Científicos del Instituto Van 't Hoff de Ciencias Moleculares de la Universidad de Amsterdam, junto con colaboradores de la Universidad de Groningen, la Universidad de Twente y el Laboratorio Europeo de Espectroscopía No Lineal en Italia, han podido seguir la secuencia completa de transformaciones estructurales en una nueva clase de interruptores moleculares por primera vez. Identificando 'botones de control' para dirigir su operación, ahora es posible un mejor control de su desempeño. Los resultados fueron publicados en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense el 8 de mayo.

Las moléculas que cambian su estructura cuando se irradian con luz son bloques de construcción clave para la nanotecnología molecular. Hasta ahora, Se han utilizado interruptores que normalmente giran alrededor de una coordenada espacial clave en la molécula, como una isomerización de doble enlace o una apertura de anillo. Los interruptores que contienen una estructura "conmutable" diferente ampliarían considerablemente la versatilidad y las áreas de aplicación de dichos bloques de construcción. En consecuencia, existe una búsqueda de tales motivos químicos novedosos.

Misterio

En años recientes, Los aductos de donante-aceptor Stenhouse (DASA) han surgido como un nuevo andamio de cambio de fotos prometedor que podría proporcionar un cambio más versátil.

Estas moléculas exhiben un cambio de forma más profundo cuando se cambian. Es más, se activan con la luz roja, que es más aceptable para aplicaciones médicas que la luz ultravioleta rica en energía y potencialmente dañina que se utiliza en la mayoría de los interruptores moleculares.

Solo cuatro años desde su introducción, Ya se han reportado ejemplos impresionantes de aplicaciones en áreas que van desde las ciencias de los materiales hasta la farmacología. Se ha caracterizado en detalle cómo se activan los DASA por absorción de luz. Sin embargo, la conmutación completa también implica pasos térmicos, y todavía es un misterio cómo funcionan.

Películas infrarrojas

Para investigar estos pasos térmicos, que siguen al paso fotoquímico inicial, Mark Koenis, de la Universidad de Amsterdam, registró cómo vibran las moléculas durante la conmutación mediante el uso de espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier de barrido rápido. Las frecuencias de estas vibraciones proporcionan una huella digital directa de la estructura molecular y, por lo tanto, revelan los cambios en la forma molecular que siguen a la conmutación inducida por la luz. "Seguir cómo cambia el espectro con el tiempo me permite hacer una imagen en movimiento de cómo la molécula cambia su estructura después de haber sido activada", como dice Koenis.

Subtítulos de química cuántica

Sin embargo, vincular estos espectros a cambios específicos en la estructura molecular no es sencillo, ya que la forma molecular no se puede observar directamente. Por lo tanto, Habiburrahman Zulfikri (Universidad de Twente) realizó extensos cálculos químicos cuánticos en todas las posibles vías de interconversión, que permitió la identificación de características espectrales en la película infrarroja como marcadores estructurales únicos.

Este trabajo teórico, los 'subtítulos' de los espectros, condujo a conclusiones sorprendentes, dice Zulfikri:"El mecanismo de reacción es mucho más complejo de lo que asumimos, con muchos pasos que hasta ahora ni siquiera se habían considerado ". Una observación importante es que, aparte de la posición 'encendido' y 'apagado', la molécula puede terminar en un estado "intermedio" que no es útil y, por lo tanto, reduce la eficiencia del cambio molecular. Esto es muy importante para un mayor desarrollo de los interruptores DASA, él añade.

Los hallazgos de Zulfikri fueron corroborados por Michael Lerch, quien sintetizó los interruptores. Lerch, quien obtuvo su Ph.D. el año pasado bajo la supervisión de los profesores de química orgánica Ben Feringa y Wiktor Szymański en la Universidad de Groningen, había realizado estudios espectroscópicos de sus DASA pero no había notado los detalles estructurales ahora identificados por Zulfikri:"Es genial que los cálculos predigan ciertos isómeros estructurales que se pueden observar en los experimentos de RMN que hice antes. Dado que estas son señales muy pequeñas, son fáciles de pasar por alto, pero en una inspección más cercana estaban allí ".

Manual de instrucciones

Basado en los estudios, Se han identificado una serie de principios con los que el resultado de la fotoconmutación de los DASA se puede orientar a lo largo de múltiples vías de conmutación. Algunos de ellos son sorprendentes. Por ejemplo, la molécula puede tomar diferentes rutas para moverse de la posición 'encendida' a la 'apagada', dependiendo del solvente. También, los pasos térmicos son más importantes que en otros interruptores activados por luz. Los científicos involucrados en este estudio han confirmado que ocurren diferentes cambios en la molécula en diferentes solventes. También encontraron un solvente que evita que el interruptor se atasque en el estado "intermedio". Ahora que se puede leer el manual de instrucciones de DASA, esto ofrece oportunidades interesantes para interruptores novedosos con propiedades específicas.