Investigadores de la Universidad de Pensilvania y del Laboratorio Nacional Argonne han realizado la observación más directa de un intermedio clave formado durante la descomposición de los hidrocarburos en la combustión y la atmósfera. Publicado en Ciencias, esta evidencia de un radical centrado en el carbono podría ayudar en el diseño futuro de combustibles que se queman de manera más eficiente.

Compuestos orgánicos volátiles (COV), que están hechos de átomos de carbono e hidrógeno y existen como gases a temperatura ambiente, incluyen combustibles cotidianos como el butano y la gasolina, así como las emisiones naturales de plantas y árboles. Cuando los COV se liberan a la atmósfera, se descomponen mediante un proceso químico conocido como oxidación.

La reacción de oxidación es constante en muchos COV, pero los intermedios químicos específicos formados durante una reacción prototípica no se habían observado directamente antes. Se pensó que uno de esos intermedios era un factor crucial en el resultado de la reacción:la formación de un radical centrado en carbono llamado QOOH. Aquí, la "Q" indica cualquier grupo químico que tenga un átomo de carbono con un electrón desapareado altamente reactivo, y "OOH" indica un grupo hidroperóxido.

Si bien los investigadores habían planteado la hipótesis de este intermedio QOOH durante muchos años, dice Marsha I. Lester, autor correspondiente y profesor de química de Penn, ha sido difícil de observar porque es de corta duración y se degrada rápidamente.

"Este intermedio es un 'patio de maniobras' que controla varios pasos posteriores que pueden suceder, y esos pasos son realmente importantes para la propagación de esta química, ", dice Lester." Pero los intermedios QOOH prototípicos no se han observado directamente, por lo que faltaban piezas críticas sobre cómo se produce esta red de reacciones químicas ".

Ahora, los experimentales del laboratorio de Lester y los teóricos del laboratorio de Stephen J. Klippenstein en Argonne han publicado la observación más directa de QOOH hasta la fecha. Usando láseres de espectroscopia infrarroja novedosos para recolectar la huella digital de QOOH, "equipo de refrigeración avanzado para estudiar la reacción sin condensación, y una estrategia de síntesis innovadora, Penn postdoctorado Anne Hansen y la estudiante de posgrado Trisha Bhagde identificaron QOOH, rastreó su degradación, y observó qué productos químicos se formaron durante la oxidación.

Habían obtenido sus primeras señales poco antes de que comenzaran los cierres pandémicos. Trabajando durante la caída los investigadores de Penn se dieron cuenta de que necesitaban técnicas de modelado más avanzadas para explicar sus resultados. Para hacer esto, colaboraron con los investigadores de Argonne para realizar los cálculos sofisticados necesarios para comprender lo que estaban viendo. Los investigadores de Penn también pudieron validar estas nuevas predicciones en el laboratorio.

"Habíamos estado haciendo predicciones basadas en la molécula hipotética QOOH durante muchos años, pero no teníamos idea de lo buenas que eran, ", dice Klippenstein." Los resultados experimentales mostraron que tenían algunos defectos que podíamos corregir ". El equipo modificó su modelo teórico para que la predicción y los resultados experimentales ahora coincidan con gran precisión.

Un resultado inesperado de la investigación consistió en descubrir el papel de los túneles de la mecánica cuántica en el impulso de esta reacción química. "Si estás conduciendo y ves una montaña, por ejemplo, podría crear un túnel en lugar de cruzar la montaña, "Lester dice". Normalmente, anticipamos la construcción de túneles para partículas ligeras, como un electrón, un protón, o un átomo de hidrógeno, pero en este sistema eran átomos pesados, como átomos de oxígeno, que están haciendo túneles. Eso es casi inaudito ".

Estos resultados proporcionan información importante para comprender más a fondo la química que rodea a la oxidación de COV. El grupo Lester continuará su trabajo mirando la huella digital de QOOH para ayudar a determinar su presencia en muestras ambientales. El equipo también está realizando experimentos para ver cómo cambia el intermedio con diferentes sustituyentes químicos en el radical centrado en carbono.

Lester dice que estos hallazgos tienen implicaciones tanto en las ciencias básicas como en las aplicadas. Comprender a fondo esta química podría permitir a los futuros investigadores diseñar mejores combustibles que se quemen de manera más eficiente. una propuesta "radical" ya que los investigadores de varios campos intentan abordar la actual crisis climática.