los avances en biología molecular, en medicina o en física suelen llegar rápidamente, pero la gran mayoría de los premios Nobel de Química de los últimos años se han otorgado por trabajos realizados diez, veinte o treinta años antes; el reconocimiento llega cuando sus consecuencias para la ciencia o la tecnología ya son claramente visibles. La única excepción en la última década fue el premio correspondiente al año 1988, que se otorgó a J. Deisenhofer, R. Huber y H. Michel por dilucidar la estructura atómica del centro de reacción fotosintética de un microorganismo, trabajo publicado en 1984.

Debido a este retraso natural en el reconocimiento oficial de los avances más importantes en química, los fundamentos en la otorgación de los premios Nobel son una buena guía para detectar áreas que han tenido un avance relevante en un tiempo relativamente prolongado, pero no son adecuados para pesquisar destellos importantes del quehacer científico, salvo algunas excepciones.

Un criterio de acción más inmediato en el tiempo es el que entrega el análisis de citas bibliográficas, una de las técnicas más importantes de la epistemometría. La utilización de esta técnica se basa en la evidencia de que cuando los científicos publican sus trabajos, lo hacen citando trabajos anteriores que de una u otra manera constituyen antecedentes valiosos. De esta manera, aun reconociendo ciertas limitaciones, se concluye que los trabajos más citados son, por lo general, más importantes que los que no se citan o se citan poco. Es posible demostrar que los trabajos que conducen a premios Nobel y a otros premios prestigiosos, y a veces premonitorios, casi siempre han sido citados con mucha frecuencia, acumulando decenas de referencias en unos pocos años desde su publicación y mucho antes de recibir el premio respectivo.

El artículo medio es citado aproximadamente dos veces por año durante tres o cuatro años y después envejece. Apenas el 0,004% de todos los trabajos científicos son citados 300 veces o más en todo el tiempo transcurrido desde su publicación. Por lo tanto, los premios Nobel no se otorgan a desconocidos. El Instituto para la Información Científica de Filadelfia, EE.UU., publica con cierta frecuencia listas de los trabajos químicos más citados en períodos recientes y también listas de los frentes de investigación más activos, que bien pueden dar una pauta de lo que los científicos consideran más importante en sus diversos campos de investigación.

Al realizar estas búsquedas durante la última década, se llega a la conclusión de que no parece haber ocurrido ningún descubrimiento sensacional o destello puntual notable. Sin embargo, existen varios avances o desarrollos paulatinos de mucha importancia, y que vale la pena destacar y discutir por su impacto en el desarrollo general de la disciplina y por sus interacciones con otras áreas básicas del conocimiento. Algunos de estos desarrollos se han realizado durante los últimos 30 años aproximadamente, pero el impulso más contundente puede localizarse en los últimos diez años. Precisamente, destacaremos aquellos que, nos parece, han experimentado un avance notable durante esta década, constituyendo un aporte indiscutible al desarrollo del conocimiento químico.

Tal vez lo primero que deba mencionarse es un rasgo predominante que ha tenido la investigación química en el último decenio: gran parte de las contribuciones más originales surgen de las regiones limítrofes, cada vez menos netas, entre las disciplinas básicas consideradas tradicionalmente clásicas, como lo han sido la química orgánica, la inorgánica, la físico-química y la analítica.

A pesar de que estas denominaciones o separaciones siguen usándose en textos, congresos científicos, planes de estudios, etc. (lo cual puede obedecer a objetivos de organización), la tendencia a confundirse que mostraban años atrás las fronteras clásicas se ha ido acentuando. Es justamente en estas fronteras poco definidas donde se han producido los más importantes avances. Es así como ya en la última década comienzan a consolidarse algunas de estas áreas limítrofes; pueden mencionarse la química bioorgánica y bioinorgánica, biología molecular, etc.; y sub-disciplinas como semiconductores, láser, catálisis, fotoquímica, modelos moleculares basados en mecánica cuántica, etc., que reflejan los deslindes con la física, la bioquímica y la biología. En estas nuevas disciplinas se han producido algunos de los avances más importantes en química, y algunos de ellos constituyen ya secciones separadas en los congresos científicos de química.

