Departamento de

Ciencias Químicas

Esta línea de investigación se enfoca en el estudio computacional de sistemas proteína-ligando. Se emplean técnicas como la dinámica y el docking molecular para explorar cómo se llevan a cabo estos procesos de asociación proteína-ligando, permitiendo incluso predecir el comportamiento de pequeñas moléculas en el sitio de unión.

De esta manera, se busca comprender los mecanismos que permiten a ciertos compuestos interferir en procesos biológicos esenciales.

La línea de investigación se enfoca en el estudio computacional de enzimas a un nivel atómico-electrónico, utilizando herramientas de modelación tales como: docking molecular, dinámica molecular y cálculos híbridos de mecánica cuántica/mecánica molecular (QM/MM). El objetivo es simular los mecanismos moleculares que subyacen el reconocimiento enzima-ligando y las reacciones químicas catalizadas por estas enzimas. Actualmente, las enzimas que se estudian participan en rutas biosintéticas de glicósidos con aplicaciones biomédicas y en modificaciones postraduccionales implicadas en el desarrollo de enfermedades como cáncer o diabetes

En años recientes nuestro grupo está abocado al desarrollo y aplicación de metodologías para explorar la superficie de energía potencial de diferentes sistemas y procesos químicos. Nuestros objetos de estudio van desde clústeres atómicos o moleculares, en fase gaseosa, hasta reacciones (orgánicas e inorgánicas) de diversa complejidad y nano-materiales (especialmente mono y bidimensionales).  También tenemos una activa contribución en el desarrollo de metodologías teóricas para racionalizar diversos conceptos muy importantes dentro de la química, entre los que cabe destacar el enlace químico, la aromaticidad y la reactividad química. El marco teórico de nuestras implementaciones e investigación es la mecánica cuántica (métodos ab-initio y DFT), pero también hacemos uso de métodos clásicos, así como de métodos híbridos.

La línea de investigación desarrollada se enmarca en la síntesis, caracterización y estudio de nuevos nanomateriales con fines catalíticos y biomédicos. Dentro de este trabajo las distintas estrategias sintéticas y la variación de las condiciones de trabajo involucradas en la obtención de estos materiales permiten controlar su tamaño, forma y propiedades, abriendo así una gran diversidad de posibles aplicaciones tecnológicas. En este contexto la catálisis heterogénea se presenta como una herramienta fundamental para la obtención de compuestos con alto valor agregado de interés farmacéutico. En conjunto con la catálisis heterogénea la aplicación de estos nanomateriales en biomedicina incluye el transporte de fármacos poco solubles y la acción en terapia fotodinámica.

Caracterización fotofísica y fotoquímica de fármacos. Identificación de especies reactivas generadas por la interacción del fármaco con la luz y que produzcan efectos adversos. Caracterización fotofísica y fotoquímica de compuestos organometálicos. Potenciales usos como fotosensibilizadores, pruebas moleculares que censen diversos medios, o en Terapia Fotodinámica (PDT) contra bacterias o células cancerígenas. Caracterización de materiales luminiscentes.

La línea de investigación está centrada en el estudio de modelos de reactividad como también en el análisis de la formación/rompimiento de enlaces C-C (N,O,S) en reacciones orgánicas  a lo largo de un camino de reacción,  enmarcada en la teoría del funcional de la densidad conceptual. Los descriptores derivados de esta teoría y aplicados a los modelos permiten estudiar la reactividad en los estados fundamentales y obtener una respuesta inicial del comportamiento de estas especies en una reacción química. Esta investigación se complementa con estudios energéticos, barreras de energía y energías de reacción, como también en la caracterización estructural y electrónica en el camino de reacción, usando herramientas de análisis topológicos como en la función de localización electrónica. En su conjunto, se obtiene información del mecanismo de reacción de las reacciones orgánicas, principalmente en cicloadiciones.

