Всё о химии. Органическая химия для "чайников": история, понятия Строение органических соединений

Раздел химии, изучающий структуру, свойства, методы синтеза углеродных соединений, называется органической химией. Органические вещества - основа живого мира.

История

Изучение органической химии началось с исследования материалов биологического происхождения. Краткая история органической химии представлена ниже.

Рис. 1. Александр Бутлеров.

С развитием науки и промышленности возник раздел органической химии - органический синтез, изучающий способы получения органических соединений, представляющих биологическую, физическую, химическую ценность.

С развитием нефтепромышленности появилась нефтехимия. Из нефти выделили соединения, которые используются в промышленности для получения пластмасс, топлива, синтетического каучука и множества других материалов.

В мире насчитывается 141 миллион органических соединений.

Строение органических веществ

Все органические соединения образованы:

• углеродным скелетом или цепью - последовательно связанными атомами углерода;
• функциональной группой - группой атомов, определяющих химические свойства вещества.

Формулы органической химии записываются в двух формах:

• краткой - аналогично записи неорганической химии (С 5 Н 12);
• структурной - показывает порядок и расположение атомов, связанных валентными связями (обозначаются штрихами) - СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СН 3 .

Если вы поступили в университет, но к этому времени так и не разобрались в этой нелегкой науке, мы готовы раскрыть вам несколько секретов и помочь изучить органическую химию с нуля (для "чайников"). Вам же остается только читать и внимать.

Основы органической химии

Органическая химия выделена в отдельный подвид благодаря тому, что объектом ее изучения является все, в составе чего есть углерод.

Органическая химия – раздел химии, который занимается изучением соединения углерода, структуру таких соединений, их свойства и методы соединения.

Как оказалось, углерод чаще всего образует соединения со следующими элементами - H, N, O, S, P. Кстати, эти элементы называются органогенами .

Органические соединения, количество которых сегодня достигает 20 млн, очень важны для полноценного существования всех живых организмов. Впрочем, никто и не сомневался, иначе человек просто закинул бы изучение этого непознанного в долгий ящик.

Цели, методы и теоретические представления органической химии представлены следующим:

• Разделение ископаемого, животного или растительного сырья на отдельные вещества;
• Очистка и синтез разных соединений;
• Выявление структуры веществ;
• Определение механики протекания химических реакций;
• Нахождение зависимости между структурой и свойствами органических веществ.

Немного из истории органической химии

Вы можете не верить, но еще в далекой древности жители Рима и Египта понимали кое-что в химии.

Как мы знаем, они пользовались натуральными красителями. А нередко им приходилось использовать не готовый естественный краситель, а добывать его, вычленяя из цельного растения (например, содержащиеся в растениях ализарин и индиго).

Можем вспомнить и культуру употребления алкоголя. Секреты производства спиртных напитков известны в каждом народе. Причем многие древние народы знали рецепты приготовления «горячей воды» из крахмал- и сахарсодержащих продуктов.

Так продолжалось долгие, долгие годы, и только в 16-17 веках начались какие-то изменения, небольшие открытия.

В 18 веке некто Шееле научился выделять яблочную, винную, щавелевую, молочную, галловую и лимонную кислоту.

Тогда всем стало ясно, что продукты, которые удалось выделить из растительного или животного сырья, имели много общих черт. В то же время они сильно отличались от неорганических соединений. Поэтому служителям науки нужно было срочно выделить их в отдельный класс, так и появился термин «органическая химия».

Несмотря на то, что сама органическая химия как наука появилась лишь в 1828 году (именно тогда господину Вёлеру удалось выделить мочевину путем упаривания цианата аммония), в 1807 году Берцелиус ввел первый термин в номенклатуру в органической химии для чайников:

Раздел химии, который изучает вещества, полученные из организмов.

Следующий важный шаг в развитии органический химии – теория валентности, предложенная в 1857 году Кекуле и Купером, и теория химического строения господина Бутлерова от 1861 года. Уже тогда ученые стали обнаруживать, что углерод – четырехвалентен и способен образовывать цепи.

В общем, с эти самых пор наука регулярно испытывала потрясения и волнения благодаря новым теориям, открытиям цепочкам и соединениям, что позволяло так же активно развиваться органической химии.

