Un equipo de investigadores de la Universidad de Nagoya, Japón, ha logrado por primera vez observar experimentalmente la distribución de los electrones de la capa más externa, conocidos como electrones de valencia, en moléculas orgánicas. Dado que estos electrones gobiernan las interacciones entre átomos, este descubrimiento aporta información fundamental sobre la naturaleza de los enlaces químicos, con implicaciones significativas en áreas como la farmacia y la ingeniería química. Los resultados fueron publicados en el Journal of the American Chemical Society.
En un átomo, los electrones se organizan en orbitales electrónicos con diferentes funciones según su proximidad al núcleo. Los electrones internos, llamados electrones de núcleo, no participan en las interacciones con otros átomos, mientras que los electrones de valencia definen la mayoría de las propiedades del material, especialmente durante la formación de enlaces químicos.
Para comprender las propiedades de un material, es fundamental extraer información sobre sus electrones de valencia. Sin embargo, hasta ahora ha sido difícil obtener esta información de manera experimental, lo que obligaba a los investigadores a depender de modelos teóricos y espectroscopía para estimarla.
Utilizando experimentos de difracción de rayos X con radiación sincrotrón en el SPring-8, el equipo descubrió que es posible extraer selectivamente la densidad de electrones de valencia de los átomos en un cristal. Este método, denominado «CDFS», permitió observar el estado electrónico de la molécula de glicina, un tipo de aminoácido. Sorprendentemente, la nube electrónica observada no mostró la forma continua y envolvente que se había predicho, sino un estado fragmentado y discreto.
Los resultados coincidieron con los obtenidos mediante teoría del funcional de densidad (DFT). Para facilitar la interpretación de estos resultados, se elaboró un mapa de color que mostró claramente interrupciones en la distribución electrónica alrededor de los átomos de carbono. Esto se debe a que, cuando el carbono forma enlaces, reorganiza su nube electrónica para crear orbitales híbridos, lo que genera nodos en la distribución de los electrones debido a su naturaleza ondulatoria.
Este comportamiento fragmentado de la nube electrónica confirma la naturaleza cuántica de los electrones, como predice la física. Los cálculos avanzados realizados en colaboración con la Universidad de Hokkaido confirmaron que los resultados experimentales y teóricos coincidían perfectamente. Este logro ilustra los beneficios de la investigación interdisciplinaria, ya que proporciona una conclusión clara a la comprensión ambigua de los estados de enlace que ha desconcertado a los investigadores desde el siglo XIX.
La precisión en la observación de la distribución de la densidad de electrones de valencia permitió al equipo realizar experimentos similares con citidina, una molécula más compleja, en la que observaron diferencias claras entre los enlaces carbono-carbono y carbono-nitrógeno.
Este estudio permite visualizar directamente la esencia de los enlaces químicos, lo que podría contribuir al diseño de materiales funcionales y a la comprensión de los mecanismos de reacción. Estas observaciones podrían ayudar a explicar por qué ciertos medicamentos son efectivos y otros no, beneficiando áreas como los semiconductores orgánicos y la investigación sobre la estructura del ADN.
La técnica
El estudio introduce una metodología general, denominada Síntesis Diferencial de Fourier Central, para mapear la distribución de la densidad de electrones de valencia (VED) en sustancias cristalinas dentro del espacio real. Se han comparado directamente las distribuciones de VED obtenidas a través de CDFS con las derivadas del cálculo teórico de alta precisión utilizando la teoría del funcional de densidad corregida de largo alcance, que reproduce cuantitativamente energías orbitales precisas. Esta comparación ha servido para demostrar la precisión del CDFS en la replicación de detalles complejos. Los patrones VED observados experimentalmente exhibieron estructuras detalladas y fases de funciones de onda indicativas de sp3 orbitales híbridos, alineándose estrechamente con las predicciones teóricas. Esta alineación subraya la utilidad del enfoque en la recopilación experimental de datos químico-cuánticos, un paso crucial para discutir las propiedades químicas, como los mecanismos de reacción.
Fuente
Hara, T. et al. Unveiling the Nature of Chemical Bonds in Real Space, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c05673
