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La situación de la química

La química es la ciencia que conecta la realidad de la materia con su composición íntima. Todo lo que nos rodea está constituido por sustancias químicas, y por lo tanto, la química se puede considerar la ciencia central y la ciencia de las cosas cotidianas.

Aunque no seamos conscientes, todos interaccionamos cada día con miles de sustancias químicas, como los componentes del aire que respiramos, los alimentos que ingerimos, el agua que utilizamos o los diversos utensilios del hogar. La inmensa mayoría de estas sustancias químicas son beneficiosas para nuestras vidas.

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Actualmente, la química beneficia nuestras vidas en los siguientes aspectos:

a) Salud humana: medicinas, materiales de diagnóstico, lentes de contacto, prótesis…

b)  Veterinaria: sustancias para cuidar la salud de nuestro ganado y animales de compañía…

c) Agricultura: protección de cosechas (pesticidas, herbicidas, insecticidas), fertilizantes, abonos, micronutrientes, análisis de la composición química del suelo…

d) Alimentación: potabilización de agua, aditivos alimentarios, métodos de análisis que controlan la calidad y seguridad de los alimentos…

e)  Energía: aplicaciones en transporte, calefacción, refrigeración, artilugios portátiles para producir energía…

f)  Protección ambiental y toxicológica: métodos para descontaminar, antídotos  contra sustancias tóxicas, procesos y productos convenientes desde el punto de vista medioambiental, procesos de generación de energía ‘limpia’…

g)  Deportes: métodos y productos para controlar y mejorar de la salud del deportista, lucha antidopaje, materiales para la práctica deportiva, instalaciones deportivas…

h)  Productos para nuestro cuidado personal: higiene, cosmética…

i)  Materiales útiles: tejidos, velcro, colorantes, celofan, tintas, piezas de vehículos, electrónica, automóviles…

j)  Soporte científico para explicar fenómenos naturales: vida, detección en planetas extrasolares…

A pesar de los evidentes y  múltiples beneficios que la química aporta al ser humano; esta ciencia es, en cierto modo, una gran desconocida; no teniendo ni el prestigio de las matemáticas o la física ni el atractivo de las ciencias biomédicas. Además, muchas veces la química es maltratada por la sociedad y, especialmente, por los medios de comunicación; usándose el adjetivo “químico/química” como sinónimo de perjudicial.

Esta percepción sobre la química es errónea e injusta. Si hay exceso de contaminación “química” no es debido a la sustancia química en cuestión, sino al abuso que los seres humanos hacemos de las sustancias químicas.

Una parte importante de esta contaminación se debe al uso excesivo de derivados del petróleo, gas natural y carbón como fuentes de energía; lo que provoca un aumento considerable en la cantidad de gases de efecto invernadero en la atmósfera. Todos debemos ser conscientes de este problema y debemos minimizar el consumo energético basado en fuentes no renovables.

Otra fuente de contaminación son los residuos que generamos; que puede ilustrarse con el excesivo uso de bolsas de plástico. Los ciudadanos nos quejamos mucho de que se encuentre plástico en sitios insospechados, como los mares o las cumbres de las montañas. Es evidente que un plástico no tiene patas para ir hasta allí, sino que es responsabilidad del ser humano.

Estos dos ejemplos y muchos más que se podrían citar [abuso de producto comunes en el hogar (detergentes, insecticidas, etc.) o de sustancias fitosanitarias (fertilizantes, herbicidas, etc)] son responsabilidad humana y no de la química.

Otra concepción errónea sobre la química es la habitual creencia de que todo lo natural es no químico y es beneficioso; y, al contrario, lo químico es sinónimo de artificial y perjudicial. Detrás de estos mensajes (muchas veces publicitarios) hay intereses comerciales de empresas sin escrúpulos que con la etiqueta “natural” (o análogas, como “ecológico”) cobran más caros unos productos que frecuentemente no han pasado el suficiente control de calidad. Las empresas que usan reclamos del tipo “todo natural”, como sinónimo de “ninguna química” están aprovechando una falta de cultura científica del consumidor; es imposible que algo no tenga química, pues todo es una mezcla de sustancias químicas, desde una hierba que podamos recoger en el campo más silvestre hasta el coche más sofisticado de Fórmula 1.

Por lo tanto, cuando se anuncia un pan como algo natural y se identifica con “exento de química” (como algún anuncio muy conocido) se está mintiendo; al menos en dos facetas: el pan es un producto elaborado, por lo tanto no es un producto natural (lo natural son las espigas de trigo) y no se puede decir que no tiene química, pues es una mezcla compleja de sustancias químicas.

