¿Qué son la química orgánica, la química inorgánica y la química dinámica?

La química inorgánica es la ciencia que estudia la composición, propiedades, estructura y reacciones de las sustancias inorgánicas. Es la rama más antigua de la química. Los inorgánicos incluyen todos los elementos químicos y sus compuestos, excepto la mayoría de los compuestos de carbono. (A excepción de los compuestos de carbono simples como el dióxido de carbono, el monóxido de carbono, el disulfuro de carbono y los carbonatos, que siguen siendo sustancias inorgánicas, el resto son sustancias orgánicas).

En el pasado, las sustancias inorgánicas se consideraban Sustancias inanimadas, como rocas, suelo, minerales, agua, etc. Las sustancias orgánicas son producidas por animales y plantas vivos, como proteínas, aceites, almidón, celulosa y urea. En 1828, el químico alemán Weller utilizó cianato de amonio inorgánico para producir urea, rompiendo la superstición de que la materia orgánica sólo puede producirse mediante vitalidad, y dejó claro que las dos sustancias se combinan mediante fuerza química. Ahora bien, estas dos sustancias se dividen según las diferentes composiciones mencionadas anteriormente.

Una breve historia del desarrollo de la química inorgánica

Los humanos primitivos eran capaces de identificar las propiedades de las sustancias inorgánicas y utilizarlas. Más tarde descubrí accidentalmente que las sustancias naturales se pueden transformar en nuevas sustancias con diferentes propiedades, así que las imité. Este fue el comienzo de la antigua tecnología química.

Por ejemplo, al menos en el año 6000 a. C., los pueblos primitivos de China sabían cómo utilizar la arcilla para hacer cerámica y gradualmente evolucionaron hacia la cerámica pintada, la cerámica blanca, la cerámica vidriada y la porcelana. Alrededor del año 5000 a. C., los humanos descubrieron que el cobre natural era resistente y no se dañaba fácilmente cuando se usaba como utensilios. Posteriormente, se observó que los minerales de cobre como la malaquita (carbonato básico de cobre) se descomponen en óxido de cobre en contacto con el carbón vegetal caliente, para luego reducirse a cobre metálico. Después de repetidas observaciones y experimentos, finalmente dominó la tecnología de fundición de cobre consistente en reducir el mineral de cobre con carbón vegetal. Más tarde, gradualmente dominó la fundición de estaño, fundición de zinc, fundición de níquel y otras tecnologías. China dominó la tecnología de fundición de mineral de hierro y fabricación de acero durante el período de primavera y otoño y el período de los Estados Combatientes. En el siglo II a. C., China descubrió que el hierro podía reaccionar con una solución de compuesto de cobre para producir cobre. Esta reacción se convirtió en uno de los métodos para producir cobre más tarde.

En lo que a compuestos se refiere, ya se sabía en la dinastía Shang, en el siglo XVII a.C., que la sal (óxido de sodio) era un condimento y la sal amarga (hidruro de magnesio) era amarga. Las vasijas vidriadas (polisilicato) existen desde el siglo V a.C. En el siglo VII d.C., hay registros en China del uso de sal de fuego (nitrato de potasio), azufre y carbón para fabricar pólvora. "Tiangong" publicado en 1637 por la dinastía Song de la dinastía Ming describía en detalle la antigua tecnología artesanal china, incluida la tecnología de producción de docenas de sustancias inorgánicas como cerámica, cobre, acero, sal, salitre, cal, vitriolo rojo y amarillo. , etc. Se puede ver en la ciencia química. Antes de su establecimiento, los humanos dominaban una gran cantidad de conocimientos y tecnología de química inorgánica.

La alquimia antigua fue precursora de la ciencia química. La alquimia fue un intento de convertir el cinabrio (sulfuro de mercurio) en oro y refinar el elixir de la vida. La alquimia en China comenzó durante las dinastías Qin y Han en los siglos II y III a.C. En el año 142 d.C., el alquimista chino Wei Boyang escribió "El libro de los cambios Shen Tong Qi", que es el libro de alquimia más antiguo del mundo. Alrededor del año 360, apareció "Baopuzi" escrito por Ge Hong. Estos dos libros registran más de 60 sustancias inorgánicas y sus numerosos cambios. Alrededor del siglo VIII d.C., la alquimia surgió en Europa y luego evolucionó gradualmente hasta convertirse en una ciencia química moderna. Sin embargo, la alquimia en China no logró desarrollarse más.