Сама наука появилась благодаря тому, что научно-технический прогресс не в состоянии был стоять на месте. Он продолжал и продолжал шагать, требуя новых решений. И когда каменноугольной смолы в сфере промышленности перестало хватать, людям просто пришлось создать новый органический синтез, который со временем перерос в открытие невероятно важного вещества, которое и по сей день дороже золота – нефть. Кстати, именно благодаря органической химии на свет появилась ее «дочка» - поднаука, которая получила название «нефтехимия».

Но это уже совсем другая история, которую вы можете изучить сами. Далее мы предлагаем вам посмотреть научно-популярное видео про органическую химию для чайников:

Ну а если вам некогда и срочно нужна помощь профессионалов , вы всегда знаете, где их найти.

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

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 Валлериус в предисловии к сборнику работ другого видного шведского учёного, Йерне , утверждал : «...ни животные, ни растительные тела, ни их части не могут быть воспроизведены поэтому химическим искусством» :7 . В первом томе своей книги «Лекции по животной химии» («Föreläsningar i Djurkemien»), вышедшем в 1828 году Й. Я. 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» .

Представление о «жизненной силе» было поколеблено синтезами образующихся в живых организмах веществ из неорганических, проведёнными в первой половине XIX века :15-16 , один из них был осуществлён в 1828 году , когда Фридрих Вёлер впервые получил органическое вещество - мочевину - в результате упаривания водного раствора цианата аммония (NH 4 OCN).

Важным этапом стала разработка теории валентности Купером и Кекуле в г., а также теории химического строения Бутлеровым в г. 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» , что отражено уже в самом названии этого труда, которое переводится как «Учебник органической химии, или химии углеродистых соединений». В 1865 году Кекуле предложил структурную формулу бензола , что стало одним из важнейших открытий в органической химии. В г. Вант-Гофф и Ле Бель предложили тетраэдрическую модель атома углерода , по которой валентности 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 .

Правила и особенности классификации

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

• Углеводороды - химические соединения , состоящие только из атомов углерода и водорода . В зависимости от топологии строения углеродного скелета углеводороды подразделяют на ациклические и карбоциклические . В зависимости от кратности углерод-углеродных связей углеводороды подразделяют на предельные (алка́ны или насыщенные ), не содержащие кратные связи в своей структуре и непредельные или ненасыщенные - имеют в своём составе хотя бы одну двойную и/или тройную связь (алкены , алкины , диены). В свою очередь циклические углеводороды разделяют на алициклические (с открытой цепью) и циклоалканы (предельные с замкнутой цепью), ароматические углеводороды (непредельные, содержащие цикл).

