Doctorado
  1. Química inorgánica  1.1. Química de coordinación  1.1.1. Teoría del campo de ligandos  1.1.2. Teoría del campo de cristales  1.1.3. Teoría del Orbital Molecular para Compuestos de Coordinación  1.1.4. Estabilidad de los compuestos de coordinación  1.1.5. Espectros electrónicos de compuestos de coordinación  1.1.6. Isomería en Compuestos de Coordinación  1.1.7. Cinética y mecanismo de reacciones de coordinación  1.2. Química Organometálica  1.2.1. Carbonilos Metálicos  1.2.2. Alquilo y arilo metálico  1.2.3. Carbenos de Fischer y Schrock  1.2.4. Añadido Oxidativo y Eliminación Reductiva  1.2.5. Hidruros Metálicos  1.2.6. Catalysis por compuestos organometálicos  1.2.7. Metalocénicos y Complejos Sandwich  1.2.8. CH activation  1.3. Química del estado sólido  1.3.1. Estructuras y redes cristalinas  1.3.2. Teoría de bandas y propiedades eléctricas  1.3.3. Defectos en el cristal  1.3.4. Síntesis de materiales en estado sólido  1.3.5. Propiedades magnéticas y ópticas de los sólidos  1.3.6. Superconductividad  1.3.7. Ionics de estado sólido  1.4. Química bio-inorgánica  1.4.1. Metaloproteínas y enzimas  1.4.2. Transporte y almacenamiento de iones metálicos  1.4.3. El papel de los metales en la medicina  1.4.4. Catalización bioinspirada  1.4.5. Interacciones Metal-ADN  1.4.6. Complejos metálicos en la ciencia médica  1.5. Lantánidos y actínidos  1.5.1. Configuración electrónica y estados de oxidación en lantánidos y actínidos  1.5.2. Propiedades Espectrales y Magnéticas en Lantánidos y Actínidos  1.5.3. Separación y Extracción de Lantánidos y Actínidos  1.5.4. Química de coordinación de los elementos del bloque f  1.6. Main Group Chemistry  1.6.1. Química de los compuestos de boro  1.6.2. Química de los compuestos de silicio y germanio  1.6.3. Química de los Compuestos de Fósforo y Azufre  1.6.4. Química organosilícica  1.6.5. Química de Gases Nobles
  2. Química orgánica  2.1. Mecanismo de reacción  2.1.1. Reacciones de sustitución nucleofílica  2.1.2. Reacciones de adición y sustitución electrofílica  2.1.3. Reacciones de eliminación  2.1.4. Reacciones de reordenamiento  2.1.5. Reacciones radicales  2.1.6. Reacciones Pericíclicas  2.1.7. Reacciones fotoquímicas  2.2. Estereoscópico  2.2.1. Quiralidad y actividad óptica  2.2.2. Análisis estructural  2.2.3. Efectos estereolectrónicos  2.2.4. Síntesis asimétrica  2.2.5. Estereoquímica dinámica  2.3. Química Organometálica en la Síntesis Orgánica  2.3.1. Reactivos de organolitio y organomagnesio  2.3.2. Reacciones de acoplamiento catalizadas por metales de transición  2.3.3. Reacciones catalizadas por paladio  2.3.4. Metátesis de olefinas  2.3.5. Catalización de oro y plata  2.4. Química de productos naturales  2.4.1. Alcaloides y terpenoides  2.4.2. Esteroides y Flavonoides  2.4.3. Síntesis total de productos naturales  2.4.4. Biosíntesis de productos naturales  2.5. Química Supramolecular  2.5.1. Química huésped-invitado  2.5.2. Autoensamblaje y reconocimiento molecular  2.5.3. Catalisis Supramolecular  2.5.4. Máquinas moleculares
  3. Química Física  3.1. T termodinámica  3.1.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.2. Potencial Químico y Equilibrio  3.1.3. Termodinámica estadística  3.1.4. Termodinámica de no equilibrio  3.2. Química Cuántica  3.2.1. Ecuación de Schrödinger y sus aplicaciones  3.2.2. Teoría de orbitales moleculares  3.2.3. Teoría del funcional de la densidad  3.2.4. Métodos post-Hartree–Fock  3.3. Cinética química  3.3.1. Teoría de la velocidad de reacción  3.3.2. Mechanism and rate laws  3.3.3. Catalisis y cinética enzimática  3.3.4. Dinámica de reacción  3.4. Espectroscopía y estructura molecular  3.4.1. Espectroscopia Infrarroja  3.4.2. Espectroscopia UV-visible  3.4.3. Espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear  3.4.4. Espectrometría de Masas  3.4.5. Espectroscopía Raman  3.5. Química de Superficies y Coloides  3.5.1. Absorción y Catálisis  3.5.2. Surfactantes y micelas  3.5.3. Estabilidad Coloidal  3.5.4. Nanomateriales e Interfaces
  4. Química analítica  4.1. Cromatografía  4.1.1. Cromatografía de Gases  4.1.2. Cromatografía Líquida de Alta Eficiencia  4.1.3. Cromatografía en Capa Fina  4.1.4. Cromatografía iónica  4.2. Técnicas electroanalíticas  4.2.1. Voltametría y Polarografía  4.2.2. Conductometría y potenciometría  4.2.3. Colometría  4.3. Métodos Espectroscópicos  4.3.1. Espectroscopía de absorción atómica  4.3.2. Espectroscopía de Fluorescencia  4.3.3. Difracción de rayos X  4.3.4. Espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica  4.4. Quimiometría  4.4.1. Procesamiento de datos y métodos estadísticos  4.4.2. Análisis multidisciplinario  4.4.3. Aprendizaje Automático en Química Analítica
  5. Química Teórica y Computacional  5.1. Simulación de dinámica molecular  5.2. Métodos de química cuántica  5.3. Diseño de fármacos computacional  5.4. Aprendizaje automático en química  5.5. Dinámica molecular ab initio
  6. Biofísica y Química Medicinal  6.1. Descubrimiento y diseño de fármacos  6.2. Cinética enzimática e inhibición  6.3. Enfoque de biología química  6.4. Interacciones proteína-ligando  6.5. Química bioortogonal
  7. Química de materiales  7.1. Química de polímeros  7.1.1. Mecanismo de polimerización  7.1.2. Polímeros Funcionales  7.1.3. Polímero Biodegradable  7.1.4. Polímeros conductores y semiconductores  7.2. Nanoquímica  7.2.1. Nanopartículas y nanoestructuras  7.2.2. Nanomateriales basados en carbono  7.2.3. Quantum dots  7.3. Química Energética y Ambiental  7.3.1. Química de Baterías y Pilas de Combustible  7.3.2. Química verde y materiales sostenibles  7.3.3. Fotocatálisis

