Importancia del carbono en los compuestos de química orgánica ¿Es el carbono un compuesto?
El estudio de las sustancias que contienen carbono
La química es el estudio de los elementos, sus combinaciones en moléculas y sus interacciones. Pero un elemento se destaca por su papel en la división del enorme mundo de la química en dos partes: el carbono. Química Orgánica es el estudio de las moléculas que contienen carbono, y la química inorgánica es el estudio de las moléculas que no contienen carbono. La principal distinción en la denominación de estas dos disciplinas es el uso de la palabra “orgánico”, que significa “de vida”. La química orgánica es, por tanto, el estudio de las moléculas que forman los seres vivos, y la química inorgánica es el estudio de las moléculas que no forman directamente los seres vivos. Es importante recordar que los productos químicos orgánicos y los productos químicos inorgánicos pueden producirse tanto por métodos naturales como sintéticos (humanos) y que estos dos tipos de productos químicos interactúan entre sí constantemente. Por las razones que discutiremos, el carbono hace una distinción útil entre estos dos tipos de sustancias químicas debido a sus propiedades únicas para construir la vida.
Hay muchos temas para estudiar al aprender sobre química orgánica, tales como:
- Métodos experimentales utilizados en química orgánica, como espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), espectrometría de masas, cristalografía y espectroscopia generalizada.
- Las propiedades físicas de los productos químicos orgánicos.
- La nomenclatura utilizada para nombrar los productos químicos orgánicos.
- La representación estructural de los productos químicos orgánicos.
- Los grupos moleculares funcionales que se encuentran en los productos químicos orgánicos.
- Las reacciones entre los productos químicos orgánicos y con su entorno.
- La síntesis de productos químicos orgánicos.
Ramas de la Química Orgánica
Hay varias ramas de la química orgánica en las que un científico puede especializarse. Aquí hay algunos ejemplos:
- Estereoquímica: el estudio del impacto de la estructura 3D de los productos químicos orgánicos en su función.
- Química orgánica física: el estudio de la estructura y función de los productos químicos orgánicos utilizando la química, la física y las matemáticas.
- Química orgánica de polímeros: el estudio de la síntesis de moléculas orgánicas grandes con unidades repetitivas (conocidas como polímeros).
- Química organometálica: el estudio de los productos químicos orgánicos que se unen a los metales.
- Química médica: el estudio de la síntesis de productos químicos orgánicos para usos terapéuticos (como medicamentos).
Tenga en cuenta que todas estas ramas se pueden aplicar para su uso en muchos campos diferentes, como la medicina, la producción industrial y la investigación biológica. La biotecnología es un campo que se basa especialmente en los avances de la química orgánica, ya que la biotecnología se refiere en términos generales a la creación de nuevos productos basados en materiales biológicos o utilizando métodos biológicos. Es difícil imaginar cómo podríamos descubrir nuevos medicamentos o crear nuevos métodos de fabricación industrial sin nuevas tecnologías que ayuden en su descubrimiento, y la biotecnología es una fuente clave de las herramientas necesarias para estos nuevos descubrimientos.
¿Es el carbono un compuesto?
El carbono es uno de los elementos que se encuentran en la tabla periódica: su número atómico es 6 y su símbolo químico es C. En su forma básica, el carbono tiene 6 protones y 6 neutrones, lo que hace que su masa atómica sea 12. También tiene 6 electrones para equilibrar sus 6 neutrones en su estado descargado. En la tabla periódica, el carbono se encuentra en el período (fila) 2, lo que lo convierte en un elemento relativamente pequeño, y en el grupo (columna) 14, lo que significa que tiene 4 electrones en su capa electrónica más externa. Es una parte de la categoría de elementos reactivos no metálicos. El carbono es un compuesto cuando existen muchos átomos de carbono juntos. Los compuestos de carbono pueden existir en varias formas conocidas como alótropos dependiendo de la disposición de los átomos de carbono. Algunos ejemplos de compuestos de carbono incluyen diamante, grafito y fullerenos.
 |
¿Qué hace que el carbono sea único?
