Mis on orgaaniline keemia. Orgaanilise keemia kaasaegne määratlus

Orgaaniline keemia on keemia haru, mis uurib süsinikuühendeid, nende struktuuri, omadusi, sünteesimeetodeid.Orgaanilisi ühendeid nimetatakse süsinikuühenditeks koos teiste elementidega. Süsinik moodustab kõige rohkem ühendeid nn organogeensete elementidega: H, N, O, S, P. Süsiniku võime ühineda enamiku elementidega ning moodustada erineva koostise ja struktuuriga molekule määrab orgaaniliste ühendite mitmekesisuse (poolt 20. sajandi lõpus ületas nende arv 10 miljonit, praegu üle 20 miljoni [allikas täpsustamata 229 päeva]). Orgaanilised ühendid mängivad elusorganismide olemasolus võtmerolli.

Orgaanilise keemia aine hõlmab järgmisi eesmärke, katsemeetodeid ja teoreetilisi kontseptsioone:

Üksikute ainete eraldamine taimsest, loomsest või fossiilsest toorainest

Ühendite süntees ja puhastamine

Ainete struktuuri määramine

Keemiliste reaktsioonide mehhanismide uurimine

Orgaaniliste ainete struktuuri ja nende omaduste vaheliste sõltuvuste tuvastamine

Lugu

Erinevate orgaaniliste ainete saamise meetodid on tuntud juba antiikajast. Egiptlased ja roomlased kasutasid selles sisalduvaid indigo- ja alisariini värvaineid taimne aine. Paljud rahvad teadsid suhkrust ja tärklist sisaldavast toorainest alkohoolsete jookide ja äädika valmistamise saladusi.Keskajal ei lisatud nendele teadmistele midagi, mingi edasiminek algas alles 16.-17.sajandil: saadi mingeid aineid peamiselt teatud taimsete saaduste destilleerimise teel. Aastatel 1769–1785 eraldas Scheele mitu orgaanilist hapet, nagu õun-, viin-, sidrun-, gallus-, piim- ja oksaalhape. 1773. aastal eraldas Ruel inimese uriinist uurea.Loomsest või taimsest toorainest eraldatud toodetel oli palju ühist, kuid need erinesid orgaanilised ühendid. Nii tekkis mõiste "orgaaniline keemia" – keemia haru, mis uurib organismidest eraldatud aineid (Berzeliuse definitsioon, 1807). Samal ajal arvati, et neid aineid saab elusorganismidest saada ainult tänu "elujõule". Nagu tavaliselt arvatakse, tekkis orgaaniline keemia teadusena 1828. aastal, kui Friedrich Wöhler sai esmakordselt orgaanilise aine - uurea -. ammooniumtsüanaadi (NH4OCN) vesilahuse aurustamise tulemus.Oluliseks sammuks oli Cooperi ja Kekule valentsusteooria väljatöötamine 1857. aastal, samuti Butlerovi keemilise struktuuri teooria 1861. Need teooriad põhinesid süsiniku neljavalentsus ja selle võime ahelaid moodustada. 1865. aastal pakkus Kekule välja benseeni struktuurivalemi, mis on orgaanilise keemia üks olulisemaid avastusi. 1875. aastal pakkusid van't Hoff ja Le Bel 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 kaaluda keemilise sideme kasutamist elektronide paarid.Aastal 1931 Hückel kandideeris kvantteooria selgitada alternatiivsete aromaatsete süsivesinike omadusi, mis pani aluse orgaanilises keemias uuele suunale – kvantkeemiale. 1933. aastal viis Ingold läbi küllastunud süsinikuaatomi juures toimuva asendusreaktsiooni kineetika uuringu, mille tulemusel uuriti enamiku tüüpide kineetikat ulatuslikult. orgaanilised reaktsioonid Orgaanilise keemia ajalugu on tavaks esitada seoses orgaaniliste ühendite struktuuri alal tehtud avastustega, kuid selline esitlus on rohkem seotud keemia ajalooga laiemalt. Hoopis huvitavam on vaadelda orgaanilise keemia ajalugu positsioonilt materiaalne baas, st orgaanilise keemia tegelik õppeaine.Orgaanilise keemia koidikul olid õppeaineks valdavalt bioloogilise päritoluga ained. Just sellele asjaolule võlgneb orgaaniline keemia oma nime. Teaduse ja tehnika areng ei seisnud paigal ja aja jooksul sai orgaanilise keemia peamiseks materiaalseks baasiks kivisöetõrv, mis vabaneb koksi tootmisel kaltsineerimise teel. kivisüsi. Just kivisöetõrva töötlemise baasil tekkis 19. sajandi lõpus peamine orgaaniline süntees. Eelmise sajandi 50-60ndatel toimus peamise orgaanilise sünteesi üleminek uus alus- õli. Nii ilmus uus piirkond keemia – naftakeemia. Uute toorainete tohutu potentsiaal põhjustas orgaanilise keemia ja üldiselt keemia buumi. Sellise valdkonna nagu polümeeri keemia esilekerkimine ja intensiivne areng on tingitud eelkõige uuest toorainebaasist Vaatamata sellele, et tänapäevases orgaanilises keemias kasutatakse endiselt bioloogilist päritolu toorainet ja kivisöetõrva materiaalse baasina, on nende töötlemise maht suurem. keemiliste toorainete liigid on nafta rafineerimisega võrreldes väike. Orgaanilise keemia materjali- ja toorainebaasi muutuse põhjustas eelkõige võimalus tootmismahtusid suurendada.

Orgaaniliste ühendite klassifikatsioon

Klassifitseerimise reeglid ja tunnused:

Klassifikatsioon põhineb orgaaniliste ühendite struktuuril. Struktuuri kirjelduse aluseks on struktuurivalem. Elementide aatomeid tähistatakse ladina sümbolitega, nagu need on märgitud keemiliste elementide perioodilisuse tabelis (Mendelejevi tabel). Vesiniku- ja elektronidefitsiitseid sidemeid tähistab punktiirjoon, ioonseid sidemeid molekuli moodustavate osakeste laengute tähisega. Kuna valdav enamus orgaanilisi molekule sisaldab vesinikku, ei ole seda struktuuri kujutamisel tavaliselt märgitud. Seega, kui ühe aatomi struktuuris on näidatud ebapiisav valents, siis selle aatomi läheduses paikneb 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 küllastunud (alkaanid või küllastunud), mis ei sisalda oma struktuuris mitut sidet ja küllastumata või küllastumata - need sisaldavad vähemalt ühte kaksiks- ja/või kolmiksidet (alkeenid, alküünid, dieenid). ) . Tsüklilised süsivesinikud jagunevad omakorda alitsüklilisteks (avatud ahelaga) ja tsükloalkaanideks (piiratud suletud ahelaga), aromaatseteks süsivesinikeks (küllastumata, tsüklit sisaldavad). Atsükliline (avatud ahel) karbotsükliline (suletud ahel)

piirav piiramatu piiramatu piiramatu

üksiksidemega topeltsidemega kolmiksidemega kahe kaksiksidemega üksiksidemega benseenirõngaga

rida metaani (alkaane) rida etüleeni (alkeene) rida atsetüleeni (alküüne) rida dieeni süsivesinikke rida polümetüleene (nafteene) rida benseeni (aromaatsed süsivesinikud või areenid). Funktsionaalsetes heteroaatomitega ühendid rühmad - ühendid, milles süsinikuradikaal R on seotud funktsionaalrühmaga. Funktsionaalrühmad jagunevad oma olemuselt järgmisteks osadeks:

Alkoholid, fenoolid. Alkoholid (vananenud alkoholid, inglise alkoholid; ladina keelest spiritus - spirit) on orgaanilised ühendid, mis sisaldavad ühte või mitut hüdroksüülrühma (hüdroksüül, −OH), 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 ühendite kohta, milles hüdroksüülrühm mis on seotud küllastumata (olemas sp2 hübridisatsiooni olekus) süsinikuaatomiga, nimetused "enoolid" (hüdroksüül on seotud vinüül-C \u003d C sidemega) ja "fenoolid" (hüdroksüül on seotud benseeni või muu aromaatse tsükliga) on soovitatavad.

