APORTES DE LOS CIENTIFICOS BERZELUS.BERTHELOT,KOLBEN

X. LA MOLÉCULA
Materia Orgánica
El término molécula (de la palabra latina que significa «masa pequeña») originalmente
se aplicó a la última unidad indivisible de una sustancia. Y, en cierto sentido, es una
partícula simple, debido a que no puede desintegrarse sin perder su identidad. En efecto,
una molécula de azúcar o de agua puede dividirse en átomos o grupos simples, pero en
este caso deja de ser azúcar o agua. Incluso una molécula de hidrógeno pierde sus
características propiedades químicas cuando se escinde en sus dos átomos de hidrógeno
constituyentes.
Del mismo modo como el átomo ha sido motivo de gran excitación en la Física del siglo
xx, así la molécula fue el sujeto de descubrimientos igualmente excitantes en la
Química. Los químicos han sido capaces de desarrollar imágenes detalladas de la
estructura de moléculas incluso muy complejas, de identificar el papel desempeñado por
moléculas específicas en los sistemas vivos, de crear elaboradas moléculas nuevas, y de
predecir el comportamiento de la molécula de una estructura dada con sorprendente
exactitud.
Hacia mediados de este siglo, las complejas moléculas que forman las unidades clave de
los tejidos vivos, las proteínas o los ácidos nucleicos, fueron estudiadas con todas las
técnicas puestas a disposición por una Química y una Física avanzadas. Las dos
Ciencias, «Bioquímica» (el estudio de las reacciones químicas que tienen lugar en el
tejido vivo) y «Biofísica» (el estudio de las fuerzas y fenómenos físicos implicados en
los procesos vivos), confluyeron para formar una nueva disciplina: la «Biología
molecular». A través de los hallazgos de la Biología molecular, la Ciencia moderna ha
logrado, en una sola generación de esfuerzos, todo salvo definir exactamente dónde se
halla la frontera entre lo vivo y lo inanimado.
Pero, hace menos de un siglo y medio, no se comprendía siquiera la estructura de la
molécula más sencilla.
Casi todo lo que los químicos de comienzos del siglo XIX podían hacer era dividir la
materia en dos grandes categorías. Desde hacía tiempo se habían percatado (incluso en
los días de los alquimistas) de que las sustancias pertenecían a dos clases claramente
distintas, por lo que se refería a su respuesta al calor. Un grupo —por ejemplo, sal,
plomo, agua— permanecía básicamente inalterado después de ser calentado. La sal
podía volverse incandescente cuando se calentaba, el plomo se fundía, el agua se
evaporaba —pero al enfriarse de nuevo a la temperatura de partida volvían a adquirir su
forma original, nada peor, aparentemente, para su experiencia—. Por otra parte, el
segundo grupo de sustancias —por ejemplo, el azúcar, el aceite de oliva— cambiaban de
forma permanente, por la acción del calor. El azúcar se acaramelaba al calentarse y
permanecía carbonizado después de enfriarse; el aceite de oliva se evaporaba y este
vapor no se condensaba al enfriarse. Eventualmente, los científicos notaron que las
sustancias resistentes al calor procedían por lo general del mundo inanimado del aire,
océano, y suelo, mientras que las sustancias combustibles procedían del mundo vivo,
* Edición en inglés en un solo volumen. Edición en castellano, 2 Volúmenes: Primera Parte:
Ciencias Físicas; Segunda Parte: Ciencias Biológicas. (N. de Xixoxux)
bien directamente de la materia viva o de sus restos muertos. En 1807, el químico sueco
Jöns Jakob Berzelius denominó «orgánicas» a las sustancias combustibles (debido a que
derivaban, directa o indirectamente, de los organismos vivos) y a todas las demás
«inorgánicas».
Inicialmente, la Química centró su atención sobre las sustancias inorgánicas. El estudio
del comportamiento de los, gases inorgánicos condujo al desarrollo de la teoría atómica.
Una vez se estableció tal teoría, se aclaró pronto la naturaleza de las moléculas
inorgánicas. El análisis mostró que las moléculas inorgánicas consistían, por lo general,
en un pequeño número de átomos diferentes en proporciones definidas. La molécula de
agua contenía dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno; la molécula de sal contenía un
átomo de sodio y uno de cloro; el ácido sulfúrico contenía dos átomos de hidrógeno, uno
de azufre. Y cuatro de oxígeno, etc.
Cuando los químicos comenzaron a analizar las sustancias orgánicas, el cuadro que se
les ofreció parecía ser totalmente distinto. Las sustancias podían tener exactamente la
misma composición y, no obstante, mostrar propiedades muy distintas. (Por ejemplo, el
alcohol etílico está compuesto de 2 átomos de carbono, 1 átomo de oxígeno y 6 átomos
de hidrógeno; también está compuesto así el éter dimetílico. No obstante, uno es un
líquido a la temperatura ambiente, mientras que el otro es un gas.)
