Quimiofilia No. 1 EL PROPÓSITO DE LA CIENCIA QUÍMICA by quimiofilia

Divulgación de la Ciencia Química

Número 1

propósito de la

CIENCIA

QUÍMICA

•EL ENLACE • SÍNTESIS ORGÁNICA •QUÍMICA FARMACÉUTICA •QUÍMICA VERDE •BIOCATÁLISIS QUÍMICA TEÓRICA Y COMPUTACIONAL •QUÍMICA: PILAR DE LA ECONÓMICA

Alejandro Torres y negocios Gavilán Ciencia El nuevo pensamiento

MITO QUÍMICO Las microondas y su mal entendimiento

científico

REVISTA QUIMIOFILIA JULIO 02018. #1. 2a EDICIÓN. $50

•Asignación estructural •Transferencia de Tecnología •Biocatálisis •Diseño de Síntesis •Desarrollo de Métodos Analíticos •Investigación de Hallazgos •Interpretación de Resultados •Formulación Cosmética y Farmacéutica •Cursos, Actualizaciones y Capacitaciones •Seguridad en Laboratorio

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EDITORIAL Entre los años 750 y 815 de ésta era, el persa Abū Mūsā Ŷābir ibn Hayyān, conocido en latín como Geber, introdujo a la alquimia una nueva forma de ejecución y entendimiento de sus actividades: la experimentación. Mucho antes que las aportaciones de Antoine Lavoisier o Friedrich Wöhler cambiaran la forma en que la humanidad percibía a la realidad e incluso a la Divinidad, el estilo y pensamiento de Geber sentó las bases de la Química, la disciplina que más aportes ha hecho a las actividades humanas en todas sus manifestaciones. Durante siglos, la química ha creado y perfeccionado su lenguaje, su simbología e incluso su objeto de trabajo, influyendo por sí misma en otras disciplinas mucho más, o al menos a la par, de lo que otras disciplinas influyen en ella. La química es una ciencia que genera conocimiento para que otros entiendan, apliquen o justifiquen su propio conocimiento. Sus alcances son tales que hoy toda línea de conocimiento de la naturaleza o aplicación tecnológica en algún momento tuvo que resolver un problema químico. Con tal variedad de aplicaciones e intervenciones, la química se ha ganado opiniones y calificaciones tanto diversas como cambiantes, desde ser percibida como una disciplina de élite académica hasta ser la responsable del consumo y contaminación de recursos naturales. La química es la única ciencia formal en la que el comercio y las finanzas han encontrado oportunidad de negocios. De ella surgieron fármacos y sustancias que se consideran ilegales; de ella supimos que existen o que se pueden crear materiales con casi cualquier requerimiento, que muchos de ellos ayudan a conservar alimentos, que otros no se podrán recuperar o destruir o que se pueden usar como armas. Con todo esto, cada vez más gente, especializada y no especializada en el área, se formula preguntas para las que no es sencillo dar una respuesta, o al menos una única: ¿Cuál es el propósito final de la química? ¿Cuándo un problema se vuelve dominio de la química? ¿Qué tan responsable es la química del uso que se le da a sus conocimientos y técnicas? Este es el primer número de una revista en la que queremos hacer llegar a todos el conocimiento químico, sus condicionantes y consecuencias. Deseamos que el contenido contribuya a un mejor ejercicio de profesionales y especialistas y a un mejor entendimiento de la química para aquellos no químicos. ¡Bienvenidos a la Divulgación de la Ciencia Química!

JOSÉ DOMINGO RIVERA RAMÍREZ DIRECTOR GENERAL Y EDITOR

REVISTA QUIMIOFILIA DIVULGACIÓN DE LA CIENCIA QUÍMICA. Año 1. Núm. 1 Revista bimestral Julio 2018. Editor responsable José Domingo Rivera Ramírez. El logotipo y el nombre con

sus variantes, colores, tonalidades, tamaños, formatos y versiones son propiedad intelectual en trámite. La difusión de este documento es en formato digital a través descarga en la página web QUIMIOFILIA.COM. La comercialización del formato digital por otra vía o la impresión para fines comerciales sin la autorización por escrito de Quimiofilia incurre en una falta a las leyes sobre derecho de autor, patentes, marcas, modelos y diseños industriales o secretos industriales. Los contenidos del presente documento tienen fines divulgativos y de información al público en general, así como a especialistas, investigadores, estudiantes y profesionistas. El contenido y las opiniones expresadas por los autores son responsabilidad de cada uno de ellos y no reflejan necesariamente la postura del editor de la publicación o la opinión de Quimiofilia. El contenido, promociones y material gráfico que se inserta en los espacios publicitarios son responsabilidad de los anunciantes. Quimiofilia no promueve, incita, insinúa, sugiere o invita a que la información aquí presentada sea utilizada sin la asesoría de un experto y/o para fines que violen las leyes y las buenas costumbres de cada país.

EL PROPÓSITO DE LA CIENCIA QUÍMICA

CONTENIDO Contexto

6  EL ENLACE. DOGMA CENTRAL DE LA QUÍMICA

10  SÍNTESIS. LA HEROÍNA DE LA HISTORIA

13  QUÍMICA, FARMACIA Y… ¿QUÍMICA FARMACÉUTICA?

17  QUÍMICA VERDE

21  BIOCATÁLISIS Contribuir a la sustentabilidad de los procesos químicos

Entrevista

26  ALEJANDO TORRES GAVILÁN Ciencia y negocios. El nuevo pensamiento científico

32  QUÍMICA TEÓRICA Y QUÍMICA COMPUTACIONAL La Química en lenguaje numérico

36  QUÍMICA: PILAR DE LA ECONOMÍA

Mito químico

38  LAS MICROONDAS Y SU MAL ENTENDIMIENTO

41  BIBLIOGRAFÍA

EL PROPÓSITO DE LA CIENCIA QUÍMICA

EQUIPO QUIMIOFILIA DIRECTOR GENERAL EDITOR EN JEFE José Domingo Rivera información@quimiofilia.com

COMITÉ EDITORIAL

Fabiola N. de la Cruz Doctora en Química. Profesora Investigadora de la Universidad Autónoma de Coahuila. fcruz@uadec.edu.mx

Juan Emanuel Ortega Estudiante del 8vo semestre de QFB, Universidad Tecnológica de Guadalajara. Sus intereses se centran en el desarrollo farmacéutico. e_manuel_19@live.com.mx

DISEÑADOR

DISEÑO WEB

Kenji Minami Minami.kenji@gmail.com Linkedin.com/in/kenji-minami-41395b59

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EL PROPÓSITO DE LA CIENCIA QUÍMICA

COLABORADORES EN ESTE NÚMERO ARTÍCULOS

Marco V. Mijangos Candidato a Doctor por la UNAM Su trabajo de tesis se centra en la síntesis total de alcaloides. viniciomili@gmail.com

Telaraña Farmacéutica Es un proyecto de divulgación de las ciencias farmacéuticas de origen colombiano. Cuentan con una app interactiva.

Jaime Escalante Profesor Investigador en la Universidad Autónoma del Estado de Morelos, México. Sus intereses son estrategias de síntesis con microondas, mecanoquímica, enzimas y ultrasonido. Ha dirigido más de 10 tesis doctorales y publicado más de 60 artículos en revistas internacionales. jaime@uaem.mx

Edmundo Castillo Profesor investigador en el Instituto de Biotecnología de la UNAM, Nivel II del Sistema Nacional de Investigadores. Ha publicado más de 40 artículos en revistas internacionales. Ha dirigido 3 tesis doctorales, 11 de maestría y 5 de licenciatura. edmundo@ibt.unam.mx

Cristina Gonzáles Candidato a Doctor en Química en McMaster University, Hamilton, Ontario, Canadá. Su trabajo se centra en el desarrollo de métodos teóricos con modelos de separación de intervalos.

