Posgrado
  1. Química Física  1.1. Termodinámica  1.1.1. Leyes de la Termodinámica  1.1.2. Entalpía y capacidad calorífica  1.1.3. Entropía y energía libre  1.1.4. Equilibrio de Fase  1.1.5. Termodinámica estadística  1.1.6. Ciclo termodinámico  1.1.7. Fugacidad y actividad  1.2. Química Cuántica  1.2.1. Principios de la mecánica cuántica  1.2.2. Ecuación de Schrödinger  1.2.3. Partícula en una caja  1.2.4. Operadores y valores propios  1.2.5. Orbitales atómicos  1.2.6. Teoría de orbitales moleculares  1.2.7. Teoría de perturbaciones  1.2.8. Teoría del enlace de valencia  1.2.9. Hibridación y enlace químico  1.3. Cinética química  1.3.1. Leyes de velocidad y mecanismos de reacción  1.3.2. Teoría de colisiones  1.3.3. Teoría del estado de transición  1.3.4. Cinética Enzimática  1.3.5. Reacciones en cadena y polimerización  1.3.6. Reacciones fotoquímicas  1.4. Mecánica estadística  1.4.1. Función de partición  1.4.2. Funciones de distribución molecular  1.4.3. Distribución de Boltzmann  1.4.4. Estadísticas de Bose–Einstein y Fermi–Dirac  1.5. Espectroscopía  1.5.1. Espectroscopía Rotacional  1.5.2. Espectroscopia Vibracional  1.5.3. Espectroscopía Electrónica  1.5.4. Espectroscopia de resonancia magnética nuclear  1.5.5. Espectrometría de Masas  1.5.6. Espectroscopía Raman  1.5.7. Espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica  1.6. Química de superficies y coloides  1.6.1. Isoterma de absorción  1.6.2. Tensión superficial y mojado  1.6.3. Estabilidad Coloidal  1.6.4. Catalisis  1.6.5. Emulsiones y micelas  1.7. Electroquímica  1.7.1. Ecuación de Nernst  1.7.2. Células electroquímicas  1.7.3. Conductividad y movilidad  1.7.4. Guerra  1.7.5. Celdas de combustible  1.7.6. Electrólisis
  2. Química orgánica  2.1. Mecanismo de reacción  2.1.1. Reacciones de sustitución nucleofílica  2.1.2. Reacciones de adición electrofílica  2.1.3. Reacciones de eliminación  2.1.4. Reacciones de reordenamiento  2.1.5. Reacciones radicales  2.1.6. Reacciones pericíclicas  2.2. Espectroscopia y determinación estructural  2.2.1. Espectroscopía UV-Vis  2.2.2. Espectroscopia IR  2.2.3. Espectroscopía de RMN  2.2.4. Espectrometría de Masa  2.2.5. Cristalografía de rayos X  2.3. Estereoscópico  2.3.1. Quiralidad y actividad óptica  2.3.2. Análisis estructural  2.3.3. Isomería geométrica  2.3.4. Estereoquímica Dinámica  2.4. Química Organometálica  2.4.1. Reactivos de organolitio y organomagnesio  2.4.2. Reacciones de acoplamiento cruzado catalizadas por paladio  2.4.3. Complejos de metales de transición  2.4.4. Enlace metal-carbono  2.5. Química de polímeros  2.5.1. Mecanismo de polimerización  2.5.2. Características de los Polímeros  2.5.3. Polímero Biodegradable  2.5.4. Polímero conductor  2.5.5. Polímeros supramoleculares  2.6. Química medicinal  2.6.1. Diseño y desarrollo de fármacos  2.6.2. Farmacocinética y farmacodinámica  2.6.3. Relaciones estructura-actividad  2.6.4. Acoplamiento molecular y selección de fármacos
  3. Química inorgánica  3.1. Química de coordinación  3.1.1. Teoría del campo cristalino  3.1.2. Teoría del campo de ligandos  3.1.3. Serie espectroquímica  3.1.4. Quelación y estabilidad  3.2. Química Organometálica  3.2.1. Carbonilos Metálicos  3.2.2. Catalysis por complejos organometálicos  3.2.3. Metalocenos  3.3. Química bioinorgánica  3.3.1. Metaloproteínas y enzimas  3.3.2. El rol de los metales en los sistemas biológicos  3.3.3. Transporte y almacenamiento de iones metálicos  3.4. Química del estado sólido  3.4.1. Estructuras Cristalinas  3.4.2. Teoría de bandas de los sólidos  3.4.3. Superconductors  3.4.4. Defectos en el cristal  3.5. Lantánidos y Actínidos  3.5.1. Configuración electrónica en lantánidos y actínidos  3.5.2. Química de coordinación de los lantánidos  3.5.3. Propiedades Magnéticas de los Lantánidos
  4. Química analítica  4.1. Cromatografía  4.1.1. Cromatografía de Gases  4.1.2. Cromatografía Líquida de Alta Resolución  4.1.3. Cromatografía en Capa Fina  4.2. Técnicas Espectroscópicas  4.2.1. Espectroscopía de absorción atómica  4.2.2. Difracción de rayos X  4.2.3. Espectroscopía de plasma acoplado inductivamente  4.3. Métodos electroanalíticos  4.3.1. Potenciometría  4.3.2. Voltametría  4.3.3. Colometría  4.4. Espectrometría de masas  4.4.1. Técnica de Ionización  4.4.2. Patrón de Fragmentación  4.5. Chemometría  4.5.1. Análisis multidisciplinario  4.5.2. Aprendizaje Automático en Química
  5. Química Teórica y Computacional  5.1. Simulación de dinámica molecular  5.1.1. Force fields and energy minimization  5.1.2. Simulación de Monte Carlo en simulaciones de dinámica molecular  5.2. Métodos químicos cuánticos  5.2.1. Teoría de Hartree–Fock  5.2.2. Teoría del funcional de la densidad  5.2.3. Métodos semiempíricos  5.3. Diseño computacional de fármacos  5.3.1. Alineamiento Molecular  5.3.2. Modelado QSAR  5.3.3. Tamizaje Virtual
  6. Bioquímica  6.1. Enzyme Kinetics  6.1.1. Cinética de Michaelis-Menten  6.1.2. Mecanismo de inhibición  6.2. Metabolismo y Bioenergética  6.2.1. Glicólisis  6.2.2. Ciclo del ácido cítrico  6.2.3. Cadena de transporte de electrones  6.3. Biología Molecular  6.3.1. Replicación y reparación del ADN  6.3.2. La síntesis de proteínas  6.3.3. Regulación Génica  6.4. Bioquímica Estructural  6.4.1. Plegado de proteínas  6.4.2. Biofísica de Membranas
  7. Química Ambiental  7.1. Química Atmosférica  7.1.1. Gases de efecto invernadero  7.1.2. Agotamiento del ozono  7.1.3. Contaminantes del aire y humo  7.2. Química del Agua  7.2.1. pH y dureza del agua  7.2.2. Tratamiento de aguas residuales  7.2.3. Química Acuática  7.3. Química del Suelo  7.3.1. Contaminación por metales pesados  7.3.2. pH del Suelo y Amortiguación  7.3.3. Ciclo de nutrientes  7.4. Toxicología y Seguridad Química  7.4.1. Toxicocinética  7.4.2. Evaluación de Riesgos en Toxicología y Seguridad Química en Química Ambiental  7.4.3. Efectos de los contaminantes en el medio ambiente

