Los químicos desafían reglas de décadas de antigüedad con un avance revolucionario sobre los "electrones libres"
Los químicos han desarrollado un método para utilizar electrones libres y dirigir reacciones más allá de los límites impuestos por las reglas convencionales de transferencia de electrones. Crédito: Shutterstock
Scitechdaily.com
Por la Universidad de Wisconsin-Madison31 de julio de 2026
Los electrones libres ofrecen a los químicos una nueva forma de controlar reacciones que las reglas convencionales de transferencia de electrones normalmente impedirían.
Dentro de un matraz de reacción, un electrón puede determinar qué moléculas se combinan y cuáles permanecen inalteradas. Los químicos se basan en este control para sintetizar compuestos complejos utilizados en medicamentos que salvan vidas, materiales avanzados y modelos de laboratorio de sistemas biológicos. Una de sus herramientas más útiles es la transferencia de un solo electrón, que puede activar moléculas que de otro modo resistirían la reacción y permitirles unirse.
Durante décadas, sin embargo, una regla básica ha restringido las reacciones que los químicos pueden diseñar. Cuando dos moléculas compiten por recibir un electrón, este suele desplazarse hacia la molécula más fácil de reducir. Investigadores liderados por químicos de la Universidad de Wisconsin-Madison, en colaboración con colegas de la Universidad Estatal de Colorado y la Universidad de Colorado Boulder, han desarrollado un enfoque diferente. Publicada en Nature , esta estrategia supera un problema persistente en la selectividad de la transferencia de electrones y podría posibilitar reacciones de acoplamiento previamente inaccesibles.
Los electrones libres evitan la preferencia habitual
“Nuestro catalizador funciona de forma un tanto diferente, ya que expulsa el electrón directamente al disolvente”, explica Zachary Wickens, profesor del Departamento de Química de la Universidad de Wisconsin-Madison y líder del proyecto. “Esto proporciona, más o menos, el reductor más potente y la fuente de electrones más agresiva posible, puesto que un electrón libre prefiere estar en prácticamente cualquier molécula antes que estar solo en la disolución”.
Una vez liberado en el disolvente, el electrón entra rápidamente en la primera molécula con la que se encuentra. Su elección ya no depende principalmente de qué molécula sea la más capaz de estabilizar el electrón añadido. Como dice Wickens: «cualquier cosa es mejor que el electrón flotando libremente en la disolución».
Reacción electrofotocatalítica en curso en el laboratorio de Wickens en la Universidad de Wisconsin-Madison. Crédito: Zachary Wickens
Los pasos posteriores determinan qué reacción tiene éxito
Mientras que los experimentos en el laboratorio de Wickens establecieron el nuevo marco de reacción, colaboradores en Colorado investigaron el mecanismo subyacente. Investigadores de la Universidad Estatal de Colorado utilizaron modelos computacionales, mientras que científicos de la Universidad de Colorado Boulder aplicaron espectroscopia para rastrear los eventos químicos que controlan la reacción. Robert Paton dirigió el trabajo de la Universidad Estatal de Colorado con el apoyo del Centro para la Catálisis Fotorredox Sostenible (SuPRCat), financiado por la Fundación Nacional de Ciencias.
Profesor Zachary Wickens, Universidad de Wisconsin-Madison. Crédito: Departamento de Química de la Universidad de Wisconsin-Madison.
Los análisis demostraron que la selección decisiva no se produce cuando el electrón entra por primera vez en una molécula, sino que surge durante los pasos posteriores.
«Nuestros cálculos revelan cómo surge la selectividad decisiva una vez que ya se ha producido la transferencia de electrones», afirma Paton. «Descubrimos que el reactivo deseado puede evitar la reversión y continuar hacia el producto, mientras que el reactivo que se reduce con mayor facilidad se recicla eficazmente a su material de partida. Esto explica cómo la reacción puede tener éxito a pesar de la preferencia termodinámica habitual».
La molécula necesaria para la reacción deseada puede continuar su camino hacia el producto final, mientras que la molécula competidora, que acepta un electrón con mayor facilidad, invierte su curso y regresa a su forma original. Esta secuencia permite a los químicos superar la preferencia habitual impuesta por la termodinámica.
Un marco más amplio para la química redox
Wickens y sus colegas han dedicado los últimos cinco años al desarrollo de la familia de catalizadores que hizo posible este enfoque alternativo para lograr selectividad. En lugar de introducir una única técnica de laboratorio adicional, este trabajo proporciona un principio más amplio para planificar reacciones que impliquen oxidación y reducción.
Según Wickens, “Esto no es solo otro método sintético; es una nueva forma de diseñar reacciones redox”.
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Referencia: «La selectividad surge de la fotorreducción indiscriminada», por Joseph M. Edgecomb, Arindam Sau, Niket Manoj, Matthew D. Resmini, Alissia F. Meyer, Robert S. Paton, Niels H. Damrauer y Zachary K. Wickens, 15 de julio de 2026, Nature .
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