Importante avance en la comprensión del mecanismo de reactividad de dos estados
Los científicos descubren la primera metodología experimental para medir transiciones de baja energía y espín prohibido en catalizadores moleculares
Los catalizadores a base de hierro son esenciales en diversos campos, como la medicina, la energía y las ciencias medioambientales. Facilitan reacciones vitales para la producción de fármacos, combustibles limpios y la eliminación de contaminantes. Estos catalizadores actúan permitiendo la transformación dirigida de moléculas en los productos deseados, y pueden hacerlo utilizando métodos eficientes desde el punto de vista energético y respetuosos con el medio ambiente. La capacidad química de estos catalizadores basados en el hierro depende de su estado de oxidación y de espín, y los cambios en cualquiera de ellos pueden dar lugar a una reactividad y unos productos muy diferentes. Uno de los retos constantes de la catálisis es aprovechar estos diferentes estados para aumentar la reactividad, o la velocidad a la que se produce la transformación, manteniendo la especificidad, con el fin de generar la mayoría de los productos deseados.
En concreto, los complejos hierro(IV)-oxo son intermediarios muy reactivos que intervienen en diversas reacciones de oxidación, como la conversión de metano en metanol. Se sabe que los catalizadores de hierro(IV)-oxo tienen estados de espín S = 2 o S = 1, habiéndose demostrado que los estados de espín S = 2 son generalmente más reactivos. Una teoría conocida desde hace tiempo como el modelo de reactividad de dos estados sugiere que los catalizadores con un estado fundamental S = 1 pueden cambiar entre diferentes estados de espín para impulsar las reacciones. Un componente de esta teoría es que la separación energética entre estos dos estados de espín debería estar correlacionada con la reactividad oxidativa. Un gran reto a la hora de investigar este mecanismo ha sido que la diferencia energética entre estos estados de espín nunca se había medido experimentalmente. La dificultad de medir esta energía de excitación es doble: las transiciones entre estos estados están prohibidas por el espín, lo que conduce a una baja intensidad, y se espera que sean de baja energía, lo que las sitúa fuera del alcance de las técnicas espectroscópicas estándar.
Investigadores del Instituto Max Planck de Conversión de Energía Química y del MPI für Kohlenforschung han logrado un avance significativo en la comprensión del mecanismo de reactividad de dos estados. Utilizando una combinación de técnicas espectroscópicas avanzadas: dispersión inelástica resonante de rayos X (recogida en la línea de luz PEAXIS del BESSY II Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie) y dicroísmo circular magnético, los investigadores pudieron medir directamente la esquiva energía de excitación del triplete en estos complejos.
Las implicaciones de esta investigación son significativas: Gracias a las mediciones experimentales de esta excitación crucial, los científicos pueden perfeccionar sus modelos teóricos para diseñar catalizadores más eficaces y selectivos. Este trabajo también demuestra, hasta donde se sabe, la primera metodología experimental para medir transiciones de baja energía y espín prohibido en catalizadores moleculares.
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