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Cristalografía de rayos X


La cristalografía de rayos X es un método importante en espectroscopía y determinación estructural, especialmente en el campo de la química orgánica. Es una técnica utilizada para determinar la estructura atómica y molecular de los cristales. En este ensayo, exploraremos los fundamentos de la cristalografía de rayos X, su historia, principios subyacentes, metodología y sus aplicaciones en la determinación estructural de compuestos orgánicos.

¿Qué es la cristalografía de rayos X?

La cristalografía de rayos X es una poderosa técnica analítica utilizada para esclarecer la disposición de los átomos en sólidos cristalinos. Cuando los rayos X ingresan a un cristal, se difractan en direcciones específicas. Al medir los ángulos e intensidades de estos rayos difractados, es posible crear una imagen tridimensional de la densidad electrónica dentro del cristal. A partir de este mapa de densidad electrónica, se pueden identificar las posiciones de los átomos en el cristal, junto con los enlaces químicos, sus longitudes y ángulos.

Historia de la cristalografía de rayos X

La historia de la cristalografía de rayos X comienza en 1895, cuando Wilhelm Conrad Röntgen descubrió los rayos X. En 1912, Max von Laue sugirió que un cristal podría usarse como una rejilla de difracción para los rayos X, lo que llevó a la primera difracción exitosa de rayos X por una red cristalina. Este experimento revolucionario marcó el nacimiento de la cristalografía de rayos X. En 1913, William Henry Bragg y su hijo, William Lawrence Bragg, desarrollaron la ley de Bragg, que proporcionó la base para interpretar los patrones de difracción de rayos X.

Ley de Bragg: nλ = 2d sin θ

donde n es un número entero, λ es la longitud de onda del rayo X, d es la distancia entre las capas atómicas en el cristal, y θ es el ángulo de incidencia que produce la difracción.

