Durante generaciones, estudiantes de química han aprendido que los compuestos metálicos más estables siguen una pauta bien definida: la regla de los 18 electrones. Esta norma, presente en manuales y clases universitarias, establece que los complejos metálicos tienden a estabilizarse cuando el átomo central alcanza 18 electrones de valencia. Pero una investigación reciente podría obligar a revisar este principio que parecía inamovible.
Un grupo internacional de científicos ha logrado lo que antes se consideraba prácticamente imposible: sintetizar un derivado del ferroceno con 20 electrones, estable y funcional, desafiando abiertamente uno de los pilares de la química organometálica. El estudio, publicado en Nature Communications y liderado por el equipo del Okinawa Institute of Science and Technology (OIST), propone un nuevo escenario para entender la estabilidad y reactividad de ciertos compuestos metálicos. Lejos de ser un detalle técnico, este hallazgo puede tener un impacto directo en la forma en que se diseñan nuevos materiales, catalizadores o componentes para dispositivos electrónicos.
El ferroceno y la regla que parecía intocable
El ferroceno es un compuesto icónico en química, conocido desde los años 50 por su peculiar estructura en forma de "sándwich", donde un átomo de hierro se sitúa entre dos anillos de ciclopentadieno. Su descubrimiento fue tan revolucionario que acabó otorgando el Premio Nobel de Química en 1973 a sus descubridores. Más allá de su interés académico, el ferroceno ha encontrado aplicaciones en baterías, sensores, medicamentos y materiales avanzados.
Su estabilidad se ha explicado siempre por su configuración electrónica: 18 electrones de valencia distribuidos de forma simétrica y equilibrada. Esta cantidad permite un estado diamagnético y una distribución energética muy favorable. De hecho, los intentos por añadir más electrones a este tipo de compuestos, especialmente a través de la coordinación de ligandos adicionales, se consideraban inviables o, en el mejor de los casos, efímeros.
Por eso, la formación de un compuesto de ferroceno con 20 electrones —estable no solo en condiciones controladas, sino también en solución a temperatura ambiente— supone un cambio de paradigma. Nunca antes se había observado esta posibilidad de forma estable en complejos diamagnéticos de hierro con configuración d6, que son el caso típico de los derivados del ferroceno.
Un siglo de estabilidad: el origen de la regla de los 18 electrones
En 1921, el químico estadounidense Irving Langmuir propuso la regla de los 18 electrones como una extensión de la regla del octeto de Lewis. Observó que los complejos de metales de transición tienden a ser más estables cuando el átomo central está rodeado por 18 electrones de valencia, completando así sus orbitales s, p y d. Esta configuración se asemeja a la de los gases nobles, conocidos por su inercia química. Langmuir aplicó esta idea a compuestos como Ni(CO)₄, Fe(CO)₅ y Mo(CO)₆, estableciendo una pauta que se convirtió en un principio fundamental de la química organometálica.
A lo largo del siglo XX, la regla de los 18 electrones se consolidó como una herramienta esencial para predecir la estabilidad de complejos metálicos, especialmente en la química organometálica. Su utilidad fue respaldada por descubrimientos que merecieron premios Nobel, como el de 1973 otorgado a Ernst Otto Fischer y Geoffrey Wilkinson por su trabajo en compuestos tipo "sándwich" como el ferroceno. Estos avances demostraron cómo la regla de los 18 electrones podía guiar la síntesis y comprensión de nuevos materiales con propiedades únicas.
El diseño molecular que desafió la norma
La clave del descubrimiento radica en el uso de un sistema de ligandos diseñado específicamente para inducir una coordinación intramolecular del nitrógeno al átomo de hierro. Los investigadores utilizaron una variante del ferroceno que incorpora una unidad de piridina modificada, creando así una interacción interna que permite añadir un par de electrones al complejo sin comprometer su estructura.
Según el artículo original, “reportamos la formación de derivados de ferroceno con 20 electrones a través de una coordinación reversible del nitrógeno a análogos de 18 electrones” . Esta coordinación, aunque en principio contraria a las predicciones clásicas, se logró gracias a un diseño preciso del entorno molecular, que favorece la interacción sin alterar la disposición típica de los anillos Cp (ciclopentadienilo).
