Органічна хімія

Структура молекули метану: найпростішої сполуки вуглеводню.

Органі́чна хі́мія — один з найважливіших розділів хімії, який вивчає структуру та властивості органічних сполук. Органічними називають сполуки вуглецю з іншими елементами. Здатність вуглецю з'єднуватися з більшістю елементів і утворювати молекули різного складу і будови обумовлює різноманіття органічних сполук (до кінця XX століття їх число перевищило 10 млн, зараз більше 20 млн). Органічні сполуки відіграють ключову роль в існуванні живих організмів.

Органічна хімія - галузь науки, яка займається розробленням методів синтезу та вивченням будови, властивостей, реакційної здатності органічних сполук різних класів.

Основною метою фундаментальних досліджень у галузі органічної хімії є:

• встановлення залежності властивостей органічних сполук від їх будови,
• вивчення фізичних і хімічних властивостей органічних сполук, зокрема практично цінних властивостей, з метою використання цих сполук у різних галузях господарства,
• вивчення нових типів і механізмів органічних реакцій, розвиток методів синтетичної органічної хімії.

Основні напрямки досліджень

Основні напрямки досліджень:

• Розроблення методів синтезу органічних сполук різних класів.
• Розроблення теоретичних та експериментальних методів дослідження будови і властивостей органічних сполук.
• Вивчення будови, фізичних та хімічних властивостей органічних сполук.
• Вивчення нових типів і механізмів органічних реакцій.
• Хімія аліфатичних, аліциклічних, ароматичних, гетероциклічних, азотовмісних, сірковмісних та інших органічних сполук.

Історія органічної хімії

Фрідріх Велер

Способи отримання різних органічних речовин були відомі ще з давнини. Єгиптяни і римляни використовували барвники індиго і алізарин, що містяться в рослинах. Багато народів знали секрети виробництва спиртних напоїв і оцту з цукор- і крохмальмістячих сировин.
За часів середньовіччя до цих знань нічого не додалося, деякий прогрес почався тільки в XVI-XVII ст.: були отримані деякі речовини, в основному шляхом перегонки певних рослинних продуктів. У 1769-1785 р. Шеєле виділив кілька органічних кислот, таких як яблучна, лимонна, винна, галова, молочна і щавелева. У 1773 р. Руела виділив з людської сечі сечовину.
Виділені з тваринної або рослинної сировини продукти мали між собою багато спільного, але відрізнялися від неорганічних сполук. Так виник термін «Органічна хімія» - розділ хімії, що вивчає речовини, виділені з організмів (визначення Берцеліуса, 1807 р.).
Назва «органічна хімія» походить з припущення, що органічні сполуки можуть бути синтезовані тільки в живих організмах. Цю ідею було спростовано в 1828 році, коли німецький дослідник Фрідріх Велер вперше синтезував сечовину (яка є біологічно важливою органічною речовиною) шляхом випаровування водного розчину типової неорганічної солі, ціанату амонію NH₄OCN. Ця дата часто вважається початком органічної хімії як наукової дисципліни. Так само як справжнє сприйняття О.Х. як незалежної дисципліни відбулось дещо пізніше, в другій половині ХІХ ст.
Важливим етапом стала розробка теорії валентності Купером і Кекуле в 1857 р., а також теорії хімічної будови Бутлеровим в 1861 р. В основу цих теорій були покладені чотиривалентність вуглецю і його здатність до утворення ланцюгів. У 1865 Кекуле запропонував структурну формулу бензолу , що стало одним з найважливіших відкриттів в органічній хімії. У 1875 р. Вант-Гофф і Ле Бель запропонували тетраедричну модель атома вуглецю, за якою валентності вуглецю направлені до вершин тетраедра, якщо атом вуглецю помістити в центр цього тетраедра. У 1917 Льюїс запропонував розглядати хімічний зв'язок за допомогою електронних пар. У 1931 р. Хюккель застосував квантову теорію для пояснення властивостей альтернантних ароматичних вуглеців, чим заснував новий напрям в органічній хімії - квантову хімію. У 1933 р. Інгольд провів вивчення кінетики реакції заміщення у насиченого атома вуглецю, що призвело до масштабного вивчення кінетики більшості типів органічних реакцій. Предметом вивчення були переважно субстанції біологічного походження. Саме цим фактом органічна хімія зобов'язана своєю назвою. Науково-технічний прогрес не стояв на місці, і з часом основною матеріальною базою органічної хімії стала кам'яновугільна смола, що виділяється при отриманні коксу прожарюванням кам'яного вугілля. Саме на основі переробки кам'яновугільної смоли в кінці XIX століття виник основний органічний синтез. У 50-60 роках минулого століття відбувся перехід основного органічного синтезу на нову базу - нафту. Таким чином з'явилася нова галузь хімії - нафтохімія. Величезний потенціал, який був закладений у новому сировину викликав бум в органічній хімії і хімії взагалі. Поява та інтенсивний розвиток такої області як хімії полімерів зобов'язана перш за все нової сировинної бази. Незважаючи на те, що сучасна органічна хімія в якості матеріальної бази і раніше використовує сировину біологічного походження і кам'яновугільну смолу, обсяг переробки цих видів хімічної сировини в порівнянні з переробкою нафти малий. Зміна матеріально-сировинної бази органічної хімії була викликана насамперед можливостями нарощування обсягів виробництва.

