Kõik keemia kohta. Orgaaniline keemia mannekeenidele: ajalugu, mõisted Orgaaniliste ühendite struktuur

Keemiaharu, mis uurib süsinikuühendite struktuuri, omadusi ja sünteesimeetodeid, nimetatakse orgaaniliseks keemiaks. Orgaanilised ained on elumaailma aluseks.

Lugu

Orgaanilise keemia uurimine sai alguse bioloogilist päritolu materjalide uurimisest. Allpool on toodud orgaanilise keemia lühike ajalugu.

Riis. 1. Aleksandr Butlerov.

Teaduse ja tööstuse arenguga tekkis orgaanilise keemia haru - orgaaniline süntees, mis uurib meetodeid bioloogilise, füüsikalise ja keemilise väärtusega orgaaniliste ühendite tootmiseks.

Naftatööstuse arenguga ilmus naftakeemia. Naftast on eraldatud ühendeid, mida kasutatakse tööstuslikult plasti, kütuse, sünteetilise kummi ja paljude muude materjalide tootmiseks.

Maailmas on 141 miljonit orgaanilist ühendit.

Orgaaniliste ainete struktuur

Kõik orgaanilised ühendid moodustuvad:

• süsiniku karkass või ahel – järjestikku ühendatud süsinikuaatomid;
• funktsionaalne rühm - aatomite rühm, mis määrab aine keemilised omadused.

Orgaanilise keemia valemid on kirjutatud kahel kujul:

• lühike - sarnane anorgaanilise keemia kirjutamisele (C 5 H 12);
• struktuurne - näitab valentssidemetega ühendatud aatomite järjestust ja paigutust (näidatud kriipsudega) - CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3.

Kui olete ülikooli astunud, kuid pole selleks ajaks sellest keerulisest teadusest aru saanud, oleme valmis teile avaldama mõned saladused ja aitama teil õppida orgaanilist keemiat nullist (mannekeenide jaoks). Kõik, mida pead tegema, on lugeda ja kuulata.

Orgaanilise keemia alused

Orgaanilist keemiat eristatakse omaette alatüübina seetõttu, et selle uurimisobjektiks on kõik, mis sisaldab süsinikku.

Orgaaniline keemia on keemia haru, mis tegeleb süsinikuühendite, nende ühendite struktuuri, omaduste ja liitumisviiside uurimisega.

Nagu selgus, moodustab süsinik kõige sagedamini ühendeid järgmiste elementidega - H, N, O, S, P. Muide, neid elemente nimetatakse nn. organogeenid.

Orgaanilised ühendid, mille arv ulatub tänapäeval 20 miljonini, on kõigi elusorganismide täielikuks eksisteerimiseks väga olulised. Samas ei kahelnud selles keegi, muidu oleks inimene selle tundmatu uuringu lihtsalt tahaplaanile visanud.

Orgaanilise keemia eesmärgid, meetodid ja teoreetilised kontseptsioonid on esitatud järgmiselt:

• Fossiilsete, loomsete või taimsete materjalide eraldamine üksikuteks aineteks;
• Erinevate ühendite puhastamine ja süntees;
• Ainete struktuuri tuvastamine;
• Keemiliste reaktsioonide mehaanika määramine;
• Orgaaniliste ainete struktuuri ja omaduste seose leidmine.

Natuke orgaanilise keemia ajalugu

Te ei pruugi seda uskuda, kuid juba iidsetel aegadel said Rooma ja Egiptuse elanikud keemiast midagi aru.

Nagu me teame, kasutasid nad looduslikke värvaineid. Ja sageli pidid nad kasutama mitte valmis looduslikku värvainet, vaid ekstraheerima selle, eraldades selle tervest taimest (näiteks taimedes sisalduv alisariin ja indigo).

Samuti võime meenutada alkoholi joomise kultuuri. Alkohoolsete jookide valmistamise saladusi teavad kõik rahvad. Pealegi teadsid paljud iidsed rahvad retsepte tärklist ja suhkrut sisaldavatest toodetest “kuuma vee” valmistamiseks.

See kestis palju-palju aastaid ning alles 16. ja 17. sajandil algasid muutused ja väikesed avastused.

18. sajandil õppis teatud Scheele õun-, viin-, oksaal-, piim-, gallus- ja sidrunhapet isoleerima.

Siis sai kõigile selgeks, et taimsest või loomsest toorainest eraldatud toodetel on palju ühiseid jooni. Samas erinesid need vägagi anorgaanilistest ühenditest. Seetõttu oli teaduse teenijatel vaja nad kiiresti eraldada eraldi klassiks ja nii tekkis termin "orgaaniline keemia".

Hoolimata asjaolust, et orgaaniline keemia ise ilmus teadusena alles 1828. aastal (just siis suutis hr Wöhler ammooniumtsüanaadi aurustamise teel karbamiidi eraldada), võttis Berzelius 1807. aastal mannekeenide orgaanilise keemia nomenklatuuri esimese termini:

Keemia haru, mis uurib organismidest saadud aineid.

Järgmine oluline samm orgaanilise keemia arengus on valentsiteooria, mille pakkusid välja 1857. aastal Kekule ja Cooper, ning hr Butlerovi keemilise struktuuri teooria aastast 1861. Juba siis hakkasid teadlased avastama, et süsinik on neljavalentne ja võimeline moodustama ahelaid.

Üldiselt on sellest ajast peale teadus regulaarselt kogenud šokke ja põnevust tänu uutele teooriatele, ahelate ja ühendite avastustele, mis võimaldasid orgaanilist keemiat aktiivselt arendada.

Teadus ise tekkis tänu sellele, et teaduse ja tehnika areng ei suutnud paigal seista. Ta jätkas ja nõudis uusi lahendusi. Ja kui tööstuses polnud enam piisavalt kivisöetõrva, tuli inimestel lihtsalt luua uus orgaaniline süntees, mis aja jooksul kasvas välja uskumatult olulise aine avastamiseks, mis on tänaseni kullast kallim – nafta. Muide, tänu orgaanilisele keemiale sündis selle "tütar" - alamteadus, mida nimetati "naftakeemiaks".

