Durante una reacción química, las moléculas involucradas en la reacción ganan energía hasta que alcanzan un "punto sin retorno" conocido como estado de transición.

Hasta ahora, nadie ha vislumbrado este estado, ya que dura solo unos pocos femtosegundos (cuadrillonésimas de segundo). Sin embargo, químicos en el MIT, Laboratorio Nacional Argonne, y varias otras instituciones han ideado ahora una técnica que les permite determinar la estructura del estado de transición mediante la observación detallada de los productos que resultan de la reacción.

"Estamos analizando las consecuencias del evento, que han codificado en ellos la estructura real del estado de transición, "dice Robert Field, el profesor Robert T. Haslam y Bradley Dewey de química en el MIT. "Es una medida indirecta, pero se encuentra entre las clases de medición más directas que han sido posibles ".

Field y sus colegas utilizaron espectroscopia de ondas milimétricas, que puede medir la energía rotacional-vibratoria de las moléculas del producto de reacción, para determinar la estructura de los productos de la descomposición del cianuro de vinilo causada por la luz ultravioleta. Usando este enfoque, identificaron dos estados de transición diferentes para la reacción y encontraron evidencia de que pueden estar involucrados estados de transición adicionales.

Field es el autor principal del estudio, que aparece esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . El autor principal es Kirill Prozument, un ex postdoctorado del MIT que ahora se encuentra en el Laboratorio Nacional de Argonne.

Un concepto central de la química

Para que ocurra cualquier reacción química, las moléculas que reaccionan deben recibir una entrada de energía que permita a las moléculas activadas alcanzar un estado de transición, a partir de la cual se forman los productos.

"El estado de transición es un concepto central de la química, ", Dice Field." Todo lo que pensamos en las reacciones realmente depende de la estructura del estado de transición, que no podemos observar directamente ".

En un artículo publicado en 2015, Field y sus colegas utilizaron espectroscopía láser para caracterizar el estado de transición de un tipo diferente de reacción conocida como isomerización. en el que una molécula sufre un cambio de forma.

En su nuevo estudio, los investigadores exploraron otro estilo de reacción, utilizando radiación láser ultravioleta para romper moléculas de cianuro de vinilo en acetileno y otros productos. Luego, utilizaron espectroscopía de ondas milimétricas para observar la distribución poblacional del nivel vibratorio de los productos de reacción unas millonésimas de segundo después de que ocurriera la reacción.

Usando esta técnica, los investigadores pudieron determinar poblaciones nacientes de moléculas en diferentes niveles de energía vibratoria, una medida de cuánto se mueven los átomos de una molécula entre sí. Esos niveles de energía vibratoria también codifican la geometría de las moléculas cuando nacieron en el estado de transición, específicamente, cuánta excitación de flexión hay en los ángulos de enlace entre el hidrógeno, carbón, y átomos de nitrógeno.

Esto también permitió a los investigadores distinguir entre dos productos de la reacción ligeramente diferentes:cianuro de hidrógeno (HCN), en el que un átomo de carbono central está unido a hidrógeno y nitrógeno, e isocianuro de hidrógeno (HNC), en el que el nitrógeno es el átomo central, unido al carbono y al hidrógeno.

"Esta es la huella digital de lo que era la estructura durante el instante en que se liberó la molécula, "Field dice." Los métodos anteriores de observar las reacciones eran ciegos a las poblaciones vibratorias, y estaban ciegos a la diferencia entre HCN y HNC ".

Los investigadores encontraron tanto HCN como HNC, que se producen a través de diferentes estados de transición, entre los productos de reacción. Esto sugiere que ambos estados de transición, que representan diferentes mecanismos de reacción, están en juego cuando el cianuro de vinilo es descompuesto por el láser ultravioleta.

"Esto implica que hay dos mecanismos diferentes que compiten por los estados en transición, y podemos separar la reacción en estos diferentes mecanismos, ", Dice Field." Esta es una técnica completamente nueva, una nueva forma de ir al corazón de lo que sucede en una reacción química ".

Mecanismos adicionales

Los datos de los investigadores muestran que existen mecanismos de reacción adicionales más allá de esos dos, pero se necesitan más estudios para determinar sus estructuras de estado de transición.

Field y Prozument están utilizando ahora esta técnica para estudiar los productos de reacción de la descomposición pirolítica de la acetona. También esperan usarlo para explorar cómo la triazina, un anillo de seis miembros de átomos de carbono y nitrógeno alternados, se descompone en tres moléculas de HCN, en particular, si los tres productos se forman simultáneamente (un "triple golpe") o secuencialmente.