Aynı radikal, farklı yollar: X-ışını anlık görüntüleri, komşu moleküllerin hareketini nasıl şekillendirdiğini ortaya koyuyor

Kimyasal reaksiyonların kendi “sabırsız molekülleri” vardır. Bir an bile hareketsiz kalamayan bu moleküller, ayrım gözetmeksizin diğer moleküllere tutunurlar. Araştırmacılar artık bu moleküllerin bile komşularının kim olduğuna bağlı olarak “oturdukları” yeri ve ne kadar uzağa gittiklerini değiştirdiğini buldu. Bulguların, reaksiyonları yalnızca istenen bölgelere yönlendirerek bilim adamlarının daha iyi ilaçlar ve materyaller üretmesine yardımcı olması bekleniyor.

Pohang Bilim ve Teknoloji Üniversitesi Kimya Bölümü’nden Profesör Kyung Hwan Kim liderliğindeki bir araştırma ekibi, Profesör Seung Jun Hwang’ın KAIST Kimya Bölümü’ndeki ekibiyle işbirliği içinde, radikaller ve komşu moleküller arasındaki ilk karşılaşmaları saniyenin 10 milyarda biri veya 100 pikosaniyelik bir zaman ölçeğinde yakaladı.

Ekip, komşu molekülün yapısının, radikalin bulunduğu yerde ve hareket ettiği aralıkta değiştiğini buldu. Çalışma dergide yayınlandı Amerikan Kimya Derneği Dergisi.

Bağlar oluşmadan önce radikallerin yakalanması

Tek bir atomun bağlandığı yer, bir ilacın etkinliği veya bir malzemenin performansı üzerinde önemli bir fark yaratabilir; tıpkı bir LEGO tuğlasının yerleştirildiği yerin, inşa edilen şeyi değiştirmesi gibi. Yeni ilaçların ve fonksiyonel materyallerin geliştirilmesinde “seçicilik”in (reaksiyonları istenen bölgelere yönlendirmenin) önemli olmasının nedeni budur.

Radikaller eşleşmemiş elektronlara sahip moleküllerdir. Yeni bağlar oluşturmak için faydalıdırlar ancak yüksek reaktiviteleri onları kontrol etmeyi zorlaştırır. Araştırmacılar, bir katalizörün etrafındaki ortamı değiştirmenin reaksiyon sonuçlarını değiştirebileceğini biliyorlardı. Ancak bu karşılaşmalar, komşu moleküllerin radikallerin nerede bulunduğunu ve hangi yöne doğru hareket ettiklerini nasıl etkilediğini gözlemlemek için çok kısa sürdü.

Ekip, bir radikal ile komşu bir molekülün, bir bağ oluşmadan hemen önce kısa süreliğine birbirine yakın kaldığı “ilk temasa” odaklandı. Son derece kısa aralıklarla ayrılmış bir dizi anlık görüntüde moleküler hareketi yakalayan bir teknik olan zamanla çözümlenen X-ışını çözümü saçılımını (TR-XSS) kullandılar. Tıpkı yüksek hızlı bir kameranın uçuş sırasındaki bir mermiyi kare kare yakalaması gibi, bu teknik de anlık moleküler anları ardışık anlık görüntülerle kaydediyor.

Ekip, Japonya’daki Yüksek Enerji Hızlandırıcı Araştırma Organizasyonu’nun (KEK) sinkrotron tesisinde benzen ve mesitilen içinde ayrı ayrı moleküler iyot çözeltileri hazırladı. Lazer darbeleri, radikaller oluşturmak için iyot moleküllerini bölüyor ve X ışınları, kontrollü zaman gecikmelerinden sonra çözeltileri inceliyor. Ölçümler, radikallerin komşu moleküllerle yakın temasa geçtiği “temas komplekslerinin” yalnızca 100 pikosaniye sonra oluştuğunu gösterdi.

Komşu moleküller dolaşım aralığını belirler

Radikaller iki çözücüde çok farklı davrandılar. Altıgen bir halkaya sahip olan benzende, radikal, halkanın kenarına yakın konumları işgal etti ve sanki bir atlıkarıncaya biniyormuş gibi hızla halkanın çevresinde hareket etti. Benzen halkasına “metil grupları” adı verilen üç küçük yan dalın bağlandığı mesitilende radikal, bunun yerine yan dalsız bir yönü tercih etti ve yalnızca dar bir aralık içinde hareket etti.

Benzen, herhangi bir koltuğun mevcut olduğu “açık oturma” gibiydi; mesitilen ise her koltuğun sabit olduğu “tahsis edilmiş oturma yeri” gibiydi. Komşu molekülün yapısındaki küçük bir farklılık, yalnızca radikalin tercih ettiği konumu değil aynı zamanda izleyebileceği “yolları” da değiştirdi.

Daha seçici reaksiyonlar için ortamlar tasarlamak

Çalışma, bir radikalin yalnızca ne kadar istikrarlı bir şekilde tutulduğunu değil, aynı zamanda nerede bulunduğunu ve hangi yönlere doğru hareket ettiğini de dikkate alan radikal reaksiyonlara dair bir bakış açısı sunuyor. Araştırmacılar çevreyi dikkatli bir şekilde tasarlayarak radikalleri istenen bölgelere yönlendirebilir ve böylece yalnızca amaçlanan reaksiyonların gerçekleşmesini sağlayabilirler.

Bulguların, etkili yeni ilaçların ve yüksek performanslı malzemelerin daha hassas şekilde üretilmesini sağlayacak sentetik stratejilere zemin hazırlaması bekleniyor.

Profesör Kim, “Bu çalışmanın önemi, reaksiyon süreçlerini nihai ürünlerinden çıkarmanın ötesine geçip, bir radikal ile komşu bir molekül arasındaki kısa ömürlü temas durumunun yapısını doğrudan tanımlamaya geçmemizdir” dedi. “Bu çalışmanın pratik sentezde kullanılan reaktanları kapsayacak şekilde genişletilmesinin, istenen reaksiyonları yönlendiren moleküler ortamları tasarlamamıza yardımcı olacağını umuyoruz.”