El átomo más simple no es fácil de dominar
Un grupo de investigadores ha desarrollado un método basado en la luz para aprovechar el hidrógeno atómico en reacciones químicas
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El hidrógeno es el elemento más simple de la tabla periódica, ya que está formado por un solo protón y un solo electrón. Sin embargo, en química, el átomo más pequeño dista mucho de ser simple. Producidos por primera vez por el premio Nobel Irving Langmuir hace más de un siglo, los átomos individuales de hidrógeno (H•) son tan reactivos que resulta casi imposible prepararlos y utilizarlos.
En una iniciativa de colaboración internacional, investigadores del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces, del University College de Londres y del Imperial College de Londres han encontrado ahora una solución a este problema. Mediante la luz, generan átomos de hidrógeno en condiciones suaves y los utilizan para reducir moléculas orgánicas sin necesidad de recurrir a metales. Sus hallazgos se han publicado en la revista *Journal of the American Chemical Society*.
Un átomo de hidrógeno no puede esperar
En el laboratorio, los químicos suelen encontrarse con el hidrógeno en forma de H₂: dos átomos de hidrógeno firmemente unidos entre sí. La molécula es estable y su uso en la química sintética está muy extendido. Un solo átomo de hidrógeno, por el contrario, es una historia completamente diferente.
«Desde un punto de vista químico, un átomo de hidrógeno es increíblemente simple, pero también es extremadamente reactivo», afirma Nils J. Flodén, primer autor del estudio del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces. «Por eso, teníamos que encontrar una forma de generar átomos de hidrógeno en condiciones que nos permitieran canalizar su reactividad para que hicieran lo que queríamos».
La luz libera los átomos de hidrógeno
Para su nuevo enfoque, los investigadores utilizan la luz. Combinan hidrazina con un derivado del tiofenol y, a continuación, exponen la mezcla a la luz. La luz proporciona la energía necesaria para desencadenar una transferencia de electrones entre las dos moléculas.
Las investigaciones sugieren que la transferencia de electrones da lugar a la formación de un compuesto intermedio de vida corta perteneciente a la clase más amplia de los denominados radicales de Rydberg. Su vida media es de solo unos 13 picosegundos, lo que equivale a 13 billonésimas de segundo. Si bien los átomos de Rydberg son fundamentales en la computación cuántica, en este trabajo se utiliza la desintegración de una molécula de Rydberg para liberar un radical de hidrógeno.
La idea se remonta a hace más de cien años
No es ningún secreto que los átomos de hidrógeno son difíciles de generar y controlar. En 1912, el químico estadounidense Irving Langmuir descubrió que las moléculas de hidrógeno pueden descomponerse en átomos individuales de hidrógeno en el hilo de tungsteno calentado de una bombilla. Para ello se requerían temperaturas superiores a los 2 000 kelvin. Más tarde, se desarrollaron métodos que implicaban descargas eléctricas o radiación UV de mercurio, lo que permitió investigar con mayor detalle las propiedades y la reactividad del hidrógeno atómico. Sin embargo, estos métodos no resultaban especialmente adecuados para la síntesis orgánica, ya que las condiciones requeridas eran demasiado extremas.
Lo que permite el radical de hidrógeno
Gracias al radical de hidrógeno producido, los investigadores pueden reducir diversas moléculas orgánicas en condiciones suaves y sin metales. Entre ellas se encontraban alquenos altamente funcionalizados y compuestos halogenados.
«Para la química orgánica, el descubrimiento de nuevos intermedios químicos abre nuevas posibilidades», afirma Peter H. Seeberger, director del Departamento de Sistemas Biomoleculares del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces. «Con este trabajo, el hidrógeno atómico se convierte en una herramienta práctica para los químicos sintéticos».
Los investigadores consideran esto, ante todo, un nuevo punto de partida. Y es que la inusual reactividad del H• podría resultar de interés no solo para las reacciones de reducción estudiadas. Se vislumbran aplicaciones en otras áreas de la química orgánica y, a largo plazo, también en las ciencias biológicas.
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