Orgaanilise keemia põhimõisted. Orgaaniline keemia
Kui olete ülikooli astunud, kuid pole selleks ajaks sellest keerulisest teadusest aru saanud, oleme valmis teile avaldama mõned saladused ja aitama teil õppida orgaanilist keemiat nullist (mannekeenide jaoks). Kõik, mida pead tegema, on lugeda ja kuulata.
Orgaanilise keemia alused
Orgaanilist keemiat eristatakse omaette alatüübina seetõttu, et selle uurimisobjektiks on kõik, mis sisaldab süsinikku.
Orgaaniline keemia on keemia haru, mis tegeleb süsinikuühendite, nende ühendite struktuuri, omaduste ja liitumisviiside uurimisega.
Nagu selgus, moodustab süsinik kõige sagedamini ühendeid järgmiste elementidega - H, N, O, S, P. Muide, neid elemente nimetatakse nn. organogeenid.
Orgaanilised ühendid, mille arv ulatub tänapäeval 20 miljonini, on kõigi elusorganismide täielikuks eksisteerimiseks väga olulised. Samas ei kahelnud selles keegi, muidu oleks inimene selle tundmatu uuringu lihtsalt tahaplaanile visanud.
Orgaanilise keemia eesmärgid, meetodid ja teoreetilised kontseptsioonid on esitatud järgmiselt:
- Fossiilsete, loomsete või taimsete materjalide eraldamine üksikuteks aineteks;
- Erinevate ühendite puhastamine ja süntees;
- Ainete struktuuri tuvastamine;
- Keemiliste reaktsioonide mehaanika määramine;
- Struktuuri ja omaduste vahelise seose leidmine orgaaniline aine.
Natuke orgaanilise keemia ajalugu
Te ei pruugi seda uskuda, kuid juba iidsetel aegadel said Rooma ja Egiptuse elanikud keemiast midagi aru.
Nagu me teame, kasutasid nad looduslikke värvaineid. Ja sageli pidid nad kasutama mitte valmis looduslikku värvainet, vaid ekstraheerima selle, eraldades selle tervest taimest (näiteks taimedes sisalduv alisariin ja indigo).
Samuti võime meenutada alkoholi joomise kultuuri. Alkohoolsete jookide valmistamise saladusi teavad kõik rahvad. Pealegi teadsid paljud iidsed rahvad retsepte tärklist ja suhkrut sisaldavatest toodetest “kuuma vee” valmistamiseks.
See kestis palju-palju aastaid ning alles 16. ja 17. sajandil algasid muutused ja väikesed avastused.
18. sajandil õppis teatud Scheele õun-, viin-, oksaal-, piim-, gallus- ja sidrunhapet isoleerima.
Siis sai kõigile selgeks, et taimsest või loomsest toorainest eraldatud toodetel on palju ühiseid jooni. Samas olid need väga erinevad anorgaanilised ühendid. Seetõttu oli teaduse teenijatel vaja nad kiiresti eraldada eraldi klassiks ja nii tekkis termin "orgaaniline keemia".
Hoolimata asjaolust, et orgaaniline keemia ise ilmus teadusena alles 1828. aastal (just siis suutis hr Wöhler ammooniumtsüanaadi aurustamise teel karbamiidi eraldada), võttis Berzelius 1807. aastal mannekeenide orgaanilise keemia nomenklatuuri esimese termini:
Keemia haru, mis uurib organismidest saadud aineid.
Edasi oluline samm orgaanilise keemia arendamisel - valentsusteooria, mille pakkusid välja 1857. aastal Kekule ja Cooper, ning hr Butlerovi keemilise struktuuri teooria alates 1861. aastast. Juba siis hakkasid teadlased avastama, et süsinik on neljavalentne ja võimeline moodustama ahelaid.
Üldiselt on sellest ajast peale teadus regulaarselt kogenud šokke ja põnevust tänu uutele teooriatele, ahelate ja ühendite avastustele, mis võimaldasid orgaanilist keemiat aktiivselt arendada.
Teadus ise tekkis tänu sellele, et teaduse ja tehnika areng ei suutnud paigal seista. Ta jätkas ja nõudis uusi lahendusi. Ja kui tööstuses polnud enam piisavalt kivisöetõrva, tuli inimestel lihtsalt luua uus orgaaniline süntees, mis aja jooksul kasvas välja uskumatult olulise aine avastamiseks, mis on tänaseni kullast kallim – nafta. Muide, tänu orgaanilisele keemiale sündis selle "tütar" - alamteadus, mida nimetati "naftakeemiaks".
Kuid see on täiesti erinev lugu, mida saate ise uurida. Järgmisena kutsume teid vaatama populaarteaduslikku videot mannekeenide orgaanilise keemia kohta:
Noh, kui teil pole aega ja vajate kiiresti abi professionaalid, teate alati, kust neid leida.
