La fisicoquímica orgánica o química física orgánica es el estudio de las relaciones entre la estructura y la reactividad de las moléculas orgánicas. De forma más específica, la fisicoquímica orgánica aplica las herramientas experimentales de la física química al estudio de las moléculas orgánicas y provee un marco teórico que interpreta la influencia de las estructuras tanto en mecanismos de reacción como en las velocidades de reacción de reacciones orgánicas. Se puede considerar como un subcampo que conecta la química orgánica con la física química. El término «fisicoquímica orgánica» fue acuñado por Louis Plack Hammet en 1940 al usar dicha frase como título de un libro de texto.Hammett, Louis P. (1940) Physical Organic Chemistry New York: McGraw Hill.
Los químicos físicos orgánicos utilizan técnicas experimentales como la espectroscopia, espectrometría, cristalografía, química computacional y química cuántica para estudiar tanto las velocidades de las reacciones orgánicas como la relativa estabilidad química de los reactivos iniciales, sus estados de transición y los productos finales. Los químicos de este campo trabajan para entender las bases físicas de la Química orgánica moderna. Por lo tanto, la Físicoquímica orgánica tiene aplicaciones en áreas especializadas tales como la química de polímeros, la química supramolecular, etc. Además, muchos Premios Nobel de química han sido por trabajos realizados en la química física orgánica, cabiendo destacar los del año 2013: Martin Karplus (por sus estudios teórico-prácticos sobre la estructura de las proteínas gracias a la aplicación de su ecuación de Karplus en RMN), Michael Levitt y Arieh Warshel por el desarrollo de modelos a multiescala para complejos sistemas químicos.
Estructura química y termodinámica Termoquímica Los químicos orgánicos utilizan las herramientas de la termodinámica para estudiar los enlaces, la estabilidad y la energía de los sistemas químicos. Esto incluye experimentos para medir y determinar la entalpía (), la entropía () y la energía libre de Gibbs () de una reacción, una transformación química o una isomerización. Los químicos utilizan diversos análisis químicos y matemáticos para hallar estos valores.
Para predecir la estabilidad de las moléculas y el cambio en la entalpía a través del curso de una reacción, se utilizan constantes empíricas como la energía de disociación de enlace, la entalpía de formación () y el calor de combustión (). Para moléculas complejas, el valor de puede no estar disponible. Sin embargo, puede estimarse usando fragmentos moleculares con entalpías de formación conocidas. Este tipo de análisis, conocido como BGIT (del inglés Benson group increment theory, «teoría del incremento de grupos de Benson») fue desarrollado por Sidney Benson, quien dedicó su carrera a desarrollar el concepto.
La termoquímica de reactivos intermedios —carbocationes, carbaniones y radicales libres— es también interesante para los químicos orgánicos. Para sistemas químicos que emplean radicales libres hay disponibles datos de incremento de grupos. Se pueden conseguir estabilidades de carbocationes y carbaniones usando afinidades iónicas de hidruro y valores de pKa, respectivamente.
thumb|600px|right|Análisis conformacional de la reacción de eliminación de un ciclohexano sustituido. (A) Reacción E2 antiperiplanar para formar un ciclohexeno sustituido. Este es el mayor producto formado y tiene el grupo terc-butil y el grupo R3 añadidos en forma sin, uno respecto al otro. (B) Reacción E2 sinperiplanar para formar un cyclohexeno sustituido. Este es el menor producto formado y tiene el grupo terc-butil y el grupo R3 añadidos en forma anti uno con respecto al otro.
Análisis conformacional Uno de los principales métodos para evaluar la estabilidad química y la energética es el análisis conformacional. Los fisicoquímicos orgánicos utilizan el análisis conformacional para evaluar los diferentes tipos de tensiones presentes en una molécula para predecir los productos de la reacción. Dichas tensiones pueden encontrarse tanto en moléculas cíclicas como acíclicas, manifestándose en varios sistemas como tensión torsional, tensión alílica, tensión anular y tensión sin-pentano. Los valores A proveen una base cuantitativa para predecir la conformación de un ciclohexano sustituido, una clase importante de compuestos orgánicos cíclicos cuya reactividad está guiada fuertemente por efectos conformacionales. El valor A es la diferencia en la energía libre de Gibbs entre las formas axiales y ecuatoriales del ciclohexano sustituido. Al añadir los valores A de varios sustituyentes, se puede predecir la conformación preferida por un derivado del ciclohexano.
Además de la estabilidad molecular, el análisis conformacional se utiliza para predecir los productos de reacciones. Un ejemplo comúnmente citado del uso de este análisis es la reacción de eliminación bimolecular (E2). Esta reacción ocurre inmediatamente cuando el nucleófilo ataca la especie que es antiperiplanar al grupo saliente. El análisis del orbital molecular A para este fenómeno sugiere que esta conformación otorga el mejor traslape entre los electrones en el orbital de enlace R-H σ, que se encuentra bajo un ataque nucleofílico, y el antienlace vacío σ* del enlace R-X que está siendo roto. Con este efecto, puede usarse el análisis conformacional para diseñar moléculas que tengan reactividad mejorada.
Los procesos físicos que originan las barreras de rotación de enlaces son complejas, y estas barreras han sido estudiadas extensivamente a través de métodos experimentales y teóricos. Algunos artículos recientes han investigado el predominio de las contribuciones estéricas, electrostáticas e hiperconjugativas a las barreras rotacionales en el etano, butano y otras moléculas sustituidas.
