TEMA 12: Resurgimiento de la química orgánica

Química Orgánica: Orígenes y Desarrollo

Desde los primeros tiempos de la actividad química, se conocían compuestos que provenían de animales y vegetales, diferentes de los minerales. Estos compuestos, más tarde llamados "orgánicos", se diferenciaban de los inorgánicos por su origen en seres vivos. La química se dividió en orgánica e inorgánica a finales del siglo XVIII, con Torbern Olof Bergman en 1771, debido a la creencia de que los compuestos orgánicos necesitaban una "fuerza vital" para formarse.

Primeros pioneros

Carl Wilhelm Scheele y Jean Rudolf Glauber hicieron importantes descubrimientos experimentales con compuestos orgánicos, aislando y descubriendo muchos de ellos. Antoine Lavoisier, en sus trabajos cuantitativos en 1784, identificó que los compuestos orgánicos siempre contenían carbono, además de hidrógeno y, frecuentemente, oxígeno, nitrógeno y otros elementos.

Definición de Química Orgánica

Leopold Gmelin, en 1847, definió los compuestos orgánicos como aquellos que contienen carbono, mientras que la química inorgánica abarca todos los demás elementos y sus combinaciones. Aunque hoy en día muchos compuestos orgánicos pueden ser sintetizados a partir de inorgánicos y existen compuestos de carbono sin propiedades orgánicas, la división sigue siendo útil para la clasificación y estudio de los compuestos químico.

Desarrollo de la Química Orgánica

A principios del siglo XIX, los químicos empezaron a investigar más profundamente los compuestos orgánicos para determinar sus propiedades y reacciones. Durante la primera mitad del siglo XIX, se descubrieron muchas propiedades y métodos de síntesis de los compuestos orgánicos. En la segunda mitad del siglo, se sentaron las bases teóricas de la química orgánica, y su desarrollo experimentó un crecimiento explosivo, continuando hasta la actualidad.

Importancia de la química orgánica

La química orgánica es fundamental para entender la estructura y reactividad de los compuestos que forman la base de los seres vivos. Su desarrollo ha llevado a importantes avances en diversos campos, como la farmacología, la biotecnología y los materiales, destacando su relevancia en la investigación científica y en la industria.

Necesidad de una clasificación en química orgánica

Desde los primeros tiempos de la actividad química, se intentó clasificar los compuestos orgánicos basándose en su procedencia y características. Nicolas Lemery, en su Curso de Chimie (1675), fue uno de los primeros en diferenciar entre sustancias minerales, animales y vegetales. Sin embargo, a principios del siglo XIX, especialmente entre 1820 y 1840, la cantidad de compuestos orgánicos descubiertos, tanto naturales como sintéticos, creció exponencialmente. Este incremento llevó a los científicos a sentir la necesidad de una clasificación más rigurosa y científica.

Clasificación por Radicales

El primer intento significativo de clasificación científica lo realizó Jöns Jacob Berzelius. Al observar que la química orgánica y la inorgánica obedecían las mismas leyes electroquímicas, propuso que todos los compuestos orgánicos estaban constituidos por oxígeno combinado con un radical. Berzelius basó su hipótesis en la existencia de radicales preexistentes en ciertos compuestos, como presentó en su Ensayo sobre la teoría de las proporciones químicas (1819). Sin embargo, el término radical ya había sido utilizado por Antoine Lavoisier y Louis-Bernard Guyton de Morveau para describir la parte de una sustancia que permanecía inalterada en sus reacciones. Ejemplos de radicales identificados incluyen el benzoilo, descubierto por Justus von Liebig y Friedrich Wöhler en 1832 al trabajar con aceite de almendras amargas, y otros como el metilo, el eterino y el cacodilo, investigados por Robert Bunsen y Jean-Baptiste Dumas, entre otros.

Problemas y Evolución de la Teoría

A pesar del progreso, surgieron problemas con la teoría de Berzelius. Diferencias en la valoración de los pesos atómicos llevaban a inconsistencias en los datos obtenidos por distintos investigadores. Además, ciertos experimentos revelaron nuevas ideas cruciales. Por ejemplo, Liebig y Wöhler, tras analizar el fulminato y el cianato de plata, respectivamente, descubrieron que ambos compuestos tenían la misma composición pero diferente estructura interna. Este hallazgo llevó a Berzelius a desarrollar la idea de la isomería en 1831, que explicaba en parte la gran cantidad de compuestos orgánicos en comparación con los inorgánicos y subrayaba la importancia de la constitución molecular.

Jean-Baptiste Dumas, investigando las velas de alumbrado y el blanqueo con cloruros, descubrió que el hidrógeno en el cloroformo podía ser sustituido por un halógeno. Su alumno, Charles Frédéric Gerhardt, afirmó que se trataba de un proceso de sustitución de un hidrógeno electropositivo por un cloro electronegativo, desarrollando así la teoría de las sustituciones. Esta teoría desafió la clasificación por radicales de Berzelius y llevó al establecimiento de un nuevo método de clasificación, el de los tipos.

