¿Qué es la química orgánica?
La química orgánica, también conocida como química de los compuestos del carbono, es la ciencia que estudia la composición, estructura, propiedades, métodos de preparación y aplicaciones de los compuestos orgánicos. Es una rama sumamente importante de la química. Los compuestos que contienen carbono se llaman compuestos orgánicos porque los químicos en el pasado creían que las sustancias que contienen carbono debían ser producidas por seres vivos (organismos). Sin embargo, en 1828, el químico alemán Friedrich Weller, en el laboratorio, realizó la primera síntesis exitosa de urea (); una molécula biológica) en 1998. Desde entonces, la química orgánica rompió con la definición tradicional y se expandió a la química de sustancias que contienen carbono.
Objetos de investigación
No existe una línea divisoria absoluta entre compuestos orgánicos y compuestos inorgánicos. La razón por la que la química orgánica se ha convertido en una materia independiente de la química es que los compuestos orgánicos tienen sus conexiones y características inherentes.
El elemento carbono de la tabla periódica generalmente logra una configuración electrónica estable (es decir, forma un enlace valeroso) mediante el uso de electrones externos con átomos de otros elementos. La combinación de este enlace valente determina las características de los compuestos orgánicos. La mayoría de los compuestos orgánicos están compuestos de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, y algunos también contienen halógenos y elementos como azufre, fósforo y nitrógeno. Por tanto, la mayoría de los compuestos orgánicos tienen propiedades como bajos puntos de fusión, ser inflamables y fácilmente solubles en disolventes orgánicos, que son muy diferentes a las propiedades de los compuestos inorgánicos.
En las moléculas de compuestos orgánicos que contienen múltiples átomos de carbono, los átomos de carbono se combinan entre sí para formar el esqueleto de la molécula, y los átomos de otros elementos están conectados al esqueleto. Ningún otro elemento de la tabla periódica está unido entre sí con tanta fuerza como el carbono. Los esqueletos moleculares formados por átomos de carbono tienen muchas formas, incluidas las de cadena lineal, cadena ramificada, cíclicas, etc.
En los primeros días del desarrollo de la química orgánica, las principales materias primas de la industria química orgánica eran los animales y las plantas. La química orgánica estudiaba principalmente la separación de compuestos orgánicos de animales y plantas.
Desde mediados del siglo XIX hasta principios del XX, la industria química orgánica recurrió paulatinamente al alquitrán de hulla como principal materia prima. El descubrimiento de los tintes sintéticos ha llevado al vigoroso desarrollo de las industrias farmacéutica y de tintes y ha promovido la investigación sobre compuestos aromáticos y compuestos heterocíclicos. Después de la década de 1930 surgió la síntesis orgánica utilizando etileno como materia prima. Alrededor de la década de 1940, las materias primas de la industria química orgánica pasaron gradualmente al petróleo y el gas natural, y se desarrollaron las industrias del caucho sintético, los plásticos sintéticos y las fibras sintéticas. A medida que los recursos petroleros se agoten cada vez más, la industria química orgánica que utiliza carbón como materia prima seguramente volverá a desarrollarse. Por supuesto, los animales, las plantas y los microorganismos naturales siguen siendo importantes objetos de investigación.
Para resumir el objeto de investigación de la química orgánica en la frase más concisa, es "cómo formar enlaces carbono-carbono". La química orgánica es la química del carbono. Para decirlo sin rodeos, el contenido de la química orgánica es el estudio de cómo construir un edificio (o un pequeño edificio) de átomos de carbono. Porque las moléculas orgánicas que son útiles para las personas son generalmente grandes y complejas, mientras que las materias primas que las personas tienen a su disposición y pueden obtener fácilmente suelen ser pequeñas y simples.
Resultados de la investigación
La química orgánica natural estudia principalmente la composición, síntesis, estructura y propiedades de los compuestos orgánicos naturales. Desde principios del siglo XX hasta los años 30 se determinaron sucesivamente las estructuras de los monosacáridos, aminoácidos, nucleótidos, taurocolato, colesterol y algunos terpenos, y la composición de péptidos y proteínas; desde los años 30 hasta los 40 se determinaron algunas vitaminas, esteroides; La estructura de las hormonas y los polisacáridos, y se completó la investigación sobre la estructura y síntesis de algunas hormonas esteroides y vitaminas alrededor de los años 1940 y 1950, se descubrieron algunos antibióticos como la penicilina y se completó la determinación y síntesis de la estructura en los años 1950; se completaron algunas hormonas esteroides Síntesis total de compuestos y alcaloides como la morfina, síntesis de pequeños péptidos biológicamente activos como la oxitocina, determinación de la estructura química de la insulina, descubrimiento de la estructura helicoidal de las proteínas y de la estructura de doble hélice del ADN; en los años 1960 se llevó a cabo la síntesis total de insulina y baja síntesis de polinucleótidos; desde los años 1970 hasta principios de los años 1980 se llevó a cabo la síntesis total de prostaglandinas, vitamina B12 y hormonas de feromonas de insectos, se determinaron las estructuras de los ácidos nucleicos y maitansinoide y sus se completó la síntesis total, etc.
