Breve historia de la Química Orgánica

Estupendo post para introducir la Química Orgánica a mis alumnos de ESO y Bachillerato, extraído del siguiente enlace:

http://elcuadernodecalpurniatate.com/2013/10/20/breve-historia-de-la-quimica-organica-por-bernardo-herradon/

Siempre me resultó divertido mover electrones. Aquellas flechas representaban el movimiento de electrones entre átomos de carbono y algún átomo de oxígeno y nitrógeno (que también hay otros átomos en los compuestos orgánicos además de carbono e hidrógeno). Había que tener cuidado con las cargas y vigilar que no nos quedara ningún carbono pentavalente (el peor insulto a un químico orgánico). Si lo hacías bien podías ver que el carbono carbonílico tiene carácter electrófilo, explicar cómo ocurre la reacción  Diels-Alder  entre un dieno y un filodieno (o dienófilo), jugar con la apertura de los epóxidos y con los enolatos de un éster para la condensación de Claisen. La Química Orgánica siempre me resultó creativa y muy entretenida, aunque entre nosotros, los problemas de Química Analítica y, sobre todo, el estudio de los elementos químicos en Química Inorgánica (en especial, de los metales de transición y su Química, la Química de Coordinación) eclipsaban aquellos policiacos de Química Orgánica. Aun así, nunca es tarde, y ahora vuelvo a revivir mis clases de Química Orgánica con mucho gusto de la mano de mi maestro Bernardo Herradón. De hecho, disfruté especialmente explicando la Química Orgánica de 1º Bachillerato en el IES El Espinillo, aunque nunca lo he podido admitir delante del maestro…

qorg

Lo confieso. A veces soy #carbonocentrista. Pero no siempre…¡Vivan los orbitales d!

¿Cómo empezar una clase de Química Orgánica? Habría que hablar del carbono, justificar su covalencia 4 y no 2 como cabría esperar de su teórica configuración electrónica en estado fundamental. Después, en honor a Pauling, la hibridación de orbitales s y p para justificar los enlaces. Y entonces: alcanos, alquenos, alquinos, alcoholes… Propiedades, estructura, nomenclatura y formulación. ¡Sin olvidar la isomería! Pero hay algo que no podemos olvidar. Algo que debe estar presente en las clases de Química Orgánica, al igual que en cualquier clase de Química…¡Su historia! Precisamente, hoy tienes una clase de historia de la Química Orgánica con el maestro Bernardo Herradón. De sus clases, las cuales puedes escuchar en El nanoscopio #2 (del vitalismo al congreso de Karlsruhe) y El nanoscopio #3 (del congreso de Karlsruhe a la estereoquímica) de las notas que tomó la señorita Tate y de los libros leídos por Calpurnia (siempre tenía la manía de pasar los apuntes a limpio y completar con sus libros) surgen estas anotaciones. Esta Breve historia de la Química Orgánica. ¡Empieza la clase! ¡Todos atentos!

BERNARDOCLASEORGÁNICA

El maestro Bernardo en su despacho preparando su clase. 

Hoy en día se sigue hablando de Química Orgánica, aunque son muchos los textos que prefieren hablar de Química del carbono. ¿Por qué? Digamos que aquello de orgánico vs inorgánico es algo ya obsoleto. En 1675, el químico francés Nicolas Lémery (1645-1715) clasificó los compuestos químicos en 3 grandes grupos (animales, vegetales y minerales) en su Cours de Chimie. Más tarde, en 1784, el gran Lavoisier (1743-1794) demostraría que los compuestos vegetales y animales contenían al menos carbono e hidrógeno y también frecuentemente, nitrógeno y fósforo. Un mismo compuesto podía proceder de una fuente animal y vegetal, perfectamente.  La clasificación de Lémery duró poco… En 1807, Berzelius (1779-1848) propuso la división en compuestos inorgánicos y compuestos orgánicos, en función de si eran o no producidos por seres vivos. Además, los compuestos orgánicos parecían seguir unas leyes distintas a la de los compuestos inorgánicos… Y por supuesto, la obtención de compuestos orgánicos a partir de especies inorgánicas era impensable. La formación de compuestos orgánicos requería una fuerza impulsora, vis vitalis, sólo presente en organismos vivos.