El conocimiento de Jin sobre los cambios en sustancias inorgánicas provino principalmente de experimentos. Diseñaron y fabricaron equipos experimentales como hornos de calentamiento, cámaras de reacción, destiladores y molinos. Aunque el objetivo perseguido por la familia Jindan era absurdo, los métodos operativos y el conocimiento perceptivo acumulado se convirtieron en los precursores de la ciencia química.

Debido a que la mayor parte de la investigación química inicial se centró en sustancias inorgánicas, el establecimiento de la química inorgánica moderna marcó la fundación de la química moderna. Hay tres químicos que han hecho la mayor contribución al establecimiento de la química moderna: Boyle de Inglaterra, Lavoisier de Francia y Dalton de Inglaterra.

Boyle realizó muchos experimentos químicos, como la preparación de fósforo e hidrógeno, la disolución de metales en ácidos y la combustión de azufre e hidrógeno. Explicó la diferencia entre elementos y compuestos basándose en resultados experimentales y propuso que los elementos son sustancias que no se pueden separar de otras sustancias. Estos nuevos conceptos y nuevas perspectivas pusieron la investigación científica de la química en el camino correcto y realizaron contribuciones destacadas al establecimiento de la química moderna.

Lavoisier utilizó la balanza como una herramienta importante para estudiar los cambios materiales. Realizó experimentos cuantitativos sobre la combustión de azufre y fósforo y el calentamiento de estaño, mercurio y otros metales en el aire, estableciendo que la combustión de. materiales es el método correcto de oxidación, anulando la teoría del flogisto que había prevalecido durante cientos de años. Sobre la base de una gran cantidad de experimentos cuantitativos, Lavoisier propuso la ley de conservación de la masa en 1774, es decir, la masa de una sustancia no cambia durante los cambios químicos.

En 1789, propuso la primera tabla de clasificación de elementos químicos y una nueva nomenclatura química en el "Compendio de Química", describiendo el conocimiento químico de la época con una perspectiva cuantitativa correcta, sentando así las bases de la química moderna. Gracias a la defensa de Lavoisier, el equilibrio comenzó a ser ampliamente utilizado en el estudio de la composición y cambios de los compuestos químicos.

En 1799, el químico francés Proust resumió los resultados de la determinación de la composición de los compuestos y propuso la ley de las proporciones definidas, es decir, el peso de cada elemento componente de cada compuesto tiene una determinada proporción. Combinada con la ley de conservación de la masa, Dalton propuso la teoría atómica en 1803, afirmando que todos los elementos estaban compuestos de partículas indivisibles e indestructibles llamadas átomos. Y esta teoría conduce a la ley de las proporciones múltiples, es decir, si dos elementos se combinan en varios compuestos diferentes, en estos compuestos, el peso del elemento B combinado con un cierto peso del elemento A debe ser una relación entera simple entre sí. . Los resultados de experimentos cuantitativos confirmaron plenamente esta inferencia. Después del establecimiento de la teoría atómica, comenzó a proclamarse la ciencia de la química.

En la década de 1930, se conocían más de 60 elementos. El químico ruso Mendeleev estudió las propiedades de estos elementos y propuso la ley periódica de los elementos en 1869: las propiedades de los elementos cambian periódicamente a medida que aumenta el peso atómico. Esta ley revela la clasificación sistemática natural de los elementos químicos. La tabla periódica de elementos organiza los elementos químicos según su periodicidad y los agrupa según leyes periódicas. Desempeña un papel extremadamente importante en la investigación y aplicación de la química inorgánica.

Hay ***109 elementos conocidos, 94 de los cuales existen en la naturaleza y 15 son creados por el hombre. Los símbolos que representan elementos químicos son en su mayoría abreviaturas latinas. Algunos nombres chinos son elementos conocidos en China desde la antigüedad, como oro, aluminio, cobre, hierro, estaño, azufre, arsénico, fósforo, etc. Algunos se transliteran de idiomas extranjeros, como el sodio, el manganeso, el uranio, el helio, etc. También los hay de nueva creación, hidrógeno (gas ligero), bromo (agua maloliente) y platino (platino, también la transliteración de nombres extranjeros).