Interacciones no covalentes thumb|left|200px|Criptando con un catión, demostrando la Química anfitrión-huésped. Los criptandos son compuestos tricíclicos que encapsulan fuertemente al huésped por medio de interacciones electrostáticas (interacción ion-dipolo).
Los químicos utilizan el estudio de interacciones o enlaces no covalentes intramoleculares e intermoleculares para evaluar la reactividad. Dichas interacciones incluyen enlaces de hidrógeno, interacciones electrostáticas entre moléculas cargadas, interacciones dipolo-dipolo, interacciones π, interacciones catión-π, apilamiento, química donante-aceptor y enlaces de halógeno. Además, el efecto hidrofóbico —la asociación de compuestos orgánicos en agua— es una interacción electrostática no covalente de interés para los químicos. El origen físico preciso del efecto hidrofóbico proviene de muchas interacciones complejas, pero se cree que es el componente más importante del reconocimiento molecular en el agua. La fuerte interacción entre el ácido fólico y el receptor folato ha sido atribuida tanto a enlaces de hidrógeno como a interacciones hidrofóbicas. El estudio de las interacciones no covalentes es usado también para estudiar enlaces y cooperatividad in estructuras supramoleculares y compuestos macrocíclicos como éter de corona y criptandos, los cuales pueden actuar como anfitriones para moléculas huéspedes.
thumb|right|350px|Se pueden utilizar el efecto inductivo y la resonancia química para explicar los diferentes valores de la constante de disociación ácida (o pKa) para el fenol (A) y el p-nitrofenol (B). Para B, el grupo electronegativo nitro estabiliza la base conjugada (anión fenóxido) por inducción y a través de distintas formas resonantes deslocaliza la carga negativa.
Reacciones ácido-base Las propiedades de los ácidos y las bases son relevantes para la Fisicoquímica orgánica. Los químicos orgánicos están interesados principalmente en ácidos-bases de Brønsted-Lowry como donantes o aceptores de protones y en ácidos y bases de Lewis como donantes o aceptores de electrones. Los químicos usan una serie de factores desarrollados a partir de la Física Química (electronegatividad, efecto inductivo, energía de disociación de enlaces, resonancia química, hibridación de orbitales, aromaticidad y solvatación) para predecir acideces y basicidades relativas.
El principio ácido-base duro-blando se utiliza para predecir interacciones moleculares y la dirección de reacción. En general, las interacciones entre moléculas del mismo tipo son preferentes. En otras palabras, los ácidos duros se asociarán con bases duras, y los ácidos blandos con bases blandas. El concepto de ácidos duros y bases es frecuentemente utilizado en la síntesis de entidades de coordinación inorgánicos.
Cinética
Los fisicoquímicos orgánicos utilizan las bases matemáticas de la cinética química para estudiar las velocidades y mecanismos de reacción. A diferencia de la termodinámica, la cual se enfoca más a las estabilidades relativas () de productos y reactivos y sus concentraciones de equilibrio; el estudio de la cinética se enfoca en la energía de activación () —la diferencia de energía libre entre la estructura reactante y la estructura en estado de transición— de una reacción y, por lo tanto, permite a un químico estudiar los procesos de equilibrio químico. Normalmente en química orgánica se aplican formalismos derivados matemáticamente, como el postulado de Hammond, el principio de Curtin-Hammett y la teoría de reversibilidad microscópica. Los químicos han usado también el principio del control de reacción cinético y termodinámico.
Ecuaciones de velocidad El estudio de la cinética química se usa para determinar la ecuación de velocidad de una reacción. Dicha ecuación permite conocer la relación cuantitativa entre la velocidad de una reacción química y las concentraciones o presiones parciales de las especies químicas presentes en dicha reacción. Las ecuaciones de velocidad deben determinarse a través de mediciones experimentales; generalmente no pueden ser deducidas a partir de la ecuación química. La ecuación de velocidad determinada experimentalmente da indicio de la estequiometría de las estructuras en los estados de transición, relacionados con la estructura en estado fundamental. La determinación de la ecuación de velocidad fue obtenida históricamente al monitorizar la concentración de un reactivo a lo largo de una reacción a través de un análisis gravimétrico. Hoy en día, esto se hace casi exclusivamente por el uso de técnicas espectroscópicas rápidas y sin ambigüedades. En la mayoría de los casos, la determinación de las ecuaciones de velocidad se simplifica al añadir un buen exceso de todos los reactivos excepto uno (el reactivo limitante).
thumb|left|400px|(A) Ruta de una reacción no catalizada. (B) Concepción común de la ruta de una reacción catalizada, mostrando la energía de activación que ha sido bajada. (C) Coordenadas de la reacción catalizada, mostrando un mecanismo diferente para la reacción Se demuestra la diferencia en las energías de activación para las reacciones catalizada y sin catalizar.
Catálisis El estudio de la catálisis y las reacciones catalíticas es muy importante para el campo de la fisicoquímica orgánica. Un catalizador participa en la reacción química pero no se consume en el proceso. El catalizador baja la barrera de la energía de activación (), aumentando la velocidad de reacción, ya sea estabilizando la estructura del estado de transición o desestabilizando una reacción intermedia clave. Puesto que sólo se necesita una pequeña cantidad de catalizador, este mismo puede dar acceso fácil a moléculas orgánicas que de otra forma serían caras y difíciles de sintetizar. Los catalizadores también pueden influir en las velocidades de reacción cambiando el mecanismo de reacción.
Efecto isotópico cinético