Recientemente, un grupo de químicos orgánicos de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) acaba de hacer lo “imposible”: violar la regla de Bredt.1 Esto me lleva a pensar en los “imposibles” en ciencia (en este caso química) y cómo algunos herejes, a veces a precio muy alto, rompen los paradigmas que son los pilares de su disciplina y abren nuevas fronteras en el conocimiento científico.2 Quizá el “imposible” más conocido en química sea el que se rompió hace poco más de 60 años. Este dogma consideraba que los gases inertes o nobles no pueden reaccionar con otros elementos químicos.
La soledad de los gases nobles
Los divulgadores utilizan metáforas para explicar el comportamiento de los elementos químicos y cómo reaccionan entre ellos. El químico y literato Francisco Rebolledo hace lo propio en su libro La ciencia nuestra de cada día I y II. Ahí, Rebolledo describe al radón —un gas inerte— como “un venerable anciano, un verdadero budista, que reposa en el nirvana indiferente a los deseos que acosan a casi todos los demás elementos”. La comparación se entiende al saber que el radón es un gas inerte (noble) que rara vez reacciona con los demás elementos químicos, pues todos los de esta familia para ser estables
Entre 1916 y 1923, Gilbert Newton Lewis propuso y mejoró sus trabajos sobre el enlace químico.2 A partir de ahí, la comunidad científica entendió cómo se forman las moléculas a partir de los átomos. Lewis insertó el concepto (entre otros) de “octeto” para explicar que los elementos de la tabla periódica tienen una tendencia a completar sus orbitales con ocho electrones (el hidrógeno es una excepción, pues se “llena” con dos). Esto funciona para todos los elementos, menos los gases inertes, debido a que estos ya tienen el octeto lleno. Por esta razón, la mayoría de los químicos de la época pensaron que no se encontrarían compuestos que tuvieran algún gas noble. Incluso los científicos que descubrieron algunos gases nobles, como el inglés William Ramsay (quien encontró al helio, neón, criptón, xenón y argón), intentaron combinar el argón con el flúor, pero no encontraron rastros de reacción química. Los datos experimentales y teóricos parecían zanjar la cuestión: los gases nobles no reaccionan con ningún otro elemento. Son los solitarios de la tabla periódica. ¿O no?
El hereje
El amor entra por los ojos, dice un refrán conocido. Para mucha gente que nos gusta la química, este dicho es cierto. Los químicos reconocidos, como Linus Pauling, dicen que se enamoraron de esta disciplina cuando vieron la reacción de la serpiente de carbono. En esta combinación química reaccionan el carbono con ácido sulfúrico. El ácido deshidrata el azúcar, por lo que le quita sus oxígenos e hidrógenos, quedando como residuo el carbono (y otras sustancias). Este último parece que tiene “vida” propia, pues se va elevando en el recipiente que lo contiene como si fuera una serpiente negra.
Algo parecido le pasó al primer hereje de los gases nobles: Neil Bartlett. A los 12 años, el adolescente preparó cristales de amoníaco acuoso (incoloro) con sulfato de cobre (azul) en agua, en su escuela primaria ubicada en su natal Inglaterra. Su interés por la química nunca mermó, y construyó un pequeño laboratorio improvisado en casa de su madre. Su pasión y constancia lo llevaron a obtener una beca para hacer sus estudios universitarios en Durham, Reino Unido, que culminaron en un doctorado, en 1958, en el Kings College.
Experimentos y escritos sencillos
Todos los científicos basan su trabajo en los estudios de otros investigadores. Aunque Bartlett mencionó que la idea de hacer reaccionar el xenón y el hexafloruro de platino (PtF6) se le ocurrió por sí solo, esto puede ser una verdad a medias. Por ejemplo, Linus Pauling teorizó que, por lo menos, el xenón podría formar compuestos químicos debido a que es un átomo de gran tamaño y no podría “retener” tan bien a los electrones que “rodean” su núcleo. Los químicos Albert Kaye y Don Most (exprofesor de Pauling) intentaron, en 1933 a sugerencia de John Allen, sintetizar un compuesto con xenón. El experimento no obtuvo resultados positivos, sin embargo, la investigación fue tan interesante que se publicó en el Journal of the American Chemical Society, algo inusual en ciencia, pues rara vez se logran publicar resultados “negativos”. En la conclusión de su artículo indicaban que “no se puede decir que se haya encontrado evidencia definitiva de la formación de compuestos”.3 Sin embargo, escribieron “no se deduce, por supuesto, que el fluoruro de xenón sea incapaz de existir”.