Основними віхами в історії органічної хімії були:

• Синтез органічних сполук з неорганічних (Велер, 1828-сечовина)
• Розвиток індустрії барвників (друга половина ХІХ ст.)
  
• Реакція Вюрца (утворення С-С зв"язків)
  
• Відкриття реакцій конденсації кетонів та естерів
  
• Реактиви Гріньяра
  
• Відкриття ЯМР, як методу аналізу
  
• Відокремлення біохімії, супрамолекулярної хімії та інших розділів.

Класифікація органічних сполук

Правила та особливості класифікації

В основі класифікації лежить структура органічних сполук. Основа опису структури - структурна формула. Атоми елементів позначаються латинськими символами, як вони позначені в періодичній таблиці хімічних елементів (таблиці Менделєєва). Водневий і електронодефіцітний зв'язки позначаються пунктирною лінією, іонний зв'язок позначається зазначенням зарядів частинок, що входять до складу молекули. Оскільки в переважну більшість органічних молекул входить водень, його зазвичай не позначають при зображенні структури. Таким чином, якщо в структурі у одного з атомів зображена недостатня валентність, значить, біля цього атома розташований один або кілька атомів водню. Атоми можуть утворювати циклічні і ароматичні системи.

Основні класи органічних сполук

• Вуглеводні - сполуки, що складаються тільки з атомів вуглецю і водню. Вони в свою чергу діляться на:
  • Насичені - не містять кратні зв'язки в своїй структурі;
  • Ненасичені - мають у своєму складі хоча б один подвійний і / або потрійний зв'язок.
  • З відкритим ланцюгом;
  • З замкнутим ланцюгом - містять цикл.

До них відносяться

• З'єднання з гетероатомами у функціональних групах - сполуки, у яких вуглецевий радикал R пов'язаний з функціональною групою. За характером функціональних груп поділяються на:
  • Галогенні;
  • Спирти, феноли;
  • Прості ефіри (етери);
  • Складні ефіри (естери);
  • Сполуки, що містять карбонільну групу:
    • альдегіди;
    • кетони;
    • хінони;
  • Сполуки, що містять карбоксильну групу (Карбонові кислоти, складні ефіри);
  • Сірковмісні сполуки;
  • Азотовмісні сполуки;
  • Металоорганічні з'єднання;
  • Гетероциклічні - містять гетероатоми у складі кільця. Розрізняються за кількістю атомів в циклі, по виду гетероатому, за кількістю гетероатомів в циклі;
  • Органічного походження - як правило сполуки дуже складної структури, часто належать відразу до декількох класів органічних речовин, часто полімери. Через це їх складно класифікувати і їх виділяють в окремий клас речовин;
  • Полімери - речовини дуже великої молекулярної маси, які складаються з періодично повторюваних фрагментів - мономерів.

Будова органічних молекул

Органічні молекули в основному утворені ковалентними неполярними зв'язками C-C, або ковалентними полярними типу C-O, C-N, C-Hal. Згідно з октетною теорією Льюїса і Косселя молекула є стійкою, якщо зовнішні орбіталі всіх атомів повністю заповнені. Для таких елементів як C, N, O, галогени необхідно 8 електронів, щоб заповнити зовнішні валентні орбіталі, для водню необхідно тільки 2 електрона. Полярність пояснюється зміщенням електронної щільності в бік більш електронегативного атома. Класична теорія валентних зв'язків не в змозі пояснити всі типи зв'язків, що існують в органічних сполуках, тому сучасна теорія використовує методи молекулярних орбіталей і квантовохімічні методи.

Будова органічної речовини

Властивості органічних речовин визначаються не тільки будовою їх молекул, але й числом і характером їх взаємодій з сусідніми молекулами, а також взаємним просторовим розташуванням. Найбільш яскраво ці фактори проявляються у відмінності властивостей речовин, що знаходяться в різних агрегатних станах. Так, речовини, легко взаємодіють у вигляді газу, можуть зовсім не реагувати в твердому стані, або приводять до інших продуктів. У твердих органічних речовинах, в яких найбільш яскраво проявляються ці фактори, розрізняють органічні кристали і аморфні тіла. Їх описом займається наука "хімія органічного твердого тіла", основу якої пов'язують з ім'ям радянського фізика-кристалографа А.І.Китайгородського. Приклади корисних органічних твердих тіл - органічні люмінофори, різноманітні полімери, сенсори, каталізатори, електропровідники, магніти та ін.

