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Si tuvieras a tu alcance todas las piezas de LEGO®, ¿qué construirías? ¿Un edificio? ¿Un puente? ¿Quizá una persona? Sabes que el montaje debe seguir ciertas reglas, porque solo así tu creación será estable. Por ensayo y error aprendes cómo hacerlo. Ahora sustituye los bloques de plástico por átomos. Si supieras cómo unirlos, ¿qué crearías?

En una entrevista, Nathan Sawaya, creador de esculturas impresionantes que podréis ver en su web, afirmó que cuenta con un inventario de 10 millones de piezas de LEGO® que le permiten realizar una gran variedad de estructuras.

De forma similar, químicas y químicos ensamblan sus propias piezas para crear sustancias químicas, siendo su catálogo los 118 elementos de la Tabla Periódica. Con ellos, la naturaleza creó todo lo que existe en la Tierra, incluidos los seres humanos. Las personas, por nuestra parte, copiamos lo que podemos de ella. Y lo que no existe, lo inventamos.

LA QUÍMICA: EL JUEGO DE CONSTRUCCIÓN MOLECULAR

Explicar la síntesis química no es tarea sencilla. Implica abordar previamente otros conceptos de física, química y matemáticas que permitan comprender los procesos químicos y lo aspectos que hay detrás de ellas (cantidades, velocidad, termodinámica). Cuando se llega a lo interesante de la materia la gente ya ha huido. Pero siempre hay alguien con ingenio que consigue hacer las cosas más sencillas.

Un ejemplo es el Dr. Sason Shaik, quien ha desarrollado una metodología para enseñar química para estudiantes de otras disciplinas. Quien tenga interés puede consultar su libro “Chemistry as a Game of Molecular Construction“. En él, y a través de conversaciones con miembros de su equipo, aborda la estructura química de las moléculas orgánicas más importantes, de una forma muy intuitiva y sencilla.

# El modelo clic

Utilizando un enfoque muy innovador Shaik presenta la química como un juego de construcción, similar al ensamblado de bloques LEGO®. Partiendo de ciertas premisas Shaik enseña a identificar los fragmentos básicos estructurales que constituyen las moléculas. Una de las normas que el emplea es la conectividad, que es el número de uniones covalentes que puede hacer cada tipo de átomo o un fragmento molecular dado. Al proceso de unión de dos de estos elementos lo denomina “unión clic” (click-bond), haciendo alusión al sonido de los LEGO al acoplarse.

En este y otros artículos, usaré en algún momento el método didáctico de Sason Shaik y su concepto de “unión clic”, y que no debe confundirse con el término formal Química Click. Esta es una filosofía química basada en la síntesis real de moléculas mediante la unión de módulos estructurales seleccionados, y por la que Carolyn Bertozzi, Morten Meldal y Barry Sharpless fueron galardonados con el Premio Nobel de Química en 2022.

CATÁLOGO BÁSICO DE LOS LEGO DE LA QUÍMICA

Los elementos son la base de la química. Gracias a Mendeléyev, hoy los tenemos organizados en la conocida tabla cuyo fundamento es la Ley Periódica, una de las leyes fundamentales de la Química. De forma muy resumida se puede decir que la tabla lo constituyen columnas y filas.

En cada columna están situados los elementos que disponen propiedades electrónicas similares. En cada fila los elementos se organizan por el aumento en una unidad del número de protones (y electrones). A pesar de las similitudes que puedan encontrarse entre ellos, la realidad es que no existen dos elementos exactamente iguales.

# Los átomos de la química orgánica

La disposición de los átomos en la Tabla Periódica proporciona información valiosa de la forma en la que van a interaccionar con otros átomos. Esta característica, llamada reactividad química, condiciona el tipo de construcciones que se pueden realizar con cada uno de ellos.

Por ejemplo, en la química orgánica, los elementos más comunes son los elementos no metálicos, principalmente carbono e hidrógeno, acompañados de nitrógeno, oxígeno, azufre, fósforo, cloro y bromo, aunque también pueden aparecer elementos metálicos como el cobalto y el hierro.

Para que exista conexión entre átomos, estos deben ser capaces de formar enlaces entre si. Los elementos no metálicos lo hacen principalmente mediante enlaces covalentes. Para ello comparten pares de electrones. Lo habitual es que cada átomo proporcione uno de los electrones del par, aunque existen excepciones en los que uno de los átomos aporta los dos electrones (enlaces dativos).

# Los átomos y sus conectividades

Para representar la conectividad usaremos la notación de Lewis, donde los puntos representan los electrones susceptibles de formar enlaces (electrones de valencia). Cada punto aislado en un átomo indica una posibilidad de enlace; dos puntos juntos en un átomo representan un par de electrones que en principio no se comparten y que son denominados par de electrones no enlazantes, par solitario o par libre.

Algunos ejemplos de átomos con sus correspondientes conectividades son:

• Hidrógeno (H): una conectividad
• Oxígeno (O): dos conectividades (y dos parejas de electrones libres)
• Nitrógeno (N): tres conectividades (y una pareja de electrones libres)
• Carbono (C): cuatro conectividades.

# El clic de los átomos

Con esta representación de las conectividades resulta más fácil deducir cuántos enlaces puede formar un átomo y cuáles son sus posibles combinaciones con otros elementos.

Por ejemplo, al combinar carbono e hidrógeno, un átomo de carbono puede formar hasta cuatro enlaces con cuatro átomos de hidrógeno. Por su lado, cada átomo de hidrógeno solo puede formar un enlace. Los electrones compartidos en estos enlaces se representan entre los átomos involucrados, ya sea como pares de puntos o como una línea, representando de este modo la unión covalente.

