APLICACIONES DE LA QUIMICA DEL ESTADO SOLIDO

1er Cuso de divulgación
Los Avances de la Química y su Impacto
en la Sociedad

Aplicaciones de la
Química del Estado
Sólido

30 marzo 2009 Lourdes Infantes

Estados de la materia
Fase sólida
Fase líquida
Fase gaseosa
Plasma
Condensado de Bose-Einstein
Condensado Fermiónico
Supersolido
Etc…


Amorfo Cristal


Amorfo Cristal


¿Qué es un cristal?


¿Qué es un cristal?


Cr
is t
al
In
or
gá
n ic
o

co
án i
O rg

Cr
Cr
l
ista

iist
sta
Cr

all
de
de
pr
pr
ot
ot
eíín
en
a
a

“El hábito no hace al monje”

Siderita acompañados de
Apatito-(CaF) y Cuarzo Cuarzo con Arsenopirita
e inclusiones


Simetría en los cristales

Simetría es la repetición en el tiempo o el espacio.

Periodicidad y Simetría

¿Cómo descubrir la estructura a nivel atómico
de los cristales?
Un poco de historia …
Wilhelm Conrad Röntgen
(1825-1923) y la mano de
su esposa

1895 Descubrimiento Rayos-X
1901 Premio Nobel en Física

Cristalografía: Más de 20 premios Nobel
Naturaleza electromagnética
de los rayos-X.
Difracción de los cristales
Desde principios
del siglo XX
Difracción de rayos-X
Difracció rayos-
para analizar la estructura
Von Laue atómica de los cristales
ató W.H.Bragg, W.L.Bragg
(1914) (1915)

Hasta nuestros
días

Kornberg Huber Mackinnon
(2006) (1988) (2003)

Rosalind Franklin: Cristalógrafa.
Los diagramas de difracción de ADN de Rosalind fueron
bautizados por J.D. Bernal como las fotos de rayos X más bellas
hasta entonces obtenidas, y sirvieron para el establecimiento de
la estructura doblemente helicoidal del ADN.

(1920-1958)


Pero el Premio Nobel lo recibieron otros olvidando
la decisiva influencia de estos resultados

James Watson
(1928-)

Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1962
Francis Crick Maurice Wilkins Crick, Watson, Wilkins
(1916-2004) (1916-2004)

¿Qué son los Rayos-X?


Rayos X

Un tipo de radiación electromagnética

¿Podríamos usar un microscopio?


¿Podemos "ver" los átomos y las moléculas
que están dentro de los cristales? ¡¡Si!! Microscopio
Rayos-X
?
es
as
Ph


¿Cómo se realiza un experimento de difracción?


Experimento de difracción
Goniómetro, Detector y sistema de Crioprotección

Goniómetro moderno y detector CCD

Densidad electrónica


Densidad electrónica + modelo


Construcción de una cadena de proteína


Estructura molecular de
un compuesto orgánico

Estructura de Estructura molecular de un
la pared de un enzima presente en la
virus superficie del neumococo


Calidad de los datos
vs.
Construcción del modelo
LOW: 5 Å MEDIUM: 3 Å HIGH: 1.7 Å


¿Qué mantiene unidas las moléculas
en los cristales moleculares?


Interacciones Intermoleculares

Son las interacciones no-covalentes las que mantienen unidas las
moléculas en las estructuras cristalinas y las responsables de los
procesos de reconocimiento molecular

Interacciones iónicas
Fuerzas de London o de dispersión
Fuerzas ion-dipolo
Enlace de Hidrógeno
Atracciones dipolo-dipolo
Fuerza de Van der Waals


Interacciones de enlace de
hidrógeno en cristales orgánicos.

D-H···A
Se produce un enlace de hidrógeno
cuando un átomo de hidrógeno se
encuentra entre dos átomos más
N-H···O=C electronegativos, estableciendo un
O-H···O=C vínculo entre ellos.


Rayos-X

Estructura Estructura
Molecular Cristalina

Plegamiento

Interacciones
Intermoleculares

Reconocimiento
30 marzo 2009
Molecular Lourdes Infantes

¿Reconocimiento molecular estático?

¡NO!


PI3K quinasa


BTL2 Lipasa


1 Estructura molecular

?
1 Estructura Cristalina

¡NO!

