¿Habías escuchado esta frase? ¿Qué opinas de ella?

Imagina que puedes predecir lo que sucederá en una síntesis química antes de realizarla en el laboratorio, q. Que puedes saber si la reacción será endotérmica o exotérmica,; que puedes conocer la cantidad energía requerida para que se lleve a cabo la reacción, los intermediarios formados, la estructura del estado de transición; incluso puedes obtener espectros de IR, UV-VIS y RMN de todas las especies sin tener que purificar los productos para llevarlos a los equipos requeridos, los cuales muchas veces no tenemos en laboratorio. ¿Cuánto tiempo y dinero ahorrarías?

Quizá parezca imposible pero no lo es. De esto se trata la frase “La química ha dejado de ser una ciencia puramente experimental”. Esta es una frase con la que me gusta iniciar el curso de modelado molecular, y siempre es interesante observar la reacción de los estudiantes ante tal aseveración. Puedo decir que la mayoría, sino es que todos, la desconocen y no entienden cómo es posible que se pueda hablar de química sin hablar de experimentos. Esto es comprensible porque la manera clásica de enseñar química implica que para entender un concepto o una teoría es necesario realizar un experimento mediante el cual se compruebe una hipótesis. En este segmento les contaré de donde proviene la frase y lo que significa, esperando que al final de la lectura comprendamos que es posible hacer química de una forma diferente a la cual nos han enseñado.

En 1998 la Academia de Ciencias Sueca pronunció esta frase a los dos investigadores galardonados con el premio Nobel de Química, John A. Pople y Walter Kohn, por sus contribuciones en el campo de la química teórica computacional. Por un lado, Walter Kohn desarrolló la teoría del funcional de la densidad (DFT, por sus siglas en inglés);¹ mientras que John A. Pople desarrolló métodos computacionales que permiten el estudio de diversos fenómenos químicos, estos métodos computacionales dieron pie a la creación de programas de química computacional.²

Para entrar en contexto es necesario mencionar que la química teórica computacional se refiere al modelado cuantitativo de los fenómenos químicos empleando técnicas computacionales y los formalismos de la química teórica.³ Por química teórica se entiende la descripción matemática de la química.⁴

Regresando un poco en el tiempo⁵, encontramos que en el año de 1900 nació la mecánica cuántica con la hipótesis de Planck. Entre 1900 y 1917 la mecánica cuántica permitió a los físicos Max Planck, Albert Einstein y Niels Bohr comprender fenómenos que la mecánica clásica no había podido explicar, entre ellos están: la radiación del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico, los espectros de emisión y absorción de los elementos químicos. En 1920 el físico Erwin Schrödinger presentó la ecuación fundamental de la mecánica cuántica, cabe mencionar que dada la complejidad de esta ecuación solo es posible resolverla de manera exacta para la molécula de hidrógeno.

Hasta ese punto de la historia, justo como lo dijera el físico Paul Dirac, las leyes físicas de la química eran completamente conocidas, el problema radica en que estas leyes conducían a ecuaciones difíciles de resolver. A partir de ahí los científicos tenían dos tareas importantes: 1) Desarrollar modelos teóricos que permitieran resolver de manera aproximada la ecuación de Schrödinger para sistemas multielectrónicos. 2) Desarrollar métodos computacionales para resolver las ecuaciones provenientes de estos modelos, de tal manera que se pudieran estudiar sistemas químicos reales.

Alrededor de 1930 los estudios de Hartree, Fock y Slater derivaron en la generación del método ab-initio Hartree-Fock, mediante el cual se hizo posible el estudio de moléculas; a pesar de este gran avance, el método Hartree-Fock tenía como limitante que solo podía aplicarse al estudio de sistemas pequeños. Este problema sería resuelto con la aparición de los métodos semiempíricos los cuales se basan en el método Hartree-Fock pero están simplificados con algunas aproximaciones.

Es entonces que Walter Kohn desarrolla la teoría del funcional de la densidad, donde supone que la energía de un sistema es un funcional de la densidad electrónica del sistema. Los métodos basados en esta teoría proporcionan geometrías moleculares y propiedades termoquímicas con una exactitud mayor a los métodos semiempíricos. Además, se pueden aplicar al estudio de sistemas con un gran número de átomos, tales como los sistemas de interés para un químico.

Por otro lado, John Pople dedicó su vida al desarrollo de métodos computacionales para resolver ecuaciones que llevaran al estudio de sistemas químicos. Su contribución llevó a la creación del programa de química computacional Gaussian.

Entonces, ¿a qué nos referimos con que la química ha dejado de ser puramente experimental? Nada más y nada menos que ahora un químico puede predecir lo que sucederá en una reacción sin tener que hacerla en un laboratorio; es decir que se puede modelar haciendo uso de programas de química computacional. Por medio del modelado molecular podemos predecir si la reacción liberará o absorberá calor, la cantidad de energía necesaria para que se realice la reacción, los productos que obtendremos, entre muchas otras cosas más y todo estos sin tener que usar reactivos, material, equipo de laboratorio y lo que es mejor sin generar residuos que afecten el medio ambiente.  

Si quieres saber más de este tema te recomiendo que consultes las siguientes fuentes:

Referencias

1. Walter Khon, (1999) Nobel Lecture. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1998/kohn/lecture/

2.   John A. Pople (1998) Nobel Lecture.

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1998/pople/lecture/

3.   Hopfinger, A.J. (1985), J. Med. Chem., 28, 1133

4. Ramachandran, Deepa, Namboori. Computational Chemistry and Molecular Modeling (2008) Springer.

5. David W. Ball. Fisicoquímica.

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Acerca de nuestra divulgadora invitada:

Sarai Vega Rodríguez es profesora en la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí. Doctora en Ciencias Químicas por la UASLP. Miembro del sistema nacional de investigadores. Su área de estudio es la química teórica computacional, específicamente el modelado molecular de reacciones químicas con métodos de estructura electrónica, para entender y predecir mecanismos de reacción. Interesada en seguir aprendiendo y dar a conocer la importancia de la química en la sociedad.

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Esta entrada es el resultado del taller Escribir para divulgar, donde los participantes han empezado a desarrollar habilidades de escritura, para compartir eso que saben o que les gusta acerca de la ciencia y la tecnología.

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