QUÍMICA
BREVE HISTORIA DE LA QUÍMICA ORGÁNICA
Comenzando el siglo XIX ya se tenía conocimiento de técnicas y procedimientos experimentales fiables que permitieron acumular evidencia sobre la naturaleza y las propiedades de los diversos compuestos químicos. Los científicos observaron que los compuestos químicos extraídos de plantas y animales, particularmente, estaban formados por carbono e hidrógeno y, en menor proporción, oxígeno, nitrógeno y azufre. Se comenzó a usar el término “química orgánica” para referirse a estas sustancias presentes en los seres vivos, las cuales diferían considerablemente de las inorgánicas que forman los objetos sin vida, como los minerales, ya que no podían ser reproducidas en los laboratorios debido a su aparente complejidad. Surgieron así los postulados del vitalismo, teoría que afirmaba que las sustancias orgánicas solo podían ser generadas exclusivamente por seres vivos en presencia de una “fuerza vital”. El principal defensor de esta teoría fue el famoso químico sueco Jons Jacob Berzelius (1779-1848).
Paradójicamente fue un discípulo de Berzelius, el químico alemán Friedrich Wohler (1800-1882) quien en 1828 logró sintetizar en el laboratorio a partir de citrato de amonio-sustancia inorgánica- un producto elaborado por organismos vivos: la urea -CO(NH2)2-. Esta sustancia está presente en la orina de animales y también se encuentra en algunas especies de vegetales. Con esta síntesis, Wohler derribó los principales argumentos de los vitalistas que argumentaban la necesidad de una “fuerza vital” para la elaboración de sustancias orgánicas.
En 1858, el químico alemán August Kekulé (1829-1896) y el escocés Archibald Scott Couper (1831-1892) propusieron que átomos de carbono tetravalentes podían unirse unos a otros para formar largas cadenas, y de esa manera, sugirieron que los compuestos orgánicos se estructuraban sobre un esqueleto básico de átomos de carbono en el cual se insertaban átomos de otros elementos.
Estos descubrimientos dieron un gran impulso al avance de la química. A partir de entonces comenzaron a sintetizar sustancias orgánicas más complejas que dieron origen a industrias como las de papel, plásticos, combustible, medicame4ntos, detergentes, textiles, etc., que influenciaron radicalmente la manera de vivir de la sociedad.
La química orgánica pasó a ser el área de la química que estudia las propiedades de los compuestos que poseen átomos de carbono en su estructura, y no exclusivamente la química de las moléculas presentes en los seres vivos. A medida que la química orgánica se consolidaba y se profundizaba en su estudio, surgieron ramas como la bioquímica, la petroquímica, la farmacéutica, entre otras.
La química orgánica y el nacimiento de la bioquímica
En el contexto histórico del desarrollo de la química orgánica, a principios del siglo XX surge la bioquímica como rama integradora de la química orgánica y la biología, y se encarga del estudio de la composición química, las reacciones de tipo orgánico y su función, llevadas a cabo exclusivamente en los seres vivos.
Siguiendo con su historia, hacia1944, se descubre que los genes son fragmentos de ácidos nucleicos y que éstos constituyen la estructura química (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). En 1953, James Watson y Francis Crick descubren la estructura tridimensional de doble hélice de la cadena de polinucleótidos que forma el ADN. Posteriormente en 1955, el bioquímico inglés Federick Sanger (1918) determinó la secuencia de aminoácidos de la insulina y demostró que cada proteína tiene una secuencia y una estructura únicas.
En 2003, salen a la luz los resultados del proyecto genoma humano, que describe la secuencia de bases nitrogenadas del ADN, portadoras de la información contenida en los genes y que son finalmente quienes determinan el color de los ojos, la textura del cabello, la contextura corporal la formación ósea y muscular, la estatura, entre otras característica fenotípicas etc.
A raíz de estos descubrimientos y avances, actualmente existe un amplio horizonte de posibilidades de manipulación genética y bioquímica de los procesos orgánicos que ocurren en los seres vivos, y que en los seres humanos aprovechamos parta nuestro beneficio como se verá a continuación.
Importancia de la química orgánica
Aunque la química orgánica es una ciencia relativamente joven, son muchos los avances que se han logrado desde su nacimiento. Entre los compuestos orgánicos sintetizados artificialmente podemos mencionar los plásticos, los detergentes, los pesticidas, los colorantes, los fertilizantes, algunas fibras como el dacrón y el nailon, y algunos medicamentos como la cortisona y varios antibióticos. Muchos de estos productos son a su vez materia prima para otro gran número de procesos industriales. Así mismo, algunos ejemplos de productos derivados de compuestos orgánicos son el papel; las telas de algodón; los combustibles como el carbón, el petróleo y derivados como el querosén, la gasolina, el ACPM; antibióticos como la penicilina y las vitaminas.
Adicionalmente, el estudio de la química orgánica es la base para la comprensión del funcionamiento de los seres vivos, pues los compuestos derivados de la combinación del carbono con otr5os elementos son la materia prima con la cual se ha construido la vida en el planeta. Este campo es estudiado específicamente por la bioquímica como mencionamos previamente.
Finalmente la química orgánica es el fundamento de algunos estudios básicos de botánica, zoología, microbiología, nutrición, ciencias agrícolas, odontología biología y medicina.
