La química estructural es una parte de la química y se ocupa de las estructuras espaciales de las moléculas (en estado gaseoso , líquido o sólido ) y de los sólidos (con estructuras extendidas que no se pueden subdividir en moléculas). Para la elucidación de la estructura [1] se utiliza una variedad de métodos diferentes. Hay que distinguir entre los métodos que elucidan únicamente la conectividad entre átomos (constitución) y los que proporcionan información tridimensional precisa, como las coordenadas de los átomos, las longitudes y ángulos de enlace y los ángulos de torsión .
La determinación de la estructura química incluye (principalmente):
Para identificar la conectividad y la presencia de grupos funcionales se pueden utilizar una variedad de métodos de espectroscopia molecular y espectroscopia de estado sólido.
La difracción de electrones en gases se centra en determinar la disposición geométrica de los átomos en una molécula gaseosa. Para ello, se interpretan los patrones de difracción de electrones que se producen cuando una molécula es intersectada por un haz de electrones. En algunos estudios se ha utilizado la difracción de electrones en gases para obtener estructuras de gases en equilibrio y con promedios vibracionales. [8] La difracción de electrones en gases también es crucial para adquirir datos sobre moléculas libres, radicales e iones estables e inestables, y proporciona información estructural esencial. [9] Por ejemplo, la estructura del fluorofullereno gaseoso C 60 F 36 se determinó utilizando difracción de electrones complementada con cálculos químicos cuánticos. [10]
La espectroscopia rotacional de microondas mide las energías de las transiciones rotacionales a través de la radiación de microondas para una molécula gaseosa. El momento dipolar eléctrico de las moléculas interactúa con el campo electromagnético del fotón de microondas excitante, lo que facilita la medición de estas transiciones. [11] Emplea la espectroscopia de microondas por transformada de Fourier de pulso chirriante (FTMW) para determinar las constantes rotacionales de los compuestos. [3] Este método ha sido considerado durante mucho tiempo como robusto para la determinación precisa de estructuras, con la capacidad de discernir diferentes estados conformacionales de las moléculas. [12] Su precisión se destaca por su aplicación en el suministro de estructura molecular en la fase gaseosa, siendo las transiciones rotacionales particularmente informativas cuando ΔJ = ±1. [13]
La espectroscopia de RMN en estado líquido se ha convertido en un método principal para la elucidación de la estructura molecular en líquidos. [4] Es un método flexible que se adapta a una amplia gama de aplicaciones, incluida la determinación de la estructura, el monitoreo in situ y el análisis de mezclas. [14] Técnicas como SHARPER (picos sensibles, homogéneos y resueltos en tiempo real) han mejorado aún más la sensibilidad de la RMN, particularmente en el monitoreo de reacciones al eliminar las divisiones J, lo que crea señales muy estrechas que son cruciales para un análisis preciso. [4] La espectroscopia de RMN también permite la determinación de estructuras 3D de moléculas en estado líquido midiendo distancias entre protones a través de experimentos de efecto nuclear Overhauser (NOE). [15]
La difracción de rayos X es una técnica poderosa para determinar la estructura atómica y molecular de los sólidos cristalinos . [5] Se basa en la interacción de los rayos X con la densidad electrónica de la red cristalina , produciendo patrones de difracción que pueden usarse para deducir la disposición de los átomos. [5] Este método ha sido fundamental para dilucidar las estructuras de una amplia gama de materiales, incluidos compuestos orgánicos, compuestos inorgánicos y proteínas.
.jpg/1280px-Using_X-ray_diffractometer_to_solve_the_3D_structure_of_membrane_proteins_of_the_flagellar_system_(41795117862).jpg)
La difracción de electrones implica disparar un haz de electrones a una muestra cristalina. [6] De manera similar a la difracción de rayos X, produce patrones de difracción que pueden usarse para determinar la estructura de la muestra. [6] La difracción de electrones es particularmente útil para el estudio de moléculas orgánicas pequeñas y compuestos orgánicos complejos.
