Tema 59

La química del carboni, o química orgànica, és la branca de la química que estudia els compostos del carboni, amb l'excepció tradicional d'unes poques espècies inorgàniques simples (òxids de carboni, carbonats, cianurs i carburs). Lluny de ser un capítol menor, constitueix el suport molecular de la vida i d'una part immensa de la tecnologia moderna: combustibles, polímers, fàrmacs, colorants i biomolècules són, en la seua pràctica totalitat, compostos orgànics. Se'n coneixen desenes de milions, moltíssims més que els de la resta d'elements combinats, la qual cosa justifica que reben un tractament específic.

Històricament, la química orgànica va nàixer lligada a la teoria de la força vital (vitalisme), segons la qual els compostos dels éssers vius només podien formar-se per acció d'una energia pròpia de la matèria viva. Aquesta idea va quedar refutada el 1828, quan Friedrich Wöhler va obtenir urea —un producte del metabolisme animal— a partir d'una substància inequívocament inorgànica, el cianat d'amoni:

$$\mathrm{NH_4OCN \rightarrow CO(NH_2)_2}$$

Al llarg del segle XIX, Kekulé, Couper i altres van establir la teoria estructural: la tetravalència del carboni i la seua capacitat d'encadenar-se (concatenació) expliquen l'enorme diversitat de la química orgànica. Aquest tema, situat en el bloc de química del carboni del temari del cos 590-007, assenta les bases —estructura, enllaç, nomenclatura i isomeria— sobre les quals es recolzen els temes posteriors dedicats a les funcions orgàniques i a les biomolècules.

1. Química del carboni

El carboni ($Z = 6$) és el sisé element del sistema periòdic i ocupa el capdavant del grup 14. La seua configuració electrònica fonamental és $1s^2\,2s^2\,2p^2$, amb quatre electrons en la capa de valència. Aquesta posició central —ni marcadament electropositiu ni electronegatiu, amb una electronegativitat intermèdia ($\approx 2{,}5$ en l'escala de Pauling)— fa que el carboni forme quasi exclusivament enllaços covalents compartint els seus quatre electrons de valència, en lloc de cedir o captar electrons.

Diversos trets expliquen per què el carboni dona lloc a una química tan vasta:

• Tetravalència. Forma quatre enllaços covalents, la qual cosa permet construir cadenes, ramificacions i cicles.
• Concatenació (catenació). Els enllaços C–C són forts i estables, de manera que el carboni s'uneix a si mateix formant cadenes de longitud pràcticament il·limitada, cosa que quasi cap altre element fa en tal grau.
• Enllaços múltiples. Pot formar enllaços dobles i triples amb si mateix i amb altres elements (O, N, S), la qual cosa multiplica les possibilitats estructurals.
• Estabilitat enfront d'hidrogen, oxigen i nitrogen, els elements amb els quals es combina per formar les funcions orgàniques.

Les principals fonts naturals de compostos orgànics són els combustibles fòssils (petroli, gas natural, carbó), la biomassa i els productes de la síntesi orgànica al laboratori i la indústria. La combustió completa d'un hidrocarbur il·lustra la seua reactivitat més característica —l'oxidació—, base a més de l'aprofitament energètic:

$$\mathrm{CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O}$$

2. Estructura i enllaços del carboni

Hibridació d'orbitals

En el seu estat fonamental, el carboni té només dos electrons desaparellats ($2p^2$), la qual cosa suggeriria una valència de dos. No obstant això, forma quatre enllaços equivalents. Per explicar-ho es recorre al model d'hibridació proposat per Pauling: un electró $2s$ promociona a un orbital $2p$ buit i, a continuació, els orbitals atòmics es combinen (hibriden) per donar orbitals híbrids equivalents. Segons quants orbitals $p$ participen, es distingeixen tres tipus:

• Hibridació $sp^3$. L'orbital $2s$ es combina amb els tres $2p$, generant quatre orbitals híbrids dirigits cap als vèrtexs d'un tetraedre, amb angles de $109{,}5^\circ$. És la del carboni amb quatre enllaços senzills (p. ex. el metà, $\mathrm{CH_4}$).
• Hibridació $sp^2$. El $2s$ es combina amb dos $2p$, donant tres híbrids coplanaris a $120^\circ$ (geometria trigonal plana) i queda un orbital $p$ sense hibridar perpendicular al pla. És la del carboni amb un enllaç doble (p. ex. l'etè, $\mathrm{C_2H_4}$).
• Hibridació $sp$. El $2s$ es combina amb un sol $2p$, donant dos híbrids oposats a $180^\circ$ (geometria lineal) i queden dos orbitals $p$ sense hibridar. És la del carboni amb un enllaç triple o dos dobles (p. ex. l'etí, $\mathrm{C_2H_2}$).