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No creáis que los químicos despreciamos los productos naturales; al contrario, la investigación en los mismos ha sido un motor de desarrollo de la química y una fuente de inspiración para los químicos. También es conveniente que el público sepa que las sustancias más tóxicas son todas naturales. La siguiente figura muestra los nombres de los nueve compuestos químicos más tóxicos y las estructuras (conectividad entre átomos) de algunos de ellos. Cualquiera de estos compuestos son millones de veces más peligrosos que cualquier sustancia artificial. Por lo tanto, cuidado con consumir productos naturales sin el necesario control sanitario. Y una conclusión de este hecho científico es que los herbolarios no controlados son un peligro potencial para la salud pública.

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Estos compuestos químicos naturales y otros similares son una fuente de inspiración para los químicos y retos científicos tales como su obtenciónn o entender la relación que existe entre la estructura y la actividad biológica. Con modificaciones en la estructura de estas moléculas se puede conseguir cambiar el efecto tóxico por un efecto beneficioso, generando fármacos.

En definitiva, entre unas cosas y otras, la química no goza de una buena imagen social. Los propios químicos somos, en cierto modo, culpables de esta situación, pues no hemos sido capaces de difundir adecuadamente los logros de nuestra ciencia.

Notas:

1)    Este artículo es una parte (adaptada) del más amplio que con el título ¿Quieres saber lo que se ha hecho en el Año Internacional de la química en España? se publicó en el número 3 de la revista Journal of Feelsynapsis (2012, 3, 126-141, http://feelsynapsis.com/jof/003/index.html).

2)   Este post participa en la XIV edición del Carnaval de Química (http://educacionquimica.wordpress.com/2012/04/03/inauguracion-del-xiv-carnaval-de-quimica/) que aloja el blog Educación Química.

Bernardo Herradón García
CSIC
b.herradon@csic.es

La historia del número de Avogadro y su valor numérico

El año pasado se cumplieron 200 de la hipótesis (ahora ley) de Avogadro. Si los químicos de la época hubiesen aceptado su propuesta, la química hubiese avanzado rápidamente. La hipótesis de Avogadro establece que a igual de temperatura y presión, volúmenes iguales de gases contienen el mismo número de moléculas. El número de moléculas en un mol de sustancia es, por definición, el Número de Avogadro. Por supuesto, Avogadro no bautizó el número con su nombre ni determinó su valor. Ambas cosas las propuso Jean Perrin, Premio Nobel de Física en 1926. Para determinar el valor del Número de Avogadro se basó en un desarrollo teórico realizado por Albert Einstein en 1905, su año milagroso. Este artículo ha sido contado en otro post, recomendando el excelente libro Einstein, 1905. Un año milagroso. Cinco artículos que cambiaron la física.

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La hipótesis de Avogadro explicaba algún hecho aparentemente inexplicable a principios del siglo XIX, especialmente en las reacciones de gases; por ejemplo, que dos volúmenes de hidrógeno se combinen con un volumen de oxígeno para dar (sólo) dos volúmenes de vapor de agua.
De la hipótesis de Avogadro se desprende la definición de molécula, “como el agregado más pequeño de átomos, iguales o diferentes, capaces de existir independientemente y poseer las propiedades de la sustancia que se encuentra constituida por un conjunto de moléculas“. En esta definición está recogida la realidad de que los átomos individuales no existen y que incluso los elementos químicos existen como moléculas en fase gas. Analizando los resultados experimentales conocidos en la época a la luz de la hipótesis de Avogadro hubiese llevado a la conclusión de que los elementos químicos gaseosos (o fácilmente vaporizables) conocidos en la época eran moléculas diatómicas (H2 para el hidrógeno, N2 para el nitrógeno, O2 para el oxígeno, Cl2 para el cloro, Br2 para el bromo y I2 para el yodo). La excepción son los gases nobles, pero no se conocían en la época.
Sorprendentemente, esta hipótesis pasó inadvertida para la comunidad química durante casi 50 años. Si se hubiese tenido en cuenta, el trabajo de los químicos de la época hubiese sido más fácil, se hubiese podido establecer correctamente la fórmula de muchos compuestos químicos y se hubiesen podido determinar con precisión los pesos atómicos de los elementos.
¿En qué circunstancia se produjo la aceptación de la hipótesis de Avogadro? Fue consecuencia de la insistencia de un joven químico italiano, Stanislao Cannizzaro (1826-1910), en el congreso de Karlsruke, celebrado en 1860. Esta historia se ha contado en otro post y no la voy a repetir aquí.

A continuación se indican tres artículos sobre la historia del Número de Avogadro y como su valor ha cambiado a lo largo de la historia. Dos de los artículos han sido escritos por William Jensen, excelente historiador de la química.

How and When Did Avogadro’s Name Become Associated with Avogadro’s Number? W. B. Jensen, J. Chem. Educ. 2007, 84, 223. El artículo se puede descargar aquí.

Why Has the Value of Avogadro’s Constant Changed Over Time? W. B. Jensen, J. Chem. Educ. 2010, 87, 1302. El artículo se puede descargar aquí.

Actualmente, hay un artículo en prensa en Analytical Chemistry en el que han determinado con mucha precisión el peso atómico del silicio; lo que permite, a su vez, determinar el Número de Avogadro.

