Durante uma reação química, as moléculas envolvidas na reação ganham energia até atingirem um "ponto sem retorno" conhecido como estado de transição.

Até agora, ninguém viu este estado, pois dura apenas alguns femtossegundos (quatrilionésimos de segundo). Contudo, químicos do MIT, Laboratório Nacional de Argonne, e várias outras instituições desenvolveram agora uma técnica que lhes permite determinar a estrutura do estado de transição por meio da observação detalhada dos produtos que resultam da reação.

“Estamos analisando as consequências do evento, que codificou neles a estrutura real do estado de transição, "diz Robert Field, o Robert T. Haslam e Bradley Dewey Professor de Química no MIT. "É uma medição indireta, mas está entre as classes de medição mais diretas possíveis. "

Field e seus colegas usaram espectroscopia de ondas milimétricas, que pode medir a energia vibracional-rotacional das moléculas do produto de reação, determinar a estrutura dos produtos da degradação do cianeto de vinila causada pela luz ultravioleta. Usando essa abordagem, eles identificaram dois estados de transição diferentes para a reação e encontraram evidências de que estados de transição adicionais podem estar envolvidos.

Field é o autor sênior do estudo, que aparece esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences . O autor principal é Kirill Prozument, um ex-pós-doutorado do MIT que agora está no Argonne National Laboratory.

Um conceito central de química

Para que qualquer reação química ocorra, as moléculas reagentes devem receber uma entrada de energia que permite que as moléculas ativadas atinjam um estado de transição, a partir da qual os produtos são formados.

"O estado de transição é um conceito central da química, "Field diz." Tudo o que pensamos nas reações realmente depende da estrutura do estado de transição, que não podemos observar diretamente. "

Em um artigo publicado em 2015, Field e seus colegas usaram a espectroscopia a laser para caracterizar o estado de transição para um tipo diferente de reação conhecido como isomerização, em que uma molécula sofre uma mudança de forma.

Em seu novo estudo, os pesquisadores exploraram outro estilo de reação, usando radiação ultravioleta de laser para quebrar moléculas de cianeto de vinila em acetileno e outros produtos. Então, eles usaram espectroscopia de ondas milimétricas para observar a distribuição da população do nível vibracional dos produtos da reação alguns milionésimos de segundo após a reação ocorrer.

Usando esta técnica, os pesquisadores foram capazes de determinar populações nascentes de moléculas em diferentes níveis de energia vibracional - uma medida de quanto os átomos de uma molécula se movem uns em relação aos outros. Esses níveis de energia vibracional também codificam a geometria das moléculas quando elas nasceram no estado de transição, especificamente, quanta excitação de flexão existe nos ângulos de ligação entre o hidrogênio, carbono, e átomos de nitrogênio.

Isso também permitiu aos pesquisadores distinguir entre dois produtos ligeiramente diferentes da reação - cianeto de hidrogênio (HCN), em que um átomo de carbono central está ligado a hidrogênio e nitrogênio, e isocianeto de hidrogênio (HNC), em que o nitrogênio é o átomo central, ligado ao carbono e ao hidrogênio.

“Essa é a impressão digital de como era a estrutura no instante em que a molécula foi liberada, "Field diz." Os métodos anteriores de olhar para as reações eram cegos para as populações vibracionais, e eles não sabiam a diferença entre HCN e HNC. "

Os pesquisadores descobriram tanto HCN quanto HNC, que são produzidos por meio de diferentes estados de transição, entre os produtos da reação. Isso sugere que ambos os estados de transição, que representam diferentes mecanismos de reação, estão em jogo quando o cianeto de vinil é quebrado pelo laser ultravioleta.

"Isso implica que existem dois mecanismos diferentes competindo por estados de transição, e somos capazes de separar a reação em diferentes mecanismos, "Field diz." Esta é uma técnica completamente nova, uma nova maneira de ir ao cerne do que acontece em uma reação química. "

Mecanismos adicionais

Os dados dos pesquisadores mostram que existem mecanismos de reação adicionais além desses dois, mas mais estudos são necessários para determinar suas estruturas de estado de transição.

Field e Prozument estão agora usando essa técnica para estudar os produtos da reação da quebra pirolítica da acetona. Eles também esperam usá-lo para explorar como a triazina, um anel de seis membros de átomos alternados de carbono e nitrogênio, se divide em três moléculas de HCN, em particular, se todos os três produtos se formam simultaneamente (um "golpe triplo") ou sequencialmente.