Las leyes periódicas juegan un papel importante en la promoción del desarrollo de la química. Basándose en la ley periódica, Mendeleev predijo la existencia y propiedades de elementos que no habían sido descubiertos en ese momento. La ley periódica también guía el estudio sistemático de las propiedades de los elementos y sus compuestos, convirtiéndose en la base para el desarrollo de la teoría moderna de la estructura material. La química inorgánica sistémica generalmente se refiere a la descripción y discusión de las propiedades, estructuras y reacciones de los elementos y sus compuestos según su clasificación periódica.

Una serie de descubrimientos a finales de 1919 crearon la química inorgánica moderna; Los Lee descubrieron la radiactividad del polonio y el radio. A principios del siglo XX, Rutherford y Bohr propusieron un modelo estructural según el cual los átomos están compuestos de núcleos y electrones, cambiando el concepto de átomos indivisibles en la teoría atómica de Dalton.

En 1916, Cowser propuso la teoría del enlace de valencia, y Louis propuso la teoría del enlace de valencia, que explicaba satisfactoriamente la valencia de los elementos y la estructura de los compuestos. En 1924, de Broglie propuso la teoría de que partículas como los electrones tienen dualidad onda-partícula; en 1926, Schrödinger estableció la ecuación ondulatoria del movimiento de las partículas; al año siguiente, Hai y London aplicaron la mecánica cuántica a las moléculas de hidrógeno y demostraron que en las moléculas de hidrógeno; Existe una concentración significativa de densidad de probabilidad de electrones entre dos núcleos de hidrógeno, lo que da lugar a la visión moderna del enlace químico.

Desde entonces, después de varios aspectos de trabajo, se ha convertido en la teoría del enlace de valencia, la teoría de los orbitales moleculares y la teoría del campo de coordinación de enlaces químicos. Estas tres teorías básicas son la base teórica de la química inorgánica moderna.

Contenido de la investigación de la química inorgánica

Al comienzo de su establecimiento, la química inorgánica tenía cuatro categorías principales de conocimiento, a saber, hechos, conceptos, leyes y teorías.

Los materiales obtenidos al observar directamente las cosas con los sentidos se denominan hechos mediante el análisis, comparación, síntesis y generalización de las características específicas de las cosas, conceptos como elementos, compuestos, combinaciones, composiciones químicas, oxidación, reducción, átomos, etc. Son los primeros conceptos claros en química inorgánica. Es una regla combinar conceptos correspondientes para resumir los mismos hechos. Por ejemplo, se utilizan diferentes elementos para sintetizar diversos compuestos y, al resumir sus relaciones cuantitativas, se pueden derivar leyes como la conservación de la masa, proporciones constantes y proporciones múltiples. Establecer un nuevo concepto para explicar las leyes relevantes, que se demuestra que es correcto mediante experimentos, es una teoría. La teoría atómica, por ejemplo, podría explicar las leyes que se habían establecido en aquella época sobre la relación entre el peso combinado de los elementos.

Esta derivación del conocimiento químico ilustra la conexión intrínseca entre ellos. Las leyes sintetizan hechos, las teorías explican y recorren las leyes, organizando así todo el contenido químico en un conocimiento científico sistemático.

Se cree que la química moderna se estableció después de que Dalton creara la teoría atómica, porque esta teoría sistematizó científicamente el contenido químico de esa época.

El conocimiento químico sistemático se aprende según métodos científicos. El método científico se divide en tres pasos principales:

El método de recopilación de hechos es la observación y la experimentación. Los experimentos son observaciones bajo condiciones controladas. La investigación química presta especial atención a los experimentos, porque los cambios químicos en la naturaleza son muy complejos y no es fácil obtener la esencia de las cosas mediante la observación directa. Por ejemplo, el óxido es un cambio químico común si no se controlan condiciones como el vapor de agua, el oxígeno, el dióxido de carbono, las impurezas del aire y la temperatura, será difícil comprender la reacción y los productos formados.