La síntesis orgánica estudia principalmente la síntesis de compuestos orgánicos a partir de compuestos o elementos más simples mediante reacciones químicas. La urea se sintetizó en la década de 1830; el ácido acético se sintetizó en la década de 1840.
Posteriormente se sintetizaron una serie de ácidos orgánicos como el ácido glucónico, el ácido cítrico, el ácido succínico y el ácido málico. En la segunda mitad del siglo XIX se sintetizaron diversos colorantes, en la década de 1940, el DDT, los pesticidas organofosforados y. se sintetizaron fungicidas organosulfurados, herbicidas y otros pesticidas; a principios del siglo XX se sintetizaron 606 agentes. En las décadas de 1930 y 1940 se sintetizaron más de mil compuestos de sulfonamida, algunos de los cuales pueden usarse como fármacos.
Métodos de investigación
El desarrollo de métodos de investigación en química orgánica ha pasado por un proceso que va desde operaciones manuales hasta la automatización y la informatización, y desde cantidades constantes hasta cantidades ultratrazas.
Antes de la década de 1940, se utilizaban métodos tradicionales de destilación, cristalización, sublimación y otros para purificar productos, y métodos de degradación química y preparación de derivados para determinar la estructura. Posteriormente, la aplicación de diversas técnicas de cromatografía y electroforesis, especialmente la aplicación de cromatografía líquida de alta presión, cambió el aspecto de la tecnología de separación. El uso de diversas técnicas espectroscópicas y espectroscópicas de energía permite a los químicos orgánicos estudiar el movimiento interno de las moléculas, revolucionando los medios de determinación estructural. La introducción de las computadoras electrónicas ha hecho que los métodos de separación y análisis de compuestos orgánicos sean un gran paso hacia la automatización y la cuantificación ultramicro. La espectroscopia de RMN y la espectroscopia infrarroja con tecnología de transformada de Fourier proporcionan nuevos medios para el estudio de la cinética y los mecanismos de reacción. Estos instrumentos, junto con el análisis estructural de rayos X y el análisis espectroscópico de difracción de electrones, ya pueden determinar la estructura química de muestras a nivel de microgramos. También se han logrado algunos avances en la investigación sobre el uso de computadoras electrónicas para diseñar rutas sintéticas. El desarrollo futuro de la química orgánica se centrará primero en el desarrollo y utilización de energía y recursos. La mayor parte de la energía y los recursos que utilizamos hasta la fecha, como el carbón, el gas natural, el petróleo, los animales, las plantas y los microorganismos, son formas de energía solar almacenadas químicamente. En el futuro, un tema importante en algunas disciplinas será el aprovechamiento más directo y eficaz de la energía solar.
La investigación en profundidad y la utilización efectiva de la fotosíntesis es un tema común en fisiología vegetal, bioquímica y química orgánica. La química orgánica puede utilizar reacciones fotoquímicas para generar compuestos orgánicos de alta energía y almacenarlos cuando sea necesario, utilizar sus reacciones inversas para liberar energía; Otro objetivo del desarrollo de recursos es fijar dióxido de carbono con la acción de compuestos organometálicos para producir una infinita variedad de compuestos orgánicos. La investigación en estas áreas ha logrado algunos resultados preliminares. El segundo paso es investigar y desarrollar nuevos catalizadores orgánicos que puedan simular los métodos de reacción de las enzimas, eficientes y suaves, de alta velocidad. La investigación en esta área ya ha comenzado y habrá un mayor desarrollo en el futuro. A finales de la década de 1960, se inició la investigación sobre el diseño de síntesis orgánica asistido por ordenador. En el futuro, el diseño de rutas de síntesis orgánica y la determinación de la estructura de compuestos orgánicos seguramente serán más sistemáticos y lógicos.
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