Clasificación por Tipos en Química Orgánica

La clasificación por tipos representó un concepto innovador y completamente diferente al de Berzelius. Esta metodología fue introducida inicialmente por Jean-Baptiste Dumas, quien propuso la idea de clasificar los compuestos orgánicos según los "tipos químicos". Los tipos químicos son moléculas que comparten propiedades fundamentales y generan reacciones similares.

Desarrollo de la Teoría

El desarrollo completo de esta teoría requirió la colaboración de dos químicos franceses destacados: Auguste Laurent (1808-1853) y Charles Gerhardt (1816-1856). Ambos fueron discípulos de Dumas y trabajaron en los laboratorios de Justus von Liebig en Giessen. A pesar de sus diferencias de personalidad, su colaboración fue extremadamente fructífera. Laurent era imaginativo y de temperamento artístico, mientras que Gerhardt era más agresivo e impetuoso. Juntos, fundaron la prestigiosa revista Comptes rendus des travaux chimiques, que sigue existiendo hoy en día.

 

Química Orgánica Estructural

Después de los primeros intentos de clasificación de los compuestos orgánicos desarrollados en la primera mitad del siglo XIX, los químicos comenzaron a investigar los mecanismos de formación de estos compuestos. Este enfoque dio lugar a la química estructural, que buscaba entender la composición de los compuestos orgánicos y cómo estaban unidos sus elementos.

 Soporte Experimental

Para caracterizar cualquier compuesto, era esencial obtenerlo en estado puro, lo cual era extremadamente difícil para los compuestos orgánicos. Los compuestos orgánicos, ya sean aislados de productos naturales o sintetizados, siempre se obtenían mezclados con impurezas. Este problema inicial debía ser resuelto para determinar con precisión sus características físicas (peso atómico, puntos de fusión y ebullición, etc.) y químicas.

Justus von Liebig (1803-1873) fue fundamental en este ámbito. Nacido en Darmstadt, Alemania, en una época de empobrecimiento general tras las guerras napoleónicas, Liebig mostró gran inteligencia desde joven y estudió química en varias universidades alemanas. A los 19 años, obtuvo una beca en París, donde fue alumno de Gay-Lussac y Thenard. En 1824, regresó a Alemania para trabajar en la Universidad de Giessen, donde estableció un instituto privado de farmacia. Sus laboratorios en Giessen se convirtieron en un modelo para otros países, y sus clases prácticas atrajeron a estudiantes de todas partes. Liebig se dedicó al análisis orgánico y fundó la revista Annalen der Chemie und Pharmacie. Además, desarrolló el análisis elemental cuantitativo en 1831 y estableció la importancia de la pureza en el análisis químico.

 El Mundo de las Ideas

Para comprender cómo se unían los átomos en las moléculas orgánicas, se realizaron numerosos experimentos para romper las moléculas y analizar sus componentes. El químico inglés Edward Frankland (1825-1899), amigo de Hermann Kolbe y estudiante en el laboratorio de Bunsen, observó que la capacidad de combinación de un elemento se satisfacía siempre con el mismo número de átomos, lo que le llevó a la idea de la valencia. Sin embargo, August Kekulé desarrolló esta idea de manera práctica, explicando cómo se unen los átomos en las moléculas orgánicas.

Kekulé y la Química Estructural

August Kekulé von Stradonitz (1829-1896) estudió con científicos destacados como Liebig, Dumas y Gerhardt. Inicialmente interesado en la arquitectura, Kekulé se dedicó a la química influenciado por Liebig. Kekulé propuso las "fórmulas desarrolladas" para los compuestos orgánicos, representando las cadenas de átomos. También formuló la tetravalencia del carbono en 1857, aunque la idea ya había sido sugerida por Kolbe y Archibald Couper de forma simultánea e independiente. Las ideas de doble y triple enlace de Loschmidt, que ayudaron a interpretar los análisis cuantitativos de olefinas y acetileno, fueron utilizadas por Kekulé y Erlenmeyer en la década de 1860.

Kekulé es especialmente conocido por resolver la estructura del benceno en 1865, proponiendo un modelo cíclico hexagonal con tres enlaces dobles alternando con tres enlaces simples. Esta propuesta fue ampliamente aceptada, excepto por Kolbe, quien se opuso hasta su muerte. En 1872, Kekulé sugirió la existencia de un equilibrio dinámico entre las dos formas posibles del benceno, anticipando la teoría de la resonancia.

 Estereoquímica: Avance haca las Tres Dimensiones

El avance de la estereoquímica marcó una transición crucial desde las fórmulas estructurales bidimensionales de Kekulé, situadas en un plano, hacia modelos tridimensionales que explicaban la disposición espacial de los átomos en las moléculas orgánicas.

Impacto y Perspectivas

A pesar de la oposición inicial de Kolbe, la estereoquímica se estableció firmemente entre los químicos, abriendo nuevas perspectivas tanto para la química orgánica como para toda la química. Estos descubrimientos revelaron la complejidad de la estructura molecular y sentaron las bases para entender cómo la disposición tridimensional de los átomos afecta las propiedades y reactividad de las moléculas.