Principios de la cristalografía de rayos X

El principio detrás de la cristalografía de rayos X es la difracción de rayos X por la nube electrónica alrededor de los átomos en un cristal. Cuando los rayos X golpean un cristal, son dispersados por los electrones de los átomos. La recombinación de estas ondas dispersas crea un patrón de interferencia, que puede medirse y analizarse.

La interferencia constructiva ocurre cuando: (Diferencia de camino = nλ) La interferencia destructiva ocurre cuando: (Diferencia de camino = (n + 1/2)λ)

A través del uso de las matemáticas de la transformada de Fourier, los datos de difracción - intensidad y ángulo - se convierten en un mapa de densidad electrónica. Este mapa permite a los científicos determinar la disposición espacial de los átomos en el cristal.

Metodología en cristalografía de rayos X

El proceso de cristalografía de rayos X consta de varios pasos importantes:

  1. Preparación de la muestra: El primer paso es obtener un cristal adecuado de la sustancia que se está estudiando. El cristal debe ser de alta calidad, ya que las imperfecciones pueden afectar el patrón de difracción.
  2. Recolección de datos: El cristal se monta en un goniómetro dentro de un difractómetro de rayos X, que lo rota mientras lo expone a rayos X. Los rayos difractados se detectan y registran como datos.
  3. Procesamiento de datos: Los datos de difracción en bruto se procesan para producir un conjunto de reflexiones, cada una de las cuales tiene un conjunto de intensidades e índices (h, k, l) que corresponden a los planos del cristal involucrados.
  4. El problema de fase: Dado que solo se puede medir la intensidad de las ondas difractadas, se pierde la información de fase, llevando al 'problema de fase' que debe resolverse para producir mapas precisos de densidad electrónica.
  5. Construcción del modelo: Con la información de fase obtenida, se calcula un mapa de densidad electrónica. Los científicos crean un modelo atómico que se ajusta al mapa, y afinan este modelo para obtener el mejor ajuste posible a los datos de difracción.

Visualización de la red cristalina

Considere una estructura de red cúbica centrada en las caras (FCC) simple. La disposición de los átomos en dicha red puede visualizarse representando la celda unitaria. Aquí hay un ejemplo visual simplificado usando HTML/SVG:

En este diagrama, los círculos rojos representan las posiciones de los átomos en las esquinas y en el centro de cada cara de la celda cúbica.

Fuentes y detectores de rayos X

La calidad de los haces de rayos X y los detectores es primordial en cristalografía. Las fuentes modernas de rayos X incluyen sincrotrones, que producen haces de alta intensidad, y generadores de ánodo rotatorio. Los detectores como dispositivos de carga acoplada (CCDs) o detectores de matriz de píxeles (PADs) capturan los rayos X difractados con alta precisión.

Aplicaciones de la cristalografía de rayos X en química orgánica

La cristalografía de rayos X tiene amplias aplicaciones en química orgánica, proporcionando información detallada sobre estructuras moleculares complejas.

  • Determinación de geometría molecular: La geometría precisa de las moléculas orgánicas, incluidos los ángulos de enlace y las longitudes de enlace, es esencial para comprender sus propiedades químicas.
  • Estudio de mecanismos de reacción: Al observar cambios estructurales en reactantes y productos, los químicos pueden dilucidar mecanismos de reacción.
  • Diseño de medicamentos: En química medicinal, la cristalografía ayuda a comprender la unión de fármacos a sus proteínas diana, y guía el diseño racional de nuevos medicamentos.

Desafíos y limitaciones de la cristalografía de rayos X

A pesar de su poder, la cristalografía de rayos X enfrenta desafíos:

  1. Calidad del cristal: Se requieren cristales monocristalinos de alta calidad, que pueden ser difíciles de cultivar para algunos compuestos.
  2. Problema de fase: Como se mencionó, la información de fase se pierde internamente, lo que complica la solución.
  3. Dinámica y dislocaciones: La cristalografía proporciona una imagen estática, pero es difícil analizar fenómenos dinámicos o dislocaciones en cristales.

Perspectivas futuras

El campo de la cristalografía de rayos X está en constante evolución. Los avances en tecnología, como la crio-cristalografía y los métodos in situ, mejoran la calidad de los datos y amplían la gama de muestras adecuadas. Los avances computacionales en la resolución del problema de fase y el procesamiento de grandes conjuntos de datos auguran un futuro prometedor para la determinación estructural en química orgánica.

Conclusión

La cristalografía de rayos X sigue siendo una herramienta indispensable en la química orgánica, proporcionando una comprensión sin igual del mundo molecular. Sus contribuciones a la ciencia han sido enormes, influyendo en innumerables campos, desde la química fundamental hasta la investigación médica avanzada. A medida que la tecnología avanza, la cristalografía de rayos X sin duda continuará desentrañando las complejidades de la química estructural.


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