Filiberto Gutiérrez Candidato a Doctor en Química por la Universidad de Guadalajara, México. Su trabajo se centra en la predicción de la actividad biológica, síntesis y pruebas biológicas de lignanos y sus análogos. gutierrez@hotmail.com

Regino Castro Grela Maestro en administración químico-industrial. Es experto en cotización, gestión y diseño de servicios en instalaciones químicas a nivel industrial y de laboratorios de investigación. ingrcg@yahoo.com.mx

EL ENLACE DOGMA CENTRAL DE LA QUÍMICA Contexto

EL ENLACE. DOGMA CENTRAL DE LA QUÍMICA

ara las personas no especializadas en el mundo y el lenguaje de la química, pero incluso para las que tienen una instrucción avanzada en ella, la percepción de ésta disciplina es muy amplia y diversa. Y es que la definición de ésta ciencia es muy sencilla: el conocimiento necesario para transformar materia; sin embargo, el concepto que abarcan estas palabras es amplio y complejo. Siendo así, debe haber una idea fundamental de la que surjan todas las construcciones de la química y hacia dónde se pueda remitir cualquier manifestación científica que pretenda integrarse a ella. Dicha idea es la Existencia del Enlace, y es tan importante que muchos filósofos de la Química la han llamado El Dogma Central de la Química. No pocos especialistas e incluso autoridades del área considerarían que la química tiene como dogma la existencia del átomo como unidad fundamental y mínima de la materia; sin embargo, cada vez mayor cantidad de estudiosos consideran que este concepto, su definición y estudio son competencia de la física. Si bien el concepto de átomo y materia también son de vital importancia para la química, pretender explicar un problema químico estudiando únicamente la composición de una sustancia, resultaría para muchos químicos de la actualidad en una absurda pérdida de tiempo. La química en cambio, basa su desarrollo en establecer cómo manipular las fuerzas que mantienen a dos o más átomos unidos y la consecuencia de dicha interacción o manipulación: la transformación de la materia. El problema es que aún con lo claro que resulta la distinción entre átomo y enlace, la definición de éste último es una de las mayores dificulta-

des de la química y a lo largo de la historia, químicos de toda clase de motivaciones y posibilidades lo han estado estudiando directa o indirectamente. El problema estriba en que hasta el momento no existe un método con el que se pueda observar a un enlace directamente. Lo que se tiene hasta ahora es un acervo de técnicas e instrumentos para medir los fenómenos que derivan cuando dos átomos están a cierta distancia, la variación en dichos fenómenos cuando se quiere acortar o alargar esa distancia o cuando se acerca o se aleja un tercer átomo de ellos. Técnicas como Resonancia Magnética Nuclear (RMN) permiten verificar si un átomo de carbono tiene cerca a tres átomos de hidrógeno, dos átomos de hidrogeno y uno de carbono; un átomo de hidrogeno y dos átomos de carbono o a tres átomos de carbono; a través de miles de experimentos y la aportación de miles de científicos se ha observado que cuando se mide cada una de esas combinaciones por RMN se tienen el mismo tipo de respuestas, es así que ha sido posible proponer que lo que se está midiendo son diferentes tipos de enlace carbono-hidrógeno o carbono-carbono: es por eso que la RMN es una técnica útil en el descubrimiento de la conectividad estructural de una sustancia orgánica.

Otros fenómenos que es posible asociar con el cambio en un patrón de enlace entre átomos pueden ser: cambios de color de la sustancias, cambios de estado, generación o pérdida de calor, cambio en una señal eléctrica –por ejemplo, el cambio en el valor de pH en un potenciómetro significa que dos átomos que tienen asociaciones iónicas las están modificando cuando entran en solución o cuando una tercera especie interacciona con ellos– o cambio en una función biológica. Al observar que las medicio-

EL ENLACE. DOGMA CENTRAL DE LA QUÍMICA

nes de dichos fenómenos son constantes, se puede sugerir que se deben a la interacción entre los átomos que componen a la sustancia y que dichas interacciones son enlaces. Actualmente el estudio, la comprensión y la utilidad del concepto de enlace se han diversificado a tal grado, que es posible entender, explicar y manipular todos los fenómenos del mundo natural y responder a las preguntas: ¿cómo formarlo o romperlo? ¿qué tan fácil es hacerlo? y ¿cuánto tardará el proceso? La primera pregunta la responde la Teoría Ácido-Base, la cual estudia la forma de romper y formar enlaces y las condiciones para que esto suceda. La segunda pregunta la responde la Termodinámica Química al establecer qué tanta energía se necesita para romper o formar un enlace y que tan estable será la sustancia que se obtendrá; además de que establece el grado de avance de una reacción y cómo manipularlo. En la práctica cotidiana es difícil advertir cual de estas dos disciplinas se está aprovechando más al resolver un problema, ya que están estrechamente relacionadas. La limitante de la teoría ácido-base y de la termodinámica es que no establecen qué tan rápido se llevarán a cabo los fenómenos que estudian y exactamente con qué mecanismo, ahí donde interviene la Cinética Química, la cual estudia qué tantos enlaces se rompen o se forman por unidad de tiempo y si son de diferente tipo, en qué orden. Asimismo, durante el abordaje de algún cuestionamiento básico o tecnológico de la química, siempre se vuelve necesario recurrir a estas tres disciplinas para formarse una idea clara del problema y obtener resultados apropiados para su resolución.

Derivado de estas tres disciplinas fundamentales en la química y de sus colaboraciones mutuas, es que se han construido teorías, descubrimientos y desarrollos tecnológicos que brindan beneficios y comodidades a la sociedad y sobretodo han aportado grandes conocimientos a nuestro entendimiento de la naturaleza. También, derivado de ellas tres es que se ha estructurado la enseñanza y academización de la química en lenguajes, simbologías y líneas de entendimiento. En la actualidad no hay problema científico que no tenga que recurrir al lenguaje de la química o que no se haya beneficiado de su legado y mejor aún, la química cada vez interactúa más y mejor con otras áreas del conocimiento. Es importante reconocer que las tres disciplinas fundamentales tienen como base de desarrollo y entendimiento a la Mecánica Cuántica. Es a este nivel dónde la distinción entre la química y la física se vuelve muy difuso y pretender inclinarse por una en particular no pasa de ser un infructífero ejercicio intelectual. La definición del concepto de enlace sigue siendo un problema central en la química en el que aún quedan más preguntas confusas que respuestas satisfactoria, es nuestra responsabilidad como usuarios de la química, emplear apropiadamente cada descubrimiento y término nuevo para aportar evidencia de su utilidad en el Dogma Central de la Química

EL ENLACE. DOGMA CENTRAL DE LA QUÍMICA

EL DOGMA CENTRAL DE LA QUÍMICA

TECNOLOGÍA ELUCIDACIÓN DE PROCESOS BIOLÓGICOS

FÁRMACOS CIENCIA APLICADA

SÍNTESIS ASIMÉTRICA

SÍNTESIS

CELDAS

MATERIALES

BIOQUÍMICA BIOLOGÍA MOLECULAR BIOFARMACIA FARMACOCINÉTICA

ELECTROQUÍMICA

ÁREAS DE LA QUÍMICA

QUIMICA ANALÍTICA

ESTEREOQUÍMICA CIENCIA BÁSICA

VELOCIDAD DE REACCIÓN CINÉTICA ENZIMÁTICA

EQUILIBRIO QUÍMICO

MECANISMOS DE REACCIÓN

ENERGÍA DE ENLACE ENERGÍA DE ACTIVACIÓN

TEORÍA ÁCIDO-BASE

TERMODINÁMICA

ENLACE TEORÍA ATÓMICA

TEORÍA ESTRUCTURAL

FISICOQUÍMICA

CINÉTICA

• QUÍMICA CUÁNTICA • QUÍMICA TEÓRICA

MECÁNICA CUÁNTICA Visión desde la investigación

Visión desde la academia 9

SÍNTESIS ORGÁNICA La heroína de la historia Por Marco V. Mijangos

finales de los años 80’s, los químicos del Instituto Nacional del Cáncer (National Cancer Institute) en Estados Unidos tomaron 14 toneladas – el peso de dos elefantes africanos– de una planta marina conocida como Bugula neritina y aislaron 18 gramos –el peso de dos monedas– de Briostatina 1, un compuesto que se perfiló como un prometedor agente de primera clase para el tratamiento de enfermedades como el VIH/SIDA, el cáncer y la enfermedad de Alzheimer.

El problema surgió cuando se exploró la posibilidad de llevar a cabo estudios con esa cantidad de compuesto, ya que para fines prácticos resultaba ser muy poco y obtenerlo a gran escala a partir de sus fuentes naturales causaría daños significativos al ecosistema y expondría a la extinción al organismo que lo produce. Así, la Briostatina 1 se incorporó a la larga lista de sustancias de alto interés para la humanidad, pero que su aplicación se ha visto obstruida por su baja disponibilidad en la naturaleza.