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Catalización bioinspirada


La catalización bioinspirada se refiere al diseño y desarrollo de catalizadores que imitan las funciones de enzimas naturales y procesos catalíticos. Estos catalizadores se inspiran en sistemas biológicos, que a menudo son altamente eficientes y selectivos para facilitar reacciones químicas en condiciones suaves. La catalización bioinspirada es un campo fascinante dentro de la química bioinorgánica y la química inorgánica, donde los investigadores intentan crear catalizadores innovadores entendiendo e imitando los principios de los procesos naturales.

Catalizador químico vs catalizador biológico

Los catalizadores químicos, generalmente catalizadores inorgánicos, se utilizan en una amplia gama de procesos industriales. A menudo requieren condiciones severas, como alta temperatura y presión, para trabajar eficazmente. En contraste, los catalizadores biológicos, conocidos como enzimas, funcionan bajo condiciones suaves (temperatura y presión ambientales) y exhiben una notable selectividad y eficiencia.

Una ventaja importante de las enzimas es su capacidad para catalizar reacciones para sustratos específicos, proporcionando así un nivel de selectividad que a menudo es difícil de lograr con catalizadores inorgánicos sintéticos. Por ejemplo, la enzima anhidrasa carbónica puede ayudar a convertir rápidamente dióxido de carbono y agua en bicarbonato y protones:

    CO 2 + H 2 O ⇌ HCO 3 - + H +

Ejemplo: estructura de una enzima

sitio activo Columna vertebral de proteína

Enzimas como la anhidrasa carbónica contienen sitios activos, generalmente iones metálicos como Zn 2+, que son cruciales para su actividad catalítica. El entorno alrededor del sitio activo en la enzima asegura selectividad y eficiencia, que son características clave que inspiran a los catalizadores bioinspirados.

Imitando a la naturaleza: Principios de la catalización bioinspirada

Los investigadores usan catalizadores bioinspirados para aprovechar características similares a las de las enzimas. Esto incluye imitar las propiedades de las enzimas tales como:

  • Altas velocidades de reacción: Lograr tasas de reacción rápidas similares a las de las enzimas.
  • Alto número de recambio: La capacidad de las enzimas para catalizar múltiples ciclos sin degradarse.
  • Especificidad del sustrato: diseño de catalizadores que seleccionen específicamente el sustrato deseado.
  • Operacion bajo condiciones suaves: Realización de reacciones químicas a temperatura ambiente y presión atmosférica.

