La química orgánica es una subdisciplina dentro de la química que implica el estudio científico de la estructura, propiedades y reacciones de compuestos orgánicos y materiales orgánicos , es decir, la materia en sus diversas formas que contienen átomos de carbono . [1] El estudio de la estructura determina su fórmula estructural . El estudio de propiedades incluye propiedades físicas y químicas , y evaluación de la reactividad química para comprender su comportamiento. El estudio de reacciones orgánicas incluye la síntesis química de productos naturales , fármacos y polímeros , y el estudio de moléculas orgánicas individuales en el laboratorio y mediante estudio teórico ( in silico ).
La gama de sustancias químicas estudiadas en química orgánica incluye hidrocarburos (compuestos que contienen sólo carbono e hidrógeno ), así como compuestos basados en carbono, pero que también contienen otros elementos, [1] [2] [3] especialmente oxígeno , nitrógeno , azufre , fósforo ( incluidos en muchos productos bioquímicos ) y los halógenos . La química organometálica es el estudio de compuestos que contienen enlaces carbono- metal .
Además, la investigación contemporánea se centra en la química orgánica que involucra otros organometálicos , incluidos los lantánidos , pero especialmente los metales de transición zinc, cobre, paladio, níquel, cobalto, titanio y cromo.
Los compuestos orgánicos forman la base de toda la vida terrestre y constituyen la mayoría de las sustancias químicas conocidas. Los patrones de enlace del carbono, con su valencia de cuatro (enlaces simples, dobles y triples formales, además de estructuras con electrones deslocalizados) hacen que la variedad de compuestos orgánicos sea estructuralmente diversa y su gama de aplicaciones sea enorme. Forman la base o son constituyentes de muchos productos comerciales, incluidos los productos farmacéuticos ; petroquímicos y agroquímicos , y productos elaborados a partir de ellos, incluidos lubricantes y disolventes ; plásticos ; combustibles y explosivos . El estudio de la química orgánica se superpone a la química organometálica y la bioquímica , pero también a la química medicinal , la química de polímeros y la ciencia de los materiales . [1]
Antes del siglo XVIII, los químicos generalmente creían que los compuestos obtenidos de organismos vivos estaban dotados de una fuerza vital que los distinguía de los compuestos inorgánicos . Según el concepto de vitalismo (teoría de la fuerza vital), la materia orgánica estaba dotada de una "fuerza vital". [4] Durante la primera mitad del siglo XIX, se informaron algunos de los primeros estudios sistemáticos de compuestos orgánicos. Hacia 1816, Michel Chevreul inició un estudio de los jabones elaborados con diversas grasas y álcalis . Separó los ácidos que, en combinación con el álcali, produjeron el jabón. Como todos estos eran compuestos individuales, demostró que era posible realizar un cambio químico en varias grasas (que tradicionalmente provienen de fuentes orgánicas), produciendo nuevos compuestos, sin "fuerza vital". En 1828, Friedrich Wöhler produjo la urea química orgánica (carbamida), un componente de la orina , a partir de materiales de partida inorgánicos (las sales cianato de potasio y sulfato de amonio ), en lo que ahora se llama síntesis de Wöhler . Aunque el propio Wöhler se mostró cauteloso al afirmar que había refutado el vitalismo, esta fue la primera vez que una sustancia considerada orgánica se sintetizó en el laboratorio sin materiales de partida biológicos (orgánicos). Hoy en día se acepta generalmente que el acontecimiento refuta la doctrina del vitalismo. [5]
En 1856, William Henry Perkin , mientras intentaba fabricar quinina , produjo accidentalmente el tinte orgánico ahora conocido como malva de Perkin . Su descubrimiento, que se hizo ampliamente conocido gracias a su éxito financiero, aumentó considerablemente el interés por la química orgánica. [6]