SÍNTESIS ORGÁNICA

Pensando en la resolución de este dilema fue que a finales del siglo XIX toda una generación de científicos ideó una premisa: Construir a las sustancias en lugar de obtenerlas de fuentes naturales. Esto dio paso a la actividad química por excelencia: La Síntesis Química. La Síntesis Química –o Síntesis– es la disciplina química que se dedica al estudio sistemático de la construcción de sustancias complejas, mediante la transformación de moléculas más simples y de fácil obtención, económica o ambiental. En otras palabras, es el sueño hecho realidad de los antiguos alquimistas, la obténción de una sustancia de alto valor, a partir de otras muy baratas. Hoy en día, los científicos practicantes de la síntesis buscan la obtención de sustancias químicas complejas con estructura tridimensional y funcionalidades precisas, utilizando –y descubriendo– principios fundamentales de reactividad para diseñar reacciones que generen el producto deseado de manera rápida, eficiente y con el mínimo impacto ambiental. En 2017 fue posible obtener Briostatina 1 vía síntesis química, dando una alternativa para su abastecimiento sin necesidad de aventurarse al fondo del mar y facilitando su futura aplicación en la medicina. Es grato decir que no solamente la medicina ha sido beneficiada por esta ciencia. La síntesis ha generado desde productos agroquímicos y de control de plagas, plásticos y gomas, pigmentos para ropa, pinturas, perfumes y aditivos en alimentos, hasta las moléculas que iluminan las pantallas de nuestros teléfonos celulares. Esta gama de beneficios hace parecer que la síntesis es una ciencia madura, sin embargo,

aun en estos días sintetizar una molécula compleja requiere muchos recursos y de un gran esfuerzo. Los químicos sintéticos siguen buscando nuevas formas de armar moléculas que permitan proveer cualquier sustancia útil para la humanidad y que esto sea tan fácil como preparar unos huevos revueltos. Con trabajo duro y creatividad este ideal algún día será posible.

HOY EN DÍA ES DIFÍCIL MIRAR ALGO DONDE LA SÍNTESIS NO HAYA TENIDO UN IMPACTO MUY AMPLIO, NO POR NADA ES LA ACTIVIDAD QUÍMICA POR EXCELENCIA Algunos datos de la síntesis orgánica Se ha calculado que en el mundo existen alrededor de 30 millones de sustancias reconocidas en el Registro CAS y 50 millones registradas en el buscador SciFinder, las cuales han sido identificadas, proporcionadas o fabricadas por 500 compañías y 2200 universidades. Jonathan Goodman de la Universidad de Cambridge contabilizó que para Octubre de 2017 existían 279 revistas especializadas en síntesis orgánica. Para 2017 las búsquedas especializadas en el portal de la American Chemical Society rondaron los 27 millones de visitantes. Esta prestigiosa revista publicó alrededor de 40 mil artículos ese año. Únicamente en esta asociación se hacen hasta 181 millones de revisiones de resúmenes de artículos por año.

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QUÍMICA, FARMACIA Y ¿QUÍMICA FARMACÉUTICA? Por Telaraña Farmacéutica

QUÍMICA, FARMACIA Y ¿QUÍMICA FARMACÉUTICA?

a química está en todo y en todos. Nuestro entorno y nuestro interior se encuentran en un proceso constante de transformación a base de reacciones químicas que a veces no percibimos y muchas de las cuales aún no conocemos. Existen sin embargo algunas transformaciones que si percibimos, ya sean porque algún agente externo las ocasionó o porque las funciones normales dejaron de serlo, esas transformaciones cambian las funciones normales de nuestro organismo y las conocemos como enfermedades. Una de las primeras manifestaciones de la química desde hace decenas de siglos, se encargó de estudiar y entender dichos procesos anómalos con el afán de revertirlos o prevenirlos –la segunda manifestación inicial de la química fue la de intentar obtener oro a partir de cualquier sustancia o cosa–. Una de las anécdotas más reconocidas acerca del raciocinio de las funciones anómalas de un ser vivo, la protagonizaron los gemelos Cosme y Damián, nacidos en Arabia alrededor del siglo III d.C. Estos hermanos, después de aprender medicina en Siria se trasladaron a Roma para curar cualquier enfermedad en el nombre de Dios, tanto en hombres como animales. En poco tiempo el éxito y efectividad de los métodos de los gemelos fue tal que cientos de personas ocupaban de sus servicios, por lo que repartieron sus labores, siendo Cosme el que se dedicaba a diagnosticar las enfermedades y Damián el que realizaba los preparados medicamentosos para administrarlos como tratamiento preventivo o correctivo. La importancia y distinción de estas dos actividades generó en los años siguientes tal grado de especialización y diferenciación entre ambas actividades, que en el siglo XII el Emperador Federico II aprobó El Edicto de Palermo,

QUÍMICA, FARMACIA Y ¿QUÍMICA FARMACÉUTICA?

un documento escrito por el boticario Pier Delle Vigne en donde se distingue la independencia de la actividad farmacéutica de la médica. A partir de entonces nació la actividad científica más influyente de y para la humanidad y hacia la que todos los esfuerzos de la química desean ser de utilidad –La Farmacia –. En el campo farmacéutico se estudian las enfermedades y los procesos químicos que las caracterizan para así elegir o diseñar los activos químicos que ayudarán a eliminar o reordenar dichos procesos. El farmacéutico ha adaptado y contribuido a enriquecer las disciplinas fundamentales de la química en su quehacer diario. Desde conocer qué tanto activo necesita y con qué frecuencia administrarlo (posología), hasta las condiciones y sustancias que ayudarán a que cumpla su objetivo (biofarmacia). Derivadas de fundamentos químicos y físicoquímicos es que han nacido disciplinas como la Farmacocinética, la Biofarmacia o conocimientos como el metabolismo de fármacos. La Química Farmacéutica es uno –o quizá el único– de los ejemplos de actividad científica que se ha industrializado a niveles que influyen directamente en la sociedad en el sentido económico, laboral, sanitario y académico. Ya sea como Farmacéuticos, Químicos Farmacéuticos, Químicos Farmacéuticos Biólogos, Químicos Farmacéuticos Industriales, Químicos Farmacéuticos Biotecnólogos, Químicos Farmacéuticos Parasitólogos, Farmacéuticos Industriales o Bioquímicos Farmacéuticos, los profesionales de la farmacia han hecho un aporte mayúsculo a las actividades de la química y a la humanidad en general, y hoy en día siguen colaborando con otros especialistas de diversas disciplinas para generar más y mejores conocimientos y tratamientos que contribuyan al estado de salud de las personas.

QUÍMICA, FARMACIA Y ¿QUÍMICA FARMACÉUTICA?

8 DISCIPLINAS FARMACÉUTICAS

Biofarmacia El estudio de cómo diseñar los preparados farmacéuticos para ser administrados

Farmacología

Las bases genéticas de la actividad farmacológica

Farmacocinética

El estudio de cómo los fármacos afectan a los sistemas biológicos

Qué tan rápido pasa un fármaco por el cuerpo y qué cambios sufre

Farmacognosia

Farmacia Clínica

La forma de extraer fármacos de fuentes naturales

Investigación y diseño de cómo responde la población a los tratamientos

Farmacodinámia

Química Farmacéutica

La interacción entre los fármacos y los receptores biológicos

La forma químico-sintética de diseñar y obtener un fármaco

Tecnología Farmacéutica Principios fisicoquímicos e ingenieriles de la fabricación de medicamentos

Farmacogenómica

Farmacoeconomía Investigación y estudio del uso en masa del conocimiento y productos farmacéuticos

QUÍMICA VERDE Por Jaime Escalante

QUÍMICA VERDE

n la literatura existen muchas definiciones para Química Verde –Green Chemistry, por sus siglas en inglés, Química Sostenible o Sustentable–. Una de las mas apropiadas sería: Es el diseño, desarrollo e implementación racional de sustancias o productos y procesos químicos que reduzcan o eliminen el uso y generación de compuestos peligrosos para el medio ambiente y por tanto para la sociedad en general. El objetivo de la Química Verde es la prevención de contaminantes desde su origen, es decir desde el diseño de un producto comercial o de una sustancia y su fabricación a nivel de laboratorio o industrial. Dicho proceso debe ser seguro para las personas y generar un mínimo de subproductos dañinos para la salud y el ambiente. Cumpliendo estas premisas es que se pueden reducir además los costos económicos del proceso. La filosofía de la Química Verde fue propuesta en 1998 por Anastas y Warner y desde entonces sus doce principios han revolucionado drásticamente la forma en que se trabajan y planean las reacciones tanto a nivel de laboratorio de ciencia básica como en la industria química a nivel comercial. Las áreas en las que se aplican estos principios incluyen el uso de nanomateriales, especialmente en la industria medicinal y farmacéutica. En procesos de síntesis orgánica que buscan reducir el impacto ambiental reemplazando reactivos que se emplean en cantidades estequiométricas por catalizadores. También en combustibles automotrices que usan catalizadores para una buena combustión y una baja emisión de contaminantes gaseosos a la atmósfera.