Eetrid (eetrid) on orgaanilised ained valemiga R-O-R1, kus R ja R1 on süsivesinikradikaalid. Tuleb arvestada, et selline rühm võib kuuluda ka muudesse ühendite funktsionaalrühmadesse, mis ei ole lihtsad eetrid (näiteks hapnikku sisaldavad orgaanilised ühendid).

Estrid (estrid) - oksohapete derivaadid (nii karboksüül- kui ka mineraalsed) RkE (= O) l (OH) m, (l ≠ 0), mis on formaalselt hüdroksüülrühmade -OH vesinikuaatomite asendusproduktid happe funktsioon süsivesinike jäägi kohta (alifaatne, alkenüül-, aromaatne või heteroaromaatne); loetakse ka alkoholide atsüülderivaatideks. IUPAC-i nomenklatuuris estrid hõlmab ka alkoholide (tioolide, selenoolide ja telluroolide) kalkogeniidi analoogide atsüülderivaate. Erineb eetrid, milles kaks süsivesinikradikaali on ühendatud hapnikuaatomiga (R1-O-R2).

Karbonüülrühma sisaldavad ühendid

Aldehüüdid (ladina keelest alkohol dehydrogenatum - vesinikuvaba alkohol) - orgaaniliste ühendite klass, mis sisaldab karbonüülrühma (C \u003d O) ühe alküül- või arüülasendajaga.

Ketoonid on orgaanilised ained, mille molekulides on karbonüülrühm seotud kahe süsivesiniku radikaaliga. Ketoonide üldvalem: R1–CO–R2. Täpselt kahe süsinikuaatomi olemasolu ketoonides, mis on otseselt seotud karbonüülrühmaga, eristab neid karboksüülhapetest ja nende derivaatidest, aga ka aldehüüdidest.

Kinoonid on täielikult konjugeeritud tsükloheksadienoonid ja nende anneleeritud analoogid. Kinoone on kahte klassi: karbonüülrühmade (1,4-kinoonid) para-asetusega parakinoonid ja karbonüülrühmade orto-asetusega orto-kinoonid (1,2-kinoonid). Pöörduvalt kahehüdroksüülseteks fenoolideks redutseerumisvõime tõttu osalevad mõned parakinoonide derivaadid bioloogilise oksüdatsiooni protsessides mitmete oksidoreduktaaside koensüümidena.

Karboksüülrühma sisaldavad ühendid (karboksüülhapped, estrid)

Metallorgaanilised ühendid

Heterotsükliline - sisaldavad tsükli koostises heteroaatomeid. Need erinevad tsüklis olevate aatomite arvu, heteroaatomi tüübi, heteroaatomite arvu poolest tsüklis.

Orgaaniline päritolu - reeglina väga keerulise struktuuriga ühendid, mis sageli kuuluvad korraga mitmesse orgaaniliste ainete klassi, sageli polümeerid. Seetõttu on neid raske klassifitseerida ja need on eraldatud 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 C-O tüüp, C-N, C-Hal. Lewise ja Kosseli okteti teooria kohaselt on molekul stabiilne, kui kõigi aatomite välisorbitaalid on täielikult täidetud. Elemendid nagu C, N, O, halogeenid vajavad välimiste valentsorbitaalide täitmiseks 8 elektroni, vesinik vajab ainult 2 elektroni. Polaarsust seletatakse elektrontiheduse nihkega elektronegatiivsema aatomi suunas.

Klassikaline valentssidemete teooria ei suuda seletada kõiki orgaanilistes ühendites esinevaid sidemeid, seetõttu kasutatakse tänapäevases teoorias molekulaarorbitaalide ja kvantkeemiliste meetodite meetodeid.

Struktuur orgaaniline aine

Orgaaniliste ainete omadusi ei määra mitte ainult nende molekulide struktuur, vaid ka nende vastastikmõjude arv ja iseloom naabermolekulidega, samuti nende vastastikune ruumiline paigutus. Kõige selgemalt väljenduvad need tegurid ainete omaduste erinevuses erinevates agregatsiooniseisundites. Seega ei pruugi gaasi kujul kergesti interakteeruvad ained gaasi kujul üldse reageerida. tahkes olekus või viia muude toodeteni.

Tahketes orgaanilistes ainetes, milles need tegurid on kõige enam väljendunud, eristatakse orgaanilisi kristalle ja amorfseid kehasid. Nende kirjeldamisega tegeleb "orgaanilise tahkiskeemia" teadus, mille alus on seotud nõukogude füüsiku-kristallograafi A.I. Kitaigorodsky nimega. Näited kasulikust orgaanilisest tahked ained- orgaanilised fosforid, erinevad polümeerid, andurid, katalüsaatorid, elektrijuhid, magnetid jne.

Orgaaniliste reaktsioonide tunnused

AT anorgaanilised reaktsioonid tavaliselt on kaasatud ioonid, need läbivad toatemperatuuril kiiresti ja lõpuni. Orgaanilistes reaktsioonides esineb sageli katkestusi kovalentsed sidemed uute tekkega. Reeglina nõuavad need protsessid eritingimusi: teatud temperatuuri, reaktsiooniaega ja sageli katalüsaatori olemasolu. Tavaliselt ei toimu korraga mitte üks, vaid mitu reaktsiooni, seega ei ületa sihtaine saagis sageli 50%. Seetõttu ei kasutata orgaaniliste reaktsioonide kujutamisel mitte võrrandeid, vaid skeeme ilma stöhhiomeetriat arvutamata.

Reaktsioonid võivad olla väga keeruline viis ja mitmes etapis, mitte tingimata nii, nagu reaktsioon on tinglikult skeemil näidatud. Vaheühenditena võivad esineda karbokatioonid R+, karbanioonid R−, radikaalid R·, karbeenid CX2, radikaalkatioonid, radikaalanioonid ja muud aktiivsed või ebastabiilsed liigid, mis elavad tavaliselt sekundi murdosa. Täpsem kirjeldus Kõigist reaktsiooni käigus molekulaarsel tasemel toimuvatest transformatsioonidest nimetatakse reaktsioonimehhanismiks Reaktsioone klassifitseeritakse sõltuvalt sidemete katkemise ja moodustamise meetoditest, reaktsiooni ergastamise meetoditest ja selle molekulaarsusest.

Orgaaniliste ühendite struktuuri määramine

Läbi orgaanilise keemia kui teaduse olemasolu 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 ühendi moodustavate 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 infrapunavahemiku elektromagnetilise kiirgusega (valgusega) (IR-spektroskoopias täheldatakse neeldumist ja Ramani spektroskoopias 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 teil kindlaks teha teatud funktsionaalrühmade olemasolu molekulis. Kasutatakse sageli uuritava aine identsuse kinnitamiseks mõne juba tuntud ainega spektrite võrdlemise teel.

Massispektroskoopia. Aine muudetakse teatud tingimustel (elektronide löök, keemiline ionisatsioon jne) ioonideks ilma aatomite kadumiseta (molekulioonid) ja kadudega (killustumine). Võimaldab teil määrata molekulmassi ja mõnikord võimaldab teil tuvastada erinevate funktsionaalrühmade olemasolu.

Tuumamagnetresonantsi (NMR) meetod. See põhineb tuumade vastasmõjul, millel on oma magnetmoment (spin) ja mis on paigutatud välisesse konstantsesse magnetvälja, elektromagnetkiirgusega raadiosagedusalas. Üks peamisi meetodeid, mida saab kasutada keemilise struktuuri määramiseks. Meetodit kasutatakse ka molekulide ruumilise struktuuri, molekulide dünaamika uurimiseks. Olenevalt kiirgusega interakteeruvatest tuumadest on olemas näiteks: Prootoni magnetresonantsi (PMR) meetod. Võimaldab määrata 1H vesinikuaatomite asukohta molekulis.19F NMR meetod. Võimaldab määrata fluori aatomite olemasolu ja asukohta molekulis 31P NMR meetod. Võimaldab määrata fosfori aatomite olemasolu, asendit ja valentsusolekut molekulis 13C NMR meetod. Võimaldab määrata süsinikuaatomite arvu ja tüübi molekulis. Kasutatakse molekuli süsiniku skeleti kuju uurimiseks.