Cuando vemos las propiedades físicas del carbono, es posible que al principio no quede claro por qué hacen del carbono un elemento ideal para servir como componente básico de la vida. Pero cuando consideramos la funcionalidad de sus características físicas, podemos ver cómo el carbono está estructurado de manera única para construir moléculas orgánicas y seres vivos completos. Su posición en el período 2 significa que es un elemento relativamente más pequeño, lo que significa que los compuestos que contienen carbono generalmente serán más estables. Su posición en el grupo 14 significa que su capa de electrones de valencia tiene 4 electrones, lo que significa que puede unirse de manera estable con hasta cuatro átomos (y alternativamente puede participar en enlaces dobles y triples). El resultado es que los enlaces carbono-carbono se encuentran entre los enlaces más estables de la química, y el carbono se encuentra entre los elementos más adecuados para formar grandes cadenas.
Los enlaces carbono-carbono también se pueden encontrar en alótropos de carbono, que en la mayoría de los casos se producen de forma natural o sintética a partir de material orgánico. Podemos usar los tres ejemplos de alótropos de carbono mencionados anteriormente para ver cuánto impacto puede tener una disposición diferente de los mismos átomos en un compuesto más grande.
El diamante se forma cuando el material orgánico se comprime en las profundidades del manto terrestre a alta temperatura y presión durante muchos millones de años. Eventualmente se forma un cristal compuesto de carbono muy puro donde los átomos de carbono están dispuestos en una geometría repetitiva regular, que para los diamantes es una forma conocida como diamante cúbico. Este arreglo altamente organizado hace que la luz se refleje en los diamantes en ángulos limpios, creando el brillo iridiscente que todos asociamos con los diamantes. También hace que el diamante sea la sustancia más dura en la escala de dureza de Mohs debido a su estructura increíblemente interconectada y estable.
 |
El grafito también es un compuesto de carbono cristalino y se considera un intermediario en el proceso de producción de diamantes (lo que significa que más tiempo bajo condiciones de alta temperatura y presión puede eventualmente convertir el grafito en diamante). Sus cristales forman una estructura hexagonal conocida como red de panal que se apila en capas, lo que hace que el grafito sea considerablemente más suave que los diamantes.
 |
Los fullerenos son moléculas de carbono que forman una malla cerrada que se asemeja a una jaula. Se forman de forma natural y sintética y vienen en muchas formas diferentes, como el prisma hexagonal conocido comúnmente como buckminsterfullereno (o buckyballs) y como cilindros conocidos como nanotubos de carbono. Muchos científicos continúan estudiando los fullerenos para una amplia gama de aplicaciones, como el desarrollo de materiales, la ingeniería eléctrica y la medicina.
 |
Compuestos que contienen carbono
Como se mencionó anteriormente, las cadenas de carbono-carbono constituyen la columna vertebral de los cuatro tipos principales de biomoléculas. Cada uno también está unido a diferentes átomos como parte o unido a las cadenas de carbono, pero las propias cadenas de carbono forman la plantilla para construir las moléculas necesarias para la vida.
Los carbohidratos (azúcares) son cadenas de carbono cíclicas donde cada carbono también está unido a un grupo hidroxilo (OH). Los azúcares existen como anillos simples (monosacáridos) o pueden conectarse con otros anillos de azúcar para formar polisacáridos. Los azúcares son fuentes de energía esenciales para la vida. Su energía proviene de los grupos C-OH que se reducen a grupos carbonilo (C=O), que donan átomos de hidrógeno para impulsar la cadena de transporte de electrones que se encuentra en las mitocondrias y producir la molécula ATP que proporciona energía.