Un avance crucial para la química orgánica fue el concepto de estructura química, desarrollado de forma independiente en 1858 por Friedrich August Kekulé y Archibald Scott Couper . [7] Ambos investigadores sugirieron que los átomos de carbono tetravalentes podrían unirse entre sí para formar una red de carbono, y que los patrones detallados de enlaces atómicos podrían discernirse mediante interpretaciones hábiles de reacciones químicas apropiadas. [8]
La era de la industria farmacéutica comenzó en la última década del siglo XIX, cuando la empresa alemana Bayer fabricó por primera vez ácido acetilsalicílico, más comúnmente conocido como aspirina . [9] En 1910, Paul Ehrlich y su grupo de laboratorio comenzaron a desarrollar arsfenamina a base de arsénico (Salvarsan), como el primer tratamiento medicinal eficaz de la sífilis , y con ello iniciaron la práctica médica de la quimioterapia . Ehrlich popularizó los conceptos de fármacos "bala mágica" y de mejora sistemática de las terapias farmacológicas. [10] [11] Su laboratorio hizo contribuciones decisivas al desarrollo de antisueros para la difteria y a la estandarización de sueros terapéuticos. [12]
Los primeros ejemplos de reacciones y aplicaciones orgánicas se encontraron a menudo gracias a una combinación de suerte y preparación para observaciones inesperadas. Sin embargo, la segunda mitad del siglo XIX fue testigo de estudios sistemáticos de compuestos orgánicos. El desarrollo del índigo sintético es ilustrativo. La producción de índigo de origen vegetal cayó de 19.000 toneladas en 1897 a 1.000 toneladas en 1914 gracias a los métodos sintéticos desarrollados por Adolf von Baeyer . En 2002 se produjeron 17.000 toneladas de índigo sintético a partir de productos petroquímicos . [14]
A principios del siglo XX, se demostró que los polímeros y las enzimas eran moléculas orgánicas grandes, y se demostró que el petróleo era de origen biológico.
La síntesis de múltiples pasos de compuestos orgánicos complejos se llama síntesis total. La síntesis total de compuestos naturales complejos aumentó en complejidad a la glucosa y al terpineol . Por ejemplo, los compuestos relacionados con el colesterol han abierto caminos para sintetizar hormonas humanas complejas y sus derivados modificados. Desde principios del siglo XX, la complejidad de las síntesis totales se ha incrementado para incluir moléculas de alta complejidad como el ácido lisérgico y la vitamina B 12 . [15]
El descubrimiento del petróleo y el desarrollo de la industria petroquímica impulsaron el desarrollo de la química orgánica. La conversión de compuestos de petróleo individuales en tipos de compuestos mediante diversos procesos químicos condujo a reacciones orgánicas que permitieron una amplia gama de productos industriales y comerciales que incluyen, entre (muchos) otros: plásticos , caucho sintético , adhesivos orgánicos y diversos aditivos y catalizadores del petróleo que modifican las propiedades. .
La mayoría de los compuestos químicos que se encuentran en los organismos biológicos son compuestos de carbono, por lo que la asociación entre la química orgánica y la bioquímica es tan estrecha que la bioquímica podría considerarse en esencia una rama de la química orgánica. Aunque se puede considerar que la historia de la bioquímica abarca unos cuatro siglos, la comprensión fundamental del campo sólo comenzó a desarrollarse a finales del siglo XIX y el término real bioquímica se acuñó a principios del siglo XX. La investigación en este campo aumentó a lo largo del siglo XX, sin ningún indicio de disminución en la tasa de aumento, como puede verificarse mediante la inspección de servicios de abstracción e indexación como BIOSIS Previews y Biological Abstracts , que comenzaron en la década de 1920 como un único volumen anual. , pero ha crecido tan drásticamente que a finales del siglo XX sólo estaba disponible para el usuario cotidiano como una base de datos electrónica en línea . [dieciséis]
Dado que los compuestos orgánicos suelen existir como mezclas , también se han desarrollado una variedad de técnicas para evaluar la pureza; Las técnicas de cromatografía son especialmente importantes para esta aplicación e incluyen HPLC y cromatografía de gases . Los métodos tradicionales de separación incluyen destilación , cristalización , evaporación , separación magnética y extracción con disolventes .