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El resumen del artículo (como aparece en la página web) se indica en la siguiente imagen.

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En mi libro Los Avances de la Química (Libros de la Catarata-CSIC, 2011) también cuento algunos detalles históricos del desarrollo de la química.

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Nota: Esta entrada es mi segunda participación en la XII Edición del Carnaval de Química, que aloja el blog Historias con mucha química (como todas) que administra  María Docavo, uno de los activos de futuro de la RSEQ.

Bernardo Herradón García
CSIC y RSEQ
b.herradon@csic.es

Balance de un año. Todo es química.

Hoy hace un año que se inauguró el Año Internacional de la Química en España. Este 8 de febrero también coincide (según el calendario Gregoriano) con el 178º aniversario del nacimiento de Dimitri Mendeleev; posiblemente el químico más importante que ha existido. Estas dos conmemoraciones se trataron en este blog.

2011 fue declarado Año Internacional de la Química por Naciones Unidas, que comisionó su gestión a la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) y a la UNESCO.

El año pasado fue muy importante para la química. Se organizaron numerosas actividades en todo el mundo y España no fue una excepción. Personalmente me impliqué en numerosas tareas, que se resumen en las imágenes siguientes (pulsando sobre ellas, se obtienen de mayor tamaño).

Documentación diversa (copias de las charlas, entrevistas, copias del material de las exposiciones, lecciones del curso, programas de radio, artículos de divulgación y difusión en diversos medios, etc.) que recoge las diferentes actividades en las que he participado se pueden descargar en la web, especialmente en la página Los Avances de la Química , cuya portada durante 2011 estuvo dedicada al AIQ. En el menú lateral de esta web también se puede descargar material. Otros colegas en España han realizado actividades muy interesantes. En un próximo post en esta o en otra web (Los Avances de la Química, Educación Química, Grupo de Facebook de la RSEQ, Todo es Química-2012) haré un resumen de otras actividades realizadas; aunque los anuncios y algunos detalles se pueden encontrar aquí.

El principal objetivo del AIQ ha sido intentar que la sociedad cambiase la percepción que tiene sobre la química. Creo que esto se ha logrado, como lo demuestra el tratamiento que la prensa da a la química. Ya no se considera que la química es la “causante de todos los males de la humanidad” y se la empueza a tratar con justicia, dándole el merito de ser una ciencia fundamental en nuestro bienestar y con gran potencialidad futura.

Sin embargo, no podemos relajarnos. Vivimos un momento histórico en el que dependemos de la ciencia y la tecnología; sin embargo, la sociedad, aunque se beneficia de este progreso, no reconoce este papel. Esta situación es global, pero se acentúa en países con poca tradición y cultura científica como el nuestro. Carlos Elías describe muy bien este momento que vive la ciencia en su libro La razón estrangulada, de lectura recomendada. Además, la química, aunque mejor considerada que hace un año, sigue siendo una especie de Cenicienta de la Ciencia. No tenemos el glamour de las ciencias biológicas, ni el prestigio de las matemáticas o la física. Por todas estas razones, los químicos debemos seguir publicitando adecuadamente nuestra ciencia y tenemos que seguir haciendo esfuerzos para transmitir los avances de la química a la sociedad.

¡Celebremos 2012 como un año químico!

¿Hacen falta razones para celebrar que 2012 es también un año químico? Mira a tu alrededor, ¿que ves? química. ¿Que tienen de común el día de hoy, ayer, hace un mes, 5 años o dentro de 10 años? química.

Todos interaccionamos cada día con miles de sustancias químicas, desde el aire que respiramos, el alimento que ingerimos, la ropa que llevamos, la energía que gastamos,…..¡Todo es química!

Esto queda reflejado en la siguiente imagen, donde nuestro planeta está rodeado por numerosos artículos que conocemos y la mayoría usamos para nuestro beneficio. Y es que la química, literalmente, nos rodea. Todos estos materiales están hecho de sustancias químicas.

En definitiva, la química es la ciencia que contribuye a:

1) Disfrutar de una vida más larga.

2) Que la vida sea más saludable.

3) Proporcionarnos agua pura y potable.

4) Conseguir más y mejores alimentos.

5) Cuidar de nuestro ganado.

6) Suministrar energía, con la que nos calentamos, nos movemos en transportes mecánicos o refrigeramos.

7) Que nuestras ropas y sus colores sean más resistentes y atractivos; mejorar nuestro aspecto con perfumes, productos de higiene y de cosmética; contribuir en la limpieza del hogar y de nuestros utensilios; ayudar a mantener frescos nuestros alimentos; prácticamente proporcionarnos todos los artículos que usamos a diario, desde la tinta con la que escribimos o el papel en el que escribimos.

