Los científicos utilizaron tecnología de difracción de electrones ultrarrápida para obtener imágenes de la estructura del mínimo pericíclico, el "estado de transición" de la reacción del anillo eléctrico. En las reacciones químicas, las moléculas pasan por geometrías críticas a medida que se transforman de reactivos a productos de reacción. En química, la geometría se refiere a la disposición de los átomos en una molécula. Los científicos suelen referirse a la geometría crítica de una reacción como estado de transición. La duración de este estado es casi incomprensiblemente corta, menos de una millonésima de segundo.
Ilustración artística de la estructura fotoquímica del "estado de transición" observada (centro). Este estado dura menos de una millonésima de segundo. Fuente de la imagen: Cortesía de Greg Stewart, Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC
Los científicos capturaron recientemente geometrías críticas utilizando la "cámara electrónica" de ultra alta velocidad de SLAC. Combinado con simulaciones cuánticas de la reacción, los investigadores identificaron la estructura crítica como un extremo de la molécula doblado hacia afuera del resto de la molécula.
Los químicos utilizan la reacción investigada en este estudio, la llamada reacción electrocíclica, porque produce productos de reacción muy específicos. Estos productos pueden predecirse mediante la regla de Woodward-Hoffman. Estas reglas ganaron el Premio Nobel de Química en 1981 y se enseñan en la educación universitaria de todos los químicos orgánicos.
Sin embargo, estas reglas no explican en detalle por qué una reacción produce sólo un producto de reacción específico. Los nuevos resultados ayudan a resolver esta pregunta abierta. Además, abren el camino para que los investigadores creen nuevas reglas para otro tipo de reacciones. Esto ayuda a hacer de la química orgánica una herramienta más poderosa.
Las reacciones electrocíclicas se caracterizan por la formación y disociación simultánea de múltiples enlaces químicos a través de una geometría crítica. En la molécula estudiada en este proyecto, el alfa-terpineno, dos dobles enlaces y un simple enlace se convierten en tres dobles enlaces. La sincronía y la configuración crítica única de estos procesos aseguran su estereoespecificidad, una propiedad que los convierte en herramientas importantes en la química sintética. La estereoespecificidad puede predecirse mediante la conocida regla de Woodward-Hoffman.
Este estudio combina la difracción de electrones ultrarrápida y la simulación de la cinética de reacción del α-terpineno para investigar una reacción electrocíclica de apertura de anillo fotoquímica (es decir, activada por luz). La estereoespecificidad de las reacciones en los α-terpenos está garantizada porque los dos extremos del producto de la reacción en cadena emergente giran alejándose uno del otro en el mismo sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj, como lo predice la regla de Woodward-Hoffmann.
Los nuevos resultados muestran que el origen de la estereoespecificidad no reside en la naturaleza exacta del movimiento. Más bien, la estereoespecificidad está determinada por el hecho de que el cambio de dos a tres dobles enlaces ya se ha producido en gran medida cuando la molécula adopta una geometría crítica. La disociación del enlace simple que conduce a la apertura del anillo de α-terpineno se produce durante la transición de la molécula desde su geometría crítica al producto de reacción.