Kenichi Fukui (1918, Niara – 1998, Kyoto) y Roald Hoffmann (1937, Polonia) recibieron el premio Nobel de Química en 1981 “por sus teorías, desarrolladas independientemente, relativas al curso de las reacciones químicas”.

Fukui llegó a ser profesor de la Universidad de Kyoto a los veintitrés años de edad. En esas fechas trabajó en química orgánica experimental, en ingeniería de reacciones y en catálisis. Más adelante, se dedicó a los estudios teóricos de las síntesis orgánicas y de las cinéticas de la polimerización y catálisis. En 1952 encontró la correlación existente entre la densidad electrónica y la reactividad química en los hidrocarburos aromáticos. Dicha correlación le llevó a considerar la importancia que tenía la deslocalización de los electrones de las especies reaccionantes situados en lo que él denominó “orbitales frontera”. En 1970, habiendo obtenido información suficiente sobre la geometría de las moléculas reaccionantes, dibujó diagramas de los orbitales. A lo largo de su vida recibió muchas honras en su país y en 1982 fue nombrado profesor emérito de su Universidad.

La lección que impartió Kenichi Fukui con motivo de la concesión del premio Nobel llevaba por título “El papel de los orbitales frontera en las reacciones químicas”. En ella, comenzó aludiendo a la decisiva importancia que tenía la teoría electrónica en la química, tanto en el concepto de ácido y base, como en los de oxidación y reducción, electrofilia y nucleofilia, aceptador y donante, etcétera. Y es que los comportamientos estáticos y dinámicos de  las moléculas se explican mediante los efectos electrónicos, que están basados en la distribución de los electrones en la molécula. Los químicos, dijo Fukui, emplean los conceptos de electronegatividad de los átomos y  de densidad electrónica para comprender y explicar los comportamientos de las moléculas. Por ejemplo, un agente electrofílico atacará una posición con gran densidad electrónica y una reacción nucleofílica tendrá lugar en un sitio de pequeña densidad. Pero esto no es  siempre así: ¿por qué en los hidrocarburos aromáticos sin sustituyentes las reacciones electro y nucleofílicas ocurren en la misma posición? Fukui acudió al concepto de orbital y al solapamiento de los orbitales. Llamó HOMO al orbital molecular más alto (de mayor energía) ocupado y LUMO al orbital molecular más bajo desocupado. La deslocalización entre ambos conducía a la estabilización. Fukui interpretó que el mecanismo de muchas reacciones químicas consistía en la interacción de los orbitales frontera: el HOMO de un compuesto con el LUMO del otro compuesto. Así, una molécula comparte sus electrones menos enlazados con la otra molécula, que los acepta en el sitio donde pueden estar más fuertemente unidos. La interacción resulta en la formación de un nuevo orbital ocupado que tiene unas propiedades intermedias entre las de los dos anteriores. Fukui aplicó estos conceptos a reacciones de síntesis de importantes compuestos orgánicos.  

Roald Hoffmann nació en un pueblo de Polonia que hoy pertenece a Ucrania. Hijo de familia judía perseguida por los nazis, él y su madre sobrevivieron al gueto, al campo de concentración y al escondite anterior a la fuga, pero su padre fue ejecutado. Tras tantas infelices aventuras, su madre se casó con un señor de apellido Hoffmann y  llevaron a Roald  a Estados Unidos en 1949. El niño Roald creció estudioso y se doctoró en la Universidad de Harvard en 1962. Allí fue discípulo y asistente del profesor (desde 1950) Robert Burns Woodward (1917, Boston – 1979, Cambridge) quien consiguió el premio Nobel de Química en 1965 “por sus impresionantes logros en el arte de la síntesis orgánica”. ¡Tamaña dedicatoria! Y es que Woodward, considerado el padre de la moderna síntesis orgánica, logró sintetizar moléculas tan complicadas como la quinina, el colesterol, la cortisona, el lanosterol, la estricnina, la reserpina, la clorofila, la tetraciclina, la cefalosporina C y la cianocobalamina. Para la síntesis de esta última, que es la vitamina B12, necesitó una secuencia de más de cien reacciones y el estudio de sus mecanismos dio lugar a la concesión de otro premio Nobel, pero no para él, porque había fallecido, sino para Hoffman.