Особливості органічних реакцій

У неорганічних реакціях зазвичай беруть участь іони, вони проходять швидко і до кінця при кімнатній температурі. В органічних реакціях часто відбуваються розриви ковалентних зв'язків з утворенням нових. Як правило, ці процеси вимагають особливих умов: певної температури, часу реакції, і часто наявності каталізатора . Зазвичай протікає не одна, а відразу кілька реакцій, тому вихід цільової речовини найчастіше не перевищує 50%. Тому при зображенні органічних реакцій використовують не рівняння, а схеми без розрахунку стехіометрії. Реакції можуть протікати дуже складним чином і в кілька стадій, не обов'язково так, як реакція умовно зображена на схемі. В якості проміжних сполук можуть та інші активні або нестабільні частинки, зазвичай живуть частки секунди. Детальний опис всіх перетворень, що відбуваються на молекулярному рівні під час реакції, називається механізмом реакції. Реакції класифікуються в залежності від способів розриву і утворення зв'язків, способів збудження реакції, її молекулярності.

Визначення структури органічних сполук

За весь час існування органічної хімії як науки важливим завданням було визначити структуру органічних сполук. Це значить дізнатися, які атоми входять до складу сполуки, у якому порядку ці атоми зв'язані між собою і як розташовані в просторі.

Існує кілька методів вирішення цих завдань.

• Елементний аналіз. Полягає в тому, що речовина розкладається на більш прості молекули, за кількістю яких можна визначити кількість атомів, що входить до складу сполуки. За допомогою цього методу неможливо встановити порядок зв'язків між атомами. Часто використовується лише для підтвердження припущень структури.
• Інфрачервона спектроскопія і спектроскопія комбінаційного розсіяння (ІЧ-спектроскопія і КР-спектроскопія). Речовина взаємодіє з електромагнітним випромінюванням (світлом) інфрачервоного діапазону (в ІК-спектроскопії спостерігають поглинання, в КР-спектроскопії - розсіювання випромінювання). Це світло при поглинанні збуджує коливальні і обертальні рівні молекул. Опорними даними є число, частота та інтенсивність коливань молекули, пов'язаних зі зміною дипольного моменту (ІЧ-спектроскопія) або поляризації (КР-спектроскопія). Методи дозволяють встановити наявність певних функціональних груп в молекулі. Часто використовуються і для того, щоб підтвердити ідентичність досліджуваної речовини з деякими вже відомими речовинами шляхом порівняння спектрів.
• Мас-спектроскопія. Речовина при певних умовах (електронний удар, хімічна іонізація та ін) перетворюють на іони без втрати атомів (молекулярні іони) і з втратою (осколкові). Дозволяє визначити молекулярну вагу і іноді дозволяє встановити наявність різних функціональних груп .
• Метод ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Заснований на взаємодії ядер, що володіють власним магнітним моментом (спином) і поміщених під зовнішнє постійне магнітне поле, з електромагнітним випромінюванням радіочастотного діапазону. Один з головних методів, який може бути використаний для визначення хімічної структури. Метод використовують також для вивчення просторової будови молекул, динаміки молекул. Залежно від ядер, що взаємодіють з випромінюванням розрізняють, наприклад:
  • Метод протонного магнітного резонансу (ПМР). Дозволяє визначити положення атомів водню в молекулі.
  • Метод ЯМР ¹⁹F. Дозволяє визначити наявність і стан атомів фтору в молекулі.
  • Метод ЯМР ³¹P. Дозволяє визначити наявність, стан і валентний стан атомів фосфору в молекулі.
  • Метод ЯМР ¹³С. Дозволяє визначити число і типи атомів вуглецю в молекулі. Використовується для дослідження форми вуглецевого скелета молекули.
    

На відміну від перших трьох в останньому методі використовується неосновної ізотоп елементу, оскільки ядро основного ізотопу вуглецю - ¹²С має нульовий спін і не може спостерігатися методом ядерного магнітного резонансу, так само як і ядро ¹⁶O - єдиного природного ізотопу кисню.

• Метод ультрафіолетової спектроскопії (УФ-спектроскопія) або Спектроскопія електронних переходів. Метод заснований на поглинанні електромагнітного випромінювання ультрафіолетової і видимої області спектра при переході електронів в молекулі з верхніх заповнених рівнів на вакантні рівні (збудження молекули). Найчастіше використовується для визначення наявності та характеристик коньюгованих π-систем.
• Методи аналітичної хімії. Дозволяють визначити наявність деяких функціональних груп по специфічним хімічним реакціям, факт протікання яких можна фіксувати візуально або за допомогою інших методів.
• Рентгеноструктурний аналіз.

Описаних вище методів, як правило, повністю вистачає для визначення структури невідомої речовини.

Див. також

• Органічні сполуки
• Органічні речовини

Література

• Глосарій термінів з хімії // Й. Опейда, О. Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім.. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк:"Вебер", 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
• ВАК України. Паспорт спеціальності. N 17-09/1 від 29.01.98