Los rayos X muestran cómo se rompe uno de los lazos más fuertes de la naturaleza

El metano, uno de los gases de efecto invernadero más potentes, está siendo liberado a la atmósfera a un ritmo cada vez mayor por la ganadería, así como por la continua congelación del permafrost. Convertir el metano y los alcanos de cadena más larga en productos químicos menos dañinos y, de hecho, beneficiosos eliminaría las amenazas concomitantes, proporcionando así una enorme materia prima para la industria química. Sin embargo, la conversión de metano requiere como primer paso la ruptura del enlace CH, que es uno de los enlaces químicos más fuertes de la naturaleza.

Hace cuarenta años, se descubrieron catalizadores moleculares metálicos que pueden dividir fácilmente los enlaces CH. Lo único que se consideró necesario fue un breve destello de luz visible para «encender» el catalizador y, como con la magia, los fuertes enlaces CH de los alcanos que pasaban podrían romperse fácilmente casi sin usar energía. A pesar de la importancia de la llamada reacción de activación del CH, durante décadas se desconocía cómo este catalizador realiza esta función.

La investigación fue dirigida por científicos de la Universidad de Uppsala en colaboración con el Instituto Paul Scherer en Suiza, la Universidad de Estocolmo y la Universidad de Hamburgo y el XFEL europeo en Alemania. Por primera vez, los científicos han podido observar el catalizador en acción y revelar cómo rompe los enlaces CH.

En dos experimentos realizados en el Instituto Paul Scherrer en Suiza, los investigadores pudieron seguir el delicado intercambio de electrones entre el catalizador de rodio y el grupo de octano CH cuando se rompe. Usando dos de las fuentes de destello de rayos X más poderosas del mundo, el láser de rayos X SwissFEL y la fuente de luz de rayos X Swiss Synchrotron, la reacción se puede seguir de principio a fin. Las mediciones revelaron la activación inicial del catalizador inducida por la luz dentro de los 400 femtosegundos (0,0000000000004 s) hasta la ruptura final del enlace CH después de 14 ns (0,000000014 s).

«Nuestros experimentos de absorción de rayos X con resolución temporal solo son posibles en instalaciones a gran escala como SwissFEL y Swiss Light Source, que emiten pulsos de rayos X extremadamente cortos y extremadamente brillantes. El catalizador se sumerge en una solución de alto octanaje, pero al tomando la perspectiva del metal, podemos elegir específicamente un enlace CH de los cientos de miles que se hicieron para romperse”, explica Raphael Guy, investigador de la Universidad de Uppsala y líder experimental del estudio.

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

«Nuestros cálculos nos permiten determinar claramente cómo fluye la carga electrónica entre el catalizador metálico y el grupo CH en la proporción exacta exacta. Podemos ver cómo la carga que fluye desde el metal en el enlace CH une los dos grupos químicos», explica Ambar Banerjee, investigadora postdoctoral en la Universidad de Uppsala y líder del estudio.

El estudio resuelve un misterio de cuarenta años de antigüedad de cómo un catalizador de dopaje puede realmente romper fuertes enlaces CH mediante el intercambio cuidadoso de fragmentos de electrones y sin la necesidad de temperaturas o presiones enormes. Con su nueva herramienta en la mano, los investigadores quieren aprender cómo dirigir el flujo de electrones para ayudar a desarrollar mejores catalizadores para la industria química con el fin de hacer algo útil a partir del metano y otros alcanos.