• Соединения с гетероатомами в функциональных группах - соединения, в которых углеродный радикал R связан с функциональной группой. По характеру функциональных групп делятся на:
  • Галогенсодержащие
  • Спирты , фенолы . Спирты́ (устар. алкого́ли , англ. alcohols ; от лат. spiritus - дух) - органические соединения , содержащие одну или более гидроксильных групп (гидроксил, − ), непосредственно связанных с насыщенным (находящемся в состоянии sp³ гибридизации) атомом углерода . Спирты можно рассматривать как производные воды (H−O−H ) , в которых один атом водорода замещён на органическую функциональную группу : R−O−H . В номенклатуре IUPAC для соединений, в которых гидроксильная группа связана с ненасыщенным (находящемся в состоянии sp 2 гибридизации атомом углерода, рекомендуются названия «енолы » (гидроксил связан с винильной C=C связью) и «фенолы » (гидроксил связан с бензольным или другим ароматическим циклом) .
  • Простые эфиры (этеры ) - органические вещества , имеющие формулу R- -R 1 , где R и R 1 - углеводородные радикалы . Необходимо учитывать, что такая группа может входить в состав других функциональных групп соединений, не являющихся простыми эфирами (например, Кислородсодержащие органические соединения).
  • Сложные эфиры (эстеры ) - производные оксокислот (как карбоновых так и минеральных) R k E(=O) l (OH) m , (l ≠ 0), формально являющиеся продуктами замещения атомов водорода гидроксилов -OH кислотной функции на углеводородный остаток (алифатический, алкенильный, ароматический или гетероароматический); рассматриваются также как ацилпроизводные спиртов . В номенклатуре IUPAC к сложным эфирам относят также ацилпроизводные халькогенидных аналогов спиртов (тиолов , селенолов и теллуролов) . Отличаются от простых эфиров , в которых два углеводородных радикала соединены атомом кислорода (R 1 -O-R 2).
  • Соединения, содержащие карбонильную группу
    • Альдегиды (от лат. al cohol dehyd rogenatum - спирт , лишённый водорода) - класс органических соединений , содержащих карбонильную группу (С=О) с одним алкильным или арильным заместителем.
    • Кетоны - это органические вещества, в молекулах которых карбонильная группа связана с двумя углеводородными радикалами. Общая формула кетонов: R 1 -CO-R 2 . Наличие в кетонах именно двух атомов углерода, непосредственно связанных с карбонильной группой, отличает их от карбоновых кислот и их производных, а также альдегидов .
    • Хиноны - полностью сопряжённые циклогексадиеноны и их аннулированные аналоги. Существуют два класса хинонов: пара-хиноны с пара - расположением карбонильных групп (1,4-хиноны) и орто-хиноны с орто-расположением карбонильных групп (1,2-хиноны). Благодаря способности к обратимому восстановлению до двухатомных фенолов некоторые производные пара-хинонов участвует в процессах биологического окисления в качестве коферментов ряда оксидоредуктаз .
  • Соединения, содержащие карбоксильную группу (Карбоновые кислоты , сложные эфиры)
  • Серосодержащие соединения
  • Азотсодержащие соединения

• Гетероциклические - содержат гетероатомы в составе кольца. Различаются по числу атомов в цикле, по виду гетероатома, по количеству гетероатомов в цикле.

• Органического происхождения - как правило, соединения очень сложной структуры, зачастую принадлежат сразу к нескольким классам органических веществ, часто полимеры. Из-за этого их сложно классифицировать и их выделяют в отдельный класс веществ.

• Полимеры - вещества очень большой молекулярной массы, которые состоят из периодически повторяющихся фрагментов - мономерных звеньев.

Строение органических молекул

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 , , , 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.

Реакции могут протекать очень сложным образом и в несколько стадий, не обязательно так, как реакция условно изображена на схеме. В качестве промежуточных соединений могут возникать карбкатионы R + , карбанионы R − , радикалы R · , карбены CX 2 , катион-радикалы , анион-радикалы , и другие активные или нестабильные частицы, обычно живущие доли секунды. Подробное описание всех превращений, происходящих на молекулярном уровне во время реакции, называется механизмом реакции .

Реакции классифицируются в зависимости от способов разрыва и образования связей, способов возбуждения реакции, её молекулярности .

Определение структуры органических соединений

За все время существования органической химии как науки важной задачей было определить структуру органических соединений. Это значит узнать, какие атомы входят в состав соединения, в каком порядке эти атомы связаны между собой и как расположены в пространстве.

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. С помощью этого метода невозможно установить порядок связей между атомами. Часто используется лишь для подтверждения предположенной структуры.

• 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). Этот свет при поглощении возбуждает колебательные и вращательные уровни молекул. Опорными данными являются число, частота и интенсивность колебаний молекулы, связанных с изменением дипольного момента (ИК-спектроскопия) или поляризуемости (КР-спектроскопия). Методы позволяют установить наличие определённых функциональных групп в молекуле. Часто используются и для того чтобы подтвердить идентичность исследуемого вещества с некоторым уже известным веществом путём сравнения спектров.

• Масс-спектроскопия . Вещество при определённых условиях (электронный удар, химическая ионизация и др.) превращают в ионы без потери атомов (молекулярные ионы) и с потерей (осколочные). Позволяет определить молекулярный вес 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. В зависимости от ядер, взаимодействующих с излучением различают, например:

• • Метод протонного магнитного резонанса (ПМР). Позволяет определить положение атомов водорода 1 H в молекуле.
  • Метод ЯМР 19 F . Позволяет определить наличие и положение атомов фтора в молекуле.

Если вы поступили в университет, но к этому времени так и не разобрались в этой нелегкой науке, мы готовы раскрыть вам несколько секретов и помочь изучить органическую химию с нуля (для "чайников"). Вам же остается только читать и внимать.