Kuid see on täiesti erinev lugu, mida saate ise uurida. Järgmisena kutsume teid vaatama populaarteaduslikku videot mannekeenide orgaanilise keemia kohta:

Noh, kui teil pole aega ja vajate kiiresti abi professionaalid, teate alati, kust neid leida.

Erinevate orgaaniliste ainete saamise meetodid on tuntud juba iidsetest aegadest. Egiptlased ja roomlased kasutasid taimses aines leiduvaid indigo- ja alisariinvärve. Paljud rahvad teadsid suhkrut ja tärklist sisaldavast toorainest alkohoolsete jookide ja äädika valmistamise saladusi.

Loomsetest või taimsetest materjalidest eraldatud toodetel oli üksteisega palju ühist, kuid need erinesid anorgaanilistest ühenditest. Samal ajal arvati, et neid aineid saab elusorganismidest saada ainult tänu "elujõule". Nii märkis kuulus Rootsi loodusteadlane Vallerius 1753. aastal teise silmapaistva Rootsi teadlase Jerne teoste kogumiku eessõnas: „...ei loomade ega taimede kehasid ega nende osi ei saa seetõttu keemiakunstiga reprodutseerida. ":7. Oma 1828. aastal ilmunud raamatu “Loengud loomade keemiast” (“Föreläsningar i Djurkemien”) esimeses köites tutvustab J. J. Berzelius esmakordselt mõistet “orgaaniline keemia” (rootsi keeles organ Kemi), defineerides seda kui “loomade keemia osa. füsioloogia, mis kirjeldab eluskehade koostist ja neis toimuvaid keemilisi protsesse.

"Elujõu" ideed raputasid 19. sajandi esimesel poolel elusorganismides moodustunud ainete süntees anorgaanilistest: 15-16, üks neist viidi läbi 1828. aastal, kui Friedrich. Wöhler sai esmalt orgaanilise aine - uurea - ammooniumtsüanaadi vesilahuse (NH 4 OCN) aurustamise tulemusena.

Oluline etapp oli Cooperi ja Kekule valentsusteooria väljatöötamine linnas, samuti Butlerovi keemilise struktuuri teooria. Need teooriad põhinesid süsiniku neljavalentsil ja selle võimel moodustada ahelaid. Oma 1859. aastal ilmunud orgaanilist keemiat käsitleva töö esimeses köites tutvustab Kekule esmakordselt tänapäevasele lähedase mõiste "orgaaniline keemia" - "süsinikuühendite keemia" definitsiooni, mis kajastub. selle töö pealkirjas, mis on tõlgitud kui "Orgaanilise keemia õpik ehk süsinikuühendite keemia". 1865. aastal pakkus Kekule välja benseeni struktuurivalemi, millest sai orgaanilise keemia üks olulisemaid avastusi. Van't Hoff ja Le Bel pakkusid välja süsinikuaatomi tetraeedrilise mudeli, mille kohaselt on süsiniku valentsid suunatud tetraeedri tippude poole, kui süsinikuaatom on paigutatud selle tetraeedri keskele. 1917. aastal tegi Lewis ettepaneku vaadelda keemilist sidet elektronpaaridena.

Klassifitseerimise reeglid ja tunnused

Klassifikatsioon põhineb orgaaniliste ühendite struktuuril. Struktuuri kirjeldamise aluseks on struktuurivalem. Elementide aatomid on tähistatud ladina sümbolitega, nagu need on tähistatud keemiliste elementide perioodilisuse tabelis (periooditabelis). Vesiniku- ja elektronidefitsiitseid sidemeid tähistatakse punktiirjoonega, ioonsidemeid tähistatakse molekuli moodustavate osakeste laengutega. Kuna valdav enamus orgaanilisi molekule sisaldab vesinikku, siis seda struktuuri joonistamisel tavaliselt ei näidata. Seega, kui üks struktuuri aatomitest näitab ebapiisavat valentsi, tähendab see, et selle aatomi läheduses asub üks või mitu vesinikuaatomit.

Aatomid võivad moodustada tsüklilisi ja aromaatseid süsteeme.

Orgaaniliste ühendite põhiklassid

• Süsivesinikud on keemilised ühendid, mis koosnevad ainult süsiniku- ja vesinikuaatomitest. Sõltuvalt süsiniku skeleti struktuuri topoloogiast jagatakse süsivesinikud atsüklilisteks ja karbotsüklilisteks. Sõltuvalt süsinik-süsinik sidemete paljususest jaotatakse süsivesinikud piir (alkaanid või rikas), mis ei sisalda oma struktuuris mitut sidet ja piiramatu või küllastumata- sisaldavad vähemalt ühte kaksiks- ja/või kolmiksidet (alkeenid, alküünid, dieenid). Omakorda jagunevad tsüklilised süsivesinikud alitsüklilisteks (avatud ahelaga) ja tsükloalkaanideks (küllastunud suletud ahelaga), aromaatseteks süsivesinikeks (küllastumata, tsüklit sisaldavad).

