doi.org/10.1021/jacs.4c05673
Credibilidade: 999
#Elétrons
Pesquisadores da Universidade de Nagoya fizeram um avanço significativo na química ao observar experimentalmente os elétrons de valência de moléculas orgânicas pela primeira vez
Esta descoberta aumenta nossa compreensão das ligações químicas e tem aplicações potenciais em farmácia e engenharia química. Usando o método CDFS recentemente desenvolvido, eles observaram as nuvens de elétrons fragmentadas de moléculas como glicina e citidina, revelando comportamentos mecânicos quânticos e auxiliando no design de materiais funcionais.
Observação inovadora de elétrons de valência:
Pela primeira vez, uma equipe de pesquisa da Universidade de Nagoya, no Japão, observou a distribuição de elétrons de valência, os elétrons da camada mais externa de moléculas orgânicas. Suas descobertas inovadoras, que iluminam a natureza fundamental das ligações químicas, foram publicadas recentemente no Journal of the American Chemical Society. Essas percepções são essenciais para avanços em produtos farmacêuticos e engenharia química.
A complexidade do comportamento dos elétrons:
O comportamento dos elétrons nos átomos é complexo, formando orbitais de elétrons que têm funções diferentes dependendo de sua proximidade com o núcleo. Os elétrons da camada interna, chamados elétrons do núcleo, são usados “”para autoestabilização e não interagem com outros átomos. Por outro lado, os elétrons externos, ou elétrons de valência, definem a maioria das propriedades do material, especialmente durante a ligação com outros átomos.
Entender as propriedades de um material requer extrair informações sobre seus elétrons de valência. No entanto, tem sido difícil isolar experimentalmente apenas as informações do elétron de valência, levando os pesquisadores a depender de modelos teóricos e espectroscopia para estimá-las.
Ao conduzir experimentos de difração de raios X síncrotron de classe mundial no SPring-8, o grupo descobriu que é possível extrair seletivamente apenas a densidade de elétrons de valência de átomos em um cristal.
Avanço na visualização de nuvens de elétrons
Nós chamamos esse método de método CDFS. Usando esse método, observamos o estado eletrônico da molécula de glicina, um tipo de aminoácido,- disse o autor correspondente Hiroshi Sawa. Embora o método fosse relativamente simples de executar, o resultado foi impressionante. A nuvem de elétrons observada não exibiu a forma suave e envolvente que muitos previram, mas sim um estado fragmentado e discreto.-
Para entender a natureza dos resultados, o grupo fez um mapa colorido de suas observações. Em química, um mapa colorido usa cores para exibir variações em conjuntos de dados em um intervalo específico. Esses mapas são frequentemente usados “”em conjunto com técnicas espectroscópicas, imagens e análise química para fornecer uma maneira intuitiva de interpretar conjuntos de dados complexos.
O mapa da vista transversal no diagrama ampliado mostrou claramente interrupções na distribuição de elétrons ao redor dos átomos de carbono. Quando o carbono forma ligações com átomos ao redor, ele reconstrói sua nuvem de elétrons para criar orbitais hibridizados. Neste caso, os elétrons da camada L mais externa têm nós baseados em sua natureza de onda, conhecidos como funções de onda, – explicou Sawa. Isso significa que, devido à natureza de onda dos elétrons, há partes dos orbitais híbridos onde os elétrons estão ausentes, muito diferente da imagem que muitas pessoas têm de uma “nuvem” contínua de elétrons. –
Insights da mecânica quântica do mapeamento de elétrons:
A distribuição fragmentada da nuvem de elétrons observada no experimento demonstra a natureza de onda mecânica quântica dos elétrons, conforme previsto pela física. Para confirmar se a nuvem de elétrons observada captura com precisão o estado verdadeiro, eles conduziram cálculos químicos quânticos avançados em colaboração com a Universidade de Hokkaido, que confirmaram que os resultados experimentais e teóricos correspondiam perfeitamente.
Sawa acredita que os resultados mostram os benefícios da pesquisa interdisciplinar. Acredito que tenha sido útil para fornecer uma conclusão clara para a compreensão ambígua dos estados de ligação que tem intrigado os pesquisadores desde o século XIX, – disse Sawa. Visualizar o comportamento dos elétrons é um esforço desafiador, mas os resultados podem ser elegantemente compreendidos como elétrons agindo de acordo com as funções de onda. Acredito que nossas descobertas surpreenderam muitos pesquisadores e validaram o modelo proposto pela química quântica.
Implicações para o Design de Materiais e Pesquisa Química
Com uma compreensão precisa da distribuição de densidade de elétrons de valência que forma esta molécula, o grupo conduziu experimentos e cálculos semelhantes na citidina, uma molécula um pouco mais complexa. Eles extraíram com sucesso os elétrons dentro das ligações duplas de carbono e observaram claramente as diferenças entre as ligações carbono-carbono e carbono-nitrogênio.
Este estudo tornou possível visualizar diretamente a essência das ligações químicas, contribuindo potencialmente para o design de materiais funcionais e a compreensão dos mecanismos de reação. Isso ocorre porque auxilia na discussão dos estados eletrônicos das moléculas, que são difíceis de inferir apenas da fórmula estrutural química, – disse Sawa. Pode, por exemplo, explicar por que alguns medicamentos funcionam e outros não. Campos onde as interações influenciam a funcionalidade e a estabilidade estrutural, como semicondutores orgânicos e pesquisas sobre a estrutura das hélices duplas de DNA, provavelmente se beneficiarão mais de nossa pesquisa.-
Publicado em 26/08/2024 19h21
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