8 ) Permitirnos estar a la última en tecnología: con el ordenador más potente y ligero; con el móvil más ligero; con el sistema más moderno de iluminación; con el medio de transporte adecuado; con el material para batir marcas deportivas; y con muchas aplicaciones más.

En resumen, necesitamos la química en nuestras vidas, Y TODO ES QUÍMICA, TAMBIÉN EN 2012.

Bernardo Herradón García
CSIC
b.herradon@csic.es

La química en la nanociencia

El futuro de la humanidad dependerá de tener instrumentos útiles en nuestro trabajo, tecnologíaa, ocio y vida cotidiana. Estos instrumentos se fabricarán con materiales adecuados. Por razones prácticas (propiedades mejoradas y modulables) y energéticas, se tenderá a minimizar el tamaño de los artilugios.

Para alcanzar estos objetivos serán fundamentales los avances científicos y tecnológicos en nanociencia, en la que la química tiene mucho que aportar en el diseño, preparación y caracterización de nanomateriales.

La nanociencia y sus aplicaciónes (nanotecnología) es un áreas de la ciencia de los materiales que aborda el estudio de objetos (una nanopartícula, NP) en escala nanométrica (orden de escala de centenares de nanometros, nm, 1 nm = 10-9). Ya existen numerosas aplicaciones industriales de los nanomateriales, con más de  1000 productos en el mercado que contienen nanopartículas (NPs), desde productos de cosmética a material deportivo. Esta es un área de negocio con un desarrollo muy amplio y unas excelentes perspectivas de futuro.

Actualmente existen muchos materiales nanoparticulados, especialmente derivados de metales de transición, como el oro, los óxidos de hierro, el dióxido de titano, el óxido de zinc o el paladio, que se están aplicando en diversas investigaciones en fase académica, tales como la catálisis, transferencia energética, materiales magnéticos, etc. Otras aplicaciones prácticas de la nanotecnología serán en el desarrollo de equipos  pequeños para monitorización (ambiental, salud, etc.) o en la fabricación de nanocápsulas para transporte de fármacos. Se podrán liberar fármacos en los órganos adecuados del paciente sin afectar a otras partes del cuerpo. Las nanocápsulas podrán dirigirse al sitio adecuado, por ejemplo usando materiales magnéticos.

Uno de los objetivos de la nanociencia es obtener NPs  con estructuras determinadas (a medida) que se puedan correlacionar con las propiedades, lo que es importante para el diseño de nanomateriales con propiedades definidas (“materiales a medida”, “tailored’). Para alcanzar este objetivo se ha intentando combinar las propiedades de NPs de diversos tipos. Se ha empleado la mezcla física de las mismas, pero el resultado no ha sido satisfactorio. Se piensa que la combinación química de NPs puede ser un método más adecuado, pues permitiría combinar diferentes NPs a voluntad, con propiedades mejoradas (efecto sinérgico), con mayor control de la estructura del material, y mayor estabilidad.

En el último número de ACS Nano (2012, volumen 6, número 1) se publica un articulo (Hamers y col, ACS Nano 2012, 6, 310-318) en el que se ha diseñado una estrategia para la obtención de NPs híbridas formadas por la combinación de óxidos de wolframio (WO3) y titanio (TiO2) a través de reacciones de [3+2] de alquinos con azidas (reacción de Huisgen) que ha sido convenientemente actualizada por Sharpless (Premio Nobel de Química en 2001 por el desarrollo de métodos de síntesis asimétrica a través de reacciones de oxidación) como uno de los métodos preferido para realizar la click chemistry; y que ha sido ampliamente usada en múltiples aplicaciones, desde la biomedicina a la ciencia de los materiales.

En esta investigación, los óxidos nanoparticulados (WO3 y TiO2)  son modificados con ligandos orgánicos con funcionalidad azida y alquino, respectivamente y se hacen reaccionar por el método desarrollado por Sharpless.

(De Hamers y col, ACS Nano 2012, 6, 310-318)

Los óxidos metálicos nanoparticulados, como el WO3 y el TiO2, son capaces de facilitar la separación y transferencia de carga promovidas por radiación lumínica. Esta propiedad hace que estos materiales sean muy atractivos para producir células fotovoltaicas, adecuados para fabricar paneles solares. Otra aplicación de estos nanomateriales es en fotocatálisis, es decir la aceleración de reacciones químicas por la radiación luminosa.

La posibilidad de mezclar varios tipos de óxidos metálicos nanoparticulados puede proporcionar mejores materiales para lograr estos objetivos. El trabajo descrito en ACS Nano describe la síntesis y caracterización de estos materiales y comprueban mejoras en las propiedades de los materiales híbridos en comparación con las NPs individuales, entre ellas, una eficaz transferencia de carga promovida por la luz y eficiente degradación fotoquímica del colorante azul de metileno.