Основы органической химии

Органическая химия выделена в отдельный подвид благодаря тому, что объектом ее изучения является все, в составе чего есть углерод.

Органическая химия – раздел химии, который занимается изучением соединения углерода, структуру таких соединений, их свойства и методы соединения.

Как оказалось, углерод чаще всего образует соединения со следующими элементами - H, N, O, S, P. Кстати, эти элементы называются органогенами .

Органические соединения, количество которых сегодня достигает 20 млн, очень важны для полноценного существования всех живых организмов. Впрочем, никто и не сомневался, иначе человек просто закинул бы изучение этого непознанного в долгий ящик.

Цели, методы и теоретические представления органической химии представлены следующим:

• Разделение ископаемого, животного или растительного сырья на отдельные вещества;
• Очистка и синтез разных соединений;
• Выявление структуры веществ;
• Определение механики протекания химических реакций;
• Нахождение зависимости между структурой и свойствами органических веществ.

Немного из истории органической химии

Вы можете не верить, но еще в далекой древности жители Рима и Египта понимали кое-что в химии.

Как мы знаем, они пользовались натуральными красителями. А нередко им приходилось использовать не готовый естественный краситель, а добывать его, вычленяя из цельного растения (например, содержащиеся в растениях ализарин и индиго).

Можем вспомнить и культуру употребления алкоголя. Секреты производства спиртных напитков известны в каждом народе. Причем многие древние народы знали рецепты приготовления «горячей воды» из крахмал- и сахарсодержащих продуктов.

Так продолжалось долгие, долгие годы, и только в 16-17 веках начались какие-то изменения, небольшие открытия.

В 18 веке некто Шееле научился выделять яблочную, винную, щавелевую, молочную, галловую и лимонную кислоту.

Тогда всем стало ясно, что продукты, которые удалось выделить из растительного или животного сырья, имели много общих черт. В то же время они сильно отличались от неорганических соединений. Поэтому служителям науки нужно было срочно выделить их в отдельный класс, так и появился термин «органическая химия».

Несмотря на то, что сама органическая химия как наука появилась лишь в 1828 году (именно тогда господину Вёлеру удалось выделить мочевину путем упаривания цианата аммония), в 1807 году Берцелиус ввел первый термин в номенклатуру в органической химии для чайников:

Раздел химии, который изучает вещества, полученные из организмов.

Следующий важный шаг в развитии органический химии – теория валентности, предложенная в 1857 году Кекуле и Купером, и теория химического строения господина Бутлерова от 1861 года. Уже тогда ученые стали обнаруживать, что углерод – четырехвалентен и способен образовывать цепи.

В общем, с эти самых пор наука регулярно испытывала потрясения и волнения благодаря новым теориям, открытиям цепочкам и соединениям, что позволяло так же активно развиваться органической химии.

Сама наука появилась благодаря тому, что научно-технический прогресс не в состоянии был стоять на месте. Он продолжал и продолжал шагать, требуя новых решений. И когда каменноугольной смолы в сфере промышленности перестало хватать, людям просто пришлось создать новый органический синтез, который со временем перерос в открытие невероятно важного вещества, которое и по сей день дороже золота – нефть. Кстати, именно благодаря органической химии на свет появилась ее «дочка» - поднаука, которая получила название «нефтехимия».

Но это уже совсем другая история, которую вы можете изучить сами. Далее мы предлагаем вам посмотреть научно-популярное видео про органическую химию для чайников:

Ну а если вам некогда и срочно нужна помощь профессионалов , вы всегда знаете, где их найти.

Растительного и животного происхождения. Не все соединения углерода классифицируются как органические. Например, СО 2 , HCN, CS 2 традиционно относят к неорганическим. Условно можно считать, что прототипом органических соединений является СН 4 .

К настоящему времени число известных органических соединений превышает 10 млн. и увеличивается каждый год на 250-300 тыс. Многообразие органических соединений определяется уникальной способностью соединяться друг с другом простыми и кратными связями, образовывать соединения с практически неограниченным числом атомов, связанных в цепи, циклы, бициклы, трициклы, полициклы, каркасы и др., образовывать прочные связи почти со всеми элементами периодической системы, а также явлением - существованием разных по свойствам веществ, обладающих одним и тем же составом и молекулярной массой.

