Premio Nobel de Química: catálisis por medio del paladio de uniones cruzadas en las síntesis orgánicas

El Premio Nobel de Química 2010 fue designado a los científicos Richard F. Heck (EE.UU.), Ei-ichi Negishi (Japón), y Akira Suzuki (Japón), por el desarrollo de la catálisis por medio del paladio de uniones cruzadas en las síntesis orgánicas, una importante herramienta para la química orgánica actual.

Las aplicaciones de esta herramienta alcanza numerosos campos de acción para la química, como la medicina, la electrónica, y la tecnología. Desarrolla la posibilidad de los científicos para crear sofisticados productos químicos como, por ejemplo, la elaboración de moléculas basadas en carbono tan complejas como las mismas que se encuentran en la naturaleza.

La química orgánica aplicada estudia la forma de crear compuestos basados en carbono, como los plásticos y los medicamentos. Para lograrlo, los químicos tienen que ser capaces de unir los átomos de carbono para formar moléculas funcionales. Sin embargo, el carbono es un elemento estable, que no reacciona fácilmente con otros.

Por eso, los primeros métodos para forzar al carbono a unirse estaban basados en hacerlo más reactivo a través de sustancias. Ese tipo de soluciones funcionaban cuando se trataba de crear moléculas simples, pero al sintetizar otras más complejas el método fallaba.

La unión cruzada catalizada a través del paladio resolvió ese problema y proveyó a los químicos de una nueva herramienta para trabajar, más eficiente. En las reacciones producidas por Heck, Negishi, y Suzuki, los átomos de carbono se encuentran con átomos del paladio (rico en electrones y, por lo tanto, un “imán” para el carbono) provocando una rápida reacción química (es decir, una catálisis).

Actualmente, la catálisis por medio del paladio de uniones cruzadas de síntesis orgánicas es utilizada en las investigaciones de todo el mundo, en la elaboración de importantes medicamentos para combatir el cáncer o poderosos virus, o también en la producción comercial de, por ejemplo, farmacéuticos y moléculas utilizadas en la industria electrónica.

Ninguno de los tres científicos trabajó conjuntamente, pero sus trabajos experimentales por separado lograron el desarrollo de esta importante herramienta química y la posibilidad de utilizarla en la actualidad.

Los tres compartirán el Premio Nobel 2010 otorgado por La Real Academia de Ciencias Sueca, un premio de cerca de 1 millón de euros que se les otorgará en una pomposa ceremonia dirigida por el Rey de Suecia el 10 de diciembre, día en que se recuerda la muerte de Alfred Nobel.

                                                                       Juan Pacheco Mayayo, 2º Bachillerato

El grafeno: el material del futuro

Descripción de qué es el grafeno y sus aplicaciones (si queréis conocer directamente sus aplicaciones empezad mirando el minuto 2 segundo 24 del video).

Video enviado por Ignacio Embid (2º Bachillerato A)

Premio Nobel de Química 2010: A Powerful Tool for Chemists

A Powerful Tool for Chemists

There is an increasing need for complex chemicals. Humanity wants new medicines that can cure  cancer or halt the devastating effects of deadly viruses in the human body. The electronics industry is searching for substances that can emit light, and the agricultural industry wants substances that can protect crops. The Nobel Prize in Chemistry 2010 rewards a tool that has improved the ability of chemists to satisfy all of these wishes very efficiently: palladium-catalyzed cross coupling.

At the end of the 1980s, scuba divers in the Caribbean Sea collected the marine sponge Discodermia dissoluta. At a depth of 33 meters (108 feet) they found a little creature that lacks eyes, a mouth, stomach and bones. At first sight it appears primitive, but its inability to escape enemies has turned Discodermia dissoluta and other marine sponges into masters of chemistry. They have a remarkable ability to produce large and complex chemical molecules that are poisonous and that prevent other organisms from exploiting them.
 

