Органическая химия

Органи́ческая хи́мия — раздел химии, изучающий структуру, свойства органических соединений и реакции между ними.

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

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

История

Способы получения различных органических веществ были известны еще 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.

Во времена средневековья к этим знаниям ничего не прибавилось, некоторый прогресс начался только в 16-17 в: были получены некоторые продукты, в основном путем перегонки некоторых растительных продуктов. В 1769—1785 г. Шееле выделил несколько органических кислот, таких как яблочная, винная, лимонная, галловая, молочная и щавелевая. В 1773 г. Руэль выделил из человеческой мочи мочевину.

Выделенные из животного или растительного сырья продукты имели между собой много общего, но отличались от неорганических соединений. Так возник термин «Органическая химия» — раздел химии, изучающий вещества, выделенные из организмов (определение Берцелиуса, 1807 г.). При этом полагали, что эти вещества могут быть получены только в живых организмах благодаря «жизненной силе».

Как принято считать, органическая химия как наука появилась в 1828 году когда Фридрих Вёлер впервые получил органическое вещество — мочевину — в результате упаривания водного раствора цианата аммония (NH₄OCN).

Важным открытием стала разработка Купером, Кекуле и Бутлеровым теории строения органических соединений в 1860 г. В основе этой теории стоял факт, что практически во всех соединениях углерод является четырехвалентным. 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 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.

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

Историю органической химии принято излагать в связи с открытиями сделанными в области строения органических соединений, однако такое изложение гораздо больше связано с историей химии вообще. Гораздо интереснее рассматривать историю органической химии с позиции материальной базы, т. е. собственно предмета изучения органической химии.

На заре органической химии предметом изучения были преимущественно субстанции биологического происхождения. Именно этому факту органическая химия обязана своим названием. Научно-технический прогресс не стоял на месте, и со временем основной материальной базой органической химии стала каменноугольная смола, выделяемая при получении кокса прокаливанием каменного угля. Именно на основе переработки каменноугольной смолы в конце 19 века возник основной органический синтез. В 50-60 годах прошлого века произошел переход основного органического синтеза на новую базу — нефть. Таким образом появилась новая область химии — нефтехимия. Огромный потенциал, который был заложен в новом сырье вызвал бум в органичсекой химии и химии вообще. Появление и интенсивное развитие такой области как химии полимеров обязана прежде всего новой сырьевой базе.

Несмотря на то, что современная органическая химия в качестве материальной базы по прежнему использует сырье биологического происхождения и каменноугольную смолу, объем переработки этих видов химического сырья по сравнению с переработкой нефти мал. Смена материально-сырьевой базы органической химии была вызвана прежде всего возможностями наращивания объемов производства.

Классификация органических соединений

Подробно рассмотрена в статье «Органические соединения».

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). Ковалентные связи обозначаются прямой чертой, количество связей характеризуется валентностью элементов. 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 — соединения, состоящие только из атомов углерода и водорода. Они в свою очередь делятся на:
  • Насыщенные — максимальное количество атомов водорода на один атом углерода.
  • Ненасыщенные — имеют в своем составе хотя бы одну двойную связь.
  • С открытой цепью
  • С замкнутой цепью — содержат цикл

К ним относятся алканы, алкены, алкины, циклоалканы, арены.

• 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
  • Простые эфиры (этеры)
  • Сложные эфиры (эстеры)
  • Соединения, содержащие карбонильную группу
    • Альдегиды
    • Кетоны
    • Хиноны
  • Соединения, содержащие карбоксильную группу (Карбоновые кислоты, сложные эфиры)
  • Серосодержащие соединения
  • Азотсодержащие соединения
  • Металлоорганические 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 — мономеров.

Строение органических соединений

Органические соединения 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 квантовохимические методы.

Особенности органических реакций

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. Эти процессы требуют большей температуры и длительного времени. Часто они требуют наличия катализатора. Обычно протекает не одна, а сразу несколько реакций, поэтому выход целевого вещества зачастую не превышает 50 %. Поэтому при изображении органических реакций используют не уравнения, а схемы без расчета стехиометрии.

