Органическая химия

Материал из Википедии ? свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Метан , CH 4

Органи?ческая хи?мия  ? раздел химии , изучающий структуру, свойства и методы синтеза соединений углерода с другими химическими элементами, относящихся к органическим соединениям [1] [2] . Первоначальное значение термина органическая химия подразумевало изучение только соединений углерода растительного и животного происхождения. По этой причине ряд углеродсодержащих соединений традиционно не относят к органическим (например, монооксид углерода , диоксид углерода , циановодород , сероуглерод , карбонилы металлов ), а рассматривают как неорганические соединения . Условно можно считать, что структурным прототипом органических соединений являются углеводороды [2] .

Наибольшее количество соединений углерод образует с так называемыми элементами- органогенами : H , N , O , S , P [3] . Способность углерода соединяться с большинством элементов и образовывать молекулы различного состава и строения обусловливает многообразие органических соединений. Органические соединения (например, нуклеотиды , природные аминокислоты , углеводы ) играют ключевую роль в существовании живых организмов.

Предмет органической химии включает следующие цели, экспериментальные методы и теоретические представления:

  • Выделение индивидуальных веществ из растительного, животного или ископаемого сырья
  • Синтез и очистка соединений
  • Определение структуры веществ
  • Изучение механизмов химических реакций
  • Выявление зависимостей между структурой органических веществ и их свойствами

Количество известных органических соединений [ править | править код ]

24 мая 1999 года число известных химических соединений превышало 25 млн, из них 12 млн были органическими [4] , ко 2 мая 2014 года общее число известных неорганических и органических соединений превысило 87 млн [5] . На 8 апреля 2018 года в реестре Химической реферативной службы США (CAS) зарегистрирован 141 млн химических веществ [6] .

История [ править | править код ]

Фридрих Вёлер
Полный синтез витамина B 12 являлся крупным достижением органической химии.
Пример металлоорганической молекулы, катализатора, называемого катализатором Граббса . Его формула часто приводится как RuCl 2 (PCy 3 ) 2 (=CHPh), где шарообразная модель основана на рентгеновской кристаллографии . [7]

Способы получения различных органических веществ были известны ещё в древности. Египтяне и римляне использовали красители индиго и ализарин , содержащиеся в растительных веществах. Многие народы знали секреты производства спиртных напитков и уксуса из сахара и крахмалсодержащего сырья.

Во времена Средневековья к этим знаниям ничего не прибавилось, некоторый прогресс начался только в XVI?XVII веках: были получены некоторые вещества, в основном путём перегонки определённых растительных продуктов. Большое экономическое значение имело обнаружение Андреасом Маргграфом сахара в свёкле [8] :6 (в дополнение к известному в то время его источнику ? сахарному тростнику ), о чём он сообщил в статье ≪Химические попытки извлекать настоящий сахар из растений нашей страны≫ в 1747 году [9] . В 1769?1785 годах Шееле выделил несколько органических кислот , среди них яблочная , винная , лимонная , галловая , молочная и щавелевая . В 1773 году Руэль выделил из человеческой мочи мочевину .

Выделенные из животного или растительного сырья продукты имели между собой много общего, но отличались от неорганических соединений . При этом полагали, что эти вещества могут быть получены только в живых организмах благодаря ≪жизненной силе≫. Так, в 1753 году известный шведский естествоиспытатель Юхан Валлериус в предисловии к сборнику работ другого видного шведского учёного, Урабана Йерне , утверждал [10] : ≪…ни животные, ни растительные тела, ни их части не могут быть воспроизведены поэтому химическим искусством≫ [8] :7 . В первом томе своей книги ≪Лекции по животной химии≫ (≪Forelasningar i Djurkemien≫), вышедшем в 1806 году , Якоб Берцелиус впервые вводит понятие ≪органическая химия≫ ( швед. organisk Kemi ), определяя её как ≪часть физиологии, которая описывает состав живых тел вместе с химическими процессами, происходящими в них≫ [11] .

Представление о ≪жизненной силе≫ было поколеблено синтезом образующихся в живых организмах веществ из неорганических, проведённым в первой половине XIX века [8] :15-16 , так, в 1824 году Фридрих Вёлер впервые получил органическое вещество ? щавелевую кислоту , а в 1824 году он провел синтез ещё одного органического соединения мочевины в результате упаривания водного раствора цианата аммония (NH 4 OCN).

