Los químicos dialogamos con las moléculas porque queremos entenderlas, conocerlas en toda su intimidad y cuando reaccionan a diversas sustancias, esa reactividad es como si la molécula nos hablará y nos ofreciera la información de lo que son, dice el doctor Eusebio Juaristi.
Y en este diálogo, añade el Premio Crónica e investigador del Cinvestav, “en ocasiones la información que nos dan las moléculas es parcial o tenemos dudas y entonces una vez más le hacemos preguntas y, algunas veces para que la molécula nos conteste, debemos crear otras moléculas que interaccionen con la primera”.
Lo anterior es cómo Eusebio describe ese mundo fascinante que es la intimidad de las moléculas, tema de su reciente libro “Basics concepts orbital theory in organic chemistry”, escrito en conjunto con la doctora Claudia Gabriela Ávila Ortiz y el doctor Alberto Vega Peñaloza. El volumen estará el 15 de agosto en librerías de Nueva York y Londres. Fue producido por la prestigiada editorial Wiley, se distribuirá en Europa y en países de América Latina. Cuenta con 12 capítulos en 288 páginas.
En entrevista, dice que para tener una idea general de esta intimidad, hay que hacer un repaso de cómo están formadas las moléculas, desde su parte más pequeña que son sus átomos hasta convertirse en un objeto, una medicina, artefacto….
¿Qué son los orbitales atómicos individuales?
Los átomos están integrados por un núcleo que tiene protones, puede haber neutrones y luego los electrones alrededor. Entonces, hay diferentes teorías en las cuales los electrones se dibujan como que van circulando en una órbita, pero al paso del tiempo y gracias a la química cuántica, sabemos que estos electrones no los podemos definir con una cierta trayectoria.
De hecho, son objetos muy pequeños y cuando tratamos de medirlos, ya los estamos alterando. Hay una especie de teorema que dice que no podemos determinar realmente dónde están los electrones en determinado momento, sino hacer sólo mapas de probabilidad, es decir, aquí va el electroncito y se mueve así. Así podemos decir que hay una cierta probabilidad de encontrar al electrón o electrones en cierto lugar y habrá sitios alrededor del núcleo con mayor probabilidad y otros con menor probabilidad de que estén ahí.
Y en lugar de dibujar una órbita o trayectoria, lo que tenemos tal vez es una serie de puntitos y eso indica la probabilidad de encontrarlos. Mientras más puntitos dibujamos, quiere decir que esa densidad electrónica o esa probabilidad de encontrar a los electrones, está ahí.
¿Qué significa encontrar electrones y cómo lo explica el libro?
Podemos tener una imagen mental de los diferentes orbitales que vienen siendo estas zonas de densidad electrónica. Y ahora con la química cuántica podemos determinar la forma de estos orbitales y el primer paso es la formación de enlaces.
Es decir, estos orbitales inicialmente están aislados en el átomo y para interactuar con otro átomo, entonces los orbitales se pueden combinar y así vemos la formación de enlaces.
Al tener formación de enlaces entre átomos y legamos a la molécula. Es muy interesante porque no es que los electrones se queden aislados en sus átomos originales, sino que podemos imaginarlos como una especie de nube distribuida en toda la molécula.
Y con la forma de esos orbitales moleculares podemos predecir si se van a poder combinar con otros orbitales moleculares para dar lugar a nuevas moléculas. Este es el aspecto, vamos a decir, más complejo en donde ya tratamos orbitales moleculares en lugar de orbitales atómicos.
¿Cuándo se unen moléculas y crean el objeto tridimensional?
Sí, en la enseñanza tendemos a dibujar las moléculas planas, pero en realidad son, como se dice, objetos tridimensionales y esta es una característica también importante para predecir su reactividad. Es decir, de su orientación en tres dimensiones podemos ver qué tan factible es que se unan con otros átomos o con otros fragmentos moleculares.
¿Y esto qué forma?