Erinevalt esimesest kolmest kasutab viimane meetod elemendi väikest isotoopi, kuna peamise süsiniku isotoobi 12С tuumal on null spin ja seda ei saa jälgida tuumamagnetresonantsi abil, nagu ka 16O tuumal, mis on ainus looduslik isotoop hapnik Ultraviolettspektroskoopia (UV-spektroskoopia) või elektronsiirdespektroskoopia meetod. Meetod põhineb elektromagnetilise kiirguse neeldumisel spektri ultraviolett- ja nähtavates piirkondades elektronide üleminekul molekulis ülemistelt täidetud tasemetelt vabadele tasemetele (molekuli ergastamine). Kõige sagedamini kasutatakse konjugeeritud π-süsteemide olemasolu ja omaduste määramiseks analüütiline keemia. Need võimaldavad teatud keemiliste reaktsioonide abil määrata mõne funktsionaalrühma olemasolu, mille fakti saab fikseerida visuaalselt või muude meetoditega.

Ülalkirjeldatud meetodid on reeglina täiesti piisavad tundmatu aine struktuuri määramiseks.

Vähesed inimesed mõtlesid orgaanilise keemia rollile elus kaasaegne inimene. Kuid see on tohutu, seda on raske üle hinnata. Juba hommikust, kui inimene ärkab ja pesema läheb, ja kuni õhtuni, kui ta magama läheb, saadavad teda pidevalt orgaanilise keemia tooted. Hambahari, riided, paber, kosmeetika, mööbel ja sisustusesemed ning palju muud – kõike seda annab ta meile. Kuid kunagi oli kõik täiesti erinev ja orgaanilisest keemiast teati väga vähe.

Mõelgem, kuidas orgaanilise keemia arengulugu etappide kaupa arenes.

1. Arenguperiood kuni XIV sajandini, mida nimetatakse spontaanseks.

2. XV – XVII sajand – arengu algus ehk iatrokeemia, alkeemia.

3. XVIII - XIX sajand - vitalismi teooria domineerimine.

4. XIX - XX sajand - intensiivne areng, teaduslik etapp.

Orgaaniliste ühendite keemia tekke algus ehk spontaanne etapp

See periood viitab keemia mõiste tekkele, päritolule. Ja päritolu ulatub tagasi Vana-Rooma ja Egiptus, kus väga võimekad elanikud õppisid esemete ja riiete värvimiseks ekstraheerima looduslikest toorainetest - taimede lehti ja varsi. Nad olid indigod, andsid rikkaks sinine värv, ja alisoriin, mis värvib sõna otseses mõttes kõike mahlastes ja atraktiivsetes oranži ja punase toonides. Ebatavaliselt agarad eri rahvusest üheaegsed elanikud õppisid ka äädikat hankima, suhkrust ja tärklist sisaldavatest taimse päritoluga ainetest alkohoolseid jooke valmistama.

Teadaolevalt olid sellel ajalooperioodil väga levinud tooted loomsed rasvad, vaigud ja taimeõlid, mida kasutasid ravitsejad ja kokad. Samuti kasutati tihedalt mitmesuguseid mürke, mis on omavaheliste suhete peamine relv. Kõik need ained on orgaanilise keemia saadused.

Kuid kahjuks ei eksisteerinud mõistet "keemia" ja konkreetsete ainete uurimist omaduste ja koostise selgitamiseks ei toimunud. Niisiis antud periood ja seda nimetatakse loomulikuks. Kõik avastused olid juhuslikud, igapäevase tähtsusega mittesihipärased. See jätkus kuni järgmise sajandini.

Iatrokeemiline periood on paljutõotav arengu algus

Tõepoolest, just 16.-17. sajandil hakkasid tekkima otsesed ideed keemiast kui teadusest. Tänu tolleaegsete teadlaste tööle saadi mõned orgaanilised ained, leiutati lihtsaimad seadmed ainete destilleerimiseks ja sublimeerimiseks, ainete jahvatamiseks kasutati spetsiaalseid keemilisi riistu, eraldades looduslikud saadused koostisosadeks.

Tolle aja põhiliseks töösuunaks oli meditsiin. Soov hankida vajalikke ravimeid viis selleni, et taimedest ammutati eeterlikke õlisid ja muid tooraineid. Niisiis sai Karl Scheele taimsetest materjalidest mõned orgaanilised happed:

õun;
sidrun;
galliline;
piimatooted;
oksaalhape.

Teadlasel kulus taimede uurimiseks ja nende hapete eraldamiseks 16 aastat (1769–1785). Sellest sai alguse areng, pandi alus orgaanilisele keemiale, mis defineeriti otseselt ja nimetati hiljem keemia haruks ( 18. alguses sajandil).

Samal keskajal eraldas G. F. Ruel uureast kusihappekristalle. Teised keemikud said merevaikhapet merevaigust, viinhapet. Kasutusel on taimse ja loomse tooraine kuivdestilleerimise meetod, tänu millele saadakse äädikhape, dietüüleeter ja puidupiiritus.

Sellest sai alguse orgaanilise keemiatööstuse intensiivne areng tulevikus.

Vis vitalis ehk "Elujõud"

XVIII–XIX sajandid on orgaanilise keemia jaoks väga kahesugused: ühelt poolt on see olemas terve rida suure tähtsusega avastused. Teisalt takistab pikka aega vajalike teadmiste ja õigete ideede kasvamist ja kogumist domineeriv vitalismiteooria.

Selle teooria võttis kasutusele ja nimetas peamiseks Jens Jacobs Berzelius, kes andis samal ajal orgaanilise keemia definitsiooni. täpne aasta teadmata, kas 1807 või 1808). Selle teooria sätete kohaselt võivad orgaanilised ained tekkida ainult elusorganismides (taimedes ja loomades, sealhulgas inimestes), kuna ainult elusolenditel on eriline "elujõud", mis võimaldab neid aineid toota. Kuigi alates anorgaanilised ained orgaanilisi on täiesti võimatu hankida, kuna need on elutu looduse saadused, mittesüttivad, ilma vis vitaliseta.

Sama teadlane pakkus välja kõigi sel ajal tuntud ühendite esimese klassifikatsiooni anorgaanilisteks (eluta, kõik ained nagu vesi ja sool) ja orgaanilisteks (elus, oliiviõli ja suhkur). Berzelius oli ka esimene, kes täpsustas, mis on orgaaniline keemia. Määratlus kõlas nii: see on keemia haru, mis uurib elusorganismidest eraldatud aineid.

Sel perioodil viisid teadlased hõlpsalt läbi orgaaniliste ainete muundamise anorgaanilisteks, näiteks põlemisel. Pöördteisenduste võimalusest pole aga midagi teada.

Saatusel oli hea meel korraldada nii, et Jens Berzeliuse õpilane Friedrich Wehler aitas kaasa tema õpetaja teooria kokkuvarisemisele.

Saksa teadlane töötas tsüaniidiühendite kallal ja ühes oma katses õnnestus tal saada kusihappega sarnaseid kristalle. Hoolikama uurimistöö tulemusel veendus ta, et tal õnnestus tõesti saada orgaanilist ainet anorgaanilisest ilma igasuguse vis vitaliseta. Ükskõik kui skeptiline Berzelius ka polnud, oli ta sunnitud seda vaieldamatut tõsiasja tunnistama. Nii anti esimene löök vitalistlikele vaadetele. Orgaanilise keemia arengulugu hakkas hoogu saama.

Rida avastusi, mis purustasid vitalismi

Wöhleri edu inspireeris 18. sajandi keemikuid, mistõttu algasid laialt levinud katsed ja katsed orgaaniliste ainete saamiseks tehistingimustes. Sellised sünteesid, millel on otsustav ja kõrgeim väärtus on tehtud mitu.

