Moléculas orgánicas complejas en regiones circumestelares: Estudio experimental de la etanolamina

• Autora invitada: Kelly Vanessa García G.

Kelly Vanessa García G. es estudiante de décimo semestre del programa de Química de la Universidad de Nariño (Colombia). Kelly realizó la investigación que se resume a continuación como parte del Red de Estudiantes Colombianos de Astronomía (RECA) Internship Program 2022 bajo la supervisión de la Dra. Heidy M Quitián-Lara, Astrónoma, visiting Researcher en la universidad de Kent, Canterbury (Reino Unido). Los resultados preliminares de esta investigación se presentaron en el Simposio RECA Internship 2022.

La astroquímica es definida como ciencia interdisciplinar que estudia las transformaciones de la materia en el espacio. Siendo una rama de la astronomía, se especializa en la búsqueda, identificación y análisis, de especies moleculares en el universo.  En la astroquímica abordamos los diferentes ambientes espaciales desde un punto de vista más molecular, identificando la mayor cantidad de especies químicas, con el objetivo de interpretar y proponer mecanismos de formación y estabilidad molecular en múltiples ambientes y objetos astrofísicos.  En la actualidad se han identificado alrededor de 270 especies moleculares diferentes en el medio interestelar. Gracias a los avances tecnológicos, la búsqueda de nuevas moléculas se hace cada vez más efectiva. Interferómetros como el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y radiotelescopios de disco único como IRAM de 30m y Yebes de 40m, han permitido la detección de una gran variedad de moléculas en fase gaseosa tales como: CO, OH, NH₃, CH₃OH, C₆H₆.  

Recientemente, por medio de observaciones realizadas con el interferómetro ALMA, se identificó la etanolamina (NH₂CH₂CH₂OH), en la nube molecular G+0693-0.027 [1], ubicada cerca al plano galáctico, dentro de un gigantesco complejo de nubes llamado Sagitario B2 (SgrB2).  La etanolamina, o ETA,  presenta en su estructura dos grupos funcionales: amina y alcohol, que le confieren propiedades como la polaridad. La polaridad juega un papel esencial en el intercambio de nutrientes en los sistemas biológicos, incluyendo las células. Los fosfolípidos, moléculas fundamentales para esta función, están compuestos principalmente por ácidos grasos. Su estructura les confiere una característica de apolaridad, lo que significa que son hidrofóbicos y no se atraen hacia el agua. Sin embargo, también presentan una molécula orgánica simple que les otorga polaridad, convirtiéndolos en hidrofílicos y afines al agua. Además, los fosfolípidos contienen un grupo fosfato que actúa como un puente entre los ácidos grasos y la molécula orgánica en el sistema de membranas. La ETA hace parte de la cabeza hidrofílica o parte polar del segundo grupo de fosfolípidos más abundante a nivel de células humanas.  Por tanto, el encontrar esta molécula en el medio interestelar nos da una idea de la complejidad del material químico presente en ambientes primitivos en el espacio.

Este proyecto tuvo como objetivo estudiar la estabilidad molecular de la ETA cuando es sometida a los efectos de la radiación de ultravioleta al vacío. Para este propósito, usamos datos experimentales tomados en el laboratorio Nacional de luz Sincrotrón (LNLS), en Campinas, Brasil.  El experimento consistió en ionizar y disociar la ETA con radiación de luz Sincrotrón en el rango ultravioleta utilizando las siguientes energías: 12; 13,6; 15; 17; 19; 21 y 100 eV. Estos valores fueron seleccionados específicamente para tener una visión sistemática de los efectos de la radiación a energías superiores al potencial de ionización de la molécula (~9.0 eV), es decir, la energía mínima requerida para removerle un electrón. Los datos obtenidos se analizaron por medio de espectrometría de masas en tiempo de vuelo (TOF). Esta técnica, en esencia, consiste en medir de la relación masa-carga (m/q) de los iones generados a partir de la muestra.

Los espectros en unidades de tiempo de vuelo (espectros crudos) se calibraron para obtener los espectrogramas de masa en cada una de las energías. La identidad de cada catión se obtuvo determinando su masa, por medio de la relación: tiempo=√(masa/carga). También determinamos el área bajo la curva de las señales, con el fin de cuantificar la abundancia de cada uno de los fragmentos iónicos en el espectro. Este procedimiento ofrece confiabilidad a los valores y nos permite comparar el grado de disociación de la molécula con la variación de la energía.

La siguiente etapa de nuestro trabajo consistió en la identificación del patrón de fragmentación de la ETA. Un patrón de fragmentación es una huella digital de un compuesto químico en un espectro de masas que representa la distribución de los iones fragmentados generados durante la espectrometría de masas. Para realizar este esquema, utilizamos los iones más abundantes en cada espectrograma, destacando que, en todas las energías de este experimento, identificamos el catión de masa 30 como nuestro pico base (Figura 1).  El pico base es la señal más intensa y que identifica el ion más estable de todos los fragmentos.  Sin embargo, podemos identificar otras agrupaciones o familias de iones qué, aunque no sean dominantes, nos dan información acerca de las posibles especies que participan en las rutas de formación de moléculas como la ETA. Como se puede apreciar en la Fig. 1, a medida que se aumenta la energía, nuevas señales se hacen visibles y en muchos casos, identificamos un aumento en la intensidad o abundancia de las señales. Este comportamiento sugiere que, a mayor energía podemos generar un mayor grado de disociación. Sin embargo, la abundancia de la ETA en todos los experimentos permanece casi constante. 

Es importante destacar que este trabajo hace parte de un proyecto más amplio y, por lo tanto, reportamos resultados preliminares. Sin embargo, desde ya es evidente que, nuestros resultados experimentales permitieron identificar los fragmentos más estables, producto de la disociación de la etanolamina (Figura 2). Con la identificación de estos iones y el patrón de fragmentación propuesto, podemos plantear un mecanismo de síntesis en donde intervienen como precursores estos pequeños fragmentos. Es importante tener en cuenta que, estas especies catiónicas, fueron previamente identificadas en un gran número de objetos astrofísicos y, como si fuera poco, tienen el potencial de formar una gran variedad de moléculas orgánicas complejas.  Estos resultados representan un camino prometedor para futuras investigaciones en el área de astroquímica. Donde el objeto G+0693-0.027 es el gran protagonista. Por lo tanto, la posibilidad de encontrar más especies en esta nube es algo que puede ocurrir próximamente.

Referencias:

[1] Rivilla, Víctor M., et al. “Discovery in space of ethanolamine, the simplest phospholipid head group.” Proceedings of the National Academy of Sciences 118.22 (2021): e2101314118

Edición: Alejandro Cárdenas-Avendaño