Más allá del enlace

Hace algunos meses, con motivo del año internacional de la química, vino a la facultad a dar una conferencia Antonio M. Echavarren, investigador en el ICIQ. La conferencia trataba sobre reacciones catalizadas por oro, un tema no demasiado ameno a decir verdad.

En todo caso, Echavarren también hizo algunas reflexiones interesantes a lo largo de la  conferencia, que para bien o para mal es lo que uno mejor recuerda. En concreto, me llamó la atención aquella en la que decía (no con estas palabras) que el enlace químico, para muchos el concepto sobre el cual se sustenta toda la química, es un concepto que no está 100% definido, no está claro qué tipo de interacciones entre átomos se pueden considerar o no enlace químico. Lo que para unos puede parecer un talón de Aquiles, Echavarren lo veía como un signo de vitalidad, una señal de que la química, la “ciencia de la complejidad”, está más viva que nunca.

También con motivo del año internacional de la química, Nature publicó en enero (vol. 469) un genial artículo sobre el enlace químico titulado “Beyond the bond”, escrito por Philip Ball. Las ideas que transmite el artículo no están demasiado alejadas, en esencia, de las expuestas en la anécdota introductoria.

[Nota: lo que escribo a continuación está extraído del artículo citado y pretende ser una breve síntesis de éste]

Empieza Ball por citarnos una frase del químico teórico Charles Coulson: “Un enlace químico no es algo real, no existe: nadie lo ha llegado a ver. Es un producto de nuestra propia imaginación”.

Ésta es una frase ciertamente incómoda para un químico, y puede poner en jaque a una ciencia plagada de formalismos ficticios entre los cuales se encuentra el enlace como el más importante (otros serían electronegatividad, estado de oxidación, acidez…).

Si el concepto de enlace químico históricamente ya ha sido polémico, resulta que ahora lo es más que nunca debido a nuevas técnicas experimentales (espectroscopia, RMN…) y progresos teóricos que ofrecen nuevas formas de estudiarlo. Un ejemplo sería el puente de hidrógeno, cuya visión tradicional se ha visto alterada a raíz de nuevas evidencias experimentales.

Una complicación adicional en el estudio del enlace es que los datos experimentales recientes apuntan a una realidad dinámica muy alejada de la visión estática y de estructura definida que las teorías actuales sostienen. Parece ser que lo que se mide en un enlace depende en gran medida del momento en que es medido.

A raíz de esto, surge el dilema de si la existencia del enlace depende de la manera en que se prueba, o más bien hay que adoptar un criterio absoluto. También surge la cuestión de si hay que seguir usando reglas de oro a priori funcionales, o todo puede reducirse a física cuántica. El hecho que nos decantemos hacia una opción u otra en estas cuestiones, tiene consecuencias reales en cómo entendemos y resolvemos la química. En definitiva, estamos lejos de entender de forma exhaustiva la manera en que las las leyes de la física cuántica dan lugar a enlaces entre átomos.

La comprensión del enlace químico ha ido variando a lo largo del tiempo: desde la concepción electrostática/iónica (que no explicaba moléculas como la de hidrógeno, con ambos átomos neutros); pasando por la teoría de Lewis, en la cual los átomos comparten electrones; hasta las más actuales y en cierto modo “rivales” teoría del enlace de valencia (Pauling) y teoría de los orbitales moleculares (Mulliken), si bien parece que esta última se desenvuelve mejor en la mayoría de casos.

En realidad, ambas teorías, al igual que el método Hartree-Fock, son aproximaciones consistentes en expresar una función de onda resultante como combinación de las funciones de onda de los electrones individuales, y son aproximaciones debido a que no incluyen la influencia que ejercen los electrones mútuamente entre sí.

Además de esto, tampoco está claro cuando definir dos átomos como enlazados y cuando no. Según Pauling, un grupo de átomos debe ser considerado como enlazado cuando “es conveniente para el químico considerarlo como especie molecular independiente”. Otro criterio (éste de Coulson) es que un grupo de átomos está enlazado cuando su energía es inferior a la que tendrían separados por una distancia infinita. Aún así, ambos criterios no dejan de ser ambiguos si por ejemplo entran en juego las fuerzas de van der Waals.

Por otra parte, considerar átomos como enlazados o no puede depender del contexto si por ejemplo son forzados a acercarse unos a otros por los átomos que les rodean, además de la cuestión de carácter arbitrario de decidir a qué átomo “pertenece” cada electrón.

Podríamos hacer una distinción para diferenciar dos átomos enlazados de no-enlazados en función de cómo varía la fuerza entre ellos en relación a la distancia. Obviamente, se produce un decaimiento del enlace covalente al aumentar la distancia, al igual que lo hace la atracción de van der Waals. Pero este criterio tampoco escapa de la imprecisión si tenemos en cuenta la aurofilicidad, fenómeno en el cual complejos de oro en disolución tienden a agregarse mediante atracciones de la naturaleza de van der Waals, sólo que más fuertes debido a efectos relativistas (núcleo pesado). Químicamente tendría sentido considerar la aurofilicidad como enlace “auténtico”, si bien al precio de renunciar a otro criterio para distinguir enlaces químicos “verdaderos”.

En gran medida, el aspecto clave del enlace parece recaer en la dinámica, desde la cual incluso moléculas simples pueden comportarse de manera compleja. Esta complejidad hasta ahora no se había tenido en cuenta, en parte debido a dificultades experimentales. Pero gracias a los láseres de pulso ultracorto podemos interactuar con los átomos y moléculas obteniendo información de la evolución dinámica del sistema estudiado, información que dependerá de cómo aplicamos las técnicas de medida. Esto nos proporciona una visión en la cual una reacción química ya no es la formación y degradación de enlaces, sino la evolución de los átomos en una curva de energía potencial.

Así pues, tiene sentido hablar de un estado de enlace instantáneo para una determinada configuración del núcleo. Asumiendo que los electrones, mucho más ligeros que el núcleo, se ajustan al instante para cada cambio en las posiciones nucleares, obtenemos la aproximación de Born-Oppenheimer. Aún así, hay casos en los que la aproximación falla: sistemas de estado sólido (p. ej. superconductividad) o incluso moléculas (particularmente en el campo de la fotoquímica); casos en que los grados de libertad molecular pueden volverse interdependientes de forma extraña.

Debido a todo este nuevo control dinámico de los estados cuánticos, se está alcanzando una nueva visión en química que reemplaza la imagen estática de moléculas con parámetros fijos. A pesar de todo, esta visión no debe implicar un abandono de las ideas antiguas de enlace químico, sino un enfoque de estos enlaces como grados de atracción que aumentan y disminuyen.

Algunas partes de la ciencia pueden ser exhaustivamente explicadas por una sola teoría, pero esto es la excepción. Normalmente tenemos varias teorías, algunas excluyentes, otras que se solapan, otras complementarias. Y la elección de nuestro marco teórico viene determinado, más que por consistencia experimental, por razones subjetivas como simplicidad, utilidad o elegancia.

Tal y como dice Roald Hoffmann, “toda definición rigurosa del enlace está destinada a ser empobrecedora”.

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