Artículo publicado en el Portal Comunicación Veracruzana el día 03 de noviembre 2021
La diversidad estructural de las moléculas es fascinante, su complejidad y sus posibles aplicaciones ha llamado la atención de los químicos para conocer más sobre ellas, sin embargo, muy pocos se preguntan cómo es que se llega a la estructura de una molécula, si en principio no las podemos ver, en este artículo se explica qué técnicas se utilizan para conocer la estructura molecular y algunas características.
Palabras clave: moléculas, estructura, espectro electromagnético.
A lo largo de nuestra formación académica tomamos clases como biología, química y física que nos enseñaron que la materia se constituye por electrones, protones y neutrones que son las “partículas primordiales” del átomo y, éstos a su vez forman los elementos fundamentales como el carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y fósforo. También es común que se nos enseñaran los elementos para que la vida exista, siendo estos el carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo, que son constituyentes de moléculas orgánicas complejas e importantes como los carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, pero ¿alguna vez te has preguntado cómo se llega a la estructura química de esas moléculas?, desde luego esto no es una tarea trivial. El primer reto para conocer la estructura de una molécula es tenerla de forma pura o aislada del resto del material biológico. Históricamente, las primeras moléculas orgánicas pudieron haber sido aisladas antes de que el término “química” fuera acuñado, sin embargo, su estructura nunca fue planteada hasta muchos años después.
Fig 1. Degradación de (S)-hesperidina a ácido (S)-málico, en éste caso a partir del ácido málico obtenido se pudo establecer de
manera correcta la estructura de la hesperidina.
La dificultad de poder establecer la estructura de una molécula recae en que éstas no las podemos ver de forma directa, sin embargo, lo hacemos de forma indirecta aprovechándonos de sus propiedades físicas y químicas, dichas características fueron importantes para los químicos de entre 1930 y 1950 ya que los principales métodos para conocer la arquitectura molecular eran químicos, ¿a qué me refiero?, los métodos utilizados eran degradativos o de derivatización, que utilizaban todo el conocimiento disponible del área hasta el momento. Lo que se hacía, era convertir la molécula desconocida en algo conocido a través de transformaciones bien planeadas, al final, se comparaban las propiedades del producto con lo ya reportado en la literatura, así se estableció la estructura de muchas moléculas en su momento (Figura 1).
A mediados de 1960 y con ayuda de la tecnología que permitió el desarrollo de técnicas nuevas, denominadas espectroscópicas y espectrométricas es que se “facilitó” el proponer la estructura de nuevas moléculas; las primeras aprovechan la interacción de las moléculas con el espectro electromagnético, siendo este todas las longitudes de onda de la radiación (Figura 2), por su parte las segundas no hacen uso del espectro electromagnético, sino que son aquellas que miden el peso de una molécula con base a su composición elemental. En estos tiempos el uso del término “elucidación estructural” que se refiere al uso de estos nuevos métodos para establecer la estructura de una molécula se hizo más común.
Fig 2. Esquema del espectro electromagnético y su interacción con la materia.
Algo de suma importancia es que no todas las técnicas espectroscópicas funcionan para todas las moléculas, cada una tiene sus ventajas y desventajas y dependiendo de la información que necesitemos tener, será la técnica que tendremos que utilizar, a continuación, describo de forma muy general algunas características de las técnicas espectroscópicas más comunes:
Por otro lado, la espectrometría de masas que es la única que no utiliza las propiedades del espectro electromagnético, sin embargo, proporciona la masa de la molécula a trabajar y su composición elemental. En dicha técnica se bombardea a la molécula de interés con un haz de electrones lo que genera que la muestra sea analizada en un detector (Figura 3).
Fig 3. A) Espectrofotómetro de ultravioleta, B) Espectrofotómetro de infrarrojo, C) Resonancia magnética nuclear, D) Equipo de difracción
de rayos X, E) Espectrómetro de masas. Todos los quipos excepto el equipo de rayos X, se encuentran instalados en el Instituto de Ecología
Es necesario comentar que todas las herramientas mencionadas anteriormente son complementarias, ya que al día de hoy resulta casi imposible llegar a la estructura de una molécula utilizando solo una técnica, ya que, si bien, los resultados son construidos por equipos muy sofisticados, la interpretación recae en el analista y, este junto con su equipo de trabajo son los encargados de proponer una estructura para una molécula nueva.
Finalmente me gustaría comentar que en el Instituto de Ecología A. C. tenemos todas esas tecnologías que se mencionaron y todas ellas son el resultado de una inversión millonaria del gobierno federal al instituto, también que contamos con gente altamente especializada para manejarlos y que por supuesto las puertas están abiertas para cualquier persona interesada en conocer los equipos.
Créditos de Figuras
Figura 1: crédito a los autores
Figura 2: https://www.astrofisicayfisica.com/2012/06/que-es-el-espectro-electromagnetico.html
Figura 3: crédito de los autores, fotografías tomadas en el Instituto de Ecología.