Esta teoría, conocida como teoría de la fuerza vital o del vitalismo empezará a tambalearse en 1828 cuando el químico alemán Friedrich Wohler (1800-1882) escribió a su maestro Berzelius: “He sido capaz de preparar urea sin necesidad de riñones humanos ni caninos”.

ureaWöhler

¡No necesito riñones para preparar urea!  Wohler preparó urea a partir de amoniaco y cianato de plomo (II), que al reaccionar formaban cianato de amonio que al calentarse se transformaba en urea. Por cierto, en otros experimentos distintos, Wohler  también obtuvo aluminio.  Fuente: Uruguay Educa.

Pero la urea y lo puramente orgánico no estaban muy lejanos. De hecho, la urea es un producto de desecho presente en la orina. Wohler dio un gran golpe al vitalismo, pero no el golpe mortal. En 1845, Adolph Wilhelm Hermann Kolbe (1818-1884) conseguirá llevar a cabo la síntesis total (obtención de un compuesto a partir de sus elementos constituyentes) del acido etanoico (acético) a partir de carbón vegetal y azufre. No había lugar a dudas. ¡El vitalismo se derrumbaba! Hacia 1850, el químico francés Pierre Eugène Martin Berthelot (1887-1907) había preparado metanol, etanol, etino (acetileno) y metano entre otros compuestos orgánicos. Era el comienzo de la síntesis orgánica y no había sitio para el vitalismo.

París-Berthelot

El chico electrón visitó la tumba de Berthelot  en París en las pasadas vacaciones de Navidad. ¿Recuerdas aquellas crónicas científicas

La Química Orgánica dará un gran impulso en 1856 cuando el joven químico inglés William Henry Perkin (1838-1907) que con 15 años había empezado a investigar en el laboratorio de Hoffman en Londres,  tratando de sintetizar quinina, obtuvo el primer colorante sintético: la malveína o malva de Perkin. Con el joven y rico Perkin comenzará la industria de los colorantes, pinturas, tintas…

perkin

Perkin junto a una prenda teñida con el colorante que él sintetizó. El maestro Herradón nos lo contó en este post.  Fuente: chm.bris.ac.uk

Poco a poco, los conceptos fundamentales de la Química Orgánica irán haciendo su aparición. En 1857, August Kékulé von Stradonitz (1829-1896) y Archibald Couper (1831-1892) establecerían la tetravalencia del carbono y la idea de concatenación (capacidad de los átomos de carbono a unirse formando cadenas que pueden superar el centenar).

concatenación

¡Cadena de átomos de carbono! Notar que es una cadena en zig-zag debido a la hibridación sp3 de los átomos de carbono que la forman. Podría haber tramos lineales de existir un enlace triple, lo que implica hibridación sp para los átomos de carbono. Fuente: jccanalda.es

En 1865, con Loschmidt, Frankland y Hofmann ya había hecho su aparación la idea de enlace simple, doble y triple. Aún así, había estructuras que se resistían. Desde que fue descubierto en 1825 por el gran Michael Faraday, la estructura del benceno se convirtió en un misterio para los químicos orgánicos de la época. Con el sueño de Kékulé en 1865  (aquella serpiente que mordía su cola simulando una estructura anular) llegaría a la idea de anillo (de hecho, hoy seguimos hablando del anillo aromático del benceno).

Kekulé

El sueño de Kekulé, uno de los sueños más productivos en la historia de la Ciencia. Fuente: Todo es Química-2012.

Tras la fórmula de Kékulé vendrán otras más. Cabe destacar las representaciones de Lothar Meyer (1830-1895), Henry Amstrong (1848-1899), Adolf von Baeyer (1837-1917), Adolf Claus (1840-1900), Wilhelm Koerner (1839-1925), Albert Ladenburg (1842-1911) o la de Thiele (1865-1918), entre otros.

reprebenceno

Algunas representaciones del benceno. Fuente: Textos científicos.

A la luz de las teorías de enlace químico de comienzos del siglo XX (Lewis-Kossel-Langmuir, 1916), la estructura del benceno podía ser explicada como un caso de resonancia. Hoy en día, tanto la Teoría del Enlace de Valencia (TEV) como la Teoría de Orbitales Moleculares (TOM) permiten explicar perfectamente la estructura del benceno atendiendo a la deslocalización de la nuble pi por encima y debajo del plano del anillo.

estructura-orbitales-benceno-sp2-orbitales-p

El enlace sigma en el benceno explica satisfactoriamente con la TEV considerando hibridación sp2 para cada carbono, existiendo solapamiento C(sp2)/ C(sp2) (enlace C-C) y solapamiento C(sp2)-H(1s) (enlace C-H). Cada C dispone de un orbital 2p perpendicular al plano del anillo para formar el enlace pi, que se puede explicar por TOM. Fuente: Quimitube.

bencenoPI

En enlace pi en el benceno puede explicarse por TOM considerando la combinación lineal de los 6 orbitales atómicos 2p (uno de cada C) para formar 6 orbitales moleculares, 3 de carácter enlazante (ocupados) y 6 de carácter antienlazante (vacíos). Fuente:UAM.