Woodward y Hoffman ampliaron las teorías de Fukui, demostrando que muchas reacciones en las que se formaban y rompían anillos de átomos, seguían caminos que dependían de la simetría de los orbitales moleculares, los cuales cambiaban durante la reacción. Estos cambios respondían a la denominada por sus autores ‘conservación de la simetría orbital’. Las reglas de dicha conservación  clasifican las disposiciones geométricas de los productos formados cuando se rompen los anillos en los compuestos cíclicos. Todos estos avances teóricos surgieron cuando los autores buscaban los puntos de desconexión de las moléculas grandes para formar ‘fragmentos estables’ (los llamados ‘sintones’) que empleaban para realizar la síntesis total.  

La lección que dictó Roald Hoffmann como aceptación del premio Nobel llevaba por título “Construyendo puentes entre la química orgánica y la inorgánica”, y se la dedicó a su maestro, que hubiese recibido un segundo premio si no hubiese desaparecido hacía dos años. Hoffmann dijo que para reconstruir los complejos de los átomos de los metales de transición unidos a moléculas orgánicas, necesitaba conocer la estructura de los fragmentos metal – ligandos, sus orbitales frontera, que son los que proveen el puente entre las partes orgánica e inorgánica. Para ello, eran fundamentales tanto la teoría orbital de R. S. Mulliken como los enlaces de valencia introducidos por Linus Pauling. En consecuencia, Hoffmann hizo diagramas de contorno de los orbitales de valencia de los metales y de los fragmentos orgánicos (radicales) buscando los que fueran de ‘lóbulos análogos’ (‘isolobales’, los denominó). La analogía de lóbulos sirvió para relacionar las estructuras de moléculas inorgánicas complejas con las moléculas orgánicas y, también, para relacionar estructuras orgánicas no sintetizadas con otras inorgánicas conocidas.

Hoffmann es un personaje polifacético: es autor de la colección de poemas ‘Catalista’, y opina que “la ambigüedad no tiene sitio en la ciencia, pero es la sustancia del poema”; es escritor fascinado por las tres culturas de Toledo y por las personalidades de Marie Curie y Pierre Langevin separados y juntos. El bioquímico Francisco García Olmedo, antiguo compañero de quien esto escribe, ha traducido al español algunos poemas de Hoffmann.      

Henry Taube (1915, Canadá – 2005, California) recibió en 1983 el premio Nobel de Química “por su trabajo sobre los mecanismos en las reacciones de transferencia de electrones, especialmente en complejos metálicos”. En 1940 se doctoró en la Universidad de California Berkeley, fue ciudadano estadounidense en 1942 y profesor en la Universidad de Stanford hasta ser declarado emérito en 1986.

La lección que impartió Taube en la concesión del premio Nobel llevaba por título “Transferencia electrónica entre complejos metálicos. Retrospectiva”, donde dice que durante la mayor parte de su vida profesional investigó sobre las propiedades y reacciones de sustancias inorgánicas disueltas, principalmente en procesos de oxidación – reducción en los que participan iones de elementos metálicos. En la década de 1940, Taube empleó isótopos radiactivos de oxígeno y cloro para el estudio de las reacciones redox, demostrando que, en disolución acuosa, los iones metálicos forman enlaces con varias moléculas de agua y que la estabilidad y geometría de los hidratos (o compuestos de coordinación) resultantes varía ampliamente dependiendo de la identidad y del estado de oxidación del ion. También estudió los compuestos de coordinación, análogos a los del agua, que se forman en presencia de amoniaco, ion cloruro y otras muchas especies químicas llamadas ligandos, interpretando sus propiedades en función de sus configuraciones electrónicas. Taube estableció que, en los procesos redox entre iones metálicos en disolución acuosa, el intercambio de uno o más electrones tiene lugar rápidamente, a pesar de que existan capas estables de moléculas de agua u otros ligandos que preserven a los iones y eviten que el intercambio electrónico se produzca directamente. Demostró experimentalmente que en la reacción que conduce desde el complejo precursor al complejo sucesor, existe un estadio intermedio, el complejo activado, en el que se forma un enlace entre uno de los iones y un ligando, el cual se une después al otro ion. Así, el ligando actúa como un puente transitorio entre los dos iones; luego se rompe su enlace con el primer ion y transfiere el electrón al segundo.

Aunque la lección impartida se refiere a la transferencia electrónica entre complejos metálicos, es extensiva a moléculas orgánicas, moléculas con elementos no metálicos, procesos de electrodo y reacciones de transferencia de átomos. Los descubrimientos de Taube han tenido aplicación en la selección de compuestos metálicos para usarlos como catalizadores, pigmentos y superconductores, así como en la comprensión de la función de los iones metálicos como constituyentes de algunas enzimas. Además, la pareja Ru(III) – Ru(II) en complejos del rutenio con aminas tiene una importante aplicación en la investigación de los procesos redox.