Investigadores del Laboratorio de Estructura Molecular y Propiedades (LEMyP), junto con la Universidad Mendeléyev de Moscú, calcularon las fuerzas que actúan sobre los electrones en distintos enlaces, y siguieron cómo cambian esas fuerzas cuando se forma un enlace y se rompe otro. El artículo salió en un número especial de la International Journal of Quantum Chemistry dedicado al enlace químico.
Un trabajo de un equipo de investigadores del Laboratorio de Estructura Molecular y Propiedades (LEMyP) del IQUIBA-NEA (CONICET-UNNE) y de la Universidad Mendeléyev de Tecnología Química (Rusia), publicado en la International Journal of Quantum Chemistry, calculó las fuerzas que actúan sobre los electrones entre dos átomos unidos y siguió esas fuerzas durante una reacción química.
Cuando dos átomos se unen, algo los mantiene juntos. Ese algo se llama enlace químico y explica por qué los átomos se combinan y forman moléculas y materiales, desde la sal de mesa hasta los compuestos de los seres vivos.
Para analizar un enlace, las herramientas disponibles reparten entre los átomos los electrones o la energía de una molécula. Ese reparto sigue convenciones, y existen varias. Por eso dos métodos pueden dar interpretaciones distintas del mismo enlace.
El trabajo publicado tiene como autores a Matías Orlando Miranda (IQUIBA-NEA, CONICET-UNNE), Darío J. R. Duarte (IQUIBA-NEA y Departamento de Química, FaCENA-UNNE; autor de correspondencia) y Vladimir G. Tsirelson (Departamento de Química Cuántica, Universidad Mendeléyev de Tecnología Química, Moscú, Rusia).
La particularidad del trabajo, es que los investigadores propusieron mirar el enlace químico como un mapa de las fuerzas que actúan sobre los electrones a lo largo de la línea que une a los dos átomos y en la región que lo rodea.
Además de la atracción y la repulsión entre cargas eléctricas, los electrones están sujetos a dos efectos de origen cuántico, que se pueden describir como fuerzas efectivas: intercambio y correlación. No son fuerzas fundamentales nuevas, sino una forma de expresar esos efectos.
El intercambio está ligado al principio de exclusión de Pauli: los electrones con el mismo espín (una propiedad cuántica, sin análogo físico macroscópico) tienden a mantenerse separados en el espacio. La correlación, por su parte, describe cómo el comportamiento de cada electrón depende de donde están los demás, más allá del efecto promedio y del intercambio.
Como parte de la investigación, los investigadores calcularon estas fuerzas con métodos de química cuántica (más precisamente, usando la teoría del funcional de la densidad bajo la aproximación PBE) y analizaron hacia dónde apuntan en la región donde se forma el enlace. Todo el trabajo se hizo con cálculos en computadora.
El enfoque fue desarrollado originalmente por Vladimir Tsirelson, coautor del artículo, y sus colaboradores para estudiar cristales. Esta vez se lo extendió a las moléculas y al seguimiento de una reacción química.
Objetos de estudio. Para llevar adelante el análisis de fuerzas planteada, utilizaron en primer lugar, dos moléculas de referencia, el cloruro de sodio (NaCl), donde un átomo transfiere en gran medida electrones al otro, y el cloro molecular (Cl₂), donde dos átomos iguales comparten electrones.
Por otra parte, estudiaron moléculas con flúor unido a litio, berilio, boro, carbono, nitrógeno y oxígeno. Esta serie va pasando poco a poco de enlaces donde un átomo cede electrones a enlaces donde los átomos los comparten.
También analizaron una reacción química, paso a paso. Es la que los químicos denominan SN2, que se presenta con frecuencia en química orgánica: un ion fluoruro reemplaza a un átomo de cloro en una molécula de clorometano.
Intercambio y Correlación. Los resultados obtenidos pueden resumirse de la siguiente manera. La fuerza de intercambio predomina, es la contribución cuántica que más pesa en buena parte de la región entre los átomos, tanto cuando hay cesión de electrones como cuando hay compartición.
La correlación pesa menos, pero responde más a las diferencias entre enlaces. En casi todos los enlaces estudiados el punto que separa a los dos átomos coincide con un mínimo del potencial de correlación y un máximo del de intercambio (la excepción fue el carbono-flúor). Por eso, alrededor de ese punto, las fuerzas tienden a apuntar en sentidos opuestos: las fuerzas asociadas a la correlación favorecen que los electrones se concentren, mientras que las asociadas al intercambio favorecen a que se dispersen.
Observaron también que aparece una “capa adicional”. A medida que el enlace pasa a ser de electrones compartidos, el potencial de correlación muestra que entre los átomos existe una capa más de organización de los electrones. Además, los indicadores obtenidos de estos cálculos siguen la tendencia de la escala que propuso Linus Pauling para medir cuánto de cesión de electrones tiene un enlace.
En la SN2, los investigadores observaron cómo cambian las fuerzas mientras se forma el enlace entre flúor y carbono y se rompe el enlace entre carbono y cloro. Esa evolución es consistente con que ambos procesos ocurren al mismo tiempo y de forma coordinada.
Importancia del estudio. Se trata de investigación básica. Su aporte es conceptual: ofrece una manera de interpretar el enlace químico y la reactividad que parte de la física de cómo se distribuyen los electrones en el espacio. Complementa otros métodos de análisis del enlace, que, como se vio, dependen de convenciones de reparto.
Herramientas de este tipo ayudan a entender por qué ocurren las reacciones químicas. También abren una vía para estudiar la correlación, uno de los aspectos más difíciles de calcular en química cuántica. A largo plazo, podrían ayudar a interpretar y diseñar nuevas moléculas y materiales.
Revista Científica Prestigiosa. International Journal of Quantum Chemistry es una revista de Química Cuántica, enfocada en la publicación de investigaciones originales. Abarca aspectos teóricos y computacionales de la química, la física molecular y la biología molecular. Su edición se viene dando de manera ininterrumpida desde 1967.