Researchers have discovered that many of these poisons have therapeutic properties; they can function as antibiotics or as anti-viral or anti-inflammatory medicines. In the case of Discodermia dissoluta, the first laboratory tests revealed that the substance discodermolide could in the future be used as a chemotherapy drug. Among other things, it stopped cancer cells from growing in test tubes.
Removes a significant obstacle to progress After more in-depth studies, scientists have been able to demonstrate how discodermolide defeats cancer cells in the same manner as Taxol, one of the most commonly used cancer drugs in the world. Finding a substance with such huge potential is a thrilling experience in itself, but without the discoveries being rewarded by the Nobel Prize in Chemistry 2010, the story of discodermolide would probably have ended there (figure 1). Progress would have come to a halt due to a lack of material, as it is not possible to develop medicines based on a substance found only in small quantities deep in the Caribbean Sea. However, with the addition of palladium-catalyzed cross-coupling reactions to the chemist’s toolbox by Richard F. Heck, Ei-ichi Negishi and Akira Suzuki, scientists can now artificially produce discodermolide. Negishi’s variant of the reaction was used as a central step in its synthesis. Other scientists have subsequently optimized the process and managed to obtain sufficient quantities of discodermolide to begin clinical testing on humans suffering from cancer.
 

Only the future will tell if discodermolide turns out to be a life-saving drug. In any case, it is one of many examples of how naturally occurring chemicals inspire the work of chemists. Common to all molecules in living organisms, so called organic molecules, is the fact that they consist of a more or less complex skeleton of carbon atoms. Carbon-carbon bonds are the basis of the chemistry of life itself, and its importance to chemists is well illustrated by the fact that the subject matter has now been rewarded with a total of five Nobel Prizes. The previous four are: the Grignard reaction (1912), the Diels-Alder reaction (1950), the Wittig reaction (1979), and olefin metathesis (2005).
 

Palladium – point of rendezvous for carbon atoms

The palladium-catalyzed cross-coupling reaction is unique since it is possible to carry it out under mild conditions and with very high precision. Previously, chemists had to kick-start the chemical reaction between two carbon atoms using reactive substances. Such substances do their job, but the carbon often also reacts with other atoms leading to the creation of unwanted by-products.

 

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Premio Nobel de Química 2010: PALLADIUM-CATALYZED CROSS COUPLINGS IN ORGANIC SYNTHESIS

Palladium-Catalyzed Cross Couplings in Organic Synthesis

Three researchers share this year’s Nobel Prize in Chemistry, Professor Richard F. Heck, who has been working at University of Delaware, Newark, Delaware, USA, Professor Ei-ichi Negishi, Purdue University, West Lafayette, Indiana, USA, and Professor (emeritus) Akira Suzuki, Hokkaido University, Sapporo, Japan. The Royal Swedish Academy of Sciences is rewarding the three chemists for: “palladium-catalyzed cross couplings in organic synthesis”. The discoveries by the three organic chemists have had a great impact on academic research, the development of new drugs and materials,
and are used in many industrial chemical processes for the synthesis of pharmaceuticals and other biologically active compounds. A background and description of their discoveries are given below.

Introduction

This year’s Nobel Prize in Chemistry concerns the development of methods for palladiumcatalyzed formation of carbon-carbon bonds via so-called cross-coupling reactions. The formation of new carbon-carbon bonds is of central importance in organic chemistry and a prerequisite for all life on earth. Through the assembly of carbon atoms into chains, complex molecules, e.g. molecules of life, can be created. The importance of the synthesis of carboncarbon bonds is reflected by the fact that Nobel Prizes in Chemistry have previously been given to this area: The Grignard reaction (1912), the Diels-Alder reaction (1950), the Wittig reaction (1979), and olefin metathesis to Y. Chauvin, R. H. Grubbs, and R. R. Schrock (2005). 

Transition metals in synthetic organic chemistry

During the second half of the 20th century, transition metals have come to play an important role in organic chemistry and this has led to the development of a large number of transition metal-catalyzed reactions for creating organic molecules. Transition metals have a unique ability to activate various organic compounds and through this activation they can catalyze the formation of new bonds...  

