Los físicos que trabajan con Roland Wester en la Universidad de Innsbruck han investigado si y cómo las reacciones químicas pueden verse influenciadas por la excitación vibratoria dirigida de los reactivos. Pudieron demostrar que la excitación con un rayo láser no afecta la eficiencia de una reacción de intercambio químico y que el grupo molecular excitado actúa solo como espectador en la reacción.

Una reacción de uso frecuente en química orgánica es la sustitución nucleofílica. Entre otras cosas, desempeña un papel importante en la síntesis de nuevos compuestos químicos o de biomoléculas en solución y, por tanto, es de gran importancia industrial. En esta reacción, las partículas cargadas encuentran moléculas y un grupo molecular es reemplazado por otro. Por mucho tiempo, la ciencia ha intentado reproducir estos procesos en la interfaz de la química y la física en el laboratorio y comprenderlos a nivel atómico. El equipo dirigido por el físico experimental Roland Wester en el Instituto de Física Iónica y Física Aplicada de la Universidad de Innsbruck es uno de los principales grupos de investigación del mundo en este campo.

Reacción de intercambio de protones reforzada

En un experimento especialmente construido, los físicos de Innsbruck chocaron las partículas cargadas con moléculas en el vacío y examinaron los productos de reacción. Para determinar si la excitación de la vibración objetivo tuvo un impacto en una reacción química, los científicos utilizaron un rayo láser que excitó una vibración en la molécula. En el experimento, Se utilizaron iones de flúor cargados negativamente (F-) y moléculas de yoduro de metilo (CH3I). En la colisión debido al intercambio de un enlace de yodo con un enlace de flúor, Se formaron una molécula de fluoruro de metilo y un ión de yodo cargado negativamente. Antes de que las partículas se encontraran el láser excitaba las vibraciones de estiramiento de carbono-hidrógeno en la molécula.

"Nuestras mediciones muestran que la excitación del láser no mejora la reacción de intercambio, ", dice la científica participante Jennifer Meyer." Los átomos de hidrógeno simplemente parecen estar observando la reacción ". El resultado está corroborado por la observación de que una reacción competitiva aumenta fuertemente. En esta otra reacción de intercambio de protones, se arranca un átomo de hidrógeno de la molécula de yoduro de metilo y se forma fluoruro de hidrógeno (HF). "Dejamos que las dos especies choquen 20 veces por segundo, el láser se aplica en cada segunda colisión, y repetimos el proceso millones de veces, "explica Meyer." Siempre que se irradia el láser, esta reacción de intercambio de protones se amplifica drásticamente ". Los químicos teóricos de la Universidad de Szeged en Hungría y la Universidad de Nuevo México en los Estados Unidos han respaldado aún más los resultados experimentales de Innsbruck utilizando simulaciones por computadora.

En investigaciones de alta precisión de procesos químicos, solo el modelo más simple, la reacción de un átomo con una molécula diatómica, ha sido estudiado. "Aquí, todas las partículas están inevitablemente involucradas en la reacción. No hay observadores ", dice Roland Wester. "El sistema que estamos estudiando ahora es tan grande que aparecen observadores. Sin embargo, todavía es lo suficientemente pequeño como para poder estudiar a estos observadores con mucha precisión". Para moléculas grandes, hay muchas partículas que no están directamente involucradas en la reacción. La investigación de su papel es uno de los objetivos a largo plazo de los investigadores. También quieren perfeccionar el experimento actual para descubrir más posibles efectos sutiles.

Química controlada por láser

La cuestión de si ciertas reacciones pueden intensificarse mediante la excitación dirigida de grupos moleculares individuales también es una consideración importante. "Si entiendes algo, también puedes ejercer control, "resume Roland Wester". En lugar de estimular una reacción a través del calor, puede tener sentido estimular solo grupos individuales de moléculas para lograr una reacción específica, "agrega Jennifer Meyer. Esto puede evitar procesos de reacción competitivos que son un problema común en la química industrial o la investigación biomédica. Cuanto más preciso sea el control sobre la reacción química, cuanto menos desperdicio se produce y menores son los costos.

El artículo actual ha sido publicado en la revista Avances de la ciencia . La investigación fue financiada por, entre otros, el Fondo de Ciencias de Austria FWF y la Academia de Ciencias de Austria.