Un campo con un uso notable de los doce principios es la Biocatálisis. Con el uso de enzimas en lo que se hace llamar la química fina, se encuentran ventajas como quimio-, enantio- y regioselectividad y condiciones de reacción suaves. Se evitan etapas de protección y desprotección de grupos funcionales en síntesis, logrando rutas de transformación más cortas y por lo tanto la generación de menos subproductos. Otro ejemplo es la Ingeniería de Disolventes. Ésta busca el diseño de estrategias que racionalicen el uso de disolventes convencionales, además del desarrollo de disolventes verdes que reduzcan o eliminen el uso de los empleados tradicionalmente en síntesis orgánica y organometálica. Aunado a lo anterior, el uso de tecnologías limpias y más amigables con el medio ambiente está siendo bien recibida por muchos laboratorios, con el fin de reducir el consumo de energía. Ejemplo de esto es el uso de las microondas, la mecanoquímica, la sonoquímica y la irradiación ultrasónica. Así, los doce principios y desarrollos tecnológicos de la Química Verde actualmente se empiezan a implementar en la investigación para tener efectos de prevención ambiental en el planeta y de cambio de principios éticos y de ejercicio profesional en nuestras futuras generaciones.

QUÍMICA VERDE

Los 12 Principios de la Química Verde 1

Prevención. En un proceso químico es

Economía atómica. Los métodos de

Productos menos tóxicos. Siempre

Compuestos seguros. Los productos

5 6

mejor evitar la generación de un subproducto –residuo– que tratar de limpiarlo una vez que se haya generado.

síntesis deben diseñarse de manera que incorporen al máximo, en el producto final, todos los materiales usados durante el proceso, minimizando la formación de subproductos

que sea posible, las rutas sintéticas deberán diseñarse utilizando sustancias que tengan poca o ninguna toxicidad, tanto para el hombre como para ambiente.

Materias primas renovables. Las

Reducción de intermediarios de reacción. Muchas rutas sintéticas son muy

Potenciación de la catálisis. Se

materias primas deben ser renovables así como los productos y subproductos de los procesos químicos deberán de ser reutilizados siempre que sea económicamente viable.

largas, pero si se hace un diseño apropiado, se evitarán derivados como los grupos de protección/desprotección.

preferirá el uso de procesos catalíticos ya que estas condiciones casi siempre son mejores que los procesos estequiométricos.

Productos biodegradables. El di-

Menos disolventes y auxiliares químicos. Se evitará, en lo posible, el uso

Métodos analíticos de monitoreo inmediato. Las metodologías ana-

Eficiencia energética. El uso de fuen-

químicos deberán diseñarse para lograr mantener su eficiencia y reducir su toxicidad.

de sustancias que no sean necesarias como disolventes, reactivos para llevar a cabo separaciones, etc., y en el caso de que se utilicen que sean lo más inocuos posible.

tes energéticas deberá evaluar su impacto ambiental y económico, y deberán minimizarse. Se prefieren procesos que se puedan llevar a cabo a temperatura y presión ambiente.

seño y producción de sustancias preferentemente deberá ser biodegradable, es decir, aptos para ser consumidos en un tiempo corto por microorganismos o plantas.

líticas serán desarrolladas para permitir un monitoreo y control del proceso en tiempo real, con la finalidad de controlar la formación de sustancias peligrosas.

Minimizar los accidentes químicos. Desarrollar una cultura de ejercicio de la química más segura respecto a la emisión de contaminantes, incendios, derrames y explosiones.

Posgrado en Ciencias Químicas Universidad Autónoma del Estado de Morelos Centro de Investigaciones Químicas

jaime@uaem.mx

BIOCATÁLISIS Contribuir a la sustentabilidad de los procesos químicos existentes Por Edmundo Castillo

ue Jöns Jakob Berzelius, uno de los pilares de la química moderna –junto con Dalton, Lavoisier y Boyle– quién introdujo en 1836 el término fuerza catalítica o catálisis. El término sirvió para describir reacciones que aumentaban su velocidad por efecto de sustancias presentes en el medio y que al final del proceso permanecían inalteradas, los catalizadores.

BIOCATÁLISIS

Debido probablemente a sus estudios en medicina, Berzelius relacionó a la catálisis con procesos biológicos, pensando que debería haber sustancias que sostuvieran las funciones vitales sin tomar parte en ellas. ¡No estaba equivocado!; en 1876 Khüne reforzó esa idea al estudiar los componentes funcionales de una levadura y emplear el término enzima para referirse a algunos de ellos. Dos años más tarde Traube reconoció a estos componentes como sustancias químicas formales –responsables de la catálisis, al menos en sistemas vivos–. Es así que a partir de estos trabajos inicia una fructífera producción de información y datos que colocaron a las enzimas en la mira de la ciencia. Se destacan en 1894 los trabajos de Emile Fischer y sus Reglas Estereoquímicas descubiertas en enzimas o los descubrimientos de Eduard Buchner en 1897 en donde propone que las fermentaciones pueden suceder fuera de una célula, contradiciendo completamente a la vigente Teoría Vitalista. Es importante subrayar que la catálisis en sistemas vivos se respaldó siempre en elementos fundamentales de la química para poder explicar dichos descubrimientos. Pronto se supo que una enzima contiene funciones alcalinas y ácidas y que sus transformaciones corresponden en muchos casos a mecanismos de reacción clásicos de sistemas no biológicos. De hecho, los mismos Michaelis y Menten, conocidos por su descripción matemática del comportamiento cinético de las enzimas, se basaron en la Cinética Química para proponer un modelo matemático de la hidrólisis de sacarosa catalizada por la enzima invertasa. Únicamente entendiendo sus propios procesos y dándole una categoría científica a sus aportaciones, durante mucho tiempo la enzimología

no brindó un beneficio palpable y confiable a las actividades de la química tradicional. Sin embargo, esta idea cambiaria cuando en 1977, los descubrimientos del grupo del Alexander Klibanov en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) estableció la posibilidad de utilizar a las enzimas en medios no acuosos, inaugurando lo que para muchos es la nueva área de la química, La Biocatálisis aplicada a la síntesis orgánica. Pese al escepticismo con el que muchos ven a la biocatálisis, ésta ha dado una nueva visión a las actividades y objetivos de la química. Si bien, en la actualidad su impacto se ha orientado mas a refinar los métodos ya existentes en la química y menos a la obtención de compuestos novedosos, el uso de biocatalizadores en síntesis muestra aún un terreno muy fértil de aplicación. Uno de los aspectos donde la biocatálisis ha sido determinante, es en el contribuir a la sustentabilidad de los procesos químicos existentes; la biocatálisis brinda procesos más limpios, rápidos y eficientes, lo cual de forma clásica es difícil de alcanzar o resolver. Ya no es desconocido que una síntesis enzimática se puede planear y manipular como cualquier síntesis química clásica. Actualmente, buena parte de los métodos y productos de síntesis se pueden obtener con una enzima y más aún, así es como muchos productos que antes no existían ahora son posibles. Una característica de las enzimas es que cuando se emplean fuera de un organismo vivo pueden catalizar reacciones para las que no fueron diseñadas. Esta propiedad, conocida como promiscuidad catalítica ha permitido utilizar enzimas para reacciones muy costosas, muy lentas o prácticamente imposibles de realizar.

