Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Bernardo Herradón Instituto de Química Orgánica General (CSIC) EXPOQUIMIA, 22 de octubre de 2008 1er curso de divulgación: Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Programa 1. Introducción: La Química es la base de la materia que nos rodea. 2. Impacto de la Química en la sociedad a lo largo de la historia. 3. Aplicaciones de la Química en biomedicina. 4. La Química en el deporte. 5. La Química facilita nuestra vida cotidiana: artilugios caseros. 6. La Química y los medios de transporte. 7. La Química y los alimentos. 8. La Química por un medio ambiente más limpio. 9. Aportaciones de la Química a la nanotecnología. 10.La Química y la producción de energía. 11.Aplicaciones de la Química a la alta tecnología. 12.Un químico lee el periódico: la ciencia detrás de la noticia. ¿Qué es la Química? La Química estudia las moléculas. Las moléculas son los componentes básicos de la materia. Por lo tanto, todo es Química. La Química es la Ciencia Central, que interacciona con otras ciencias: Biología, Física, Ciencias de los Materiales, Ciencias Agrícolas, Geología, Astrofísica, etc. La Química nos proporciona todas las comodidades de nuestra vida. Nosotros somos química. ¿Qué es la Química? Algunas “visiones” y definiciones sobre la Química son las siguientes: ¾LA QUÍMICA CREA SU PROPIO OBJETO. ¾LA QUÍMICA ENTRE LA FÍSICA Y LA BIOLOGÍA. ¾LA QUÍMICA: LA CIENCIA CENTRAL, ÚTIL Y CREATIVA. Hoy en día, los químicos nos hacemos las siguientes preguntas: 9¿Por qué las sustancias del mundo se diferencian en sus propiedades? 9¿Cómo podemos controlar y utilizar más eficazmente estas propiedades? La Química y su relación con otras Ciencias Ciencia de los alimentos Toxicología Ciencias Medioambientales Geología Ciencias de la tierra Astrofísica Química Agricultura Veterinaria Matemáticas Bioquímica Biología molecular Biología Biomedicina Medicina Física Ciencias de los materiales Nanociencias Nanotecnología Ingeniería El impacto de la Química en la Sociedad ¾Salud humana: medicinas, material de diagnóstico, lentes de contacto, prótesis. ¾Veterinaria. ¾Agricultura: protección de cosechas (pesticidas, herbicidas, insecticidas), fertilizantes, abonos. ¾Protección ambiental. ¾Materiales útiles: tejidos, velcro, colorantes, celofan, tintas, piezas de vehículos, electrónica, etc. ¾Explicación de fenómenos naturales: vida, detección en planetas extrasolares, etc. La Química y su impacto en la Sociedad El trabajo de los químicos ENSEÑAR QUÍMICA PARA QUE LOS ESTUDIANTES APRENDAN “LO QUE HACEN LOS QUÍMICOS” QUÍMICA: CIENCIA EXPERIMENTAL ¾ Preparación de nuevos compuestos ¾ Purificación y caracterización estructural ¾ Determinación de propiedades 9 Químicas 9 Físicas 9 Biológicas 9 Tecnológicas QUÍMICA: APROXIMACIÓN COMPUTACIONAL ¾ Complemento para explicar los datos experimentales ¾ Análisis de datos ¾ Información estructural y propiedades dificiles de obtener experimentalmente ¾ Entender el comportamiento químico, físico, biológico, tecnológico ¾ Predecir propiedades de compuestos antes de sintetizarlo. Diseño molecular in silico El impacto de la Química en la Sociedad Premio Nobel de Física 2007 Albert Fert Peter Grünberg Por el descubrimiento de la magnetoresistencia gigante Premio Nobel de Química 2007 Gerhard Ertl Por el estudio de procesos