Многообразие и громадное число органических соединений определяет значение органической химии как крупнейшего раздела современной химии. Окружающий нас мир построен главным образом из органических соединений; пища, . одежда, лекарства, взрывчатые вещества, материалы, без которых невозможно создание транспорта, книгопечатания, проникновение в космос и прочее, - все это состоит из органических соединений. Важнейшую роль органические соединения играют в процессах жизнедеятельности. На стыке органической химия с неорганической химией и возникли химия металлоорганических соединений и биоорганическая химия соответственно, широко использующие методы и представления органической химии . Отдельный раздел органической химии составляет химия высокомолекулярных соединений: по величине органические вещества делятся на низкомолекулярные (с молекулярной массой от нескольких десятков до нескольких сотен, редко до тысячи) и высокомолекулярные (макромолекулярные; с молекулярной массой порядка 10 4 -10 6 и более).

Органическая химия изучает не только соединения, получаемые из растительных и животных организмов (так называемые природные вещества), но в основном соединения, созданные искусственно с помощью лабораторного или промышленного органического синтеза. Более того, объектами изучения компьютерной органической химии являются соединения, не только не существующие в живых организмах, но которые, по-видимому, нельзя получить искусственно (например, гипотетический аналог метана, имеющий не природное тетраэдрическое строение, а форму плоского квадрата, в центре которого лежит атом С, а в вершинах - атомы Н).

Органический синтез связывает органическую химию с химической промышленностью, как малотоннажной ( , производство лекарств, витаминов, ферментов, и др.), так и крупнотоннажной ( , производство искусственного волокна, переработка и и др.).

Строение органических соединений устанавливают с помощью методов анализа органических соединений, включающих помимо такие физические методы, как ЯМР, масс-спектрометрия, ИК- , рентгеновский структурный анализ, и др.; развиваются также методы выделения, очистки и разделения органических веществ, например различные виды .

Классификация органических соединений

Основу органических соединений составляет незамкнутая (открытая) или замкнутая цепь углеродных атомов; одно или несколько звеньев цепи может быть заменено на атомы, отличные от углерода, - так называемые гетероатомы, чаще всего О, N, S. По структуре органических соединений подразделяют на - углеводороды и их производные, имеющие открытую углеродную цепь; карбоциклические соединения с замкнутой углеродной цепью (см. , ); . Углеводороды и их производные, не содержащие кратных связей, относятся к насыщенным соединениям, с - к ненасыщенным.

От каждого углеводорода путем замены водорода на различные функциональные группы может быть образован так называемый генетический ряд, например - - - - . В зависимости от типа функциональной группы органические соединения разделяются на классы: RH (функциональная группа отсутствует), их галогензамещенные RHal, ROH, RCHO, R 2 CO, RCOOH, первичные, вторичные и третичные RNH 2 , R 2 NH и R 3 N, нитросоединения RNO 2 ; (меркаптаны) RSH, сульфиды R 2 S и др. К функциональным группам относят также кратные углерод-углеродные связи. Группы органических соединений однотипной структуры с одинаковыми функциональными группами, отличающимися друг от друга по количеству групп СН 2 в углеродной цепи, составляют .

Соединения, в молекулах которых кроме С и Н и атомов-органогенов (Hal, О, N, S) содержатся атомы других элементов, образующих связи с углеродом, относятся к (см., например, ). О правилах наименования органических соединений см. в статье .

История развития органической химии

Истоки органической химии восходят к глубокой древности (уже тогда знали о спиртовом и уксуснокислом , крашении и ). Однако в средние века (период алхимии) были известны лишь немногие индивидуальные органические вещества. Все исследования этого периода сводились главным образом к операциям, при помощи которых, как тогда думали, одни простые вещества можно превратить в другие. Начиная с 16 в. (период ятрохимии) исследования были направлены в основном на выделение и использование различных лекарственных веществ: был выделен из растений ряд , приготовлен , сухой получены древесный (метиловый) спирт и уксусная кислота, из винного камня - винная кислота, перегонкой свинцового сахара - уксусная кислота, перегонкой - . Большая роль в становлении органической химии принадлежат А.Лавуазье, который разработал основные количественные методы определения состава химических соединений.