• Funktsionaalrühmades heteroaatomitega ühendid on ühendid, milles süsinikuradikaal R on seotud funktsionaalrühmaga. Funktsionaalrühmade olemuse järgi jagunevad need järgmisteks osadeks:
  • Halogeeni sisaldav
  • Alkoholid, fenoolid. Alkoholid(vananenud alkohol, Inglise alkoholid; alates lat. spiritus - piiritus) - orgaanilised ühendid, mis sisaldavad ühte või mitut hüdroksüülrühma (hüdroksüül, − ), mis on otseselt seotud küllastunud (sp3 hübridisatsiooni olekus) süsinikuaatomiga. Alkohole võib pidada vee derivaatideks ( H−O−H), milles üks vesinikuaatom on asendatud orgaanilise funktsionaalrühmaga: R−O−H. IUPAC-i nomenklatuuris on ühendite puhul, milles hüdroksüülrühm on seotud küllastumata (sp 2 hübridiseeritud süsinikuaatomiga), nimetused „enoolid” (vinüül-C=C-sidemega seotud hüdroksüülrühm) ja „fenoolid” (benseeniga seotud hüdroksüülrühm) või muu aromaatne tsükkel).
  • Eetrid (eetrid) - orgaanilised ained valemiga R- -R1, kus R ja R1 on süsivesinikradikaalid. Tuleb arvestada, et selline rühm võib kuuluda ka teistesse ühendite funktsionaalrühmadesse, mis ei ole eetrid (näiteks hapnikku sisaldavad orgaanilised ühendid).
  • Estrid (estrid) - oksohapete derivaadid (nii karboksüül- kui ka mineraalsed) R k E(=O) l (OH) m, (l ≠ 0), mis on formaalselt hüdroksüülide -OH happelise funktsiooni vesinikuaatomite asendamise produktid süsivesinike jäägiga ( alifaatne, alkenüül-, aromaatne või heteroaromaatne); loetakse ka alkoholide atsüülderivaatideks. IUPAC-i nomenklatuuris hõlmavad estrid ka alkoholide kalkogeniidi analoogide (tioolid, selenoolid ja tellureenid) atsüülderivaate. Erineb eetritest, milles kaks süsivesinikradikaali on ühendatud hapnikuaatomiga (R 1 -O-R 2).
  • Karbonüülrühma sisaldavad ühendid
    • Aldehüüdid(alates lat. al Cohol dehüdr rogenatum- alkohol, vesinikuvaba) - orgaaniliste ühendite klass, mis sisaldab karbonüülrühma (C=O) ühe alküül- või arüülasendajaga.
    • Ketoonid- need on orgaanilised ained, mille molekulides on karbonüülrühm seotud kahe süsivesinikradikaaliga. Ketoonide üldvalem on: R1-CO-R2. Täpselt kahe süsinikuaatomi olemasolu ketoonides, mis on otseselt seotud karbonüülrühmaga, eristab neid karboksüülhapetest ja nende derivaatidest, aga ka aldehüüdidest.
    • Kinoonid- täielikult konjugeeritud tsükloheksadienoonid ja nende tühistatud analoogid. Kinoone on kahte klassi: karbonüülrühmade (1,4-kinoonid) para-asetusega parakinoonid ja karbonüülrühmade orto-asetusega ortokinoonid (1,2-kinoonid). Tänu võimele taanduda pöörduvalt kahehüdroksüülseteks fenoolideks, osalevad mõned parakinooni derivaadid bioloogilistes oksüdatsiooniprotsessides mitmete oksidoreduktaaside koensüümidena.
  • Karboksüülrühma sisaldavad ühendid (karboksüülhapped, estrid)
  • Väävliühendid
  • Lämmastikku sisaldavad ühendid

• Heterotsükliline – sisaldavad tsüklis heteroaatomeid. Need erinevad tsüklis olevate aatomite arvu, heteroaatomi tüübi, heteroaatomite arvu poolest tsüklis.

• Orgaaniline päritolu - reeglina väga keerulise struktuuriga ühendid, mis kuuluvad sageli mitmesse orgaaniliste ainete klassi, sageli polümeerid. Seetõttu on neid raske klassifitseerida ja need jaotatakse eraldi ainete klassi.

• Polümeerid on väga suure molekulmassiga ained, mis koosnevad perioodiliselt korduvatest fragmentidest – monomeerühikutest.

Orgaaniliste molekulide struktuur

Orgaanilised molekulid moodustuvad peamiselt kovalentsete mittepolaarsete C-C sidemete või kovalentsete polaarsete sidemetega, nagu C-O, C-N, C-Hal. Lewise ja Kosseli okteti teooria kohaselt on molekul stabiilne, kui kõigi aatomite välisorbitaalid on täielikult täidetud. Selliste elementide puhul nagu halogeenid, on välimiste valentsorbitaalide täitmiseks vaja 8 elektroni; Polaarsust seletatakse elektrontiheduse nihkega elektronegatiivsema aatomi suunas.

Reaktsioonid võivad toimuda väga keerulisel viisil ja mitmes etapis, mitte tingimata nii, nagu reaktsiooni skeemil tavapäraselt kujutatakse. Vaheühenditena võivad esineda karbokatioonid R + , karbanioonid R - , radikaalid R · , karbeenid CX 2, radikaalkatioonid, radikaalanioonid ja muud aktiivsed või ebastabiilsed osakesed, mis elavad tavaliselt sekundi murdosa. Nimetatakse kõigi reaktsiooni käigus molekulaarsel tasemel toimuvate transformatsioonide üksikasjalik kirjeldus reaktsiooni mehhanism.

Reaktsioonid klassifitseeritakse sõltuvalt sidemete purustamise ja moodustamise meetoditest, reaktsiooni ergastamise meetoditest ja selle molekulaarsusest.

Orgaaniliste ühendite struktuuri määramine

Läbi orgaanilise keemia kui teaduse eksisteerimise on oluliseks ülesandeks olnud orgaaniliste ühendite struktuuri määramine. See tähendab, et tuleb välja selgitada, millised aatomid on ühendi osa, millises järjekorras need aatomid on omavahel seotud ja kuidas nad ruumis paiknevad.

Nende probleemide lahendamiseks on mitu meetodit

• Elementaaranalüüs. See seisneb selles, et aine laguneb lihtsamateks molekulideks, mille arvu järgi saab määrata ühendis sisalduvate aatomite arvu. Seda meetodit kasutades on võimatu määrata aatomitevaheliste sidemete järjekorda. Sageli kasutatakse ainult kavandatud struktuuri kinnitamiseks.

