La química de espín es un subcampo de la química ubicado en la intersección de la cinética química , la fotoquímica , la resonancia magnética y la química de radicales libres , que se ocupa de los efectos magnéticos y de espín en reacciones químicas. La química del espín se refiere a fenómenos como la polarización nuclear dinámica inducida químicamente (CIDNP), la polarización electrónica inducida químicamente (CIDEP), los efectos de los isótopos magnéticos en reacciones químicas, y se supone que es clave en el mecanismo subyacente de la magnetorrecepción aviar [1] y la conciencia. [2]
El mecanismo del par de radicales explica cómo un campo magnético puede afectar la cinética de la reacción al afectar la dinámica del espín del electrón. Más comúnmente demostrado en reacciones de compuestos orgánicos que involucran radicales intermedios, un campo magnético puede acelerar una reacción al disminuir la frecuencia de las reacciones inversas.
El mecanismo de pares radicales surgió como una explicación para el CIDNP y el CIDEP y fue propuesto en 1969 por Closs; Kaptein y Oosterhoff. [3]
Un radical es una molécula con un número impar de electrones y se induce de diversas formas, incluida la radiación ultravioleta. Una quemadura solar se debe en gran medida a la formación de radicales a partir de esta radiación. El par de radicales, sin embargo, no son simplemente dos radicales. Esto se debe a que los pares de radicales (específicamente singletes) están entrelazados cuánticamente , incluso como moléculas separadas. [1] Sin embargo, lo más fundamental para el mecanismo del par de radicales es el hecho de que ambos electrones del par de radicales tienen espín, abreviatura de momento angular de espín , lo que le da a cada radical separado un momento magnético . Por tanto, los estados de espín pueden verse alterados por campos magnéticos.
El par de radicales se caracteriza como triplete o singlete por el estado de espín de los dos electrones solitarios, emparejados. La relación de espín es tal que los dos electrones desapareados, uno en cada molécula radical, pueden tener espín opuesto (singlete; anticorrelacionado) o el mismo espín (triplete; correlacionado). El estado singlete se llama así porque sólo hay una manera de que los espines de los electrones se anticorrelacionen (S), mientras que el estado triplete se llama así porque el espín del electrón puede correlacionarse de tres maneras diferentes, denotadas T +1 , T 0 , y T -1 .
Los estados de espín se relacionan con mecanismos de reacción química y bioquímica porque sólo se pueden formar enlaces entre dos electrones de espín opuesto ( reglas de Hund ). A veces, cuando un enlace se rompe de una manera particular, por ejemplo, cuando lo golpean fotones, cada electrón del enlace se reubica en cada molécula respectiva y se forma un par de radicales. Además, el espín de cada electrón previamente involucrado en el enlace se conserva, [1] [3] lo que significa que el par de radicales ahora formado es un singlete (cada electrón tiene espín opuesto, como en el enlace de origen). Como tal, se produce fácilmente la reacción inversa, es decir, la reformación de un enlace, llamada recombinación. El mecanismo del par de radicales explica cómo los campos magnéticos externos pueden prevenir la recombinación del par de radicales con interacciones de Zeeman , la interacción entre el espín y un campo magnético externo, y muestra cómo una mayor aparición del estado triplete acelera las reacciones radicales porque los tripletes sólo pueden proceder a productos. , y los singletes están en equilibrio tanto con los reactivos como con los productos. [1] [3] [4]
Las interacciones de Zeeman pueden "invertir" sólo uno de los espines del electrón del radical si el par de radicales es anisotrópico , convirtiendo así los pares de radicales singletes en tripletes. [1]
La interacción Zeeman es una interacción entre el espín y el campo magnético externo, y viene dada por la ecuación
donde está la energía de la interacción Zeeman , es la frecuencia de Larmor , es el campo magnético externo, es el magnetón de Bohr , es la constante de Planck y es el factor g de un electrón libre, 2,002319, que es ligeramente diferente en diferentes radicales. [1]
Es común ver la interacción Zeeman formulada de otras maneras. [4]
Las interacciones hiperfinas , los campos magnéticos internos de los isótopos magnéticos locales, también desempeñan un papel importante en la dinámica de espín de los pares de radicales. [1] [3] [4]
Debido a que la interacción Zeeman es función del campo magnético y la frecuencia de Larmor, puede obstruirse o amplificarse alterando el campo magnético externo o la frecuencia de Larmor con instrumentos experimentales que generan campos oscilantes. Se ha observado que las aves migratorias pierden sus capacidades de navegación en condiciones en las que la interacción de Zeeman se obstruye en pares radicales. [1]