Идея неразрывной связи химической и физической свойств молекулы с ее строением, идея единственности этого строения впервые была высказана Бутлеровым (1861), который создал классическую теорию химического строения (атомы в молекулах соединяются согласно их валентностям, химические и физические свойства соединений определяются природой и числом входящих в их состав атомов, а также типом связей и взаимным влиянием непосредственно несвязанных атомов). Теория химического строения определила дальнейшее бурное развитие органической химии : в 1865 Кекуле предложил формулу , позднее высказал идею об осцилляции связей; В.В.Марковников и А.М.Зайцев сформулировали ряд правил, впервые связавших направление химической реакции с химическим строением вступающего в реакцию вещества. Экспериментальные данные И.Вислиценуса (1873) об идентичности структурных формул (+)-молочной кислоты (из кислого молока) и (±)-молочной кислоты послужили толчком для создания стереохимической теории (Я.Вант-Гофф и Ж.Ле Бель, 1874), в которой постулировалось тетраэдрическое строение фрагмента с четырехвалентным атомом углерода, что в случае четырех различных заместителей предсказывало существование пространственно-зеркальных изомеров; для соединений с двойной связью (тетраэдры соединяются по ребру) - наличие геометрической изомерии. На этой основе возникла - наука о трехмерной ориентации в молекулах и вытекающих отсюда следствиях, касающихся свойств соединений (см. также , ).

Работами Байера, К.Лаара, Л.Клайзена, Л.Кнорра развиты представления о - подвижной изомерии. Все эти теоретические представления способствовали мощному развитию синтетической химии. К концу 19 в. были получены все важнейшие представители углеводородов, спиртов, альдегидов и кетонов, карбоновых кислот, галогено- и нитропроизводных, азот- и серосодержащих структур, гетероциклов ароматической природы. Разработаны методы получения , и (А.Е.Фаворский). Открыты многочисленные реакции (Ш.Вюрц, А.П.Бородин, У.Перкин, Клайзен, А.Михаэль, Ш.Фридель, Дж.Крафтс, Э.Кнёвенагель и др.). Исключительные успехи были достигнуты Э.Г.Фишером в изучении углеводов, белков и пуринов, в использовании в органическом синтезе (1894), им же был осуществлен синтез полипептидов. Основой промышленности душистых веществ становятся работы О.Валлаха по терпенов. Выдающимися даже для нашего времени являются пионерские работы Р.Вильштеттера [установление структуры кокаина (1897) и хлорофилла (1907-11)]. Фундаментальный вклад в развитие органического синтеза был внесен В.Гриньяром (1900-20) и Н.Д.Зелинским (1910) - создание исключительно плодотворного метода синтеза магнийорганических соединений и открытие каталитических превращений углеводородов; последнее сыграло выдающуюся роль в развитии нефти. Химия свободных радикалов началась с работ М.Гомберга (1900), открывшим три-фенилметильный радикал, и была продолжена работами А.Е.Чичибабина, Г.Виланда и Ш.Гольдшмидта.

Разработка Ф.Преглем в начале 20 в. методов микроанализа органических веществ способствовала дальнейшему быстрому развитию химии природных соединений, что ознаменовалось работами Виланда (1910) по установлению природы желчных кислот, А.Виндауса (1913-15) - природы холестерина, работами Г.Фишера (1927-29) по синтезу таких ключевых соединений, как порфирин, билирубин и гемин, У.Хоуорса (Хеуорс) - по установлению структуры углеводов, синтезу витамина С.П.Каррера, Р.Куна (1911-39) - по получению каротиноидов и В 2 , В 6 , Е и К; химия алкалоидов, половых гормонов, терпенов была создана работами А.Бутенандта (1929-61), Л.Ружички (1920-24), А.П.Орехова и Р.Робинсона.