• Infrapuna-spektroskoopia ja Ramani spektroskoopia (IR-spektroskoopia ja Ramani spektroskoopia). Aine interakteerub elektromagnetilise kiirgusega (valgusega) infrapunapiirkonnas (IR-spektroskoopias täheldatakse neeldumist, Ramani spektroskoopias aga kiirguse hajumist). See valgus neeldumisel ergastab molekulide vibratsiooni- ja pöörlemistasemeid. Võrdlusandmeteks on dipoolmomendi (IR-spektroskoopia) või polariseeritavuse (Ramani spektroskoopia) muutusega seotud molekuli vibratsioonide arv, sagedus ja intensiivsus. Meetodid võimaldavad meil määrata teatud funktsionaalrühmade olemasolu molekulis. Sageli kasutatakse neid spektrite võrdlemise teel uuritava aine identsuse kinnitamiseks mõne juba tuntud ainega.

• Massispektroskoopia. Teatud tingimustes (elektronide löök, keemiline ionisatsioon jne) muudetakse aine ioonideks ilma aatomite kadumiseta (molekulioonid) ja kadudega (killustumine). Võimaldab teil määrata molekulmassi ja mõnikord võimaldab teil määrata erinevate funktsionaalrühmade olemasolu.

• Tuumamagnetresonantsi (NMR) meetod. See põhineb tuumade vastasmõjul, millel on oma magnetmoment (spin) ja mis on paigutatud välisesse konstantsesse magnetvälja koos elektromagnetkiirgusega raadiosagedusalas. Üks peamisi meetodeid, mida saab kasutada keemilise struktuuri määramiseks. Meetodit kasutatakse ka molekulide ruumilise struktuuri ja molekulide dünaamika uurimiseks. Sõltuvalt kiirgusega interakteeruvatest tuumadest eristatakse neid näiteks:

• • Prootoni magnetresonantsi (PMR) meetod. Võimaldab määrata vesinikuaatomite positsiooni 1 H molekulis.
  • 19F NMR meetod. Võimaldab määrata fluori aatomite olemasolu ja asukohta molekulis.

Kui olete ülikooli astunud, kuid pole selleks ajaks sellest keerulisest teadusest aru saanud, oleme valmis teile avaldama mõned saladused ja aitama teil õppida orgaanilist keemiat nullist (mannekeenide jaoks). Kõik, mida pead tegema, on lugeda ja kuulata.

Orgaanilise keemia alused

Orgaanilist keemiat eristatakse omaette alatüübina seetõttu, et selle uurimisobjektiks on kõik, mis sisaldab süsinikku.

Orgaaniline keemia on keemia haru, mis tegeleb süsinikuühendite, nende ühendite struktuuri, omaduste ja liitumisviiside uurimisega.

Nagu selgus, moodustab süsinik kõige sagedamini ühendeid järgmiste elementidega - H, N, O, S, P. Muide, neid elemente nimetatakse nn. organogeenid.

Orgaanilised ühendid, mille arv ulatub tänapäeval 20 miljonini, on kõigi elusorganismide täielikuks eksisteerimiseks väga olulised. Samas ei kahelnud selles keegi, muidu oleks inimene selle tundmatu uuringu lihtsalt tahaplaanile visanud.

Orgaanilise keemia eesmärgid, meetodid ja teoreetilised kontseptsioonid on esitatud järgmiselt:

• Fossiilsete, loomsete või taimsete materjalide eraldamine üksikuteks aineteks;
• Erinevate ühendite puhastamine ja süntees;
• Ainete struktuuri tuvastamine;
• Keemiliste reaktsioonide mehaanika määramine;
• Orgaaniliste ainete struktuuri ja omaduste seose leidmine.

Natuke orgaanilise keemia ajalugu

Te ei pruugi seda uskuda, kuid juba iidsetel aegadel said Rooma ja Egiptuse elanikud keemiast midagi aru.

Nagu me teame, kasutasid nad looduslikke värvaineid. Ja sageli pidid nad kasutama mitte valmis looduslikku värvainet, vaid ekstraheerima selle, eraldades selle tervest taimest (näiteks taimedes sisalduv alisariin ja indigo).

Samuti võime meenutada alkoholi joomise kultuuri. Alkohoolsete jookide valmistamise saladusi teavad kõik rahvad. Pealegi teadsid paljud iidsed rahvad retsepte tärklist ja suhkrut sisaldavatest toodetest “kuuma vee” valmistamiseks.

See kestis palju-palju aastaid ning alles 16. ja 17. sajandil algasid muutused ja väikesed avastused.

18. sajandil õppis teatud Scheele õun-, viin-, oksaal-, piim-, gallus- ja sidrunhapet isoleerima.

Siis sai kõigile selgeks, et taimsest või loomsest toorainest eraldatud toodetel on palju ühiseid jooni. Samas erinesid need vägagi anorgaanilistest ühenditest. Seetõttu oli teaduse teenijatel vaja nad kiiresti eraldada eraldi klassiks ja nii tekkis termin "orgaaniline keemia".

Hoolimata asjaolust, et orgaaniline keemia ise ilmus teadusena alles 1828. aastal (just siis suutis hr Wöhler ammooniumtsüanaadi aurustamise teel karbamiidi eraldada), võttis Berzelius 1807. aastal mannekeenide orgaanilise keemia nomenklatuuri esimese termini:

Keemia haru, mis uurib organismidest saadud aineid.

Järgmine oluline samm orgaanilise keemia arengus on valentsiteooria, mille pakkusid välja 1857. aastal Kekule ja Cooper, ning hr Butlerovi keemilise struktuuri teooria aastast 1861. Juba siis hakkasid teadlased avastama, et süsinik on neljavalentne ja võimeline moodustama ahelaid.

