Cientistas observam reação de transferência de prótons ultrarrápida

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Cientistas observam reação de transferência de prótons
ultrarrápida
Os raios-X capturam a reação de transferência de prótons ultrarrápidos em água líquida ionizada,
formando o radical hidroxila e o íon hidrônio.
Um dos primeiros mecanismos que aprendemos em química orgânica é a reação de transferência de
prótons. É uma reação elementar de incrível significado não só na química, mas em campos como
medicina, engenharia nuclear e remediação ambiental. A reação é ultra rápida e, embora evidências na
forma de elétrons ejetados da água por radiólise tenham aparecido na década de 1960, os cientistas não
tiveram como observar o íon residual carregado positivamente – a outra metade do par de reações.
Agora, uma equipe internacional de pesquisadores liderada por cientistas dos EUA O Laboratório
Nacional de Argonne, da Universidade Tecnológica de Nanyang, Cingapura (NTU Singapore), o centro
de pesquisa alemão DESY e conduzido no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC, observaram a
indescritível transferência de prótons após a ionização da água.
“A coisa verdadeiramente emocionante é que testemunhamos a reação química mais rápida em água
ionizada, o que leva ao nascimento do radical hidroxila”, disse Linda Young, autora correspondente
sênior do estudo. “O radical hidroxila é de considerável importância, pois pode se difundir através de um
organismo, incluindo nossos corpos, e danificar praticamente qualquer macromolécula, incluindo DNA,
RNA e proteínas.”
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Durante este processo, a radiação com energia suficiente atinge uma molécula de água e ejeta um
elétron, deixando uma molécula de água carregada positivamente (H 2 O +). O tempo de vida do H 2 O +
é extremamente curto, e dentro de uma fração de um trilhão de segundo, H 2 O + dá um próton para
outra molécula de água, criando hidronésio (H 3 O +) e um radical hidroxila (OH).
A observação foi possível graças a pulsos ultracurtos de raios-X gerados pela Fonte de Luz Coerente
Linac (LCLS) no SLAC. A LCLS é capaz de fornecer o que é essencialmente um “quadro de
congelamento” para a reação, o que significa que os pesquisadores poderiam observar a evolução do
radical hidroxila. “Ao ajustar a ‘cor’ desses pulsos de raios-X, podemos distinguir entre os íons e
moléculas específicos que participam”, disse o cientista de instrumentos do SLAC, Bill Schlotter, que
com Young liderou o projeto conceitual do experimento.
De acordo com o comunicado de imprensa da Argonne: “A transferência de prótons ultrarrápida que cria
o radical hidroxila dá origem a uma assinatura espectroscópica especial que indica o aumento do radical
hidroxila e é um ‘selo de tempo’ para a criação inicial do H 2 O +”. De acordo com Young, o espectro de
ambas as espécies é acessível porque eles existem em uma “janela de água”, onde a água líquida não
absorve a luz. Os pesquisadores também teriam gostado de isolar a assinatura espectroscópica do
+cárforo H 2 + radical também, mas sua vida é tão curta que sua presença só foi inferida a partir das
medições de espectroscopia OH.
“A grande conquista aqui é o desenvolvimento de um método para observar reações elementares de
transferência de prótons na água e ter uma sonda limpa para o radical hidroxila”, disse Young. “Ninguém
sabia a escala de tempo da transferência de prótons, então agora nós a medimos. Ninguém tinha uma
maneira de seguir o radical hidroxila em sistemas complexos em escalas de tempo ultra-rápidas, e agora
temos uma maneira de fazer isso também.”
O estudo fornece uma compreensão mecanicista mais profunda da formação de radicais hidroxila. Isso é
de particular interesse na medicina, onde tais radicais formados durante a radioterapia são conhecidos
por causar danos significativos; essa nova compreensão poderia permitir que pesquisadores e médicos
desenvolvam estratégias para suprimir a formação de radicais da OH, levando a opções de tratamento
mais seguras.
O projeto do experimento foi liderado por Robin Santra do Centro de Ciência do Laser de Free-Electron
no DESY, na Alemanha. Santra mostrou que, através da absorção ultrarrápida de raios-X, os cientistas
poderiam detectar a dinâmica estrutural, tanto em termos de elétron quanto de movimento nuclear, perto
do local de ionização e transferência de prótons.
“Podemos mostrar que os dados de raios-X realmente contêm informações sobre a dinâmica das
moléculas de água que permitem a transferência de prótons”, disse Santra. “Em apenas 50 quatrilhões
de segundo, as moléculas de água circundante literalmente se movem no H 2 O + ionizado até que um
deles se aproxime o suficiente para pegar um de seus prótons em uma espécie de aperto de mão,
transformando-se em hídros H 3 O + e deixando para trás o radical hidroxila OH.”
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Este trabalho foi motivado por pesquisas anteriores de Zhi-Heng Loh da NTU Singapore, principal autor
e co-autor correspondente deste artigo.
“Desde que nos unimos à NTU há nove anos, eu e os membros do meu grupo estudamos a dinâmica
ultrarrápida que acompanhamos a ionização das moléculas, tanto na fase gasosa quanto no meio
aquoso, usando pulsos de laser de fembro que atravessamos o infravermelho ao ultravioleta extremo.
Nosso trabalho anterior em água líquida ionizada proporcionou um vislumbre da vida do H 2 O + cártico
radical, embora através de sondagem indireta no infravermelho próximo ”, disse Loh. “Percebemos que
um experimento definitivo para observar o +Cation H2 + radical exigiria sondagem de raios-X suave, o
que, no entanto, está além da capacidade da maioria das fontes de luz de femtossegundos de mesa.
Então, quando Linda se aproximou de mim depois de ouvir minha palestra sobre água ionizada em uma
reunião em 2016, e queria colaborar em um experimento no laser de elétron livre de raios X LCLS, fiquei
absolutamente emocionado.
Adaptado de um comunicado de imprensa originalmente publicado pelo Laboratório Nacional de
Argonne
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https://www.anl.gov/article/scientists-observe-ultrafast-birth-of-radicals