
Gordon M. S. Fedorov D. G. Pruitt S. R. Slipchenko L. V. Chem. Rev. 2012;112:632–672. doi: 10.1021/cr200093j. PubMed DOI
Herbert J. M. J. Chem. Phys. 2019;151:170901. doi: 10.1063/1.5126216. PubMed DOI
Yanai T. Tew D. P. Handy N. C. Chem. Phys. Lett. 2004;393:51–57. doi: 10.1016/j.cplett.2004.06.011. DOI
Mennucci B. Tomasi J. J. Chem. Phys. 1997;106:5151–5158. doi: 10.1063/1.473558. DOI
Cancès E. Mennucci B. Tomasi J. J. Chem. Phys. 1997;107:3032–3041. doi: 10.1063/1.474659. DOI
Rappe A. K. Casewit C. J. Colwell K. S. Goddard W. A. I. Skiff W. M. J. Am. Chem. Soc. 1992;114:10024–10035. doi: 10.1021/ja00051a040. DOI
Frisch M. J., Trucks G. W., Schlegel H. B., Scuseria G. E., Robb M. A., Cheeseman J. R., Scalmani G., Barone V., Mennucci B., Petersson G. A., Nakatsuji H., Caricato M., Li X., Hratchian H. P., Izmaylov A. F., Bloino J., Zheng G., Sonnenberg J. L., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Montgomery, Jr. J. A., Peralta J. E., Ogliaro F., Bearpark M., Heyd J. J., Brothers E., Kudin K. N., Staroverov V. N., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A., Burant J. C., Iyengar S. S., Tomasi J., Cossi M., Rega N., Millam J. M., Klene M., Knox J. E., Cross J. B., Bakken V., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R., Stratmann R. E., Yazyev O., Austin A. J., Cammi R., Pomelli C., Ochterski J. W., Martin R. L., Morokuma K., Zakrzewski V. G., Voth G. A., Salvador P., Dannenberg J. J., Dapprich S., Daniels A. D., Farkas Ö., Foresman J. B., Ortiz J. V., Cioslowski J. and Fox D. J., Gaussian 09 Revision D.01, Gaussian Inc., Wallingford CT, 2009
Barca G. M. J. Gilbert A. T. B. Gill P. M. W. J. Chem. Theory Comput. 2018;14:1501–1509. doi: 10.1021/acs.jctc.7b00994. PubMed DOI
Dunning T. H. J. Chem. Phys. 1989;90:1007–1023. doi: 10.1063/1.456153. DOI
Kendall R. A. Dunning T. H. Harrison R. J. J. Chem. Phys. 1992;96:6796–6806. doi: 10.1063/1.462569. DOI
Woon D. E. Dunning T. H. J. Chem. Phys. 1995;103:4572–4585. doi: 10.1063/1.470645. DOI
Epifanovsky E. Gilbert A. T. B. Feng X. Lee J. Mao Y. Mardirossian N. Pokhilko P. White A. F. Coons M. P. Dempwolff A. L. Gan Z. Hait D. Horn P. R. Jacobson L. D. Kaliman I. Kussmann J. Lange A. W. Lao K. U. Levine D. S. Liu J. McKenzie S. C. Morrison A. F. Nanda K. D. Plasser F. Rehn D. R. Vidal M. L. You Z.-Q. Zhu Y. Alam B. Albrecht B. J. Aldossary A. Alguire E. Andersen J. H. Athavale V. Barton D. Begam K. Behn A. Bellonzi N. Bernard Y. A. Berquist E. J. Burton H. G. A. Carreras A. Carter-Fenk K. Chakraborty R. Chien A. D. Closser K. D. Cofer-Shabica V. Dasgupta S. de Wergifosse M. Deng J. Diedenhofen M. Do H. Ehlert S. Fang P.-T. Fatehi S. Feng Q. Friedhoff T. Gayvert J. Ge Q. Gidofalvi G. Goldey M. Gomes J. González-Espinoza C. E. Gulania S. Gunina A. O. Hanson-Heine M. W. D. Harbach P. H. P. Hauser A. Herbst M. F. Hernández Vera M. Hodecker M. Holden Z. C. Houck S. Huang X. Hui K. Huynh B. C. Ivanov M. Jász Á. Ji H. Jiang H. Kaduk B. Kähler S. Khistyaev K. Kim J. Kis G. Klunzinger P. Koczor-Benda Z. Koh J. H. Kosenkov D. Koulias L. Kowalczyk T. Krauter C. M. Kue K. Kunitsa A. Kus T. Ladjánszki I. Landau A. Lawler K. V. Lefrancois D. Lehtola S. Li R. R. Li Y.-P. Liang J. Liebenthal M. Lin H.-H. Lin Y.-S. Liu F. Liu K.-Y. Loipersberger M. Luenser A. Manjanath A. Manohar P. Mansoor E. Manzer S. F. Mao S.-P. Marenich A. V. Markovich T. Mason S. Maurer S. A. McLaughlin P. F. Menger M. F. S. J. Mewes J.-M. Mewes S. A. Morgante P. Mullinax J. W. Oosterbaan K. J. Paran G. Paul A. C. Paul S. K. Pavošević F. Pei Z. Prager S. Proynov E. I. Rák Á. Ramos-Cordoba E. Rana B. Rask A. E. Rettig A. Richard R. M. Rob F. Rossomme E. Scheele T. Scheurer M. Schneider M. Sergueev N. Sharada S. M. Skomorowski W. Small D. W. Stein C. J. Su Y.-C. Sundstrom E. J. Tao Z. Thirman J. Tornai G. J. Tsuchimochi T. Tubman N. M. Veccham S. P. Vydrov O. Wenzel J. Witte J. Yamada A. Yao K. Yeganeh S. Yost S. R. Zech A. Zhang I. Y. Zhang X. Zhang Y. Zuev D. Aspuru-Guzik A. Bell A. T. Besley N. A. Bravaya K. B. Brooks B. R. Casanova D. Chai J.-D. Coriani S. Cramer C. J. Cserey G. DePrince I. Eugene A. DiStasio J. Robert A. Dreuw A. Dunietz B. D. Furlani T. R. Goddard I. William A. Hammes-Schiffer S. Head-Gordon T. Hehre W. J. Hsu C.-P. Jagau T.-C. Jung Y. Klamt A. Kong J. Lambrecht D. S. Liang W. Mayhall N. J. McCurdy C. W. Neaton J. B. Ochsenfeld C. Parkhill J. A. Peverati R. Rassolov V. A. Shao Y. Slipchenko L. V. Stauch T. Steele R. P. Subotnik J. E. Thom A. J. W. Tkatchenko A. Truhlar D. G. Van Voorhis T. Wesolowski T. A. Whaley K. B. Woodcock I. Lee H. Zimmerman P. M. Faraji S. Gill P. M. W. Head-Gordon M. Herbert J. M. Krylov A. I. J. Chem. Phys. 2021;155:084801. doi: 10.1063/5.0055522. PubMed DOI PMC
Crespo-Otero R. Barbatti M. Theor. Chem. Acc. 2012;131:1237.