Enllaços σ i π

Els orbitals híbrids formen enllaços sigma ($\sigma$) per solapament frontal al llarg de l'eix internuclear; són forts i permeten la rotació lliure. Els orbitals $p$ no hibridats es solapen lateralment donant enllaços pi ($\pi$), més febles i que impedeixen la rotació entorn de l'eix de l'enllaç, un fet decisiu per a la isomeria geomètrica. Així:

• un enllaç senzill C–C és un enllaç $\sigma$;
• un enllaç doble C=C és un $\sigma$ més un $\pi$;
• un enllaç triple C≡C és un $\sigma$ més dos $\pi$.

En augmentar l'ordre d'enllaç, la distància disminueix i l'energia augmenta, com recullen els valors mitjans següents:

| Enllaç | Longitud (pm) | Energia (kJ·mol⁻¹) | |--------|:-------------:|:------------------:| | C–C | 154 | 347 | | C=C | 134 | 614 | | C≡C | 120 | 839 | | C–H | 109 | 414 |

Convé notar que un enllaç doble no és el doble de fort que un de senzill: el segon enllaç ($\pi$) és més feble que el primer ($\sigma$), la qual cosa explica la reactivitat d'alquens i alquins enfront de les reaccions d'addició.

Cadenes i funcions

La combinació d'aquestes possibilitats genera cadenes lineals, ramificades o cícliques, i dona lloc a les distintes funcions orgàniques segons el grup funcional present (hidroxil –OH en alcohols, carbonil C=O en aldehids i cetones, carboxil –COOH en àcids, amino –NH₂ en amines, etc.). Els hidrocarburs sense grups funcionals responen a fórmules generals senzilles: alcans $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$, alquens $\mathrm{C_nH_{2n}}$ i alquins $\mathrm{C_nH_{2n-2}}$.

3. Nomenclatura

La nomenclatura sistematitza el nom de cada compost de forma unívoca, segons les regles de la IUPAC (Unió Internacional de Química Pura i Aplicada). El nom es construeix amb tres elements: un prefix que indica substituents i la seua posició, una arrel que expressa el nombre de carbonis de la cadena principal, i un sufix que designa la funció principal.

Les arrels segons el nombre de carbonis són: met- (1), et- (2), prop- (3), but- (4), pent- (5), hex- (6), hept- (7), oct- (8), non- (9), dec- (10).

Els hidrocarburs es nomenen amb la terminació:

• -à per als alcans (només enllaços senzills): $\mathrm{CH_4}$ metà, $\mathrm{C_2H_6}$ età, $\mathrm{C_3H_8}$ propà.
• -è per als alquens (amb enllaç doble): $\mathrm{C_2H_4}$ etè.
• -í per als alquins (amb enllaç triple): $\mathrm{C_2H_2}$ etí.

Regles bàsiques per a cadenes

1. S'elegeix com a cadena principal la més llarga que continga el grup funcional principal (o el major nombre d'enllaços múltiples).
2. Es numera la cadena de manera que els localitzadors del grup principal i de les insaturacions siguen tan baixos com siga possible.
3. Els substituents (radicals alquil –metil, –etil…, o àtoms com el clor) es citen com a prefixos per ordre alfabètic, precedits del seu localitzador.
4. Les multiplicitats s'indiquen amb di-, tri-, tetra-.

Per exemple, $\mathrm{CH_3\!-\!CH(CH_3)\!-\!CH_2\!-\!CH_3}$ és el 2-metilbutà: cadena de quatre carbonis (but-) amb un metil en el carboni 2.