Ya sea observación o experimento, los hechos recopilados deben ser precisos. Diversas operaciones en experimentos químicos, como precipitación, filtración, quema, pesaje, destilación, titulación, cristalización, extracción, etc., son medios experimentales para obtener conocimientos fácticos correctos y confiables en condiciones controladas. La adquisición de conocimientos correctos depende no sólo de tecnología especializada sino también de instrumentos sofisticados. La química moderna comenzó con el uso de balanzas. El conocimiento exacto de cada fenómeno sólo puede obtenerse midiéndolo y expresándolo numéricamente.

Aunque la tecnología química antigua y la alquimia han acumulado una gran cantidad de conocimiento químico, no pueden llamarse ciencia. Para convertir el conocimiento en ciencia, debemos analizar y comparar una gran cantidad de hechos recopilados, descartar los aproximados y seleccionar los esenciales, y resumir hechos similares en reglas. Proust, por ejemplo, se centró en la composición de compuestos químicos. Analizó una gran colección de compuestos naturales y sintéticos recolectados de todo el mundo. Después de ocho años de arduo trabajo, descubrió que la composición de cada compuesto era exactamente la misma, por lo que resumió este hecho y propuso la ley de la proporción constante.

Aunque hay menos leyes químicas que hechos, todavía hay muchas, independientes y sin relación entre sí. Los químicos quieren comprender el significado de las leyes y las relaciones entre ellas. Dalton propuso el concepto de que la materia está compuesta de átomos de afuera hacia adentro, fundó la teoría atómica, explicó las reglas de relación de peso de las combinaciones de elementos y cambios de compuestos y las hizo coherentes, organizando así el conocimiento químico en un sistema de acuerdo con su nivel de formación. ciencia.

Debido al profundo desarrollo y la penetración mutua de varias disciplinas, se han formado muchos nuevos campos de investigación interdisciplinarios. La combinación de la química inorgánica y otras disciplinas ha formado muchos campos de investigación emergentes. Por ejemplo, la química bioinorgánica es una disciplina de vanguardia que combina la química inorgánica y la bioquímica.

La aplicación de métodos experimentales físicos modernos como los rayos X, la difracción de neutrones, la difracción de electrones, la resonancia magnética, la espectroscopia, la espectrometría de masas y la cromatografía han permitido que el estudio de sustancias inorgánicas pase de lo macroscópico a lo microscópico, transformando así la comprensión de los elementos y sus compuestos. Las propiedades y reacciones se vincularon a sus estructuras para formar la química inorgánica moderna. La química inorgánica moderna es una ciencia que aplica la tecnología física moderna y la perspectiva de la microestructura material para estudiar y dilucidar la composición, propiedades, estructura y reacciones de elementos químicos y todos los compuestos inorgánicos. La tendencia de desarrollo de la química inorgánica es principalmente la síntesis y aplicación de nuevos compuestos y la apertura y establecimiento de nuevos campos de investigación.

Química Orgánica

La química orgánica es la ciencia que estudia las fuentes, preparación, estructura, propiedades, aplicaciones y teorías relacionadas de los compuestos orgánicos, también conocida como química de compuestos de carbono.

Una breve historia del desarrollo de la química orgánica

El término "química orgánica" fue propuesto por primera vez por Bethelius en 1806. Todo lo contrario de lo que entonces se denominaba "química inorgánica". A principios del siglo XIX, muchos químicos creían que los compuestos orgánicos sólo podían producirse gracias a la llamada "vitalidad" de los organismos vivos y no podían sintetizarse a partir de compuestos inorgánicos en el laboratorio.

En 1824, el químico alemán Weller hidrolizó cianuro en ácido oxálico. En 1828, calentó accidentalmente cianato de amonio y lo convirtió en urea. El cianuro y el cianato de amonio son compuestos inorgánicos, mientras que el ácido oxálico y la urea son compuestos orgánicos. Los resultados experimentales de Wheeler dieron a la teoría de la "vitalidad" su primer impacto. Después de eso, se sintetizaron compuestos orgánicos como el ácido acético a partir de carbono, hidrógeno y otros elementos, y la teoría de la "vitalidad" se abandonó gradualmente.

Debido a la mejora y desarrollo de los métodos sintéticos, cada vez se sintetizan más compuestos orgánicos en los laboratorios, y la mayoría de ellos se sintetizan en condiciones completamente diferentes a las de los organismos vivos. La teoría "vital" fue abandonada gradualmente, pero el término "química orgánica" continúa hasta el día de hoy.