Üldiselt on sellest ajast peale teadus regulaarselt kogenud šokke ja põnevust tänu uutele teooriatele, ahelate ja ühendite avastustele, mis võimaldasid orgaanilist keemiat aktiivselt arendada.

Teadus ise tekkis tänu sellele, et teaduse ja tehnika areng ei suutnud paigal seista. Ta jätkas ja nõudis uusi lahendusi. Ja kui tööstuses polnud enam piisavalt kivisöetõrva, tuli inimestel lihtsalt luua uus orgaaniline süntees, mis aja jooksul kasvas välja uskumatult olulise aine avastamiseks, mis on tänaseni kullast kallim – nafta. Muide, tänu orgaanilisele keemiale sündis selle "tütar" - alamteadus, mida nimetati "naftakeemiaks".

Kuid see on täiesti erinev lugu, mida saate ise uurida. Järgmisena kutsume teid vaatama populaarteaduslikku videot mannekeenide orgaanilise keemia kohta:

Noh, kui teil pole aega ja vajate kiiresti abi professionaalid, teate alati, kust neid leida.

Taimne ja loomne päritolu. Kõik süsinikuühendid ei ole klassifitseeritud orgaanilisteks. Näiteks CO 2, HCN, CS 2 klassifitseeritakse traditsiooniliselt anorgaanilisteks. Tavapäraselt võime eeldada, et orgaaniliste ühendite prototüüp on CH4.

Praeguseks on teadaolevate orgaaniliste ühendite arv üle 10 miljoni ja suureneb igal aastal 250-300 tuhande võrra. Orgaaniliste ühendite mitmekesisuse määrab ainulaadne võime ühendada omavahel lihtsaid ja mitmekordseid sidemeid, moodustada peaaegu ühendeid. piiramatu arv aatomeid, mis on ühendatud ahelates, tsüklites, jalgratastes, kolmerattalistes, polütsüklilistes, karkassides jne, moodustavad tugevad sidemed peaaegu kõigi perioodilisustabeli elementidega, samuti nähtus - erinevate omadustega ainete olemasolu, millel on samad omadused. koostis ja molekulmass.

Orgaaniliste ühendite mitmekesisus ja tohutu hulk määrab olulisuse orgaaniline keemia kui kaasaegse keemia suurim haru. Maailm meie ümber on üles ehitatud peamiselt orgaanilistest ühenditest; toit,. riided, ravimid, lõhkeained, materjalid, ilma milleta pole võimalik transporti luua, raamatuid trükkida, kosmosesse tungida jne – kõik see koosneb orgaanilistest ühenditest. Orgaanilised ühendid mängivad eluprotsessides olulist rolli. Ristmikul orgaaniline keemia anorgaanilise keemiaga ja metallorgaaniliste ühendite keemiaga ning bioorgaaniline keemia tekkis laialdaselt meetodeid ja ideid kasutades orgaaniline keemia. Eraldi sektsioon orgaaniline keemia on kõrgmolekulaarsete ühendite keemia: suuruse järgi jaotatakse orgaanilised ained madalmolekulaarseteks (molekulaarseks mitmekümnest mitmesajani, harva kuni tuhandeni) ja kõrgmolekulaarseteks (makromolekulaarseteks; molekulmassiga). suurusjärgus 10 4–10 6 või rohkem).

Orgaaniline keemia ei uurita mitte ainult taime- ja loomaorganismidest saadud ühendeid (nn looduslikke aineid), vaid peamiselt laboratoorse või tööstusliku orgaanilise sünteesi abil kunstlikult loodud ühendeid. Veelgi enam, arvuti uurimisobjektid orgaaniline keemia on ühendid, mida elusorganismides mitte ainult ei eksisteeri, vaid mida ilmselt ei ole võimalik kunstlikult saada (näiteks metaani hüpoteetiline analoog, millel pole looduslikku tetraeedrilist struktuuri, vaid lameda ruudu kuju). mille keskpunktis on C-aatom ja tippudes H-aatomid).

Orgaaniline süntees ühendab orgaaniline keemia keemiatööstusega, nii väikesemahulise (ravimite, vitamiinide, ensüümide jms tootmine) kui ka suuremahulise (tehiskiu tootmine, töötlemine jne).

Orgaaniliste ühendite struktuuri määramisel kasutatakse orgaaniliste ühendite analüüsimeetodeid, sealhulgas lisaks füüsikalisi meetodeid nagu TMR, massispektromeetria, IR, röntgenstruktuurianalüüs jne; Samuti töötatakse välja orgaaniliste ainete eraldamise, puhastamise ja eraldamise meetodeid, näiteks erinevaid.

Orgaaniliste ühendite klassifikatsioon

Orgaaniliste ühendite aluseks on avatud (avatud) või suletud süsinikuaatomite ahel; ühe või mitu ahelalüli võib asendada muude aatomitega peale süsiniku - nn heteroaatomid, kõige sagedamini O, N, S. Orgaaniliste ühendite struktuuri alusel jaotatakse need - süsivesinikeks ja nende derivaatideks, millel on avatud süsiniku ahel ; suletud süsinikuahelaga karbotsüklilised ühendid (vt.); . Süsivesinikud ja nende derivaadid, mis ei sisalda mitut sidet, klassifitseeritakse küllastunud ühenditeks, samas kui c on küllastumata.

Igast süsivesinikust saab vesiniku asendamisel erinevate funktsionaalrühmadega moodustada nn geneetilise seeria, näiteks - - - -. Sõltuvalt funktsionaalrühma tüübist jaotatakse orgaanilised ühendid klassidesse: RH (funktsionaalne rühm puudub), nende halogeenasendatud RHal, ROH, RCHO, R 2 CO, RCOOH, primaarne, sekundaarne ja tertsiaarne RNH 2, R 2 NH ja R3N, nitroühendid RNO2; (merkaptaanid) RSH, sulfiidid R 2 S jne. Funktsionaalsed rühmad hõlmavad ka mitut süsinik-süsinik sidet. Moodustuvad sama tüüpi struktuuriga orgaaniliste ühendite rühmad, millel on samad funktsionaalrühmad ja mis erinevad üksteisest süsinikuahelas olevate CH2 rühmade arvu poolest.