BIOCATÁLISIS

60% Fármacos, esencias, saborizantes 15% Especialidades químicas: Precursores de fármacos, estándares, monómeros 15% Detergentes y sanitizantes, enzimas para procesar productos como piel 6% Polímeros 4% Otros

Desde el punto de vista económico, la biocatálisis es uno de los mercados más crecientes de los últimos 60 años. Interviniendo en la producción de combustibles, fármacos, textiles, pieles, alimentos, papel, energía, metales y procesando desechos, para 2010 la industria química generó 20% de sus ingresos con enzimas. Uno de los mejores ejemplos es la glucosa isomerasa, cuya demanda en 1975 era de 500 kilogramos anuales y aumentó hasta 10 millones de toneladas anuales para 2007. Otro ejemplo de éxito es Novozymes Inc., el actual líder en comercialización de enzimas en el mundo. Fundada en 1950, en sus primeros cuatro años cotizaba sus ingresos en $50 MDD anuales y para 2003 ya había alcanzado la suma de $1000 MDD; para el 2008 su mercado se estimaba ya en los $2000 millones de euros. Estos avances han sido posibles gracias a la producción de proteínas recombinantes y a la ingeniería de proteínas, disciplinas de biotecnología desarrolladas en los últimos 30 años. Estas disciplinas se encargan del aislamiento, caracterización, producción y mejoramiento catalítico de las enzimas. De esta forma en los últimos años los biocatalizadores se han vuelto menos costosos y han ampliado sus aplicaciones. Se estima que en la naturaleza existen 25 mil enzimas, de las cuales 3700 ya han sido estudiadas y caracterizadas, por lo que la era de la enzimología apenas asoma su potencial.

€ 1000 millones Enzimas con propósitos industriales € 600 millones Enzimas para preparar alimentos

El avance de la biocatálisis y la importancia de la bioquímica son tales que no existe actualmente ningún problema de síntesis química que no considere, al menos en el papel, a las enzimas para ser resuelto. Más aún, no existe área de la química que no se vea cuestionada si sus aportaciones o afirmaciones teóricas o experimentales no coinciden o contribuyen con el comportamiento de los sistemas biológicos.

€ 200 millones Enzimas para enriquecer alimentos

Instituto de Biotecnología

UNAM

El grupo de Biocatalisis del IBT-UNAM Convoca a estudiantes de licenciatura, maestría y Doctorado a integrarse como tesistas edmundo@ibt.unam.mx

Líneas de Investigación • • • • •

Síntesis orgánica con enzimas Ingeniería de disolventes Fisicoquímica de sistemas enzimáticos Diseño y caracterización enzimática Mecanismos de reacción enzimática

El grupo cuenta con - Promedio de 6 publicaciones al año - Respaldo de líneas de investigación con cálculos computacionales - Equipo analítico y de caracterización experimental - Técnicos especialistas en el manejo de técnicas y equipos - Colaboraciones con grupos de síntesis orgánica, fisicoquímica, química computacional y desarrollo industrial - Programas inscritos al Padrón Nacional de Posgrados Conacyt

CAPSAICINOIDES Hot spicy molecules for food, medical and self-defense industry Design

•

Development

•

Production

alejandro.atg@appiedbiotec.com

LA HISTORIA ALREDEDOR DE LA QUÍMICA

ALEJANDRO TORRES GAVILÁN Entrevista

CIENCIA Y NEGOCIOS, EL NUEVO PENSAMIENTO CIENTÍFICO

ALEJANDRO TORRES GAVILÁN

Con una personalidad alegre y jovial, es difícil imaginar que Alex es un científico escrupuloso y metódico cuando se trata del trabajo experimental y la elección de datos; más aún cuando los traslada a una aplicación tecnológica.

EL PROYECTO

Su interesante pensamiento y forma de trabajo representan un nuevo estilo de ejecución científica, la de sacar el conocimiento de los laboratorios lo antes posible y aplicarlo para lo que fue diseñado originalmente.

En Applied Biotec contamos con una plataforma enzimática perteneciente al concepto de biotecnología verde. Producimos una amplia variedad de capsaicinoides, los compuestos responsables del efecto pungente o sensación picante de los chiles. Estos compuestos tienen aplicaciones tecnológicas y comerciales como el gas pimienta y cremas analgésicas, pero nosotros buscamos expandir el potencial de estos compuestos en repelentes orgánicos para plagas del campo, la conservación de granos para cosecha, recubrimiento de cables para evitar las mordeduras de roedores y como aditivos en pinturas marinas antivegetativas.

Estamos seguros que esta entrevista más que una anécdota interesante se va a convertir en una enriquecedora lección para científicos y no científicos.

Applied Biotec S.A. de C.V. es una empresa de reciente creación que integramos Omar Piña Barraza, Cinthia Ávila Domínguez y Alejandro Torres Gavilán. Esta empresa se generó como un spin-off del Instituto de Biotecnología de la UNAM.

ALEJANDRO TORRES GAVILÁN

Las empresas del ramo son gigantescas y están altamente equipadas. Es raro, al menos en México, ver a un emprendedor científico del área química ¿Cómo decidiste iniciar este proyecto? Una de las razones por las que emprendí es el convencimiento de que los desarrollos generado en los centros e institutos de investigación tienen un gran potencial para contribuir con el desarrollo económico de México. Es triste y lamentable que grandes avances en la ciencia se queden almacenados en las bitácoras, artículos o publicaciones, cuando pueden generar riqueza mediante la aplicación de ese conocimiento, particularmente en la solución de problemas que atañen a la industria. ¿En qué consiste una jornada de un científico empresario? Nuestra atención se centra en buscar aliados para el desarrollo de las tecnologías y aplicación de los capsaicinoides. Buscamos empresas interesadas en darle un valor agregado a sus productos (cables, pinturas marinas o repelentes del campo). Así, nuestro día a día se compone de entrevistas con empresarios o gerentes de investigación y desarrollo de esas empresas, para explorar negocios rentables con una orientación sustentable. En Applied Biotec, concientizamos sobre los daños generados por los compuestos tóxicos recalcitrantes empleados en el campo o el uso de metales y biocidas en las pinturas marinas. Nuestro esfuerzo se dirige a convencer sobre los beneficios de la biotecnología como herramienta para solucionar problemas de salud y en los ecosistemas.

El trayecto del conocimiento desde la investigación hasta un producto comercial inicia en una universidad y culmina en una empresa transnacional ¿Crees que representas una segunda modalidad de flujo de conocimiento?

La modalidad en la que Applied Biotec se ha aventurado tiene implícito un alto riesgo. Es decir, es una tecnología en una etapa temprana de desarrollo y su aplicación en ambientes reales se encuentra en pruebas de validación. Es difícil que una transnacional o una empresa consolidada apueste por este tipo de desarrollos y los casos en los que lo hacen son escuetos –hasta ahora no conozco uno–. Normalmente, esas empresas buscan desarrollos maduros, probados y con patente licenciable o transferible para así explotar su comercialización. He de decir que en este esquema, el mayor beneficio económico se lo lleva la empresa y poco permea o se derrama a la universidad, centro o instituto donde se concibió la tecnología.

ALEJANDRO TORRES GAVILÁN

Dicen que es más difícil mantenerse que empezar. ¿Cómo se sostiene tú proyecto? Existe algo conocido como el Valle de la Muerte en donde muchos proyectos decaen o quedan abandonados por diferentes causas. El proyecto ha tenido distintas fuentes de financiamiento en las que hemos encontrado satisfacciones y beneficios, así como sacrificios y decepciones. Actualmente Applied Biotec opera con el mínimo indispensable –nadando de muertito– en la búsqueda de aliados interesados en la explotación comercial de la tecnología. Los fondos públicos nos han servido para la maduración de la tecnología y ahora estamos en la búsqueda de capital privado para la comercialización.

EL VALOR DEL TRABAJO DEPENDE DEL PROBLEMA QUE SE RESUELVE O LA CONTRIBUCIÓN QUE SE HACE

¿Cómo sabes cuánto cuesta tú trabajo? Aún no le sé. Creo que la mejor forma de responder a esta pregunta es que el valor del trabajo depende del problema que se va a resolver o de la contribución que uno hace. Como emprendedor, aunque uno sabe que el trabajo que estás realizando debería tener una mayor remuneración, es uno de los sacrificios o inversiones que nos toca hacer. Es decir, uno tiene que invertir su propio sueldo por el bien del emprendimiento con el objetivo de que el negocio o la empresa empiece a funcionar.