La difracción de neutrones es una técnica que emplea un haz de neutrones en lugar de rayos X o electrones. [7] Los neutrones interactúan con los núcleos atómicos y son sensibles a las posiciones de los átomos ligeros, como el hidrógeno . [7] Este método es vital para comprender la estructura de los materiales en los que el hidrógeno juega un papel importante, como en los sistemas unidos por hidrógeno.
La química estructural es fundamental para comprender la naturaleza fundamental de la materia y las propiedades de los materiales. Los químicos estructurales desempeñan un papel crucial en diversos campos científicos e industriales. [16] El potencial de la química estructural radica en su capacidad para abordar desafíos del mundo real, impulsar la innovación científica y contribuir a los avances en diversos campos. La colaboración, los avances tecnológicos y un enfoque multidisciplinario seguirán dando forma al futuro de la química estructural, allanando el camino para descubrimientos y aplicaciones innovadores.
Los químicos estructurales contribuyen significativamente al descubrimiento de fármacos al dilucidar las estructuras tridimensionales de las moléculas biológicas, lo que permite el diseño de fármacos específicos con mayor eficacia y menos efectos secundarios. [17]
Comprender las disposiciones atómicas y moleculares de los materiales ayuda a desarrollar nuevos materiales con propiedades específicas, lo que conduce a innovaciones en electrónica, almacenamiento de energía y nanotecnología . [18]
La química estructural proporciona información sobre los sitios activos de los catalizadores, lo que permite el diseño de catalizadores eficientes para reacciones químicas, incluidos los utilizados en tecnologías de energía sostenible. [19]
Los biólogos estructurales utilizan técnicas como la cristalografía de rayos X y la espectroscopia de RMN para determinar las estructuras de las biomoléculas , contribuyendo a nuestra comprensión de los procesos biológicos y las enfermedades . [20]
La química estructural ayuda a analizar contaminantes , comprender su comportamiento y desarrollar métodos para mitigar el impacto ambiental. [21]
A medida que los investigadores profundizan en materiales y sistemas biológicos más complejos, determinar sus estructuras con precisión se vuelve un desafío debido a las intrincadas interacciones y los grandes tamaños moleculares involucrados. Un estudio reciente ha encontrado aplicaciones sin precedentes en el contexto biológico y, por primera vez, permite a los científicos abordar cuestiones complejas en biología a nivel de moléculas, células, tejidos y órganos enteros, así como comenzar a abordar desafíos importantes impuestos por las enfermedades cardiovasculares, el cáncer y la biología digestiva y reproductiva. [22]
El desarrollo de técnicas experimentales y métodos computacionales avanzados es esencial. Las técnicas de alta resolución, como la criomicroscopía electrónica , y los avances en las simulaciones computacionales están abordando algunos desafíos. [23]
El manejo de grandes cantidades de datos estructurales requiere algoritmos sofisticados y técnicas de análisis de datos para extraer información significativa, lo que plantea desafíos en la interpretación y el almacenamiento de datos. [24] Sin embargo, con la llegada del aprendizaje profundo, una rama del aprendizaje automático y la inteligencia artificial, se ha hecho posible analizar grandes conjuntos de datos con mayor precisión y eficiencia. [24] Sin embargo, el método también tiene sus propias limitaciones, como la falta de datos de entrenamiento, datos desequilibrados y sobreajuste. [24]
La combinación de diversas técnicas experimentales y computacionales puede proporcionar información completa sobre estructuras complejas. La integración de datos de cristalografía de rayos X, espectroscopia de RMN y modelado computacional mejora la precisión y la confiabilidad. El progreso continuo en simulaciones computacionales, incluida la química cuántica y la dinámica molecular, permitirá a los investigadores estudiar sistemas más grandes y complejos, lo que ayudará a predecir y comprender estructuras novedosas. [18] [17] Las bases de datos de acceso abierto y los esfuerzos de colaboración permiten a los investigadores de todo el mundo compartir datos estructurales, acelerando el progreso científico y fomentando la innovación. [24]
La química estructural puede contribuir al diseño de materiales y catalizadores ecológicos, promoviendo prácticas sostenibles en la industria química. El desarrollo reciente de catalizadores nanoestructurados sin metales es uno de los avances en el campo de la química estructural que tiene el potencial de impulsar transformaciones orgánicas de manera sostenible. [25]
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)