1845 – Wöhleri õpilane Adolf Kolbe suutis mitmeetapilise täieliku sünteesi teel saada lihtsatest anorgaanilistest ainetest C, H 2, O 2 äädikhapet, mis on orgaaniline aine.
1812 Konstantin Kirchhoff sünteesis tärklisest ja happest glükoosi.
1820 Henri Braconnot denatureeris valgu happega ja seejärel töötles segu lämmastikhappega ning sai 20 hiljem sünteesitud aminohappest esimese – glütsiini.
1809 Michel Chevrel uuris rasvade koostist, püüdes neid lahutada koostisosadeks. Selle tulemusena sai ta rasvhappeid ja glütseriini. 1854 Jean Berthelot jätkas Chevreli tööd ja kuumutas tulemuseks glütseriini – rasva, mis täpselt kordab looduslike ühendite struktuuri. Tulevikus õnnestus tal hankida muid rasvu ja õlisid, mis molekulaarstruktuurilt olid mõnevõrra erinevad oma looduslikest kolleegidest. See tähendab, et ta tõestas võimalust saada uusi suure tähtsusega orgaanilisi ühendeid laboratoorsed tingimused.
J. Berthelot sünteesis metaani vesiniksulfiidist (H 2 S) ja süsinikdisulfiidist (CS 2).
1842 Zininil õnnestus sünteesida nitrobenseenist värvaine aniliini. Tulevikus õnnestus tal hankida mitmeid aniliinvärve.
A. Bayer loob oma labori, kus sünteesib aktiivselt ja edukalt looduslikele sarnaseid orgaanilisi värvaineid: alisariini, indigot, antrokinooni, ksanteeni.
1846 nitroglütseriini süntees teadlase Sobrero poolt. Ta töötas välja ka tüüpide teooria, mis ütleb, et ained on sarnased mõne anorgaanilisega ja neid on võimalik saada vesinikuaatomite asendamisega struktuuris.
1861 A. M. Butlerov sünteesis formaliinist suhkrurikka aine. Samuti sõnastas ta orgaaniliste ühendite keemilise struktuuri teooria sätted, mis on aktuaalsed tänapäevani.

Kõik need avastused määrasid orgaanilise keemia teema – süsinik ja selle ühendid. Edasised avastused olid suunatud orgaanilise aine keemiliste reaktsioonide mehhanismide uurimisele, interaktsioonide elektroonilise olemuse kindlakstegemisele ja ühendite struktuuri uurimisele.

XIX ja XX sajandi teine pool - ülemaailmsete keemiliste avastuste aeg

Orgaanilise keemia arengulugu on aja jooksul läbi teinud üha suuremaid muutusi. Paljude teadlaste töö molekulides, reaktsioonides ja süsteemides toimuvate sisemiste protsesside mehhanismide alal on andnud viljakaid tulemusi. Nii töötas Friedrich Kekule 1857. aastal välja valentsiteooria. Ta kuulub ka suurimate teenete hulka - benseeni molekuli struktuuri avastamine. Samal ajal sõnastas A. M. Butlerov ühendite struktuuri teooria sätted, milles ta osutas süsiniku neljavalentsusele ning isomeeria ja isomeeride olemasolu nähtusele.

V. V. Markovnikov ja A. M. Zaitsev süvenevad orgaanilise aine reaktsioonide mehhanismide uurimisse ning sõnastavad rea reegleid, mis neid mehhanisme selgitavad ja kinnitavad. Aastatel 1873-1875. I. Wislicenus, van't Hoff ja Le Bel uurivad aatomite ruumilist paigutust molekulides, avastavad stereoisomeeride olemasolu ja saavad terve teaduse – stereokeemia – rajajateks. Trobikond erinevad inimesed võtsid osa tänaseks olemasoleva orgaanikavaldkonna loomisest. Seetõttu väärivad orgaanilise keemia teadlased tähelepanu.

19. ja 20. sajandi lõpp oli ülemaailmsete avastuste aeg farmaatsiatööstuses, värvi- ja lakitööstuses ning kvantkeemias. Mõelge avastustele, mis pakkusid maksimaalne väärtus orgaaniline keemia.

1881 M. Conrad ja M. Gudzeit sünteesisid anesteetikumid, veronaali ja salitsüülhapet.
1883 sai L. Knorr antipüriini.
1884 F. Stoll sai püramidooni.
1869 Vennad Hyattid said esimese tehiskiu.
1884 D. Eastman sünteesis tselluloidist fotofilmi.
1890 L. Saadi Depassy vask-ammooniumkiud.
1891 Ch. Cross ja tema kolleegid said viskoosi.
1897 F. Miescher ja Buchner panid aluse teooriale (avastati rakuvaba kääritamine ja ensüümid biokatalüsaatoritena).
1897 F. Misher avastas nukleiinhapped.
20. sajandi algus – uus organoelementühendite keemia.
1917 Lewis avastas molekulide keemilise sideme elektroonilise olemuse.
1931 Hückel on keemia kvantmehhanismide rajaja.
1931-1933 Laimus Pauling põhjendab resonantsi teooriat ja hiljem paljastavad tema töötajad keemiliste reaktsioonide suundade olemuse.
1936 Nailon sünteesitud.
1930-1940 A. E. Arbuzov annab aluse fosfororgaaniliste ühendite väljatöötamisele, mis on aluseks plastide, ravimite ja insektitsiidide tootmisele.
1960 Akadeemik Nesmejanov ja tema õpilased loovad laboris esimese sünteetilise toidu.
1963 Du Vigne saab insuliini, mis on tohutu edusamm meditsiinis.
1968. aastal õnnestus India H. G. Koranal hankida lihtne geen, mis aitas dešifreerida geneetilist koodi.

Seega on orgaanilise keemia tähtsus inimeste elus lihtsalt kolossaalne. Plastid, polümeerid, kiud, värvid ja lakid, kummid, kummid, PVC materjalid, polüpropüleenid ja polüetüleenid ning paljud teised kaasaegsed ained, ilma milleta on tänapäeval lihtsalt võimatu ette kujutada. võimalik elu on jõudnud nende avastamiseni pika tee. Sajad teadlased on panustanud aastatepikkuse vaevarikka tööga, et kujundada ühine orgaanilise keemia arengulugu.

Kaasaegne orgaaniliste ühendite süsteem

Olles läbinud pika ja raske arengutee, ei seisa orgaaniline keemia tänapäeval paigal. Teada on üle 10 miljoni ühendi ja see arv kasvab iga aastaga. Seetõttu on ainete paigutusel teatud süstematiseeritud struktuur, mille orgaaniline keemia meile annab. Orgaaniliste ühendite klassifikatsioon on toodud tabelis.

Ühendusklass	Struktuursed omadused	Üldvalem
Süsivesinikud (koosnevad ainult süsiniku ja vesiniku aatomitest)	küllastunud (ainult sigma St.); küllastumata (sigma ja pi St.); atsükliline; tsükliline.	Alkaanid C n H 2n+2; Alkeenid, tsükloalkaanid C n H 2n; Alküünid, alkadieenid C n H 2n-2; Areenid C 6 H 2n-6.
Põhirühmas erinevaid heteroaatomeid sisaldavad ained	halogeenid; OH-rühm (alkoholid ja fenoolid); R-O-R rühmitamine
Karbonüülühendid	aldehüüdid; ketoonid; kinoonid.	R-C(H)=O
Karboksüülrühma sisaldavad ühendid	karboksüülhapped; estrid.
Ühendid, mis sisaldavad molekulis väävlit, lämmastikku või fosforit	Võib olla tsükliline või atsükliline	-
Organoelementide ühendid	Süsinik on seotud otse teise elemendiga, mitte vesinikuga	S-E
Metallorgaanilised ühendid	Süsinikühendatud metalliga	S-Mina
Heterotsüklilised ühendid	Struktuur põhineb tsüklil, mille koostises on heteroaatomid	-
looduslikud ained	Looduslikes ühendites leiduvad suured polümeerimolekulid	valgud, nukleiinhapped, aminohapped, alkaloidid jne.
Polümeerid	Suure molekulmassiga ained, mis põhinevad monomeerühikutel	n (-R-R-R-)

Erinevate ainete ja nendes toimuvate reaktsioonide uurimine on tänapäeval orgaanilise keemia teema.

Orgaaniliste ainete keemiliste sidemete tüübid

Kõiki ühendeid iseloomustavad elektronstaatilised interaktsioonid molekulides, mis orgaanilistes ainetes väljenduvad kovalentse polaarse ja kovalentse juuresolekul. mittepolaarsed sidemed. Metallorgaanilistes ühendites on võimalik nõrga ioonse interaktsiooni teke.

Tõuse vahele C-C interaktsioon kõik orgaanilised molekulid. Kovalentne polaarne interaktsioon on iseloomulik molekuli erinevatele mittemetallide aatomitele. Näiteks C-Hal, C-H, C-O, C-N, C-P, C-S. Need kõik on orgaanilise keemia sidemed, mis eksisteerivad ühendite moodustamiseks.

