La química más allá de las moléculas

La química desempeña un papel fundamental dentro de las ciencias naturales, por su conocimiento en sí misma, por su gran importancia económica y su omnipresencia en prácticamente todos los aspectos de nuestra vida cotidiana. Pero, debido a que está en todas partes, a menudo la olvidamos o no se menciona en absoluto.

La química ha hecho una contribución esencial a la humanidad en alimentos y medicinas, en ropa y vivienda, en energía y materias primas, en transporte y comunicaciones, en modelos y sustratos para la biología y la farmacología, y por supuesto suministra materiales para la física, las ciencias y la tecnología, solo por mencionar algunas áreas de su universalidad, ya que éstas serían incontables.

Química desde la época primitiva

Mucho antes de que los seres humanos empezaran a estudiar la química, o incluso formarse el concepto de ciencia, usaron técnicas de química básica para mejorar su vida diaria. Es así como desde la primera vez que los humanos primitivos encendieron un fuego para generar calor, cocinaron comida (lo que ocasiona cambios químicos en la misma) o fermentaron fruta para convertir los azucares en alcohol, la humanidad ha manipulado la materia a su alrededor, tal como lo explica Annenberg Learner en su artículo “Química: desafíos y soluciones” (2023).

Durante muchos milenios, la civilización humana ha progresado desde la Edad de Piedra, pasando por las edades de Bronce y de Hierro, donde aprendió a manipular materiales de formas más sofisticadas; por ejemplo, el proceso de fundición de estos metales para fabricar herramientas y armas, para posteriormente producir materiales que mejoraron su forma de vida, desde jabón hasta las medicinas, lo que conllevó a que el ser humano primero entendiera el material en su estado bruto (lo que hoy llamamos materias primas), del cual pudo hacer otros nuevos materiales mediante el mejoramiento de sus habilidades para refinar o purificarlos (la mayoría de ellos procesos de transformación química).

Sin embargo, para entender cómo la química se desarrolló en una ciencia moderna, se debe considerar la diferencia entre artesanía calificada e investigación científica. Por ejemplo, herreros, alfareros, cocineros e incluso alquimistas medievales son artesanos, ellos usan y combinan materiales para crear productos prácticos, de acuerdo con formulaciones que han sido refinadas y transmitidas a través de los años, muchas veces de forma oral, por sus predecesores y que mantienen como un gran secreto, como explica Annenberg Learner.

Por supuesto los artesanos (algunos de ellos alquimistas) pudieron experimentar y desarrollar nuevos y mejores productos, pero por lo general, no se esfuerzan por explicar por qué o cómo algo funciona de cierta manera o cómo generar nuevo conocimiento que sea relevante más allá de su propio trabajo en su área de especialización.

Por el contrario, la investigación científica es un proceso más amplio pero sobre todo bien establecido, donde las y los científicos observan fenómenos y formulan hipótesis en la búsqueda de una explicación a las observaciones o resultados obtenidos. La meta es producir datos precisos y resultados que otros investigadores puedan reproducir consistentemente.

Es así como, después de pasar por la alquimia un periodo de prueba y error, la química llegó a ser una disciplina científica formal, cuando las personas que hacían ciencia e investigación empezaron a analizar y entender los procesos químicos, más que solo llevarlos a cabo; lo que permitió la generación de conocimiento con acceso a una mayor cantidad de personas a través de la utilización del método científico.

¿Qué estudia la química?

Pero retomemos nuevamente lo que implica la química y hagamos la pregunta clásica: ¿Qué estudia la química? respuesta simple: es el estudio de la materia y de los cambios que ésta experimenta. También se podría decir que, como ciencia se basa en hechos reproducibles, fenómenos que se verifican de la misma manera cuando prevalecen las mismas condiciones. Pero, nos gustaría que pensaran más allá de la definición, digamos que la química es… ¡¡¡un campo de estudio increíblemente fascinante!!! no sólo se trata de descubrir sino de crear.

Es así como la química estudia la transformación de elementos químicos a compuestos y de unos compuestos químicos a otros, y explica el tipo de enlace que mantiene unidos a los átomos en una especie química lo cual está relacionado con su composición y estructura. Como se sabe hay muchas ramas de la química, pero queremos enfocar su atención a la denominada Química Supramolecular.

Química Supramolecular

La química molecular se ocupa principalmente de estudiar y explicar la creación de enlaces covalentes en moléculas, generalmente de tipo orgánico (compuestos que contienen típicamente átomos de C, H, N, O, F, entre otros, en sus estructuras). Pero, en este tipo de compuestos no solo existen enlaces covalentes sino también existen las llamadas “interacciones intermoleculares” (interacciones entre moléculas) básicamente asociadas a enlaces no covalentes débiles (interacciones electrostáticas que pueden ser de tipo dipolo-dipolo o ion-dipolo), que son el corazón de la química supramolecular, de acuerdo con Stefan Kubik, doctor en Química y autor de la obra “Química Supramolecular: de los conceptos a las aplicaciones” (2021).

Las interacciones intermoleculares son importantes en áreas de la química como la médica y de materiales; sin embargo, la naturaleza brinda numerosos ejemplos de especies químicas supramoleculares.

Uno de los más relevantes y que constituye un verdadero paradigma de un sistema supramolecular es la formación de la doble hélice del ADN que se forma mediante puentes de hidrógeno y da como resultado una estructura funcional y flexible con la capacidad de preorganizarse en respuesta a ciertos estímulos bajo condiciones específicas, Figura 1.