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 CX₂, катион-радикалы, анион-радикалы, и другие нестабильные частицы, 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, ее 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 и в каком порядке эти атомы связаны между собой.

Существует несколько методов решения этой задачи.

• 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 (ИК-спектроскопия). Образец материала (должен быть прозрачным) просвечивается светом инфракрасного диапазона. Этот свет поглощается валентными электронами соединения и возбуждает их. Позволяет установить наличие определенных функциональных групп в молекуле. Часто используется для того чтобы подтвердить идентичность исследуемого вещества с некоторым уже известным веществом путем сравнения ИК-спектров.

• Масс-спектроскопия. Вещество при определенных условиях (электрический разряд) разлагают на свободные радикалы. Позволяет определить молекулярный вес и иногда позволяет установить наличие различных функциональных групп.

• Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Основан на взаимодействии магнитного поля валентных электронов с внешним магнитным полем. Один из главных методов, который может быть использован для определения структуры. Дает информацию о расположении атомов с нечетной атомной массой. К этому методу относится:

• • Метод протонного магнитного резонанса (ПМР). Позволяет определить положение атомов водорода ¹H в молекуле.
  • Метод магнитного резонанса атомов ¹³С. Определяет положение атомов углерода в молекуле. Позволяет определить форму углеродного скелета молекулы.
  • Метод магнитного резонанса атомов ¹⁹F. Определяет наличие и положение атомов фтора в молекуле.
  • Метод магнитного резонанса атомов ³¹P. Определяет наличие и положение атомов фосфора в молекуле.

В трех последних методах используются неосновные изотопы элементов, поскольку основной изотоп этих элементов имеет четную атомную массу.

• Метод ультрафиолетовой спектроскопии (УФ-спектроскопия). Используется для определения наличия и характеристик коньюгированных &pi-систем.

• Методы аналитической химии. Позволяют определить наличие некоторых функциональных групп по специфическим химическим реакциям, факт протекания которых можно фиксировать визуально или с помощью других методов.

• Рентгеноструктурный анализ.

Описанных выше методов как правило полностью хватает для определения структуры неизвестного вещества.

Масс-спектроскопия. Вещество при определенных условиях (электрический разряд, химическая ионизация и др.) разлагают на ионы, ускоряемые затем в магнитном или электрическом поле. Позволяет определить молекулярный вес и иногда позволяет установить наличие различных функциональных групп. Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Основан на взаимодействии магнитного поля атомных ядер с внешним магнитным полем. Один из главных методов, который может быть использован для определения структуры. Дает информацию о расположении атомов с нечетной атомной массой. К этому методу относится:

Метод протонного магнитного резонанса (ПМР). Позволяет определить положение атомов водорода ¹H в молекуле. Метод магнитного резонанса атомов ¹⁹F. Определяет наличие и положение атомов фтора в молекуле. Метод магнитного резонанса атомов ³¹P. Определяет наличие и положение атомов фосфора в молекуле. В двух последних методах используются неосновные изотопы элементов, поскольку основной изотоп этих элементов имеет четную атомную массу. Метод ультрафиолетовой спектроскопии (УФ-спектроскопия). Используется для определения наличия и характеристик коньюгированных &pi-систем. Методы аналитической химии. Позволяют определить наличие некоторых функциональных групп по специфическим химическим реакциям, факт протекания которых можно фиксировать визуально или с помощью других методов. Рентгеноструктурный анализ. Описанных выше методов

Литература

• 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.
• Химическая энциклопедия, п. ред. Кнунянц, т.3, Москва, «Большая Российская Энциклопедия», 1992.

Ссылки

• http://chaos.dvo.ru/chem.htm — Библиотека сканированных книг по химии на русском и английском языках.
• Лорен Грэхэм «Естествознание, философия и науки о человеческом поведении в Советском Союзе, Глава IX. Химия»