Orgaanilises aines sisalduvate ainete valemite sordid

Levinumaid valemeid, mis väljendavad ühendi kvantitatiivset koostist, nimetatakse empiirilisteks valemiteks. Sellised valemid on olemas iga anorgaanilise aine kohta. Kuid orgaanilistes ainetes valemite koostamisel seisid teadlased silmitsi paljude probleemidega. Esiteks ulatub paljude nende mass sadadesse ja isegi tuhandetesse. Nii tohutu aine jaoks on raske empiirilist valemit määrata. Seetõttu tekkis aja jooksul selline orgaanilise keemia haru nagu orgaaniline analüüs. Selle asutajateks peetakse teadlasi Liebig, Wehler, Gay-Lussac ja Berzelius. Just nemad koos A. M. Butlerovi töödega määrasid kindlaks isomeeride olemasolu - ained, millel on sama kvalitatiivne ja kvantitatiivne koostis, kuid mis erinevad molekulaarstruktuuri ja omaduste poolest. Sellepärast väljendatakse orgaaniliste ühendite struktuuri tänapäeval mitte empiirilise, vaid struktuurse täieliku või struktuurse lühendatud valemiga.

Need struktuurid on iseloomulikud ja eristav tunnus mis orgaanilisel keemial on. Valemid on kirjutatud keemilisi sidemeid tähistavate kriipsudega. näiteks butaani lühendatud struktuurivalem oleks CH3-CH2-CH2-CH3. Täielik struktuurivalem näitab kõiki molekulis esinevaid keemilisi sidemeid.

Samuti on võimalus orgaaniliste ühendite molekulaarvalemeid kirja panna. See näeb välja sama, mis anorgaanilises empiiriline. Näiteks butaani puhul on see: C 4 H 10. St molekulaarne valem annab aimu ainult ühendi kvalitatiivsest ja kvantitatiivsest koostisest. Struktuursed sidemed iseloomustavad molekulis olevaid sidemeid, mistõttu saab nende abil ennustada aine tulevasi omadusi ja keemilist käitumist. Need on omadused, mis orgaanilisel keemial on. Valemid on kirjutatud mis tahes kujul, igaüht neist peetakse õigeks.

Orgaanilise keemia reaktsioonide liigid

Orgaanilisel keemial on teatud klassifikatsioon toimuvate reaktsioonide tüübi järgi. Lisaks on selliseid klassifikatsioone vastavalt erinevatele kriteeriumidele mitu. Vaatleme peamisi.

Keemiliste reaktsioonide mehhanismid sidemete purustamise ja moodustamise meetodite järgi:

homolüütiline või radikaalne;
heterolüütiline või ioonne.

Reaktsioonid teisendustüüpide kaupa:

ahelradikaal;
nukleofiilne alifaatne asendus;
nukleofiilne aromaatne asendus;
eliminatsioonireaktsioonid;
elektrofiilne liitmine;
kondenseerumine;
tsüklistamine;
elektrofiilne asendus;
ümberkorraldusreaktsioonid.

Reaktsiooni käivitamise (initsiatsiooni) meetodi ja kineetilise järjekorra järgi klassifitseeritakse mõnikord ka reaktsioone. Need on orgaanilise keemia reaktsioonide põhijooned. Teooria, mis kirjeldab igaühe kulgu üksikasju keemiline reaktsioon, avastati 20. sajandi keskel ning seda kinnitatakse ja täiendatakse siiani iga uue avastuse ja sünteesiga.

Tuleb märkida, et üldiselt toimuvad reaktsioonid orgaanilises aines raskemates tingimustes kui anorgaanilises keemias. Selle põhjuseks on orgaaniliste ühendite molekulide suurem stabiliseerumine, mis on tingitud molekulisiseste ja molekulidevaheliste tugevate sidemete moodustumisest. Seetõttu ei toimu peaaegu ükski reaktsioon ilma temperatuuri, rõhu tõusu või katalüsaatori kasutamiseta.

Orgaanilise keemia kaasaegne määratlus

Üldiselt kulges orgaanilise keemia areng intensiivset rada mitme sajandi jooksul. Kogunenud suur summa teave ainete, nende struktuuride ja reaktsioonide kohta, millesse nad võivad siseneda. Sünteesitud on miljoneid kasulikke ja lihtsalt vajalikke tooraineid, mida on kõige rohkem kasutatud erinevaid valdkondi teadus, tehnoloogia ja tööstus. Orgaanilise keemia kontseptsiooni tajutakse tänapäeval kui midagi suurejoonelist ja suurt, arvukat ja keerulist, mitmekesist ja märkimisväärset.

Kunagi oli selle suure keemiaharu esimene määratlus Berzeliuse poolt: see on keemia, mis uurib organismidest eraldatud aineid. Sellest hetkest on möödunud palju aega, tehtud palju avastusi ja suur hulk intrakeemiliste protsesside mehhanismid. Selle tulemusena on tänapäeval orgaanilise keemia mõiste erinev. Selle määratlus on antud järgmiselt: see on süsiniku ja kõigi selle ühendite keemia, samuti nende sünteesimeetodid.

Orgaaniline keemia on teadus, mis uurib süsinikuühendeid nnorgaanilised ained. Sellega seoses nimetatakse ka orgaanilist keemiat süsinikuühendite keemia.

Olulisemad põhjused orgaanilise keemia eraldamiseks omaette teaduseks on järgmised.

1. Arvukad orgaanilised ühendid võrreldes anorgaanilistega.

Teadaolevate orgaaniliste ühendite arv (umbes 6 miljonit) ületab oluliselt kõigi teiste elementide ühendite arvu perioodiline süsteem Mendelejev. Praegu on teada umbes 700 000 anorgaanilist ühendit ja nüüd saadakse aastaga ligikaudu 150 000 uut orgaanilist ühendit. Seda ei seleta mitte ainult asjaolu, et keemikud tegelevad eriti intensiivselt orgaaniliste ühendite sünteesi ja uurimisega, vaid ka elemendi süsiniku erilise võimega anda ühendeid, mis sisaldavad peaaegu piiramatul hulgal ahelates ja tsüklites seotud süsinikuaatomeid.

2. Orgaanilised ained on erakordse tähtsusega nii nende äärmiselt mitmekülgse praktilise kasutuse tõttu kui ka seetõttu, et neil on ülioluline roll organismide eluprotsessides.

3. Orgaaniliste ühendite omadustes ja reaktsioonivõimes on olulisi erinevusi anorgaanilistest, sellest tulenevalt tekkis vajadus paljude spetsiifiliste meetodite väljatöötamiseks orgaaniliste ühendite uurimiseks.

Orgaanilise keemia õppeaine on olulisemate orgaaniliste ühendite klasside valmistamise, koostise, struktuuri ja rakenduste meetodite uurimine.

2. Lühiajalooline ülevaade orgaanilise keemia arengust

Orgaaniline keemia kui teadus kujunes 19. sajandi alguses, kuid inimese tutvus orgaaniliste ainetega ja nende praktilise kasutamisega sai alguse iidsetest aegadest. Esimene teadaolev hape oli äädikas ehk äädikhappe vesilahus. Muistsed rahvad teadsid viinamarjamahla kääritamist, nad teadsid primitiivset destilleerimismeetodit ja kasutasid seda tärpentiini saamiseks; Gallid ja sakslased oskasid seepi keeta; Egiptuses, Gallias ja Saksamaal osati õlut pruulida.

Indias, Foiniikias ja Egiptuses oli orgaaniliste ainete abil värvimise kunst kõrgelt arenenud. Lisaks kasutasid iidsed rahvad selliseid orgaanilisi aineid nagu õlid, rasvad, suhkur, tärklis, kummi, vaigud, indigo jne.

Arenguperiood keemilised teadmised keskajal (umbes 16. sajandini) nimetati alkeemia perioodiks. Anorgaaniliste ainete uurimine oli aga palju edukam kui orgaaniliste ainete uurimine. Viimaste kohta on teave jäänud peaaegu sama piiratuks kui iidsematel aegadel. Teatavaid edusamme on tehtud destilleerimismeetodite täiustamise kaudu. Nii eraldati eelkõige mitu eeterlikku õli ja saadi kange veinialkohol, mida peeti üheks aineks, millega saab filosoofikivi valmistada.