Nuestro trabajo está enfocado en la construcción de modelos teóricos que permitan explicar las propiedades estructurales, electrónicas y espectroscópicas de compuestos de metales pesados con mayor énfasis en la serie de los lantánidos y actínidos. La construcción de estos modelos se realiza sobre la base de la teoría cuántica relativista y la aplicación de métodos avanzados de estructura electrónica (CASSCF, CASPT2, MRCI, DDCIn etc.) que permiten acceder a funciones de onda de gran calidad para el modelado de propiedades. Nuestras principales líneas de investigación incluyen la descripción de las propiedades magnéticas en estos compuestos con el objetivo de diseñar de forma racional sistemas con comportamiento de imán molecular entre otras aplicaciones y el estudio de la sensibilización de la luminiscencia en complejos de lantánidos mediante el efecto antena.

Nuestras actividades de investigación se centran en el diseño y obtención de nuevos compuestos de coordinación, basados en cationes de metales de transición y diversos ligantes orgánicos.  El uso de diversas estrategias sintéticas, tanto tradicionales como no tradicionales, nos permite generar compuestos con estructuras moleculares o extendidos (1D, 2D and 3D) novedosas y, que presentan diversas propiedades dependiendo de las características individuales de los precursores (orgánicos e inorgánicos,) como de la sinergia que se produce entre ellos.  Actualmente, también se incluye como un desafío adicional, la obtención de nuevos materiales inorgánicos polifuncionales en base a cationes 3d y 4f y que incluyen a metales estratégicos chilenos.

Estos compuestos son especialmente interesantes, por sus potenciales aplicaciones en áreas tales como: sensores químicos, luminiscencia, catálisis y magnetismo, entre otros. Trabajos en esta área, permiten complementar la Química Orgánica e Inorgánica y las propiedades fisicoquímicas de los compuestos obtenidos. Permitiendo además adquirir, formación en el diseño de síntesis y control de los parámetros sintéticos, lo cual se complementa con conocimientos de cristalografía. También les permitirá adquirir experiencia en el uso de diversas técnicas de caracterización como son las espectroscópicas y termogravimétricas, como también aproximarse a caracterización con equipamiento avanzado.

En mi grupo de investigación nos enfocamos en la racionalización de procesos de alta complejidad química mediante la combinación de la mecánica cuántica y la mecánica estadística, con el objetivo de determinar la naturaleza de las fuerzas que gobiernan las reacciones químicas. En el contexto de catálisis enzimática, nuestro meta es lograr elucidar los mecanismos de reacción de enzimas involucradas en el desarrollo del cáncer, y con esto comprender aquellos mecanismos que puedan derivar en su mal funcionamiento. Con este propósito utilizamos sofisticados métodos de cómputo mecánico cuántico, en combinación con simulaciones de dinámica molecular.  Nuestra otra línea de investigación corresponde al estudio de mecanismos de óxido-reducción de moléculas pequeñas en complejo con ADN. Aquí, nuestro enfoque está en la predicción de la conformación de estos complejos, cálculos de energías libres de interacción, predicción de sus potenciales de óxido-reducción y caracterización espectroscópica de los complejos.

Esencialmente mi trabajo se divide en dos áreas dentro del contexto de la Química Teórica Cuántica Computacional: La primera de ellas se centra en la evaluación de la reactividad global, local y no-local de sistemas de interés para la ciencia de los materiales y en biología. Específicamente, se estudian organometálicos empleados como catalizadores en procesos tales como la polimerización de etileno (metalocenos del grupo IVB) dentro del contexto de la catálisis homogénea y sistemas metalo-orgánicos catalíticos para la producción de dihidrógeno (electrocatalizadores basados en molibdeno); las moléculas orgánicas estudiadas son las de tipo energético (estructuras orgánicas que contienen grupos funcionales denominados explosóforos) y moléculas orgánicas de importancia en biología como lo son los antioxidantes (flavonoides). La segunda área se centra más en la exploración de nuevos descriptores de reactividad o en el mejoramiento de los ya existentes dentro de la amplia variedad disponible de ellos hasta la fecha tanto en el contexto de la Teoría de las Funcionales de la Densidad Conceptual como fuera de ella, implicando un trabajo orientado a la manipulación algebraica de fórmulas operacionales matemáticas que conducen a la extracción de información relacionada con la reactividad química de diversos sistemas moleculares como los ya descritos.

