Los científicos descifran la contribución de los electrones a la quiralidad molecular
Las corrientes quirales generadas en el experimento abren importantes perspectivas para el control fotoquímico
Un nuevo enfoque experimental proporciona las tan esperadas herramientas para comprender el papel de los electrones en la reactividad quiral molecular y ofrece una vía para controlar las propiedades físicas y químicas resultantes de las interacciones quirales. El estudio, publicado en la revista "Nature", ha sido dirigido por la Universität Hamburg y el DESY en el marco de una colaboración con el Centre Laser Intense et Applications (CELIA) y el Laboratoire de Chimie et Physique Quantiques (LCPQ) de Francia y el Instituto Max Born de Berlín.
La quiralidad molecular tiene una importancia capital en la naturaleza: dos moléculas que son imágenes especulares la una de la otra y que no pueden superponerse forman un par de enantiómeros, cada uno de los cuales se dice que es quiral. Al igual que cuando elegimos la mano derecha o la izquierda para darnos un apretón de manos, la elección de uno de los enantiómeros para interactuar con otra entidad quiral dará lugar a un resultado diferente. Como la vida es homociral, es decir, está estructurada y configurada de la misma manera, sólo hay una forma enantiomérica dominante para cada clase de nuestras propias biomoléculas -aminoácidos y azúcares-, lo que convierte a la quiralidad en una propiedad clave para el diseño de fármacos, entre otras muchas aplicaciones.
Las propiedades estáticas y dinámicas de las moléculas quirales pueden modelarse mediante el uso de la luz. Hasta ahora, sólo se ha considerado que la dinámica estructural activada por la luz afecta a la respuesta quiral de las moléculas. Esto deja sin respuesta una cuestión fundamental: ¿Cuál es el impacto de la dinámica de electrones en la quiralidad molecular?
Utilizando pulsos ultracortos de luz ultravioleta, el equipo inició la migración ultrarrápida de electrones en moléculas quirales neutras. Descubrieron que el movimiento electrónico coherente activado puede modular la respuesta quiral molecular e incluso inducir una inversión de signo, en una escala de tiempo inferior a 10 femtosegundos. "Mediante la ingeniería de la excitación inducida por la luz, podemos hacer que el enantiómero derecho actúe periódicamente como el izquierdo y viceversa, sin cambiar su estructura", explica el primer autor Vincent Wanie, científico del grupo de Ciencia de Attosegundos del Centro de Ciencia Láser de Electrones Libres CFEL del DESY. Esto se observó midiendo en el tiempo la dirección de emisión de los fotoelectrones producidos al ionizar moléculas quirales con luz polarizada circularmente, que también es quiral, una técnica denominada dicroísmo circular de fotoelectrones (PECD).
"Es importante destacar que, mediante cálculos numéricos que complementan el trabajo experimental, también descubrimos que el movimiento de electrones fotoinducido en las moléculas quirales genera corrientes electrónicas quirales transitorias", afirma Francesca Calegari, jefa del grupo Attosecond Science, profesora de la Universität Hamburg y DESY y portavoz del Cluster of Excellence "CUI: Advanced Imaging of Matter". Este concepto fue concebido en colaboración con la galardonada con el premio Mildred Dresselhaus del Clúster de Excelencia, la profesora Olga Smirnova del Instituto Max Born y la Universidad Técnica de Berlín. Las corrientes quirales generadas en el experimento abren importantes perspectivas para el control fotoquímico, por ejemplo, para dictar la dirección de fragmentación de moléculas quirales durante la fotólisis, permitiendo así un nuevo protocolo para la química dirigida por cargas.
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Publicación original
Vincent Wanie, Etienne Bloch, Erik P. Månsson, Lorenzo Colaizzi, Sergey Ryabchuk, Krishna Saraswathula, Andres F. Ordonez, David Ayuso, Olga Smirnova, Andrea Trabattoni, Valérie Blanchet, Nadia Ben Amor, Marie-Catherine Heitz, Yann Mairesse, Bernard Pons, Francesca Calegari; "Capturing electron-driven chiral dynamics in UV-excited molecules"; Nature, 2024-5-22
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