Las moléculas orgánicas contenían muchos más átomos que las inorgánicas simples, y
parecían combinadas sin demasiada lógica. Simplemente, los compuestos orgánicos no
podían explicarse por las sencillas leyes de la Química, a las que tan maravillosamente
se adaptaban las sustancias inorgánicas. Berzelius decidió que la química de la vida era
algo distinto, algo que obedecía a su propia serie de sutiles reglas. Sólo el tejido vivo —
afirmó—. Podría crear un compuesto orgánico. Su punto de vista es un ejemplo del
«vitalismo».
¡Luego, en 1828, el químico alemán Friedrich Wöhler, un discípulo de Berzelius,
produjo una sustancia orgánica en el laboratorio! La obtuvo al calentar un compuesto
denominado cianato amónico, que era considerado en general como inorgánico. Wöhler
se quedó estupefacto al descubrir que, al ser calentado, ese material se convertía en una
sustancia blanca idéntica en sus propiedades a la «urea», un compuesto de la orina.
Según las teorías de Berzelius, sólo el riñón vivo podía formar la urea, y Wöhler la
acababa de producir a partir de una sustancia inorgánica, simplemente al aplicarle algo
de calor. Wöhler repitió la experiencia muchas veces, antes de atreverse a publicar su
descubrimiento. Cuando finalmente lo hizo, Berzelius y otros, al principio, rehusaron
creerlo. Pero otros químicos confirmaron los resultados. Además de eso, lograron
sintetizar muchos otros compuestos orgánicos a partir de precursores inorgánicos. El
primero en lograr la producción de un compuesto orgánico a partir de sus elementos fue
el químico alemán Adolf Wilhelm Hermann Kolbe, quien, en 1845, produjo ácido
acético de esta forma. Fue realmente esto lo que puso punto final a la versión vitalista de
Berzelius. Cada vez se hizo más y más evidente que las mismas leyes químicas se
aplicaban por igual a las moléculas inorgánicas. Eventualmente, se ofreció una sencilla
definición para distinguir entre las sustancias orgánicas y las inorgánicas: todas las
sustancias que contenían carbono (con la posible excepción de unos pocos compuestos
sencillos, tales como el dióxido de carbono) se denominaron orgánicas; las restantes eran
inorgánicas.
Para poder enfrentarse con éxito a la compleja Química nueva, los químicos precisaban
un simple método de abreviatura para representar los compuestos, y, afortunadamente,
ya Berzelius había sugerido un sistema de símbolos conveniente y racional. Los
elementos fueron designados mediante las abreviaturas de sus nombres latinos. Así C
sería el símbolo para el carbono, O para el oxígeno, H para el hidrógeno, N para el
nitrógeno, S para el azufre, P para el fósforo, etc... Cuando dos elementos comenzaban
con la misma letra, se utilizaba una segunda letra para distinguirlos entre sí: por ejemplo,
Ca para el Calcio, Cl para el cloro, Cd para el cadmio, Co para cobalto, Cr para el
cromo, etc. Sólo en unos pocos casos, los nombres latinos o latinizados (y las iniciales)
son distintos de las españolas, así: el hierro (ferrum) tiene el Fe; la plata (argentum), el
Ag; el oro (aurum), el Au; el cobre (cuprum), el Cu; el estaño (stannum), el Sn; el
mercurio (hydragyrum), el Hg; el antimonio (stibium), el Sb; el sodio (natrium), el Na; y
el potasio (kalium), el K. Con este sistema es fácil simbolizar la composición de una
molécula. El agua se escribe H2O (indicando así que la molécula consiste de dos átomos
de hidrógeno y un átomo de oxígeno); la sal, NaCl; el ácido sulfúrico, H2SO4, etc. A ésta
se la denomina la «fórmula empírica» de un compuesto; indica de qué está formado el
compuesto pero no dice nada acerca de su estructura, es decir, la forma en que los
átomos de la molécula se hallan unidos entre sí.
El barón Justus von Liebig, un colaborador de Wöhler, se dedicó al estudio de la
composición de una serie de sustancias orgánicas, aplicando el «análisis químico» al
campo de la Química orgánica. Calentaba una pequeña cantidad de una sustancia
orgánica y retenía los gases formados (principalmente CO2 y vapor de agua, H2O) con
sustancias químicas apropiadas. Luego pesaba las sustancias químicas utilizadas para
captar los productos de combustión, al objeto de ver cómo había aumentado su peso a
causa de los productos captados. A partir del peso podía determinar la cantidad de
carbono, hidrógeno y oxígeno existentes en la sustancia original. Luego era fácil
calcular, a partir de los pesos atómicos, el número de cada tipo de átomo en la molécula.
