Definición de Química Orgánica/Compuestos del Carbono composición, y reacciones

La química orgánica estudia el comportamiento de prácticamente todos los compuestos que contienen carbono (compuestos orgánicos que se encuentran en casi todos los aspectos de la vida.) y es quien mejor relaciona la estructura de cada de uno de ellos con sus propiedades químicas.

La química es la ciencia que se encarga de estudiar las propiedades, composición y transformaciones de la materia, es considerada una ciencia ancestral que a partir del siglo XIX comenzó a modernizarse, gracias al desarrollo tecnológico e intelectual de la sociedad. Podemos ver fácilmente cómo la química se encuentra en muchas de nuestras actividades diarias tales como: la combustión que proporciona energía a los automóviles, el funcionamiento celular de nuestro organismo, la cocción de los alimentos, entre otros.

Cuando hablamos de química como ciencia, podemos clasificarla generalmente en dos grandes categorías: la química inorgánica y la química orgánica. Inicialmente, esta clasificación se daba dependiendo de donde provenían los compuestos químicos a estudiar, es decir, la química inorgánica era definida como aquella que se ocupaba del estudio de las sustancias derivadas de la materia inerte, como por ejemplo los metales, sales y minerales; por el otro lado, la química orgánica era considerada aquella que se ocupaba del estudio de las sustancias obtenidas de fuentes naturales y vivas, por lo tanto, los compuestos orgánicos debían provenir de organismos como los vegetales y animales, y estas no podrían ser sintetizadas a través de otras sustancias.

Con el paso del tiempo, la teoría que sustentaba la definición de la química orgánica fue descartada por el químico alemán Friedrich Wohler, quien logró preparar el compuesto orgánico urea partiendo de la reacción de dos compuestos inorgánicos, cianato de plomo y amoniaco:

Pb(OCN)₂ + 2NH₃ + 2H₂O → 2(NH₂)₂CO + Pb(OH)₂

Los estudios de Wohler demostraron que no necesariamente los compuestos orgánicos podían provenir de fuentes naturales y vivas, sino que también podían ser sintetizados en un laboratorio. Los cambios que planteó este descubrimiento sentaron las bases para iniciar la búsqueda de una nueva definición para la química orgánica, donde científicos notaron que los compuestos orgánicos tienen la particularidad de que todos contienen el elemento de carbono, por lo que surgió así una nueva definición de la química orgánica, como la química que estudia los compuestos del carbono.

En este sentido, podemos diferenciar la química inorgánica de la química orgánica, ya que el principal elemento estructural de todos los compuestos orgánicos es el carbono, el cual se encuentra unido generalmente a otros átomos como el hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre; por el otro lado, los compuestos inorgánicos no necesariamente contienen carbono, sin embargo esto no significa que el carbono no forme parte de algunos compuestos inorgánicos tales como dióxido de carbono (CO2) monóxido de carbono (CO) y algunas sales como los carbonatos (CO3).

¿Qué tienen de especial los compuestos del carbono?

El carbono es un elemento químico que se encuentra en la tabla periódica, está ubicado en el grupo 14 y se considera un no metal, se encuentra en dos formas alotrópicas (grafito y diamante) y tiene la facilidad de concatenarse. Esta última característica es una propiedad única del carbono, lo cual la hace especial, ya que se refiere a la facilidad que tiene el carbono de unirse entre sí, permitiendo formar cadenas lineales, ramificadas y anillos que contienen gran cantidad de átomos de carbono. Debido a esta propiedad hoy día existen miles de moléculas orgánicas con diferentes arreglos atómicos y cada uno de estos posee características físicas y químicas distintas.

Como se mencionó anteriormente, el carbono tiene la capacidad de unir un átomo de carbono con otro, formando lo que se conoce como un enlace químico. En la química orgánica se pueden formar enlaces sencillos, enlaces dobles y enlaces triples entre los átomos carbono-carbono, algunos ejemplos se muestran a continuación en la figura 1.

Figura 1. Representación de enlaces orgánicos

¿Cuál es la composición de los compuestos orgánicos?

