Químicos acabam de reorganizar ligações atômicas em uma única molécula pela primeira vez: WebCuriosos

Se os químicos construíssem carros, eles encheriam uma fábrica com peças de automóveis, ateariam fogo e separariam das cinzas peças que agora pareciam vagamente com carros.

Quando você lida com peças de automóveis do tamanho de átomos, esse é um processo perfeitamente razoável. No entanto, os químicos anseiam por formas de reduzir o desperdício e tornar as reações muito mais precisas.

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

Normalmente, os químicos ganham precisão nas 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 estes meios, no entanto, as condições de reação são alteradas a tal ponto que os mecanismos básicos que governam a seletividade muitas vezes permanecem indefinidos”, os pesquisadores observam em seu relatório, publicado na revista Ciência.

Em outras palavras, a complexidade das forças que atuam empurrando e puxando uma grande molécula orgânica pode dificultar a obtenção de 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 flanqueadas por quatro átomos de cloro pairando como abelhas famintas.

Colando uma fina camada do material em um pedaço de cobre frio e coberto de sal, os pesquisadores afastaram as abelhas do cloro, deixando um punhado de átomos de carbono excitáveis ​​presos a elétrons desemparelhados em uma série de estruturas relacionadas.

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

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

Normalmente, essa estrutura instável teria vida curta, pois os elétrons restantes também se casariam. Mas os pesquisadores descobriram que este sistema específico não era comum.

Com um leve empurrão de voltagem de um aguilhão de gado do tamanho de um átomo, eles mostraram que poderiam forçar uma única molécula a conectar esse segundo par de elétrons de tal maneira que as quatro células fossem desalinhadas no que é conhecido como alcino dobrado.

Agitados com um pouco menos de vigor, esses elétrons formaram pares diferentes, 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 virar novamente a qualquer momento.

Ao forçar uma única molécula a se contorcer em diferentes formas, ou isômeros, usando tensões e correntes precisas, os pesquisadores poderiam 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 usou 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 trocar.

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

Esta pesquisa foi publicada em Ciência.