Sršeň Š. Sita J. Slavíček P. Ladányi V. Heger D. J. Chem. Theory Comput. 2020;16:6428–6438. doi: 10.1021/acs.jctc.0c00579. PubMed DOI
Prlj A. Marsili E. Hutton L. Hollas D. Shchepanovska D. Glowacki D. R. Slavíček P. Curchod B. F. E. ACS Earth Space Chem. 2022;6:207–217. doi: 10.1021/acsearthspacechem.1c00355. PubMed DOI PMC
Dierking C. W. Zurheide F. Zeuch T. Med J. Parez S. Slavíček P. J. Chem. Phys. 2017;146:244303. doi: 10.1063/1.4986520. PubMed DOI
Sršeň Š. Slavíček P. J. Chem. Theory Comput. 2021;17:6395–6404. doi: 10.1021/acs.jctc.1c00749. PubMed DOI
Grimme S. J. Comput. Chem. 2006;27:1787–1799. doi: 10.1002/jcc.20495. PubMed DOI
Jorgensen W. L. Chandrasekhar J. Madura J. D. Impey R. W. Klein M. L. J. Chem. Phys. 1983;79:926–935. doi: 10.1063/1.445869. DOI
Nosé S. J. Chem. Phys. 1984;81:511–519. doi: 10.1063/1.447334. DOI
Hoover W. G. Phys. Rev. A: At., Mol., Opt. Phys. 1985;31:1695–1697. doi: 10.1103/PhysRevA.31.1695. PubMed DOI
Rubešová M. Jurásková V. Slavíček P. J. Comput. Chem. 2017;38:427–437. doi: 10.1002/jcc.24696. PubMed DOI
Martínez L. Andrade R. Birgin E. G. Martínez J. M. J. Comput. Chem. 2009;30:2157–2164. doi: 10.1002/jcc.21224. PubMed DOI
Hollas D., Suchan J., Svoboda O., Ončák M. and Slavíček P., ABIN, v1.0, 2020
Ufimtsev I. S. Martinez T. J. J. Chem. Theory Comput. 2009;5:2619–2628. doi: 10.1021/ct9003004. PubMed DOI
Titov A. V. Ufimtsev I. S. Luehr N. Martinez T. J. J. Chem. Theory Comput. 2013;9:213–221. doi: 10.1021/ct300321a. PubMed DOI
Jahnke T. Hergenhahn U. Winter B. Dörner R. Frühling U. Demekhin P. V. Gokhberg K. Cederbaum L. S. Ehresmann A. Knie A. Dreuw A. Chem. Rev. 2020;120:11295–11369. doi: 10.1021/acs.chemrev.0c00106. PubMed DOI PMC
Sadybekov A. Krylov A. I. J. Chem. Phys. 2017;147:014107. doi: 10.1063/1.4990564. PubMed DOI
Bondi A. J. Phys. Chem. 1964;68:441–451. doi: 10.1021/j100785a001. DOI
Thürmer S. Seidel R. Faubel M. Eberhardt W. Hemminger J. C. Bradforth S. E. Winter B. Phys. Rev. Lett. 2013;111:173005. doi: 10.1103/PhysRevLett.111.173005. PubMed DOI
Pohl M. N. Muchová E. Seidel R. Ali H. Sršeň Š. Wilkinson I. Winter B. Slavíček P. Chem. Sci. 2019;10:848–865. doi: 10.1039/C8SC03381A. PubMed DOI PMC
Pauling L. Science. 1968;160:265–271. doi: 10.1126/science.160.3825.265. PubMed DOI
Pauling L., How to Live Longer and Feel Better, Avon, 1987
Pauling L., Nobel Lecture, Nobel Foundation, 1954, https://www.nobelprize.org
Pauling L., The Nature of the Chemical Bond, Cornell University Press, Ithaca, NY, 1960
From Gas to Solution: The Changing Neutral Structure of Proline upon Solvation