As sínteses químicas em líquidos e gases ocorrem no espaço tridimensional. Colisões aleatórias entre moléculas têm que resultar em algo novo em um tempo extremamente curto. Mas há outra maneira:em uma superfície de ouro sob condições de vácuo ultra-alto, as moléculas ainda próximas umas das outras podem ser combinadas – mesmo aquelas que nunca gostariam de reagir umas com as outras em um líquido. Pesquisadores do Empa já descobriram tal reação. O melhor de tudo é que os especialistas podem “tirar fotos” e observar cada passo da reação.
Em química, existem estruturas que são particularmente estáveis, como o chamado "anel benzênico", composto por seis átomos de carbono interligados. Esses anéis formam a base estrutural do grafite e do grafeno, mas também ocorrem em muitos corantes – como o jeans dye índigo e em muitos medicamentos, como a aspirina.

Quando os químicos queriam construir esses anéis de maneira direcionada, eles usavam as chamadas reações de acoplamento, que geralmente levam o nome de seus inventores:por exemplo, a reação de Diels-Alder, a reação de Ullmann, a ciclização de Bergman ou o acoplamento de Suzuki. Agora há outro que ainda não tem nome. Foi descoberto por uma equipe do Empa junto com o Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros em Mainz. Sua pesquisa relacionada foi publicada em Síntese da Natureza e Nature Reviews Química .

Tudo a seco

Os pesquisadores do Empa omitiram líquidos em sua síntese química e, em vez disso, anexaram os materiais iniciais a uma superfície de ouro em um vácuo ultra-alto. O material inicial (diisopropil-p-terfenil) pode ser observado descansando calmamente no microscópio de tunelamento de varredura resfriado antes que os pesquisadores aumentem o calor.

Aumente o aquecimento — movimento na pista de dança

À temperatura ambiente, nada acontece ainda, mas a cerca de 200 graus Celsius, ocorre uma reação incrível que nunca aconteceria em líquidos:os dois grupos isopropílicos – que normalmente são completamente inativos do ponto de vista químico – se combinam para formar um anel benzênico. O motivo:devido à "adesão" firme na superfície do ouro, um átomo de hidrogênio é primeiro afrouxado e depois liberado da molécula. Isso cria radicais de carbono que estão esperando por novos parceiros. E há muitos parceiros na superfície do ouro. A 200 graus Celsius, as moléculas vibram e fazem piruetas rápidas – há muito movimento na pista de dança dourada. Então o que está junto logo fica junto.

E mais uma vez tudo em câmera lenta

Matchmaking na superfície dourada tem duas vantagens. Primeiro, não há necessidade de coerção:a reação ocorre sem mediar ácidos bóricos ou átomos de halogênio voando. É um acoplamento envolvendo apenas hidrocarbonetos saturados. Os materiais de partida são baratos e fáceis de obter, e não há subprodutos tóxicos.

A segunda vantagem é que os pesquisadores podem observar cada passo da reação - outra coisa que não é possível com a química "líquida" clássica. A equipe do Empa simplesmente aumenta o aquecimento da superfície do ouro gradualmente. A 180 graus Celsius, as moléculas conectaram apenas um braço com seus vizinhos, o segundo ainda se projeta livremente na pista de dança. Se alguém esfriar a superfície de ouro dentro de um microscópio de varredura de túnel, pode-se ver e "fotografar" as moléculas pouco antes de serem "casadas". Foi exatamente isso que os pesquisadores fizeram. Assim, o mecanismo de reação pode ser seguido na forma de "instantâneos".

Oportunidades para uma 'nova' química

Os pesquisadores e seus colegas esperam que dois tipos de efeitos surjam do trabalho atual. Primeiro, o "método instantâneo" também pode ser adequado para elucidar mecanismos de reação completamente diferentes. Na Empa, estão sendo desenvolvidos instrumentos que utilizam pulsos de laser ultracurtos em um microscópio de tunelamento de varredura para elucidar essas reações químicas passo a passo. Isso poderia fornecer insights adicionais sobre reações químicas e logo abalar muitas teorias antigas.

No entanto, os resultados da pesquisa "do seco" também podem ser úteis para desenvolver ainda mais a química "líquida". Até agora, a maioria das reações documentadas na literatura vieram da química líquida clássica, e os pesquisadores da sonda de varredura conseguiram recriar esses experimentos. No futuro, certas reações também poderão ser projetadas no microscópio de tunelamento de varredura e posteriormente transferidas para a química líquida ou gasosa. + Explorar mais

Mecanismo de dissociação de moléculas de oxigênio em uma superfície de prata revelado