De esta forma, por ejemplo, estableció que la molécula del alcohol etílico tenía la
fórmula C2H6O.
El método de Liebig no podía medir el nitrógeno presente en los compuestos orgánicos,
pero el químico francés Jean-Baptiste-André Dumas ideó un método de combustión que
recogía el nitrógeno gaseoso liberado a partir de las sustancias. Hizo uso de este método
para analizar los gases de la atmósfera, con una exactitud sin precedentes, en 1841.
Los métodos del «análisis orgánico» se hicieron cada vez más y más precisos hasta
alcanzar verdaderos prodigios de exactitud con los «métodos microanalíticos» del
químico austríaco Fritz Pregl. Éste ideó técnicas, a principios de 1900, para el análisis
exacto de cantidades de compuestos orgánicos que apenas se podían distinguir a simple
vista, y, a consecuencia de ello, recibió el premio Nobel de Química en 1923.
Desgraciadamente, la simple determinación de las fórmulas empíricas de los compuestos
orgánicos no permitía dilucidar fácilmente su química. Al contrario que los compuestos
inorgánicos, que usualmente consistían de 2 ó 3, o, a lo sumo, de una docena de átomos,
las moléculas orgánicas eran con frecuencia enormes. Liebig halló que la fórmula de la
morfina era C17H19O3N y la de la estricnina C21H22O2N2.
Los químicos apenas sabían qué hacer con moléculas tan grandes, ni cómo iniciar o
acabar sus fórmulas. Wöhler y Liebig intentaron agrupar los átomos en agregados más
pequeños denominados «radicales», al tiempo que elaboraron teorías para demostrar que
diversos compuestos estaban formados por radicales específicos en cantidades y
combinaciones diferentes. Algunos de los sistemas fueron sumamente ingeniosos, pero
en realidad ninguno aportaba suficiente explicación. Fue particularmente difícil explicar
por qué compuestos con la misma fórmula empírica, tales como el alcohol etílico y el
dimetil éter, poseían diferentes propiedades.
Este fenómeno fue dilucidado por vez primera hacia 1820 por Liebig y Wöhler. El
primero estudiaba un grupo de compuestos llamados «fulminatos», mientras que Wöhler
examinaba un grupo denominado «isocianatos»; ambos grupos resultaron tener las
mismas fórmulas empíricas: por así decirlo, los elementos se hallaban presentes en
proporciones iguales. Berzelius, el dictador químico en aquella época, fue informado de
esta particularidad, pero rechazó aceptar tal creencia hasta que, en 1830, él mismo
descubrió algunos ejemplos. Denominó a tales compuestos, de diferentes propiedades
pero con elementos presentes en las mismas proporciones, «isómeros» (a partir de las
palabras griegas que significan «partes iguales»). La estructura de las moléculas
orgánicas era realmente un verdadero rompecabezas en aquellos días.
Los químicos, perdidos en esta jungla de la Química orgánica, comenzaron a ver un rayo
de luz, en 1850, al descubrir que un determinado átomo se podía combinar solamente
con un cierto número de otros átomos. Por ejemplo, el átomo de hidrógeno
aparentemente se podía unir sólo a un único átomo de otro elemento: formaría ácido
clorhídrico, HCl, pero nunca HCl2. De manera similar, el cloro y el sodio solamente
podrían unirse a otro átomo, formando en este caso el NaCl. Por otra parte, un átomo de
oxígeno podría unirse a dos átomos de otro elemento: por ejemplo, H2O. El nitrógeno
podría unirse a tres: por ejemplo, NH3 (amoníaco). Y el carbono podía combinarse hasta
con cuatro: por ejemplo, Cl4C (tetracloruro de carbono).
En resumen, parecía como si cada tipo de átomo tuviera un cierto número de ganchos
mediante los cuales pudiera unirse a otros átomos. El químico inglés Edward Frankland
denominó a estos ganchos enlaces de «valencia», a partir de una palabra latina que
significa «poder», para significar los poderes de combinación de los elementos.
El químico alemán Friedrich August Kekulé von Stradonitz, verificó que, si se asignaba
al carbono una valencia de 4 y si se suponía que los átomos de carbono podían utilizar
aquellas valencias, al menos en parte, para unirse en cadenas, en este caso podría
dibujarse un mapa a través de aquella jungla orgánica. Su técnica fue perfeccionada
haciéndola más visual gracias a la sugerencia de un químico escocés, Archibald Scott
Couper, según la que estas fuerzas de combinación de los átomos («enlaces», tal como
generalmente se las denomina) se representan en la forma de pequeños guiones. De esta
manera, las moléculas orgánicas podrían edificarse al igual que muchos juegos de
estructuras «engarzables».