Ühendid, mille molekulid sisaldavad lisaks C ja H ning organogeeni aatomitele (Hal, O, N, S) ka teiste elementide aatomeid, mis moodustavad sidemeid süsinikuga, kuuluvad (vt nt.). Orgaaniliste ühendite nimetamise reeglid leiate artiklist.

Orgaanilise keemia arengulugu

Päritolu orgaaniline keemia minna tagasi iidsetesse aegadesse (juba siis teadsid nad alkoholist ja äädikhappest, värvimisest jne). Keskajal (alkeemia perioodil) teati aga üksikuid orgaanilisi aineid. Kogu selle perioodi uurimistöö taandus peamiselt operatsioonidele, mille abil, nagu tollal arvati, saab mõnda lihtsat ainet teisteks muuta. Alates 16. sajandist. (iatrokeemia periood) uurimistöö oli suunatud peamiselt erinevate ravimainete eraldamisele ja kasutamisele: taimedest eraldati hulk ravimaineid, valmistati puidust (metüül)alkoholi ja äädikhapet, kuivatati, saadi viinhapet koorest. viinakivi, äädikhape saadi pliisuhkru destilleerimisel, destilleerimisel - . Suur roll kujunemisel orgaaniline keemia kuuluvad A. Lavoisierile, kes töötas välja põhilised kvantitatiivsed meetodid keemiliste ühendite koostise määramiseks.

Molekuli keemiliste ja füüsikaliste omaduste ja selle struktuuri lahutamatu seose idee, selle struktuuri ainulaadsuse idee väljendas esmakordselt Butlerov (1861), kes lõi klassikalise keemilise struktuuri (aatomite) teooria. Molekulides kombineeritakse vastavalt nende valentsidele, ühendite keemilised ja füüsikalised omadused määratakse nende koostise olemuse ja arvu järgi, nende aatomite koostis, samuti sidemete tüüp ja otseselt sidumata aatomite vastastikune mõju). Edasise kiire arengu määras kindlaks keemilise struktuuri teooria orgaaniline keemia: 1865. aastal pakkus Kekule välja valemi, hiljem väljendas mõtet sidemete võnkumisest; V. V. Markovnikov ja A. M. Zaitsev sõnastasid rea reegleid, mis seostasid esmakordselt keemilise reaktsiooni suuna reageeriva aine keemilise struktuuriga. I. Vislicenuse (1873) eksperimentaalsed andmed (+)-piimhappe (hapupiimast) ja (±)-piimhappe struktuurvalemite identsuse kohta andsid tõuke stereokeemilise teooria loomisele (J. Van't Hoff ja J. Le Bel, 1874), milles postuleeriti neljavalentse süsinikuaatomiga fragmendi tetraeedriline struktuur, mis nelja erineva asendaja puhul ennustas ruumiliselt peegelisomeeride olemasolu; kaksiksidemega ühendite puhul (tetraeedrid on ühendatud mööda serva) - geomeetrilise isomeeri olemasolu. Selle põhjal tekkis teadus molekulide kolmemõõtmelisest orientatsioonist ja sellest tulenevatest tagajärgedest ühendite omadustele (vt ka).

Bayeri, K. Laari, L. Claiseni, L. Knorri teosed arendasid ideid mobiilsest isomeeriast. Kõik need teoreetilised ideed aitasid kaasa sünteetilise keemia võimsale arengule. 19. sajandi lõpuks. saadi kõik olulisemad süsivesinike, alkoholide, aldehüüdide ja ketoonide esindajad, karboksüülhapped, halogeen- ja nitroderivaadid, lämmastikku ja väävlit sisaldavad struktuurid, aromaatse iseloomuga heterotsüklid. Välja on töötatud meetodid , ja (A.E. Favorsky) saamiseks. Avastati arvukalt reaktsioone (S. Wurtz, A. P. Borodin, W. Perkin, Claisen, A. Michael, S. Friedel, J. Crafts, E. Knoevenagel jt). Erakordseid edusamme saavutas E. G. Fisher süsivesikute, valkude ja puriinide uurimisel, nende kasutamisel orgaanilises sünteesis (1894), samuti viis ta läbi polüpeptiidide sünteesi. Aromaatsete ainete tööstuse aluseks on O. Wallachi töö terpeenide alal. Isegi meie aja jaoks on silmapaistvad R. Willstetteri teedrajavad tööd [kokaiini (1897) ja klorofülli (1907-11) struktuuri kindlakstegemine]. Olulise panuse orgaanilise sünteesi arendamisse andsid V. Grignard (1900-20) ja N. D. Zelinsky (1910) – erakordselt viljaka meetodi loomine magneesiumorgaaniliste ühendite sünteesiks ja süsivesinike katalüütiliste muundumiste avastamiseks; viimane mängis nafta arengus silmapaistvat rolli. Vabade radikaalide keemia sai alguse M. Gombergi (1900) töödest, kes avastas trifenüülmetüülradikaali ning seda jätkasid A. E. Chichibabini, G. Wielandi ja S. Goldschmidti tööd.

F. Pregli väljatöötamine 20. sajandi alguses. orgaaniliste ainete mikroanalüüsi meetodid aitasid kaasa looduslike ühendite keemia edasisele kiirele arengule, mida iseloomustas Wielandi (1910) töö sapphapete olemuse kindlakstegemisel, A. Windaus (1913-15) - sapphapete olemus. kolesterooli ja G. Fischeri (1927-29) tööd selliste võtmeühendite nagu porfüriin, bilirubiin ja hemiin sünteesil, W. Haworth (Haworth) – süsivesikute struktuuri kindlakstegemiseks, vitamiini S.P. Carrera sünteesiks, R. Kuhn (1911-39) - karotenoidide ja B 2, B 6, E ja TO saamiseks; alkaloidide, suguhormoonide, terpeenide keemia loodi A. Butenandti (1929-61), L. Ruzicka (1920-24), A. P. Orehhovi ja R. Robinsoni töödega.

