Química orgánica ultrafría en el medio interestelar.

NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)

Un equipo de investigadores encabezado por Dorian Parker, de la Universidad de Hawái (EE.UU.), ha descubierto una nueva ruta química a muy baja temperatura para la síntesis de naftaleno. Estos resultados podrían explicar la formación de hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) en las regiones ultrafrías del espacio interestelar. El descubrimiento también puede ayudar a reducir la emisión de HAP tóxicos en los motores de combustión interna. El estudio se publica en los Proceedings of the National Academy of Sciences.

Cuando en la Tierra se habla de HAP suele ser para referirse a los procesos de combustión incompleta y a cómo se forman rápidamente a temperaturas elevadas en los motores de combustión interna o en el humo del tabaco. Una vez liberados en el aire los HAP pueden llegar a los pulmones donde su potencial carcinogénico los convierten en un riesgo mayor para la salud. Si llegan al agua la contaminan seriamente, bioacumulándose en el tejido graso de los seres vivos (algunos de los cuales nos comemos después). Los HAP están relacionados pues con la contaminación del suelo, los envenenamientos alimentarios, las lesiones en el hígado y el crecimiento de tumores.

Paradójicamente lo que en la Tierra puede clasificarse como altamente tóxico, en astrobiología se considera uno de los principales participantes en la evolución química en el medio interestelar. Así, por ejemplo, se encontraron HAP que portaban grupos funcionales carboxilo e hidroxilo en los extractos orgánicos del meteorito Murchison que formaban estructuras limitativas parecidas a membranas: los primeros indicios de una estructura protocelular, un requisito para el origen de la vida.

Naftaleno

Existe, además, otra paradoja: si en la Tierra los HAP se forman a muy alta temperatura, ¿cómo pueden existir en las cantidades en las que lo hacen en el medio interestelar con temperaturas sólo unos grados por encima del cero absoluto? El hecho cierto es que el proceso de formación de los HAP no se conoce suficientemente bien, ni siquiera el de su componente más sencillo, el naftaleno (C₁₀H₈).

Cuando se habla de la formación los mecanismos de reacción que se suelen mencionar implican secuencias aHaA, es decir, reacciones de abstracción (eliminación bimolecular) de hidrógeno combinadas con adición de acetileno. Una análisis termodinámico elemental muestra que las secuencias aHaA tienen una energía de activación muy altas, es decir, para que se inicien son necesarias temperaturas de varios miles de grados, como las que se encuentran en los procesos de combustión o en los flujos de las estrellas ricas de carbono y en las nebulosas planetarias.

Sin embargo, este proceso de formación de HAP no explica la presencia de HAP medida en el medio interestelar. En éste los HAP son destruidos rápidamente por fotolisis y por los rayos cósmicos. Las tasas de destrucción son mucho más altas que las de inyección de nuevo producto en el medio interestelar por las estrellas de la Rama Asintótica Gigante (RAG) y las nebulosas planetarias ricas en carbono descendientes de estrellas RAG. Por tanto debe existir un proceso de formación de HAP desconocido que explique la rápida y ubicua proliferación de HAP en el medio interestelar a temperaturas de 10K, temperaturas a las que las secuencias aHaA no pueden iniciarse.

Parker et al. demuestran que es posible la formación de naftaleno como consecuencia de una simple colisión entre un radical fenilo y vinilacetileno en fase gaseosa y la formación de un complejo intermedio por fuerzas de van der Waals, sin necesidad de una energía de activación. Los datos experimentales fueron corroborados por un análisis teórico de la reacción y simulaciones por ordenador. Este mecanismo podría explicar, pues, la formación de naftaleno a 10K

Si bien en el futuro habrá que encontrar mecanismos para la formación de HAP más complejos, como el fenantreno y el antraceno, o que contengan nitrógeno, como el indol o la quinolina, este trabajo demuestra por primera vez que la química a muy baja temperatura juega un papel crítico en la formación de compuestos orgánicos complejos en el medio interestelar.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XI edición del Carnaval de Química que organiza La aventura de la ciencia. 

Referencia:

Parker, D., Zhang, F., Kim, Y., Kaiser, R., Landera, A., Kislov, V., Mebel, A., & Tielens, A. (2011). Low temperature formation of naphthalene and its role in the synthesis of PAHs (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) in the interstellar medium Proceedings of the National Academy of Sciences, 109 (1), 53-58 DOI: 10.1073/pnas.1113827108