Existen dos aspectos que pueden considerarse básicos en el desarrollo de la química en estos últimos años y que se interrelacionan en diferentes formas con los temas en evolución, contribuyendo sin duda al avance de otros temas y tópicos en química.

a) El campo de la estructura molecular y sus interacciones dinámicas, ya sea en forma de reacciones o de fuerzas fisicoquímicas, que ha ocupado un lugar preferente en el desarrollo del conocimiento químico en la última década. Esto abarca desde las interacciones más simples de moléculas pequeñas con el medio que las rodea, pasando por sus reacciones, transformaciones, óxido-reducciones, etc., llegando hasta la química concerniente a estructuras poliméricas, su caracterización, propiedades físico-químicas, roles funcionales, modelos, etc.

b) El segundo aspecto general a destacar es el campo de la instrumentación química y, sobre todo, su asociación con las técnicas computacionales, tanto con el hardware (materiales computacionales) como con el software (programas computacionales). Esta asociación ha producido un desarrollo explosivo en diferentes técnicas instrumentales, llevando las capacidades de los instrumentos comerciales a límites insospechados hace algunos años.

Entrando en materia de aspectos relevantes del desarrollo de la química, se reconoce que de los avances notables se aprecia en aspectos relacionados con el área de la catálisis. Una excelente complementación del área inorgánica con la orgánica se ha producido en este campo, donde el avance en el conocimiento de la química de los metales de transición, conjuntamente con ligandos típicamente orgánicos, ha producido nuevos catalizadores que permiten efectuar reacciones de tipo quimio-regio y estereoselectivas, similares a las que realiza la naturaleza en los sistemas enzimáticos de los seres vivos. Ejemplos de estas reacciones son: isomerizaciones catalizadas por acetato de paladio, activación de enlaces C-H de alcanos utilizando complejos de ciclopentadieniliridio (R.G Bergman), cicloadiciones 2+2+2 catalizadas por compuestos de cobalto (K.PC. Vollhardt), polimerizaciones con apertura de anillos catalizadas por compuestos de Ti o W (R.H. Grubbs).

También en este campo se han desarrollado compuestos con uniones metalhidrógeno, compuestos con uniones múltiples metal-carbono y compuestos entre metales y ligantes orgánicos con sistemas deslocalizados, que han resultado muy útiles como catalizadores. También, en este mismo tema, es notable la síntesis de productos típicos de naturaleza orgánica, obtenidos mediante catálisis homogénea con complejos de metales de transición como catalizadores, donde destacan varios por su interés industrial y su posible uso como combustibles (ej.: metano, CH4), a partir de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno(H2). Se puede incluir aquí la síntesis de alcoholes por hidrogenación de CO sobre catalizadores metálicos y además, su aplicación en la polimerización de alquenos, y en otras varias y diversas reacciones de polimerización. Acá se une el avance general del conocimiento sobre síntesis de polímeros, que en su aspecto avanzado se ha proyectado hacia la síntesis de moléculas biológicas más complicadas, pero de tipo polimérico en su conformación básica. Este conocimiento acumulado ha permitido incursionar en algunas síntesis de gran interés en varios campos de las ciencias básicas, como síntesis de racimos organometálicos, síntesis de DNA y de polinucleótidos.