Los compuestos orgánicos se caracterizaban tradicionalmente mediante una variedad de pruebas químicas, llamadas "métodos húmedos", pero dichas pruebas han sido desplazadas en gran medida por métodos de análisis espectroscópicos u otros métodos de análisis intensivos por computadora. [17] Enumerados en orden aproximado de utilidad, los principales métodos analíticos son:
Los métodos espectroscópicos tradicionales, como la espectroscopia infrarroja , la rotación óptica y la espectroscopia UV/VIS, proporcionan información estructural relativamente inespecífica, pero siguen utilizándose para aplicaciones específicas. El índice de refracción y la densidad también pueden ser importantes para la identificación de sustancias.
Las propiedades físicas de los compuestos orgánicos que suelen ser de interés incluyen características tanto cuantitativas como cualitativas. La información cuantitativa incluye el punto de fusión, el punto de ebullición, la solubilidad y el índice de refracción. Las propiedades cualitativas incluyen olor, consistencia y color.
Los compuestos orgánicos normalmente se derriten y muchos hierven. Por el contrario, aunque los materiales inorgánicos generalmente se pueden fundir, muchos no hierven y, en cambio, tienden a degradarse. En épocas anteriores, el punto de fusión (pf) y el punto de ebullición (pb) proporcionaban información crucial sobre la pureza y la identidad de los compuestos orgánicos. Los puntos de fusión y ebullición se correlacionan con la polaridad de las moléculas y su peso molecular. Algunos compuestos orgánicos, especialmente los simétricos, son sublimes . Un ejemplo bien conocido de compuesto orgánico sublimable es el paradiclorobenceno , el componente oloroso de las bolas de naftalina modernas. Los compuestos orgánicos no suelen ser muy estables a temperaturas superiores a 300 °C, aunque existen algunas excepciones.
Los compuestos orgánicos neutros tienden a ser hidrofóbicos ; es decir, son menos solubles en agua que los disolventes inorgánicos. Las excepciones incluyen compuestos orgánicos que contienen grupos ionizables , así como alcoholes , aminas y ácidos carboxílicos de bajo peso molecular donde se producen enlaces de hidrógeno . De lo contrario, los compuestos orgánicos tienden a disolverse en disolventes orgánicos . La solubilidad varía ampliamente con el soluto orgánico y con el disolvente orgánico.
Varias propiedades especializadas de cristales moleculares y polímeros orgánicos con sistemas conjugados son de interés dependiendo de las aplicaciones, por ejemplo, termomecánicas y electromecánicas como piezoelectricidad , conductividad eléctrica (ver polímeros conductores y semiconductores orgánicos ) y electroópticas (por ejemplo, no Óptica lineal ) propiedades. Por razones históricas, estas propiedades son objeto principalmente de las áreas de ciencia de polímeros y ciencia de materiales .
Los nombres de los compuestos orgánicos son sistemáticos, siguiendo lógicamente un conjunto de reglas, o no sistemáticos, siguiendo varias tradiciones. La nomenclatura sistemática está estipulada por las especificaciones de la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada). La nomenclatura sistemática comienza con el nombre de una estructura principal dentro de la molécula de interés. Luego, este nombre principal se modifica mediante prefijos, sufijos y números para transmitir la estructura sin ambigüedades. Dado que se conocen millones de compuestos orgánicos, el uso riguroso de nombres sistemáticos puede resultar engorroso. Por lo tanto, las recomendaciones de la IUPAC se siguen más de cerca para compuestos simples, pero no para moléculas complejas. Para utilizar la denominación sistemática, se deben conocer las estructuras y los nombres de las estructuras principales. Las estructuras originales incluyen hidrocarburos no sustituidos, heterociclos y derivados monofuncionalizados de los mismos.
La nomenclatura no sistemática es más simple e inequívoca, al menos para los químicos orgánicos. Los nombres no sistemáticos no indican la estructura del compuesto. Son comunes para moléculas complejas, que incluyen la mayoría de los productos naturales. Así, la dietilamida del ácido lisérgico , denominada informalmente , se denomina sistemáticamente (6a R ,9 R )-N , N - dietil-7-metil-4,6,6a,7,8,9-hexahidroindolo-[4,3- fg ] quinolina-9-carboxamida.
Con el uso cada vez mayor de la informática, han evolucionado otros métodos de denominación que están destinados a ser interpretados por máquinas. Dos formatos populares son SMILES e InChI .