Elementos que constituyen los compuestos orgánicos
Los compuestos del carbono están formados principalmente por átomos de carbono e hidrógeno, también puede haber átomos de oxígeno, nitrógeno, azufre y, en una poquísima proporción pero muy importantes para su función, otros elementos como el fosforo (P), cloro (Cl), bromo (Br), yodo (I), sodio (Na), magnesio (Mg), hierro (Fe). Aunque estos últimos se consideran elementos inorgánicos y se estudian en cursos avanzados de química orgánica.
Comentaremos algunos aspectos importantes de los cinco elementos más abundantes en la naturaleza (C, H, O, N, S). Inicialmente mostraremos algunas generalidades del hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno, el azufre y, posteriormente, profundizaremos en algunas propiedades físicas del átomo de carbono que lo hacen responsable de la enorme cantidad y variedad de compuestos orgánicos y el gran despliegue de las formas de vida.
Hidrógeno
Alrededor del 73% de la materia del universo es hidrógeno. En estado elemental en la naturaleza lo encontramos en muy pequeña cantidad, sin embargo se encuentra combinado: representa el 11,1% del agua y es muy importante en los compuestos orgánicos denominados hidrocarburos, como el petróleo y el gas natural. También forma parte de las diferentes sustancias que constituyen los tejidos de todos los seres vivos como lípidos, proteínas, almidones, alcoholes, ácidos, álcalis.
Oxígeno
Reacciona con la mayor parte de los elementos con excepción de los gases inertes y algunos metales nobles. En los compuestos orgánicos el oxígeno se encuentra en los ácidos carboxílicos y en las funciones oxigenadas como los alcoholes. También participa en los procesos de respiración oxidativas como agente oxidante en las mitocondrias y es producid por los organismos que hacen fotosíntesis oxigénica como producto de la fotolisis del agua. Servir de agente comburente es quizá su principal aplicación.
Nitrógeno
Constituye alrededor del 75% en peso de la atmósfera. Es un gas inodoro, incoloro e insípido. Sus átomos se incorporan a las proteínas, ácidos nucleicos, y otros compuestos orgánicos nitrogenados luego de ser fijados desde la atmósfera por microorganismos fijadores en el suelo.
Azufre
Y en forma de sulfuro de hidrógeno y dióxido de azufre en el caso de los gases volcánicos. En algunos compuestos orgánicos como las proteínas el átomo de azufre es fundamental en su plegamiento y estructura como formador de puentes entre las cadenas polipeptídicas que la forman.
Diferencias entre compuestos orgánicos y compuestos inorgánicos
Los compuestos orgánicos se diferencian de los compuestos inorgánicos porque:
Todos utilizan como base de construcción el átomo de carbono y unos pocos elementos más que se insertan en su cadena, mientras que en los compuestos inorgánicos participan la gran mayoría de los elementos conocidos.
Están formados por enlaces covalentes simple, dobles, triples, mientras que en los compuestos inorgánicos predominan los enlaces iónicos.
Son muy complejos y tienen muchos átomos en comparación con los compuestos inorgánicos. Algunos aceites orgánicos hormonas y componentes de los combustibles fósiles son compuestos formados por largas cadenas de carbono que pueden ser lineales o ramificadas, abiertas o cíclicas. En los compuestos inorgánicos-con excepción de algunos silicatos- la formación de cadenas no es común.
La mayoría presentan isómeros, sustancias que poseen la misma fórmula molecular pero difieren en su fórmula estructural; es decir, la estructura tridimensional de las moléculas es diferente. Por esta razón las propiedades físico-químicas cambian entre isómeros. Contrariamente, entre las sustancias inorgánicas los isómeros son raros.
Tienen mecanismos de reacción complejos y diversas velocidades de reacción, algunas de una sola etapa y otras con muchas reacciones consecutivas.
La mayoría de los compuestos orgánicos son insolubles en agua y solubles en solventes orgánicos.
Los compuestos orgánicos presentan puntos de fusión y ebullición bajos; los compuestos inorgánicos se caracterizan por sus elevados puntos de fusión y ebullición; esto se explica por el carácter iónico de sus enlaces.
Casi todos los compuestos orgánicos arden en presencia de oxígeno, dando como resultado dióxido de carbono (CO2 gas efecto invernadero), agua (H2O) y energía térmica. Lo que significa que el carbono © y el hidrógeno (H) están presentes en todas las sustancia orgánicas.
Muestran reacciones de combustión fuertemente exotérmicas como en el caso de la energía desprendida de la quema de combustibles fósiles y que puede ser transformada en otros tipos de energía térmica, mecánica, etc. De allí que algunos compuestos sean utilizados como combustibles en la movilización de diversos vehículos.
La variedad de los compuestos orgánicos, tanto naturales como sintéticos, es muy grande (varios millones) comparada con la de los compuestos inorgánicos que son menos de cien mil.
El carbono
El átomo de carbono presenta características especiales que lo hacen responsable de la gran variedad de compuestos que puede formar. El número atómico del carbono es 6 y su masa atómica es 12, lo que incide en la especial configuración electrónica de este átomo. Su valor de electronegatividad es iguala 2,5, lo que le permite combinarse con facilidad con otros átomos formando enlaces covalentes parcialmente iónicos; por ejemplo, con: H, O, N, S, P, F, Cl, Br, I y Si, y especialmente consigo mismo. Esto le confiere reactividad y diferentes mecanismos de reacción a los compuestos del carbono.
Referencia: Los Caminos del Saber. Química II. Editorial Santillana S.A. 2014. Páginas: 10-14