Desde principios del siglo XIX hasta 1858, antes de que se propusiera el concepto de enlaces de valencia, la química orgánica estaba en su infancia. Durante este periodo se han aislado muchos compuestos orgánicos y se han preparado y caracterizado algunos derivados.

El químico francés Lavoisier descubrió que cuando se queman compuestos orgánicos se produce dióxido de carbono y agua. Su trabajo de investigación sentó las bases para el análisis cuantitativo de compuestos orgánicos. En 1830, el químico alemán Justus von Liebig desarrolló métodos para analizar carbono e hidrógeno, y en 1833, el químico francés Dumas estableció métodos para analizar nitrógeno. El establecimiento de estos métodos de análisis cuantitativo orgánico permite a los químicos obtener la fórmula experimental de un compuesto.

En aquella época se encontraron grandes dificultades a la hora de resolver el problema de cómo se ordenaban y combinaban los átomos en las moléculas de compuestos orgánicos. Inicialmente, la química orgánica utilizó la teoría binaria para resolver problemas estructurales de compuestos orgánicos. La teoría binaria sostiene que las moléculas de un compuesto se pueden dividir en partes cargadas positivamente y partes cargadas negativamente, que se mantienen unidas por fuerzas electrostáticas. Basándose en algunas reacciones químicas, los primeros químicos creían que las moléculas de compuestos orgánicos estaban compuestas de grupos que permanecían sin cambios durante la reacción y grupos que cambiaban durante la reacción basándose en fuerzas electrostáticas de cargas opuestas. Pero esta teoría en sí misma tiene grandes contradicciones.

Los químicos franceses Gérard y Laurent establecieron la teoría de tipos. Esta teoría niega que los compuestos orgánicos estén compuestos de grupos cargados positiva y negativamente, sino que cree que los compuestos orgánicos se derivan de algunos compuestos originales que pueden sustituirse, por lo que pueden clasificarse de acuerdo con estos compuestos originales. Las tipologías clasifican muchos compuestos orgánicos en diferentes tipos. Dependiendo de su tipo, no sólo se pueden explicar determinadas propiedades de los compuestos, sino que también se pueden predecir algunos compuestos nuevos. Pero la teoría de tipos no logró responder preguntas sobre la estructura de los compuestos orgánicos.

Los compuestos orgánicos se clasifican en diferentes tipos. Dependiendo de su tipo, no sólo se pueden explicar determinadas propiedades de los compuestos, sino que también se pueden predecir algunas nuevas. Pero la teoría de tipos no logró responder preguntas sobre la estructura de los compuestos orgánicos.

El período de la química orgánica clásica va desde el establecimiento de la teoría del enlace de valencia en 1858 hasta la introducción de la teoría del electrón del enlace de valencia en 1916.

En 1858, el químico alemán Kekulé y el químico británico Cooper propusieron el concepto de enlaces de valencia, y utilizaron el guión "-" para representar "enlace" por primera vez. Creían que las moléculas de los compuestos orgánicos estaban formadas por la combinación de sus átomos constituyentes. Se eligió el hidrógeno como unidad de precio porque en todos los compuestos conocidos un átomo de hidrógeno sólo puede combinarse con un átomo de otro elemento. La valencia de un elemento es el número de átomos de hidrógeno que pueden unirse con un átomo de ese elemento. Kekulé también desarrolló el importante concepto de que los átomos de carbono de las moléculas pueden unirse entre sí.

En 1848, Pasteur aisló dos tipos de cristales de ácido tartárico, uno era el medio cristal izquierdo y el otro era el medio cristal derecho. El primero puede girar la luz polarizada plana hacia la izquierda y el segundo puede girarla hacia la derecha en el mismo ángulo. Un fenómeno similar se encontró en el estudio del ácido láctico. Por ello, en 1874, el químico francés Lebel y el químico holandés Vantov propusieron respectivamente un nuevo concepto para explicar con éxito este fenómeno heterogéneo.

Creen que las moléculas son entidades tridimensionales. Los cuatro enlaces de valencia del carbono son simétricos en el espacio y apuntan a los cuatro vértices de un tetraedro regular. El átomo de carbono está situado en el centro del tetraedro regular. . Cuando un átomo de carbono se conecta a cuatro átomos o grupos diferentes, se produce un par de isómeros. Son objetos físicos e imágenes especulares entre sí, o la relación quiral de las manos izquierda y derecha. Este par de compuestos es óptico. disimilitud de conformación entre sí. Las teorías de Lebel y Vantoff son la base de la estereoquímica en química orgánica.

