Tecnologia Científica
Primeira visualização de elétrons de valência revela a natureza fundamental da ligação química
A distribuição de elétrons da camada mais externa, conhecidos como elétrons de valência, de moléculas orgânicas foi observada experimentalmente pela primeira vez por uma equipe liderada pela Universidade de Nagoya, no Japão.
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Universidade de Nagoya - 22/08/2024
A distribuição de elétrons da camada mais externa, conhecidos como elétrons de valência, de moléculas orgânicas foi observada pela primeira vez. Crédito: Reiko Matsushita / RIKEN
A distribuição de elétrons da camada mais externa, conhecidos como elétrons de valência, de moléculas orgânicas foi observada experimentalmente pela primeira vez por uma equipe liderada pela Universidade de Nagoya, no Japão. Como as interações entre átomos são governadas pelos elétrons de valência, suas descobertas lançam luz sobre a natureza fundamental das ligações químicas, com implicações para a farmácia e a engenharia química. Os resultados foram publicados no Journal of the American Chemical Society.
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 dos elétrons 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 alto nível no SPring-8, o grupo descobriu que é possível extrair seletivamente apenas a densidade de elétrons de valência dos átomos em um cristal.
"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."
"Visualizar o comportamento dos elétrons é um esforço desafiador, mas os resultados podem ser elegantemente compreendidos como elétrons agindo de acordo com funções de onda. Acredito que nossas descobertas surpreenderam muitos pesquisadores e validaram o modelo proposto pela química quântica."
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 combinavam perfeitamente.
Sawa acredita que os resultados mostram os benefícios da pesquisa interdisciplinar. "Acredito que foi útil para fornecer uma conclusão clara à 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 funções de onda. Acredito que nossas descobertas surpreenderam muitos pesquisadores e validaram o modelo proposto pela química quântica."
Com uma compreensão precisa da distribuição de densidade de elétrons de valência que forma essa 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 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 porque ele 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 pesquisa sobre a estrutura de dupla hélice de DNA, provavelmente se beneficiarão mais de nossa pesquisa."
Mais informações: Hara, T. et al. Desvendando a natureza das ligações químicas no espaço real, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c05673
Informações do periódico: Journal of the American Chemical Society