Aunque las aplicaciones prácticas de esta investigación son evidentes, no hay que olvidar que es aún investigación básica; se están poniendo los cimientos para que en poco tiempo se puedan realizar aplicaciones tecnológicas. Otro aspecto importante de esta investigación es que se han desarrollado materiales con los que se pueden estudiar procesos básicos en ciencias físicas y químicas, como son entender procesos de transferencia electrónica e interacción de la luz con la materia.

Bernardo Herradón García
CSIC
b.herradon@csic.es

La concentración, el efecto biológico y noticias sobre sustancias químicas.

El diario PÚBLICO ha publicado la siguiente noticia.

Empiezo este post dejando claro que la contaminación ambiental en productos de consumo (cremas solares, medicamentos, plásticos, productos fitosanitarios, detergentes, etc.) es debido a que el ciudadano abusa de estos productos de consumo. Lo que no se usa acaba en el río. Para comentarios mios sobre esto, podéis ver la siguiente imagen.

La noticia sobre los protectores solares es un claro ejemplo de INCULTURA CIENTÍFICA. Una vez más se publicita la presencia de sustancias químicas en el medio ambiente, sin hacer referencia a la concentración (un concepto fundamental en química) ni la relación entre la dosis (concentración) y el efecto biológico. Esto ya lo dijo Paracelso hace 500 años.

Actualmente la química analítica tiene herramientas poderosas que son capaces de determinar cantidades ínfimas de sustancias químicas en un medio (agua, aire, alimentos, etc.). Se puede llegar a detectar cantidades menores de partes por billón (es decir del orden de 0’000000000001). Este gran avance científico proporciona al ciudadano un dato científico sólido que, unido a la relación dosis-efecto, debería tranquilizar a la población. Este tema ha sido acertadamente descrito por Yanko Iruín en su Blog del Buho. Recomiendo la lectura de ese artículo, que podéis descargar aquí.

En la noticia  se dice que “hay que beber 100.000 litros de agua para poder sufrir daños“. Entonces, ¿hay que crear alarma o no?

Esta noticia es parecida a las similares sobre “hay 620 kg de cocaina en el rio Ebro” (y para notar los efectos hay que beberse un millón de litros) o “cocaína en el aire de Madrid” (y para notar el efecto hay que esnifar una columna de 2 km de aire). Es decir, poco valor científico.

Bernardo Herradón García
CSIC
b.herradon@csic.es

Química y alimentos

Un alimento es toda sustancia no venenosa, comestible o bebible que consta de componentes que pueden ingerirse, absorberse y utilizarse por el organismo para su mantenimiento y desarrollo.

Desde un punto de vista químico, los alimentos tienen la siguiente composición (en tipos de compuestos químicos):

1) Hidratos de carbono o sus constituyentes.

2) Grasas o sus constituyentes.

3) Proteínas o sus constituyentes.

4) Vitaminas o precursores con los que el organismo puede elaborarlas.

5) Sales minerales.

6) Agua.

Por lo tanto, todo lo que comemos es una mezcla de compuestos químicos.

Actualmente no existen problemas de producción de alimentos en el mundo; y si existe hambre en nuestro planeta es por un problema de distribución, en los que entran en juego intereses sociales, económicos, políticos, bélicos, etc.

A principios del siglo XIX, el filósofo Malthus (1766-1834)  hizo el pronóstico de que en unas décadas la humanidad iba a desaparecer por falta de alimentos. Evidentemente se equivocó.

A pesar de que la superficie de terreno cultivado es mucho menor que hace dos siglos, tenemos alimentos suficientes para alimentar a los habitantes de un problema superpoblado. La razón es que el terreno agrícola es ahora mucho más productivo, es capaz de producir mayores cosechas y estas no se pierden por  culpa de las plagas.

La química ha jugado un papel muy importante en este mayor rendimiento agrícola; proporcionando sustancias químicas que mejoran las cosechas (abonos, fertilizantes), supresores de plantas no productivas (herbicidas selectivos), protectores de plagas (plaguicidas, pesticidas) y aditivos para cosechas (quelantes de cationes).

Todas estas sustancias químicas tienen un papel beneficioso para el ser humano si se usan en la dosis adecuada (la que necesita la cosecha); si se usan en exceso, lo que no se necesita va a los distintos ecosistemas provocando problemas medioambientales.

Además, la química también ayuda a conocer las características del suelo, lo que permite una agricultura más racional. La química proporciona productos que cuidan la salud de nuestro ganado y acuicultura (nuestra principal fuente de proteínas) y purifica y potabiliza el agua.

También es importante destacar que actualmente podemos conservar los alimentos más tiempo y no dependemos, como en el pasado, de un consumo estacional y rápido. Esta situación permite racionalizar mejor la distribución de alimentos. Aunque en la antigüedad ya se conocían alguna manera de conservar alimentos (salmueras, salazones, ahumados, etc.), estos métodos modificaban su sabor y propiedades.  Actualmente disponemos de sustancias químicas más versátiles y con mejores propiedades para conservar alimentos durante más tiempo. Los conservantes son un tipo de aditivos alimentarios.