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Premio Nobel de Química 2010: Herramientas para el Arquitecto Molecular

La vida en la Tierra está construida a base de carbono. Cadenas de átomos de carbono, dispuestas de diferentes maneras, constituyen la columna vertebral de la mayoría de las moléculas que forman y regulan los sistemas vivos. Estas moléculas, grandes y pequeñas, contienen por supuesto otros elementos. Pero el mayor de los desafíos para los químicos, cuando intentan replicar e incluso mejorar la habilidad de la naturaleza para construir moléculas derivadas del carbono (orgánicas), ha sido durante mucho tiempo encontrar maneras de crear y romper los enlaces químicos entre átomos de carbono. A lo largo de los años, los químicos especializados en la química orgánica sintética han acumulado un vasto arsenal de estas reacciones utilizadas para construir nuevas estructuras moleculares.

Sin embargo, muchas reacciones orgánicas tienen tendencia a formar productos secundarios no deseados, debido a las condiciones requeridas o a las moléculas altamente activadas utilizadas. El Premio Nobel de Química de 2010 recompensa a tres químicos que han desarrollado nuevos métodos para construir enlaces entre átomos de carbono, de manera muy selectiva y bajo condiciones relativamente moderadas. Los tres han desarrollado reacciones que se llaman como ellos. Las reacciones de Heck, Negishi y Suzuki utilizan el paladio, un metal plateado, para unir dos moléculas, mediante un sólo enlace entre ellas. Durante los últimos treinta años, estas reacciones se han convertido en herramientas básicas y muy valiosas para cualquier químico orgánico.

Richard Heck desarrolló su reacción de adición basada en el paladio durante los años 60, publicando una serie de artículos científicos sobre esta materia, antes de estipular lo que se convertiría en el protocolo estándar para la reacción de Heck en 1972. En este estándar, el paladio actúa como catalizador, primero "agarrando" una molécula, luego la otra y luego uniéndolas y "soltando" la pareja unida, quedándose él mismo inalterado por el proceso: algo parecido a una agencia matrimonial. En la reacción de Heck, la primera molécula siempre contiene un enlace entre un átomo de carbono y un halógeno, como por ejemplo el cloro, y la segunda siempre contiene un enlace doble entre átomos de carbono. Sorprendentemente, la reacción se produce a temperatura ambiente.

Ei-ichi Negishi y Akira Suzuki, quienes habían trabajado casualmente con Herbert Brown, el Premio Nobel de Química en 1979, ampliaron el rango de aplicación de la reacción de Heck, fundamentalmente al desarrollar nuevas maneras de cambiar la segunda molécula implicada. La molécula que contiene un doble enlace de carbono se sustituye por una molécula de organozinc en la reacción de Negishi y por una molécula organoborana en la reacción de Suzuki. Juntas, estas tres reacciones, y las variantes que se han creado a partir de ellas, han mejorado drásticamente tanto el potencial como la eficiencia de la química orgánica sintética y han contribuido sustancialmente a la construcción de complejas moléculas que contribuyen a múltiples áreas de nuestra vida diaria, desde la agricultura a la medicina.

Traducción del artículo original escrito por Adam Smith, Editor en jefe, Nobelprice.org

El grafeno, nuevo material desarrollado por Andre Geim y Konstantin Novoselov: Premio Nobel de Física 2010

El Grafeno

El grafeno es una estructura laminar plana, de un átomo de grosor, compuesta por átomos de carbono densamente empaquetados en una red cristalina en forma de panal de abeja mediante enlaces covalentes que se formarían a partir de la superposición de los híbridos sp² de los carbonos enlazados.

La hibridación sp² es la que mejor explica los ángulos de enlace, a 120º, de la estructura hexagonal. Como cada uno de los carbonos tiene cuatro electrones de valencia en el estado hibridado, tres de esos electrones se alojarán en los híbridos sp², formando el esqueleto de enlaces covalentes simples de la estructura y el electrón sobrante, se alojará en un orbital atómico de tipo p perpendicular al plano de los híbridos. La solapación lateral de dichos orbitales es lo que daría lugar a la formación de orbitales de tipo π. Algunas de estas combinaciones, entre otras, darían lugar a un gigantesco orbital molecular deslocalizado entre todos los átomos de carbono que constituyen la capa de grafeno.

