Primera imagen de una molécula orgánica durante una reacción

Investigación UPV/EHU

Fuente: Oteyza et al (2013)
Fuente: Oteyza et al (2013)

Conseguir una imagen de una molécula mientras está sufriendo una reacción ha sido considerado uno de los objetos de deseo de los químicos. Científicos de la Universidad de Berkeley y de la Universidad del País Vasco han logrado, por primera vez, fotografiar con gran precisión una molécula antes e inmediatamente después de una reacción orgánica compleja. Las imágenes permiten apreciar los procesos de ruptura y creación de enlaces covalentes entre los átomos que componen la molécula. El artículo, titulado Direct Imaging of Covalent Bond Structure in Single-Molecule Chemical Reactions, del que son autores los grupos de Felix Fischer (Departamento de Química de la Universidad de Berkeley), de Michael Crommie (Departamento de Física de la Universidad de Berkeley) y de Ángel Rubio (catedrático de la UPV/EHU e investigador del Centro de Fisica de Materiales CSIC-UPV/EHU y del Donostia International Physics Center) aparece hoy, 30 de mayo, entre las investigaciones destacadas por la edición online Science Express y saldrá a mediados de junio en la edición en papel de Science. El primer autor del artículo es Dimas Oteyza, que acaba de reincorporarse al Centro de Física de Materiales CSIC-UPV/EHU tras su estancia postdoctoral en Berkeley.

Las reacciones químicas orgánicas son, en general, los procesos fundamentales que subyacen en toda la biología, así como en importantísimos procesos industriales, como la producción de combustibles o productos farmacéuticos, por poner sólo dos ejemplos. Los modelos estructurales de moléculas en los que tradicionalmente se ha confiado para comprender estos procesos provienen de medias que se han calculado sobre medidas indirectas de un enorme número de moléculas (volúmenes macroscópicos, del orden de milimoles), así como de cálculos teóricos. Nadie había tomado antes imágenes de moléculas individuales antes e inmediatamente después de una reacción orgánica compleja.

“La importancia de nuestro descubrimiento es que hemos sido capaces de obtener imágenes detalladas de las estructuras en las que una molécula se puede transformar sobre una superficie, y de esa manera hemos podido determinar los movimientos atómicos que subyacen en esas transformaciones químicas”, explica Ángel Rubio. En concreto, los investigadores han captado imágenes de alta definición de una oligo-enediina (una molécula simple compuesta por tres anillos de benceno enlazados por átomos de carbono) depositados en una superficie plana de oro. La técnica utilizada es el llamado Microscopio de Fuerza Atómica sin contacto (nc-AFM, por sus siglas en inglés), un instrumento con una sonda extraordinariamente sensible. Este microscopio de fuerza atómica utiliza una aguja muy fina que puede detectar las más pequeñas protuberancias a escala atómica, de forma parecida a la que usamos para leer una palabra escrita en Braille con las yemas de los dedos. Como las moléculas de oligo-enediina son tan pequeñas (~10–9 m), la punta de la sonda se configuró para que consistiera en un único átomo de oxígeno. Ese átomo provenía de una única molécula de monóxido de carbono, CO, adsorbida en la punta del microscopio AFM y actúa como “dedo” en la lectura.

Moviendo este “dedo” atómico adelante y atrás a lo largo de la superficie, obtuvieron perfiles que correspondían con las posiciones precisas de los átomos y los enlaces químicos de la oligo-enediina. Avances recientes en esta técnica de microscopia la han hecho tan precisa que los investigadores han podido incluso distinguir si los enlaces entre los átomos de carbono eran simples, dobles o triples. Después, calentaron la superficie en la que se encontraban las moléculas, induciendo una reacción química relacionada estrechamente con las cicloaromatizaciones de Bergman. Estas ciclizaciones, descubiertas por el profesor Bergman, de la Universidad de Berkeley, a comienzos de los años 70, consisten en la formación de anillos aromáticos, es decir, cadenas de átomos de carbono se pliegan formando anillos. “Los perfiles que registramos tras hacer reaccionar las moléculas muestran claramente cómo se forman nuevos enlaces químicos y cómo los átomos dentro de las moléculas se reorganizan para formar nuevas estructuras”, explica Dimas Oteyza. Los resultados se han podido interpretar y analizar microscópicamente gracias a simulaciones realizadas en el grupo de Angel Rubio.

Además de conseguir una sorprendente confirmación visual de los mecanismos microscópicos que subyacen a las reacciones químicas orgánicas predichas teóricamente, este trabajo tiene relevancia para la fabricación de nuevos materiales y aparatos electrónicos de medida de alta precisión a escala nanométrica.

Referencia:

Dimas G. de Oteyza, Patrick Gorman, Yen-Chia Chen, Sebastian Wickenburg, Alexander Riss, Duncan J. Mowbray, Grisha Etkin, Zahra Pedramrazi, Hsin-Zon Tsai, Angel Rubio, Michael F. Crommie, Felix R. Fischer (2013) Direct Imaging of Covalent Bond Structure in Single-Molecule Chemical Reactions Science DOI: 10.1126/science.1238187

Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por UPV/EHU Komunikazioa

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