Un aditivo alimentario es una sustancias que se añade a los alimentos, sin propósito de cambiar su valor nutritivo, principalmente para alargar su periodo de conservación, para que sean más sanos, sepan mejor y tengan un aspecto más atractivo. Los aditivos se clasifican según su función en:

1) Colorantes: modifican el color.

2) Edulcorantes: modifican el sabor

3) Aromatizantes: modifican el olor.

4) Conservantes: impiden alteraciones químicas y biológicas.

5) Antioxidantes: evitan la oxidación de los componentes de alimentos.

6) Estabilizantes: mantienen la textura o confieren una estructura determinada.

7) Correctores de la acidez.

8) Potenciadores del sabor: refuerzan el sabor de otros compuestos presentes.

Los aditivos tienen un código formado por la letra E seguida de tres cifras (E-_ _ _). Aunque a veces se ha especulado que este sistema es oscuro para despistar al consumidor; su objetivo es el opuesto, pues sirve para que sepamos que aditivos tienen los alimentos que consumimos, independientemente del idioma en el que esté escrita la etiqueta o prospecto. La lista de aditivos alimentarios, y sus códigos corerspondientes, se puede descargar aquí.

Sobre el efecto para la salud de los aditivos alimentarios se podría hablar largo y tendido (quizás para futuros artículos en el blog); pero lo que es cierto es que todos los autorizados han tendido que pasar los registros de sanidad y/o consumo correspondientes en los distintos países. Otro asunto es que el uso y la producción masiva y/o descontrolada de algunos de ellos (por ejemplo, los colorantes) pueda ser perjudicial para la salud; pero para tener la certeza de la peligrosidad y/o inocuidad, habrá que seguir investigando; y los científicos del área de la ciencia de alimentos están dedicando muchos esfuerzos a esta tarea.

Más información.

Bernardo Herradón-G y Yolanda Pérez

CSIC y Universidad Rey Juan Carlos

herradon@iqog.csic.es

yolanda.cortes@urjc.es

Comentarios sobre las reacciones de Heck, Negishi y Suzuki. Premio Nobel de Química 2010.

La Real Academia Sueca de Ciencias ha anunciado la concesión del Premio Nobel de Química a Richard F. Heck (1931, Profesor Emérito de la Universidad de Delaware), Ei-ichi Negishi (1935, Universidad de Purdue) y Akira Suzuki (1930, Profesor Emérito de la Universidad de Hokkaido). La concesión del premio se ha hecho por su contribución al desarrollo de métodos sintéticos catalizados por complejos de paladio, que han permitido la preparación de miles de compuestos orgánicos de estructuras variadas, útiles en todas las áreas en las que influye la Química: salud, alimentación, agricultura, tecnología, materiales, energía, etc…

Las reacciones de formacion de enlaces C-C catalizadas por paladio ocupan una posicion predominante en Química orgánica. La reacción descubierta de manera independiente por Mirozoki y Heck a comienzo de los años 1970s, que posteriormenete desarrolló Heck, fue pionera y abrió el camino a posteriores desarrollos. La reacción de Heck es el acoplamiento entre una olefina ( nucleófilo) y un electrófilo (generalmente un haluro poco reactivo en reacciones de sustitución nucleófila). Reacciones similares a esta son la de Stille, Sonogashira y Negishi que implican el uso de organoestannanos, alquinos terminales, y organozincicos, respectivamente. Otra reacción útil desde el punto de vista sintético es la sustitucion nucleofila catalizada por paladio de compuestos alilicos, conocida como la reaccion de Tsuji-Trost. Un proceso análogo es la reaccion de Buchwald-Hartwig, que en su variante mas comun consiste en el acoplamiento de aminas secundarias con haluros de arilo. Muchas otras reacciones similares (Kumada, Hiyama, Ito, etc.) se han descrito en la bibliografía, pero no son tan versátiles como estas. Esquemas generales de estas reacciones se indican a continuación.

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Otro proceso fundamental catalizado por paladio es el conocido como reaccion de Suzuki, la cual consiste en la formacion de enlaces carbono-carbono catalizada por paladio mediante el uso de organoboranos. La aplicacion mas extendida de esta reaccion consiste en la preparacion de biarilos y estructuras analogas las cuales son de gran importancia en areas como la preparacion de moleculas biologicamente activas o materiales conjugados con aplicaciones tecnologicas. Desde que fuera descrita por primera vez en el año 1979 por Suzuki esta reaccion ha estado sometida a un constante proceso de mejora enfocado a conseguir condiciones de reaccion cada vez mas suaves y tolerantes con el mayor numero de sustratos posibles. Estas mejoras se han centrado principalmente en el desrrollo de aditivos diseñados para actuar como ligandos y entre los que destacan los basados en fosfinas y mas recientemente carbenos heterociclicos. Asi, hoy en dia es posible llevar a cabo esta reaccion a temperatura ambiente incluso empleando los poco reactivos pero economicamente mas asequibles cloruros de arilo como electrofilos. En la figura siguiente se muestra la reacción general y algunas aplicaciones sintéticas.