Tal como se señaló recientemente, el elemento constitutivo principal de los compuestos orgánicos es el carbono, sin embargo, el hidrógeno también se encuentra en gran cantidad dentro de las estructuras orgánicas. Igualmente, otros elementos que podemos ver unidos a estas cadenas carbonadas, pero en menor cantidad son: el oxígeno, nitrógeno, azufre, fósforo, cloro, bromo, yodo, flúor, entre otros. En la figura 2, se muestran compuestos orgánicos constituidos por una gran variedad de átomos.

Figura 2. Representación de la composición de los compuestos orgánicos

¿Qué tipos de compuestos orgánicos existen?

En la química orgánica los compuestos más sencillos están formados por carbono e hidrógeno y se conocen como hidrocarburos, si nos basamos en su estructura los hidrocarburos pueden clasificarse en hidrocarburos alifáticos e hidrocarburos aromáticos.

Hidrocarburos alifáticos

Son aquellos que están formados por los átomos de carbono e hidrógeno y no contienen el grupo benceno, estos a su vez se clasifican en alcanos, alquenos y alquinos.

Alcanos: En estos compuestos cada átomo de carbono está unido a otros cuatro átomos y solo forman enlaces sencillos, se caracterizan por tener la fórmula general CnH2n+2, donde n=1,2,3… Estos compuestos son relativamente estables, tienen características no polares y son insolubles en agua. En la tabla 1 se presentan algunos de los alcanos y cicloalcanos más conocidos.

Alquenos: También conocidas como olefinas, se caracterizan por tener un doble enlace carbono-carbono, poseen la fórmula general CnH2n, donde n=2,3,4… En la tabla 2 se muestran algunas estructuras correspondientes a los alquenos.

Alquinos: Estos se caracterizan por que poseen uno o varios triples enlaces carbono-carbono, su fórmula general es CnH2n-2, donde n=2,3,4… En la tabla 3 se muestran algunos alquinos.

Hidrocarburos aromáticos

También llamados arenos, su estructura base es el benceno, el cual es una estructura cíclica conjugada que está compuesta por 6 átomos de carbono. En la tabla 4 se muestran algunas de estas estructuras.

Grupos Funcionales Orgánicos

Es el átomo o grupo de átomos que se encuentra unido a la estructura del hidrocarburo y es el responsable de las reacciones que experimenta el compuesto. Entre los grupos funcionales orgánicos más comunes están: Alcohol, aldehído y cetona, ácido carboxílico, éter, amina, amida, anhídrido de ácido y éster. En la tabla 5 se muestran algunos de los grupos funcionales en compuestos orgánicos.

¿Qué tipos de reacciones ocurren en los compuestos orgánicos?

Como se mencionó anteriormente, los grupos funcionales son los responsables de las reacciones que ocurren entre los compuestos orgánicos, en este caso ocurre una interacción entre una molécula y la otra, de tal manera que algunos enlaces se rompen y otros se forman generando nuevas moléculas. En general estas reacciones se dividen en: adición, sustitución y eliminación.

Reacciones de adición

Como su nombre lo indica, en estas reacciones las moléculas son capaces de aceptar y adicionar átomos o grupos de átomos, sin sobrepasar los números de coordinación máximos de sus propios átomos. Estas reacciones ocurren en compuestos insaturados. A continuación, se muestran algunos ejemplos sobre esta reacción.

Figura 3. Reacciones de adición

Reacciones de sustitución

Esta tiene lugar cuando el átomo del reactivo reemplaza a un grupo de la molécula con la cual reaccionó, esta puede ocurrir en átomos de carbono tanto insaturados como saturados. En la figura 4, se muestran algunos ejemplos de dichas reacciones.

Figura 4. Reacciones de sustitución

Reacciones de eliminación

En estas reacciones los átomos de una molécula, generalmente distinto del carbono, son removidos, dando la formación de enlaces múltiples o anillos. En la figura 6 se muestran dos reacciones como ejemplo de las reacciones de eliminación.

Figura 5. Reacciones de sustitución