Prioritat de funcions

Quan coexisteixen diverses funcions, una és la principal (es nomena amb sufix) i les altres passen a prefixos. L'ordre de preferència decreixent és, de forma resumida: àcids carboxílics > èsters > amides > nitrils > aldehids > cetones > alcohols > amines > èters. Així, l'àcid 2-hidroxipropanoic (àcid làctic) nomena l'àcid com a funció principal (sufix -oic) i el hidroxil com a prefix (hidroxi-).

4. Isomeria

S'anomenen isòmers els compostos que tenen la mateixa fórmula molecular però distinta estructura i, per tant, propietats diferents. La isomeria és una conseqüència directa de la versatilitat estructural del carboni i es classifica en dos grans tipus.

Isomeria estructural o de constitució

Els àtoms estan units en ordre distint (difereix la connectivitat):

• De cadena (o d'esquelet): distinta disposició de la cadena carbonada. El butà i el 2-metilpropà (isobutà) comparteixen fórmula $\mathrm{C_4H_{10}}$.
• De posició: el grup funcional o la insaturació ocupa distinta posició. L'1-propanol i el 2-propanol responen tots dos a $\mathrm{C_3H_8O}$.
• De funció: la mateixa fórmula correspon a funcions distintes. L'etanol ($\mathrm{CH_3CH_2OH}$) i el dimetil èter ($\mathrm{CH_3OCH_3}$) són tots dos $\mathrm{C_2H_6O}$.

Estereoisomeria

Els àtoms s'uneixen en el mateix ordre, però difereixen en la seua disposició espacial:

• Isomeria geomètrica (cis-trans / E-Z). Apareix quan la rotació està impedida, típicament en un doble enllaç C=C (pel enllaç $\pi$) o en cicles. En el cis (Z) els substituents de referència queden al mateix costat; en el trans (E), en costats oposats. El but-2-è existeix com a cis-but-2-è i trans-but-2-è, amb punts de fusió i ebullició distints. L'assignació rigorosa E/Z empra les regles de prioritat de Cahn–Ingold–Prelog (CIP), basades en el nombre atòmic.
• Isomeria òptica. S'estudia en l'apartat següent per la seua comprovació experimental.

Un mateix compost pot presentar diversos estereocentres; el nombre màxim de estereoisòmers configuracionals és

$$N = 2^{n}$$

on $n$ és el nombre de carbonis asimètrics (la presència de simetria interna pot reduir aquest nombre, com en els compostos meso).

5. Comprovació experimental de l'activitat òptica

Quiralitat i enantiòmers

Un objecte és quiral quan no és superposable amb la seua imatge especular, igual que la mà dreta no coincideix amb l'esquerra. En química orgànica, la causa més comuna de quiralitat és la presència d'un carboni asimètric (o estereocentre): un carboni $sp^3$ unit a quatre grups distints. Les seues dues imatges especulars no superposables s'anomenen enantiòmers. Van't Hoff i Le Bel, el 1874, van explicar aquesta estereoquímica postulant la disposició tetraèdrica dels quatre enllaços del carboni.

Els enantiòmers comparteixen quasi totes les seues propietats físiques i químiques (punt de fusió, densitat, solubilitat, reactivitat enfront de reactius no quirals), per la qual cosa resulten indistingibles pels mètodes habituals. Es diferencien, no obstant això, en dos aspectes: el seu comportament enfront d'altres substàncies quirals (crucial en bioquímica i farmacologia) i la seua acció sobre la llum polaritzada, que proporciona el criteri experimental per detectar-los.

Activitat òptica i polarímetre

Una substància és òpticament activa quan desvia el pla de vibració de la llum polaritzada que la travessa. El fenomen va ser descobert per Jean- Baptiste Biot a començaments del segle XIX. Cada enantiòmer desvia el pla un mateix angle però en sentits oposats: el que el gira a la dreta (sentit horari per a l'observador) és dextrogir i s'indica amb (+); el que el gira a l'esquerra és levogir i s'indica amb (−).

La mesura es realitza amb un polarímetre, l'esquema essencial del qual és: una font de llum monocromàtica (habitualment la línia D del sodi, $\lambda = 589\ \mathrm{nm}$), un polaritzador que produeix llum polaritzada plana, un tub que conté la dissolució problema, i un analitzador giratori amb escala graduada. Sense mostra activa, polaritzador i analitzador es creuen a foscor; amb la mostra, cal girar l'analitzador un angle $\alpha$ per recuperar l'extinció, i aquest angle és la desviació mesurada.