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Bibliografía

1) Classics in Total Synthesis. II.  More Targets, Strategies, Methods. Nicolaou y Snyder, 2003.

2) Classics in Total Synthesis. Targets, Strategies, Methods. Nicolaou y Sorensen. 1996.

3) Portal de reacciones en Química Orgánica

4) Elements of Synthesis Planning. Hoffmann. 2009.

5) Synthesis of Biaryls. Cepanec. 2004.

Enrique Mann (mann@iqog.csic.es) y Bernardo Herradón (herradon@iqog.csic.es)

IQOG-CSIC

Cinética y dinámica química

Una parte importante de la química física es el estudio de los mecanismos de reacción; lo que implica conocer el “camino” por el que los sustratos (materiales de partida, reactivos, reactantes) se convierten en los productos en una reacción química. Tiene tres aspectos relacionados a considerar:

1) La velocidad de reacción. Es decir, cómo de rápido los sustratos se convierten en productos. Normalmente, la velocidad de reacción es directamente proporcional a la concentración de los materiales de partida. La constante de proporcionalidad, denominada constante de velocidad o constante cinética (k), es la característica importante de una reacción química. El área de la química física que determina velocidades de reacción (experimentalmente) es la cinética química.

2) Energía. Conocer un mecanismo detallado de reacción implica conocer el contenido energético de cada una de las especies químicas. Muy pocas reacciones químicas transcurren en una única etapa y lo habitual es que los sustratos se conviertan en productos a través de varias especies químicas, denominadas intermedios de reacción, que normalmente suelen tener más energía (es decir, termodinámicamente menos estable) que los sustratos o productos. Cada conversión de sustrato en intermedio o de estos en productos transcurre a través de un máximo energético, que es el estado de transición de cada etapa elemental; la diferencia de energía entre cada intermedio y el máximo energético es la energía de activación (Ea) de la etapa elemental. La energía de activación de la reacción global es igual a la mayor energía de activación de las etapas elementales. Con las diversas etapas elementales e intermedios de reacción, el perfil de una reacción (la representación de la energía frente al progreso de la reacción) es un conjunto de montes y valles como se representa en la imagen siguiente.

Perfil_energia

Del sitio web.

La Ea es el parámetro termodinámico fundamental para determinar lo fácil o difícil que puede ser una reacción química. Arrenhius postuló que k depende exponencialmente del valor negativo de la energía de activación (Ea), dando lugar a la ecuación de Arrhenius, que ha sido suficientemente probada experimentalmente. Debido a la dependencia inversamente exponencial entre k y Ea, cuanto mayor es Ea, menor es la velocidad de reacción.

Ecuacion_Arrhenius

A partir de datos cinéticos a diversas temperaturas se puede determinar la energía de activación de una reacción química. Por métodos espectroscópicos o por cualquier medio indirecto (por ejemplo, “atrapándolos” en reacciones secundarias) se pueden identificar algunos intermedios (cuanto más estable, más fácil se detecta); pero es difícil determinar experimentalmente la existencia de todos los intermedios sintéticos de una reacción. En los últimos tiempos, la investigación de mecanismos de reacción ha recibido un impulso considerable de la química computacional, dónde no existe el “inconveniente” de la inestabilidad de una especie química para proceder a su estudio. En  esta aproximación, se postulan posibles intermedios sintéticos y estados de transición de las etapas elementales; y se determinan computacionalmente sus energías y estructuras (geometrías: conectividades, distancias de enlace, ángulos de enlace y ángulos diedros). La metodología computacional permite decidir si la estructura propuesta como estado de transición es realmente un estado de transición y, además, se corresponde con la transformación propuesta.

3) Movimientos de los componentes del átomo.  Para conocer el mecanismo de reacción detallado, es decir a nivel atómico, es necesario conocer el movimiento de los núcleos y de los electrones. Este era un reto considerado imposible de alcanzar experimentalmente, aunque el proceso se puede modelizar por métodos computacionales. Un avance considerable se consiguió cuando se usaron pulsos láser de duración ultracorta.

Cinética química experimental. El objetivo es determinar la variación de la concentración de sustratos o productos con el tiempo y ajustar los datos a alguna de las ecuaciones teóricas de la cinética química.

Muchas reacciones importantes, por ejemplo la reducción de nitrógeno a amoniaco ocurren muy lentamente, siendo necesaria la presencia de un catalizador; que es una especie química que no se consume en una reacción, pero que aumenta la velocidad de la misma. Por supuesto, aunque el catalizador no se consume en la reacción, sí participa en el mecanismo de la misma, generando intermedios de reacción que evolucionan regenerando el catalizador, que vuelve a comenzar el ciclo catalítico. Las cinéticas de estas reacciones “lentas” se pueden seguir con un cronómetro.