Ejemplo: hemoglobina y unión al oxígeno

Grupo Hem Unión de oxígeno

Consideremos la hemoglobina, una proteína que contiene grupos hemo capaces de unirse reversiblemente al oxígeno. La estructura de la hemoglobina proporciona un microambiente que favorece la unión y liberación de oxígeno bajo diversas condiciones fisiológicas. De manera similar, los catalizadores bioinspirados intentan replicar tales efectos ambientales alrededor del sitio activo del catalizador.

Estrategias de diseño en catalizadores bioinspirados

El diseño de catalizadores bioinspirados a menudo implica varias estrategias:

1. Imitación de metaloenzimas

Las metaloenzimas usan iones metálicos en sus centros activos para la actividad catalítica. Para diseñar catalizadores bioinspirados, los científicos identifican los iones metálicos clave y sus entornos de coordinación en sistemas naturales. Por ejemplo, en nitrogenasa, que facilita la fijación de nitrógeno, la actividad catalítica depende de un grupo de iones metálicos, el cofactor MoFe.

2. Uso de cofactores

Las enzimas a menudo incluyen cofactores, que son compuestos químicos no proteicos o iones metálicos esenciales para la actividad enzimática. Los catalizadores bioinspirados intentan replicar la función y estructura de estos cofactores. Por ejemplo, los cofactores de la vitamina B12 con iones de cobalto inspiraron el desarrollo de catalizadores para reacciones radicalarias.

Ejemplo: coenzima B12

Iones de cobalto Estructura de ligando orgánico

La coenzima B12 contiene un ion de cobalto en el anillo de corrina, lo que permite reacciones mediadas por radicales. Este principio se aplica en la creación de análogos sintéticos con capacidades de procesamiento radical para uso industrial.

3. Sistemas moleculares con cavidades similares a enzimas

Los químicos construyen sistemas moleculares con cavidades que imitan los sitios activos de las enzimas. Estas cavidades proporcionan un entorno controlado que facilita la catálisis selectiva y eficiente. Tales diseños a menudo implican interacciones anfitrión-huésped afinadas para llevar a los reactantes a la orientación óptima.

Ejemplo: Ciclodextrinas

Cavidad del catalizador

Las ciclodextrinas son oligosacáridos cíclicos que forman estructuras en forma de taza, proporcionando cavidades hidrofóbicas adecuadas para alojar moléculas huésped. Esta característica se utiliza para diseñar nuevos catalizadores que funcionen de manera similar a las enzimas.

Aplicaciones de los catalizadores bioinspirados

La catalización bioinspirada es prometedora para diversas aplicaciones en diferentes campos. A continuación se presentan algunas de las áreas principales donde este campo ha mostrado un impacto significativo:

1. Mejora ambiental

Los catalizadores bioinspirados pueden usarse en aplicaciones ambientales como la degradación de contaminantes y el tratamiento de aguas. Ofrecen un enfoque más ecológico para la catálisis, reduciendo la necesidad de productos químicos duros y condiciones extremas.

2. Conversión de energía

Los científicos están explorando catalizadores bioinspirados en procesos de conversión de energía, como la fotosíntesis artificial, que convierte la luz solar en energía química. Se están desarrollando catalizadores que imiten el proceso natural de escindir agua en hidrógeno y oxígeno.

3. Síntesis orgánica

En la industria farmacéutica y productos químicos finos, se utilizan catalizadores bioinspirados para llevar a cabo transformaciones orgánicas complejas que requieren precisión y selectividad. Los principios catalíticos derivados de las enzimas guían la síntesis de estructuras moleculares complejas.

Desafíos en la catalización bioinspirada

A pesar del potencial de los catalizadores bioinspirados, quedan varios desafíos en este campo:

  • Escalabilidad: Escalar los catalizadores bioinspirados del laboratorio a aplicaciones industriales puede ser complicado.
  • Estabilidad: Mantener la estabilidad de estos catalizadores bajo condiciones de proceso industrial es esencial para su uso práctico.
  • Complejidad: Diseñar y sintetizar catalizadores bioinspirados complejos requiere tecnología avanzada y experiencia.
  • Costo: El coste de producción de catalizadores bioinspirados sofisticados es elevado, planteando retos económicos.

Conclusión

El campo de la catalización bioinspirada es un área de investigación vibrante que actúa como puente entre la biología y la química inorgánica. Al estudiar y simular sistemas naturales, los químicos buscan desarrollar catalizadores que proporcionen la selectividad y eficiencia de los catalizadores biológicos con la robustez y versatilidad de los catalizadores inorgánicos sintéticos. El progreso continuo en este campo tiene el potencial de revolucionar los procesos industriales, las estrategias ambientales y las soluciones energéticas, haciéndolos más sostenibles y amigables con el medio ambiente.


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