 |
Lípidos (grasas) son largas cadenas de hidrocarburos. Al igual que los azúcares, son fuentes de energía muy importantes debido a la energía proporcionada por la donación de átomos de hidrógeno de sus largas cadenas a medida que se metabolizan y descomponen. También son muy importantes para formar las estructuras básicas de las células. Los lípidos no son polares, por lo que cuando pueden organizarse en varias formas y arreglos, forman una capa selectivamente permeable conocida como membrana lipídica. Las membranas lipídicas actúan de manera similar a las paredes de una casa, que protegen la casa de los elementos exteriores, permiten que ciertas cosas entren y salgan, y dividen la casa en habitaciones funcionales. Pueden formar muchos tipos de membranas para cumplir diferentes funciones y también son estructuralmente bastante dinámicos para cambiar de forma cuando sea necesario. Finalmente, los lípidos se pueden formar en moléculas más complejas como hormonas,
 |
Las proteínas son cadenas de carbonos que están unidas entre sí por átomos de nitrógeno en enlaces conocidos como enlaces peptídicos. Las proteínas están formadas por unidades de estas cadenas de carbono llamadas aminoácidos, y cada aminoácido está unido a una cadena lateral de carbono diferente (conocida como grupo lateral). Estos grupos laterales tienen características muy distintas, y cuando los aminoácidos se unen para formar una proteína, estas cadenas laterales pueden dar a esa proteína una funcionalidad muy dirigida que no es posible con ninguna otra biomolécula. Si un organismo vivo se visualiza como una fábrica, la fábrica se construiría a partir de lípidos, usaría azúcares (y lípidos) como combustible para hacer funcionar las máquinas y emplearía proteínas como trabajadores de la fábrica para llevar a cabo muchas tareas específicas.
 |
Ácidos nucleicos presentan otra biomolécula (azúcares, que están unidos por grupos de fosfato para formar una columna vertebral de azúcar) que están unidos a cambios cíclicos de carbono que incluyen nitrógeno (conocido como bases nitrogenadas). Estas bases nitrogenadas contienen sitios que son complementarios con otra base nitrogenada al enlace de hidrógeno. Como resultado, un tipo específico de ácido nucleico conocido como ADN forma dos cadenas complementarias donde una cadena de bases nitrogenadas codifica la otra. Dado que la misma información se puede copiar simplemente haciendo la cadena complementaria, el ADN tiene la propiedad única entre las biomoléculas de ser replicativo. Se puede copiar miles de veces y aún llevar la misma información; en nuestro ejemplo de fábrica, el ADN es el equivalente de los manuales de fábrica que han sido copiados y reimpresos muchas veces.
 |
¿Por qué el carbono es esencial para la vida?
Hemos discutido las propiedades que hacen del carbono un bloque de construcción ideal para la vida y las biomoléculas que forma para formar seres vivos. El carbono es un elemento liviano que puede formar enlaces estables con hasta cuatro átomos y, por lo tanto, es hábil para formar muchas moléculas grandes y estables. Pero, ¿es posible que la vida se construya alrededor de otros elementos? Esta ha sido una pregunta que ha fascinado a los científicos durante mucho tiempo, ya que otros elementos y sustancias comparten propiedades similares con los componentes básicos de la vida que se observan en la Tierra. El silicio se ha propuesto como un bloque de construcción alternativo teórico para la vida en lugar del carbono dada su pertenencia al grupo 14 un período por debajo del carbono. El amoníaco también se ha propuesto como una posible alternativa al agua dadas sus propiedades similares y el nivel de abundancia de amoníaco en el universo más amplio. Un ejemplo más práctico es que los extremófilos, u organismos que viven en ambientes terrestres extremos, regularmente deben tener una bioquímica y un metabolismo muy alterados para utilizar los recursos químicos disponibles que, en la mayoría de los casos, se consideran incompatibles con la vida. Sin embargo, en este punto solo tenemos nuestros ejemplos terrenales de vida para saber qué es lo que posiblemente puede formar vida, y aquí el carbono es, sin duda, el actor clave.
Resumen de la lección
En resumen, el estudio de las sustancias que contienen carbono se llama química orgánica y tiene muchos temas y ramas de estudio. La química orgánica es importante para una amplia variedad de campos debido a los múltiples usos y aplicaciones de los materiales biológicos. El carbono es particularmente adecuado para servir como componente básico de la vida debido a su tamaño relativamente bajo y la presencia de cuatro electrones en su capa de electrones de valencia. Esto permite que el carbono participe en muchos tipos de enlaces químicos (incluidos enlaces simples, dobles y triples) y forme moléculas grandes y estables, como anillos. Los compuestos de carbono también pueden formar alótropos con distintas propiedades basadas en la disposición de los átomos de carbono. Las cadenas de carbono forman la columna vertebral de los cuatro tipos de biomoléculas: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.