Con el objetivo de obtener datos de las etapas elementales de un mecanismo de reacción (o determinar la velocidad de una reacción muy rápida), dónde hay que determinar la variación de concentración de intermedios  (que están presente en muy pequeñas concentraciones y con tiempos de vida, generalmente, muy cortos), fue necesario desarrollar métodos experimentales adecuados. Manfred Eigen (Premio Nobel en 1967) desarrolló métodos adecuados para medir la velocidad de reacciones en la escala de tiempo de los microsegundos (un microsegundo = 10-6 segundos). El método de relajación desarrollado por Eigen consiste en alterar un estado de equilibrio de una reacción química (suministrando energía de alguna manera) y midiendo el tiempo que tarda el sistema en volver a alcanzar el equilibrio.

Más recientemente, Ahmed Zewail (Premio Nobel en 1999) encontró que se podía usar un pulso láser de femtosegundos (un femtosegundo = 10-15 segundos) de duración para estudiar experimentalmente detalles y velocidades de reacciones a nivel atómico, siendo una técnica poderosa para seguir el movimiento de los núcleos en una molécula durante una reacción química.

Zewail anticipó que un pulso láser de duración de atosegundos (un atosegundo = 10-18 segundos) permitiría monitorizar el movimiento de los electrones durante una reacción química. Esto se ha conseguido recientemente. Los autores del artículo (Nature, 2010, 465, 763), estudiando la reacciones de fotoionización de las moléculas de hidrógeno (H2) y de deuterio (D2), un isótopo del hidrógeno. Los resultados experimentales han sido completados con extensos cálculos mecano-cuánticos para resolver la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo (la ecuación que describe el estado de un sistema cuántico, por ejemplo, un electrón), que ha llevado el uso de un superordenador durante muchos miles de hora, pues aunque el sistema solo tenga dos electrones, la resolución de dicha ecuación no es analítica debido al efecto de correlación electrónica (la interacción entre los dos electrones del sistema).

Ionizacion_H2

Este tipo de estudios supone un avance considerable en el estudio de las reacciones químicas, constituyendo un área de la química física, denominada dinámica química.

Sobre las publicaciones científicas

En la edición de The Scientist del 14 de junio de 2010, se ha publicado el artículo Is Peer Review Broken?, dónde se analiza el hecho del gran número de artículos rechazados por las revistas punteras (del área de Biología, pero extrapolable a otras Ciencias), y lo que esto significa y provoca.

En ese artículo se ctan una declaraciones muy interesantes de Peter Lawrence. Lawrence es un biólogo del desarrollo de gran y merecido pretigio y curriculm espectacular (premio Prínipe de Asturias en 2007). Lawrence comenta que sus, aproximadamente, primeros 70 artículos se publicaron en las revistas a las que se enviaron originalmente. De pronto, esto cambió.

Como el redactor de la revista lo explica mejor que yo, reproduzco a continuación el párrafo en el que Lawrence cuenta que pasó después:

Lawrence, based at the MRC Laboratory of Molecular Biology at Cambridge, UK, says his earlier papers were always published because he and his colleagues first submitted them to the journals they believed were most appropriate for the work. Now, because of the intense pressure to get into a handful of top journals, instead of sending less-than-groundbreaking work to second- or third-tier journals, more scientists are first sending their work to elite publications, where they often clearly don’t belong

Los que seguís este blog, sabéis que soy un poco ingenuo en ciertas apreciaciones relacionadas con la Ciencia y lo que la rodean (ver por ejemplo, mi artículo sobre las revistas científicas y su impacto).

Una de mis ingenuidades es la creencia de que había que publicar nuestra investigación para que les lleguen a nuestros colegas con intereses parecidos al nuestro (si trabajas en Química orgánica, publica en las revistas de más difusión del área o en revistas de Química general, pues son las que leerán tus colegas). Sin embargo, hoy en día todo el mundo intenta publicar en revistas del mayor índice de impacto, IF, (cuando a veces no se sabe lo que significa realmente este índice); y hay áreas dónde la dispersión de valores en los índices de impacto es ridícula y coyuntural (¿recordamos el ejemplo del Journal of Electroanalytical Chemistry y la fusión fría? ¿o los casos de revistas con alto índices de impacto debido a que publican revisiones junto a artículos originales?).

¿Por qué está ocurriendo esto? La respuesta es sencilla: asumimos que nadie lee nada y sólo se suma el índice de impacto de la revista en la que se ha publicado (esto sirve para conseguir contratos o proyectos). Esto es muy triste cuando todo el mundo desde su casa y un ADSL puede disponer de casi todos los artículos científicos del mundo a un toque de teclado; y puede leer y valorar un artículo científico. Estamos creando una burbuja científica; “estamos confundiendo valor y precio“, y como dijo Machado, esto es de necios.

Bernardo Herradón

IQOG-CSIC

herradon@iqog.csic.es