Важными этапами развития теоретической органической химии стали теория валентности , разработанная Арчибальдом Купером и Фридрихом Кекуле в 1857 году, а также теории химического строения , предложенная в 1861 году Александром Бутлеровым . В основу этих теорий были положены четырёхвалентность углерода и его способность к образованию цепей. В первом томе своего труда по органической химии, вышедшем в 1859 году , Кекуле впервые вводит близкое к современному определение понятия ≪органическая химия≫ ? это ≪химия соединений углерода≫ [12] , что отражено уже в самом названии этого труда, которое переводится как ≪Учебник органической химии, или химии углеродистых соединений≫. В 1850-х годах профессор Московского университета Николай Лясковский выразил мнение, что ≪органическая химия не есть химия веществ, встречаемых в организмах, а химия соединений углерода≫, которое впоследствии сделалось господствующим в науке воззрением [13] . В 1865 году Кекуле предложил структурную формулу бензола , что стало одним из важнейших открытий в органической химии. В 1875 г. Вант-Гофф и Ле Бель предложили тетраэдрическую модель атома углерода , по которой связи атомов углерода направлены к вершинам тетраэдра , если атом углерода поместить в центр этого тетраэдра. В 1917 году Льюис предложил рассматривать химическую связь с помощью электронных пар .

В 1931 г. Хюккель применил квантовую теорию для объяснения свойств альтернативных ароматических углеродов , чем основал новое направление в органической химии ? квантовую химию. В 1933 г. Ингольд провёл изучение кинетики реакции замещения у насыщенного атома углерода, что привело к масштабному изучению кинетики большинства типов органических реакций.

На заре органической химии предметом изучения были преимущественно субстанции биологического происхождения, которым органическая химия обязана своим названием. Научно-технический прогресс не стоял на месте, и в конце XIX века основной материальной базой органической химии стала каменноугольная смола , выделяемая при получении кокса прокаливанием каменного угля . Именно на основе переработки каменноугольной смолы возник основной органический синтез и связанная с ним химическая технология . В 50?60 годах XX века произошёл переход основного органического синтеза на новую материальную базу ? нефть . Таким образом, появилась новая область химии ? нефтехимия , которая вызвала бум в органической химии и определила интенсивное развитие новой области ? химии полимеров.

Классификация органических соединений [ править | править код ]

Уксусная кислота . Семейство карбоновых кислот содержит карбоксильную (-COOH) функциональную группу .

Правила и особенности классификации [ править | править код ]

В основе классификации лежит структура органических соединений. Основа описания структуры ? структурная формула . Атомы элементов обозначаются латинскими символами, как они обозначены в периодической таблице химических элементов ( таблице Менделеева ). Водородные и электронодефицитные связи обозначаются пунктирной линией, ионные связи обозначаются указанием зарядов частиц, входящих в состав молекулы. Поскольку в подавляющее большинство органических молекул входит водород , его обычно не обозначают при изображении структуры. Таким образом, если в структуре у одного из атомов изображена недостаточная валентность , значит, возле этого атома расположен один или несколько атомов водорода.

Атомы могут образовывать циклические и ароматические системы.

Основные классы органических соединений [ править | править код ]

Ациклические (с открытой цепью) Карбоциклические (с замкнутой цепью)
предельные непредельные алициклические ароматические
только одинарные связи с двойной связью с тройной связью с двумя двойными связями только алифатические фрагменты с ароматическим фрагментом
ряд метана ( алканы ) ряд этилена ( алкены ) ряд ацетилена ( алкины ) ряд диеновых углеводородов ряды циклоалканов и циклоалкенов ряд бензола (ароматические углеводороды, или арены )
Бензол  ? одно из самых простых и стабильных ароматических соединений.

Строение органических молекул [ править | править код ]

Различные названия и изображения одного органического соединения.

Органические молекулы, в основном, образованы ковалентными неполярными связями C?C, или ковалентными полярными типа C?O, C?N, C?Hal. Согласно октетной теории Льюиса и Косселя молекула является устойчивой, если внешние орбитали всех атомов полностью заполнены. Для таких элементов как C , N , O , галогены необходимо 8 электронов, чтобы заполнить внешние валентные орбитали , для водорода необходимо только 2 электрона. Полярность объясняется смещением электронной плотности в сторону более электроотрицательного атома.

Классическая теория валентных связей не в состоянии объяснить все типы связей, существующие в органических соединениях, поэтому современная теория использует методы молекулярных орбиталей и квантово-химические методы.

Строение органического вещества [ править | править код ]

Майтотоксин , сложный органический биологический токсин.
Молекулярные модели кофеина .
Синтез осельтамивира (Тамифлю), разработанного Э. Дж. Кори . Этот синтез включает 11 различных реакций.