Desarrollo y Avances en la Síntesis Orgánica

Durante el siglo XIX, la química orgánica experimentó un desarrollo sin precedentes, impulsado por el descubrimiento y la síntesis de numerosos compuestos clave. Iniciando con el aislamiento del benceno por Michael Faraday en 1825, se estableció el fundamento para la exploración sistemática de estructuras moleculares. La investigación de Justus von Liebig en 1831 condujo al descubrimiento de la acetona y el cloroformo, ampliando el espectro de compuestos conocidos y facilitando avances en la química orgánica aplicada.

Un hito crucial ocurrió en 1859, cuando Hermann Kolbe demostró que era posible sintetizar ácido salicílico a partir de compuestos inorgánicos, desafiando la noción entonces predominante de que los compuestos orgánicos solo podían ser obtenidos de fuentes naturales. Esta síntesis marcó el comienzo de una era de desarrollo acelerado en la química orgánica, facilitada por los avances teóricos en química estructural y estereoquímica.

En 1864, Charles Friedel y James Mason Crafts revolucionaron la síntesis orgánica al desarrollar un método utilizando tricloruro de aluminio como catalizador para la producción de compuestos aromáticos. Este avance no solo amplió el arsenal de compuestos disponibles, sino que también estableció las bases para aplicaciones industriales significativas en la petroquímica y otras áreas.

En 1871, Victor Grignard introdujo los compuestos organometálicos, proporcionando una nueva y poderosa herramienta para la síntesis orgánica. Este descubrimiento, iniciado como parte de su tesis doctoral, eventualmente le valió el Premio Nobel de Química en 1912, compartido con Paul Sabatier, quien en 1897 desarrolló métodos de hidrogenación catalítica que permitieron la modificación controlada de estructuras orgánicas.

Estos avances no solo transformaron la química orgánica como disciplina científica, sino que también sentaron las bases para el surgimiento de industrias como la farmacéutica, la cosmética y la producción de polímeros. El siglo XIX culminó con la consolidación de la síntesis orgánica como un campo fundamental y próspero, donde los métodos de laboratorio se combinaban con los avances teóricos para explorar nuevas fronteras en la química de los compuestos carbonados.

Auge de la Química Orgánica: Presente y Futuro

A lo largo del siglo XX, la química orgánica continuó evolucionando de manera significativa, fortalecida por el surgimiento de las teorías electrónicas y el desarrollo de la mecánica cuántica. Estos avances teóricos, como la noción de resonancia introducida por Heisenberg en 1926 y la hibridación de orbitales, revolucionaron la comprensión de las estructuras moleculares, proporcionando herramientas fundamentales para los químicos orgánicos.

El estudio de los mecanismos de reacción en química orgánica se profundizó considerablemente, permitiendo una interpretación más precisa de las rutas y productos de reacción. Contribuciones notables desde el siglo XIX, como las de Wittig y Marcownikoff, se consolidaron en el siglo XX con trabajos cruciales de figuras como Robert Robinson y Christopher K. Ingold. Estos químicos no solo avanzaron en la comprensión de la estructura molecular, sino que también establecieron conceptos clave como la mesomería, sentando las bases para la síntesis orgánica moderna.

Christopher K. Ingold, reconocido como un gran sistematizador de la química orgánica, introdujo principios de química física para mejorar el estudio de esta disciplina. Además, Linus Pauling destacó por reconocer la importancia de la mecánica cuántica en la química orgánica, impulsando aún más su desarrollo teórico.

En los años 1950, la química orgánica experimentó una segunda revolución con el estudio avanzado de la catálisis y la selectividad de los procesos orgánicos. Innovaciones como las reglas de conservación de simetría orbital de Woodward y Hoffmann en 1965, así como el método de los orbitales frontera desarrollado por Fukui en 1952, permitieron predecir y entender mejor las reacciones químicas desde una perspectiva mecano-cuántica.

El surgimiento de la química supramolecular en 1988 introdujo nuevas perspectivas en la organización molecular, mientras que el avance de la informática amplió los horizontes de la química orgánica. Esto se reflejó en el desarrollo de potentes métodos analíticos y la posibilidad de síntesis programadas por computadora, liderada por Elias Corey a partir de 1990.

Los compuestos orgánicos, durante mucho tiempo relegados por los químicos, experimentaron un resurgimiento notable en el siglo XIX. Este conjunto de sustancias abrió un mundo completamente nuevo que requería ser descubierto y explorado con rigor científico. El desarrollo simultáneo de la química física y los avances en métodos analíticos fueron fundamentales para construir el marco de la química orgánica. Esta disciplina no solo recibió contribuciones significativas de otras ramas químicas, como la química física y analítica, sino que también reciprocó con importantes avances teóricos, como la teoría de la valencia y los principios de la estereoquímica. Además, su influencia en la tecnología analítica destacó como prueba de su impacto multidimensional en el panorama científico del siglo XIX.