A descoberta pode levar a melhores sensores não invasivos para estudar reações químicas envolvendo moléculas quirais
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A descoberta pode levar a melhores sensores não invasivos para estudar reações químicas envolvendo moléculas quirais
Principais conclusões
- A quiralidade – uma propriedade geométrica que permite que as moléculas existam em duas formas distintas que são quimicamente idênticas, mas que são imagens espelhadas em 3D uma da outra, como a mão direita e a esquerda – tem um efeito poderoso no estado de spin nuclear, mas foi pensado para não ter efeito sobre acoplamento entre spins.
- Um estudo realizado por pesquisadores da UCLA e instituições parceiras descobriu que a quiralidade, ou lateralidade, de fato determina a força de um acoplamento entre os spins nucleares
- As descobertas podem levar a melhores métodos de sondagem de elétrons e spin em sistemas químicos e biológicos.
A força de um acoplamento entre os spins nucleares depende da quiralidade, ou lateralidade, da molécula, de acordo com um novo estudo realizado por pesquisadores da UCLA, da Arizona State University, da Penn State, do MIT e da Technische Universität Dresden. O estudo também revelou que em moléculas quirais de uma determinada lateralidade – seja uma molécula canhota ou destra – o spin nuclear tende a se alinhar em uma direção específica. Em moléculas com quiralidade oposta, como destros, o spin se alinha na direção oposta.
Esta descoberta, publicada na Nature Communications, é significativa porque, durante muitas décadas, acreditou-se que tais acoplamentos não eram afetados pela quiralidade.
Este conhecimento poderia ser usado para investigar a lateralidade das moléculas à medida que interagem com outras moléculas, revelando potencialmente se quiralidades específicas levam a resultados diferentes. Tais interações também podem fornecer insights sobre o papel do spin do elétron na química e na biologia, já que os spins nucleares podem servir como indicadores indiretos do spin do elétron.
O núcleo de um átomo contém prótons e nêutrons unidos, cada um possuindo uma propriedade quântica chamada “spin”. Esse giro gera um campo magnético, semelhante ao de uma barra magnética ou de uma corrente elétrica circulante. Quando os núcleos magnéticos estão próximos, cada núcleo influencia o spin do outro. Isso é chamado de acoplamento spin-spin e é análogo a dois ímãs puxando um ao outro.
Esses estados de spin acoplados são usados em diversas aplicações, como química, para determinar estruturas moleculares, e em pesquisas biomédicas, em uma técnica chamada imagem espectroscópica por ressonância magnética, ou MRSI. A MRSI pode ser uma ferramenta valiosa em diagnósticos médicos e pesquisas, medindo a concentração de certos produtos químicos nos tecidos.
O campo magnético criado por um spin nuclear tem uma direção semelhante a uma seta apontando. No entanto, ao contrário da agulha de uma bússola que aponta consistentemente para o norte, a direção do spin nuclear – conhecida como estado de spin – pode apontar para cima, para baixo ou em outras direções. Esta orientação pode variar entre diferentes moléculas em uma amostra e pode ser influenciada ou controlada por campos magnéticos externos, átomos e moléculas vizinhas, bem como campos de radiofrequência aplicados externamente.
A direção do estado de spin é importante porque afeta como os spins nucleares podem ser usados nas aplicações. Compreender os fatores que influenciam os estados de spin, como os acoplamentos spin-spin, e como controlá-los tem sido uma área de estudo significativa para os cientistas.
Desde 1999, os cientistas sabem que a quiralidade, uma das propriedades mais fundamentais de certas moléculas, tem um efeito poderoso no estado de spin, mas pensava-se que não tinha efeito no acoplamento. Quiralidade refere-se a uma propriedade geométrica das moléculas onde o mesmo conjunto de átomos pode ser organizado em duas formas distintas que são imagens espelhadas não sobreponíveis uma da outra, bem como as mãos esquerda e direita.
Assim como as mãos esquerda e direita não podem ser perfeitamente alinhadas através de qualquer combinação de translações e rotações, estas formas de imagem espelhada, conhecidas como enantiômeros, são idênticas em composição, mas diferem em suas interações com outras moléculas e ambientes quirais.
A nova pesquisa mostra que a lateralidade afeta o modo como os spins nucleares magnéticos são acoplados. Embora o efeito seja sutil e pequeno, ainda é grande o suficiente para ser detectado em experimentos. É a primeira demonstração de que efeitos puramente magnéticos dentro de uma molécula podem contribuir para acoplamentos spin-spin nucleares.
“Descobrimos que o acoplamento entre os spins nucleares pode variar dependendo se a molécula é canhota ou destra”, disse o autor correspondente e professor de química da UCLA, Louis Bouchard. “A força do acoplamento difere entre as duas formas quirais. Ficamos surpresos ao descobrir que a quiralidade realmente altera esses acoplamentos. Nossa descoberta poderia ser potencialmente usada para sondar seletivamente moléculas com base em sua quiralidade.”
Como a quiralidade pode ser detectada e as reações químicas podem ser manipuladas, Bouchard sugere que técnicas sensíveis aos spins nucleares poderiam ser utilizadas como sensores que não perturbam as reações químicas envolvendo grupos quirais. Isto permitiria a observação e análise da reação à medida que ela ocorre. Uma aplicação potencial é no desenvolvimento de sensores espectroscópicos não perturbativos para sistemas biológicos.
“Precisamos de métodos melhores para investigar o estado dos elétrons e o spin em sistemas químicos e biológicos”, disse Bouchard. “Esta descoberta adiciona uma nova ferramenta às caixas de ferramentas da química e da bioquímica, permitindo-nos conceber estudos que investiguem o estado dos spins durante as reações químicas.”