Las moléculas orgánicas se describen más comúnmente mediante dibujos o fórmulas estructurales , combinaciones de dibujos y símbolos químicos. La fórmula del ángulo lineal es simple e inequívoca. En este sistema, los puntos finales y las intersecciones de cada línea representan un carbono, y los átomos de hidrógeno pueden anotarse explícitamente o asumirse que están presentes como lo implica el carbono tetravalente .
En 1880 se produjo una explosión en el número de compuestos químicos descubiertos, ayudados por nuevas técnicas sintéticas y analíticas. Grignard describió la situación como "caos le plus complet" (caos completo) debido a la falta de convención, era posible tener varios nombres para el mismo compuesto. Esto llevó a la creación de las reglas de Ginebra en 1892. [18]
El concepto de grupos funcionales es central en la química orgánica, tanto como medio para clasificar estructuras como para predecir propiedades. Un grupo funcional es un módulo molecular y se supone que la reactividad de ese grupo funcional, dentro de límites, es la misma en una variedad de moléculas. Los grupos funcionales pueden tener una influencia decisiva en las propiedades químicas y físicas de los compuestos orgánicos. Las moléculas se clasifican según sus grupos funcionales. Los alcoholes, por ejemplo, todos tienen la subunidad COH. Todos los alcoholes tienden a ser algo hidrófilos , normalmente forman ésteres y normalmente pueden convertirse en los haluros correspondientes . La mayoría de los grupos funcionales presentan heteroátomos (átomos distintos de C y H). Los compuestos orgánicos se clasifican según grupos funcionales, alcoholes, ácidos carboxílicos, aminas, etc. [19] Los grupos funcionales hacen que la molécula sea más ácida o básica debido a su influencia electrónica en las partes circundantes de la molécula.
A medida que aumenta la p K a (también conocida como basicidad ) de la adición molecular/grupo funcional, hay un dipolo correspondiente que, cuando se mide, aumenta en fuerza. Un dipolo dirigido hacia el grupo funcional (mayor p K , por lo tanto la naturaleza básica del grupo) apunta hacia él y disminuye su fuerza a medida que aumenta la distancia. La distancia dipolar (medida en Angstroms ) y el impedimento estérico hacia el grupo funcional tienen un efecto intermolecular e intramolecular sobre el entorno circundante y el nivel de pH .
Los diferentes grupos funcionales tienen diferentes valores de p K a y fuerzas de enlace (simples, dobles, triples), lo que conduce a una mayor electrofilicidad con un p K a más bajo y una mayor fuerza de nucleófilo con un p K a más alto . Los grupos funcionales más básicos/nucleofílicos desean atacar un grupo funcional electrófilo con un p K a más bajo en otra molécula (intermolecular) o dentro de la misma molécula (intramolecular). Cualquier grupo con una p K a ácida neta que esté dentro del rango, como un grupo acilo o carbonilo, es un juego limpio. Dado que la probabilidad de ser atacado disminuye con un aumento en p K a , los componentes de cloruro de acilo con los valores más bajos de p K a medidos tienen más probabilidades de ser atacados, seguidos por los ácidos carboxílicos (p K a =4), tioles (13), malonatos (13), alcoholes (17), aldehídos (20), nitrilos (25), ésteres (25), luego aminas (35). [20] Las aminas son muy básicas y son grandes nucleófilos/atacantes.
Los hidrocarburos alifáticos se subdividen en tres grupos de series homólogas según su estado de saturación :
El resto del grupo se clasifica según los grupos funcionales presentes. Dichos compuestos pueden ser de "cadena lineal", de cadena ramificada o cíclicos. El grado de ramificación afecta características, como el índice de octano o el índice de cetano en la química del petróleo.
Tanto los compuestos saturados ( alicíclicos ) como los insaturados existen como derivados cíclicos. Los anillos más estables contienen cinco o seis átomos de carbono, pero son comunes los anillos grandes (macrociclos) y los anillos más pequeños. La familia de cicloalcanos más pequeña es el ciclopropano de tres miembros ((CH 2 ) 3 ). Los compuestos cíclicos saturados contienen únicamente enlaces simples, mientras que los anillos aromáticos tienen un doble enlace alterno (o conjugado). Los cicloalcanos no contienen enlaces múltiples, mientras que los cicloalquenos y los cicloalquinos sí los contienen.
