Reacciones Fotoquímicas (Semana de la Ciencia Parte IV de V)

Cuando una molécula absorbe luz y es llevada a un estado excitado puede darlugar a una reacción en donde se modifica la estructura de la molécula. Estas reacciones, llamadas fotoquímicas, están presentes en varios procesos de la Naturaleza que resultan fundamentales para la vida, como la fotosíntesis que nos aporta el oxígeno para respirar, el ozono de la troposfera que filtra la dañina radiación ultravioleta procedente del Sol o los procesos que tienen lugar en la retina del ojo para que podamos ver.

En una reacción química, la conversión de los reactivos en productos suele seguir un perfil energético como el mostrado en la Figura 26. Contrariamente a lo que ocurre en el mundo cuántico, donde la energía se intercambia en forma de “paquetes” o cuantos, en una reacción no basta con liberar o aportar la diferencia de energía entre los reactivos y productos. Como puede observarse, es preciso superar una barrera energética que separa  a los reactivos y a los productos, llamada energía de activación.

Figura 26. Perfil energético de una reacción química. (Fuente: Elaboración propia)

Habitualmente, muchas reacciones tienen unos valores de energía de activación que pueden superarse por aporte de calor. A temperatura ambiente, la energía térmica aportada por el medio a una mezcla de reacción se sitúa en el orden de los 80 KJ·mol^-1. Sin embargo, existen otras muchas reacciones que tienen energías de activación tan elevadas que es imposible superarlas aportando calor, ya que los reactivos incluso pueden degradarse antes de reaccionar, especialmente los compuestos orgánicos.

Figura 27. Perfil energético para una reacción fotoquímica. (Fuente: Elaboración propia)

Ante esta problemática, la Fotoquímica aporta como solución la energía que las moléculas pueden llegar a absorber al interaccionar con la luz. Para el intervalo de radiaciones electromagnéticas comprendidas entre 150 y 800 nm se abarca un rango de energías que van desde los 800 hasta los 150 KJ·mol^-1, respectivamente. Esto permite que reacciones que es imposible que puedan tener lugar térmicamente, en cambio, puedan inducirse si los reactivos absorben luz, dando lugar a las llamadas reacciones fotoquímicas. Incluso existen casos en los que, a partir de los estados excitados de los reactivos, es posible acceder a otro tipo de productos diferentes a los que se obtendrían por reacciones térmicas convencionales (Figura 27).

Un ejemplo de reacción que es imposible realizar aportando calor pero viable utilizando luz es la isomerización cis-trans de los alquenos. En la Figura 28 se representan estos isómeros para la molécula de 2-buteno. En el isómero cis los dos grupos metilo (o los dos hidrógenos) se encuentran situados al mismo lado del plano, mientras que en el isómero trans estos grupos se encuentran dispuestos en posiciones alternadas.

Figura 28. Derecha: Isómero cis del 2-buteno.

Izquierda: Isómero trans del 2-buteno. (Fuente: Wikimedia)

Figura 29. Nube electrónica del enlace p en un alqueno. (Fuente: Wikimedia)

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La isomerización cis-trans de alquenos inducida por la luz es un proceso que está presente en el mecanismo de la visión. El retinal es una molécula que se encuentra covalentemente unida a una proteína, la opsina, en la retina del ojo humano. La molécula que resulta, llamada rodopsina, absorbe luz en la región visible del espectro (Cuadro (1) de la Figura 30). Tras la absorción de luz, la molécula de retinal sufre una isomerización en uno de sus dobles enlaces (Cuadro (2) de la Figura 30). Como consecuencia del cambio estructural, se produce la separación entre la molécula de retinal y la proteína, que, individualmente, no son capaces de absorber luz visible (Cuadro (3) de la Figura 30). El retinal vuelve a sufrir una isomerización del doble enlace catalizada enzimáticamente (Cuadro (4) de la Figura 30), uniéndose de nuevo a la opsina y dando lugar a que el ciclo vuelva a repetirse. El cambio en la configuración del doble enlace y la separación entre el retinal y la proteína se traduce en una señal que viaja a través del nervio óptico al cerebro, para ser interpretado allí como visión y color. En la Figura 31 se muestran dos imágenes de retinal en el interior de la opsina, tanto en su configuración cis previa a la absorción de luz como en la configuración trans, posterior a la absorción de luz.

Figura 30. Proceso de isomerización inducida por luz del retinal, involucrado en el mecanismo de la visión.

(Fuente: Elaboración propia)

Figura 31. Izquierda: Configuración cis del retinol previa a la absorción de luz.

Derecha: Configuración trans del retinol posterior a la absorción de luz.

(Fuente: Elaboración propia empleando Visual Molecular Dynamics a partir de datos disponibles en Protein Data Bank)