Otro ejemplo, en el que nunca se piensa pero que es probablemente la parte fundamental de que exista vida en nuestro planeta, son las interacciones intermoleculares en el agua, comúnmente conocidas como puentes de hidrógeno tal como lo explica en su sitio web la fundación sin fines de lucro Khan Academy, fundada por Salman Khan en 2008. Estas hacen que una molécula tan pequeña, que por su tamaño y su estado de agregación debería de ser su fase vapor, tenga temperaturas críticas alrededor de la temperatura ambiente (temperatura de fusión 0° C, temperatura de ebullición 100° C), que le permite estar en su estado de agregación líquido debido a los puentes de hidrógeno que se forman en el compuesto, lo cual favoreció el crecimiento y desarrollo de la vida en nuestro planeta, Figura 1.

Figura 1. interacciones intermoleculares en ADN, agua y otras moléculas. Licencia Creative Commons

Entonces, la Química Supramolecular, cuyo nombre fue acuñado por uno de sus pioneros Jean-Marie Lehn, quien eligió del latín el prefijo ʹsupraʹ para indicar que la química supramolecular trasciende o es más grande en tamaño que la química molecular. El profesor Lehn escribió en 1995: “Más allá de la química molecular basada en el enlace covalente, se encuentra el campo de la química supramolecular cuyo objetivo es ganar control sobre los enlaces intermoleculares. Se ocupa del siguiente paso en el aumento de la complejidad más allá de las moléculas hacia las supermoléculas y los sistemas moleculares organizados”.

El profesor Lehn, junto con Donald Cram y Charles Pedersen, recibieron el premio Nobel de Química en 1987 por las innovaciones que se establecieron en este campo científico: la química más allá de la molécula. Esta frase implica que los sistemas supramoleculares consisten en conjuntos estructuralmente definidos de moléculas que interactúan con ellas mismas y sobre todo con otras, cuya formación está controlada por principios organizacionales codificados dentro de estructuras con componentes individuales.

Recapitulando o dicho de otra forma, dos o más moléculas (generalmente de distintos compuestos) se asocian para dar lugar a sistemas más complejos y grandes: ¡las supramoléculas! Éstas se encuentran unidas de manera débil por asociaciones conocidas como interacciones intermoleculares lo que genera una asociación de moléculas. Entonces como lo mencionan Mondragón y Domínguez en la revista Ciencia en 2018, la Química Supramolecular estudia las interacciones entre moléculas, el reconocimiento molecular y la formación de agregados supramoleculares, lo cual se puede ver en la Figura 2.

Figura 2. Ejemplos de estructuras supramoleculares. Licencia Creative Commons

La Química Supramolecular va viento en popa en las últimas décadas, con un gran impacto que va desde la catálisis hasta la ciencia de los materiales y la bioquímica. En 2022, en la reunión del Grupo de Química Macrocíclica y Supramolecular, realizada en la Universidad de Nottingham, Reino Unido, varias personas expertas en el área dieron su opinión y respuesta a la pregunta ¿cuáles son los desafíos de la Química Supramolecular en los años por venir?

Beatrice Collins, investigadora de la Universidad de Bristol, en Reino Unido, dijo: “Uno de los grandes desafíos es el desarrollo de nuevos métodos sintéticos que impulsarán la próxima generación de máquinas moleculares”.

Anna Slater, investigadora de la Universidad de Liverpool, también Reino Unido, mencionó: “Garantizar la reproducibilidad y la escalabilidad de las síntesis supramoleculares es un desafío importante ya que los procesos no covalentes y/o reversibles pueden ser difíciles de controlar, principalmente debido a su sensibilidad a las condiciones ambientales”.

Letizia Liirò Peluso, investigadora de la Universidad de Nottingham, Reino Unido, comentó: “Relacionado a la composición supramolecular y dispositivos de conversión de energía, la química supramolecular ofrece una ruta hacia un futuro energético más sostenible, en la forma de ajustar el rendimiento y la eficiencia de los dispositivos optoelectrónicos para la conversión de energía, aunque quedan desafíos importantes en la optoelectrónica y nanomateriales”.

Muchas veces se ha considerado a la química como la ciencia central porque une otras áreas importantes como la física, las matemáticas, la biología y la medicina, entre muchas más, de tal forma que el conocimiento sobre la naturaleza de las especies y los procesos químicos proporciona información invaluable sobre una variedad de fenómenos físicos y biológicos.

Conclusión

La química no hace alarde de sí misma, pero sin ella nunca se hubieran tenido logros como en el tratamiento de enfermedades, la exploración espacial y las maravillas de la tecnología. Esta ciencia ha revolucionado a la humanidad y es esencial para satisfacer nuestras necesidades básicas de alimentos, ropa, vivienda, salud, energía y aire, agua y suelo limpios, medicamentos, así como la distribución de energía y la fabricación de equipos tecnológicos. La química está en todas partes en nuestra vida diaria, y si queremos hacer el mejor uso de ella, tenemos que entenderla mejor y permitir que los científicos sigan trabajando para hacer esto.

Como lo dijo el profesor Lehn en la revista Courier de la UNESCO en 2011, “De la materia dividida a la materia condensada, luego a la materia organizada, viva y pensante, el Universo en desarrollo empuja la evolución de la materia hacia una complejidad creciente a través de la autoorganización, bajo la presión de la información. La tarea de la química es revelar los caminos de la auto-organización y rastrear los caminos que conducen desde la materia inerte, a través de una evolución prebiótica puramente química, hasta la creación de la vida, y más allá, hasta la materia viva y luego pensante. De esta manera, ofrece los medios para interrogar el pasado, explorar el presente y construir puentes hacia el futuro”.

La química aplicada a nuevas tecnologías enriquece nuestra calidad de vida al brindar nuevas soluciones a problemas de salud, de materiales y su aplicación a campos como la de las energías renovables.