Investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnologías Moleculares ISTM-CNR, Italia, el Instituto de Física y Tecnología de Moscú MIPT y la Universidad de Milán han confirmado experimentalmente un modelo para detectar la deslocalización de electrones en moléculas y cristales., cuyo artículo fue publicado en Acta Crystallographica el 1 de abril de 2016, también se han ilustrado ejemplos de cómo se ha utilizado el mismo enfoque para obtener información valiosa sobre la unión química de una amplia variedad de sistemas, desde compuestos metalorgánicos hasta sistemas de relevancia biológica.
Como los electrones son objetos cuánticos, no pueden identificarse claramente o, para usar el término científico, localizados en un lugar en particular. Esto significa que el comportamiento de los electrones no puede describirse usando ecuaciones que funcionan con objetos no cuánticos regulares: en lugar de un electrón como una bola dentro de una molécula, los científicos deben examinar una nube borrosa. El desarrollo de un modelo matemático para determinar la distribución de electrones con relativa rapidez y precisión es uno de los desafíos más importantes de la ciencia moderna.
"La principal novedad introducida por nuestro estudio es la posibilidad de detectar la deslocalización de electrones directamente a partir de datos experimentales. La deslocalización de electrones, que es un paradigma fundamental de la química fundamental, por ejemplo, para comprender la aromaticidad, hasta ahora solo podía estimarse a través deenfoques basados en cantidades que no pueden obtenerse a partir de mediciones experimentales, por ejemplo, el llamado 'índice de deslocalización'. Por lo tanto, nuestros resultados pueden allanar el camino para mirar este importante fenómeno de una nueva manera "- escribe Gabriele Saleh, uno de los coautoresde El estudio.
El modelo matemático propuesto en 1998 por el experto canadiense en química cuántica Richard Bader y el investigador italiano Carlo Gatti ve la distribución de electrones en un cristal como la suma de las contribuciones de las llamadas funciones fuente. Desde este punto de vista, una molécula o cristal es visto como un conjunto de elementos individuales, cada uno de los cuales contribuye a la distribución final.Este enfoque, como lo demuestran los estudios posteriores, proporciona una visión perspicaz de los enlaces de hidrógeno, enlaces metal-ligando y otros tipos de interacciones químicas.
De la teoría a la práctica
En 2016, Carlo Gatti, Gabriele Saleh investigadora del Laboratorio de Diseño de Materiales de Computadora de MIPT y Leonardo Lo Presti de la Universidad de Milán demostraron otro uso del enfoque Bader-Gatti para estudiar la unión química directamente de los resultados experimentales.En el análisis, utilizaron datos obtenidos previamente por científicos europeos y australianos en experimentos de difracción de rayos X y neutrones en muestras de benceno, naftaleno y otros compuestos. En estos experimentos, el haz de rayos X se dirige a una muestra y una vez que pasa a través de ella,se difracta. Al observar cómo ocurre esta difracción y en qué dirección se desvían las partículas, los científicos pueden sacar conclusiones sobre la distribución de electrones dentro de un cristal en estudio: esta distribución se describe utilizando el concepto de densidad de electrones.
En su artículo, los investigadores señalan que los resultados, presentados en forma de densidad de electrones derivada de la difracción de rayos X de las moléculas, permiten utilizar el modelo de Bader-Gatti para describir los efectos sutiles asociados con la deslocalización de electrones en forma orgánicacristales moleculares. Los datos experimentales son totalmente consistentes con los resultados del modelado numérico ab initio, basado en las leyes fundamentales de la mecánica cuántica.
En algunos casos, los electrones dentro de moléculas o cristales no pueden relacionarse con un enlace o átomo en particular. Pertenecen a la estructura en su conjunto y se denominan "electrones deslocalizados". Estas partículas juegan un papel clave en la formación de ciertas moléculas ysu comportamiento solo puede describirse utilizando los principios de la química cuántica, por ejemplo, electrones que forman un anillo en una molécula de benceno o sus derivados.
El modelado de moléculas y cristales es importante tanto desde un punto de vista teórico como práctico. El conocimiento detallado de cómo se distribuyen los electrones dentro de un tema en estudio permitirá a los científicos comprender las propiedades de la sustancia en su conjunto; y estoTambién se necesita información para calcular las interacciones entre las moléculas. Los datos sobre la densidad de electrones son de suma importancia para ayudar a descubrir nuevos fármacos para identificar exactamente qué moléculas pueden alcanzar una proteína objetivo y reaccionar con ella, y para calcular las características de los materiales formados porvarias moléculas
Entre las perspectivas para futuras investigaciones, no solo hay estudios sobre la densidad de los electrones, sino también sus espines, características que determinan las propiedades magnéticas de un material.
El uso de métodos de mecánica cuántica está desdibujando cada vez más el límite entre las disciplinas científicas, y las cuestiones relacionadas con la química de los compuestos se están moviendo gradualmente en el campo de la física y las matemáticas computacionales.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Física y Tecnología de Moscú . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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