Estamos convencidos de que el crecimiento económico del país, solo se verá acelerado al basar la generación de riqueza en una economía del conocimiento.

ALEJANDRO TORRES GAVILÁN

Cuando buscas que alguien invierta o consuma tus servicios ¿qué le dices? ¿Cómo le vendes ciencia a alguien que no la conoce?

Por un lado, a los inversionistas poco les interesa conocer los aspectos técnicos; en cambio, los académicos somos muy dados a presumir nuestra tecnología y por lo tanto existe una brecha que se tiene que acotar. Por otro lado, los inversionistas o empresarios tradicionales esperan un retorno monetario al siguiente día de haber realizado la inversión, cosa que normalmente o definitivamente no sucede con emprendimientos de base tecnológica como el nuestro. En este sentido, es importante aprender a hablar en el idioma de los negocios y sobre todo, concientizar a los inversionistas o consumidores sobre los hitos en el desarrollo del negocio o emprendimiento. Supongo que no tienes muchos competidores comerciales, ¿a qué te enfrentas entonces o qué te motiva a mejorar? ¡Lo que más me motiva es demostrar que se puede! Que la ciencia que se genera en el país puede contribuir al desarrollo de México y que no es necesario importar tecnología. Para mi es importante conocer el camino completo, desde el laboratorio hasta la industria. Con el conocimiento adquirido sobre cómo generar una empresa creo que puede abrir el camino para empezar a “sacar” a otras tecnologías generadas en México, que ahora están estacionadas en las bitácoras, artículos y publicaciones académicas y que sin embargo tienen mucho potencial.

¿Cuáles son las cosas que ya no harías? Confiar demasiado en la tecnología. Los académicos tendemos a creer que nuestra tecnología es la mejor, que el mercado está esperándonos y que es la solución que desde años se ha buscado. Sin embargo, cuando salimos del laboratorio nos damos cuenta que no es así y que las prioridades del mercado son otras o bien que cuesta mucho trabajo insertar una tecnología nueva en el mercado. Como desarrolladores de tecnología no entendemos o no conocemos muchos aspectos de la comercialización por lo que el valle de la muerte a veces resulta insuperable.

Otro error es malbaratar la tecnología y entregarla al primer inversionista dispuesto a capitalizar el desarrollo. Cuando inicié mi proyecto no busqué diferentes socios inversionistas y me fui con el primero que me presentaron, al cual no logré concientizar sobre los hitos del proyecto y la inversión necesaria para superarlos. Supongo que él sintió que yo lo veía como alcancía infinita y yo me sentí sin el apoyo empresarial que requería para el desarrollo exitoso del negocio. El tercer error que no cometería es considerar a los apoyos federales como a fondo perdido. Somos dados a desvalorizar lo que no nos cuesta y los apoyos federales no son la excepción. Es importante internalizar que los apoyos federales provienen de nuestros impuestos y que debemos retribuir al país el capital invertido.

ALEJANDRO TORRES GAVILÁN

¿Qué hubieras hecho antes o mejor? Una de las cosas que hubiera hecho antes es iniciar el emprendimiento en cuanto desarrollé la tecnología ya que me tardé un tiempo en explorar la posibilidad de generar un negocio con lo que había encontrado durante el desarrollo. Aunque en ese entonces el ecosistema de emprendimiento estaba aún en gestación o bien, no había, creo que me tardé en interiorizar la idea de que los desarrollos científicos deben buscar la manera de transformarse en ciencia aplicada y contribuir con el crecimiento económico del país. Otro aspecto que también hubiera hecho antes y que también me llevó tiempo es la apropiación de la tecnología. En ello me refiero a sentir como propia la tecnología que estaba desarrollando. Como estudiantes de maestría o doctorado creemos que la tecnología es del investigador principal o tutor cuando en realidad es de ambos. En este sentido, yo esperaba que mi tutor fuera el que buscara la aplicación de la tecnología cuando en realidad, debí ser yo desde el inicio. La tercera es haber explorado mejor el mercado potencial de la tecnología y centrarme a conocer otros aspectos del negocio que no están relacionados con la tecnología.

ALEJANDRO TORRES Doctor en ciencias por la UNAM Es especialista en enzimología, biocatálisis e ingeniería de disolventes. Con Applied Biotech ganó en 2017 el cuarto lugar en Cleantech Challenge México, otorgado por Greenmomentum

¿Crees que tú formación científica ha beneficiado al proyecto? La formación que he recibido me ha enseñado una cosa fundamental en mi vida profesional y eso es a estructurar el pensamiento. En la vida como investigador siempre planteamos una hipótesis, las actividades para demostrarla y los resultados que esperamos validan o rechazan esas suposiciones. Así, en cualquier ejecución trato de hacer el mismo proceso. Muy relacionado con la pregunta anterior, en términos prácticos el conocimiento científico que he adquirido me ha servido bastante, sobre todo en sentido de siempre estar buscando mejoras al proceso o nuevas tecnologías o alternativas dentro de la biotecnología.

¿Cómo cambiaste tú mentalidad para progresar en tú proyecto? El cambio de mentalidad es progresiva y más que un cambio creo que es una adaptación de la manera de pensar. Los lapsos de tiempo que tiene la academia son muy distintos a los negocios y adaptarme a ello me ha costado trabajo. Como investigador buscas un resultado casi perfecto, en donde las dudas no tengan mucha cabida y se demuestre que la hipótesis es válida. En cambio, en los negocios es importante responder a las demandas de mercado con prontitud a pesar de que la respuesta (producto o solución) pueda ser perfectible. Otro cambio que he tenido que realizar es migrar del altruismo de investigador que tengo para solucionar algún problema hacia la rentabilidad económica que debe haber en esa solución para que el negocio persista.

QUÍMICA TEÓRICA Y QUÍMICA COMPUTACIONAL La química en lenguaje numérico

Por Cristina González – Filiberto Gutiérrez

QUÍMICA TEÓRICA Y QUÍMICA COMPUTACIONAL

l objeto de estudio de la química es la transformación de la materia, el cómo se forma una sustancia a partir de otra. Esta transformación, que puede ser natural o sintética, la conocemos como reacción química y se lleva a cabo por la formación o rompimiento de enlaces químicos. Es decir que, para entender el por qué sucede una reacción química es necesario primero entender cómo se forman los enlaces químicos. De nuestras clases básicas de química general podemos recordar que los enlaces se deben a la interacción entre los electrones de los átomos, y dependiendo de cómo se forma la interacción existen diferentes tipos de enlaces: iónico, covalente, de coordinación, entre otros. Las áreas de la química emplean modelos para describir enlaces y explicar sus mecanismos de formación. Sin embargo, para obtener una descripción cuantitativa de dichas propiedades es necesario recurrir a la química teórica. La química teórica hace uso de herramientas matemáticas para describir las propiedades estructurales y dinámicas de las moléculas. La química computacional, una variante de la química teórica, tiene como interés primario el resolver problemas químicos a través de cálculos. Esta alternativa se usa cuando un método matemático es suficientemente robusto como para automatizarse en una computadora. Dependiendo de la propiedad y del tamaño del sistema a estudiar, existen distintos métodos que emplean aproximaciones para representar la interacción entre los átomos. Los métodos más precisos son los métodos ab initio, que quiere decir “desde el inicio”, en los cuales los electrones son descritos explícitamente por medio de la mecánica cuántica. El sistema es representado por medio de una función de onda

y las propiedades son evaluadas a través de operadores matemáticos. Si la propiedad de interés es la energía electrónica del sistema, el operador correspondiente es el operador Hamiltoniano y la ecuación a resolver es la ecuación de Schrödinger. Los métodos que utilizan funciones de onda, en particular los que incluyen la correlación electrónica, por ejemplo los métodos de interacción de configuraciones (CI) y de clusters acoplados (CC), son costosos computacionalmente y sólo se pueden emplear en ciertas moléculas. La teoría de los funcionales de la densidad (DFT) reemplaza la complicada función de onda y usa como variable la densidad electrónica. Las propiedades son definidas como funciones de la densidad electrónica, que a su vez es una función que depende de la posición en el espacio. La función de una función es llamada funcional, por lo tanto, las propiedades son funcionales de la densidad electrónica. A pesar de la elegancia con la que derivó esta teoría, no se conoce la forma exacta del funcional para representar a la energía y sólo se cuenta con aproximaciones, tales como la aproximación de densidad local (LDA), con correcciones de gradiente (GGA), funcionales híbridos, entre otras. Los métodos basados en la teoría de los funcionales de la densidad tienen buen equilibrio entre costo y precisión, por lo que han sido populares para respaldar resultados experimentales, como estructuras moleculares y mecanismos de reacción. Sin embargo, esta popularidad ha llevado a que se utilicen de manera indiscriminada, sin considerar sus limitaciones. En la realización de un estudio teórico, es imperativo contar con la asesoría de un químico teórico especializado que pueda advertir y evitar la mala interpretación de un resultado, por prometedor y útil –o incluso equivoco– que pudiera parecer para el químico experimental.

