Una nueva forma de controlar los efectos "3D" de las reacciones químicas

Los investigadores han observado por primera vez efectos estéricos -las interacciones de las moléculas en función de su orientación espacial (no sólo entre sus electrones implicados en el enlace)- en una reacción química en la que intervienen moléculas no polares. Este avance abre la puerta a una forma totalmente nueva de controlar los productos de las reacciones químicas.

El 12 de enero se publicó en la revista Science un artículo en el que se describen los hallazgos del equipo de investigación.

Uno de los principales objetivos de la química es desarrollar nuevos métodos para controlar las reacciones químicas. En su mayor parte, el control de las reacciones químicas implica comprender las interacciones entre los electrones de los distintos átomos. Estos efectos "electrónicos" rigen muchas de las propiedades y el comportamiento de las sustancias químicas y los cambios que experimentan durante las reacciones.

Pero la disposición espacial relativa de los átomos dentro de las moléculas también influye en sus propiedades, su comportamiento y los cambios que pueden experimentar. Mucha gente conocerá la historia de la talidomida, el fármaco responsable de una serie de graves malformaciones congénitas en la década de 1950. El error que provocó la tragedia estaba relacionado con la forma en que una sustancia química con una fórmula idéntica a otra -pero una estructura especular- puede tener efectos biológicos diferentes.

El estudio de cómo influyen estas disposiciones espaciales en las reacciones químicas -los llamados "efectos estéricos"- y cómo manipular tales efectos conforman la subdisciplina conocida como estereoquímica, a veces llamada "química 3D" por centrarse en las orientaciones de átomos y moléculas en el espacio tridimensional.

Estos efectos son el resultado de fuerzas de repulsión entre nubes de electrones superpuestas. El complemento de cargas opuestas y similares produce una forma tridimensional particular en una molécula, incluidos los ángulos entre átomos y el eje del enlace químico ("eje de enlace").

En su laboratorio, los investigadores se especializan en intentar controlar la dirección del eje de enlace de las moléculas implicadas en reacciones químicas, una forma de manipular las reacciones químicas más allá de los métodos tradicionales, como añadir catalizadores adecuados y cambiar la temperatura o la presión de una mezcla de reacción.

"En la mente de muchas personas, e incluso en algunos libros de texto de química, la estructura y la forma de una molécula se ignoran subliminalmente en la imagen física de una reacción química", afirma Yufeng Wang, autor principal del estudio y químico del Laboratorio Estatal Clave de Dinámica de Reacciones Moleculares de la Academia China de Ciencias. "Pero las moléculas no pueden tomarse simplemente como un punto de masa. La estructura y la forma de la molécula reaccionante pueden influir profundamente en la reacción química".

A su vez, la orientación mutua de los reactantes que chocan entre sí también tiene un efecto importante en el resultado de la reacción química. Así, controlando esa orientación, debería ser posible promover o restringir el rendimiento de los productos de las reacciones en estados finales o ángulos de dispersión específicos.

Los experimentos que intentan este tipo de control de la orientación molecular en colisión se han llevado a cabo durante varios años en moléculas polares. Las moléculas polares son aquellas en las que, debido al desigual reparto de electrones entre los átomos que las componen, la molécula tiene un extremo negativo y otro positivo.

Pero no se han realizado en moléculas no polares. Las moléculas no polares, como el oxígeno molecular o el nitrógeno, están compuestas por átomos que comparten electrones por igual y, por tanto, no tienen carga. Sin embargo, debería haber efectos estéricos muy grandes porque la falta de carga producirá interacciones de "dirección" muy débiles en el camino hacia la colisión.

El hidrógeno molecular (_H2), otra molécula no polar, debería ser un buen candidato para este tipo de experimentos de dispersión con control de orientación, entre otras cosas debido a su simplicidad, ya que cada átomo tiene sólo un protón y un electrón (y, por tanto, goza de una considerable trazabilidad teórica).

Sin embargo, hasta hace poco era difícil preparar concentraciones suficientes de _H2 en estados cuánticos específicos para experimentos de dispersión. Pero gracias al desarrollo de un oscilador/amplificador paramétrico óptico de modo longitudinal único y alta energía pulsada, se ha podido disponer de grandes concentraciones de H2 en estados cuánticos específicos utilizando el esquema de bombeo Raman estimulado. Esta cantidad es ahora suficiente para estudiar la dinámica de colisiones y alinear moléculas _de H2 en una dirección determinada para experimentos de dinámica estérica.

Con la llegada de esta nueva técnica, los investigadores quisieron comprobar si los importantes efectos estéricos previstos podían observarse en las reacciones químicas más sencillas en las que intervienen moléculas de _H2.

Para su experimento, los investigadores eligieron una reacción química muy simple, la transformación de hidrógeno (H) y deuteruro de hidrógeno (HD-un átomo de hidrógeno unido a un átomo de deuterio, un isótopo del hidrógeno con un neutrón extra) en hidrógeno molecular (H2) y deuterio (D). Colisionaron los reactivos químicos con tres energías de colisión diferentes y también con dos geometrías de colisión distintas: una en la que el enlace químico estaba alineado en paralelo a la velocidad relativa de los compañeros de colisión y otra en la que el enlace estaba alineado de forma perpendicular.

El equipo de investigadores observó con éxito los efectos estéricos sustanciales que se suponían y utilizó cálculos de dinámica cuántica para analizar sus observaciones de forma directa. Descubrieron que cuando dos ondas juntas producen una onda mayor en la configuración perpendicular, ésta desempeña un papel importante en los efectos estéricos observados. La reacción química cambiaba drásticamente en función de la dirección del eje de enlace HD.

Las observaciones y la comprensión teórica subyacente abren la puerta a una nueva forma de controlar las reacciones químicas.

El siguiente paso del equipo consistirá en ampliar esta investigación a reacciones más complicadas, lo que supondrá un reto mucho mayor en términos de realización de experimentos y también en el aspecto teórico. El objetivo final es desarrollar formas más precisas y eficaces de controlar las reacciones químicas en todos los ámbitos, no sólo con las moléculas más sencillas.