En condiciones de laboratorio, el compuesto resultante no solo mostró una estructura clara mediante difracción de rayos X, sino que también fue estable durante más de un año bajo atmósfera de nitrógeno. En estado sólido se comporta como un complejo diamagnético de 18 electrones, pero en solución se establece un equilibrio dinámico entre dos especies: una sin coordinación Fe–N (18e) y otra con la coordinación activa (20e).
Un comportamiento redox inesperado
Uno de los aspectos más sorprendentes del nuevo compuesto es su capacidad para participar en reacciones redox de forma controlada. Los ferrocenos tradicionales pueden oxidarse a un estado de 17 electrones con relativa facilidad, pero alcanzar estados superiores, como el de 16 o 14 electrones, requiere condiciones extremas.
Este nuevo derivado, en cambio, permite una oxidación secuencial desde hierro(II) hasta hierro(IV), bajo condiciones suaves y con reversibilidad comprobada. En palabras del artículo: “estos derivados de ferroceno de 20 electrones exhiben química redox reversible Fe(II)/Fe(III)/Fe(IV) bajo condiciones suaves previamente inalcanzables” .
Este hallazgo no es menor. Significa que este tipo de compuestos puede participar como mediadores en reacciones donde se requiera transferencia controlada de electrones, abriendo la puerta a nuevas aplicaciones en catálisis, almacenamiento de energía o electrónica molecular. Es un avance especialmente relevante para el desarrollo de materiales con propiedades redox ajustables.
Cambios profundos en los enlaces químicos
A nivel teórico, los investigadores realizaron cálculos por teoría del funcional de la densidad (DFT) y topología química cuántica para entender por qué esta coordinación era posible. Lo que encontraron fue que la formación del enlace Fe–N cambia el modo en que el hierro interactúa con los anillos Cp, haciendo que las interacciones sean menos covalentes y más iónicas.
Este cambio tiene un efecto directo en los orbitales moleculares: aparecen orbitales antienlazantes ocupados que debilitan el enlace Fe–Cp, pero al mismo tiempo facilitan la estabilización del nuevo enlace Fe–N. Según el estudio, “la coordinación de N1 al Fe1 conduce a una reorganización significativa de las superficies de flujo cero” y da lugar a un “aumento notable en la transferencia de carga del metal al ligando” .
La posibilidad de observar este tipo de reorganización electrónica con una precisión tan detallada representa un avance técnico notable, y permite prever cómo podrían diseñarse nuevos compuestos que rompan otras reglas estructurales.
¿Es una excepción o el principio de algo más grande?
Aunque este descubrimiento marca un hito, los autores del estudio se muestran prudentes. No todos los complejos de 18 electrones podrían ser modificados de esta manera. De hecho, intentos similares con cobaltoceno o con metales como rutenio no produjeron los mismos resultados. Según explican, la viabilidad de esta coordinación adicional parece depender del equilibrio entre la fortaleza de los enlaces existentes y la capacidad del ligando adicional para estabilizar nuevos estados electrónicos.
Esto lleva a pensar que esta clase de transformaciones sería más común en complejos neutros de metales de primera fila (como el hierro), que presentan interacciones metal-ligando más débiles. En estos casos, la posibilidad de introducir orbitales antienlazantes accesibles facilitaría la formación de compuestos de 20 electrones estables.
Aunque aún es pronto para hablar de una revolución, el estudio sí sugiere que la regla de los 18 electrones podría no ser tan rígida como se pensaba, al menos en determinadas condiciones y con un diseño molecular adecuado.
Referencias
- Satoshi Takebayashi, Jama Ariai, Sergey V. Kartashov, Robert R. Fayzullin, Tomoko Onoue, Ko Mibu, Hyung-Been Kang, Noriko Ishizu. From 18- to 20-electron ferrocene derivatives via ligand coordination. Nature Communications (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61343-7.
