Nueva clase de sustancias para reacciones redox
Los pirazinacenos pueden oxidarse y reducirse de forma reversible
Un equipo de investigación interdisciplinar y multinacional presenta una nueva clase de compuestos químicos que pueden oxidarse y reducirse de forma reversible. Los compuestos conocidos como "pirazinacenos" son compuestos simples y estables que consisten en una serie de anillos de carbono con nitrógeno conectados. Son adecuados para aplicaciones en electroquímica o síntesis, como describen los investigadores en la revista científica Communications Chemistry.
Tras la síntesis, los pirazinacenos están presentes en forma reducida. Tras un primer paso de oxidación, forman cadenas. En una segunda oxidación, se aíslan de nuevo, pero ahora son completamente planares.
Department of Physics, University of Base
Las reacciones redox desempeñan un papel importante en nuestra vida cotidiana. En estas reacciones, un compuesto libera electrones y se oxida, mientras que otro acepta electrones y se reduce. Los organismos vivos aprovechan estas reacciones redox, por ejemplo, para almacenar energía.
Las reacciones redox también desempeñan un papel crucial en la electroquímica, donde la energía puede almacenarse o transportarse en forma de compuestos químicos. La mayoría de las síntesis químicas también implican reacciones de reducción y oxidación en sus niveles fundamentales. Por ello, los investigadores de todo el mundo buscan compuestos químicos sencillos y estables que puedan oxidarse y reducirse de forma reversible y, por tanto, funcionar también como agentes reductores u oxidantes.
Es posible la oxidación en varias etapas
Los equipos dirigidos por el Dr. Jonathan P. Hill, del Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales de Tsukuba (Japón), y el profesor Thomas Jung, de la Universidad de Basilea y el Instituto Paul Scherrer (Suiza), han demostrado experimentalmente por primera vez que los pirazinacenos cumplen estos requisitos y pueden oxidarse de forma reversible en un proceso de varias etapas.
Los pirazinacenos son una nueva categoría de compuestos formados por anillos conectados de átomos de carbono, nitrógeno e hidrógeno. El equipo de Hill los diseñó, sintetizó y caracterizó químicamente por primera vez en solución.
En solución, los compuestos, que pueden estar formados por diferentes números de anillos conectados, pueden liberar y aceptar electrones de forma reversible. Este aspecto, que de otro modo se estudiaría en un tubo de ensayo, ha sido observado ahora por primera vez experimentalmente en una superficie por el equipo de Jung, del Departamento de Física y del Instituto Suizo de Nanociencia de la Universidad de Basilea. "Los pirazinacenos se oxidan de forma reversible en una superficie en varios pasos. Para su aplicación técnica, es importante saber que también favorecen las reacciones redox cuando se unen a las superficies", informa la Dra. Fatemeh Mousavi, que caracterizó los pirazinacenos en el grupo de Jung.
Se puede reconocer el estado de oxidación
Utilizando la microscopía de barrido en túnel y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X, los científicos observaron que los compuestos se disponen de forma diferente según el estado de oxidación. En la forma reducida nativa (obtenida directamente tras la síntesis), las moléculas están aisladas e inmóviles cuando se depositan en una superficie, mientras que se movilizan para formar cadenas tras un primer paso de oxidación. Un segundo paso de oxidación cambia la geometría de la molécula y vuelven a quedar aisladas e inmóviles.
Curiosamente, las reacciones de oxidación y reducción de los pirazinacenos no sólo se ven afectadas por un impulso químico, sino que también pueden ser estimuladas por la luz, por lo que pueden considerarse foto-redox activas.
"Nuestras investigaciones han demostrado que los pirazinacenos son una clase interesante de compuestos que pueden utilizarse para apoyar reacciones basadas en la fotorreducción en la síntesis química, o actuar como indicadores de procesos electroquímicos", concluye Thomas Jung.
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Publicación original
David Miklík, S. Fatemeh Mousavi, Zuzana Hloušková, Anna Middleton, Yoshitaka Matsushita, Jan Labuta, Aisha Ahsan, Luiza Buimaga-Iarinca, Paul A. Karr, Filip Bureš, Gary J. Richards, Pavel Švec, Toshiyuki Mori, Katsuhiko Ariga, Yutaka Wakayama, Cristian Morari, Francis D’Souza, Thomas A. Jung and Jonathan P. Hill; "Pyrazinacenes exhibit on-surface oxidation-state-dependent conformational and self-assembly behaviours"; Communication Chemistry; 4, 29 (2021)
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