18. sajandi lõpp iseloomustas märkimisväärseid edusamme orgaaniliste ainete uurimisel ja orgaanilisi aineid hakati uurima puhtalt teaduslik punkt nägemus. Sel perioodil eraldati taimedest ja kirjeldati mitmeid tähtsamaid orgaanilisi happeid (oksaal-, sidrun-, õun-, gallus) ning leiti, et õlid ja rasvad sisaldavad ühise komponendina “õlide magusat algust”. (glütseriin) jne.

Järk-järgult hakati välja töötama orgaaniliste ainete - loomsete organismide elutähtsa aktiivsuse produktide - uuringuid. Näiteks inimese uriinist eraldati uurea ja kusihape ning lehmade ja hobuste uriinist hippuurhape.

Olulise faktilise materjali kuhjumine andis tugeva tõuke orgaanilise aine sügavamale uurimisele.

Orgaaniliste ainete ja orgaanilise keemia mõisted võttis esmakordselt kasutusele Rootsi teadlane Berzelius (1827). Mitmeid trükke läbinud keemiaõpikus väljendab Berzelius veendumust, et "eluslooduses alluvad elemendid teistsugustele seadustele kui elutus" ning et orgaanilised ained ei saa tekkida tavaliste füüsikaliste ja keemilised jõud, kuid nõuavad oma hariduse jaoks erilist " elujõud". Ta defineeris orgaanilist keemiat kui "taimsete ja loomsete ainete või elujõu mõjul tekkinud ainete keemiat". Orgaanilise keemia hilisem areng tõestas nende seisukohtade ekslikkust.

1828. aastal näitas Wöhler, et anorgaaniline aine – ammooniumtsüanaat – muutub kuumutamisel loomse organismi jääkproduktiks – uureaks.

1845. aastal sünteesis Kolbe tüüpilise orgaanilise aine – äädikhappe, kasutades lähteainetena sütt, väävlit, kloori ja vett. Suhteliselt lühikese aja jooksul sünteesiti mitmeid teisi orgaanilisi happeid, mida varem oli eraldatud ainult taimedest.

1854. aastal õnnestus Berthelot’l sünteesida rasvade klassi kuuluvaid aineid.

1861. aastal sünteesis A. M. Butlerov lubjavee mõjul paraformaldehüüdile esimest korda metüleenitaani, suhkrute klassi kuuluvat ainet, mis teatavasti mängib olulist rolli inimkeha elutähtsates protsessides. organismid.

Kõik need teaduslikud avastused viis vitalismi – idealistliku doktriini "elujõust" - kokkuvarisemiseni.

Kõigist sortidest keemilised ühendid enamik(üle nelja miljoni) sisaldab süsinikku. Peaaegu kõik need on orgaanilised. Looduses leidub orgaanilisi ühendeid, nagu süsivesikud, valgud, vitamiinid, neil on oluline roll loomade ja taimede elus. Paljud orgaanilised ained ja nende segud (plast, kumm, õli, maagaas ja teised) omavad suurt tähtsust riigi rahvamajanduse arengule.

Süsinikuühendite keemiat nimetatakse orgaaniliseks keemiaks. Nii räägib suur vene orgaaniline keemik A.M. Butlerov. Siiski ei klassifitseerita tavaliselt kõiki süsinikuühendeid orgaanilisteks. Sellised lihtsad ained nagu süsinikmonooksiid (II) CO, süsinikdioksiid CO2, süsihape H2CO3 ja selle soolad, näiteks CaCO3, K2CO3, klassifitseeritakse järgmiselt. anorgaanilised ühendid. Orgaaniliste ainete koostis võib lisaks süsinikule sisaldada ka muid elemente. Levinumad on vesinik, halogeenid, hapnik, lämmastik, väävel ja fosfor. Samuti on orgaanilisi aineid, mis sisaldavad muid elemente, sealhulgas metalle.

2. Süsinikuaatomi (C) ehitus, selle elektronkihi ehitus

2.1 Süsinikuaatomi (C) väärtus orgaaniliste ühendite keemilises struktuuris

CARBON (lat. Carboneum), C, keemiline element perioodilisuse süsteemi IVa alarühmad; aatomnumber 6, aatommass 12.0107, viitab mittemetallidele. Looduslik süsinik koosneb kahest stabiilsest nukliidist - 12C (98,892% massist) ja 13C (1,108%) ning ühest ebastabiilsest - C, mille poolestusaeg on 5730 aastat.

levik looduses. Süsinik moodustab 0,48 massiprotsenti maakoor, milles see on sisu poolest muude elementide seas 17. kohal. Peamised süsinikku sisaldavad kivimid on looduslikud karbonaadid (lubjakivid ja dolomiidid); süsiniku hulk neis on umbes 9,610 tonni.

Vabas olekus süsinik esineb looduses fossiilkütuste, aga ka mineraalide - teemandi ja grafiidi kujul. Umbes 1013 tonni süsinikku on koondunud fossiilkütustesse nagu kivisüsi ja pruunsüsi, turvas, põlevkivi, bituumen, mis moodustavad võimsaid kogumeid Maa soolestikus, aga ka looduslikes põlevgaasides. Teemandid on äärmiselt haruldased. Isegi teemantkivimid (kimberliitid) ei sisalda rohkem kui 9-10% teemante, mis reeglina kaaluvad mitte rohkem kui 0,4 g. Leitud suured teemandid tavaliselt antakse konkreetne nimi. aastal leiti suurim Cullinani teemant, mis kaalub 621,2 g (3106 karaati). Lõuna-Aafrika(Transvaal) 1905. aastal ja suurim Vene teemant "Orlov" kaaluga 37,92 g (190 karaati) - Siberis 17. sajandi keskel.

Must-hall läbipaistmatu, katsudes rasvane ja metallilise läikega grafiit on süsinikuaatomite lamedate polümeersete molekulide akumulatsioon, mis on lõdvalt üksteise peal. Sel juhul on kihi sees olevad aatomid omavahel tugevamalt seotud kui kihtidevahelised aatomid.

Teemant on teine asi. Selle värvitu, läbipaistva ja suure murdumisvõimega kristallis on iga süsinikuaatom seotud keemilised sidemed nelja samasuguse aatomiga, mis asuvad tetraeedri tippudes. Kõik sidemed on ühepikkused ja väga tugevad. Need moodustavad ruumis pideva kolmemõõtmelise raami. Kogu teemandikristall on justkui üks hiiglaslik polümeerimolekul, millel pole "nõrkasid" kohti, sest kõigi sidemete tugevus on sama.

Teemandi tihedus 20°C juures on 3,51 g/cm 3, grafiidil - 2,26 g/cm 3. Füüsilised omadused teemant (kõvadus, elektrijuhtivus, soojuspaisumistegur) on kõigis suundades peaaegu ühesugused; see on kõige kõvem kõigist looduses leiduvatest ainetest. Grafiidis on need omadused erinevates suundades - risti või paralleelselt süsinikuaatomite kihtidega - väga erinevad: väikeste külgjõududega grafiidi paralleelsed kihid nihkuvad üksteise suhtes ja see kihistub eraldi helvesteks, mis jätavad paberile jälje. . Oma elektriliste omaduste järgi on teemant dielektrik, grafiit aga juhib elektrit.

Teemant muutub ilma õhu juurdepääsuta kuumutamisel üle 1000 ° C grafiidiks. Grafiit ei muutu samadel tingimustel pideva kuumutamise korral temperatuurini 3000 ° C, kui see sublimeerub ilma sulamata. Grafiidi otsene üleminek teemandiks toimub ainult temperatuuril üle 3000°C ja tohutul rõhul – umbes 12 GPa.

Kolmandaks allotroopne modifikatsioon süsinik -karabiin - saadud kunstlikult. See on peenkristalliline must pulber; selle struktuuris on pikad süsinikuaatomite ahelad üksteisega paralleelsed. Iga kett on struktuuriga (-C=C) L või (=C=C=) L. Grafiidi ja teemandi vahelise karbiini keskmine tihedus on 2,68-3,30 g/cm 3 . Üks neist põhijooned karabiin - selle ühilduvus kangastega Inimkeha, mis võimaldab seda kasutada näiteks kunstliku valmistamisel veresooned(joonis 1).

