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).
s).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.
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.
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.
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 proces basada en estos datos:
La importancia de la femtoquímica
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
Fuente: