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Por primera vez, los químicos reorganizaron los enlaces atómicos en una sola molécula

Si los químicos construyen automóviles, llenan una fábrica con autopartes, le prenden fuego y tamizan pedazos de ceniza que ahora se ven vagamente como un automóvil.

Cuando se trata de piezas de automóvil del tamaño de un átomo, este es un proceso perfectamente razonable. Sin embargo, los químicos están ansiosos por encontrar formas de reducir los desechos y hacer que las reacciones sean más refinadas.

La ingeniería química ha dado un paso más, ya que investigadores de la Universidad de Santiago de Compostela en España, la Universidad de Ratisbona en Alemania e IBM Research Europe obligaron a una sola molécula a sufrir una serie de transformaciones con un pequeño esfuerzo.

Por lo general, los químicos obtienen precisión en las reacciones ajustando parámetros como el pH y 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 subyacentes que gobiernan la selectividad a menudo siguen siendo esquivos». Nota de los investigadores En su reportaje publicado en la revista Ciencias.

En otras palabras, la complejidad de las fuerzas en el trabajo que empujan y tiran de una molécula orgánica grande puede dificultar la obtención de una medida precisa de lo que sucede en cada enlace.

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 celdas de panal rodeadas por cuatro átomos de cloro que giran como abejas hambrientas.

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Después de pegar una capa delgada del material a una pieza fría de cobre con cubierta de sal, los investigadores ahuyentaron a las abejas de cloro, dejando un puñado de átomos de carbono excitables adheridos a electrones desapareados en una serie de estructuras relacionadas.

Diagrama esquemático de isómeros reconstituidos por STM Una molécula se reconstituye en isómeros (Alabugin & Hu, Science, 2022)

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

Esta estructura oscilante suele ser de corta duración ya que los electrones restantes también se emparejan entre sí. Pero los investigadores encontraron que este sistema en particular no era un sistema ordinario.

Con una pequeña explosión de esfuerzo de un aliento de ganado del tamaño de un átomo, demostraron que podían obligar a una sola molécula a conducir este segundo par de electrones de tal manera que las cuatro celdas se desalinearían en lo que se conoce como un alqueno curvo. .

Estos electrones vibraron con una fuerza ligeramente menor, distorsionando la estructura de una manera completamente diferente a lo que se conoce como anillo de ciclobutadieno.

Luego, cada producto se devolvió a su estado original con un pulso de electrones, listo para ser volteado nuevamente en cualquier momento.

Al obligar a una sola molécula a torcerse en diferentes formas, o isómeros, utilizando voltajes y microcorrientes, los investigadores pueden obtener información sobre el comportamiento de sus electrones, la estabilidad y las configuraciones preferidas de los compuestos orgánicos.

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A partir de ahí, puede ser posible reducir la búsqueda de catalizadores que puedan impulsar una interacción a gran escala de una miríada de moléculas en una dirección, haciendo que la reacción sea más específica.

Sus estudios anteriores Se utilizan métodos similares para visualizar la reconfiguración de moléculas individuales, y incluso la manipulación Los pasos individuales de una reacción química. Ahora estamos construyendo nuevas formas de modificar los enlaces de las moléculas para formar isómeros que normalmente no serían fáciles de cambiar.

Investigaciones como esta no solo ayudan a que la química sea más precisa, sino que también brindan a los ingenieros nuevas herramientas afiladas para mecanizar a nanoescala, falsificando estructuras de carbono en formas exóticas que no se pueden lograr en la química ordinaria.

Esta investigación fue publicada en Ciencias.