Pero dejemos el benceno a un lado. ¿Qué paso después de la teoría del vitalismo? Lo cierto es que la confusión imperaba en la Química Orgánica. ¿Cómo era posible que algo negativo (como el átomo de C) se uniese a algo negativo (como un átomo de cloro) en los compuestos orgánicos? ¿Es que los compuestos orgánicos no obedecen las leyes de los compuestos inorgánicos? Edward Franklan consiguió poner orden en 1852 con el concepto de valencia, quedan atrás otras teorías postvitalismo como la teoría de sustitución, la teoría de los residuos o la teoría de los tipos (1839-1844) defendidas por químicos como Laurent, Gerhardt, Dumas, Hofmann, Williamson o Wurtz, entre otros. Había nacido la Teoría Estructural de la Química Orgánica.

El orden llegó a la Química general en el congreso de Karlsruhe, el primer congreso internacional de Química. Tras el congreso, conceptos como “peso atómico” y “peso molecular” (hoy, masas) quedarían aclarados . Pero en Química Orgánica aún quedaba mucho por hacer. En 1874, el químico francés Joseph-Achielle Le Bel (1847-1930) y el químico holandes Jacobus Hendricus Van´t Hoff (1852-1911) apuntarían, de manera independiente, la disposición tetraédrica de los enlaces del carbono, lo cual sería básico para estudiar la estructura de los compuestos del carbono y la esteroisomería…

A todo esto, ¿qué pasó con la isomería? Este curioso fenómeno (dos o más compuestos químicos con la misma fórmula molecular tienen distintas propiedades fisicoquímicas) ya fue estudiado por Wohler y Justo Liebig (1809-1873), quienes trabajaron con fulminatos (AgNCO) y cianatos de plata (AgOCN). El propio Berzelius conoció estos experimentos y acuñó el término isómero.

BerzeliusNobelQuímica

Berzelius estuvo presente el pasado miércoles 9 de octubre en el acto de anuncio del Premio Nobel de Química 2013. ¿Le ves? 

En 1848, el gran Louis Pasteur (1822-1895), químico y padre de la microbiología, estudió los cristales de sales del ácido tartárico y de su racémico al microscopio, observando que existían dos clases de cristales de igual composición pero simétricos. Johannes Wislecenus (1835-1902) observará también que el ácido láctico producido en la actividad musuclar era ópticamente activo y no así el obtenido en las fermentaciones. Había nacido la isomería óptica. En 1885, Baeyer (1835-1917) introduciría los términos cis/trans para el caso de los isómeros geométricos en compuestos insaturados (hoy se prefiere la denominación Z/E). En 1888, Victor Meyer (1848-1897) introducirá el impedimento estérico, que tan útil resulta en Química Orgánica, y Conrad Loar (1853-1929), el concepto de tautomería.

impedimento estérico

El impedimento estérico radica en que los tamaños de determinados átomos o grupos de átomos pueden afectar a la Química de los compuestos orgánicos, desde desestabilizar determinadas conformaciones a afectar notablemente su reactividad. Fuente: ocwus.us.es

Poco a poco, la estereoquímica irá siendo estudiada con más detalles en otros sistemas químicos como en compuestos de nitrógeno (Le Bel, 1891), azocompuestos (Hantzsch, 1893), carbohidratos (Fischer, 1894), compuestos de azufre (Smiles, 1900), compuestos de selenio y estaño (Pope, 1900-1902) o compuestos de silicio (Kipping, 1907).

Hay mucho más personajes y muchos más acontecimientos que contar. De momento, hemos querido hacer un viaje expres por los principales protagonistas de la Química Orgánica y sus orígenes. Suena el timbre y tenemos que guardar el cuaderno y el estuche. Estaremos deseando acudir a la próxima clase del maestro Bernardo que ha sido generoso y no nos ha mandado deberes aunque sí una frase del propio Berthelot:

La Química crea su propio objeto. Esta facultad creadora, semejante al arte mismo, la distingue esencialmente del resto de ciencias naturales.

Bernardo Herradón  & Luis Moreno

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Una respuesta a “Breve historia de la Química Orgánica

  1. ¡Es un auténtico placer que te haya gustado! 🙂

Agradezco tu comentario

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