Como as moléculas quebram e formam ligações
Um passo crucial para compreender verdadeiramente os processos químicos
Os investigadores do European XFEL, na Alemanha, seguiram em tempo real o movimento de átomos individuais durante uma reação química na fase gasosa. Utilizando flashes de raios X extremamente curtos, conseguiram observar a formação de uma molécula de iodo (I₂) após a irradiação de moléculas de diiodometano (CH₂I₂) por luz infravermelha, o que envolve a quebra de duas ligações e a formação de uma nova. Ao mesmo tempo, foram capazes de distinguir esta reação de duas outras vias de reação, nomeadamente a separação de um único átomo de iodo do diiodometano, ou a excitação de vibrações de flexão na molécula ligada. Os resultados fornecem novos conhecimentos sobre mecanismos de reação fundamentais que até agora têm sido muito difíceis de distinguir experimentalmente.
O diiodometano irradiado com luz infravermelha pode sofrer várias reacções diferentes. Foram utilizados impulsos intensos de raios X do XFEL europeu e um microscópio de reação do instrumento SQS para caraterizar três vias de reação principais.
Tobias Wüstefeld, © European XFEL
As chamadas reacções de eliminação, em que pequenas moléculas são formadas a partir de uma molécula maior, são fundamentais para muitos processos químicos - desde a química atmosférica à investigação de catalisadores. No entanto, o mecanismo detalhado de muitas reacções, em que vários átomos quebram e voltam a formar as suas ligações, permanece frequentemente obscuro. A razão: Os processos ocorrem em tempos incrivelmente curtos - em femtossegundos, ou alguns milionésimos de bilionésimo de segundo.
Uma abordagem experimental inovadora foi agora utilizada no instrumento SQS do XFEL europeu para visualizar a dinâmica destas reacções. Os investigadores irradiaram moléculas de diiodometano com impulsos laser infravermelhos ultracurtos, que desencadearam as reacções moleculares. Femtosegundos depois, intensos flashes de raios X estilhaçaram as moléculas, fazendo com que os seus componentes atómicos se separassem numa "explosão de Coulomb". As trajectórias e as velocidades dos iões foram então registadas por um dispositivo de deteção chamado microscópio de reação COLTRIMS (COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) - um dos instrumentos de deteção da estação experimental SQS que é posto à disposição dos utilizadores.
"Utilizando este método, pudemos seguir com precisão a forma como os átomos de iodo se juntam enquanto o grupo metileno é clivado", explica Artem Rudenko da Universidade do Estado do Kansas, EUA, o investigador principal da experiência. A análise revelou que tanto os mecanismos síncronos como os assíncronos contribuem para a formação da molécula de iodo - um resultado que foi apoiado por cálculos teóricos.
É notável: "Embora esta via de reação represente apenas cerca de dez por cento dos produtos resultantes, conseguimos distingui-la claramente das outras reacções concorrentes", explica Rebecca Boll, do instrumento SQS (Small Quantum Systems) do XFEL europeu, em Schenefeld, perto de Hamburgo. Isto foi possível graças à seleção precisa de canais específicos de fragmentação de iões e à sua análise resolvida no tempo.
Além disso, os investigadores conseguiram seguir o movimento vibracional da molécula de iodo recém-formada. "Agora, podemos observar mais diretamente como uma molécula isolada quebra e forma ligações durante uma reação química - em tempo real e com precisão atómica", afirma Xiang Li, o primeiro autor da publicação e cientista do SLAC National Accelerator Laboratory, nos Estados Unidos. Este é um passo crucial para compreender verdadeiramente os processos químicos. Estas observações não só fornecem uma imagem detalhada dos mecanismos de reação, como também abrem novas vias para a investigação de processos químicos mais complexos.
No futuro, estas técnicas serão alargadas a moléculas ainda maiores e a reacções mais complexas. Graças aos melhoramentos técnicos planeados para o laser de raios X do XFEL europeu, será possível obter, no futuro, uma visão ainda mais rápida e detalhada do mundo da dinâmica molecular ultra-rápida.
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Publicação original
Xiang Li, Rebecca Boll, Patricia Vindel-Zandbergen, Jesús González-Vázquez, Daniel E. Rivas, Surjendu Bhattacharyya, Kurtis Borne, Keyu Chen, ... Sergey Usenko, Anbu Selvam Venkatachalam, Enliang Wang, James P. Cryan, Michael Meyer, Till Jahnke, Phay J. Ho, Daniel Rolles, Artem Rudenko; "Imaging a light-induced molecular elimination reaction with an X-ray free-electron laser"; Nature Communications, Volume 16, 2025-7-30
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