Química Orgánica

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Química orgánica  : rama de la química que estudia la estructura, las propiedades y los métodos para la síntesis de compuestos de carbono con otros elementos químicos relacionados con los compuestos orgánicos . [1] [2] El significado original del término química orgánica significaba el estudio de los compuestos de carbono de origen vegetal y animal únicamente. Por esta razón, una serie de compuestos que contienen carbono tradicionalmente no se clasifican como orgánicos (por ejemplo, monóxido de carbono , dióxido de carbono , cianuro de hidrógeno , disulfuro de carbono , carbonilos metálicos ), pero se consideran compuestos inorgánicos . Puede considerarse condicionalmente que los hidrocarburos son el prototipo estructural de los compuestos orgánicos . [2]

El carbono forma el mayor número de compuestos con los llamados elementos organógenos : H , N , O , S , P [3] . La capacidad del carbono para combinarse con la mayoría de los elementos y formar moléculas de diversas composiciones y estructuras determina la diversidad de los compuestos orgánicos. Los compuestos orgánicos juegan un papel clave en la existencia de los organismos vivos (por ejemplo , nucleótidos , aminoácidos naturales , carbohidratos ).

La asignatura de química orgánica incluye los siguientes objetivos, métodos experimentales y conceptos teóricos:

Número de compuestos orgánicos conocidos

El 24 de mayo de 1999, el número de compuestos químicos conocidos superó los 25 millones, de los cuales 12 millones eran orgánicos [4] , el 2 de mayo de 2014, el número total de compuestos orgánicos e inorgánicos conocidos superó los 87 millones [5] . A partir del 8 de abril de 2018, el registro del Servicio de Resúmenes Químicos (CAS) de EE . UU. tiene 141 millones de productos químicos enumerados [1] Archivado el 10 de abril de 2018 en Wayback Machine .

Historia

Los métodos para obtener diversas sustancias orgánicas se conocen desde la antigüedad. Los egipcios y los romanos usaban tintes índigo y alizarina , que se encuentran en la materia vegetal. Muchas naciones conocían los secretos de la producción de bebidas alcohólicas y vinagre a partir de materias primas que contienen azúcar y almidón.

Durante la Edad Media , nada se agregó a este conocimiento, algunos progresos comenzaron solo en los siglos XVI-XVII: algunas sustancias se obtuvieron, principalmente por destilación de ciertos productos vegetales. De gran importancia económica fue el descubrimiento de Marggraf del azúcar en la remolacha [7] :6 (además de su fuente conocida en ese momento: la caña de azúcar ), como informó en el artículo "Intentos químicos de extraer azúcar real de las plantas de nuestro país" en 1747 [8 ] . En 1769-1785, Scheele aisló varios ácidos orgánicos , entre ellos málico , tartárico , cítrico , gálico , láctico y oxálico . En 1773  , Ruel aisló la urea de la orina humana .

Los productos aislados de materias primas animales o vegetales tenían mucho en común entre sí, pero diferían de los compuestos inorgánicos . Al mismo tiempo, se creía que estas sustancias solo se pueden obtener en organismos vivos debido a la "fuerza vital". Así, en 1753, el célebre naturalista sueco Wallerius , en el prefacio a la colección de obras de otro destacado científico sueco, Jerne , afirmó [9] : “...ni los animales, ni los cuerpos de las plantas, ni sus partes, por lo tanto, pueden ser reproducidos por el arte químico” [7] : 7 . En el primer volumen de su libro “Lectures on Animal Chemistry” (“Föreläsningar i Djurkemien”), publicado en 1828, J. J. Berzelius introduce por primera vez el concepto de “química orgánica” ( sueco organisk Kemi ), definiéndola como “una parte de fisiología que describe la composición de los cuerpos vivos junto con los procesos químicos que ocurren en ellos” [10] .

El concepto de "fuerza vital" fue sacudido por la síntesis de sustancias formadas en los organismos vivos a partir de sustancias inorgánicas, realizada en la primera mitad del siglo XIX [7] : 15-16 , por ejemplo, en 1828, Friedrich Wöhler obtuvo orgánicos materia - urea  - como resultado de la evaporación una solución acuosa de cianato de amonio (NH 4 OCN). Previo a esto, en 1824 , había obtenido por primera vez ácido oxálico .