Esto es lo interesante y en química buscamos entender esas estructuras moleculares. Esto quiere decir que su forma tridimensional tiene consecuencias desde el punto de vista analítico o espectroscópico en particular, a través de los espectros: dependiendo de las huellas digitales de las moléculas, que nos dan información sobre la estructura de la molécula y eventualmente sobre la reactividad, podemos sistematizar la química, es decir, podemos agrupar las moléculas en grupos en donde si estos grupos de moléculas presentan grupos funcionales característicos, nos indica que este grupo de moléculas va a reaccionar de la misma forma.
Por ejemplo, un grupo funcional común en química orgánica es el del carbonilo. Es un doble enlace entre carbono y oxígeno y este segmento molecular generalmente reacciona con otras moléculas ricas en electrones, porque el enlace carbono-oxígeno está polarizado. Como el oxígeno es más electronegativo, eso quiere decir que tiene una mayor afinidad por los electrones que el carbono, entonces el enlace carbono-oxígeno se polariza y habrá más densidad electrónica. Lo que quiero comentar es que moléculas ricas en electrones van a reaccionar con el carbono, que es pobre en electrones, más que con el oxígeno.
¿Doctor, lo que me está contando es la intimidad de la química orgánica, lo que sucede que no vemos y al conocer esta intimidad, qué conocimientos ofrece o qué ventajas o qué nuevos caminos?
Es así: vamos a suponer que necesitamos sintetizar, es decir, crear una molécula más compleja a partir de fragmentos moleculares más pequeños. Al conocer la reactividad relativa de los fragmentos, podemos diseñar estrategias para sintetizar moléculas más complejas.
Y aprovechando que conocemos cuál es la reactividad de las moléculas iniciales, podemos predecir qué se va a formar, eventualmente, y su actividad biológica, como la de medicinas. Entonces, esto permite crear moléculas con propiedades de utilidad.
¿Con esto podemos desarrollar, además de medicinas, fertilizantes, reactivos químicos, metal…?
Básicamente, el mundo que nos rodea. En nuestra vida diaria si necesitamos un jabón o un desodorante, o necesitamos alimentos o si nos enfermamos y requerimos medicinas, o si queremos fortalecer, vamos a decir, un músculo, vamos a necesitar vitaminas, si queremos incrementar la productividad de cultivos, entonces, a lo mejor vamos a necesitar fertilizantes o sustancias que nos permitan dar más resistencia a las plantas y que, por lo tanto, pudieran resistir sequías o condiciones adversas en su crecimiento. Con la química, podemos crear estas moléculas que van a mejorar nuestro mundo.
¿Esta intimidad de la química nos ayuda a entender el mundo, de qué está formado un árbol, de qué está formada una nube?
Sí, precisamente esa es la meta de los químicos, de las químicas, entender la estructura de la materia que nos rodea. Por ejemplo, la estructura de un árbol o de una mesa, etc. Lo que pretendemos es conocer de la manera más completa posible cuál es la estructura de las moléculas que constituyen esa materia, es decir, si nosotros tenemos un trozo de algo, vamos a suponer de una madera y si empezamos a partir. Primero a la mitad y luego cada mitad, otra vez a la mitad, etc., entonces vamos teniendo fragmentos hasta que llegamos al nivel molecular, y volvemos a partir esa molécula, entonces ya no es la molécula original, a lo mejor va a ser un grupo de átomos o un átomo, etc., pero ya deja de ser la molécula original, podemos decir que en esta molécula hay átomos de este tipo, hay grupos funcionales de esta otra forma o de esta otra reactividad, y entonces vamos, armando un rompecabezas, hasta que podemos decir, bueno, la estructura de la molécula es tal, y en ese sentido hablamos de la estructura tridimensional, como usted decía hace un momento. En donde los átomos realmente están orientados en tres dimensiones, dando lugar a la estructura más completa.
¿Es el afán de conocerlas en su intimidad?
Es como si estableciéramos un diálogo con las moléculas, porque nosotros queremos entenderlas. Queremos conocerlas, como usted decía, en toda su intimidad y entonces empezamos a hacer preguntas y, cuando reaccionan ante otras sustancias, esa reactividad es como si la molécula nos habla y da información de qué son. A lo mejor esa información es parcial o surgen nuevas dudas y entonces otra vez hacemos preguntas a la molécula, hay veces que para que la molécula nos conteste, pues debemos crear otras moléculas que nos puedan dar información