Свойства органических веществ определяются не только строением их молекул, но и числом и характером их взаимодействий с соседними молекулами, а также взаимным пространственным расположением. Наиболее ярко эти факторы проявляются в различии свойств веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях. Так, вещества, легко взаимодействующие в виде газа, могут совершенно не реагировать в твёрдом состоянии, или их реакция может приводить к другим продуктам.

В твёрдых органических веществах, в которых наиболее ярко проявляются эти факторы, различают органические кристаллы и аморфные тела. Их описанием занимается наука ≪ химия органического твёрдого тела ≫, основание которой связывают с именем советского физика-кристаллографа А. И. Китайгородского . Примеры полезных органических твёрдых тел ? органические люминофоры, разнообразные полимеры, сенсоры, катализаторы, электропроводки, магниты и другие.

Особенности органических реакций [ править | править код ]

В неорганических реакциях обычно участвуют ионы , они проходят быстро и до конца при комнатной температуре. В органических реакциях часто происходят разрывы ковалентных связей с образованием новых. Как правило, эти процессы требуют особых условий: определённой температуры, времени реакции и часто наличия катализатора . Обычно протекает не одна, а сразу несколько реакций, поэтому выход целевого вещества зачастую не превышает 50 %. Поэтому, зачастую, при изображении органических реакций используют не уравнения, а схемы без расчёта стехиометрии .

Реакции могут протекать очень сложным образом и в несколько стадий. В качестве промежуточных соединений могут возникать карбкатионы R + , карбанионы R ? , радикалы R·, карбены :CX 2 , катион-радикалы , анион-радикалы и другие активные или нестабильные короткоживущие частицы. Подробное описание всех превращений, происходящих на молекулярном уровне во время реакции, называется механизмом реакции .

Реакции классифицируются в зависимости от способов разрыва и образования связей и их молекулярности .

Определение состава и строения органических соединений [ править | править код ]

Важнейшей задачей органической химии является установление состава и строения (порядка связывания атомов между собой и их расположения в пространстве) органических соединений.

Существует несколько методов решения этих задач:

  • Элементный анализ . Заключается в том, что вещество разлагается на более простые молекулы, по количеству которых можно определить количество атомов, входящее в состав соединения. Используют для установления элементного состава соединений.
  • Инфракрасная спектроскопия и спектроскопия комбинационного рассеяния (ИК-спектроскопия и КР-спектроскопия). Вещество взаимодействует с электромагнитным излучением ( светом ) инфракрасного диапазона (в ИК-спектроскопии наблюдают поглощение, в КР-спектроскопии ? рассеяние излучения). Это излучение при поглощении возбуждает колебательные и вращательные электронные уровни молекул. Опорными данными являются число, частота и интенсивность колебаний молекулы, связанные с изменением дипольного момента (ИК-спектроскопия) или поляризуемости (КР-спектроскопия). Методы позволяют установить наличие определённых функциональных групп в молекуле. Часто используются для того чтобы подтвердить идентичность исследуемого вещества, путем сравнения спектра исследуемого вещества со спектром уже известного вещества.
  • Масс-спектроскопия . Вещество при определённых условиях (электронный удар, химическая ионизация и др.) превращают в ионы без потери атомов (молекулярные ионы) и с их потерей (осколочные). Позволяет определить молекулярную массу молекул и иногда позволяет установить наличие различных функциональных групп .
  • Метод ядерного магнитного резонанса ( ЯМР ). Основан на взаимодействии ядер, обладающих собственным магнитным моментом (спином) и помещённых во внешнее постоянное магнитное поле, с электромагнитным излучением радиочастотного диапазона. Один из главных методов, который может быть использован для определения химической структуры. Метод используют также для изучения пространственного строения молекул, динамики молекул, механизмов реакций. В зависимости от ядер, взаимодействующих с излучением, различают, например:
Использование комбинации этих методов ЯМР позволяет комплексно решать задачу установления структуры органических соединений

Примечания [ править | править код ]

