Nuevo hallazgo científico: La luz puede utilizarse para controlar la mano molecular

Este nuevo proceso podría ser especialmente útil para sintetizar químicamente compuestos

15.12.2022 - Alemania

En un estudio reciente, investigadores de la Universidad Libre de Berlín, el centro de investigación DESY de Hamburgo, la Universidad de Kiel y la Universidad Estatal de Kansas han demostrado cómo la luz puede convertir una molécula plana en una molécula quiral con una sola lateralidad, lo que supone una solución al viejo problema de la síntesis asimétrica absoluta. Este nuevo proceso podría ser especialmente útil en la síntesis química de compuestos. El estudio, realizado en el marco del Centro de Investigación Colaborativa 1319 "Extreme Light for Sensing and Driving Molecular Chirality (ELCH)", se publicó a principios de diciembre en la revista científica de renombre internacional Science Advances.

"Las moléculas formadas por cuatro o más átomos suelen ser quirales, lo que significa que su disposición atómica espacial puede ser diestra o zurda. Cada molécula quiral tiene una molécula gemela de un mundo especular con la orientación opuesta", explica la profesora Christiane Koch, del Departamento de Física de la Universidad Libre de Berlín. Las versiones zurda y diestra de la molécula (también llamadas enantiómeros) son totalmente equivalentes entre sí, salvo que interactúan de forma muy diferente con su entorno y entre sí en función de la lateralidad. Esto es como cuando dos manos entran en contacto en el mundo de las interacciones sociales humanas; si se tienden dos manos derechas, los dos participantes se darán la mano, mientras que si se juntan una mano derecha y una izquierda, los dos participantes se cogerán de la mano, que es un gesto muy diferente.

Los científicos siguen descubriendo nueva información sobre cómo las moléculas se disponen en una configuración zurda o diestra. "Las moléculas biológicamente relevantes son principalmente homocirales, lo que significa que en las células vivas sólo está presente uno de los dos enantiómeros posibles. A pesar de estar formadas exactamente por los mismos átomos, las dos imágenes especulares de una molécula difieren en muchas propiedades", explica Koch. Por ejemplo, un enantiómero puede oler a naranja, mientras que el otro huele a limón. "O peor aún, un enantiómero será la cura de una enfermedad, mientras que el otro será un veneno peligroso". Por tanto, controlar la formación de un solo lado específico de las moléculas quirales es un objetivo importante de la síntesis química", añade Koch. Normalmente, los químicos recurren al control de la quiralidad con sustancias químicas quirales. Sin embargo, existía una alternativa que aún no se había llevado a cabo: la síntesis asimétrica absoluta, que consiste en el control de la quiralidad del producto utilizando únicamente campos de luz. Hasta ahora no estaba claro cómo se podía conseguir exactamente.

En su trabajo, Denis Tikhonov, Alexander Blech, Monika Leibscher, Loren Greenman, Melanie Schnell y Christiane Koch han concebido un procedimiento para la síntesis asimétrica absoluta que puede ponerse a prueba en un experimento. Partiendo de un conjunto gaseoso de la molécula plana COFCl como reactivo no quiral, las moléculas de carbono se hacen quirales excitando el movimiento vibratorio fuera del plano molecular. Este paso de preparación se denomina bombeo. A medida que la molécula vibra de arriba a abajo del plano, la lateralidad molecular cambia. Este cambio puede medirse ionizando las moléculas y variando el retardo entre los pasos de la bomba y la sonda.

Para poder medir la lateralidad dependiente del tiempo de todo el conjunto molecular, el paso de la bomba debe estar formado por tres campos eléctricos diferentes que deben ser perpendiculares entre sí. De lo contrario, las moléculas con una orientación determinada partirán de una configuración zurda, mientras que las moléculas con otra orientación partirán de una diestra, sin dejar señal neta. La combinación de campos eléctricos identificada por el equipo garantiza que todas las moléculas, independientemente de su orientación, partan con la misma orientación. En términos más técnicos, la combinación necesaria de campos eléctricos para la etapa de bombeo puede realizarse mediante un pulso polarizado circularmente a izquierda y derecha, que juntos inducen lo que se conoce como transición Raman, así como un campo eléctrico estático. El paso de la sonda consiste en ionizar las moléculas. La medición de las direcciones en las que se emiten los electrones permite deducir la lateralidad de las moléculas. Los autores sostienen que el experimento propuesto es factible con configuraciones ya existentes, por ejemplo, mediante la polarización circular proporcionada por FLASH en DESY.

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