químicos sobre superficies sólidas El impacto de la Química en la Sociedad Magnetoresistencia: Composición química. El impacto de la Química en la Sociedad PROCESOS QUÍMICOS CATALÍTICOS CATALIZADORES DE LOS COCHES La combustión incompleta genera hidrocarburos, monóxido de carbono (CO) y óxidos de nitrógeno (NO y NO2). El papel del catalizador es acelerar las reacciones de oxidación de los hidrocarburos y el CO y de reducción del NO y el NO2. El impacto de la Química en la Sociedad Reacciones químicas: airbag NaN3 Na + 3/2 N2 La Química y los fenómenos naturales La Química y la explicación de fenómenos naturales LA QUÍMICA Y LOS COLORES El color es un fenómeno físico relacionado con las diferentes longitudes de onda en la zona visible del espectro electromagnético, que perciben las personas y algunos animales a través de los órganos de visión La Química y la explicación de fenómenos naturales LA VISIÓN Y EL COLOR El color blanco resulta de la superposición de todos los colores, mientras que el negro es la ausencia de luz. La luz blanca puede ser descompuesta en todos los colores (espectro) por medio de un prisma. En la naturaleza esta descomposición da lugar al arco iris La Química y la explicación de fenómenos naturales LA VISIÓN Y EL COLOR Todo cuerpo iluminado absorbe todas o parte de las ondas electromagnéticas y refleja las restantes. Las ondas reflejadas son analizadas por el ojo e interpretadas cómo colores según las longitudes de onda correspondientes Los colores complementarios son aquellos que, en el espectro, se encuentran justo uno frente al otro. Se obtiene mediante la contraposición de un primario con un color secundario formado por los otros dos primarios. Así, el complementario del verde es el rojo, el del azul es el naranja y del amarillo el morado. Mecanismo de la visión La RETINA recibe las impresiones luminosas y las transmite al cerebro. Está constituida por: CONOS, unas células sensibles a la intensidad de la luz y a la visión de los colores, y BASTONES, células que detectan el blanco y el negro y los distintos tonos del gris. Mecanismo molecular de la visión hν H3 C CH3 CH3 CH 3 H3 C CH3 CH3 H O CH 3 H 3C 11-ci s retinal CH 3 H O todo-tr ans retinal H. K. Hartline, Premio Nobel, 1967 Color y mecanismo de la visión El color y la estructura de las moléculas Hidrógeno (H) Carbono (C) β-CAROTENO (C40H56) Hidrógeno (H) CLOROFILA (C55H72MgN4O5) Oxígeno (O) Nitrógeno (N) O Magnesio (Mg) N N Mg Carbono (C) N N O O O O O La Química y la vida: DNA La Química y la vida: Proteínas Estructura Primaria Estructura Secundaria 5 10 15 20 25 30 1 A A S X D X S L V E V H X X V F I V P P X I L Q A V V S I A 31 T T R X D D X D S A A A S I P M V P G W V L K Q V X G S Q A 61 G S F L A I V M G G G D L E V I L I X L A G Y Q E S S I X A 91 S R S L A A S M X T T A I P S D L W G N X A X S N A A F S S 121 X E F S S X A G S V P L G F T F X E A G A K E X V I K G Q I 151 T X Q A X A F S L A X L X K L I S A M X N A X F P A G D X X 181 X X V A D I X D S H G I L X X V N Y T D A X I K M G I I F G 211 S G V N A A Y W C D S T X I A D A A D A G X X G G A G X M X 241 V C C X Q D S F R K A F P S L P Q I X Y X X T L N X X S P X 271 A X K T F E K N S X A K N X G Q S L R D V L M X Y K X X G Q 301 X H X X X A X D F X A A N V E N S S Y P A K I Q K L P H F D 331 L R X X X D L F X G D Q G I A X K T X M K