Los hidrocarburos aromáticos contienen dobles enlaces conjugados . Esto significa que cada átomo de carbono del anillo tiene hibridación sp2, lo que permite una mayor estabilidad. El ejemplo más importante es el benceno , cuya estructura fue formulada por Kekulé , quien propuso por primera vez el principio de deslocalización o resonancia para explicar su estructura. Para los compuestos cíclicos "convencionales", la aromaticidad la confiere la presencia de 4n + 2 electrones pi deslocalizados, donde n es un número entero. La presencia de electrones pi conjugados 4n confiere una inestabilidad particular ( antiaromaticidad ).
Las características de los hidrocarburos cíclicos nuevamente se alteran si están presentes heteroátomos, que pueden existir como sustituyentes unidos externamente al anillo (exocíclico) o como miembro del propio anillo (endocíclico). En el caso de este último, el anillo se denomina heterociclo . La piridina y el furano son ejemplos de heterociclos aromáticos, mientras que la piperidina y el tetrahidrofurano son los heterociclos alicíclicos correspondientes . El heteroátomo de las moléculas heterocíclicas es generalmente oxígeno, azufre o nitrógeno, siendo este último particularmente común en los sistemas bioquímicos.
Los heterociclos se encuentran comúnmente en una amplia gama de productos, incluidos tintes de anilina y medicamentos. Además, prevalecen en una amplia gama de compuestos bioquímicos como alcaloides , vitaminas, esteroides y ácidos nucleicos (p. ej., ADN, ARN).
Los anillos pueden fusionarse con otros anillos en un borde para dar compuestos policíclicos . Las bases de nucleósidos de purina son heterociclos aromáticos policíclicos notables. Los anillos también pueden fusionarse en una "esquina" de modo que un átomo (casi siempre carbono) tenga dos enlaces que van a un anillo y dos a otro. Estos compuestos se denominan espiro y son importantes en varios productos naturales .
Una propiedad importante del carbono es que forma fácilmente cadenas o redes unidas por enlaces carbono-carbono (carbono a carbono). El proceso de enlace se llama polimerización , mientras que las cadenas, o redes, se llaman polímeros . El compuesto fuente se llama monómero .
Existen dos grupos principales de polímeros: los polímeros sintéticos y los biopolímeros . Los polímeros sintéticos se fabrican artificialmente y comúnmente se les conoce como polímeros industriales . [21] Los biopolímeros se producen en un entorno respetuosamente natural o sin intervención humana.
La química biomolecular es una categoría importante dentro de la química orgánica que los bioquímicos estudian con frecuencia . Muchas moléculas complejas de grupos multifuncionales son importantes en los organismos vivos. Algunos son biopolímeros de cadena larga , y estos incluyen péptidos , ADN , ARN y polisacáridos como los almidones en los animales y las celulosas en las plantas. Las otras clases principales son los aminoácidos (componentes monómeros de péptidos y proteínas), los carbohidratos (que incluyen los polisacáridos), los ácidos nucleicos (que incluyen ADN y ARN como polímeros) y los lípidos . Además, la bioquímica animal contiene muchas moléculas intermedias pequeñas que ayudan en la producción de energía a través del ciclo de Krebs y produce isopreno , el hidrocarburo más común en los animales. Los isoprenos en animales forman importantes compuestos esteroides estructurales ( colesterol ) y hormonas esteroides; y en las plantas se forman terpenos , terpenoides , algunos alcaloides y una clase de hidrocarburos llamados poliisoprenoides biopolímeros presentes en el látex de diversas especies de plantas, que es la base para fabricar caucho .
Véanse también: síntesis de péptidos , síntesis de oligonucleótidos y síntesis de carbohidratos .
En farmacología, un grupo importante de compuestos orgánicos son las moléculas pequeñas , también denominadas 'pequeños compuestos orgánicos'. En este contexto, una molécula pequeña es un pequeño compuesto orgánico que es biológicamente activo pero no es un polímero . En la práctica, las moléculas pequeñas tienen una masa molar inferior a aproximadamente 1000 g/mol.