En 1861, Kekulé publicó un texto con muchos ejemplos de este sistema, que demostró
su conveniencia y valor. La «fórmula estructural» se convirtió en el sello del químico
orgánico.
Por ejemplo, las moléculas del metano (CH4), el amoníaco (NH3), y el agua (H2O),
respectivamente, podían ser representadas de esta forma:
Las moléculas orgánicas podían representarse como cadenas de átomos de carbono con
átomos de hidrógeno unidos a los lados. Así el butano (C4H10) tendría la estructura:
El oxígeno o el nitrógeno podían entrar a formar parte de la cadena de la siguiente
manera, representando a los compuestos alcohol metílico (CH4O) y metilamina (CH5N)
respectivamente, de la forma siguiente:
Un átomo que poseyera más de un gancho, tal como el carbono, con cuatro de ellos, no
precisaba utilizar cada uno para un átomo distinto: podía formar un enlace doble o triple
con uno de sus vecinos, como en el etileno (C2H4) o el acetileno (C2H2):
Entonces podía apreciarse fácilmente cómo dos moléculas podían tener el mismo
número de átomos de cada elemento y, no obstante, diferir en sus propiedades. Los dos
isómeros debían diferir en la disposición de los átomos. Por ejemplo, las fórmulas
estructurales del alcohol etílico y el dimetil éter, respectivamente, podían escribirse:
Cuanto mayor es el número de átomos en una molécula, tanto mayor es el número de
disposiciones posibles y por tanto el número de isómeros. Por ejemplo, el heptano, una
molécula constituida por 7 átomos de carbono y 15 átomos de hidrógeno, puede ser
dispuesta en nueve formas distintas; en otras palabras, pueden existir nueve diferentes
heptanos, cada uno con sus particulares propiedades. Estos nueve isómeros se asemejan
considerablemente entre sí, pero es sólo una semejanza aparente. Los químicos han
preparado la totalidad de estos nueve isómeros, pero nunca han conseguido hallar un
décimo isómero, lo que constituye una buena demostración en favor del sistema de
Kekulé.
Un compuesto que contenga 40 átomos de carbono y 82 átomos de hidrógeno podrá
mostrar 62.5 billones de disposiciones distintas o isómeros. Y una molécula orgánica de
este tamaño no es en modo alguno infrecuente.
Sólo los átomos de carbono pueden unirse entre sí para formar largas cadenas. Otros
átomos pueden formar una cadena a lo sumo de una docena y media de unidades. Este es
el motivo por el cual las moléculas inorgánicas son en general sencillas, y por qué raras
veces tienen isómeros. La mayor complejidad de la molécula orgánica introduce tantas
posibilidades de isomería, que casi se conocen dos millones de compuestos orgánicos,
formándose diariamente otros nuevos, mientras que se espera descubrir un número
virtualmente ilimitado de ellos.
En la actualidad, las fórmulas estructurales son utilizadas universalmente como guías
visuales indispensables de la naturaleza de las moléculas orgánicas. Como abreviatura, a
menudo los químicos escriben la fórmula de la molécula en términos de los grupos de
átomos («radicales») que la constituyen, tales como los radicales metilo (CH3) y
metileno (CH2). Así la fórmula del butano puede escribirse como CH3CH2CH2CH3.
Los Detalles De La Estructura
En la segunda mitad del siglo XIX, los químicos descubrieron un tipo de isomerismo
particularmente sutil que demostró tener una gran importancia en la química de los seres
vivos. El descubrimiento surgió del singular efecto asimétrico que ciertos compuestos
orgánicos tenían sobre los rayos de luz que pasaban a su través.
Una sección transversal de un rayo de luz ordinaria mostraría que las ondas de las que
consiste vibran en todos los planos: hacia arriba y abajo, de lado a lado, y oblicuamente.
A esta luz se la denomina «no polarizada». Pero cuando la luz pasa a través de un cristal
de la sustancia transparente llamada espato de Islandia, por ejemplo, es refractada de tal
forma que la luz emerge «polarizada». Es como si la disposición de los átomos en el
cristal permitiera que pasaran a su través sólo ciertos planos de vibración (del mismo
modo como los barrotes de una valla pueden permitir el paso a su través de una persona
que se deslice entre ellos de lado, mientras no dejarán pasar a una que intente hacerlo de
frente). Existen dispositivos, tales como el «prisma de Nicol», inventado por el físico
escocés William Nicol en 1829, que permite el paso de la luz en sólo un plano. Ahora ha
sido remplazado éste, para la mayoría de sus usos, por materiales tales como el Polaroid
(cristales de un complejo de sulfato de quinina y yodo, alineados con los ejes paralelos y
embebidos en nitrocelulosa), producido por vez primera hacia 1930 por Edwin Land.
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La luz reflejada, a menudo está parcialmente.FUENTE:ACCIONPROPAGANDA.ORG