Esta línea de investigación se relaciona con el estudio teórico-experimental de interacciones biomoleculares y nanomateriales con aplicaciones biomédicas. Actualmente, esta línea está enfocada al estudio de biomoléculas con actividad neuroprotectora y al diseño de nanomateriales para la liberación de fármacos en el sistema nervioso central, usando herramientas de modelamiento molecular (docking molecular, dinámica molecular, cálculos químico-cuánticos) y ensayos de validación experimental.

Nuestra línea de investigación se asocia al estudio de sistemas biológicos con énfasis en la catálisis enzimática mediante el uso de herramientas químico-computacionales como métodos híbridos QM/MM y dinámica molecular. En la actualidad, estamos estudiando el mecanismo catalítico de enzimas capaces de glucosilar compuestos de origen natural con propiedades farmacológicas, de tal forma de mejorar su solubilidad y por ende su biodisponibilidad.

La aromaticidad es un concepto ampliamente utilizado en la Química; pero a pesar de su antigüedad, no cuenta con una escala que nos permita cuantificar de manera precisa un sistema aromático, no aromático o antiaromático. Es por eso que se busca establecer algunas metodologías computacionales que permitan catalogar cuantificar/calificar este fenómeno electrónico, principalmente en moléculas que rompan con algunas de las reglas tradicionales de la Química; como pueden ser moléculas con átomos hipercoordinados, moléculas totalmente metálicas con deslocalización electrónica, moléculas con rotaciones internas, deslocalización electrónica de electrones sigma, aromaticidad conflictiva, etc.

El principal interés de mi trabajo de investigación se centra en el desarrollo y aplicación de modelos de reactividad locales, dentro del marco de trabajo de la teoría de las funcionales de la densidad. En este contexto, se han explorado varios descriptores locales (tales como dureza, funciones de Fukui, etc.), con el objetivo de entender la reactividad de las moléculas orgánicas y algunas de las interacciones de sistemas de interés biológico. De igual manera, herramientas como la función de localización electrónica, han permitido establecer técnicas de investigación muy útiles para el entendimiento de la regioselectividad en reacciones químicas. Por otro lado, es también de mi interés la utilización de las diferentes herramientas computacionales, siendo así posible la corroboración de la utilidad de los nuevos índices de reactividad desarrollados, para describir la naturaleza electrofílica y nucleofílica de las moléculas.

En nuestro grupo nos enfocamos en el estudio de los mecanismos de reacción involucrados en catálisis de DNA, específicamente en indagar las estrategias catalíticas ocupadas por la DNAzima 8-17. Nuestros estudios buscan identificar los grupos funcionales que participan en el mecanismo de reacción y que permiten acelerar la escisión del grupo fosfato.

Nuestro grupo de investigación está enfocado en el diseño, síntesis y caracterización mediante técnicas espectroscópicas (FTIR, ¹H y ¹³CNMR, DEPT, TOCSY, HH y CHCOSY, UV-vis, emisión y Voltametría cíclica) de a) complejos de coordinación u organometálicos basados en metales de transición d⁶ como rutenio (II) y renio (I), para su uso como nuevos fluoróforos en modelos celulares con pared (bacterias, hongos y mohos) involucrados en enfermedades humanas, animales y vegetales (one health) b) Compuestos orgánicos bases de Schiff o derivados de bencimidazoles que presentan un puente de hidrógeno intramolecular, como potenciales antibacteriales y/o antifúngicos. Estos estudios también son complementados con estudios teóricos DFT y relativistas DFT. Somos un grupo multidisciplinario que cuenta con la participación de químicos sintéticos y computacionales (CANS, Facultad de Ciencias Exactas), microbiólogos (Facultad de Ciencias de la Vida) y bioquímicos (Facultad de Medicina).

El objetivo de esta línea Investigar el proceso de enseñanza – aprendizaje en el aula y fuera de esta, aportando así con conocimiento para la comprensión y mejora de la calidad de la enseñanza y el aprendizaje de la química.