La estructura del grafito puede considerarse como una pila de un gran número de láminas de grafeno superpuestas. Los enlaces entre las distintas capas de grafeno apiladas se debe a fuerzas de Van der Waals e interacciones entre los orbitales π de los átomos de carbono.

El grafeno perfecto se constituye exclusivamente de celdas hexagonales; las celdas pentagonales o heptagonales son defectos.

Propiedades

·        Alta conductividad térmica y eléctrica (debido a su estructura bidimensional en forma de panal de abeja).

·        Alta elasticidad.

·        Alta dureza (casi como el diamante).

·        Resistencia (200 veces mayor que el acero)

·        El grafeno puede reaccionar químicamente con otras sustancias para formar compuestos con diferentes propiedades.

·        Soporta la radiación ionizante.

·        Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible.

·        Menor efecto Joule, se calienta menos al conducir los electrones.

·        Consume menos electricidad que el silicio.

·        Es casi completamente transparente y tan denso que ni el átomo de helio (cuyos átomos son las más pequeños que existen) puede atravesarlo.

El descubrimiento de Andre Geim y Konstantin Novoselov

El Premio Nobel de Física 2010 ha sido otorgado a Andre Geim y Konstantin Novoselov, no por su descubrimiento del grafeno, ya que este ya existía casi desde hace medio siglo, si no porque ellos descubrieron cómo el carbono se presenta de un modo en el que se convierte en el material del futuro.

El hallazgo de Novoselov se produjo hace unos cuatro años, cuando dio por intuición con un método imaginativo para aislar capas grafíticas de un sólo atómo de espesor. El grafito, el material de las minas de los lápiceros, está formado por capas de átomos de carbono dispuestas como en un panal de abeja. En este sentido, el grafeno es en realidad una sola de estas capas que el profesor Novoselov obtuvó manchando una tira de celo con el grafito depositado, pintando con un lápiz en un papel y usando después ese celo como un sello sobre una superficie limpia.

Kostya Novoselov fabricó por primera vez grafeno en el laboratorio en 2004, y en julio de 2008 los científicos acababan de concluir que se trataba del material más resistente conocido.

Una malla de grafeno de un átomo de espesor demuestra su resistencia soportando la presión de un punzón de diamante.

En marzo de 2007 el profesor Andre Geim presento un transistor hecho con grafeno. El transistor, era más de cuatro veces más pequeño que el más pequeño confeccionado en silicio, además de más eficiente. Para su confección se utilizó una lámina de grafeno de una décima de nanómetro de espesor, es decir, el espesor de un sólo átomo.

Mejoras respecto al silicio

Los procesadores podrían alcanzar una velocidad de cientos de gigaherzios (en silicio, el máximo –no comercial– es de 100 GHz) tardarán un poco más, porque el grafeno es demasiado buen conductor y deja pasar todos los electrones. El silicio, en cambio, es un semiconductor; es decir, admite que se le “diga” cuándo transmitir corriente y encender los millones de transistores que forman el procesador, y cuándo no.

Se habla de “controlar la conductividad del grafeno usando dos capas de este material, una encima de otra, y en una orientación determinada”. Para arreglar ese problema también se podría usar grafano, un derivado del grafeno: el grafano tiene la misma estructura de panal que el grafeno, salvo por que está "rociado" con átomos de hidrógeno que se adhieren al carbono. Los enlaces resultantes entre los átomos de hidrógeno y los de carbono "atan" eficazmente a los electrones que hacen tan buen conductor al grafeno. El grafano todavía conserva la delgadez, la enorme fortaleza, la flexibilidad y la densidad de su viejo primo químico.

Ya que el grafeno está formado por una única capa de espesor, los transistores son muy sensibles a cualquier molécula que se deposite en su superficie. Por eso, es un material idóneo para fabricar sensores químicos y biológicos.

   

Algunos de los futuros inventos combinarán la “sensibilidad” del grafeno con la “habilidad” del silicio, ya que se complementan no se sustituyen.

Jorge García Paredes

2º de Bachillerato A