Femtoquímica: Viendo una reacción química paso a paso

Una de las preguntas más interesantes de la químicas es:

¿Cómo se lleva a cabo una reacción química?

La respuesta no es fácil, las reacciones química involucran roturas de enlaces en los compuestos que actúan como reactivos y formación de nuevos enlaces para dar lugar a los productos de la reacción. Estos procesos son muy rápidos y para poder «verlos» necesitamos iluminar las moléculas que reaccionan con una resolución temporal muy corta.

En esta entrada queremos hablar de un campo fascinante de la química, la femtoquímica, que se apoya en la posibilidad de tener pulsos de láser de una duración del orden del femtosegundo (0.000000000000001 segundos = s).

En Naukas podéis encontrar un vídeo que explica lo que es la femtofotografía traducido por José Ángel Cardo y editado por @Sovcolor:

Esta entrada ha sido galardonada con el Premio ED a la excelencia en la divulgación científica.

Energía en las reacción químicas

Una reacción química se produce cuando los reactivos dan lugar a los productos de la reacción. Para que este proceso se lleve a cabo han de verificarse ciertas condiciones energéticas.

Por un lado, tenemos la energía de los reactivos y la energía de los productos. Generalmente, es necesario que la energía de los productos sea menor que la energía de los reactivos. Además, para que la reacción se lleve a cabo los reactivos han de superar una cierta barrera energética, barrera de activación, para poder romper sus propios enlaces y formar unos nuevos para llegar a formar los productos.

Un perfil típico de la energía de una reacción química está dado por:

Teóricamente, cuando los reactivos tienen la suficiente energía como para superar la barrera energética denominada, energía de activación, estos entran en un estado excitado que se llama Estado de Transición. Este estado no era más que una idea teórica, nunca había sido visto.

La razón para no poder ver a los reactivos reaccionando es que el tiempo típico para una reacción (rotura y formación de nuevos enlaces una vez que hay la energía suficiente) es del orden de 1 picosegundo (s) (en condiciones de laboratorio normales).  Para poder ver este proceso es necesario poder fotografiar la reacción con una resolución temporal del orden de unos pocos femtosegundos.

Fotografía Ultrarápida

Afortunadamente, actualmente tenemos a nuestra disposición láseres que son capaces de generar pulsos ultracortos (de hasta 6 femtosegundos).  El procedimiento para realizar la fotografía es:

1.-  Lanzamos un haz de moléculas.
2.- Lanzamos un pulso del láser ultracorto sobre el jet y este alcanza una molécula aislada.
3.- Un segundo pulso de láser es lanzado contra esta molécula y, una vez reflejado, se graba en un detector. Con esto conseguimos una foto del estado de la molécula en un instante de tiempo dado.
4.-  Si repetimos este proceso a intervalos del femtosegundo tendremos una serie de fotografías (fotogramas) que nos darán la película de la reacción química que se esté llevando a cabo.

El ejemplo del ciclobutano

El ciclobutano es una molécula orgánica de cuatro átomos de carbono unidos por enlaces simples que puede sufrir una reacción inducida fotoquímicamente (con luz) dando lugar a dos moléculas de etileno (molécula de dos átomos de carbono unidos por un doble enlace).

Ciclobutano

Etileno

Teóricamente esta reacción puede llevarse a cabo de dos formas:

a) Se rompen a la vez dos enlaces opuestos en el ciclobutano en el estado de transición y se forman los dos etilenos.  Reacción en un paso.

b) Se rompe un enlace y se forma un estado intermedio, el tetrametileno, que es un paso intermedio para llegar a los dos etilenos finales.  Reacción en dos pasos.

La energía de estas reacciones es, respectivamente:

El interés en ver el estado de transición de esta reacción es claro.  Esta reacción fue estudiada por Zewail y su equipo mediante las técnicas femtofotográficas comentadas anteriormente. El resultado fue que se formaba el estado intermedio de tetrametileno y que su vida media rondaba los 700 femtosegundos (lo cual es bastante para una reacción química de este tipo). Esto resuelve la duda y nos dice que esta reacción se lleva a cabo en dos pasos, en contra de la creencia que estaba más extendida antes de este experimento.

Los pasos de esta reacción (indicando el tiempo en el que tienen lugar) son:

Lo que se obtiene en el experimento son medidas de las distancias de enlace en cada tiempo.

Y aquí, un animación del proceso basada en estos datos:

Aparte de la evidente, la de poder estudiar mecanismos de reacción visualizándolos, la femtoquímica proporciona una herramienta de gran utilidad en el entendimiento de las reacciones químicas fundamentales para la vida.

Tras la introducción de estas técnicas pronto se aplicaron al estudio de reacciones bioquímicas fundamentales. La femtoquímica nos puede ayudar a:

1.-  Entender mejor la interacción enzima-sustrato.

2.-  Un mejor control y entendimiento de las reacciones entre anticuerpos y antígenos.

3.-  Un estudio pormenorizado de las reacciones que afectan al ADN.

Además, estas técnicas pueden ayudarnos a entender mejor las reacciones que se llevan a cabo en interfase superficial que son de gran interés industrial.

P.S. La introducción de estas técnicas fuero valedoras para la obtención del premio Nobel de química del 1999 concedido al Profesor Zewail

Nos seguimos leyendo…