Parece oportuno mencionar a continuación otra área que ha experimentado un avance considerable en esta última década. Se trata del estudio de Polímeros y Estructuras Organizadas, donde el avance conjunto de las técnicas instrumentales ha permitido dar respuesta a una serie de interrogantes. Puede destacarse un fuerte incremento en el conocimiento de sistemas macromoleculares originado en estudios de la naturaleza de fotoemisión de estos sistemas, conjuntamente con estudios básicos sobre fotoluminiscencia de moléculas pequeñas que se encuentran en entornos poliméricos. Las medidas de intensidades relativas de fluorescencia de moléculas sonda (o de prueba) ha proporcionado información sobre el ordenamiento de cadenas poliméricas; además, estudios similares realizados en función de la temperatura han entregado información sobre las temperaturas de transición y sobre la libertad de movimiento de subgrupos en polímeros. Por último en este campo, el desarrollo de técnicas espectroscópicas de alta velocidad, como la de Flujo Detenido (Stopped Flow) y las de Relajación (Saltos de Temperatura) han permitido detectar y caracterizar productos intermediarios de vida media muy corta en las reacciones y rompimientos de las unidades poliméricas. Este conocimiento acumulado se acerca a pasos agigantados a la comprensión de las estructuras poliméricas y organizadas que se encuentran en los seres vivos, produciendo un puente valioso entre la físico-química y la bioquímica y la biología. Por otra parte, los conocimientos adquiridos han incidido, aunque todavía no en la magnitud deseada, sobre la tecnología industrial que maneja este tipo de moléculas gigantes.


Espectroscopia

Otro punto relevante, sobre todo por su incidencia en el avance de muchos de los frentes químicos, es la espectroscopia molecular, puesto que se trata de una de las herramientas más poderosas para examinar las propiedades microscópicas de una substancia y, desde luego, sus adelantos gravitan fuertemente en el desarrollo del conocimiento estructural, piedra básica en el conocimiento moderno de muchos problemas químicos. En este contexto existen dos líneas que resaltan con real significado por su avance en estos últimos años:

a) La espectroscopia de gases superenfriados, que ha permitido estudiar la estructura molecular desde un punto de vista espectroscópico para sistemas en estado gaseoso a temperaturas cercanas al cero absoluto. Esta técnica simplifica dramáticamente el espectro de estos gases superenfriados, obteniéndose una alta resolución de los complejos estados de energía moleculares.

b) La espectroscopia multifotónica, que a través de fuentes luminosas proporcionadas por Lasers y Dye-Lasers (de colorantes) ha logrado ampliar el conocimiento de la estructura electrónica de las moléculas, antes restringida fundamentalmente a los procesos monofotónicos.

Entre los procesos de acercamiento entre los intereses de químicos, que tradicionalmente pertenecían a áreas separadas, podemos también mencionar un par de compenetraciones de fronteras que han resultado en una nueva área de notable desarrollo. Uno de ellos es el impacto recíproco de la química orgánica, la biología molecular y la bioquímica, en cuya proyección comienza a nacer una generación de químicos cuya visión de las macromoléculas biológicas está desprovista de todo resabio de vitalismo y en la que se acentúa la tendencia a tratarlas como sustratos orgánicos comunes, susceptibles de síntesis y degradaciones controladas, y de ser imitadas en algunas de sus propiedades por modelos más sencillos: síntesis de ligandos de segmentos específicos de DNA (P.B. Dervan), complejos de ciclofanos como modelos de interacciones enzima-sustrato (F.N. Diederich), ciclo-dextrinas catalíticas (R.C.D. Breslow), activación de oxígeno molecular por hemoproteínas (T.C. Bruice).

El otro es el creciente interés de los llamados "químicos inorgánicos" por aplicar sus conocimientos al estudio del comportamiento y las propiedades de sistemas de origen biológico. Recíprocamente se ha originado el interés de biólogos y bioquímicos por conocer con mayor detalle el comportamiento y las propiedades físico-químicas de sistemas biológicos que contienen metales en baja proporción, en particular de las llamadas metaloproteínas.