К середине 20 в. органический синтез претерпевает бурное развитие. Это определялось открытием таких основополагающих процессов, как получение олефинов с использованием илидов (Г.Виттиг, 1954), (О.Дильс, К.Альдер, 1928), гидроборирование непредельных соединений (Г.Браун, 1959), синтез нуклеотидов и синтез гена (А.Тодд, X.Корана). Не менее значительны успехи в химии металлоорганических соединений (А.Н.Несмеянов, Г.А.Разуваев). В 1951 был осуществлен синтез ферроцена, установление "сэндвичевой" структуры которого Р.Вудвордом и Дж.Уилкинсоном положило начало химии металлоценовых соединений и вообще химии органических соединений переходных металлов. В 1955 Э.О.Фишер синтезировал дибензолхром и разработал метод синтеза ареновых производных переходных металлов.

В 20-30-е гг. А.Е.Арбузов создает основы химии фосфорорганических соединений, что впоследствии привело к открытию новых типов физиологически активных соединений, комплексонов и др.

В 60-е гг. Г. Шилл осуществил синтез таких "неклассических" соединений, как катенаны и ротаксаны. В 60-80-е гг. Ч.Педерсен, Д.Крам и Ж.М.Лен разрабатывают химию краун-эфиров, криптандов и других родственных структур, способных образовывать прочные молекулярные комплексы, и тем самым подходят к важнейшей проблеме "молекулярного узнавания".

Строение органических соединений

Для органических соединений характерны неполярные ковалентные связи С-С и полярные ковалентные связи С-О, С-N, С-Hal, С-металл и т.д. Образование ковалентных связей было объяснено на основании развитых Г.Льюисом и В.Косселем (1916) предположений о важной роли электронных образований - октетов и дублетов. Молекула устойчива, если валентная оболочка таких элементов, как С, N, О, Hal, содержит 8 электронов (правило октета), а валентная оболочка водорода - 2 электрона. Химическая связь образуется обобществленной парой электронов различных атомов (простая связь). Двойные и тройные связи образуются соответственно двумя и тремя такими парами. Электроотрицательные атомы (F, О, N) используют для связи с углеродом не все свои валентные электроны; "неиспользованные" электроны образуют неподеленные (свободные) электронные пары. Полярность и поляризуемость ковалентных связей в органических соединений в электронной теории Льюиса-Косселя объясняется смещением электронных пар от менее электроотрицательного к более электроотрицательному атому, что находит выражение в и .

Признание ключевой роли электронных пар сыграло важную роль в классификации органических соединений, которые в случае реагентов с четным числом валентных электронов были разделены на нуклеофильные и электрофильные, а реакции частиц с нечетным числом валентных электронов назвали радикальными.

Классическая теория химического строения и первоначальные электронные представления оказались не в состоянии удовлетворительно описать на языке структурных формул строение многих соединений, например ароматических. Современная теория связи в органических соединений основана главным образом на понятии орбиталей и использует . Интенсивно развиваются квантовохимические методы, объективность которых определяется тем, что в их основе лежит аппарат квантовой механики, единственно пригодный для изучения явлений микромира. Методы молекулярных орбиталей орбиталей в органической химии развивались от простого метода Хюккеля к , и др. Широко используются представления о . Этап проникновения орбитальных концепций в органическую химию открыла Л.Полинга (1931-33) и далее работы К.Фукуи, Вудворда и Р.Хофмана о роли граничных орбиталей в определении направления химической реакции. Теория резонанса до сих пор широко используется в органической химии как метод описания строения одной молекулы набором канонических структур с одинаковым положением ядер, но с разным распределением электронов.

Общая характеристика реакций органических соединений

Реакции органических соединений имеют некоторые специфические особенности. В реакциях неорганических соединений обычно участвуют ионы; эти реакции протекают очень быстро, иногда мгновенно при нормальной температуре. В реакциях органических соединений обычно участвуют молекулы; при этом одни ковалентные связи разрываются, а другие образуются. Такие реакции протекают медленнее ионных (например, десятки часов), и для их ускорения часто требуется повысить температуру или добавить катализатор. Наиболее часто используют в качестве катализаторов кислоты и основания. Обычно протекает не одна, а несколько реакций, так что выход нужного продукта очень часто составляет менее 50%. В связи с этим в органической химии употребляют не химические уравнения, а схемы реакций без указания стехиометрических соотношений.