Era viernes 23 de marzo de 1962 cuando Bartlett terminó de preparar su experimento en su laboratorio en la Universidad de Columbia. Era sencillo, pero no por eso poco elegante. Constaba de dos recipientes de vidrio soplado, hechos por el mismo Bartlett, cada uno con su respectivo gas: uno de color rojo, el hexafluoroplatino y uno incoloro, el xenón; ambos separados por una “barrera” que impedía que reaccionarán. Cuando Barlett quitó la barrera física que impedía la combinación del PtF6 y el xenón, la reacción química fue casi instantánea. Un sólido color mostaza estaba frente a sus ojos. Imagino el eureka que debió haber vivido. La primera molécula con un elemento noble que se había sintetizado. Sin embargo, Barlett, como buen científico, le dio una muestra del compuesto mostaza a su colega David Frost, químico inorgánico especialista en gases nobles, quien, por medio del espectrómetro de masas, validó los resultados de Neil Bartlett.
En abril de 1962, Barlett envió a los editores de la revista Proceedings4 (hoy Chemical Communications) un pequeño artículo (alrededor de 250 palabras) que aceptaron de manera inmediata en el número de junio de la revista. Fue algo inusual, ya que un artículo científico normalmente pasa por algunas correcciones antes de ser aceptado. En el manuscrito se describía la síntesis entre el xenón y el hexafluoroplatinato (PtF6) con fórmula química XePtF6, un sólido color mostaza, que cambiaría para siempre los libros de texto de química.
El fin de la soledad
Poco a poco, el dogma se fue resquebrajando. Tan sólo seis meses después del experimento de Bartlett, Henry Selig, Howard y John Malm, químicos del Laboratorio Nacional Argonne, en Chicago, sintetizaron el primer compuesto binario con xenón. Posteriormente, a inicios del presente siglo, en agosto del año 2000, un equipo de científicos de Helsinki, en Finlandia, sintetizaron un compuesto con argón, llamado fluoruro de argón de hidrógeno (HArF).5 A finales de 2022 se conocían más de cuarenta compuestos que contienen xenón. Pero el elemento que más se resistía en reaccionar con sus colegas era el helio. ¿Podría lograrse?
En 2017, un grupo de científicos publicó en la revista Nature Chemistry un trabajo que provocó conmoción entre la comunidad química. El equipo liderado por Xiao Dong, de la Universidad de Nankín, en China, realizó la primera síntesis de una sustancia química estable con helio. La molécula creada es el heliuro de disodio (Na2He).6 Además, en el artículo predijeron otra molécula: el óxido de heliuro de disodio (Na2HeO). La comunidad química piensa que este tipo de estructuras son naturales en lugares donde hay una enorme cantidad de presión atmosférica, como en Júpiter.
El uso de los compuestos imposibles
Los compuestos con gases nobles revolucionaron las bases y las aplicaciones de la química. Por ejemplo, los químicos pudieron tener una mejor comprensión de la reactividad química gracias a la ampliación de las propuestas de Lewis, y los estados de oxidación de los elementos químicos, así como desarrollar varios compuestos con propiedades útiles. Hoy existen varias centenas de este tipo de compuestos en el mundo que tienen aplicaciones en distintas áreas, como en la medicina, con restauradores de la retina o sustancias antitumorales como el difluoruro de xenón (XeF2).
¿Qué otros “imposibles” estarán retrasando nuestro conocimiento científico?
Iván de Jesús Arellano Palma
Maestro en Filosofía de la Ciencia (Comunicación de la ciencia) por parte de la UNAM. Ha colaborado en distintos medios como la Revista ¿Cómo ves?, Cienciorama, la Revista Digital Universitaria (RDU), entre otros.
1 Garg, N.K., y coautores, “A solution to the anti-Bredt olefin synthesis problem”, Science, Vol. 386, No. 6721, 2024
2 Lewis, Gilbert, “The Atom and the Molecule”, Journal of the American Chemical Society, 1916. El lector interesado puede leer sobre otro “imposible” en química en este mismo espacio. “La reacción imposible y el sermón extremadamente aburrido” de Martin Méndez.
3 Hargittai, I. “Neil Bartlett and the first noble-gas compound”, Struct Chem 20, 953, 2009
4 Bartlett N., Proceedings of the Chemical Society, 1962, p. 218
5 Khriachtchev L, Pettersson M, Runeberg N, Lundell J, Räsänen M, “A stable argon compound”, Nature 406, 2000, pp. 874–876
6 No es un compuesto “tradicional” con enlaces covalentes o iónicos. En su estructura, el helio actúa como un "espaciador" que estabiliza la red cristalina del sodio.