Científicos reorganizan los enlaces atómicos en una molécula por primera vez

Química

Si los químicos construyeran automóviles, llenarían una fábrica con piezas de automóvil, le prenderían fuego y extraerían de las cenizas piezas que ahora se parecían vagamente a un automóvil. Cuando se trata de piezas de automóviles del tamaño de átomos, este es un proceso perfectamente razonable. Sin embargo, los químicos anhelan formas de reducir los desechos y hacer que las reacciones sean mucho más precisas.

La ingeniería química ha dado un paso adelante, con investigadores de la Universidad de Santiago de Compostela en España, la Universidad de Ratisbona en Alemania e IBM Research Europe obligando a una sola molécula a sufrir una serie de transformaciones con un pequeño empujón de voltaje. Por lo general, los químicos obtienen precisión sobre las reacciones ajustando parámetros como el pH, agregando o eliminando donantes de protones disponibles para administrar la forma en que las moléculas pueden compartir o intercambiar electrones para formar sus enlaces.

“Por estos medios, sin embargo, las condiciones de reacción se alteran hasta tal punto que los mecanismos básicos que gobiernan la selectividad a menudo siguen siendo esquivos”, señalan los investigadores en su informe, publicado en la revista Science.

En otras palabras, la complejidad de las fuerzas que actúan empujando y tirando de una molécula orgánica grande puede dificultar la obtención de una medida precisa de lo que ocurre en todos y cada uno de los enlaces. El equipo comenzó con una sustancia llamada 5,6,11,12-tetraclorotetraceno (con la fórmula C18H8Cl4), una molécula a base de carbono que parece una fila de cuatro células de panal flanqueadas por cuatro átomos de cloro revoloteando como abejas hambrientas. Al pegar una capa delgada del material a una pieza de cobre fría con costra de sal, los investigadores ahuyentaron a las abejas de cloro, dejando un puñado de átomos de carbono excitables que se aferraban a electrones desapareados en una variedad de estructuras relacionadas.

Una sola molécula reconfigurada en isómeros. Alabugin & Hu, Science, 2022.

Dos de esos electrones en algunas de las estructuras se reconectaron felizmente entre sí, reconfigurando la forma general de panal de la molécula. El segundo par también estaba ansioso por emparejarse no solo entre sí, sino también con cualquier otro electrón disponible que pudiera zumbar en su camino.

Por lo general, esta estructura tambaleante sería de corta duración ya que los electrones restantes también se casarían entre sí. Pero los investigadores encontraron que este sistema en particular no era ordinario. Con un suave empujón de voltaje de una picana del tamaño de un átomo, demostraron que podían obligar a una sola molécula a conectar ese segundo par de electrones de tal manera que las cuatro celdas se desalinearon en lo que se conoce como un alquino doblado.

Sacudido un poco menos vigorosamente, esos electrones se emparejaron de manera diferente, distorsionando la estructura de una manera completamente diferente en lo que se conoce como un anillo de ciclobutadieno. Luego, cada producto se volvió a reformar en el estado original con un pulso de electrones, listo para cambiar de nuevo en cualquier momento.

Al obligar a una sola molécula a contorsionarse en diferentes formas, o isómeros, utilizando voltajes y corrientes precisos, los investigadores pudieron obtener información sobre el comportamiento de sus electrones y la estabilidad y las configuraciones preferibles de los compuestos orgánicos. A partir de ahí, podría ser posible reducir la búsqueda de catalizadores que pudieran impulsar una reacción a gran escala de innumerables moléculas en una dirección, haciendo que la reacción sea más específica.

Estudios anteriores han utilizado métodos similares para visualizar las reconfiguraciones de moléculas individuales e incluso manipular pasos individuales de una reacción química. Ahora estamos construyendo nuevos métodos para ajustar los enlaces de las moléculas para formar isómeros que normalmente no serían tan fáciles de intercambiar. Una investigación como esta no solo ayuda a que la química sea más precisa, sino que proporciona a los ingenieros herramientas nuevas y afiladas para fabricar máquinas a nanoescala, deformando estructuras de carbono en formas exóticas que no serían posibles con la química ordinaria.

Esta investigación fue publicada en Science.

Fuente: Science Alert.

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