Determinada una etapa importante en la evolución química de las moléculas orgánicas en el espacio interestelar

Los empleados del Laboratorio de Química de Alta Energía del Departamento de Electroquímica de la Facultad de Química de la Universidad Estatal de Moscú establecieron la estructura y estudiaron las formas de evolución química del catión radical, que se forma durante la ionización del complejo intermolecular de acetileno y carbono. monóxido. Los resultados del trabajo permitirán fundamentar los procesos de síntesis molecular en el Universo. También pueden ser útiles para el desarrollo de nuevos enfoques para el estudio de la estructura y las propiedades de las partículas altamente reactivas y los mecanismos de las reacciones químicas que ocurren a temperaturas bajas y ultrabajas, incluso en condiciones espaciales. El trabajo se publicó  en una de las revistas químicas más prestigiosas, el Journal of the American Chemical Society, y apareció en la portada.

Las formas de formación de moléculas orgánicas complejas en el espacio exterior han atraído el interés de muchos científicos durante décadas. Dado que es prácticamente imposible reproducir completamente las condiciones del entorno espacial, es necesario buscar otros enfoques para el estudio de los procesos químicos en el espacio.

 “La peculiaridad de nuestro estudio radica en el hecho de que estamos tratando de estudiar la evolución química a nivel molecular, es decir, para identificar los bloques de construcción, “ladrillos” que se utilizan para construir moléculas orgánicas complejas”, dijo el profesor Vladimir Feldman , director del Laboratorio de Química de Altas Energías de la Facultad de Química de la Universidad Estatal de Moscú . «En el papel de tales ‘ladrillos’ pueden ser agregados individuales (complejos) de moléculas simples».

Los autores consideraron un complejo de dos moléculas simples, acetileno (C2H2) y monóxido de carbono (CO). Ambas moléculas son muy comunes en el espacio y pueden considerarse un «preparado» adecuado para la síntesis de moléculas orgánicas complejas. Tal síntesis es bastante posible bajo la acción de radiación de alta energía a temperaturas de varias decenas de Kelvin (0 grados Kelvin equivalen a -273 grados Celsius). Pero estas son precisamente las condiciones en las nubes moleculares frías -nebulosas cósmicas- así como en los cuerpos celestes distantes de las estrellas más cercanas. A menudo, la evolución de tales sistemas se considera sin tener en cuenta los procesos que ocurren a través de los estados iónicos. Este no es un enfoque del todo adecuado, ya que la ionización de moléculas es característica de los medios cósmicos. Como resultado, se forma un catión radical, una molécula que transporta simultáneamente un electrón desapareado y una carga positiva,

«Por primera vez, decidimos observar en detalle cómo se comportaría el sistema C2H2-CO durante la ionización, y pudimos detectar la formación de un catión radical «sintético» H2C3O+⦁, así como establecer de manera confiable su estructura». explicó Vladimir Feldman. – Las moléculas orgánicas complejas se caracterizan por la presencia de muchos isómeros, moléculas con la misma fórmula química, pero estructuras diferentes. Así, para el catión radical H2C3O+⦁, se pueden representar al menos seis isómeros, y se caracterizan por una estabilidad diferente. Tenga en cuenta que, tras la ionización del complejo C2H2-CO, no se forma el más estable de los posibles isómeros del catión radical H2C3O+⦁, sino uno que es geométricamente más cercano al complejo inicial. Este es un ejemplo del llamado control «cinético» de las reacciones químicas, que es característico de los procesos a bajas temperaturas.

Obtener el catión radical H2C3O+⦁ y analizar las formas de sus transformaciones adicionales ayudó a comprender mejor el mecanismo de formación de moléculas orgánicas complejas en el entorno espacial.

 “Para obtener y estudiar experimentalmente el catión radical, primero enfriamos fuertemente la mezcla de gases que consiste en moléculas precursoras (acetileno y monóxido de carbono) y un gas noble (en este caso, argón), – Pavel Zasimov , estudiante de posgrado de la Facultad de Química de la Universidad Estatal de Moscú, contó los detalles del experimento .. — Así es como obtenemos muestras de “hielo” a partir del argón, en el que se “congelan” moléculas aisladas y complejos intermoleculares. Las muestras resultantes se exponen a radiación de rayos X, similar a la utilizada en los diagnósticos médicos. Como resultado, las moléculas y los complejos aislados se ionizan y se inician más transformaciones químicas. Podemos detectar y estudiar sus productos (incluidos los cationes radicales inestables) utilizando métodos de investigación informativos: espectroscopia infrarroja y resonancia paramagnética de electrones.

Una parte extremadamente importante del trabajo fue el modelado químico-cuántico de las transformaciones estudiadas. Los cálculos permitieron interpretar de forma fiable las observaciones experimentales y establecer la estructura del catión radical estudiado, así como analizar la vía de las reacciones tras la formación del catión radical primario.

“Seguimos la evolución del catión radical primario: calculamos la energía y las características espectroscópicas de varias partículas catiónicas radicales de la composición H2C3O+⦁”, explica Ph.D.  Daniil Tyurin . “Luego comparamos los cálculos con los datos experimentales y encontramos una correspondencia entre ellos. Esto hizo posible sacar una conclusión confiable de que son precisamente los cationes radicales más estables (según las predicciones calculadas) los que se observan en el experimento”.

Uno de los «puntos destacados» del trabajo fue que los autores propusieron un enfoque no trivial para la preparación de cationes radicales de moléculas orgánicas complejas, que son muy difíciles de sintetizar por métodos tradicionales, ya que las moléculas neutrales neutrales correspondientes son inestables.

“Nuestro enfoque puede ser de interés principalmente desde el punto de vista de la química orgánica física”, explicó un investigador del Centro Skoltech de Tecnologías Energéticas.  

Ph.D. Serguéi Ryazantsev. “Nuestro trabajo muestra que los cationes radicales de moléculas orgánicas complejas se pueden obtener (y luego se pueden estudiar sus propiedades) no solo a partir de las moléculas precursoras neutras correspondientes, lo que no siempre es conveniente y, a veces, simplemente imposible, sino también debido a la condensación química («pegado») de moléculas más simples en estado ionizado. Nuestro trabajo es un excelente ejemplo de cómo uno puede comprender a un nivel profundo los procesos que ocurren con partículas químicas de vida corta y, por lo tanto, apenas perceptibles en el experimento. Es necesario hacer todo lo posible en el desarrollo e implementación de experimentos espectroscópicos complejos y cálculos químicos cuánticos de alto nivel, así como mostrar consideración y paciencia en la interpretación de los resultados”.

Los autores seguirán trabajando en la dirección elegida y esperan revelar pronto nuevas sutilezas de cómo funciona la evolución química y prebiológica de la materia en el espacio frío.

En la imagen: Portada de la revista Journal of the American Chemical Society

Servicio de Prensa de la Facultad de Química de la Universidad Estatal de Moscú

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