Por primera vez, los investigadores han observado cómo el bromoformo reorganiza sus átomos en menos de una billonésima de segundo después de ser golpeado por un pulso ultravioleta (UV). La técnica de obtención de imágenes permitió captar una vía prevista desde hace tiempo mediante la cual la molécula dañina para la capa de ozono transforma su estructura al interactuar con la luz.
La energía de los rayos ultravioleta del sol induce muchos procesos químicos en la Tierra. Para comprender, utilizar o mitigar los daños causados por estas reacciones químicas, a menudo ultrarrápidas, es fundamental comprender cómo funcionan a nivel atómico. “ ¿Cómo se comunican los electrones y los átomos entre sí para que se produzca una determinada reacción química? Bromoform es un sistema modelo líder para responder a estas preguntas dice Oliver Gessner, científico principal del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía.
Durante décadas, químicos de todo el mundo han estudiado la fotoquímica ultravioleta del bromoformo. Este compuesto natural descompone el ozono en la atmósfera terrestre y es producido naturalmente por el fitoplancton y las algas marinas en los océanos. Según la teoría, bajo la exposición a los rayos UV sufre dos procesos diferentes: en la disociación, un átomo de bromo se separa del resto de la molécula; En la isomerización, los átomos se reorganizan en una configuración diferente o isomérica.
« Algunos afirman haber observado firmas de este isómero, pero ha sido demasiado fugaz para poder comprobarlo. dijo Gessner, quien dirige el Programa de Ciencias Atómicas, Moleculares y Ópticas en la División de Ciencias Químicas del Laboratorio de Berkeley. Además, las teorías difieren significativamente en cuanto a la proporción de bromoformo que sigue cada vía.
En un estudio publicado en el Journal of the American Chemical Society, Gessner y sus colegas desarrollaron un experimento que no solo confirmó la formación de este isómero, sino que también determinó la proporción de moléculas de bromoformo que se disocian y la proporción de moléculas que forman isómeros.
Los investigadores primero excitaron las moléculas gaseosas de bromoformo con una ráfaga ultrarrápida de luz ultravioleta (longitud de onda de 267 nanómetros), luego tomaron imágenes de las moléculas excitadas con pulsos electrónicos ultracortos utilizando el sistema de difracción de electrones relativista ultrarrápido del instrumento en el Centro Nacional SLAC. Laboratorio de aceleradores. Este instrumento es parte de la fuente de luz coherente Linac en SLAC, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía.
« Las moléculas deciden en unos cientos de femtosegundos qué dirección van a tomar, así que teníamos que ser más rápidos », añadió el señor Gessner.
A partir de las imágenes electrónicas, los investigadores pudieron medir las distancias entre los átomos dentro de las moléculas de bromoformo y seguir la evolución de estas distancias a lo largo del tiempo. El análisis mostró que aproximadamente el 60% de las moléculas de bromoformo experimentaron isomerización dentro de los primeros 200 femtosegundos (1 femtosegundo = 1/1.000.000.000.000.000 de segundo) de excitación y que esta isomerización persistió durante toda la duración del experimento de 1,1 picosegundos (1 picosegundo es igual a 1000 femtosegundos).
« Fue realmente emocionante ver exactamente la configuración que algunos habían predicho para este isómero. “, indicó el señor Gessner. El 40% restante del bromoformo sufrió disociación directa. Este resultado constituye un paso importante en la comprensión de la fotoquímica del bromoformo y la fotoquímica inducida por UV en general.
« La secuencia de vías químicas afecta los productos químicos finales. », y de nuevo el señor Gessner.
La medición de referencia de una tasa de formación de isómeros largamente debatida permite perfeccionar las teorías que predicen estas reacciones y sus productos. Además, el estudio demuestra que la técnica ultrarrápida proporciona respuestas claras a preguntas sobre la velocidad de la población de isómeros y su vida útil. Según Gessner, se trata de una herramienta muy poderosa.
Leyenda de la ilustración: Una vía ultrarrápida prevista desde hace mucho tiempo en la fotoquímica ultravioleta del bromoformo se visualiza por primera vez mediante difracción de electrones con resolución temporal en femtosegundos. Crédito: Melody Li, Debadarshini Mishra y Lars Hoffmann
Artículo: «Vías de reacción inducidas por UV en bromoformo sondeadas con difracción de electrones ultrarrápida» – DOI: 10.1021/jacs.4c07165
