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Fluctuaciones cuánticas y aspirinas

Las sustancias químicas pueden cristalizar de diversas maneras, y en ocasiones – como en la fabricación de chocolate o aspirinas- el proceso es determinante. Pero hasta ahora no se comprendía bien.

La aspirina, que es un nombre comercial que se ha convertido en común, tiene un nombre químico, ácido acetil-salicílico
La aspirina, que es un nombre comercial que se ha convertido en común, tiene un nombre químico, ácido acetil-salicílico Wikimedia Commons

La aspirina, que es un nombre comercial que se ha convertido en común, tiene un nombre químico, ácido acetil-salicílico. Este compuesto al solidificarse controladamente forma cristales pero, dependiendo de las condiciones, puede cristalizar en una estructura diferente. Es lo que se llama polimorfismo en cristalografía. El polimorfismo de las sustancias orgánicas no es nada nuevo: fue descrito por primera vez por Wöhler y Liebig en 1832, hace casi doscientos años.

Este efecto podría explicar también la estructura del buen chocolate.

Sin embargo, nadie ha sabido explicar por qué, cuando se fabrica aspirina industrialmente, siempre se produce la misma forma, cuando teóricamente ambas son iguales energéticamente. Ahora, un grupo de investigadores ha incorporado en los cálculos fluctuaciones cuánticas que provocan la aparición de fuerzas dipolares de largo alcance, lo que afecta a los modos de vibración de los polimorfos de aspirina, haciendo uno más estable que el otro. Este efecto podría explicar también la estructura del buen chocolate.

Si dos polimorfos son iguales desde el punto de vista de su estabilidad (mínimo de energía libre) al producirse el compuesto en condiciones normales deberían producirse cantidades iguales de ambos.  En el caso de la aspirina siempre se produce industrialmente la llamada forma I y no la forma II alternativa, descubierta tan sólo hace unos años precisamente por esto. Los teóricos habían considerado hasta ahora las interacciones entre cada par de átomos, llegando a la conclusión, obviamente errónea, de que ambas formas son igualmente estables. 

Los modos vibracionales en la forma I tengan menos energía.

Debía existir algo más que hiciese que la forma I tuviese menor energía que la forma II.  Anthony Reilly y Alexandre Tkatchenko del Instituto Fritz Haber (Max Planck Gesellschaft, Alemania) han incorporado interacciones multicuerpo en sus modelos, lo que ha puesto de manifiesto que las fluctuaciones correlacionadas de electrones inducen dipolos en el cristal molecular y producen fuerzas de van der Waals de largo alcance. Estas interacciones de van der Waals hacen que los modos vibracionales en la forma I tengan menos energía (realmente energía libre) que los modos de la forma II. Decir que los modos tienen menor energía en la forma I es equivalente a decir que esta forma tiene una entropía mayor y es, por lo tanto, termodinámicamente más estable en la mayoría de las condiciones de producción.

Consideraciones del mismo tipo, en las que se produce un acoplamiento entre el movimiento de los electrones y el movimiento de la red cristalina (vibraciones cuantizadas), podrían explicar las estructuras moleculares que se producen habitualmente de otros fármacos y también las del buen chocolate (los ácidos grasos del chocolate forman 6 polimorfos; sólo la forma V es la preferida).

Referencia: Anthony M. Reilly & Alexandre Tkatchenko (2014) Role of Dispersion Interactions in the Polymorphism and Entropic Stabilization of the Aspirin Crystal Phys. Rev. Lett. Doi: 10.1103/PhysRevLett.113.055701

* Este artículo es parte de ‘Proxima’, una colaboración semanal de la Cátedra de Cultura Científica de la UPV con Next. Para saber más, no dejes de visitar el Cuaderno de Cultura Científica.


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