X V V R R X L F L 361 I A A Y A F R L V V C X I X A I C Q K K G Y S S G H I A A X 391 G S X R D Y S G F S X N S A T X N X N I Y G W P Q S A X X S 421 K P I X I T P A I D G E G A A X X V I X S I A S S Q X X X A 451 X X S A X X A hélice α lámina β Estructura Terciaria Estructura Cuaternaria Subunidad de hemoglobina ×4 Tetrámero de hemoglobina La Química y la vida: DNA Diario “El País”, 13 de julio de 2008 Oxitocina (hormona del sistema nervioso periférico, “hormona del amor”) La Química y la salud H N O CH3 F F3 C OH OH N H N O Ca O Fluoxetina (“Prozac”) CH3 NH2 O Atorvastatin (“lipitor”) O N N 2 OH S H 3C N Timina (Vitamina B1)HO H N CH3 O CO2H Ácido acetilsalicílico (“aspirina”) HO OH Adrenalina (Epinefrina) Hormona Química y salud. La Química en las noticias. Diario “Público”, 14 de abril de 2008 HO O O O O H Simvastatina Investigación en Química Médica Propiedades: Actividad biológica Herradón, IQOG, CSIC Cristales líquidos R. Pleixats y col. Universidad Autónoma de Barcelona Estados físicos de la materia Gaseoso Líquido Sólido (amorfo o cristalino) El estado físico depende de la estructura molecular y de las interacciones entre moléculas (interacciones intermoleculares) Implicación en las propiedades físicas y tecnológicas Estados intermedios de la materia: Cristal líquido Estructuras cristalinas. Interacciones intermoleculares. Diamante Escapolita Grafito Estructuras cristalinas. Interacciones intermoleculares. Estructuras cristalinas. Interacciones intermoleculares. Triclínico Hexagonal Ortorrómbico Monoclínico Tetragonal Cúbico Romboédrico Estado físico, dependiente de las interacciones entre moléculas. Carbono (C) CARBÓN ACTIVO (C) Diamante Grafito Diseño de compuestos con propiedades tecnológicas. Ingeniería cristalina. NC NC CN S S CN S S TCNQ Alves et al. Nature Materials, 2008 TFF Propiedades electrónicas Propiedades tecnológicas: Fullerenos y nanotubos de carbono Propiedades Eléctricas:Semiconductores o Superconductores Mecánicas: Son muy resistentes a la tensión y presentan una elevadad elasticidad Térmicas: Buenos conductores térmicos a lo largo del tubo y aislantes a través de la pared Vista de nanotubos al microscopio electrónico Aplicaciones Supercondensadores Células solares Almacenamiento de hidrógeno Electrónica Biomedicina Industria aerospacial Agentes adsobentes,… Propiedades tecnológicas: Polímeros conductores. * NH * n Polianilina Polímero conductor eléctrico A. J. Heeger, A. G. MacDiarmid, H. Shirakawa, Premio Nobel, 2000 Algunas aplicaciones: ¾Baterías eléctricas. ¾Biomedicina: músculos y nervios artificiales. ¾Sensores. ¾Espejos inteligentes. ¾Filtros ópticos. ¾Recubrimientos anticorrosión. ¾Membranas para la depuración de aguas. La Química en las noticias: Baterías eléctricas Resolución del problema energético. Economía basada en el hidrógeno. Almacenaje de H2. Covalent Organic Frameworks as Exceptional Hydrogen Storage Materials W. A. Goddard III y col. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 11580 Carbono (gris), boro (naranja), oxígeno (rojo), silicio (azúl). La Química en las noticias: Producción de energía Nota de prensa del CSIC, 17 de octubre de 2007 Química y Medio Ambiente ¾Cuantificación de sustancias químicas en el ambiente. ¾Determinación de la toxicidad de compuestos químicos y descubrir el mecanismo de acción biológica (en colaboración con biólogos). ¾Diseño y síntesis de compuestos químicos con actividad biológica beneficiosa (en la dosis adecuada) que puedan paliar los efectos de otros agentes tóxicos. ¾Desarrollo de procesos industriales que sean más respetuosos con el medioambiente (Química Verde). ¾Investigación en procesos de generación de “energía limpia”. ¾Investigación de procesos físicos y químico-físicos de separación selectiva de sustancias tóxicas. ¾Diseño e implantación de rutas químicas para el tratamiento de residuos. Química Ambiental B. Jiménez, IQOG, CSIC Toxicología Bry Br x PBB Br Br Br Br Cl Br Br Br Clx PCB x, y = 1-5 Br Br Cly Cl Cl Cl Br Cl Cl PBB-209 Cl Cl Cl Cl Cl Cl PCB-126 PBB-209 PCB-209 PCB-126 PCB-169 Cl PCB-209 Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl PCB-169 Chem. Res. Toxicol. 2008, 21, 643 B. Herradón, IQOG, CSIC; J. M. Navas, INIA Química y Medio Ambiente Química y Medio Ambiente Compuestos químicos que almacenan dióxido de carbono (CO2). Science 2008, 319, 939 Zeolitas modificadas con derivados del imidazol Química y Medio Ambiente Zeolitas on alta capacidad para almacenar dióxido de carbono (CO2). Science 2008, 319, 939 La Química y la vida cotidiana ¾Alimentos: Aditivos, conservantes, edulcorantes. ¾Protección de las cosechas. ¾Potabilización de aguas. ¾Insecticidas. ¾Artilugios de uso diario: celofán, pinturas, tinta, papel, etc. ¾Y muchísimas más aplicaciones……… La Química y la vida cotidiana: Alimentos. SACAROSA (C12H22O11 ) Hidrógeno (H) Oxígeno (O) Carbono (C) CH 2OH O H H OH H CH 2OH H CH2OH O H OH OH H O OH H H OH La Química y la vida cotidiana: Edulcorantes. SACARINA (C7H5O3NS) Hidrógeno (H) Oxígeno (O) Nitrógeno (N) Carbono (C) Azufre (S) O N S O O H La Química y la vida cotidiana: Edulcorantes. Aspartamo O H 2N OCH3 N H O CH 3O O La Química y la vida cotidiana: Lentes de contacto. O R R R R Polimerización O n PMMA, R = CO2 CH3 Química y Deporte “más rápido, más alto, más fuerte” (Pierre de Coubertin) Desarrollo de materiales (Química) INSTALACIONES DEPORTIVAS Gradas, Cubiertas, Pavimentos y Superficies deportivas Velocidad MATERIALES DEPORTIVOS Precisión Protección y Seguridad Química y Deporte “más rápido, más alto, más fuerte” (Pierre de Coubertin) CONTROL DE DOPAJE AUMENTO DEL RENDIMIENTO • • • Desarrollo de materiales (Química) Mejor conocimiento del funcionamiento del organismo Entrenamientos específicos Dietas adecuadas SALUD DE LOS DEPORTISTAS • • Calmantes de administración tópica Materiales para prótesis Díez-Masa, de Frutos, IQOG, CSIC Utilidad de la investigación básica en Química La espectroscopía infrarroja: herramienta de análisis y caracterización estructural Utilidad de la investigación básica en Química La espectroscopía infrarroja ayuda a los astrofísicos Publicado en ABC, 24 de marzo de 2008 Utilidad de la investigación básica en Química Utilidad de la investigación básica en Química Los avances de la Química y su impacto en la sociedad HAY QUE TENER VOCACIÓN PARA DEDICARSE A LA INVESTIGACIÓN Y ESTAR DISPUESTO A SEGUIR UNA CARRERA CREATIVA. LA CARRERA CIENTÍFICA ES MUY DIVERTIDA. CADA DÍA NOS ENFRENTAMOS A LO DESCONOCIDO. VAMOS PROGRESANDO EN EL CONOCIMIENTO. 1er curso de divulgación: Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Dirigido por Bernardo Herradón y Carlos Miranda Organizado por: Patrocinado por:
