Jano, Cupido y la reacción

“Existe una diosa de la modernidad que tiene un cuerpo que se llama método, y éste, de manera semejante al cuerpo del dios Jano, sostiene dos cabezas con perspectivas distintas: el análisis y la síntesis. Esa diosa fue llamada desde hace varios siglos así: Química.”

La materia me circunda y me absorbe.
¡Hurra por la ciencia positiva!
¡Vivan las demostraciones exactas!
Traedme coronas de cedro y de laurel.
Honrad esas cabezas:
la del químico,
la del geómetra,
la del gramático.

—Walt Whitman

Jano

La química, como toda ciencia, admite una división. Los criterios para realizar una división en las ciencias son varios; es decir, las ciencias admiten más de una división. En física, por ejemplo, una división muy general consiste en presentarla como física clásica o física cuántica, cada una de las cuales a su vez puede dividirse de otras maneras. En química también encontramos una división muy general aunque no del todo análoga a la división clásica y cuántica de la física: la división entre química orgánica y química inorgánica.

Si partimos de la definición de la química orgánica como “química del carbono” podríamos preguntar a quien sostenga la definición anterior: ¿Por qué la molécula del anhídrido carbónico o dióxido de carbono (CO₂) no es considerada una molécula orgánica si tiene carbono y, además, oxígeno? Porque como “corolario” de la definición aludida líneas arriba, también se dice que “la química orgánica es la química de la vida” y, como es bien sabido, los cuatro elementos principales en la constitución de los seres vivos son el carbono (C), el hidrógeno (H), el oxígeno (O) y el nitrógeno (N). La molécula de CO₂ no sólo tiene un átomo de carbono, también tiene dos átomos de oxígeno.

Pues bien, resulta que la definición que dimos de la química orgánica líneas arriba estaba incompleta: la química orgánica es la química del carbono… de las moléculas constituidas por átomos de carbono donde éstos se enlazan entre sí y también con átomos de hidrógeno… Sin embargo, es posible la presencia de átomos de oxígeno, nitrógeno o azufre, por ejemplo, en moléculas orgánicas. Las moléculas orgánicas se agrupan en familias (hidrocarburos, alcoholes, ácidos orgánicos, etcétera), las cuales se diferencian entre sí a través de la presencia de los llamados grupos funcionales o radicales constituidos por determinados átomos (en el caso de los alcoholes: un átomo de oxígeno enlazado con un átomo de hidrógeno, el radical OH) que entran en la constitución de la molécula completa y le dan características químicas y físicas específicas. Pero el esqueleto de todas las moléculas orgánicas, sean éstas las que sean, lo forman átomos de carbono e hidrógeno enlazados.

En química también encontramos una división muy general aunque no del todo análoga a la división clásica y cuántica de la física: la división entre química orgánica y química inorgánica.

Se podría decir que históricamente la química orgánica es más reciente que la química inorgánica. Esta última es, entre otras cosas, la “química viejita”: la química de los metales, de los gases y sus leyes, de las sales, de los ácidos… ¿orgánicos? No, de los ácidos inorgánicos como el ácido clorhídrico (HCl) y el ácido sulfhídrico (H₂SO₄) tan importantes, que no vitales, en una amplia gama de procesos de la industria. Precisamente porque la química inorgánica como rama de la química es anterior a la química orgánica, a la familia de ácidos de esta última se les denomina con todo y apellido —orgánicos— y se les dio el nombre de ácidos porque comparten características con los ácidos inorgánicos (en primer lugar la acidez).

Es bien sabido que no es del todo errado llamar a la química orgánica “química de la vida”. A finales del siglo XVIII el padre de la química, el francés Antoine Lavoisier, demostró que todos los seres vivos —animales y vegetales— están constituidos de carbono e hidrógeno fundamentalmente, así como también —en menor proporción— de oxígeno, nitrógeno y azufre. En los inicios del siglo siguiente, en 1807, el genial químico sueco Jacob Berzelius clasificó las sustancias químicas en dos grupos: orgánicas (las que constituyen y proceden de organismos vivos) e inorgánicas (la materia inanimada, sin vida).

Tanto en la época en que vivió Lavoisier como en la contigua correspondiente a Berzelius, en Europa pervivía fuertemente una creencia postulada cien años antes, en los inicios del siglo XVIII, por un médico y químico alemán llamado Georg Stahl. Esa creencia postulaba la existencia de una “fuerza vital” asociada a la materia viviente, algo así como un alma, razón por la cual la vida era algo especial químicamente y las moléculas asociadas a los seres vivos no se podían sintetizar en un laboratorio. Curiosamente a Stahl se le debe otra teoría científica errónea, una teoría que elaboró para explicar la combustión: la teoría del flogisto. Para no causar un hipotético dolor de cabeza innecesario y porque la combustión es paradigmática en química como para tratarla de ladito por miedo a quemarse, sólo diremos que quien explicó correctamente lo que es el proceso de la combustión, cortando con ello de tajo la errónea teoría del flogisto en ciencia, fue Lavoisier.

Ahora sabemos que las moléculas de la vida sí son parte de la química orgánica, pero como un subconjunto de ésta. La química de la vida es propiamente la bioquímica, una disciplina un poco más joven que la química orgánica. Las moléculas asociadas a los organismos vivos forman tres grandes grupos: proteínas, grasas y carbohidratos. Curiosamente, de manera análoga a la confusión que existía en los inicios de la química orgánica respecto de la clasificación de las moléculas orgánicas como exclusivas de los seres vivos, los carbohidratos recibieron ese nombre porque las primeras moléculas analizadas y conocidas de este tipo presentaban un átomo de carbono por cada átomo de oxígeno y dos de hidrógeno; es decir, los carbohidratos parecían ser “carbonos hidratados”, un carbono y una molécula de agua: (C∙H₂0)_n. Pero el perfeccionamiento del análisis químico demostró que no todos los carbohidratos tienen esta proporción.

No fue Lavoisier quien echó abajo la teoría vitalista de Stahl. Desde luego que tampoco fue Berzelius. El punto de inflexión en esto, porque inició la síntesis de moléculas orgánicas en química, lo dio un compatriota de Stahl y discípulo de Berzelius, el químico alemán Friedrich Wöhler… ¡y todo empezó con unos cuantos mililitros de algo así como orina!

En el año 1828 Wöhler encontró que al aplicar calor al cianato de amonio éste se convertía en urea, una sustancia orgánica presente en la orina:

La realidad es que, resultado del análisis químico, se sabe que tanto el cianato de amonio [NH₄(OCN)] como la urea [CO(NH₂)₂] tienen la misma composición química, pero la primera molécula se considera inorgánica mientras la segunda es orgánica. Otra vez entramos en sutilezas, como cuando nos planteamos el por qué la molécula de dióxido de carbono (CO₂) no es considerada orgánica. Además diremos que el ácido cianhídrico (HCN) no es un ácido orgánico sino inorgánico. Y bueno, tanto el ácido cianhídrico como el cianato de amonio contienen carbono e hidrógeno, pero no son moléculas orgánicas.

Si esto último causa un dolor de cabeza, habrá que tomar una aspirina.

La sutileza en esto tiene que ver con el tipo de enlace químico, y la imagen que contiene la síntesis de la urea mediante la aplicación de calor al cianato de amonio es ilustrativa: el cianato de amonio se forma a través de un enlace iónico, mientras en la constitución de la urea participan sólo enlaces covalentes, enlaces característicos de las moléculas orgánicas.

Toda clasificación o división de las ciencias puede ser hasta cierto punto “artificial”, presentar varias sutilezas. En torno a la química, preguntémonos qué hacen los químicos.

En química se puede y se debe prescindir del alma de los vitalistas, pero no del dios Jano. Los químicos grosso modo hacen dos cosas: analizar y sintetizar sustancias. Toda la química (orgánica, inorgánica, bioquímica, química de coordinación, etcétera) puede verse desde las dos perspectivas que sostiene su método. El análisis químico y la síntesis química permean no sólo todas las áreas de la química, sino también su propia historia. Los alquimistas, precursores del químico moderno, buscaban sintetizar oro a partir de otros metales. En nuestra época, el proyecto del genoma humano es fundamentalmente análisis químico.

Quizá el más importante icono de la ciencia química es una reacción química. Una reacción química, por ejemplo

A + B à C

contiene en sí el análisis y la síntesis. Los reactivos en una reacción química no necesariamente son dos (en nuestro ejemplo sí: A y B), pueden ser más e inclusive sólo uno; lo mismo vale para los productos.

Ahora bien, decir que determinados reactivos pueden transformarse en ciertos productos no es resultado de una adivinanza o un volado sino del análisis químico. ¿Por qué es posible una reacción química, al menos en el papel o en el pizarrón? Porque de las características de las sustancias involucradas (número y tipo de átomos, enlaces químicos, etcétera, etcétera), conocidas a través del análisis químico, se puede afirmar si esa reacción puede llevarse a cabo. Pasar de A y B a C es la otra cara de la química, la síntesis.

Es casi intuitivo afirmar que el análisis químico no es trivial, sino resultado acumulativo de siglos de investigaciones. Lo que no necesariamente es intuitivo para alguien que no es químico y ve una reacción química escrita en papel o pizarrón, es saber que la síntesis química tampoco es trivial. No sólo eso, una reacción química por lo general no se lleva a cabo en un paso, hay todo un mecanismo involucrado: un mecanismo de reacción.

Los mecanismos de reacción, como bien sabe todo estudiante de química, sí pueden llegar a causar un dolor permanente de cabeza. Teóricamente el mecanismo de reacción explica cómo se lleva a cabo una reacción química; establece cuáles son las etapas involucradas en ella, las posibles vías o canales existentes por donde puede darse la reacción en cada etapa, así como los productos químicos intermedios que se forman.

Un catalizador es una sustancia que acelera una reacción química, pero no entra en la constitución de los productos químicos finales. El mecanismo de reacción explica cómo participa un catalizador en una reacción química, cómo entra en la formación de productos intermedios para recuperarse o regenerase finalmente. También el calor o la luz, que no son sustancias, pueden ser catalizadores en una reacción: la descomposición química del cianato de amonio en urea es una reacción catalizada por calor (cuyo símbolo en la figura de la reacción es ∆).

Un mecanismo de reacción se propone a través de un conocimiento previo (análisis), pero se verifica o lleva a cabo a través de la experimentación (síntesis). Sin embargo, ese conocimiento previo también es producto de síntesis de otras moléculas. Hay varios factores claves para determinar un mecanismo de reacción. De entrada, el tipo y la cantidad de átomos (la estequiometría de la reacción). Pero otros dos factores cuantitativos de suma importancia, decisivos, son las energías involucradas en la reacción (energías finalmente asociadas a los enlaces químicos que hay que romper y formar) y la cinética química (la velocidad con la que se llevan a cabo las reacciones).

Toda molécula tiene determinada energía química que está asociada con los enlaces que existen entre los átomos que la forman. En una reacción química la energía de los productos puede ser mayor o menor que la energía química de los reactivos, pero la energía más importante en la reacción es otra: la energía de activación, que es la energía mínima para desencadenar una reacción química y es mayor que la energía de productos y reactivos químicos involucrados. Una energía de activación puede conseguirse al aplicar calor, también a través de alguna descarga eléctrica (finalmente la electricidad es la causa de toda actividad química). Es lógico que de alguna manera se tienen que determinar los valores de esas energías.

En química se puede y se debe prescindir del alma de los vitalistas, pero no del dios Jano. Los químicos grosso modo hacen dos cosas: analizar y sintetizar sustancias. Toda la química (orgánica, inorgánica, bioquímica, química de coordinación, etcétera) puede verse desde las dos perspectivas que sostiene su método.

El primero que realizó este tipo de mediciones, ya que junto con un colaborador inventó el calorímetro, fue Lavoisier. El padre de la química fundó así la termoquímica en pleno siglo XVIII, décadas antes de que formalmente se estableciera la ciencia física del calor —la termodinámica. La termoquímica nos dice qué tan viable, energéticamente hablando, es una reacción química. Con esas investigaciones Lavoisier también estableció la ley de la conservación de la materia (“la materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma”), ley enunciada también y de manera independiente por el ruso Mijaíl Lomonósov años antes, que sólo fue modificada hasta que Einstein, poco más de cien años después de la muerte de Lavoisier, dedujo con su teoría especial de la relatividad la ley de la conservación de la masa-energía (E=mc²). Las mediciones de Lavoisier y su joven colaborador eran tan buenas como imperceptible la transformación de la masa en energía a nivel químico. Ese joven colaborador de Lavoisier con los años llegó a ser un extraordinario físico, matemático y astrónomo: el inmenso Laplace, a quien le tocaría vivir en Francia todo el proceso revolucionario, el Imperio napoleónico y la restauración borbónica. Suerte algo distinta corrió Lavoisier; al padre de la química sí le cortaron la cabeza: murió guillotinado en 1794. Es memorable la frase que pronunció otro genio, el matemático, físico y astrónomo Lagrange, después de la muerte de Lavoisier: “Ha bastado un instante para segar su cabeza; habrán de pasar cien años antes de que nazca otra igual”.

Pero entre la muerte de Lavoisier y 1894 pasaron otras cosas. El siglo XIX fue, científicamente hablando, también el siglo de la fisicoquímica o la química física. En ésta sobresalieron las investigaciones de Michael Faraday (1791-1867) realizadas en electroquímica, área en la que descolló brillantemente años después el fisicoquímico sueco August Arrhenius (1859-1927). Fue Arrhenius quien introdujo explícita y operacionalmente el concepto energía de activación, y lo hizo a través de una ecuación o ley que relaciona esa energía con la velocidad a la cual se lleva a cabo una reacción: a mayor energía de activación, menor velocidad de reacción; a menor energía de activación, mayor velocidad de reacción. Arrhenius también encontró cuantitativamente cómo era modificada esa velocidad por la temperatura: a mayor temperatura, mayor velocidad. Así se fundó otra área de la química física: la cinética química.

Tal parece que el árbol de la ciencia tiene muchas ramas. El árbol de la química a veces es literal. El café es una bebida que, como muchas otras, contiene una sustancia química ampliamente conocida: la cafeína. Ésta es una molécula orgánica y es la responsable de la estimulación que uno experimenta al ingerir esa bebida (es claro que el café descafeinado ya no es café propiamente dicho). Aunque la molécula de la cafeína fue descubierta apenas en el siglo XIX por un químico analítico alemán, F.F. Runge, el descubrimiento y el uso del café como estimulante se remonta muchos siglos atrás…

Cuenta la leyenda que un pastor en Etiopía, hace muchos siglos, de repente se dio cuenta que sus cabras, unas cabras loquísimas, se mostraban estimuladas, muy echadas para adelante, en estado de excitación. Ese pastor, sin duda poseído por un espíritu científico, decidió investigar qué estaba pasando con las cabras locas; las espió. Lo que el científico-pastor descubrió fue que las cabras estaban comiendo, ¡ajá!, de algo así como el árbol de la ciencia. La realidad es que no se trataba propiamente de un árbol sino de un arbusto (también hay sutilezas en las definiciones y clasificaciones de la biología, ¿verdad?). Ese arbusto contenía un fruto rojo, que era lo que se estaban comiendo las cabras. El científico-pastor dedujo que ese fruto era el responsable de la excitación, y su curiosidad científica lo indujo a comer lo mismo, para así comprobar su deducción o rechazarla y buscar otra respuesta a su pregunta, su búsqueda. Pues qué, el pastor comió y se excitó…

Es excitante saber, además, que quien indujo a F.F. Runge, siglos después de las cabras locas, para que analizara químicamente el café fue ni más ni menos que su amigo Goethe. A Goethe, sin haber sido propiamente un químico analítico, le debemos de manera indirecta la identificación de la molécula de la cafeína contenida en el café.

El sauce sí es propiamente un árbol, no un arbusto. Existen cientos de especies de sauces y con las hojas de una de estas especies en particular, Salix latinum, desde hace siglos se preparaban soluciones o brebajes para curar dolores de cabeza y fiebres, por ejemplo. Lavoisier bien pudo en vida ingerir alguno de esos brebajes para calmar algún dolor de cabeza ocasionado a la par de sus investigaciones.

Es excitante saber, además, que quien indujo a F.F. Runge, siglos después de las cabras locas, para que analizara químicamente el café fue ni más ni menos que su amigo Goethe. A Goethe, sin haber sido propiamente un químico analítico, le debemos de manera indirecta la identificación de la molécula de la cafeína contenida en el café.

Existe un extracto medicinal del sauce Salix latinum: una sustancia llamada salicina y aislada químicamente a principios del siglo XIX. Con la salicina se pudo sintetizar un ácido orgánico, el ácido salicílico, que es el antecedente inmediato de la aspirina. El ácido salicílico se convirtió en el fármaco más importante a mediados del siglo XIX, pero presentaba ciertos problemas —y vaya que todos los fármacos pueden presentar problemas—, molestias. Los químicos de aquel siglo, con la bola de nieve que se desató a partir de la síntesis orgánica de la urea, pudieron sintetizar moléculas orgánicas. Arrhenius pudo ingerir lo que fue imposible para Lavoisier: F. Hoffmann, químico alemán que trabajaba para los laboratorios Bayer, sintetizó por vez primera el ácido acetilsalicílico, llamado comúnmente aspirina, en el año 1897. La aspirina como fármaco no ocasionaba las molestias que presentaba el ácido salicílico, pero al igual que éste funcionaba como analgésico y antipirético.

La diferencia entre el ácido acetilsalicílico y el ácido salicílico es más que una palabra o prefijo químico. Ambos son ácidos orgánicos y, de hecho, tienen una estructura molecular muy parecida, pero difieren en unos átomos, pocos. La síntesis realizada por Hoffmann, desde luego, tuvo antecedentes inmediatos enmarcados en la búsqueda de ese maravilloso fármaco que no presentara los inconvenientes del ácido salicílico, pero que sí preservara sus beneficios medicinales. Para realizar el descubrimiento de la molécula incógnita, es decir, deducir cómo tendría que ser químicamente el sustituto del ácido salicílico, hubo que seguir las pistas que daba el análisis químico. Pero pegarle propiamente a esa molécula, la aspirina en este caso, significó sintetizarla. En el inter, por supuesto, hubo un… mecanismo de reacción.

Tan son muy parecidos el ácido acetilsalicílico y el ácido salicílico, que para la síntesis de aquél se parte de éste. ¿Cuál es la reacción química de la síntesis de la aspirina? Ésta:

Los reactivos son dos, el ácido salicílico y el anhídrido acético, dos moléculas orgánicas. Los productos también son dos, el ácido acetilsalicílico y el ácido acético, otras dos moléculas orgánicas. Además hay un catalizador de la reacción, el ácido sulfúrico (H₂SO₄), un ácido inorgánico o mineral. Se presenta ahora otra incógnita: ¿Cuál es el mecanismo de reacción? Éste:

A ver, cómo es esto. Para entender este mecanismo de reacción, sencillito, debemos tener en la cabeza, en mente, que hay una cinética química y una termoquímica detrás de él. Partiendo de esto, podemos explicarnos el mecanismo de reacción.

De Jano a Cupido o un Cupido ácido…

En primer lugar, miramos que existe un catalizador, el H₂SO₄. El catalizador actúa como Cupido en una reacción, es el intermediario para que dos esqueletos moleculares interaccionen y establezcan ciertos enlaces que dan pie, origen, a todo lo que vendrá después. Sin el Cupido-catalizador, cuando éste es necesario en una reacción química porque no siempre hace falta un catalizador, cualquiera se puede sentar y esperar una cuasi eternidad y verá que nada sucede.

En la primera etapa del mecanismo de reacción de la síntesis de la aspirina, en la solución en donde se lleva a cabo la reacción, un ión de hidrógeno (H⁺) ataca un enlace específico carbono-oxígeno en el anhídrido ascético, lo que dará origen a una esterificación: la formación de una molécula orgánica de la familia de los ésteres, que será un producto intermedio y es la molécula que aparece al lado derecho de las fechas dobles. Hay que notar que el éster tiene en este caso una carga eléctrica positiva, la cual buscará estabilizarse o neutralizarse con una negativa. Las flechas dobles significan algo muy importante: equilibrio químico, que en este contexto significa que igual cantidad de moléculas pasan de izquierda a derecha como de derecha a izquierda, y esto se determina midiendo la concentración de las sustancias químicas respectivas. Este equilibrio luego se rompe y la reacción se dirige en un solo sentido.

En la segunda etapa del mecanismo de reacción, el éster con carga positiva siente atracción (Cupido ya hizo su trabajo, ¡pero aún no sale sobrando!…) por el radical alcohol OH presente en el ácido salicílico. Se da un reacomodo o una especie de intercambio de parejas atómicas que tiene que ver con la densidad de carga eléctrica en los enlaces involucrados: el hidrógeno (swinger-1) del radical OH se va con un oxígeno (swinger-2) del éster; el éster se rompe, se divide, y la parte que no se llevó el hidrógeno (swinger-1), a través de la carga eléctrica positiva de un carbón (swinger-3), se enlaza con el oxígeno (swinger-4) que había quedado bailando solo en una esquina del ácido salicílico.

Aquí ya tenemos el primer producto de la reacción: el ácido acético CH₃COOH (en la figura está escrito debajo de la flecha, aunque no se trata de un catalizador sino de un producto). El último producto intermedio, antes de llegar a la aspirina, es inestable porque tiene un exceso de carga positiva y ningún reactivo con el cual neutralizarla. Así que la única forma que encuentra esa molécula para estabilizarse consiste en desprenderse del hidrógeno que aparece en la región donde se encuentra ese exceso de carga positiva. El hidrógeno se va, se lleva esa carga positiva, y así llegamos a dos resultados: uno, Cupido ya salió sobrando, es decir, el catalizador se recuperó porque el ión hidrógeno H⁺ se reencontrará con el ión (HSO₄)^– para formar la molécula del ácido sulfhídrico (claro que se debería hablar en plural porque una reacción química involucra muchas moléculas); dos: con el hidrógeno expulsado, se tiene el producto que se quería sintetizar, la aspirina.

En este proceso de síntesis cada etapa está caracterizada por determinados procedimientos experimentales y puede tener más sutilezas involucradas. No nos preocupemos por esto, no entremos en detalles al respecto. Asumamos para acabar de una vez por todas que ya tenemos la aspirina, que además tenemos un profundo dolor de cabeza, como si fueran dos, y que ingerimos esa aspirina… Bueno, dos aspirinas nomás porque el dolor es doble. También debemos asumir que sintetizamos la aspirina con un grado de pureza muy alto, porque de otra manera ni para qué ingerirla; eso nos ocasionaría un triple dolor de cabeza y probablemente más molestias. ¿Qué pasa cuando ingerimos una aspirina o cualquier medicamento? Una serie de reacciones químicas, ¿no? Sí, las que conllevan más mecanismos de reacción…

La ciencia es cuento de nunca acabar. ®