From interstellar systems to terrestrial organic and biomoleculesa synergetic theoretical and experimental rotational study

Resumen

La búsqueda de nuevas moléculas orgánicas complejas (COMs) en el medio interestelar (ISM) basada en la sinergia existente entre la radio astronomía y la espectroscopía de rotación es uno de los objetivos más anhelados dentro de la Astronomía y Astrofísica actual. Las últimas mejoras en sensibilidad, ancho de banda y resolución especial de la instrumentación de los telescopios ya existentes, así como la construcción de nuevas instalaciones observacionales ha abierto una ventana para el estudio de fuentes astronómicas, esperando la detección de especies completamente nuevas. Además, la comprensión de sus procesos y mecanismos de formación, junto con su correspondiente intrincada red química, continúa siendo uno de los retos fundamentales para la Astroquímica. En este contexto, la comunidad científica se encuentra continuamente sobrepasando los límites de complejidad de la química interestelar, destacando las detecciones recientes de sistemas de un grado de complejidad sin parangón, tales como el cianonaftaleno y la etanolamina. No obstante, muchas de las moléculas que son candidatas interestelares razonables permanecen aún sin explorar incluso en el laboratorio, ya que muchas son sólidos lábiles y de baja presión de vapor, que normalmente se descomponen durante la realización de los experimentos convencionales. Para abordar la necesidad imperiosa de datos de rotación, en la primera parte de la presente Memoria hemos realizado un estudio combinado teórico y de laboratorio de rotación sobre diversos COMs como prerrequisito para su búsqueda en el ISM. Por consiguiente, hemos empleado una batería de técnicas espectroscópicas punteras para caracterizar el espectro de rotación de varios isómeros relevantes de la glicina: el ácido acetohidroxámico y la glicolamida; dos nitrilo- derivados: la cianoacetamida y el ácido cianoacético; además de dos aldehídos de gran tamaño: el n- y el i-butiraldehído; junto con un estudio puramente computacional del amino acetaldehído. Asimismo, hemos explorado las superficies de energía potencial para la formación de varios isómeros de la glicina protonada, así como de la cianoacetamida protonada, encontrando un proceso posible de formación interestelar para cada sistema. Nuestras medidas precisas de laboratorio se han utilizado posteriormente para buscar algunos de los sistemas moleculares estudiados en el complejo de nubes moleculares gigantes Sagittarius B2 (Sgr B2) empleando diferentes “line surveys” registrados con el interferómetro ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), y en la nube molecular fría G+0.693-0.027 basándonos en observaciones de los radio telescopios IRAM 30-m y Yebes 40-m. Ambas fuentes astronómicas, independientemente de las diferencias en sus propiedades físico-químicas, se consideran como algunos de los inventarios químicos más ricos del ISM. Hasta la fecha no hemos logrado ninguna identificación positiva de las moléculas bajo estudio. Sin embargo, los datos experimentales presentados en esta Tesis también permitirán realizar eventualmente búsquedas en el ISM de las especies aún sin detectar utilizando nuevos y todavía más sensibles registros astronómicos. Estas futuras identificaciones en el espacio permitirán establecer una hoja de ruta que ayudará a comprender los niveles de complejidad química alcanzados en el ISM, así como a descifrar el vínculo entre la química interestelar y el rico inventario químico que se encuentra en los cometas y meteoritos. En la segunda parte de esta Tesis, hemos empleado técnicas espectroscópicas de microondas con transformada de Fourier acopladas con ablación laser, de gran sensibilidad y especificidad, para desvelar por primera vez el panorama conformacional y caracterizar la estructura de varias moléculas orgánicas y de interés biológico. En este contexto se presenta un estudio exhaustivo del aminoácido L-DOPA, así como de la estructura tridimensional de dos sintones orgánicos de gran relevancia: el ácido escuárico y sus complejos con agua, y una barbaralona sustituida (molécula fluxional). Este último sistema presenta un interesante tautomerismo de valencia, que ha sido al fin descifrado de manera concluyente en fase gas empleando espectroscopía de rotación. También se ha realizado un análisis del papel que desempeñan las interacciones intramoleculares que regulan el comportamiento conformacional de cada uno de los sistemas. Para ello se ha empleado una combinación de datos experimentales de gran precisión, tales como el análisis de la estructura hiperfina de 14N para moléculas que contengan nitrógeno (por ejemplo, la L-DOPA), y cálculos mecanocuánticos.