Los fullerenos y los nanotubos de carbono , compuestos de carbono con estructuras esferoidales y tubulares, han estimulado muchas investigaciones en el campo relacionado de la ciencia de materiales . El primer fullereno fue descubierto en 1985 por Sir Harold W. Kroto del Reino Unido y por Richard E. Smalley y Robert F. Curl Jr., de Estados Unidos. Utilizando un láser para vaporizar barras de grafito en una atmósfera de gas helio, estos químicos y sus asistentes obtuvieron moléculas en forma de jaula compuestas por 60 átomos de carbono (C60) unidos por enlaces simples y dobles para formar una esfera hueca con 12 caras pentagonales y 20 hexagonales. diseño que se asemeja a un balón de fútbol o fútbol. En 1996, el trío recibió el Premio Nobel por sus esfuerzos pioneros. La molécula C60 recibió el nombre de buckminsterfullereno (o, más simplemente, buckybola) en honor al arquitecto estadounidense R. Buckminster Fuller, cuya cúpula geodésica está construida con los mismos principios estructurales.
Los compuestos orgánicos que contienen enlaces de carbono con nitrógeno, oxígeno y halógenos normalmente no se agrupan por separado. Otros a veces se clasifican en grupos principales dentro de la química orgánica y se analizan bajo títulos como química de organosulfuros , química organometálica , química de organofosforados y química de organosilicio .
Las reacciones orgánicas son reacciones químicas que involucran compuestos orgánicos . Muchas de estas reacciones están asociadas con grupos funcionales. La teoría general de estas reacciones implica un análisis cuidadoso de propiedades tales como la afinidad electrónica de los átomos clave, la fuerza de los enlaces y el impedimento estérico . Estos factores pueden determinar la estabilidad relativa de los intermedios reactivos de vida corta , que normalmente determinan directamente la ruta de la reacción.
Los tipos de reacciones básicos son: reacciones de adición , reacciones de eliminación , reacciones de sustitución , reacciones pericíclicas , reacciones de reordenamiento y reacciones redox . Un ejemplo de una reacción común es una reacción de sustitución escrita como:
donde X es algún grupo funcional y Nu es un nucleófilo .
El número de reacciones orgánicas posibles es infinito. Sin embargo, se observan ciertos patrones generales que pueden usarse para describir muchas reacciones comunes o útiles. Cada reacción tiene un mecanismo de reacción por pasos que explica cómo ocurre en secuencia, aunque la descripción detallada de los pasos no siempre queda clara a partir de una lista de reactivos únicamente.
El curso paso a paso de cualquier mecanismo de reacción determinado se puede representar mediante técnicas de empuje de flechas en las que se utilizan flechas curvas para seguir el movimiento de los electrones a medida que los materiales de partida pasan a través de productos intermedios hasta llegar a los productos finales.
La química orgánica sintética es una ciencia aplicada ya que linda con la ingeniería , el "diseño, análisis y/o construcción de obras con fines prácticos". La síntesis orgánica de un nuevo compuesto es una tarea de resolución de problemas, en la que se diseña una síntesis para una molécula objetivo seleccionando reacciones óptimas a partir de materiales de partida óptimos. Los compuestos complejos pueden tener decenas de pasos de reacción que construyen secuencialmente la molécula deseada. La síntesis procede utilizando la reactividad de los grupos funcionales de la molécula. Por ejemplo, un compuesto carbonílico puede usarse como nucleófilo convirtiéndolo en un enolato , o como electrófilo ; la combinación de ambos se llama reacción aldólica . Diseñar síntesis prácticamente útiles siempre requiere realizar la síntesis real en el laboratorio. La práctica científica de crear nuevas rutas sintéticas para moléculas complejas se llama síntesis total .
Las estrategias para diseñar una síntesis incluyen la retrosíntesis , popularizada por EJ Corey , que comienza con la molécula objetivo y la corta en pedazos según reacciones conocidas. Las piezas, o los precursores propuestos, reciben el mismo tratamiento, hasta llegar a materiales de partida disponibles e idealmente económicos. Luego, la retrosíntesis se escribe en sentido contrario para dar la síntesis. Se puede construir un "árbol sintético" porque cada compuesto y también cada precursor tiene múltiples síntesis.