Fullereenid ei saanud oma nime mitte keemiku, vaid Ameerika arhitekti R. Fulleri auks, kes tegi ettepaneku ehitada angaare ja muid kuplite kujulisi konstruktsioone, mille pinna moodustavad viisnurgad ja kuusnurgad (selline kuppel oli ehitatud näiteks Moskva Sokolniki parki).

Süsinikku iseloomustab ka korratu struktuuriga olek – see on nn. amorfne süsinik (tahm, koks, süsi) joon. 2. Süsiniku (C) saamine:

Enamik meid ümbritsevatest ainetest on orgaanilised ühendid. Need on loomade ja taimede kuded, meie toit, ravimid, riided (puuvill, vill ja sünteetilised kiud), kütused (nafta ja maagaas), kumm ja plast, pesuvahendid. Praegu on selliseid aineid teada rohkem kui 10 miljonit ja nende arv suureneb igal aastal märkimisväärselt, kuna teadlased isoleerivad tundmatuid aineid loodusobjektid ja luua uusi ühendeid, mida looduses ei eksisteeri.

Selline orgaaniliste ühendite mitmekesisus on seotud süsinikuaatomite ainulaadse omadusega moodustada tugevaid kovalentseid sidemeid nii omavahel kui ka teiste aatomitega. Süsinikuaatomid, mis ühenduvad üksteisega nii üksik- kui ka mitme sidemega, võivad moodustada peaaegu igasuguse pikkuse ja tsükliga ahelaid. Isomeeria nähtuse olemasoluga seostatakse ka väga erinevaid orgaanilisi ühendeid.

Peaaegu kõik orgaanilised ühendid sisaldavad ka vesinikku, sageli sisaldavad need hapniku, lämmastiku, harvemini väävli, fosfori, halogeenide aatomeid. Ühendid, mis sisaldavad mis tahes elementide aatomeid (välja arvatud O, N, S ja halogeenid), mis on otseselt seotud süsinikuga, rühmitatakse organoelementühendite nimetuse alla; selliste ühendite põhirühm on metallorgaanilised ühendid (joon. 3).

Suur hulk orgaanilisi ühendeid nõuab nende selget klassifikatsiooni. Orgaanilise ühendi aluseks on molekuli karkass. Skelett võib olla avatud (mittesuletud) struktuuriga, siis nimetatakse ühendit atsükliliseks (alifaatseks; alifaatilisi ühendeid nimetatakse ka rasvühenditeks, kuna need eraldati kõigepealt rasvadest) ja suletud struktuuriga, siis nimetatakse seda tsükliliseks. Skelett võib olla süsinik (koosneda ainult süsinikuaatomitest) või sisaldada muid aatomeid peale süsiniku – nn. heteroaatomid, enamasti hapnik, lämmastik ja väävel. Tsüklilised ühendid jagunevad karbotsüklilisteks (süsinik), mis võivad olla aromaatsed ja alitsüklilised (sisaldavad ühte või mitut tsüklit) ja heterotsüklilisteks.

Vesiniku- ja halogeeniaatomid ei sisaldu skeletis ning heteroaatomid sisalduvad skeletis ainult siis, kui neil on vähemalt kaks süsiniku sidet. Jah, sisse etüülalkohol CH3CH2OH hapnikuaatom ei sisaldu molekuli karkassis, kuid dimetüüleetris sisaldub CH3OCH3.

Lisaks võib atsükliline skelett olla hargnemata (kõik aatomid on paigutatud ühte ritta) ja hargnenud. Mõnikord nimetatakse hargnemata skeletti lineaarseks, kuid tuleb meeles pidada, et kõige sagedamini kasutatavad struktuurivalemid edastavad ainult sideme järjekorda, mitte aatomite tegelikku paigutust. Seega on "lineaarne" süsinikkett siksakilise kujuga ja võib ruumis mitmel viisil keerduda.

Molekuli skeletis on nelja tüüpi süsinikuaatomeid. Süsinikuaatomit nimetatakse primaarseks, kui see moodustab ainult ühe sideme teise süsinikuaatomiga. Sekundaarne aatom on seotud kahe teise süsinikuaatomiga, tertsiaarne on seotud kolmega ja kvaternaarne kasutab süsinikuaatomitega sidemete moodustamiseks kõiki oma nelja sidet.

Järgmine klassifitseerimistunnus on mitme sideme olemasolu. Orgaanilisi ühendeid, mis sisaldavad ainult lihtsidemeid, nimetatakse küllastunud (piiravateks). Topelt- või kolmiksidemeid sisaldavaid ühendeid nimetatakse küllastumata (küllastumata). Nende molekulides on üks süsinikuaatom väiksem arv vesinikuaatomit kui piirnorm. Benseeni seeria tsüklilised küllastumata süsivesinikud eraldatakse eraldi aromaatsete ühendite klassi.

Kolmas klassifitseerimistunnus on funktsionaalsete rühmade olemasolu - aatomirühmad, mis on sellele ühendite klassile iseloomulikud ja määravad selle keemilised omadused. Funktsionaalrühmade arvu järgi jagunevad orgaanilised ühendid monofunktsionaalseteks - sisaldavad ühte funktsionaalset rühma, polüfunktsionaalseteks - sisaldavad mitut funktsionaalrühma, näiteks glütserooli ja heterofunktsionaalseteks - ühes molekulis mitut erinevat rühma, näiteks aminohappeid.

Sõltuvalt sellest, millisel süsinikuaatomil on funktsionaalrühm, jagatakse ühendid primaarseteks, näiteks etüülkloriidiks CH 3 CH 2 C1, sekundaarseks - isopropüülkloriidiks (CH3) 2CHC1 ja tertsiaarseks - butüülkloriidiks (CH 8) 8 CCl.

Orgaaniline keemia on teadus, mis uurib süsiniku ühendeid teiste elementidega, mida nimetatakse orgaanilisteks ühenditeks, ja nende muundumise seadusi. Nimi "orgaaniline keemia" pärineb aastast varajases staadiumis teaduse areng, kui uuritav teema piirdus taimse ja loomse päritoluga süsinikuühenditega. Kõiki süsinikuühendeid ei saa nimetada orgaanilisteks. Näiteks CO 2 , HCN, CS 2 klassifitseeritakse traditsiooniliselt anorgaanilisteks. Tavapäraselt võime eeldada, et orgaaniliste ühendite prototüübiks on metaan CH 4 .

Tänaseks ületab teadaolevate orgaaniliste ainete arv 10 miljonit ja kasvab igal aastal 200-300 tuhande võrra.Nende ühendite mitmekesisuse määrab ainulaadne võime süsinikuaatomid ühenduvad üksteisega liht- ja mitmiksidemetega, moodustavad ühendeid praktiliselt piiramatu arvu aatomitega, mis on ühendatud ahelates, tsüklites, raamistikes jne, moodustavad tugevad sidemed peaaegu kõigi perioodilise süsteemi elementidega, samuti nähtus isomeeria - koostiselt identsete, kuid struktuurilt ja omadustelt erinevate ainete olemasolu.

Suur hulk orgaanilisi ühendeid määrab org väärtuse. keemia kui kaasaegse keemia suurim haru. Maailm meie ümber on üles ehitatud peamiselt org-ist. ühendused; toit, kütus, riided, ravimid, värvid, pesuvahendid, materjalid, ilma milleta on võimatu luua transporti, trükkimist, kosmosesse tungimist jne. Olulisim roll org. ühendid mängivad eluprotsessides. Molekulide suuruse järgi org. ained jagunevad madala molekulmassiga (moolmassiga mitukümmend kuni mitusada, harva kuni tuhat) ja suure molekulmassiga (makromolekulaarsed; molaarmassiga suurusjärgus 10 4 -10 6 ja rohkem).

Orgaaniline keemia ei uuri mitte ainult taime- ja loomorganismidest saadud ühendeid, vaid peamiselt laboratoorse või tööstusliku orgaanilise sünteesi abil kunstlikult loodud ühendeid. Veelgi enam, uurimisobjektid arvuti org. 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, kuid millel on tasase ruudu kuju) .