Un paso importante fue el desarrollo de la teoría de la valencia de Cooper y Kekule en 1857  , así como la teoría de la estructura química de Butlerov en 1861.  Estas teorías se basaban en la tetravalencia del carbono y su capacidad para formar cadenas. En el primer volumen de su trabajo sobre química orgánica, publicado en 1859 , Kekule introduce por primera vez una definición del concepto de "química orgánica" cercana a la moderna: se trata de "la química de los compuestos de carbono" [11] , lo cual ya se refleja en el mismo título de esta obra, que se traduce como “Libro de texto de química orgánica, o química de los compuestos de carbono. En la década de 1850, un profesor de la Universidad de Moscú N. E. Lyaskovskii , según N. M. Sarandinaki , dijo: “La química orgánica no es la química de las sustancias que se encuentran en los organismos, sino la química de los compuestos de carbono”, que luego se convirtió en la visión dominante en la ciencia [12]. ] . En 1865, Kekule propuso la fórmula estructural del benceno , uno de los descubrimientos más importantes de la química orgánica. En 1875  , van't Hoff y Le Bel propusieron el modelo tetraédrico del átomo de carbono , según el cual las valencias del carbono se dirigen a los vértices del tetraedro , si el átomo de carbono se sitúa en el centro de este tetraedro. En 1917, Lewis propuso que el enlace químico se considerara en términos de pares de electrones .

En 1931  , Hückel aplicó la teoría cuántica para explicar las propiedades de los carbonos aromáticos alternativos , fundando así una nueva dirección en la química orgánica: la química cuántica. En 1933  , Ingold realizó un estudio de la cinética de una reacción de sustitución en un átomo de carbono saturado, lo que condujo a un estudio a gran escala de la cinética de la mayoría de los tipos de reacciones orgánicas.

Es habitual presentar la historia de la química orgánica en relación con los descubrimientos realizados en el campo de la estructura de los compuestos orgánicos, pero tal presentación está más relacionada con la historia de la química en general. Es mucho más interesante considerar la historia de la química orgánica desde el punto de vista de la base material, es decir, el tema real de estudio de la química orgánica.

En los albores de la química orgánica, el objeto de estudio eran predominantemente las sustancias de origen biológico . Es a este hecho que la química orgánica debe su nombre. El progreso científico y tecnológico no se detuvo y, con el tiempo, el alquitrán de hulla , liberado durante la producción de coque mediante la calcinación del carbón , se convirtió en la principal base material de la química orgánica . Fue sobre la base del procesamiento del alquitrán de hulla que surgió la principal síntesis orgánica a fines del siglo XIX . En los años 50-60 del siglo pasado, la principal síntesis orgánica se transfirió a una nueva base: el aceite. Así, apareció un nuevo campo de la química: la petroquímica . El enorme potencial que se depositó en las nuevas materias primas provocó un auge en la química orgánica y en la química en general. El surgimiento y el desarrollo intensivo de un campo como la química de polímeros está asociado principalmente con una nueva base de materia prima.

A pesar de que la química orgánica moderna todavía utiliza materias primas de origen biológico y alquitrán de hulla como base material, el volumen de procesamiento de este tipo de materias primas químicas es pequeño en comparación con el procesamiento de petróleo. El cambio en la base de materiales y materias primas de la química orgánica se debió principalmente a la posibilidad de aumentar los volúmenes de producción.

Clasificación de los compuestos orgánicos

Reglas y características de clasificación

La clasificación se basa en la estructura de los compuestos orgánicos. La base de la descripción de la estructura es la fórmula estructural . Los átomos de los elementos se denotan con símbolos latinos, tal como se encuentran en la tabla periódica de elementos químicos ( tabla de Mendeleev ). Los enlaces de hidrógeno y deficientes en electrones se indican mediante una línea de puntos, los enlaces iónicos se indican mediante la indicación de las cargas de las partículas que forman la molécula. Dado que la gran mayoría de las moléculas orgánicas incluyen hidrógeno , generalmente no se indica al representar la estructura. Así, si uno de los átomos tiene una valencia insuficiente en la estructura , significa que uno o más átomos de hidrógeno se encuentran cerca de este átomo.