El primer radical libre, el radical tritilo, fue descubierto en 1900 y es un radical libre de larga vida. La existencia de radicales libres inestables también se confirmó en 1929.

Durante este período se lograron grandes avances en la determinación de la estructura, reacción y clasificación de compuestos orgánicos. Sin embargo, el enlace de valencia es sólo un concepto que los químicos obtienen de la experiencia práctica y la naturaleza del enlace de valencia no ha sido resuelta.

En el período de la química orgánica moderna, basándose en el descubrimiento de los electrones por parte de los físicos y la elucidación de la estructura atómica, el químico físico estadounidense Lewis y otros propusieron la teoría del electrón del enlace de valencia en 1916.

Creen que la interacción de los electrones en la capa exterior de los átomos es lo que une a los átomos. Si los electrones externos que interactúan se transfieren de un átomo a otro, se forma un enlace iónico; si dos átomos usan electrones externos, forman un enlace de valencia. A través de la transferencia o utilización de electrones, todos los electrones externos de los átomos que interactúan adquieren la configuración electrónica de un gas noble. Por lo tanto, el guión "-" utilizado para representar un enlace de valencia en el diagrama de enlace de valencia es en realidad un par de electrones utilizados por dos átomos.

Después de 1927, Hay y London utilizaron la mecánica cuántica para abordar problemas de estructura molecular, establecieron la teoría del enlace de valencia y propusieron un modelo matemático de enlaces químicos. Más tarde, Maliken utilizó la teoría de los orbitales moleculares para estudiar la estructura molecular, y los resultados obtenidos fueron generalmente consistentes con los obtenidos por la teoría de los electrones del enlace de valencia. Debido a que el cálculo fue simple, se resolvieron muchas preguntas que no pudieron responderse en ese momento.

Contenidos de la investigación en química orgánica

No existe un límite absoluto 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 propias conexiones y propiedades intrínsecas.

El elemento carbono, situado en la tabla periódica, suele conseguir una configuración electrónica estable utilizando electrones externos procedentes de átomos de otros elementos. Esta combinación de enlaces de valencia determina las propiedades de los compuestos orgánicos. La mayoría de los compuestos orgánicos están compuestos de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, y algunos también contienen halógenos, azufre y fósforo. Por lo tanto, la mayoría de los compuestos orgánicos tienen puntos de fusión bajos, son inflamables y fácilmente solubles en disolventes orgánicos, que son muy diferentes 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 se une entre sí con tanta fuerza como el carbono. El esqueleto molecular formado por átomos de carbono se presenta en muchas formas, como cadena lineal, cadena ramificada, cíclica, 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 provocó un auge en las industrias farmacéutica y de tintes y promovió el estudio de compuestos aromáticos y heterocíclicos. Después de la década de 1930 surgió la síntesis orgánica utilizando acetileno 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. Con el creciente agotamiento de los recursos petroleros, seguramente se desarrollará nuevamente la industria química orgánica que utiliza carbón como materia prima. Por supuesto, los animales, plantas y microorganismos naturales siguen siendo importantes temas de estudio.

La química orgánica natural estudia principalmente la composición, síntesis, estructura y propiedades de los compuestos orgánicos naturales. Desde principios del siglo XX hasta la década de 1930 se determinaron sucesivamente las estructuras de monosacáridos, aminoácidos, nucleótidos de ácidos cólicos, colesterol y algunos terpenoides, así como la composición de péptidos y proteínas. En las décadas de 1930 y 1940 se determinaron las estructuras de algunas vitaminas, hormonas esteroides y polisacáridos, y se estudiaron las estructuras y la síntesis de algunas hormonas esteroides y vitaminas. Alrededor de las décadas de 1940 y 1950 se descubrieron algunos antibióticos, como la penicilina, y se determinaron y sintetizaron sus estructuras. En la década de 1950 completó la síntesis total de algunos esteroides, morfina y otros alcaloides, la síntesis de péptidos bioactivos como la oxitocina, determinó la estructura química de la insulina y descubrió la estructura helicoidal de las proteínas y la estructura de doble hélice del ADN. En la década de 1960 se completó la síntesis total de insulina y oligonucleótidos. Desde la década de 1970 hasta principios de la de 1980, se sintetizaron prostaglandinas, vitamina B12 y hormonas feromonas de insectos, y se determinaron las estructuras de los ácidos nucleicos y la maitansinona y se completó su síntesis total.