Ajaloo viide

Orgaanilise keemia päritolu ulatub iidsetesse aegadesse (nad teadsid juba alkohoolset ja äädikhapet kääritamist, indigo ja alisariiniga värvimist). Keskajal (alkeemia perioodil) oli aga üksikuid org. ained. Kõik selle perioodi uuringud taandusid peamiselt operatsioonidele, mille abil, nagu tollal arvati, üksi lihtsad ained saab muuta teisteks. Alates kuueteistkümnendast sajandist (iatrokeemia periood) uuringud olid peamiselt suunatud erinevate ravimainete eraldamisele ja kasutamisele: taimedest eraldati hulk eeterlikke õlisid, valmistati dietüüleetrit, puidu kuivdestilleerimisel saadi puidu(metüül)alkoholi ja äädikhapet, viinhape saadi viinakivist, destilleerimisel pliisuhkur - äädikhape, merevaigu destilleerimine - merevaikhape.

Taimse ja loomse päritoluga keemiliste ühendite liitmine üheks kemikaaliks. teaduse org. keemiat viis läbi J. Berzelius, kes võttis kasutusele termini enda ja orgaanilise aine mõiste, viimase teke on Berzeliuse arvates võimalik ainult elusorganismis "elujõu" olemasolul.

Selle väärarusaama lükkasid ümber F. Wöhler (1828), kes sai karbamiidi (orgaaniline aine) ammooniumtsüanaadist (anorgaaniline aine), A. Kolbe, kes sünteesis äädikhapet, M. Berthelot, kes sai metaani H 2 S-st ja CS 2-st. , A. M. Butlerov, kes sünteesis formaliinist suhkrurikkaid aineid. Esimesel korrusel 19. sajand koguti ulatuslik katsematerjal ja tehti esimesed üldistused, mis määrasid org kiire arengu. keemia: välja töötatud analüüsimeetodid org. ühendid (Berzelius, J. Liebig, J. Dumas, M. Chevreul), radikaalide teooria (Wohler, J. Gay-Lussac, Liebig, Dumas) loodi aatomirühmadena, mis lähevad muutumatul kujul algmolekulist lõppu. molekul reaktsiooni ajal; tüübiteooria (C. Gerard, 1853), milles org. anorgaanilistest ainetest konstrueeriti ühendeid – "tüüpe", asendades neis olevad aatomid org-ga. killud; võeti kasutusele isomeeria mõiste (Berzelius).

Samal ajal jätkub sünteesi intensiivne arendamine. Esimene tööstuslik tootmine orgaanilised ühendid (A. Hoffman, W. Perkin Sr. - sünteetilised värvained: movein, fuchsin, tsüaniin ja asovärvid). N. N. Zinini (1842) avastatud aniliini sünteesi meetodi täiustamine oli aniliinivärvitööstuse loomise aluseks.

Idee lahutamatust sidemest keemia vahel. ja füüsiline molekuli omadused koos selle struktuuriga, väljendas idee selle struktuuri ainulaadsusest esmakordselt Butlerov (1861), kes lõi klassikaline teooria chem. struktuurid (molekulides olevad aatomid on omavahel seotud vastavalt nende valentsidele, ühendi keemilised ja füüsikalised omadused on määratud nende koostisesse kuuluvate aatomite olemuse ja arvuga, samuti sidemete tüübiga ja otseselt sidumata aatomite vastastikuse mõjuga). Keemia teooria. struktuur määras orgaanilise keemia edasise kiire arengu: 1865. aastal pakkus Kekule välja benseeni valemi ja väljendas hiljem sidemete võnkumiste ideed; V.V. Markovnikov ja A.M. Zaitsev sõnastas rea reegleid, mis esimest korda ühendasid keemia suuna. reaktsioonid keemiaga. reagendi struktuur.

Bayeri, K. Laari, L. Claiseni, L. Knorri tööd arendasid ideid selle kohta tautomeeria - mobiilne isomeeria. Kõik need teoreetilised ideed aitasid kaasa sünteetilise keemia võimsale arengule. To con. 19. sajand saadi kõik olulisemad süsivesinike, alkoholide, aldehüüdide ja ketoonide, karboksüülhapete, halogeen- ja nitroderivaatide, lämmastikku ja väävlit sisaldavate struktuuride, aromaatsete heterotsüklite esindajad. Töötati välja meetodid dieenide, atsetüleenide ja alleenide saamiseks (A.E. Favorsky). On avastatud arvukalt kondensatsioonireaktsioone (Sch. Wurtz, A. P. Borodin, W. Perkin, Claisen, A. Michael, S. Friedel, J. Crafts, E. Knoevenagel jt). Erakordse edu saavutas EG Fisher süsivesikute, valkude ja puriinide uurimisel, ensüümide kasutamisel org. süntees (1894), viis ta läbi ka polüpeptiidide sünteesi. O. Wallachi töö terpeenide keemiast sai lõhnaainete tööstuse aluseks. Isegi meie aja kohta on silmapaistvad R. Wilstetteri teedrajavad tööd. Fundamentaalne panus org. sünteesi tutvustasid V. Grignard (1900-20) ja N.D. Zelinsky (1910) - erakordselt viljaka meetodi loomine magneesiumorgaaniliste ühendite sünteesiks ja süsivesinike katalüütiliste muundumiste avastamiseks; viimane mängis naftakeemia 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.

Orgaaniliste ühendite struktuur

Orgaanilisi ühendeid iseloomustavad mittepolaarsed kovalentsed C-C sidemed ja polaarsed kovalentsed sidemed. C-O ühendused, C-N, C-Hal, C-metall jne. Kovalentsete sidemete teket selgitati G. Lewise ja W. Kosseli (1916) poolt välja töötatud eelduste põhjal umbes oluline roll elektroonilised koosseisud– oktetid ja dubletid. Molekul on stabiilne, kui selliste elementide nagu C, N, O, Hal valentskiht sisaldab 8 elektroni (okteti reegel) ja vesiniku valentskiht sisaldab 2 elektroni. Chem. side moodustub erinevate aatomite sotsialiseeritud elektronide paarist (lihtside). Topelt- ja kolmiksidemed moodustuvad vastava kahe ja kolme sellise paari abil. Elektronegatiivsed aatomid (F, O, N) ei kasuta süsinikuga sidumiseks kõiki oma valentselektrone; "kasutamata" elektronid moodustavad jagamata (vabad) elektronide paare. Kovalentsete sidemete polaarsus ja polariseeritavus org. ühendid Lewise elektroonika teoorias - Kossel on seletatav elektronpaaride nihkega vähem elektronegatiivselt aatomilt rohkem elektronegatiivsele aatomile, mis väljendub induktiivses efektis ja mesomeerses efektis.

Klassikaline keemiateooria. struktuure ja algselt elektroonilisi esitusi ei olnud võimalik keeleliselt rahuldavalt kirjeldada struktuurivalemid paljude ühendite struktuur, näiteks aromaatsed. Kaasaegne teooria side org. ühendid põhineb peamiselt orbitaalide kontseptsioonil ja kasutab molekulaarorbitaalide meetodeid. Intensiivselt arenevad kvantkeemilised meetodid, mille objektiivsuse määrab asjaolu, et need põhinevad aparaadil. kvantmehaanika, ainus, mis sobib mikromaailma nähtuste uurimiseks.

Orgaaniliste ühendite tekkimine

Enamik orgaanilisi ühendeid looduses moodustub fotosünteesi käigus süsinikdioksiidist ja veest päikesekiirgus imendub rohelistes taimedes klorofülli poolt. Samas org. ühendid pidid eksisteerima Maal juba enne elu tekkimist, mis ilma nendeta poleks saanud tekkida. Esmane maapealne atmosfäär oli umbes 2 miljardit aastat tagasi taastavad omadused, kuna see ei sisaldanud hapnikku, kuid sisaldas peamiselt vesinikku ja vett, samuti CO, lämmastikku, ammoniaaki ja metaani.

Tugevates tingimustes radioaktiivne kiirgus maapealsed mineraalid ja intensiivsed atmosfääriheitmed atmosfääris, aminohapete abiootiline süntees toimus vastavalt skeemile:

CH 4 + H 2 O + NH 3 → Aminohapped

Sellise reaktsiooni võimalikkust on nüüdseks tõestanud laborikatsed.