Una serie de estudios ha tratado de explicar y conectar las funciones biológicas que realizan estas metaloproteínas con las propiedades moleculares, estructurales y termodinámicas de la asociación producida entre metales y aminoácidos. Por ejemplo, los conocimientos generados en el área de la físico-química inorgánica para los complejos de los metales de transición se han aplicado a las metaloproteínas, asimilando sus propiedades a las de un compuesto de coordinación, considerando un centro metálico rodeado de ligantes de estructura compleja (el resto de la metaloproteína). Esta compenetración de conocimiento físico-químico inorgánico con los conocimientos bioquímicos y biológicos, abarcando una amplia gama de estudios (equilibrios, estructuras, propiedades termodinámicas, cinética, conformaciones geométricas, reacciones, propiedades redox, características espectrales, etc.), ha dado lugar al nacimiento de una nueva rama de rápido desarrollo en la última década, la llamada Química Bioinorgánica.

Un aspecto relevante en estos últimos años - y tal vez ha sido la base que ha hecho posible una serie de nuevos estudios, muchos de los que hemos mencionado anteriormente- es el extraordinario desarrollo de técnicas instrumentales, ahora íntimamente asociadas a las tecnologías basadas en la física y las matemáticas, como son las tecnologías de computadores. Muchos son los avances notables en esta área instrumental, comprendiendo prácticamente todo el espectro de la instrumentación conocida, transformándola y perfeccionándola, pero al mismo tiempo creando nuevas posibilidades de detección, resolución y exactitud sobre las propiedades de las estructuras químicas, posibilidades que hasta hace 25 años no era posible imaginar. La tecnología de computadores ha permitido por sí sola adentrarse en preguntas que antes tenían lenta y larga respuesta; hoy ésta se hace casi instantánea. Por ejemplo, el avance en la tecnología de computadores ha resultado en un salto cualitativo que está dejando atrás los modelos moleculares materiales, de alambre o de resinas sintéticas, para utilizar cada vez con mayor soltura diversos métodos de modelaje molecular computacional. Estos, además de permitir construir, mostrar, desplazar y rotar modelos a veces muy complejos en la pantalla del monitor, entregan de manera casi instantánea las distancias interatómicas que se desee conocer. Otros programas permiten calcular en poco tiempo los perfiles de energía conformacional de moléculas medianas o de segmentos de macromoléculas, con lo cual se puede predecir las "formas" más probables de moléculas flexibles y las barreras de energía que se debe superar para pasar de una a otra. Estas técnicas, a su vez, están conduciendo a una comprensión más detallada de las interacciones entre enzimas y sustratos o inhibidores, y entre los diversos tipos de receptores biológicos y sus ligandos naturales o sintéticos, lo que incide de manera muy significativa en algunos aspectos de la bioquímica y la química terapéuticas. Instrumentos comerciales con capacidades que hace diez años se encontraban en los limites de la investigación han vuelto rutinaria y rápida la determinación de estructuras de productos naturales de bajo peso molecular, y permiten obtener una visión detallada de la forma y la movilidad interna de macromoléculas tales como proteínas y ácidos nucleicos, así como de sus interacciones entre sí y con ligandos pequeños.

Entre las variadas técnicas instrumentales de gran uso en la actualidad mencionaremos sólo algunas que, consideramos, han tenido un gran avance en los últimos años o cuya aplicación ha permitido un desarrollo importante en el conocimiento de un determinado aspecto de la química.

El descubrimiento y desarrollo de métodos espectroscópicos de alta resolución, los cuales en algunos casos datan de 30 años atrás aproximadamente, en los últimos diez años han cambiado totalmente la capacidad de la instrumentación. Ejemplos notables de estos métodos son:

- Resonancia Magnética Nuclear (RMN).

- Resonancia de Espín (REE> Electrónico.

- Efecto Móssbauer.

- ESCA (Electrón Spectroscopy for Chemical Analysis) XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy).

