Químicos reorganizaram ligações atômicas em uma única molécula pela primeira vez

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Alcino dobrado (esquerda), diradical (centro) e moléculas de ciclobutadieno sob microscopia de força atômica. (Créditos: Leo Gross/IBM)

Traduzido por Julio Batista
Original de Mike McRae para o ScienceAlert

Se os químicos construíssem carros, eles encheriam uma fábrica com peças de carros, incendiariam e peneirariam das cinzas pedaços que agora lembrariam vagamente carros.

Quando você está lidando com peças de carros do tamanho de átomos, este é um processo perfeitamente razoável. No entanto, os químicos anseiam por maneiras de reduzir o desperdício e tornar as reações muito mais precisas.

A engenharia química deu um passo à frente, com pesquisadores da Universidade de Santiago de Compostela, na Espanha, da Universidade de Ratisbona, na Alemanha, e da IBM Research Europe, forçando uma única molécula a sofrer uma série de transformações com um pequeno impulso de voltagem.

Normalmente, os químicos obtêm precisão sobre as reações ajustando parâmetros como o pH, adicionando ou removendo doadores de prótons disponíveis para gerenciar a maneira como as moléculas podem compartilhar ou trocar elétrons para formar suas ligações.

“Por esses meios, no entanto, as condições de reação são alteradas a tal ponto que os mecanismos básicos que governam a seletividade geralmente permanecem elusivos”, observam os pesquisadores em seu relatório, publicado na revista Science.

Em outras palavras, a complexidade das forças em ação empurrando e puxando uma grande molécula orgânica pode tornar difícil obter uma medida precisa do que está ocorrendo em cada ligação.

A equipe começou com uma substância chamada 5,6,11,12-tetraclorotetraceno (com a fórmula C18H8Cl4) – uma molécula à base de carbono que se parece com uma fileira de quatro células de favo de mel ladeadas por quatro átomos de cloro a sobrevoando como abelhas famintas.

Colocando uma fina camada do material em um pedaço de cobre frio e incrustado de sal, os pesquisadores afastaram as “abelhas” do cloro, deixando um punhado de átomos de carbono excitáveis ​​mantendo elétrons desemparelhados em uma variedade de estruturas relacionadas.

Uma única molécula reconfigurada em isômeros. (Créditos: Alabugin & Hu, Science, 2022)

Dois desses elétrons em algumas das estruturas se reconectaram facilmente, reconfigurando a forma geral de favo de mel da molécula. O segundo par também estava interessado em emparelhar não apenas um com o outro, mas com qualquer outro elétron disponível que pudesse passar zumbindo em seu caminho.

Normalmente, essa estrutura instável teria vida curta, pois os elétrons restantes também se juntariam em pares. Mas os pesquisadores descobriram que esse sistema em particular não era comum.

Com um leve impulso de voltagem de uma “vara curta” do tamanho de um átomo, eles mostraram que poderiam forçar uma única molécula a conectar esse segundo par de elétrons de tal forma que as quatro células foram puxadas para fora do alinhamento no que é conhecido como alcino dobrado.

Agitados um pouco menos vigorosamente, esses elétrons se emparelharam de maneira diferente, distorcendo a estrutura de uma maneira completamente diferente no que é conhecido como anel de ciclobutadieno.

Cada produto foi então reformado de volta ao estado original com um pulso de elétrons, pronto para voltarem novamente em suas configurações em um piscar de olhos.

Ao forçar uma única molécula a se contorcer em diferentes formas, ou isômeros, usando voltagens e correntes precisas, os pesquisadores puderam obter informações sobre o comportamento de seus elétrons e a estabilidade e configurações preferíveis de compostos orgânicos.

A partir daí, seria possível reduzir a busca por catalisadores que pudessem impulsionar uma reação em larga escala de inúmeras moléculas em uma direção, tornando a reação mais específica.

Estudos anteriores usaram métodos semelhantes para visualizar as reconfigurações de moléculas individuais e até mesmo manipular etapas individuais de uma reação química. Agora estamos construindo novos métodos para ajustar as próprias ligações das moléculas para formar isômeros que normalmente não seriam tão simples de configurar.

Pesquisas como essa não apenas ajudam a tornar a química mais precisa, como fornecem aos engenheiros novas ferramentas afiadas para fabricar máquinas em nanoescala, deformando estruturas de carbono em formas exóticas que não seriam possíveis com a química comum.

Esta pesquisa foi publicada na revista Science.