  1. ↑ Органическая химия Архивная копия от 28 сентября 2015 на Wayback Machine . БСЭ .
  2. ↑ 1 2 Органическая химия // Химическая энциклопедия  : [ рус. ]  : [ арх. 6 октября 2021 ] : в 5 т.  / под ред. И. Л. Кнунянца. ? М.  : Большая Российская энциклопедия, 1992. ? Т. 3. ? С. 396?399. ? 639 с. ? ISBN 5-85270-039-8 .
  3. ↑ Предмет органической химии. Исторический обзор // Начала органической химии. ? М. : Химия, 1970. ? Т. 1. ? С. 11?26. ? 664 с. ? 19 000 экз.
  4. ↑ Greenberg A. From Alchemy to Chemistry in Picture and Story   (англ.) . ? John Wiley & Sons , 2006. ? P. 422.
  5. ↑ American Chemical Society. CAS REGISTRY and CAS Registry Number FAQs   (англ.) . Дата обращения: 2 мая 2014. Архивировано 12 апреля 2016 года.
  6. ↑ CAS REGISTRY   (англ.) . CAS . Дата обращения: 24 мая 2023. Архивировано 30 июля 2023 года.
  7. ↑ Torker, Sebastian; MuLler, Andre; Sigrist, Raphael; Chen, Peter (2010). "Tuning the Steric Properties of a Metathesis Catalyst for Copolymerization of Norbornene and Cyclooctene toward Complete Alternation". Organometallics . 29 (12): 2735?2751. doi : 10.1021/om100185g .
  8. ↑ 1 2 3 Быков Г.В. Возникновение органической химии как науки // Книга для чтения по органической химии. Пособие для учащихся. ? М. : Просвещение , 1975. ? С. 5?19 .
  9. ↑ Marggraf A. Experiences chimiques faites dans le dessein de tirer un veritable sucre de diverses plantes, qui croissent dans nos contrees   (фр.)  // Histoire de l'academie royale des sciences et belles-lettres de Berlin. Annee MDCCXLVII : magazine. ? 1749. ? P. 79?90 .
  10. ↑ Urbani Hierne. Tentaminum Chemicorum in Reg. Laboratorio Holmiensi peractorum, tomus secundus, nunc primum in lucem editorum cum annotationibus Joh. Gotschalk Wallerii. Praefatio  (неопр.) . ? Stockholmiae, 1753. ? С. VIII.
  11. ↑ Berzelius J.J. Forelasningar i Djurkemien   (неопр.) . ? Stockholm, 1806. ? Т. 1. ? С. 6.
  12. ↑ Издание 1861 года доступно в интернете, см. в нём: Kekule A. Lehrbuch der organischen Chemie oder der Chemie der Kohlenstoffverbindungen   (нем.) . ? 1861. ? Bd. 1. ? S. 11.
  13. ↑ В. Н. Лясковский. Николай Эрастович Лясковский   (неопр.) . ? М.: Университетская типография (М. Катков), 1884. ? С. 40. Архивировано 21 января 2022 года.
  14. ↑ Alcohols   (англ.) . IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). doi : 10.1351/goldbook.A00204 . Дата обращения: 2 сентября 2010. Архивировано 21 августа 2011 года.
  15. ↑ Enols   (англ.) . IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the ≪Gold Book≫). doi : 10.1351/goldbook.E02124 . Дата обращения: 2 сентября 2010. Архивировано 21 августа 2011 года.
  16. ↑ Phenols   (англ.) . IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the ≪Gold Book≫). doi : 10.1351/goldbook.P04539 . Дата обращения: 2 сентября 2010. Архивировано 21 августа 2011 года.
  17. ↑ esters // IUPAG Gold Book . Дата обращения: 11 апреля 2012. Архивировано 19 апреля 2012 года.

Литература [ править | править код ]

  • Быков Г. В. История органической химии. М.: Химия, 1976. 360 с.
  • Гауптман З., Грефе Ю., Ремане Х., ≪Органическая химия≫. Москва, ≪Химия≫, 1979.
  • Марч Дж., ≪Органическая химия: реакции, механизмы и структура≫, в 4-х томах. Москва, ≪Мир≫, 1987.
  • Кери Ф., Сандберг Р., ≪Углубленный курс органической химии≫, в 2-х томах. Москва, ≪Химия≫, 1981.
  • Реутов О. А., Курц А. Л., Бутин К. П. ≪Органическая химия≫, в 4-х частях. Москва, Изд-во МГУ, ≪БИНОМ. Лаборатория знаний≫, 1999?2004. http://edu.prometey.org/library/autor/7883.html Архивная копия от 14 декабря 2017 на Wayback Machine
  • Травень В. Ф. ≪Органическая химия≫, в 2-х томах. Москва, ИКЦ ≪Академкнига≫, 2004.
  • Химическая энциклопедия , п. ред. Кнунянц, т. 3. Москва, ≪Большая Российская Энциклопедия≫, 1992.
  • Робертс Дж., Касерио М. , ≪Основы органической химии≫. Изд. 2, в 2-х томах. Москва, ≪Мир≫, 1978.
  • Моррисон Р., Бойд Р., ≪Органическая химия≫. Москва, ≪Мир≫, 1974.
  • Clayden J., Greeves N., Warren S., Wothers P. Organic Chemistry. ? Oxford University Press, 2012.

Ссылки [ править | править код ]

Источник ? https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Органическая_химия&oldid=137839936