La síntesis orgánica estudia principalmente la síntesis de compuestos orgánicos a partir de compuestos o elementos simples mediante reacciones químicas. La urea se sintetizó en la década de 1930; el ácido acético se sintetizó en la década de 1940. Posteriormente se sintetizaron uno tras otro 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 una variedad de tintes; en la década de 1940 se sintetizaron pesticidas como el DDT, pesticidas organofosforados, fungicidas organosulfurados y herbicidas. A principios del siglo XX se sintetizaron 606 fármacos, y en las décadas de 1930 y 1940 se sintetizaron más de 1.000 sulfamidas, algunas de las cuales podían usarse como medicina.

La química física orgánica es una disciplina que estudia cuantitativamente la estructura, reactividad y mecanismo de reacción de los compuestos orgánicos. Se desarrolla sobre la base de la teoría del electrón del enlace de valencia, citando nuevos desarrollos en la física moderna, la química física y la teoría de la mecánica cuántica. Desde la década de 1920 hasta la de 1930, se estableció un nuevo sistema de química orgánica mediante el estudio de los mecanismos de reacción. El análisis conformacional y la ecuación de Hammett en la década de 1950 comenzaron a estimar semicuantitativamente la relación entre reactividad y estructura. La conservación de la simetría de los orbitales moleculares y la teoría de los orbitales de frontera aparecieron en la década de 1960.

El análisis orgánico es el análisis cualitativo y cuantitativo de compuestos orgánicos. Los métodos para el análisis cuantitativo del carbono y el hidrógeno se establecieron en la década de 1930.

El análisis cuantitativo del nitrógeno se estableció en la década de 1990. El análisis constante de diversos elementos en compuestos orgánicos se completó básicamente a finales de 1900 y en la década de 1920 se estableció un método de análisis cuantitativo para trazas orgánicas. Los instrumentos analíticos automatizados aparecieron en los años 1970.

Debido al desarrollo de la ciencia y la tecnología, la química orgánica se ha compenetrado con diversas disciplinas, formando muchas disciplinas ramificadas y disciplinas marginales. Como la química bioorgánica, la química orgánica física, la química orgánica cuántica, la química orgánica marina, etc.

Métodos de investigación en química orgánica

El desarrollo de los métodos de investigación en química orgánica ha pasado por un proceso que va desde las operaciones manuales hasta la automatización y la informatización, y desde cantidades constantes hasta cantidades ultratraza.

Antes de la década de 1940, los productos se purificaban mediante destilación, cristalización y sublimación tradicionales, y sus estructuras se determinaban mediante degradación química y preparación de derivados. Posteriormente, diversas técnicas de cromatografía y electroforesis, especialmente la aplicación de cromatografía líquida de alta presión, cambiaron el aspecto de la tecnología de separación. El uso de diversas técnicas espectroscópicas y espectroscópicas de energía ha permitido a los químicos orgánicos estudiar los movimientos internos de las moléculas y revolucionó los medios de determinación de estructuras.

Con la introducción de los ordenadores electrónicos, los métodos de separación y análisis de compuestos orgánicos han dado un gran paso hacia la automatización y la cuantificación ultramicro. La espectroscopia de resonancia magnética nuclear y la espectroscopia infrarroja combinadas con la tecnología de transformada de Fourier proporcionan nuevos medios para estudiar la cinética y los mecanismos de reacción. Estos instrumentos, junto con el análisis estructural de rayos X y la espectroscopia de difracción de electrones, han podido determinar la estructura química de muestras 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. Hasta ahora, la mayor parte de la energía y los recursos que utilizamos, 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 adicional y la utilización efectiva de la fotosíntesis es un tema común en fisiología vegetal, bioquímica y química orgánica. La química orgánica puede producir compuestos orgánicos de alta energía mediante reacciones fotoquímicas y almacenarlos, si es necesario, utilizar sus reacciones inversas para liberar energía; Otro objetivo del desarrollo de recursos es fijar dióxido de carbono bajo la acción de compuestos organometálicos para generar recursos infinitos. compuestos orgánicos. Se han logrado algunos resultados preliminares en estos aspectos.

