Os físicos que trabalham com Roland Wester na Universidade de Innsbruck investigaram se e como as reações químicas podem ser influenciadas pela excitação vibracional direcionada dos reagentes. Eles foram capazes de demonstrar que a excitação com um feixe de laser não afeta a eficiência de uma reação de troca química e que o grupo molecular excitado atua apenas como um espectador na reação.

Uma reação freqüentemente usada em química orgânica é a substituição nucleofílica. Entre outras coisas, desempenha um papel importante na síntese de novos compostos químicos ou para biomoléculas em solução e, portanto, de grande importância industrial. Nesta reação, partículas carregadas encontram moléculas e um grupo molecular é substituído por outro. Por muito tempo, a ciência tem tentado reproduzir esses processos na interface da química e da física no laboratório e entendê-los no nível atômico. A equipe chefiada pelo físico experimental Roland Wester no Instituto de Física Iônica e Física Aplicada da Universidade de Innsbruck é um dos principais grupos de pesquisa do mundo neste campo.

Reação de troca de prótons fortalecida

Em um experimento especialmente construído, os físicos de Innsbruck colidiram as partículas carregadas com as moléculas no vácuo e examinaram os produtos da reação. Para determinar se a excitação de vibração alvo teve um impacto em uma reação química, os cientistas usaram um feixe de laser que excitou uma vibração na molécula. No experimento, íons de flúor carregados negativamente (F-) e moléculas de iodeto de metila (CH3I) foram usados. Na colisão, devido à troca de uma ligação de iodo por uma ligação de flúor, uma molécula de fluoreto de metila e um íon de iodo carregado negativamente foram formados. Antes que as partículas se encontrassem, o laser excitou as vibrações de alongamento de carbono-hidrogênio na molécula.

"Nossas medições mostram que a excitação do laser não aumenta a reação de troca, "diz a cientista participante Jennifer Meyer." Os átomos de hidrogênio parecem estar apenas observando a reação. "O resultado é substanciado pela observação de que uma reação competitiva aumenta fortemente. Nessa outra reação de troca de prótons, um átomo de hidrogênio é retirado da molécula de iodeto de metila e o fluoreto de hidrogênio (HF) é formado. “Deixamos as duas espécies colidirem 20 vezes por segundo, o laser é aplicado em cada segunda colisão, e repetimos o processo milhões de vezes, "explica Meyer." Sempre que o laser é irradiado, essa reação de troca de prótons é drasticamente amplificada. ”Químicos teóricos da Universidade de Szeged, na Hungria, e da Universidade do Novo México, nos EUA, apoiaram ainda mais os resultados experimentais de Innsbruck usando simulações de computador.

Em investigações de alta precisão de processos químicos, apenas o modelo mais simples, a reação de um átomo com uma molécula diatômica, foi estudado. "Aqui, todas as partículas estão inevitavelmente envolvidas na reação. Não há observadores ", diz Roland Wester. "O sistema que estamos estudando agora é tão grande que aparecem observadores. No entanto, ainda é pequeno o suficiente para poder estudar esses observadores com muita precisão." Para moléculas grandes, existem muitas partículas que não estão diretamente envolvidas na reação. A investigação de seu papel é um dos objetivos de longo prazo dos pesquisadores. Eles também querem refinar o experimento atual para descobrir mais possíveis efeitos sutis.

Química Controlada por Laser

A questão de saber se certas reações podem ser intensificadas pela excitação direcionada de grupos moleculares individuais também é uma consideração importante. "Se você entende alguma coisa, você também pode exercer controle, "resume Roland Wester." Em vez de estimular uma reação por meio do calor, pode fazer sentido estimular apenas grupos individuais de moléculas para atingir uma reação específica, "acrescenta Jennifer Meyer. Isso pode evitar processos de reação concorrentes que são um problema comum na química industrial ou na pesquisa biomédica. Quanto mais preciso for o controle sobre a reação química, quanto menos resíduos são produzidos e menores os custos.

O artigo atual foi publicado na revista Avanços da Ciência . A pesquisa foi financiada por, entre outros, o Fundo de Ciências Austríaco FWF e a Academia Austríaca de Ciências.