La magnitud característica de cada substància és la rotació específica, que normalitza l'angle observat respecte al recorregut òptic i la concentració:

$$[\alpha]_\lambda^{T} = \frac{\alpha}{l\,c}$$

on $\alpha$ és l'angle observat (en graus), $l$ el camí òptic (en dm) i $c$ la concentració (en $\mathrm{g\,mL^{-1}}$); el superíndex i el subíndex indiquen la temperatura $T$ i la longitud d'ona $\lambda$ emprades. És, per tant, una constant física tabulada, anàloga a un punt de fusió.

Mescla racèmica i experiment de Pasteur

Una mescla racèmica (o racemat) conté els dos enantiòmers en quantitats equimoleculars (50:50); les seues rotacions oposades es compensen i la mescla és òpticament inactiva ($[\alpha] = 0$). La demostració experimental clàssica que l'activitat òptica resideix en la geometria molecular la va aportar Louis Pasteur el 1848: en examinar al microscopi els cristalls de la sal doble tartrat sòdic-amònic procedent d'un racemat, va observar dos tipus de cristalls que eren imatges especulars l'un de l'altre. Separant-los manualment amb unes pinces i dissolent-los per separat, va comprovar que una dissolució era dextrogira i l'altra, levogira, mentre que la mescla original era inactiva. Va ser la primera resolució d'un racemat i una prova directa de la relació entre quiralitat molecular i activitat òptica.

Al laboratori escolar, l'activitat òptica s'il·lustra de forma senzilla mesurant amb un polarímetre la desviació produïda per dissolucions de sucres comuns: la sacarosa i la glucosa són dextrogires, mentre que la fructosa és fortament levogira. La hidròlisi de la sacarosa produeix el anomenat sucre invertit, el gir del qual canvia de signe, la qual cosa constitueix una pràctica quantitativa molt visual.

Aplicació didàctica

En el currículum LOMLOE (Real Decreto 217/2022), la química del carboni es introdueix en l'ESO —l'alumnat reconeix hidrocarburs i algunes funcions senzilles i la seua relació amb els combustibles i la vida— i es formalitza en el Batxillerat, on s'aborden la formulació i nomenclatura orgàniques, els tipus d'isomeria i una primera aproximació a l'estereoquímica. És un contingut idoni per desenvolupar la competència STEM i la competència digital, i per plantejar situacions d'aprenentatge entorn de contextos reals: la importància de la quiralitat en els medicaments (el cas històric de la talidomida, els enantiòmers de la qual tenen efectes molt distints) motiva amb força el estudi de la isomeria òptica.

Convé anticipar les idees prèvies i errors freqüents: confondre compostos "orgànics" amb "naturals" (molts són sintètics); creure que la hibridació és un fenomen físic real i no un model; nomenar cadenes elegint malament la principal o numerant en sentit incorrecte; i, molt especialment, pensar que dos isòmers són "la mateixa substància" per compartir fórmula molecular. L'ús de models moleculars (barretes i boles) és especialment eficaç perquè el alumnat visualitze la geometria tetraèdrica i comprenga de forma tangible la no superposabilitat dels enantiòmers, difícil de captar només sobre el paper.

Conclusió

La química del carboni deu la seua extraordinària amplitud a un conjunt de trets del àtom de carboni —tetravalència, concatenació i capacitat de formar enllaços múltiples— que la hibridació $sp^3$, $sp^2$ i $sp$ explica satisfactòriament i que es tradueix en les geometries tetraèdrica, trigonal i lineal. Sobre aquesta base estructural, la nomenclatura IUPAC proporciona un llenguatge unívoc, mentre que la isomeria —estructural i estereoisomeria— dona compte que una mateixa fórmula molecular puga correspondre a substàncies distintes. L'activitat òptica, mesurada amb el polarímetre i demostrada històricament per Pasteur, constitueix la comprovació experimental de la quiralitat i el pont natural cap a la química de les biomolècules, on l'estereoquímica resulta determinant per a la funció biològica.