En segundo lugar, desarrollar nuevos catalizadores orgánicos que puedan simular el modo de reacción suave, eficiente y de alta velocidad de las enzimas. 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 las estructuras de compuestos orgánicos serán más sistemáticos y razonables.

Cinética química

La cinética química es una rama de la química física que estudia la velocidad y el mecanismo de reacción de los procesos de reacción química. Su objeto de investigación es la dinámica de no equilibrio de las propiedades cambiantes de los materiales. tiempo. El tiempo es una variable importante en la cinética química.

Existen dos métodos principales para estudiar la cinética química. Uno es el método de investigación de la cinética química, también conocido como método de investigación de la cinética química clásica, a partir de los datos experimentales originales de la cinética química: la relación entre concentración y tiempo, algunos parámetros cinéticos de reacción: constante de velocidad de reacción, energía de activación, preexponencial. factores, etc. Estos parámetros se pueden utilizar para caracterizar los parámetros cinéticos químicos de velocidad del sistema de reacción y son datos eficaces para discutir el mecanismo de reacción.

En la primera mitad del siglo XX se dedicó una gran cantidad de trabajos de investigación a la medición y análisis teórico de estos parámetros y al uso de estos parámetros para estudiar los mecanismos de reacción. Sin embargo, la confirmación de los mecanismos de reacción depende principalmente de la capacidad de detectar y analizar los intermediarios de reacción. A finales del siglo XX, una extensa investigación sobre la cinética de la reacción en cadena de los radicales libres trajo dos tendencias de desarrollo a la cinética química: primero, una extensa investigación sobre la cinética de metarreacción; segundo, había una necesidad urgente de establecer un método para detectar intermediarios reactivos. Este requisito, junto con los avances en electrónica y tecnología láser, ha fomentado el desarrollo de cinéticas de reacción rápida. La resolución temporal actual para detectar intermediarios activos transitorios ha mejorado desde el nivel de milisegundos en la década de 1950 al nivel de picosegundo.

El segundo es el método de investigación de la dinámica de reacciones moleculares. Desde un nivel molecular microscópico, una reacción química es un comportamiento de colisión de reacción única en el que las moléculas reactivas con un determinado estado cuántico chocan entre sí, reorganizan los átomos, producen moléculas de producto con un determinado estado cuántico o incluso se separan entre sí.

Explicado por la teoría del estado de transición, es el comportamiento de una partícula que representa el sistema que cruza la barrera de reacción en la superficie de energía superpotencial del sistema de reacción.

En principio, si la superficie de energía potencial correcta del sistema de reacción puede calcularse a partir de la teoría química cuántica y las trayectorias de los puntos representativos de ella pueden calcularse utilizando las leyes de la mecánica, los parámetros de la reacción Se pueden calcular la velocidad y la cinética química. Sin embargo, excepto para algunas reacciones químicas muy simples, los cálculos químicos cuánticos aún no han podido obtener una superficie de energía potencial confiable y completa del sistema de reacción. Por lo tanto, la teoría actual de la velocidad de reacción todavía necesita tomar prestado el método de procesamiento de la mecánica estadística clásica. Este tratamiento debe hacer algún tipo de supuesto de equilibrio, lo que hace que estas teorías de velocidad no sean adecuadas para reacciones muy rápidas. Aunque se han realizado muchos estudios sobre la aplicabilidad del supuesto de equilibrio, aún no está maduro utilizar completamente la teoría del no equilibrio para abordar cuestiones de velocidad de reacción.

Los métodos experimentales clásicos de cinética química no pueden preparar reactivos en estados cuánticos únicos y no pueden detectar productos nacientes producidos por colisiones de reacciones únicas. La aplicación de haces moleculares (dispersión molecular), especialmente el método de haz molecular cruzado, en el estudio de la cinética de reacción de elementos químicos permite estudiar las colisiones de reacciones únicas en experimentos. Los experimentos con haces moleculares obtienen mucha información microscópica sobre reacciones químicas que no se puede obtener mediante la dinámica química clásica. La dinámica de reacciones moleculares está a la vanguardia de la cinética química moderna.