Polimorfismo
Distintos modos de empaquetamiento de las moléculas.
Ej. Carbono (diamante, grafito, nanotubos y fullerenos)

Transparente Opaco
Buen dispersor Blando
Duro Lubricante
Aislante eléctrico Muy adsorbente


Polimorfismo
Distintos modos de empaquetamiento de las moléculas.
Ej. Carbono (diamante, grafito, nanotubos y fullerenos)

Estructura Función

Propiedades que pueden variar
entre los distintos polimorfos

P. Físicas: dureza, densidad, conductividad eléctrica
o térmica
P. Fisicoquímicas: adsorción, estabilidad, punto de fusión
P. Químicas: reactividad, estabilidad, solubilidad,
superficie específica
P. Tecnológicas: piezoelectricidad, magnetismo,
refracción, reflexión y absorción de la luz.
P. Farmacológicas: biodisponibilidad, inefectividad, toxicidad,
contraindicaciones, efectos secundarios.
Etc…

Farmacología

Palmitato de cloranfenicol (antibiótico)
Presenta 3 polimorfos: A, B y C más una forma
amorfa
A es la única con características farmacocinéticas
aceptables.
Ritonavir (inhibidor de la B es altamente biodisponible => sobredosificación
protease HIV) C y la forma amorfa no consiguen alcanzar
Presenta 2 formas polimorfas concentraciones suficientes para que el
siendo una de ellas indeseable tratamiento sea efectivo

Paracetamol (analgésico)
Presenta 2 polimorfos I y II


Polimorfismo OH Cl

Te
Cl

OMe
Cl

90º


Polimorfismo


Diferentes estructuras
moleculares

?
Diferentes estructuras
Cristalinas

¡NO!

Isomorfismo

N
HN

NH
N

N
HO

OH
N

N
? N
HN HO
R R
NH OH
N N


Isomorfismo
O H O N N
vs.
R C C R R R

O H O N N

Interacción
de vs. Enlace
Covalente
Hidrógeno

OH OH

O HO N N

OH O N N

HO HO


Isomorfismo
N N H2
C C
H2
N N

O HO H2
C C
H2
OH O


Solvatos


Recordemos:

Los cristales se caracterizan por poseer estructuras internas
periódicas y con simetría.
Relación directa entre la estructura cristalina y las
propiedades y funciones del material.
Una estructura molecular puede presentar diferentes
estructuras cristalinas.
Diferentes estructuras moleculares pueden formar
empaquetamientos isomorfos.
Las interacciones intermoleculares observadas en los
cristales son también las responsables del reconocimiento
molecular in vivo.
Los Rayos-X son la herramienta perfecta para abordar el
análisis de las muestras cristalinas.


Bases de Datos


PDB http://www.pdb.org/pdb/


CRYSTMET
http://www.tothcanada.com/databases.htm

Base de Datos de Metales y
Fases Intermetálicas


ICSD http://icsdweb.fiz-karlsruhe.de

• Compuestos sin enlaces C-C ó C-
H y que, además sean
• Estructuras que contienen, al
menos, uno de los elementos:
H, He, B, C, N, O, F, Ne, Si, P, Cl,
Ar, As, Se, Br, Kr, Te, I, Xe, At, Rn
• Aproximadamente 100.000
entradas en octubre 2007
• Es complementaria de CSD


Cambridge Structural Database (CSD)
http://www.ccdc.cam.ac.uk

Base de datos que contiene información sobre más de
195.000 estructuras de cristales orgánicos resueltos
hasta la fecha.

Dispone de herramientas para la explotación de esta
información: ConQuest, Mercury, Vista, Mogul, Isostar


Cambridge Structural Database (CSD)
Teaching Database
General Chemistry
- Aromaticity
- Shapes of molecules: VSEPR model
- Indentifying functional groups (coming soon)
Organic Chemistry
- Aromaticity
- Halonium ions
- Stereochemistry
- Ring conformations
- Indentifying functional groups (coming soon)
Inorganic Chemistry
- Shapes of molecules: VSEPR model
- Metal-carbonyl back-bonding
- Metal geometry interconversion
- Hapticity
Analytical Chemistry
- Analysing molecular dimensions


http://www.xtal.iqfr.csic.es


Grupo de Cristalografía
Macromolecular y Biología
Estructural.

Instituto de Química-Física
Rocasolano. CSIC

Martín Martínez Ripoll

GRACIAS

APLICACIONES DE LA QUIMICA DEL ESTADO SOLIDO

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente (20)

Destacado

Destacado (16)

Más de INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SONORA

Más de INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SONORA (20)

Último

Último (20)

APLICACIONES DE LA QUIMICA DEL ESTADO SOLIDO