“Un hallazgo inesperado”: químicos descubren una nueva molécula de metal pesado que bautizaron berkeloceno

Un equipo de investigación dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) ha descubierto el “berkeloceno”, la primera molécula organometálica caracterizada que contiene el elemento pesado berkelio.

Las moléculas organometálicas, que consisten en un ion metálico rodeado de una estructura basada en carbono, son relativamente comunes para los primeros elementos actínidos como el uranio (número atómico 92), pero son poco conocidas para los actínidos posteriores como el berkelio (número atómico 97).

“Esta es la primera vez que se obtiene evidencia de la formación de un enlace químico entre el berkelio y el carbono. El descubrimiento proporciona una nueva comprensión del comportamiento del berkelio y otros actínidos en relación con sus pares en la tabla periódica”, dijo en un comunicado Stefan Minasian, científico de la División de Ciencias Químicas del Laboratorio Berkeley y uno de los cuatro coautores de un nuevo estudio publicado en la revista Science.

El berkelio es uno de los 15 actínidos del bloque f de la tabla periódica. Una fila por encima de los actínidos se encuentran los lantánidos.

El químico nuclear pionero Glenn Seaborg descubrió el berkelio en el Laboratorio Berkeley en 1949. Se convertiría en solo uno de los muchos logros que lo llevarían a ganar el Premio Nobel de Química en 1951 junto con su colega científico del Laboratorio Berkeley, Edwin McMillan, por sus descubrimientos en la química de los elementos transuránicos.

“Esta es la primera vez que se obtiene evidencia de la formación de un enlace químico entre el berkelio y el carbono”, afirmó Stefan Minasian, científico del personal de la División de Ciencias Químicas.

Durante muchos años, el grupo de Química de Elementos Pesados de la División de Ciencias Químicas del Laboratorio Berkeley se ha dedicado a preparar compuestos organometálicos de los actínidos, porque estas moléculas suelen tener altas simetrías y forman múltiples enlaces covalentes con el carbono, lo que las hace útiles para observar las estructuras electrónicas únicas de los actínidos.

“Cuando los científicos estudian estructuras de mayor simetría, les ayuda a comprender la lógica subyacente que utiliza la naturaleza para organizar la materia a nivel atómico”, dijo Minasian.

Pero el berkelio no es fácil de estudiar porque es altamente radiactivo y solo se producen cantidades muy pequeñas de este elemento sintético pesado cada año en todo el mundo. Para aumentar la dificultad, las moléculas organometálicas son extremadamente sensibles al aire y pueden ser pirofóricas.

“Solo unas pocas instalaciones en todo el mundo pueden proteger tanto al compuesto como al trabajador y al mismo tiempo gestionar los riesgos combinados de un material altamente radiactivo que reacciona vigorosamente con el oxígeno y la humedad del aire”, dijo Polly Arnold, coautora correspondiente del artículo, profesora de química de la UC Berkeley y directora de la División de Ciencias Químicas del Laboratorio de Berkeley.

Entonces, Minasian, Arnold y la coautora Rebecca Abergel, profesora asociada de ingeniería nuclear y química de la UC Berkeley que dirige el Grupo de Química de Elementos Pesados del Laboratorio de Berkeley, reunieron un equipo para superar estos obstáculos.

En el Laboratorio de Investigación de Elementos Pesados de Berkeley Lab, el equipo diseñó a medida nuevas cajas de guantes que permiten realizar síntesis sin aire con isótopos altamente radiactivos. Luego, con solo 0,3 miligramos de berkelio-249, los investigadores realizaron experimentos de difracción de rayos X de monocristal. El isótopo adquirido por el equipo se distribuyó inicialmente desde el Centro Nacional de Desarrollo de Isótopos, que está administrado por el Programa de Isótopos del DOE en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

Los resultados mostraron una estructura simétrica con el átomo de berkelio entre dos anillos de carbono de ocho miembros. Los investigadores denominaron a la molécula “berkeloceno” porque su estructura es análoga a la de un complejo organometálico de uranio llamado “uranoceno”. (Los químicos Andrew Streitwieser y Kenneth Raymond, de la Universidad de California en Berkeley, descubrieron el uranoceno a finales de la década de 1960).

En un hallazgo inesperado, los cálculos de la estructura electrónica realizados por el coautor correspondiente Jochen Autschbach en la Universidad de Buffalo revelaron que el átomo de berkelio en el centro de la estructura del berkeloceno tiene un estado de oxidación tetravalente (carga positiva de +4), que está estabilizado por los enlaces berkelio-carbono.

“La comprensión tradicional de la tabla periódica sugiere que el berkelio se comportaría como el lantánido terbio”, dijo Minasian.

“Pero el ion berkelio se comporta mucho mejor en el estado de oxidación +4 que los otros iones del bloque f con los que esperábamos que se pareciera más”, dijo Arnold.

Los investigadores afirman que se necesitan modelos más precisos que muestren cómo cambia el comportamiento de los actínidos a lo largo de la tabla periódica para resolver problemas relacionados con el almacenamiento y la remediación de residuos nucleares a largo plazo. «Esta descripción más clara de actínidos posteriores como el berkelio ofrece una nueva perspectiva sobre el comportamiento de estos fascinantes elementos», afirmó Abergel.