Para cumplir con este objetivo, se han intervenido pedagógicamente algunos de estos cursos y se han aplicado distintas estrategias de enseñanza – aprendizaje activo reemplazando gradualmente las clases tradicionales. Las innovaciones pedagógicas que se han realizado para mejorar el proceso de enseñanza – aprendizaje han sido entre otras metodologías activas con el uso de lecturas previas, controles de lectura, aprendizaje baso en equipo, uso de clickeras para así realizar retroalimentación inmediata y efectiva, juegos didácticos y videos, lo cual nos ha permitido abarcar todos los contenidos y en mayor profundidad de tal forma de mejorar la calidad del proceso de enseñanza – aprendizaje.  Los resultados de la innovación muestran que los porcentajes de aprobación y la calidad de los aprendizajes alcanzados por nuestros estudiantes han ido aumentando y además se ha logrado crear un entorno de aprendizaje en donde los estudiantes participan de su propio proceso de aprendizaje con sus pares logrando así que se involucraran más con la disciplina.

El principal enfoque de esta línea de investigación es la Didáctica de la química. La didáctica corresponde al “arte de enseñar”, lo que involucra directamente al proceso de aprendizaje. La investigación hasta ahora ha demostrado que la Química es una de las disciplinas más abstractas y simbólicas, por lo tanto, su estudio requiere de altas demandas cognitivas de parte de los aprendices.

Muchos estudiantes tienen concepciones no científicas o erróneas sobre conceptos químicos, resuelven problemas usando algoritmos más que razonamientos debido a que las estrategias de aprendizaje que utilizan no suelen ser las más apropiadas centrándose en la memorización. El razonamiento necesario para el conocimiento científico requiere de una concepción hipotética y de reflexión de tal forma de promover el cuestionamiento de las evidencias de sentido común. Por tanto, esta línea de investigación que se está desarrollando en el DCQ surge de la necesidad de mejorar el proceso de enseñanza y aprendizaje de la química.

La investigación realizada por nuestro grupo de Electroquímica está orientada al diseño y caracterización de nuevos materiales electródicos, utilizados como sensores electroquímicos en la determinación de moléculas de interés medioambiental, tales como, fenoles, nitritos, nitratos, sulfitos y peróxido de hidrógeno. Dentro del desarrollo de los sensores electroquímicos se contempla como objetivo la aplicación de los sistemas a muestras reales provenientes de la industria como, por ejemplo, la de alimentos. Actualmente, estamos desarrollando estudios para generar electrodos sensores basados en materiales de reciclaje, particularmente materiales provenientes de desechos de pilas que, combinado con el uso de líquidos iónicos, complejos de metales de transición y polímeros conductores, conforman nuevos materiales para desarrollar y validar nuevos métodos analíticos (Electroquímicos) en la detección de contaminantes medioambientales provenientes de distintas fuentes. Todos estos estudios son realizados por diferentes técnicas electroquímicas VC, EIS, SWV, SECM, la caracterización morfológica y estructural se realiza por FE-SEM, AFM, STM, RAMAN, XPS, FTIR.

La nanotecnología ha contribuido al desarrollo de nuevas modalidades terapéuticas para el tratamiento del cáncer, entre otras. Por ejemplo, las nanopartículas (NP) se utilizan como vehículos para la entrega eficaz de los compuestos bioactivos a sitios deseados de acción. En particular, las nanopartículas de oro (NPAu) se han utilizado para la liberación de fármacos espaciotemporalmente controlada, ya que aumentan la selectividad para los objetivos deseados y previenen los efectos secundarios adversos. NPAu tienen la capacidad de absorber la radiación electromagnética y disipar la energía a nivel local (manométricamente). Esto facilita la llamada «cirugía molecular», en el que las células malignas se destruyen selectivamente, y también permiten la liberación de un compuesto antitumoral en un sitio específico en el cuerpo. La principal línea de investigación es el desarrollo de nuevos nanomateriales como transportadores de antitumorales. Estos nanomateriales están formados de nanopartículas de oro de diferentes tamaños y formas, las cuales están conjugadas a péptidos con actividad antitumoral.