Las reacciones de transferencia de hidrógeno se consideran unas de las más importantes en Química, porque están presentes en multitud de procesos químicos, biológicos e industriales. A modo de ejemplo, estas reacciones son relevantes en química orgánica, química atmosférica, química de la combustión, química interestelar, asícomo en procesos biológicos importantes tales como las reacciones enzimáticas y la rotura de la cadena de ADN.
Además, también juegan un papel crítico en procesos industriales tales como la fabricación de capas de diamante mediante la deposición química de vapor a bajas presiones. Entender, no sólo cómo tienen lugar, sino cuáles son los factores que influyen en su dinámica es de gran importancia y, por consiguiente, estas reacciones han recibido una amplia atención, tanto desde los puntos de vista experimental, como teórico.
Este tipo de reacciones tienen en común que la partícula que se transfiere, ya bien sea un átomo de hidrógeno, un protón o un hidruro, o bien sus análogos isotópicos, es una partícula ligera, lo que hace esencial en su estudio la consideración de efectos cuánticos tales como el efecto túnel.
El efecto túnel se define como la capacidad de las partículas de atravesar una barrera de energía potencial cuya altura es superior a la energía de la partícula, pasando a través de una región clásicamente prohibida. Su nombre deriva de la analogía con la única manera de atravesar una barrera geográfica sin superarla. En el cálculo de la contribución del efecto túnel a la constante de velocidad es necesario tener en cuenta el carácter multidimensional del mismo, ya que la coordenada de reacción se acopla con el resto de modos normales de vibración perpendiculares a la misma. Experimentalmente este fenómeno se evidencia por la desviación del valor de las constantes de velocidad respecto a la ley de Arrhenius, en especial a bajas temperaturas, y por presentar altos valores del efecto isotópico cinético (“kinetic isotope effect”, KIE). El KIE se define como el cociente entre la constante de velocidad del sistema con hidrógeno y la constante de velocidad cuando dicho hidrógeno se sustituye por un isótopo más pesado. Dado que el efecto túnel depende en gran medida de la masa de la partícula que se transfiere, la magnitud de este cociente es de gran importancia en la dilucidación de los mecanismos de reacción.
Para estudiar la constantes de velocidad de estas reacciones químicas existen diversas metodologías. La dinámica cuántica auna todas las ventajas de un tratamiento lo más riguroso posible desde el punto de vista microscópico mediante la resolución de la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo. Por contra tiene como gran desventaja que sólo es aplicable a sistemas con un número de átomos muy pequeño debido a su alto coste computacional. Otras metodologías, como la de los instantones, serían en general adecuadas cuando las temperaturas son muy bajas, pero no tienen una extrapolación obvia a temperaturas intermedias (por encima de 250 K). En este sentido la teoría variacional del estado de transición con un tratamiento multidimensional del efecto túnel (“variational transition state theory with multidimensional treatment of tunneling”, VTST/MT), encuadrada dentro de las aproximaciones semiclásicas, ha demostrado ser una herramienta muy versátil a la hora de estudiar la dinámica de este tipo de reacciones a temperaturas a partir de aproximadamente 200 K. Esta teoría permite el estudio de sistemas relativamente grandes, puesto que necesita una cantidad de información de la superficie de energía potencial muy reducida, además de ser una metodología susceptible de mejora.