QUÍMICA TEÓRICA Y QUÍMICA COMPUTACIONAL

Los métodos de DFT, están limitados a un pequeño número de moléculas debido a que el costo de los cálculos crece exponencialmente con el número de electrones. Para reducir el tiempo de cómputo se pueden reemplazar algunos términos, generalmente integrales complicadas, por parámetros. Los métodos Semiempíricos usan esta estrategia utilizando términos constantes que aseguran que los resultados reproduzcan valores experimentales, como calores de formación de enlace y constantes espectroscópicas. En el caso de sistemas más complejos, como polímeros, sistemas bioquímicos o moléculas en disolución, las fuerzas electrostáticas son determinantes para describir la estructura y la reactividad. En este caso no es posible trabajar con mecánica cuántica por lo que se utilizan potenciales clásicos y campos de fuerza. Estos métodos representan a los átomos en forma de cargas puntuales y sus interacciones, puramente electrostáticas, dependen de la magnitud de sus cargas y de su posición relativa en el espacio. Jugando un papel fundamental en la fisicoquímica, las químicas teórica y computacional ayudan a predecir estructuras moleculares, dinámicas, asociaciones sustrato-proteína, energías de reacción, constantes de velocidad, propiedades físicas, parámetros termodinámicos y respuestas espectroscópicas. También ayuda a comprender el comportamiento de microemulsiones, líquidos iónicos, fluidos supercríticos y soluciones de polímeros. Las investigaciones de flujo de energía en moléculas excitadas vibracionalmente contribuyen al entendímiento microscópico de la reactividad química.

LA QUÍMICA COMPUTACIONAL EN EL DESARROLLO DE FÁRMACOS Desde siempre las personas buscan encontrar remedio a padecimientos y enfermedades. El descubrimiento de sustancias de origen natural con actividad terapéutica fue una de las actividades que demandaron especialistas en el área y el registro de sus descubrimientos. Los métodos de esa época eran pruebas de “ensayo y error” de compuestos naturales, lo que provocó que el desarrollo de medicamentos fuera lento, inseguro y poco eficiente. A finales del siglo XVIII el desarrollo de la química ayudó a optimizar el descubrimiento de fármacos incorporando los compuestos sintéticos y semisintéticos al acervo farmacéutico. Los primeros prototipos o cabezas de serie obtenidos fueron consecuencia del estudio de la actividad biológica de productos del metabolismo secundario de organismos vivos, del descubrimiento accidental o de efectos inesperados en ensayos biológicos. Sin embargo, este método de desarrollo resultó en una limitada diversidad de compuestos ya que muchos problemas se abordaban desde perspectivas estrictamente médicas o químicas, lo que hacia lento el entendimiento de los fenómenos farmacológicos. Fue hasta el primer cuarto del siglo XX cuando se optó por un abordaje multidisciplinario, donde la colaboración entre químicos, médicos, farmacéuticos, físicos y biólogos fomentó el inicio de la industria farmacéutica. Consecuencia de esto, fue que a principios de los años 60 aparecieron las técnicas computacionales aplicadas al desarrollo de fármacos, lo que contribuyó aún más, en el desarrollo racional de fármacos, surgiendo así, el diseño de fármacos asistido por computadora (DiFAC).

QUÍMICA TEÓRICA Y QUÍMICA COMPUTACIONAL

Simulación de tres moléculas acoplándose al mismo sitio de acción en el péptido RMSD. Tomado de Antes, I. 2010

El DiFAC es un conjunto de técnicas computacionales cuyo fin es el desarrollo de una nueva molécula con actividad biológica. Se divide en dos: el diseño basado en el receptor y el diseño de fármacos basado en el ligando. En el diseño de fármacos basado en el receptor se debe conocer la diana biológica con la cual interactuará el ligando (fármaco) a diseñar. Un modelo del receptor se obtiene experimentalmente por cristalografía de rayos X, RMN, Criomicroscopía Electrónica, o computacionalmente mediante modelado de novo o modelado por homología. Usando dicho receptor, el nuevo ligante se diseña basándose en la estructura del sitio activo o en una molécula que interaccione sobre residuos importantes en dicho sitio –lo que se conoce como diseño de novo–. Otro método es el acoplamiento molecular o docking, el cual consiste en encontrar el modo de unión más favorable de un ligando a un receptor: primero se realiza la exploración de espacios accesibles en el receptor para el ligando, posteriormente, se calcula la conformación del ligando con la menor energía de unión, esto permite evaluar millones de moléculas teóricas o existentes sobre un mismo receptor en poco tiempo y los que tienen mejor afinidad se pueden evaluar experimentalmente.

En el diseño de fármacos basado en el ligando no es necesario conocer el blanco biológico del nuevo fármaco. Los estudios de relación estructura-propiedad son los más conocidos y de fácil implementación. Dentro de este grupo, los más representativos son los estudios de relación de estructura-actividad (SAR) y los estudios de panorama de actividad. Los estudios SAR, buscan correlaciones entre la actividad de la diana con alguna característica fisicoquímica del ligando, estos estudios parten del principio de qué compuestos con estructura semejante tienen propiedades semejantes. Una desventaja en este método es que dicha relación se pierde en algunas moléculas, a las cuales se les conoce como acantilados de actividad. Recientemente, se usan bases de datos de compuestos (características químicas y fisicoquímicas y actividad biológica), donde a través de la minería de datos y usando métodos informáticos (quimoinformática) se pueden identificar patrones de relación actividad-propiedad, como núcleos farmacológicos base, propiedades farmacocinéticas o farmacodinámicas. Uno de los errores más comunes al usar herramientas teóricas o computacionales, es creer que sus resultados son infalibles o irrefutables. Si bien están basados en la experiencia y la información miles de observaciones y datos, no dejan de ser un modelo de un fenómeno y por lo tanto siguen siendo perfectibles. El uso de herramientas de Química Teórica y Computacional contribuyen a pasos gigantescos a reducir los tiempos y costos en el desarrollo de fármacos, generando protocolos de trabajo y experimentación más selectivos, afines y seguros. Con todo esto es que se han ampliado los grupos de moléculas que se pueden usador como medicamento.

QUÍMICA PILAR DE LA ECONOMÍA

QUÍMICA PILAR DE LA ECONOMÍA Por Regino Castro

De niño me gustaba tomar leche con hielo y chocolate, lo amaba, era mi mezcla química favorita. Fue probablemente la primera vez que vino a mi cabeza la pregunta de por qué tres cosas tan distintas –para mi– podían combinarse para mejorar el sabor una de la otra. Otra pregunta que venía a mi cabeza era saber cómo, quiénes y en cuánto tiempo las preparaban. A pesar de que yo ya la practicaba, mi primer contacto con la química como ciencia – aunque no sabía qué era o qué significaba– fue cuando tenía 6 años. Mi primo tenía un juego de química –de los que brindan alegría– y yo veía como realizaba mezclas, las calentaba, las enfriaba y cambios de color y aspecto maravillosos pasaban ante mi entendimiento, eran reacciones químicas. En la primaria, secundaria y preparatoria se ve a la química como una más de las demás materias de ciencias exactas; como cuestiones inentendibles, dónde solo aquellos que tienen un entendimiento especial, curiosidad o genialidad, tenían la capacidad de ver más allá de lo que los profesores explicaban y poder trasladarlo al disfrute de la vida diaria. Muy pocos tienen ese privilegio a esa edad.