Los átomos pueden formar sistemas cíclicos y aromáticos.

Principales clases de compuestos orgánicos

Acíclico (cadena abierta) Carbocíclico (cadena cerrada)
marginal ilimitado marginal ilimitado
enlace único con doble enlace con triple enlace con dos dobles enlaces enlace único con anillo de benceno
serie metano ( alcanos ) serie etileno ( alquenos ) serie de acetileno ( alquinos ) una serie de hidrocarburos diénicos varios polimetilenos ( naftenos ) Serie del benceno (hidrocarburos aromáticos o arenos )

La estructura de las moléculas orgánicas

Las moléculas orgánicas están formadas principalmente por enlaces covalentes no polares C-C, o enlaces covalentes polares del tipo C-O, C-N, C-Hal. De acuerdo con la teoría del octeto de Lewis y Kossel , una molécula es estable si los orbitales externos de todos los átomos están completamente llenos. Elementos como C , N , O , halógenos necesitan 8 electrones para llenar los orbitales de valencia externos , el hidrógeno necesita solo 2 electrones. La polaridad se explica por el desplazamiento de la densidad electrónica hacia el átomo más electronegativo .

La teoría clásica de los enlaces de valencia no es capaz de explicar todos los tipos de enlaces que existen en los compuestos orgánicos, por lo que la teoría moderna utiliza los métodos de los orbitales moleculares y los métodos químicos cuánticos.

La estructura de la materia orgánica

Las propiedades de las sustancias orgánicas están determinadas no solo por la estructura de sus moléculas, sino también por el número y la naturaleza de sus interacciones con las moléculas vecinas, así como por su disposición espacial mutua. Más claramente, estos factores se manifiestan en la diferencia en las propiedades de las sustancias en diferentes estados de agregación. Por lo tanto, las sustancias que interactúan fácilmente en forma de gas pueden no reaccionar en absoluto en estado sólido o dar lugar a otros productos.

En las sustancias orgánicas sólidas, en las que estos factores son más pronunciados, se distinguen los cristales orgánicos y los cuerpos amorfos. La ciencia de la " química orgánica del estado sólido " se ocupa de su descripción , cuya base está asociada con el nombre del físico y cristalógrafo soviético A. I. Kitaigorodsky . Ejemplos de sólidos orgánicos útiles son fósforos orgánicos, varios polímeros, sensores, catalizadores, cableado eléctrico, imanes, etc.

Características de las reacciones orgánicas

Las reacciones inorgánicas generalmente involucran iones , y se desarrollan rápidamente y se completan a temperatura ambiente. En las reacciones orgánicas , los enlaces covalentes a menudo se rompen con la formación de otros nuevos. Por regla general, estos procesos requieren condiciones especiales: cierta temperatura, tiempo de reacción y, a menudo, la presencia de un catalizador . Por lo general, no se produce una, sino varias reacciones a la vez, por lo que el rendimiento de la sustancia objetivo a menudo no supera el 50%. Por lo tanto, cuando se representan reacciones orgánicas, no se utilizan ecuaciones, sino esquemas sin calcular la estequiometría .

Las reacciones pueden proceder de una manera muy compleja y en varias etapas, no necesariamente en la forma en que la reacción se representa convencionalmente en el diagrama. Los carbocationes R + , los carbaniones R − , los radicales R·, los carbenos CX 2 , los cationes radicales , los aniones radicales y otras partículas activas o inestables, que suelen vivir una fracción de segundo, pueden aparecer como compuestos intermedios . Una descripción detallada de todas las transformaciones que ocurren a nivel molecular durante una reacción se denomina mecanismo de reacción .

Las reacciones se clasifican según los métodos de ruptura y formación de enlaces, los métodos de excitación de la reacción, su molecularidad .