Реакции органических соединений могут протекать очень сложным образом и вовсе не обязательно соответствовать простейшей относительной записи. Как правило, простая стехиометрическая реакция на самом деле происходит в несколько последовательных стадий. В качестве промежуточных соединений (интермедиатов) в многостадийных процессах могут возникать карбкатионы R + , карбанионы R - , свободные радикалы , карбены: СХ 2 , катион-радикалы (например, ), анион-радикалы (например, Аr ) и другие нестабильные частицы, живущие доли секунды. Подробное описание всех изменений, которые происходят на молекулярном уровне в процессе превращения реагентов в продукты, называется механизмом реакции.

Исследование влияния строения органических соединений на механизм их реакций изучает физическая органическая химия , основы которой заложили К.Инголд, Робинсон и Л.Гаммет (1930-е гг.).

Реакции органических соединений могут классифицированы в зависимости от способа разрыва и образования связей, метода возбуждения реакции, ее молекулярности и др. (см. ).

Взаимодействие между реагирующими молекулами с использованием представлений о молекулярных орбиталях описывается примерно так же, как взаимодействие между атомами при образовании молекул. Широкое распространение для этой цели получил метод возмущений молекулярных орбиталей, на основе которого можно предсказать направление (региохимию) и стереохимический результат реакции, а также саму возможность ее осуществления в данных условиях. Использование (К.Фукуи, 1952) послужило мощным стимулом к сближению экспериментальной органической химии с квантовой химией. Подлинным триумфом применения метода молекулярных орбиталей в органической химии явилось опубликование в 1965 правил Вудворда-Хофмана, на основе которых можно легко предсказать направление перициклических реакций и условия их проведения, необходимые для получения желаемого стереохимического результата (см. , ).

Развитие органической химии в настоящее время достигло уровня, позволяющего начать решение такой основополагающей проблемы органической химии , как проблема количественного соотношения структуры вещества и его свойства, в качестве которого может выступать любое физическое свойство (например, температура плавления), биологическая активность любого строго заданного типа (например, пестицидная) и др. Решение задач такого типа осуществляется с использованием математических методов.

Возникновение органических соединений

Большинство органических соединений в природе образуется в процессе фотосинтеза из диоксида и под действием солнечного излучения, поглощаемого хлорофиллом в зеленых растениях. Однако органические соединения должны были существовать на земле и до возникновения жизни, которая не могла появиться без них. Первичная земная атмосфера около 2 млрд. лет назад имела восстановительные свойства, т.к. в ней не было кислорода, а содержались прежде всего водород и вода, а также СО, азот, аммиак и метан.

В условиях сильного радиоактивного излучения земных минералов и интенсивных атмосферных разрядов в атмосфере протекал абиотический синтез аминокислот по схеме:

CH 4 + H 2 O + NH 3 Аминокислоты

Возможность такой реакции в настоящее время доказана лабораторными опытами. Аминокислоты (из которых состоят белки) накапливались в океане вместе с другими веществами и постепенно превращались во все более сложные органические вещества, пока, наконец, не появилась возможность создания живой клетки.

Лит.: Чичибабин А.Е., Основные начала органической химии, 6 изд., т. 1-2, М., 1954-58; Каррер П., Курс органической химии, пер. с нем., 2 над., Л., 1962, Ингольд К., Теоретические основы органической химии, 2 изд., пер. с англ., М., 1973; Быков Г.В., История органической химии. Структурная теория, физическая органическая химия, расчетные методы, М., 1976; Дьюар М., Догерти Р., Теория возмущений молекулярных орбиталей в органической химии, пер. с англ., М., 1977; Быков Г.В., История органической химии. Открытие важнейших органических соединении. М., 1978; Общая органическая химия, под ред. Д.Бартона и У.Д.Оллнса, пер. с англ., т. 1-12, М., 1981-88; Терней А., Современная органическая химия, пер. с англ., т. 1-12, М., 1981; Марч Д., Органическая химия. Реакции, механизмы и структура, пер. с англ., т. 1-4. М., 1987-88; Beilsteins Handbuch der organischen Chemie, 4 Aufl., bearb. von B.Prager , Bd 1-31, В., 1918-40 (с 1928 г. изд. доп. тт.); Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie, 4 Aufl., Bd 1 20, Stuttg., 1952-88.