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Nas reações químicas, as moléculas procedem durante sua transformação de reagentes em produtos de reação através de uma geometria crítica. Em química, a geometria refere-se ao arranjo dos átomos em uma molécula. Os cientistas costumam chamar a geometria crítica nas reações de estado de transição. Este estado tem uma vida quase incompreensivelmente curta de menos de um milionésimo de um milionésimo de segundo. Os cientistas capturaram recentemente uma geometria crítica usando a “câmera eletrônica” de velocidade ultra-alta no SLAC. Em combinação com simulações quânticas da reação, isso permitiu aos pesquisadores identificar a estrutura crítica como uma extremidade da molécula se afastando do resto da molécula.
Os químicos usam a reação investigada neste estudo, a chamada reação eletrocíclica, porque gera produtos de reação muito específicos. Esses produtos podem ser previstos pelas regras de Woodward-Hoffmann. Essas regras receberam o Prêmio Nobel de Química em 1981 e são ensinadas a todos os químicos orgânicos durante sua graduação. No entanto, as regras não fornecem uma resposta detalhada por que as reações geram apenas produtos de reação específicos. Os novos resultados ajudam a responder a esta questão em aberto. Além disso, abrem caminho para que pesquisadores criem novas regras para outros tipos de reações. Isso pode ajudar a tornar a química orgânica uma ferramenta mais poderosa.
As reações eletrocíclicas são caracterizadas pela formação e dissociação simultâneas de múltiplas ligações químicas através de uma geometria crítica. No caso do alfa-terpineno, molécula estudada neste projeto, duas ligações duplas e uma ligação simples são transformadas em três ligações duplas. A sincronização desses processos e a configuração crítica única garantem sua estereoespecificidade, característica que os torna uma ferramenta importante para a química sintética. A estereoespecificidade pode ser prevista pelas conhecidas regras de Woodward-Hoffmann.
O presente estudo investigou uma reação de abertura de anel eletrocíclica fotoquímica (ou seja, desencadeada por luz) com uma combinação de difração de elétrons ultrarrápida e simulações da dinâmica da reação em alfa-terpineno. As regras de Woodward-Hoffmann prevêem que a estereoespecificidade da reação no alfa-terpineno é assegurada por uma rotação das extremidades do produto de reação em cadeia emergente afastando-se uma da outra no mesmo sentido horário ou anti-horário. Os novos resultados sugerem que as origens da estereoespecificidade não estão na natureza exata do movimento. Em vez disso, a estereoespecificidade é determinada pelo fato de que a mudança de duas para três ligações duplas já ocorreu quando a molécula assume a geometria crítica. A dissociação da ligação simples, que leva à abertura do anel alfa-terpineno, ocorre posteriormente, durante a transformação da molécula da geometria crítica para os produtos da reação.
Este trabalho foi apoiado pelo programa AMOS no Departamento de Energia (DOE) Escritório de Ciências, Ciências Básicas de Energia, Ciências Químicas, Geociências e Divisão de Biociências. O MeV-UED é operado como parte da Linac Coherent Light Source no SLAC National Accelerator Laboratory, apoiado em parte pelo DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, SUF Division Accelerator and Detector R&D program, the LCLS Facility e SLAC . O coautor do estudo, David Sanchez, foi financiado pelo Lawrence Livermore National Laboratory.
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