Femtoquímica: Viendo una reacción química paso a paso


descargaUna 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 = 10^{-15}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 (10^{-12}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:

cyclobutane_animation

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…

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16 Respuestas a “Femtoquímica: Viendo una reacción química paso a paso

  1. Pingback: Premio ED | Experientia docet

  2. Hola
    No he leído mas que esta página de tu web, y como buen amante de la ciencia me gusta la divulgación de la misma. SUPONGO que la ciencias que divulgas es buena, ya digo que no he leído nada tuyo.

    Pero aquí pones “Viendo una reacción química paso a paso” y solo he visto un video de una prueba en una fase MUY experimental de una nueva herramienta de visualización, PERO NO HE VISTO LO QUE TU EXPLICAS SOBRE LA REACCION QUIMICA QUE PONES que es pura invención, y aunque lo hubieses puesto en video solo seria una video de dibujos animados QUE NADA TIENEN QUE VER CON LA CIENCIA.

    Solo para acabar, imagínate como es posible que en un maniquí de ese tamaño el error tan grande, en una sustancia de un centímetro el error seria INASUMIBLE AL DIA DE HOY, así que una reacción química ya me contaras, aun están a años luz para poder ver una reacción química con eso.

    • Gracias por tus críticas pero creo que te has perdido algo en la entrada.

      a) El primer vídeo no es sobre femtoquímica sino sobre femtofotografía. Son dos cosas distintas.

      b) La femtoquímica es un campo cada vez más desarrollado que de forma efectiva nos permite “ver” una reacción química paso a paso. Aquí “ver” se tiene que entender en el sentido que comentamos en la entrada.

      Es un campo sólido de la física y la química que se está empleando cada vez más en el estudio de las reacciones y en otros campos como se comenta en la entrada.

      c) Evidentemente el último vídeo es una simulación hecha por ordenador CON DATOS OBTENIDOS CON ESTAS TÉCNICAS EXPERIMENTALES.

      Así pues, la crítica no está muy acertada en mi opinión.

      Aquí un enlace que explica con más detalle este campo de la femtoquímica: http://www.zewail.caltech.edu/JChemEduc.pdf

  3. Esta entrada ha sido merecedora del Premio ED a la Excelencia en la Divulgación Científica. ¡Enhorabuena!
    http://www.experientiadocet.com/2010/11/premio-ed-la-excelencia-en-la.html

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  5. Como siempre un gusto seguir leyendo tu blog

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  11. Buenas,

    Soy nuevo por aquí, así que en primer lugar enhorabuena por el blog en general y por este post en particular, es muy interesante. Sin embargo, hay algún punto que no termino de entender…

    Dices que lanzamos un primer pulso láser que alcanza una molécula aislada y luego lanzamos otro pulso y de su reflejo sacas la fotografía no? Para qué sirve el primer pulso? sería para “seleccionar” una de las moléculas? y el segundo pulso cómo conseguimos que apunte a la misma molécula seleccionada? cambiamos la dirección en función de algún parámetro obtenido del primer pulso? o lo que se busca es almacenar el patrón de interferencia al estilo de la holografía?

    A ver si me puedes aclarar un poco esa parte o darme alguna referencia donde leerlo con algo más de detalle.

    Saludos ;)

    • Hola,

      No hemos entrado en la descripción de la técnica de generación y detección de los femtopulsos muy extensamente. Pero básicamente lo que se hace es emitir dos femtopulsos con un pequeño retardo entre si. Estos pasan por una lente con los focaliza a un punto que va a dar a un haz de moléculas. Estos dos pulsos llegarán a la misma molécula del haz (con su pequeño retraso) y serán dispersados. Disponemos detectores en diferentes direcciones y estos tienen la resolución temporal óptima para poder distinguir sucesos que han pasado en la molécula en distintos instantes (como en la animación que hay en la entrada).

      Buscaré referencias básicas porque las que tengo son todas muy técnicas.

      Un saludo.

  12. Es un mètodo muy novedoso, observar lo que teòricamente habìa calculado, esto solamente es posible por el avance de la tecnologìa en toda su extensiòn.

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