20. sajandi keskpaigaks. orgaaniline süntees areneb kiiresti. Selle määras selliste fundamentaalsete protsesside avastamine nagu olefiinide tootmine üliidide abil (G. Wittig, 1954), (O. Diels, K. Alder, 1928), küllastumata ühendite hüdroboreerimine (G. Brown, 1959), süntees nukleotiidide ja geenide sünteesi (A. Todd, X. Koran). Mitte vähem olulised on edusammud metallorgaaniliste ühendite keemias (A.N. Nesmeyanov, G.A. Razuvaev). 1951. aastal viidi läbi ferrotseeni süntees, mille “võileib” struktuuri loomine R. Woodwardi ja J. Wilkinsoni poolt tähistas metallotseeniühendite keemia ja üldiselt orgaaniliste siirdeühendite keemia algust. metallid. 1955. aastal sünteesis E.O. Fisher dibenseenkroomi ja töötas välja meetodi siirdemetallide areeni derivaatide sünteesiks.

20-30ndatel. A.E. Arbuzov loob aluse fosfororgaaniliste ühendite keemiale, mis viis hiljem uut tüüpi füsioloogiliselt aktiivsete ühendite, kompleksoonide jne avastamiseni.

60ndatel G. Schill sünteesis selliseid "mitteklassikalisi" ühendeid nagu kateenanid ja rotaksaanid. 60-80ndatel. C. Pedersen, D. Cram ja J. M. Lehn arendavad krooneetrite, krüptaanide ja muude sarnaste struktuuride keemiat, mis on võimelised moodustama tugevaid molekulaarseid komplekse, ning lähenevad seeläbi "molekulaarse äratundmise" olulisele probleemile.

Orgaaniliste ühendite struktuur

Orgaanilisi ühendeid iseloomustavad mittepolaarsed kovalentsed sidemed C-C ja polaarsed kovalentsed sidemed C-O, C-N, C-Hal, C-metall jne. Kovalentsete sidemete teket selgitati G. Lewise ja W. Kosseli (1916) poolt välja töötatud oletuste põhjal elektrooniliste moodustiste - oktettide ja dublettide - olulise rolli kohta. Molekul on stabiilne, kui selliste elementide nagu C, N, O, Hal valentskiht sisaldab 8 elektroni (okteti reegel) ja vesiniku valentskiht sisaldab 2 elektroni. Keemilise sideme moodustab jagatud elektronide paar erinevatest aatomitest (lihtside). Topelt- ja kolmiksidemed moodustavad vastavalt kaks ja kolm sellist paari. Elektronegatiivsed aatomid (F, O, N) ei kasuta süsinikuga sidumiseks kõiki oma valentselektrone; "kasutamata" elektronid moodustavad üksikuid (vabu) elektronpaare. Kovalentsete sidemete polaarsus ja polariseeritavus orgaanilistes ühendites Lewis-Kosseli elektronteoorias on seletatav elektronpaaride nihkumisega vähem elektronegatiivselt aatomilt elektronegatiivsemale aatomile, mis väljendub ja.

Orgaaniliste ühendite klassifitseerimisel mängis olulist rolli elektronpaaride võtmerolli äratundmine, mis paarisarvu valentselektronidega reagentide puhul jagunes nukleofiilseteks ja elektrofiilseteks ning paaritu arvu valentselektronidega osakeste reaktsioonid. nimetati radikaalseks.

Klassikaline keemilise struktuuri teooria ja algsed elektroonilised mõisted ei suutnud struktuurivalemite keeles rahuldavalt kirjeldada paljude, näiteks aromaatsete ühendite struktuuri. Kaasaegne orgaaniliste ühendite sidumise teooria põhineb peamiselt orbitaalide ja kasutusviiside kontseptsioonil. Intensiivselt arendatakse välja kvantkeemilisi meetodeid, mille objektiivsuse määrab see, et need põhinevad ainsana mikromaailma nähtuste uurimiseks sobival kvantmehaanika aparaadil. Molekulaarsete orbitaalide orbitaalide meetodid orgaaniline keemia välja töötatud Hückeli lihtsast meetodist jne Ideid umbes. Orbiidi mõistete tungimise etapp orgaaniline keemia avastas L. Pauling (1931-33) ja edasi K. Fukui, Woodwardi ja R. Hofmanni tööd piirorbitaalide rollist keemilise reaktsiooni suuna määramisel. Resonantsi teooriat kasutatakse endiselt laialdaselt orgaaniline keemia kui meetod ühe molekuli struktuuri kirjeldamiseks kanooniliste struktuuride kogumi abil, millel on tuumade sama asukoht, kuid erinev elektronide jaotus.

Orgaaniliste ühendite reaktsioonide üldised omadused

Orgaaniliste ühendite reaktsioonidel on teatud eripärad. Anorgaaniliste ühendite reaktsioonid hõlmavad tavaliselt ioone; need reaktsioonid toimuvad normaalsel temperatuuril väga kiiresti, mõnikord koheselt. Reaktsioonid orgaanilistes ühendites hõlmavad tavaliselt molekule; sel juhul mõned kovalentsed sidemed katkevad, teised aga tekivad. Sellised reaktsioonid kulgevad aeglasemalt kui ioonsed (näiteks kümned tunnid) ja nende kiirendamiseks on sageli vaja temperatuuri tõsta või katalüsaatorit lisada. Kõige sagedamini kasutatavad katalüsaatorid on happed ja alused. Tavaliselt ei toimu üks, vaid mitu reaktsiooni, nii et soovitud produkti saagis on väga sageli alla 50%. Sellega seoses in orgaaniline keemia Nad ei kasuta keemilisi võrrandeid, vaid reaktsiooniskeeme ilma stöhhiomeetrilisi suhteid näitamata.