Aún en la universidad, e incluso en las carreras de ciencias e ingenierías, mucha gente piensa que los químicos sólo hacen experimentos y conjeturas poco entendibles y que su vida transcurre en las bibliotecas y laboratorios –yo mismo lo llegué a pensar–. Una grata sorpresa para mi fue cuando me gradué e ingresé al mundo laboral –mi pregunta infantil halló respuesta– me di cuenta que los químicos no solo están en un laboratorio, biblioteca o dando clases. Antes mis ojos se mostró la poderosa herramienta –más que ciencia de eternas y complejas filosofías– que es la química y el incontable beneficio que ha traído a la humanidad. Desde el transporte que da movilidad a productos, servicios y personas; esos mismos productos y servicios y personas; los insumos y métodos para producir esos productos y brindar esos servicios, alimentar y mantener saludables a esas personas: todo es química. Materiales, conservadores, fármacos, combustibles, alimentos, cosméticos, decoraciones, todos y cada uno son consecuencia de nuestro entendimiento de la química. Existen profesionistas químicos que colocan acciones en la bolsa de valores, que trabajan tomando decisiones financieras o definiendo el futuro de la sociedad. Así que, en lo venidero, cuando pensemos en química, no lo hagamos a nivel de laboratorios, bibliotecas y sesiones académicas. La química es vida, ciencia, industria, finanzas, bienestar social, amor, filosofía y un pilar fundamental de la economía.

LA INDUSTRIA QUÍMICA Productos químicos más vendidos • Estamos en la era de los materiales. • 20 millones de empleados en el mundo, 811000 en EUA. • Ganancias de 5 trillones de dólares anuales. • Todos los productos se originaron o trataron con sustancias provenientes del petróleo y el gas natural. • La industrias agrícola, automotriz, farmacéutica y de la construcción son clientes directos de la industria química.

QUIMICOS DE CONSUMO DIRECTO 13.6% ESPECIALIDADES QUIMICAS

PETROQUÍMICOS 25.9%

21.6 %

INORGÁNICOS BÁSICOS 11.7 %

Auxiliares para la industria 15.1% Tintas y pinturas 7.7%

4.5% Varios 2.6% Gases Industriales

Protección de cultivos 2.1%

4.6%

Tintes y pigmentos 2.3%

Fertilizantes

POLIMEROS 21.6% 1.5% Fibras sintéticas 0.9% Caucho sintético

19.2% Plásticos

Países con mayor venta de productos químicos (billones de euros) 1 empleo en la industria química

USA 476

Francia 71

Alemania 145

China 1331

Corea del sur 113 Japón 140

6.3 empleos en la economía

Taiwán 63

6 millones de empleos en sociedad

• 2006 - 2016 China triplicó sus ventas de 13 a 39 b€ • 2006 - 2016 América Latina disminuyó de 5.1 a 3.8 b€ • 2006 - 2016 EUA disminuyó de 28 a 15 b€

Compañías con Premios Nobel de Química DUPONT Alan Heeger, 2000. Polímeros conductivos Charles Pedersen.1987. Éteres corona GENERAL ELECTRIC COMPANY Irving Langmuir,1932. Química de superficies

Brasil 59

Italia 50

India 76

Ingresos de compañías químicas durante 2018 (billones de dólares) DowDuPont LyondellBasel PPG Industries Ecolab Praxair

70.76 35.82 15.05 14.15 11.71

Eastman Chemical Huntsman Chemical Air and Chemicals Unival Westlake Chemical

9.85 8.72 8.7 8.41 8.25 37

LAS MICROONDAS Y SU MAL ENTENDIMIENTO Mito químico Por Mongonye

La idea de que las microondas de aparatos caseros propician la aparición de cáncer, o eliminan las propiedades de los alimentos ha crecido tanto que muchos médicos e incluso investigadores la han aceptado como verdadera

LAS MICROONDAS Y SU MAL ENTENDIMIENTO

n el verano de 2013 tuve la oportunidad –más bien casualidad– de asistir a una plática en Cuernavaca, México. El evento, bastante concurrido por cierto, tenía como tema central el exponer los daños que los hornos de microondas y en especial las microondas generan en las personas que preparan ahí sus alimentos. La plática era presidida por un muy prestigioso cancerólogo mexicano y patrocinada por una aún más prestigiada asociación de médicos cancerólogos. En ella se ilustraba y difundía la larga y contundente evidencia acerca del origen de muchos tipos de cáncer en personas, cuyas causas se debían a que habían consumido alimentos calentados con hornos de microondas o porque se habían expuesto a ellas. Las imágenes y los datos mostrados por el especialista –y sobretodo la respuesta de los asistentes, la mayoría gente no especializada en medicina o ciencias– era impactante y el mensaje aún más: ¡Las microondas provocan cáncer! Algo que llamó mi atención, era que curiosamente, el ponente no citaba alguna fuente bibliográfica o evidencia numérica o experimental confiables que respaldara aquellos casos. Como digno e impetuoso estudiante del primer año del posgrado en química, estaba yo ansioso de echar abajo aquellas afirmaciones, pero entre los asistentes estaba otro más ansioso que yo y formuló una buena pregunta:

¿cómo pueden las microondas generar cambios en una célula a ese nivel si la energía que proveen ni siquiera rompe un enlace débil? La cara de desaprobación del médico que presidia la sesión y su evidente ignorancia de la muy profunda cátedra de química impartida en esa pregunta, dieron por terminada la sesión y la plática y dejaron más preguntas que respuestas en la concurrencia. Y es que, toda la información mostrada en la exposición de ese día era falsa –probablemente el mismo ponente no lo sabía–. Las microondas no provocan cáncer por irradiación, no se quedan atrapadas en los alimentos, ni se dispersan y causan daño cuando llegan al organismo, entre otras afirmaciones que han proliferado y han sido aceptadas por muchos. La razón por la que podemos calentar alimentos con microondas es porque su efecto en ciertas moléculas polares –como el agua de los alimentos– es aumentar su temperatura por fricción, y nada más. Este es un ejemplo de como información mal entendida se difunde y se da por cierta por un sector importante de la población e incluso del ámbito profesional sin haber sido demostrada eficientemente. Si de todas formas alguien tiene dudas sobre el uso de microondas bien estudiadas y documentadas, consulte las interesantes publicaciones de Oliver Kappe o del Dr. Jaime Escalante.

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BIBLIOGRAFÍA

na de las prácticas más útiles de la ciencia y de los científicos es la rastreabilidad que es posible hacer de prácticamente cualquier afirmación, información y dato que se llegue a documentar y exponer. La forma específica en que se logra esto es la cita bibliográfica de dónde se han tomado algunos de los tópicos antes señalados. No es frecuente que de las revistas de divulgación de la ciencia utilicen este recurso, quizá porque la información que muestran tiene un carácter más informativo que de concientización, como es nuestro caso, y es probable que los lectores no siempre deseen verificar la fuente primaria de la información que consultan. En la Revista QuimioFilia sin embargo, hemos notado con agrado que nuestros lectores son exigentes con la calidad de la información que reciben y es por eso que hemos decidido incluir nuestras fuentes bibliográficas. Con esto deseamos que quién esté interesado, pueda verificar la interpretación que hemos dado a la información y pueda generar una opinión propia de un tema que a todos nos interesa: La Química.

BIBLIOGRAFÍA

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HUBO UN

ORIGEN …mas bien varios

REVISTA QUIMIOFILIA  NÚMERO 2  JULIO 2018

¿QUÉ QUIERES SABER?

QuimioFilia AÑO I

El primer número de la Revista Quimiofilia es un reto y un premio a la vez. El presente trabajo representa muchos meses de planeación y esfuerzo. Sabemos que con esto estamos aceptando un gran compromiso social, educativo y profesional y que de aquí en delante seremos un foco de orientación ante muchas personas y es un reto que estamos dispuestos a asumir con entusiasmo y responsabilidad. A nombre de todos los autores, el equipo de edición y de diseño deseamos agradecer a todos lo que están leyendo en este momento este párrafo, suponemos que es porque ya leyeron todos los anteriores y eso nos alegra aún más. Tengan por seguro que en cada número encontraran más y mejor información y nuevas secciones. ¡Seguimos creciendo y no nos vamos a detener!