Determinación de la estructura de compuestos orgánicos

A lo largo de la existencia de la química orgánica como ciencia, una tarea importante ha sido determinar la estructura de los compuestos orgánicos. Esto significa averiguar qué átomos forman parte del compuesto, en qué orden están interconectados estos átomos y cómo están ubicados en el espacio.

Hay varios métodos para resolver estos problemas.

A diferencia de los tres primeros, el último método utiliza un isótopo minoritario del elemento, ya que el núcleo del isótopo principal de carbono, el 12 C, tiene espín cero y no puede observarse por resonancia magnética nuclear, al igual que el núcleo del 16 O, el más isótopo de oxígeno común en la naturaleza.

Notas

  1. Química orgánica Archivado el 28 de septiembre de 2015 en Wayback Machine . TSB .
  2. 1 2 Química orgánica // Enciclopedia química  : [ rus. ]  : en 5 volúmenes  / ed. I. L. Knunyants. - M.  : Gran Enciclopedia Rusa, 1992. - T. 3. - S. 396–399. — 639 pág. ISBN 5-85270-039-8 .
  3. Materia de química orgánica. Reseña histórica // Inicios de la química orgánica. - M. : Química, 1970. - T. 1. - S. 11-26. — 664 pág. - 19.000 copias.
  4. Greenberg A. De la alquimia a la química en Picture and  Story . - John Wiley & Sons , 2006. - Pág. 422.
  5. Sociedad Química Estadounidense. Preguntas frecuentes sobre el REGISTRO CAS y el número de registro CAS  . Consultado el 2 de mayo de 2014. Archivado desde el original el 12 de abril de 2016.
  6. Torker, Sebastián; Müller, André; Sigrist, Rafael; Chen, Pedro (2010). "Ajuste de las propiedades estéricas de un catalizador de metátesis para la copolimerización de norborneno y cicloocteno hacia la alternancia completa". organometálicos . 29 (12): 2735-2751. DOI : 10.1021/om100185g .
  7. 1 2 3 Bykov G. V. El surgimiento de la química orgánica como ciencia // Libro de lectura sobre química orgánica. ayuda estudiantil. - M. : Educación , 1975. - S. 5-19 .
  8. Marggraf A. Experiences chimiques faites dans le dessein de tirer un veritable sucre de diversity plantes, qui croissent dans nos contrées  (francés)  // Histoire de l'académie royale des sciences et belles-lettres de Berlin. Année MDCCXLVII : revista. - 1749. - P. 79-90 .
  9. Urbani Hierne. Tentaminum Chemicorum en Reg. Laboratorio Holmiensi peractorum, tomus secundus, nunc primûm in lucem editorum cum annotationibus Joh. Gotschalk Wallerii. Praefatio  (neopr.) . - Stockholmiae, 1753. - S. VIII.
  10. Berzelius JJ Föreläsningar i  Djurkemien . - Estocolmo, 1806. - T. 1. - S. 6.
  11. La edición de 1861 está disponible en línea, ver: Kekulé A. Lehrbuch der organischen Chemie oder der Chemie der Kohlenstoffverbindungen  (alemán) . - 1861. - Bd. 1. - S. 11.
  12. V. N. Lyaskovsky. Nikolai Erastovich Lyaskovsky  (neopr.) . - M .: Imprenta universitaria (M. Katkov), 1884. - P. 40.
  13. Alcoholes._ _ _ IUPAC. Compendio de terminología química, 2ª ed. (el "Libro de Oro"). doi : 10.1351/goldbook.A00204 . Consultado el 2 de septiembre de 2010. Archivado desde el original el 21 de agosto de 2011.  
  14. Enoles . _ IUPAC. Compendio de terminología química, 2ª ed. (el "Libro de Oro"). doi : 10.1351/goldbook.E02124 . Consultado el 2 de septiembre de 2010. Archivado desde el original el 21 de agosto de 2011.  
  15. Fenoles . _ IUPAC. Compendio de terminología química, 2ª ed. (el "Libro de Oro"). doi : 10.1351/goldbook.P04539 . Consultado el 2 de septiembre de 2010. Archivado desde el original el 21 de agosto de 2011.  
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Literatura

Enlaces