Cómo se rompe uno de los enlaces más fuertes de la naturaleza

El uso de pulsos de rayos X acerca a los científicos un gran paso hacia el desarrollo de mejores catalizadores para transformar el gas de efecto invernadero metano en una sustancia química menos nociva.

El resultado, publicado en la revista Science ⁽¹⁾, revela por primera vez cómo se rompen los enlaces carbono-hidrógeno de los alcanos y cómo actúa el catalizador en esta reacción.

El metano, uno de los gases de efecto invernadero más potentes, se libera a la atmósfera a un ritmo cada vez mayor debido a la ganadería y a la descongelación del permafrost. Transformar el metano y los alcanos de cadena más larga en sustancias químicas menos nocivas y, de hecho, útiles, eliminaría las amenazas asociadas y, a su vez, pondría a disposición de la industria química una enorme materia prima.

Sin embargo, la transformación del metano requiere como primer paso la ruptura de un enlace C-H, uno de los enlaces químicos más fuertes de la naturaleza.

Romper fácilmente los enlaces C-H

Hace cuarenta años se descubrieron catalizadores moleculares metálicos que pueden romper fácilmente los enlaces C-H. Lo único que se encontró necesario fue un breve destello de luz visible para "encender" el catalizador y, como por arte de magia, los fuertes enlaces C-H de los alcanos que pasan cerca se rompen fácilmente casi sin utilizar energía. A pesar de la importancia de esta llamada reacción de activación del C-H, durante décadas se desconoció cómo realiza esa función el catalizador.

La investigación fue dirigida por científicos de la Universidad de Uppsala (Suecia), en colaboración con el Instituto Paul Scherrer de Suiza, la Universidad de Estocolmo, la Universidad de Hamburgo y el XFEL europeo de Alemania. Por primera vez, los científicos pudieron observar directamente el catalizador en funcionamiento y revelar cómo rompe esos enlaces C-H.

En dos experimentos realizados en el Instituto Paul Scherrer de Suiza, los investigadores pudieron seguir el delicado intercambio de electrones entre un catalizador de rodio y un grupo C-H de octano a medida que se rompe.

Utilizando dos de las fuentes de rayos X más potentes del mundo, el láser de rayos X SwissFEL y el sincrotrón de rayos X Swiss Light Source, se pudo seguir la reacción desde el principio hasta el final. Las mediciones revelaron la activación inicial del catalizador inducida por la luz en 400 femtosegundos (0,0000000000004 segundos) hasta la ruptura final del enlace C-H tras 14 nanosegundos (0,000000014 segundos).

Aprender a dirigir el flujo de electrones

"Los experimentos de absorción de rayos X con resolución temporal que hemos realizado sólo son posibles en instalaciones a gran escala como SwissFEL y la Swiss Light Source, que proporcionan pulsos de rayos X extremadamente brillantes y cortos. El catalizador está inmerso en una solución densa de octano, pero tomando la perspectiva del metal, pudimos elegir específicamente el enlace C-H de entre cientos de miles que se hace romper", explica Raphael Jay, investigador de la Universidad de Uppsala y experimentalista principal del estudio.

Para interpretar los complejos datos experimentales, teóricos de la Universidad de Uppsala y la Universidad de Estocolmo se unieron y realizaron cálculos químicos cuánticos avanzados.

"Nuestros cálculos nos permiten identificar claramente cómo fluye la carga electrónica entre el catalizador metálico y el grupo C-H en la proporción justa --explica Ambar Banerjee, investigador postdoctoral de la Universidad de Uppsala y principal teórico del estudio--. Podemos ver cómo la carga que fluye desde el metal hacia el enlace C-H pega los dos grupos químicos. En cambio, la carga que fluye en sentido contrario actúa como una tijera que acaba separando el átomo de C y el de H".

El estudio resuelve un misterio de cuarenta años sobre cómo un catalizador activado puede romper enlaces C-H fuertes intercambiando cuidadosamente fracciones de electrones y sin necesidad de temperaturas o presiones enormes. Con su nueva herramienta a mano, los investigadores quieren aprender a dirigir el flujo de electrones para desarrollar mejores catalizadores para la industria química con el fin de obtener algo útil a partir del metano y otros alcanos.