Es interesante destacar la evolución y el avance de la RMN, la cual comenzó como el descubrimiento de un fenómeno físico de resonancia, consecuencia de la interacción del espín nuclear con la nube electrónica que rodea a ese núcleo, para pasar primero al desarrollo de pequeños instrumentos comerciales de 40 MHz, hasta llegar en la actualidad sobre los 600 MHz, y desde el análisis espectroscópico monodimensional, hasta el tridimensional (de tipo polinuclear), llegando a constituir mediante diseños diferentes un instrumento sofisticado de análisis clínico, que cuenta con todo el acoplamiento computarizado que permite hacer "scanning" de alta resolución.

Debe mencionarse también la utilización de sistemas computacionales para: Rayos X, el uso de transformadas de Fourier en las espectroscopias tradicionales en el ultravioleta, visible e infrarrojo (FTIR, FTUV, etc.), y de reflectancia difusa (para muestras sólidas).
La combinación de estas espectroscopias, conjuntamente con los Rayos X entrega en muchos casos estructuras moleculares completas, tridimensionales, que se pueden observar desde todos los ángulos posibles de apreciación en la pantalla del computador, conteniendo las distancias de enlaces y las estructuras espaciales perfectas, tanto en moléculas relativamente simple como en otras que se acercan cada día más a polímeros de bastante complejidad.

El desarrollo de la electrónica también ha contribuido a diseñar equipos que han significado un aporte contundente de datos y análisis, pero sobre todo ha permitido obtener parámetros cinéticos y termodinámicos, y detectar la presencia de intermediarios imposibles de evidenciar anteriormente. Entre estas técnicas mencionaremos: Voltametría Cíclica y Fotólisis de Destello (Flash Photolysis).

Tal vez como apreciación final del desarrollo de técnicas que han permitido vislumbrar nuevos aspectos en el comportamiento químico molecular, puede mencionarse el uso creciente del Helio líquido para obtener bajas temperaturas, hasta la cercanía de los 0.01º K, lo cual, combinado a diferentes espectroscopias, o a manifestaciones de comportamientos magnéticos, ha permitido una resolución sobre diferentes tipos de estados energéticos que no era posible obtener a temperaturas ambientes o incluso del Nitrógeno líquido.


Transferencia de electrones, un tema que sobresale en su avance

El proceso de transferencia de electrones es una manifestación de lo que en forma más general, puede llamarse procesos de transferencia de carga. Nos referiremos aquí a procesos en los que ocurre una transferencia total de carga, que lleva generalmente a un proceso de óxido reducción, es decir, al campo que ha entregado un sinnúmero de hechos experimentales y de teorías que tratan de explicar cómo ocurren las reacciones de óxido reducción.
Durante los últimos 30 años se ha realizado un progreso notable en la comprensión de este proceso, pero sin duda los últimos diez años han marcado la etapa más notable de este desarrollo paulatino.

Si se examina la transferencia de electrones de una molécula a otra o de un centro metálico a otro, se puede preguntar inmediatamente: ¿cómo se mueve el electrón? De acuerdo a los conceptos termodinámicos, debe hacerse por el paso que requiera la menor energía, lo que lleva a pensar ¿cómo se consigue ese paso de menor energía?

Así surge otra serie de preguntas, tales como: ¿este paso se proporciona mediante la unión del oxidante con el reductor?; ¿es posible que este paso se realice a través de moléculas que actúan como puente entre los centros que transfieren y reciben el electrón?: ¿cómo se modifican los enlaces de los átomos unidos a los centros que cambian de estado de oxidación?; ¿qué modificaciones deben ocurrir en los alrededores de los centros oxidante y reductor para que se produzca un paso de mínimo gasto de energía?; ¿cómo se relaciona la estructura electrónica de un metal con la velocidad de transferencia y con los cambios en el estado de oxidación de los centros activos?; ¿proporcionan las teorías existentes y sus explicaciones al respecto una buena descripción del proceso de transferencia?; ¿se produce transferencia de átomos simultáneamente al proceso de óxido-reducción?, etc. Estas y otras preguntas, incluyendo una serie de estudios sobre mecanismos de las reacciones redox, han sido respondidas durante todos estos años, produciéndose en el área de la físico-química inorgánica uno de los avances más notables en química básica. Es así que en 1983 se le concede el Premio Nobel de Química al profesor Henry Taube, de la Universidad de Stanford, por sus trabajos en esta área (comenzados a mediados de la década del 60).