Orgaaniliste ühendite reaktsioonid võivad toimuda väga keerulisel viisil ja ei pruugi vastata kõige lihtsamale suhtelisele tähistusele. Tavaliselt toimub lihtne stöhhiomeetriline reaktsioon tegelikult mitme järjestikuse etapina. Mitmeetapiliste protsesside vaheühenditena võivad karbokatioonid R +, karbanioonid R -, vabad radikaalid, karbeenid: CX 2, radikaalkatioonid (näiteks), radikaalsed anioonid (näiteks Ar) ja muud ebastabiilsed elusosakesed ilmneda murdosa sekundis. Kõigi molekulaarsel tasemel toimuvate muutuste üksikasjalikku kirjeldust reagentide toodeteks muutmise protsessis nimetatakse reaktsioonimehhanismiks.

Orgaaniliste ühendite struktuuri mõju nende reaktsioonide mehhanismile uuritakse füüsikaliselt orgaaniline keemia, mille aluse panid K. Ingold, Robinson ja L. Hammett (1930. aastad).

Orgaaniliste ühendite reaktsioone saab klassifitseerida sõltuvalt sidemete katkemise ja moodustamise meetodist, reaktsiooni ergastamise meetodist, selle molekulaarsusest jne (vt.).

Reageerivate molekulide vahelist vastasmõju molekulaarorbitaalide kontseptsiooni kasutades kirjeldatakse peaaegu samamoodi nagu aatomite vahelist vastasmõju molekulide moodustumisel. Selleks on laialt levinud molekulaarorbiidi häirete meetod, mille põhjal on võimalik ennustada reaktsiooni suunda (regiokeemiat) ja stereokeemilist tulemust, aga ka selle realiseerumise võimalust antud tingimustes. (K. Fukui, 1952) kasutamine oli võimas stiimul eksperimentaalse lähenemise orgaaniline keemia kvantkeemiaga. Molekulaarorbitaalmeetodi rakendamise tõeline triumf orgaaniline keemia oli 1965. aastal avaldatud Woodward-Hoffmanni reeglid, mille alusel saab hõlpsasti ennustada peritsükliliste reaktsioonide suunda ja nende realiseerimise tingimusi, mis on vajalikud soovitud stereokeemilise tulemuse saamiseks (vt,).

Areng orgaaniline keemia on nüüdseks jõudnud tasemele, mis võimaldab meil alustada sellise põhimõttelise probleemi lahendamisega orgaaniline keemia, kui aine struktuuri ja selle omaduste kvantitatiivse seose probleem, milleks võib olla mis tahes füüsikaline omadus (näiteks sulamistemperatuur), mis tahes rangelt määratletud tüüpi bioloogiline aktiivsus (näiteks pestitsiid) jne. seda tüüpi lahendatakse matemaatiliste meetodite abil.

Orgaaniliste ühendite tekkimine

Enamik looduses leiduvaid orgaanilisi ühendeid tekib fotosünteesi käigus dioksiidist ja rohelistes taimedes klorofülli neeldunud päikesekiirguse mõjul. Orgaanilised ühendid pidid aga eksisteerima Maal juba enne elu tekkimist, mis ilma nendeta poleks saanud tekkida. Maa primaarsel atmosfääril oli umbes 2 miljardit aastat tagasi redutseerivad omadused, kuna see ei sisaldanud hapnikku, kuid sisaldas peamiselt vesinikku ja vett, samuti CO, lämmastikku, ammoniaaki ja metaani.

Maapealsete mineraalide tugeva radioaktiivse kiirguse ja atmosfääri intensiivsete atmosfääriheitmete tingimustes toimus aminohapete abiootiline süntees vastavalt järgmisele skeemile:

CH 4 + H 2 O + NH 3 Aminohapped

Sellise reaktsiooni võimalikkust on nüüdseks tõestanud laborikatsed. Aminohapped (mis moodustavad valgud) kogunesid ookeanis koos teiste ainetega ja muutusid järk-järgult üha keerulisemaks orgaanilisteks aineteks, kuni lõpuks sai võimalikuks elava raku loomine.

Lit.: Chichibabin A.E., Basic Principles of Organic Chemistry, 6. väljaanne, 1-2, M., 1954-58; Karrer P., Orgaanilise keemia kursus, tlk. saksa keelest, 2 nad., L., 1962, Ingold K., Orgaanilise keemia teoreetilised alused, 2. trükk, tlk. inglise keelest, M., 1973; Bykov G.V., Orgaanilise keemia ajalugu. Struktuuriteooria, füüsikaline orgaaniline keemia, arvutusmeetodid, M., 1976; Dewar M., Dougherty R., Molekulaarsete orbitaalsete häirete teooria orgaanilises keemias, tlk. inglise keelest, M., 1977; Bykov G.V., Orgaanilise keemia ajalugu. Olulisemate orgaaniliste ühendite avastamine. M., 1978; Üldine orgaaniline keemia, toim. D. Barton ja W. D. Allns, tlk. inglise keelest, 1-12, M., 1981-88; Terney A., Moodne orgaaniline keemia, tlk. inglise keelest, 1-12, M., 1981; Märts D., Orgaaniline keemia. Reaktsioonid, mehhanismid ja struktuur, trans. inglise keelest, 1-4. M., 1987-88; Beilsteins Handbuch der organischen Chemie, 4 Aufl., karuputk. von B.Prager, Bd 1-31, V., 1918-40 (al. 1928 ed. lisakd.); Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie, 4 Aufl., Bd 1 20, Stuttg., 1952-88.