Cómo rompen y forman enlaces las moléculas
Un paso crucial hacia la verdadera comprensión de los procesos químicos
Investigadores del European XFEL (Alemania) han seguido en tiempo real el movimiento de átomos individuales durante una reacción química en fase gaseosa. Utilizando destellos de rayos X extremadamente cortos, pudieron observar la formación de una molécula de yodo (I₂) tras irradiar moléculas de diiodometano (CH₂I₂) con luz infrarroja, lo que implica la ruptura de dos enlaces y la formación de uno nuevo. Al mismo tiempo, pudieron distinguir esta reacción de otras dos vías de reacción, a saber, la separación de un solo átomo de yodo del diiodometano o la excitación de vibraciones de flexión en la molécula unida. Los resultados aportan nuevos conocimientos sobre mecanismos de reacción fundamentales que hasta ahora han sido muy difíciles de distinguir experimentalmente.
El diiodometano irradiado con luz infrarroja puede sufrir varias reacciones diferentes. Se utilizaron pulsos intensos de rayos X del XFEL europeo y un microscopio de reacción del instrumento SQS para caracterizar tres vías de reacción principales.
Tobias Wüstefeld, © European XFEL
Las llamadas reacciones de eliminación, en las que se forman moléculas pequeñas a partir de una molécula mayor, son fundamentales en muchos procesos químicos, desde la química atmosférica hasta la investigación de catalizadores. Sin embargo, el mecanismo detallado de muchas reacciones, en las que varios átomos rompen y vuelven a formar sus enlaces, a menudo permanece oscuro. La razón: Los procesos tienen lugar en tiempos increíblemente cortos, en femtosegundos, o unas pocas millonésimas de milmillonésima de segundo.
En el instrumento SQS del XFEL europeo se ha utilizado un método experimental innovador para visualizar la dinámica de estas reacciones. Los investigadores irradiaron moléculas de diiodometano con pulsos ultracortos de láser infrarrojo, que desencadenaron las reacciones moleculares. Femtosegundos después, intensos destellos de rayos X rompieron las moléculas, haciendo que sus componentes atómicos salieran despedidos en una "explosión de Coulomb". A continuación, se registraron las trayectorias y velocidades de los iones mediante un dispositivo de detección denominado microscopio de reacción COLTRIMS (COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy), uno de los instrumentos de detección de la estación experimental SQS que se pone a disposición de los usuarios.
"Gracias a este método, pudimos seguir con precisión cómo se ensamblan los átomos de yodo mientras se escinde el grupo metileno", explica Artem Rudenko, de la Universidad Estatal de Kansas (EE.UU.) e investigador principal del experimento. El análisis reveló que tanto los mecanismos sincrónicos como los asincrónicos contribuyen a la formación de la molécula de yodo, un resultado respaldado por cálculos teóricos.
Sorprendentemente, "aunque esta vía de reacción sólo representa alrededor del diez por ciento de los productos resultantes, pudimos distinguirla claramente de las demás reacciones competidoras", explica Rebecca Boll, del instrumento SQS (Small Quantum Systems) del XFEL europeo en Schenefeld, cerca de Hamburgo. Esto fue posible gracias a la selección precisa de canales específicos de fragmentación iónica y a su análisis resuelto en el tiempo.
Además, los investigadores pudieron seguir el movimiento vibratorio de la molécula de yodo recién formada. "Ahora podemos observar más directamente cómo una molécula aislada rompe y forma enlaces durante una reacción química, en tiempo real y con precisión atómica", afirma Xiang Li, primer autor de la publicación y científico del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC de Estados Unidos. Se trata de un paso crucial hacia la verdadera comprensión de los procesos químicos. Estas observaciones no sólo proporcionan una imagen detallada de los mecanismos de reacción, sino que también abren nuevas vías para investigar procesos químicos más complejos.
En el futuro, estas técnicas se extenderán a moléculas aún mayores y reacciones más complejas. Gracias a las mejoras técnicas previstas en el láser de rayos X del XFEL europeo, en el futuro se podrán obtener conocimientos aún más rápidos y detallados sobre el mundo de la dinámica molecular ultrarrápida.
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Publicación original
Xiang Li, Rebecca Boll, Patricia Vindel-Zandbergen, Jesús González-Vázquez, Daniel E. Rivas, Surjendu Bhattacharyya, Kurtis Borne, Keyu Chen, ... Sergey Usenko, Anbu Selvam Venkatachalam, Enliang Wang, James P. Cryan, Michael Meyer, Till Jahnke, Phay J. Ho, Daniel Rolles, Artem Rudenko; "Imaging a light-induced molecular elimination reaction with an X-ray free-electron laser"; Nature Communications, Volume 16, 2025-7-30
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