6.1: Anillos y Cadenas de Átomos de Carbono

La mayoría de las moléculas de compuestos químicos estudiadas hasta el momento han sido agrupaciones de solo unos pocos átomos. Por lo tanto, las moléculas de agua, H ₂ O, existen como grupos individuales de 2 átomos de H unidos al átomo de 1O y las moléculas de amoníaco, NH ₃, consisten cada una en un átomo de N al que están unidos 3 átomos de H. En los casos en que los átomos de un elemento particular en los compuestos químicos tienen tendencia a unirse con átomos del mismo elemento, el número de compuestos posibles se incrementa enormemente. Este es el caso del carbono, C. Los grupos de átomos de carbono pueden unirse para formar cadenas rectas, cadenas ramificadas y anillos, lo que lleva a un número prácticamente ilimitado de compuestos químicos. Dichos compuestos que contienen carbono son productos químicos orgánicos, cuyo estudio es la química orgánica. A la enorme diversidad de la química orgánica se suma el hecho de que dos átomos de carbono pueden estar conectados por enlaces simples que consisten en 2 electrones compartidos, dobles enlaces compuestos por 4 electrones compartidos, e incluso triples enlaces que contienen 6 electrones compartidos.

Los químicos orgánicos comprenden la mayoría de las sustancias con las que están involucrados los químicos. El petróleo, que sirve como materia prima para vastas industrias de polímeros, plásticos, caucho y otras, consta de cientos de compuestos compuestos de hidrógeno y carbono llamados hidrocarburos.Entre los químicos orgánicos se incluyen la mayoría de compuestos industriales importantes, polímeros sintéticos, los productos químicos agrícolas, y la mayoría de las sustancias que son motivo de preocupación por sus toxicidades y otros peligros. Los carbohidratos, proteínas, lípidos (grasas y aceites) y ácidos nucleicos (ADN) que componen la biomasa de organismos vivos son químicos orgánicos elaborados por procesos biológicos. Los productos químicos de materia prima necesarios para fabricar una amplia gama de productos químicos son en su mayoría químicos orgánicos, y su adquisición y procesamiento son de gran preocupación en la práctica de la química verde. La mayor fracción de productos químicos orgánicos adquiridos de fuentes de petróleo y gas natural se quema en vehículos de combustible, aviones, hornos domésticos y centrales eléctricas. Antes de quemarse, estas sustancias pueden procesarse para darles las propiedades deseadas. Esto es particularmente cierto en el caso de los constituyentes de la gasolina, cuyas moléculas son procesadas y modificadas para darle a la gasolina las propiedades deseadas de combustión suave (buenas propiedades antitocópicas) y bajo potencial de contaminación del aire. La contaminación de los ambientes de agua, aire y suelo por productos químicos orgánicos es un área de gran preocupación. Gran parte del esfuerzo puesto en la química verde ha involucrado la fabricación segura, el reciclaje y la eliminación de compuestos orgánicos.

Una serie de compuestos orgánicos se elaboran mediante técnicas muy sofisticadas para poseer propiedades a medida con precisión. Esto es especialmente cierto en el caso de los productos farmacéuticos, los cuales deben ser personalizados para entregar los efectos deseados con mínimos efectos secundarios indeseables. Un solo compuesto orgánico que sea efectivo contra uno de los principales problemas de salud —generalmente uno de cada cientos o incluso miles probados— tiene el potencial de cientos de millones de dólares anuales en ganancias.

Los químicos orgánicos difieren ampliamente en sus toxicidades. Algunos compuestos se elaboran y utilizan debido a sus toxicidades a organismos indeseables. Estos son los pesticidas, entre ellos, especialmente, los insecticidas utilizados para matar insectos no deseados y los herbicidas utilizados para erradicar las malas hierbas que compiten con los cultivos deseados. La química verde está muy involucrada con este tipo de aplicaciones. Uno de los usos más ampliamente aplicados de los cultivos genéticamente modificados ha sido el desarrollo de cultivos que producen sus propios insecticidas en forma de proteínas insecticidas normalmente elaboradas por ciertos tipos de bacterias cuyos genes han sido empalmados en cultivos de campo. Otra aplicación de la química verde a través de la ingeniería genética es el desarrollo de cultivos que resisten los efectos de moléculas orgánicas específicas comúnmente utilizadas como herbicidas. Estos herbicidas se pueden aplicar directamente a los cultivos objetivo, dejándolos indemnes mientras se matan las malas hierbas competidoras.

Debe ser obvio a partir de esta breve discusión que la química orgánica es una disciplina vasta, diversa y altamente útil basada en las propiedades de unión únicas del átomo de carbono. En el resto de este capítulo se discuten aspectos principales de la química orgánica. Muchos de los químicos orgánicos más interesantes e importantes son elaborados por procesos biológicos. En efecto, hasta 1828, generalmente se creía que solo los organismos podían sintetizar químicos orgánicos. En ese año, Friedrich Wöhlers logró elaborar urea, un químico orgánico que se encuentra en la orina, a partir del cianato amónico, un material inorgánico. Debido al importante papel de los organismos en la fabricación de productos químicos orgánicos, también se discuten en este capítulo varios de los tipos más significativos de estos químicos elaborados biológicamente. En los Capítulos 9 y 13 se dan detalles adicionales sobre las formas en que los organismos vivos elaboran y procesan los productos químicos.