Ya en 1963, R.A. Marcus había entregado varias ideas sobre la transferencia de electrones, analizando teóricamente cómo puede producirse el proceso total, el acercamiento necesario de las entidades que transfieren; la confluencia que debe producirse entre los centros redox para la transferencia y las características que debiera tener la unidad completa (donor y aceptor, incluyendo los átomos unidos en su cercanía y las moléculas que actúan como solvatante) en el momento de la transferencia.

Muchas de estas ideas han tenido su respuesta experimental, y es así como en la actualidad se concluye que, considerando el principio de Franck-Condon (que los electrones se mueven a mucho mayor velocidad que los núcleos, y que el intercambio de energía entre electrones y núcleos es ineficiente), todo el conjunto debe estar energéticamente preparado y compensado antes de que se transfiera el electrón. En otras palabras, los enlaces, las distancias, las esferas de solvatación, la estructura electrónica (cuando sea necesario), etc., deben modificarse antes hacia posiciones de mínima energía entre lo que es el donor del electrón y lo que resultaría después de cederlo, ocurriendo lo mismo con el aceptor del electrón.

Un poco posterior a esos años (1967), N.S. Hush entregó las ideas sobre transferencia de electrones en Complejos de Valencia Mixta, es decir, compuestos que en una misma molécula tienen dos centros metálicos en diferente estado de oxidación. La transferencia de electrones en este tipo de complejos ha tenido un gran avance en los últimos diez años, y se encuentra en plena investigación hoy día. Los complejos de valencia mixta pueden tener la característica de mantener unidos los centros metálicos que realizan la transferencia durante y después de ésta, permitiendo así efectuar modificaciones de los átomos y moléculas directamente unidos a ellos, de manera de estudiar los parámetros que son determinantes en el proceso de transferencia, para obtener el camino de mínima energía.

Posteriormente, H.B. Gray y otros han realizado una apreciable labor de investigación, estudiando los procesos de transferencia entre moléculas inorgánicas y moléculas biológicas como el Citocromo C, tratando de dilucidar la cinética y el mecanismo del proceso, como asimismo la forma en que se produce el acercamiento entre estas moléculas, los canales por donde se produce la transferencia, las condiciones energéticas, etc.

En este aspecto los conocimientos básicos aprendidos durante años de investigación sobre este proceso, permitirán comprender mejor las cadenas de transferencia que se realizan en los seres vivos, como ocurre en la cadena respiratoria o en el sistema fotosintético de los vegetales.

Hemos mencionado este ejemplo principalmente por dos razones: una es el avance notable que ha tenido el conocimiento sobre transferencia de electrones en esta década, y la otra trata de demostrar las interrelaciones que existen entre diferentes áreas de la química y la aplicación de conocimientos básicos que resulta hacia otras áreas de la ciencia, como la biología o la física (física del estado sólido, semiconductores y superconductores).

Esto nos lleva a pensar que las divisiones existentes en ciencias se producen, principalmente, debido al interés de los investigadores por trabajar en determinada área, pero que los conocimientos básicos son universales y sirven de base a los conocimientos de cualquiera de las disciplinas científicas.



Dr. Carlos Andrade
Dr. bruce Cassels
Dr. Ramón Latorre
Dr. Raúl Morales
Dra. Ligia Gargallo

Depto. de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile.

Facultad de Química, Pontificia Universidad Católica
de Chile, Santiago.