A química quântica revela como o comportamento dos elétrons molda as reações eletroquímicas de diels de Diels

A pesquisa química geralmente é um processo de tentativa e erro. As coisas geralmente não vão como esperado em laboratório: as reações param ou produzem muito pouco produto. O conhecimento das propriedades químicas das substâncias envolvidas não é mais suficiente. Em vez disso, os químicos gostariam de olhar mais profundamente na reação, até o nível subatômico.

Isso é possível com análises de alta tecnologia. E Química Quântica também está cada vez mais em demanda, pois pode revelar momentos críticos no processo catalítico apenas através do cálculo, por exemplo, do comportamento dos elétrons. Dr. Olga Bokareva lidera este trabalho em Likat em Rostock. Um exemplo atual é uma nova reação de Diels-Alder.

O aumento do poder de computação e os algoritmos sempre aprimorados tornaram a modelagem de reações químicas indispensáveis na pesquisa. “Isso é particularmente verdadeiro quando a química está abrindo novos caminhos, por exemplo, na substituição de matérias-primas fósseis por subprodutos da civilização. Ou na expansão da gama de aplicações para processos clássicos e comprovados e usá-los para processos sustentáveis”, diz o Dr. Bokareva, chefe de um grupo de pesquisa júnior do Instituto Leibniz da Catalise.

Diels-Alder Reloaded: Mais eficaz com a eletricidade

O químico cita a reação de Diels-Alder como um exemplo atual. Por três quartos de século, ele teve um lugar firme na química orgânica, especialmente na síntese de ingredientes farmacêuticos ativos e outras moléculas complexas. Seus descobridores receberam o Prêmio Nobel em 1950.

Atualmente, vários laboratórios estão tentando tornar a reação de Diels-Alder utilizável para sínteses muito mais complexas do que foi possível até o momento. Na Likat, isso foi alcançado por meios eletroquímicos. O Dr. Bokareva explica: “Os eletrodos na solução de reação fornecem uma corrente que impulsiona o processo e o torna muito mais eficaz do que a reação clássica de Diels-Alder”.

Diretor científico da Likat, Prof. Dr. Robert Franke, colaborou com colegas do Japão neste projeto e juntos eles enviaram um artigo. Seus experimentos mostraram que a reação eletroquímica de Diels-Alder funciona maravilhosamente com certos materiais de partida, mas não com outros. Os autores ofereceram algumas hipóteses quanto às causas. No entanto, o diário solicitou uma explicação mecanicista detalhada usando métodos químicos quânticos.

É aqui que a experiência do Dr. Bokareva e sua equipe entraram em cena. Uma estudante de doutorado, Yanan Han, assumiu o trabalho como parte de sua dissertação.

Comparável ao Google Maps

Para entender o mecanismo de reaçãoa equipe usou química quântica para calcular a energia das moléculas ao longo da by way of da reação. Tudo o que eles precisavam saber period o materials inicial e o produto, bem como algumas informações sobre o Condições de reaçãocomo a temperatura. O Dr. Bokareva compara essa abordagem ao Google Maps: “Você conhece sua localização e destino e deseja evitar engarrafamentos; na reação, esse pode ser um produto intermediário indesejável. O programa calcula a melhor rota”.

Tais cálculos químicos quânticos não fornecem valores exatos, mas aproximações, explica o Dr. Bokareva. O estado atual das moléculas individuais é determinado pela diferença entre seus estados de energia. A razão para isso está na natureza quântica dos elétrons, que são descritos pelas funções de onda.

Os fundamentos matemáticos para tais cálculos foram desenvolvidos há cerca de cem anos, como as equações de Schrödinger, que a Dra. Bokareva e sua equipe usam juntamente com métodos numéricos.

Nuvens de elétrons determinam a reação

Hoje, os resultados podem ser representados graficamente, por exemplo, como orbitais, que é o nome dado aos locais de elétrons em átomos. Na tela, eles aparecem como estruturas coloridas que lembram balões flutuantes. “Frequentemente falamos sobre nuvens de elétrons quando queremos dizer o espaço difuso onde os elétrons estão localizados”, diz o Dr. Bokareva. Tais representações ajudam não apenas a analisar os processos de reação, mas também para entendê -los intuitivamente. “A química quântica não é apenas desafiadora, também é linda”.

O que os cálculos para a nova reação de Diels-Alder mostraram? “Conseguimos identificar um produto intermediário formado em um momento crítico no processo”, diz o Dr. Bokareva. Para que a reação proceed, esse produto intermediário precisa de um elétron adicional. O sistema deve permitir isso transferência de elétrons Ocorrer energicamente, e os pesquisadores foram capazes de identificar condições específicas para isso no comportamento das nuvens de elétrons. Essas condições não foram atendidas nos substratos problemáticos e a reação quebrou.

A razão para a interrupção foi encontrada, e as descobertas agora foram publicado em conjunto com parceiros do Japão em Ciência da Catálise e Tecnologia. De acordo com o Dr. Bokareva, o trabalho oferece abordagens para fabricar substratos que não foram bem-sucedidos até o momento para a síntese eletroquímica de Diels-Alder. Por exemplo, alterando a estrutura eletrônica desses compostos ou as condições de reação eletroquímica.