Otras posibles ejemplos de combinaciones habituales son:

• El oxígeno se puede conectar con dos átomos de hidrógeno, formando H₂O (agua),
• El nitrógeno se puede conectar con tres hidrógenos, formando NH₃ (amoniaco).

# Fragmentos atómicos

Conocer la conectividad de cada elemento permite predecir qué posibles combinaciones puede formar con otros átomos. En la química orgánica, uno de los protagonistas principales es el carbono, cuya capacidad de formar hasta cuatro enlaces con otros cuatro átomos le permite crear una gran variedad de estructuras. Por esta razón, se dice que el átomo de carbono constituye la columna vertebral de muchas moléculas orgánicas, y de ahí que a la química orgánica se la conozca como la química del carbono.

El oxígeno, por su parte, puede generar dos enlaces con otros elementos. Además, los dos pares de electrones solitarios generan tal densidad de carga negativa a su alrededor, que influye de una forma muy importante en la interacción con otros átomos, por atracción o por repulsión, así como en la geometría de las moléculas en las que está presente.

Cada átomo que forma parte de una molécula aporta características únicas, y la combinación de todas ellas define la “personalidad” de la molécula, es decir, su comportamiento químico y sus propiedades.

CATÁLOGO AVANZADO DE LOS LADRILLOS DE LEGO DE LA QUÍMICA

Una manera de entender la química orgánica es aprender a reconocer fragmentos que se conforman las moléculas. Cada fragmento identificado tendrá a su vez una conectividad específica que debe respetarse al construir nuevas estructuras. Algunos ejemplos comunes son:

• Combinación de C y H: CH, CH₂, CH₃

• Combinación de N, H y C: NH₂, NHCH₃

• Combinación de O, H y C: OH, CHO, OCH₃

La cantidad de fragmentos disponibles es prácticamente infinita. Los fragmentos mostrados arriba son los más sencillos. Otros pueden ser cadenas lineales, ramificadas como un árbol o más complejas como anillos y cajas. A su vez, cada nueva molécula puede transformarse en otro nuevo fragmento.

LA SÍNTESIS EN EL LABORATORIO ES OTRA COSA

Lo que he presentado anteriormente es una forma sencilla de conectar átomos y fragmentos para construir moléculas. Es, en definitiva, como “jugar a los LEGO®”, desarrollando la imaginación y la destreza en la aplicación de ciertas reglas básicas.

Sin embargo, comprender lo que hace que estas moléculas puedan existir o no es algo más complejo, al igual que la forma real de construirlas. La realidad es que en el laboratorio no se dispone de átomos libres listos para hacer “clic”. Es necesario buscar otras sustancias que los contengan y lograr que los átomos o fragmentos presentes en el matraz se reorganicen y enlacen de la manera que queremos. Esto no es evidente ni sencillo, y requiere el diseño cuidadoso de reacciones químicas, sobre lo cual puedes encontrar más información en esta publicación..

Sobre el papel, todo es posible: podemos diseñar todo tipo de estructuras. Sin embargo, el desafío real radica en saber cuánto tiempo, esfuerzo y recursos económicos requeriría sintetizarlas en el laboratorio, y durante cuánto tiempo y bajo qué condiciones ambientales serán estables.

EL LEGO DE LA QUÍMICA

Antes de que LEGO® creara sus “bricks”, los químicos ya habían creado sus propios juguetes, denominados modelos moleculares. Uno de los más antiguos se lo debemos al químico Hofmann, que data aproximadamente de 1865.

En la actualidad, hay diferentes tipos de kits con los que crear estructuras. Los más habituales son de plástico y se componen de una serie de esferas con orificios, cuyo número depende de su conectividad, y que representan los átomos. Sus colores y formas varían según el elemento que representan. El conjunto incluye también varillas de plástico para mantener las esferas unidas.

Estos modelos moleculares son muy útiles tanto en la educación como para profesionales, al permitir observar la geometría tridimensional de las moléculas, así como el tamaño relativo entre ellas, algo que en papel es muy difícil de visualizar. La versión moderna de estos modelos son los modelos computacionales, con los que se pueden modelar tridimensionalmente las moléculas, estudiar sus propiedades y hacer simulaciones del comportamiento. Hay que destacar la aportación reciente de la IA en este ámbito, al poder elucidar la estructura de las proteínas con una precisión sin precedentes, ampliando su estudio estructural a otro nivel.

LAS CONSTRUCCIONES MOLECULARES

La síntesis orgánica tiene mucho de arquitectura, diseño, estrategia y creatividad. En una misma materia confluyen muchos aspectos que la hacen muy interesante. También es compleja, y cada vez más, ya que a medida que la capacidad técnica permite su estudio en mayor profundidad, su complejidad también aumenta. Es un ciclo sin fin.

La química orgánica está en todo lo que nos rodea, incluido nuestro cuerpo. Por eso conocer un poquito más sobre ella es importante, no tanto para ser expertos, sino para poder familiarizarnos con el lenguaje creado para traducir lo que somos a nivel molecular.

Así como Sawaya transformó su forma de ver las piezas de LEGO®, de simples juguetes a elementos de expresión artística, tú también puedes transformar tu forma de ver las moléculas: de fórmulas estáticas en estructuras dinámicas escritas en el lenguaje de electrones en movimiento.

¿Y tú qué opinas?

¡Espero que hayas encontrado útil y entretenido este post!

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