Diels-Alder recargado: más eficaz con electricidad
Química cuántica para procesos sostenibles: cómo el comportamiento de los electrones determina las reacciones
La investigación química suele ser un proceso de ensayo y error. A menudo, las cosas no salen como se esperaba en el laboratorio: las reacciones se estancan o producen muy poco producto. El conocimiento de las propiedades químicas de las sustancias implicadas ya no es suficiente. A los químicos les gustaría "profundizar" en la reacción hasta el nivel subatómico. Esto es posible con la analítica de alta tecnología. Y la química cuántica también está cada vez más solicitada, ya que puede revelar momentos críticos del proceso catalítico únicamente mediante el cálculo, por ejemplo, del comportamiento de los electrones. La Dra. Olga Bokareva dirige este trabajo en el LIKAT de Rostock. Un ejemplo actual es una novedosa reacción Diels-Alder.
El aumento de la potencia de cálculo y la mejora constante de los algoritmos han hecho que la modelización de reacciones químicas sea indispensable en la investigación. "Esto es especialmente cierto cuando la química está abriendo nuevos caminos, por ejemplo al sustituir las materias primas fósiles por subproductos de la civilización. O en la ampliación del abanico de aplicaciones de procesos clásicos y probados y su utilización para procesos sostenibles", explica Olga Bokareva, directora de un grupo de investigación junior del Instituto Leibniz de Catálisis.
Diels-Alder recargado: más eficaz con electricidad
La química cita la reacción de Diels-Alder como ejemplo actual. Desde hace tres cuartos de siglo ocupa un lugar destacado en la química orgánica, sobre todo en la síntesis de principios activos farmacéuticos y otras moléculas complejas. Sus descubridores recibieron el Premio Nobel en 1950.
Varios laboratorios intentan actualmente que la reacción de Diels-Alder pueda utilizarse en síntesis mucho más complejas de lo que ha sido posible hasta la fecha. En el LIKAT, esto se ha conseguido por medios electroquímicos. La Dra. Bokareva explica: "Los electrodos en la solución de reacción proporcionan una corriente que impulsa el proceso y lo hace mucho más eficaz que la clásica reacción de Diels-Alder".
El Director Científico de LIKAT, el Prof. Dr. Robert Franke, colaboró con colegas de Japón en este proyecto, y juntos presentaron un artículo. Sus experimentos habían demostrado que la reacción electroquímica de Diels-Alder funciona de maravilla con determinados materiales de partida, pero en absoluto con otros. Los autores ofrecieron algunas hipótesis sobre las causas. Sin embargo, la revista solicitó una explicación mecanicista detallada utilizando métodos de química cuántica.
Aquí es donde entraron en juego los conocimientos de la Dra. Bokareva y su equipo. Una estudiante de doctorado, Yanan Han, se encargó del trabajo como parte de su tesis.
Comparable a Google Maps
Para comprender el mecanismo de reacción, el equipo utilizó la química cuántica para calcular la energía de las moléculas a lo largo de la ruta de reacción. Todo lo que necesitaban saber era el material de partida y el producto, así como cierta información sobre las condiciones de reacción, como la temperatura. La Dra. Bokareva compara este método con Google Maps: "Conoces tu ubicación y destino y quieres evitar atascos; en la reacción, éste podría ser un producto intermedio indeseable. El programa calcula la mejor ruta".
Estos cálculos de química cuántica no proporcionan valores exactos, sino aproximaciones, explica la Dra. Bokareva. El estado actual de cada molécula viene determinado por la diferencia entre sus estados energéticos. La razón radica en la naturaleza cuántica de los electrones, que se describen mediante funciones de onda.
Los fundamentos matemáticos de tales cálculos se desarrollaron hace unos cien años, como las ecuaciones de Schrödinger, que Olga Bokareva y su equipo utilizan junto con métodos numéricos.
Las nubes de electrones determinan la reacción
Hoy en día, los resultados pueden representarse gráficamente, por ejemplo como orbitales, que es el nombre que reciben las ubicaciones de los electrones en los átomos. En la pantalla, aparecen como estructuras coloreadas que recuerdan a globos flotantes. "A menudo hablamos de nubes de electrones cuando nos referimos al espacio difuso donde se encuentran los electrones", explica Olga Bokareva. Tales representaciones ayudan no sólo a analizar los procesos de reacción, sino también a comprenderlos intuitivamente. "La química cuántica no sólo es un reto, también es hermosa".
¿Qué mostraron los cálculos de la novedosa reacción de Diels-Alder? "Pudimos identificar un producto intermedio que se forma en un momento crítico del proceso", dice la Dra. Bokareva. Para que la reacción continúe, este producto intermedio necesita un electrón adicional. El sistema debe permitir que esta transferencia de electrones se produzca energéticamente, y los investigadores pudieron identificar condiciones específicas para ello en el comportamiento de las nubes de electrones. Estas condiciones no se cumplían en los sustratos problemáticos, y la reacción se interrumpió.
Por tanto, se ha encontrado la razón de la interrupción, y los hallazgos se han publicado ahora conjuntamente con socios de Japón y han aparecido recientemente en línea. Según la Dra. Bokareva, el trabajo ofrece enfoques para hacer que los sustratos que no han tenido éxito hasta la fecha sean utilizables para la síntesis electroquímica de Diels-Alder. Por ejemplo, cambiando la estructura electrónica de estos compuestos o las condiciones de reacción electroquímica.
Ya no es un dominio masculino
Puede parecer sorprendente que este conocimiento se haya obtenido a través del trabajo teórico. Para Olga Bokareva, utilizar el cálculo puro y "el auténtico trabajo en equipo para arrojar luz sobre desconcertantes hallazgos experimentales y desvelar mecanismos ocultos es algo natural". Esto la llena más que el trabajo que hizo en el laboratorio hace muchos años.
Olga Bokareva se doctoró y habilitó tanto en teoría como en química cuántica, campos dominados durante mucho tiempo por los hombres. Esta es una de las razones por las que está orgullosa de que cuatro de sus doctorandos sean mujeres. Su grupo no deja de crecer y trabaja en temas de actualidad en la interfaz entre teoría y aplicación.
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