Erinevatest keemilistest ühenditest sisaldab enamik (üle nelja miljoni) süsinikku. Peaaegu kõik need on orgaanilised ained. Looduses leidub orgaanilisi ühendeid, nagu süsivesikuid, valke, vitamiine, ning neil on oluline roll loomade ja taimede elus. Paljud orgaanilised ained ja nende segud (plast, kumm, õli, maagaas ja teised) on arengu jaoks väga olulised Rahvamajandus riigid.
Süsinikuühendite keemiat nimetatakse orgaaniliseks keemiaks. Nii defineeris orgaanilise keemia teemat suur vene orgaaniline keemik A.M. Butlerov. Siiski ei peeta kõiki süsinikuühendeid orgaaniliseks. Sellised lihtsad ained nagu süsinikmonooksiid (II) CO, süsinikdioksiid CO2, süsihape H2CO3 ja selle soolad, näiteks CaCO3, K2CO3, klassifitseeritakse anorgaanilisteks ühenditeks. Orgaanilised ained võivad sisaldada peale süsiniku 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 elektronkesta ehitus
2.1 Süsinikuaatomi (C) tähtsus orgaaniliste ühendite keemilises struktuuris
CARBON (lat. Carboneum), C, perioodilisustabeli IVa alarühma keemiline element; aatomnumber 6, aatommass 12,0107, kuulub mittemetallide hulka. Looduslik süsinik koosneb kahest stabiilsest nukliidist - 12C (98,892% massist) ja 13C (1,108%) ning ühest ebastabiilsest - C, mille poolestusaeg on 5730 aastat.
Levimus looduses. Süsinik moodustab 0,48 massiprotsenti maakoor, milles on sisu poolest muude elementide seas 17. kohal. Peamised süsinikku sisaldavad kivimid on looduslikud karbonaadid (lubjakivid ja dolomiidid); süsiniku hulk neis on umbes 9610 tonni.
Vabas olekus leidub süsinikku looduses fossiilkütuste, aga ka mineraalide – teemandi ja grafiidi – kujul. Umbes 1013 tonni süsinikku on kontsentreeritud sellistesse põlevatesse mineraalidesse nagu kivisüsi ja pruunsüsi, turvas, põlevkivi, bituumen, mis moodustavad võimsaid kogumeid Maa soolestikus, aga ka looduslikes põlevgaasides. Teemandid on äärmiselt haruldased. Isegi teemante kandvad kivimid (kimberliitid) ei sisalda rohkem kui 9-10% teemante, mis ei kaalu reeglina üle 0,4 g.Leitud suurtele teemantidele antakse tavaliselt eriline nimi. Suurim teemant "Cullinan" kaaluga 621,2 g (3106 karaati) leiti 1905. aastal Lõuna-Aafrikast (Transvaalist) ja suurim Vene teemant "Orlov" kaaluga 37,92 g (190 karaati) leiti 17. sajandi keskel Siberist.
Musthall, läbipaistmatu, katsudes rasvane metallilise läikega, grafiit on süsinikuaatomitest koosnev lamedate polümeermolekulide kogum, 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 väga murduva kristalli iga süsinikuaatom on keemiliste sidemetega seotud nelja sarnase aatomiga, mis asuvad tetraeedri tippudes. Kõik sidemed on ühepikkused ja väga tugevad. Need moodustavad ruumis pideva kolmemõõtmelise raami. Kogu teemandikristall on nagu üks hiiglaslik polümeerimolekul, millel pole “nõrkasid” kohti, sest kõigi sidemete tugevus on sama.
Teemandi tihedus 20°C juures on 3,51 g/cm3, grafiidil - 2,26 g/cm3. Teemandi füüsikalised omadused (kõvadus, elektrijuhtivus, soojuspaisumistegur) on kõikides 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 külgjõudude mõjul nihkuvad grafiidi paralleelsed kihid üksteise suhtes ja see kihistub eraldi helvesteks, jättes paberile jälje. Elektriliste omaduste poolest on teemant dielektrik, grafiit aga juhib elektrivoolu.
Kuumutamisel ilma õhu juurdepääsuta üle 1000 °C muutub teemant grafiidiks. Pidevalt samades tingimustes kuumutamisel ei muutu grafiit temperatuurini 3000 ° C, kui see sublimeerub ilma sulamata. Grafiidi otsene üleminek teemandiks toimub ainult temperatuuril üle 3000 °C ja tohutul rõhul - umbes 12 GPa.
Süsiniku kolmas allotroopne modifikatsioon karbüün saadi kunstlikult. See on peen kristalliline must pulber; selle struktuuris paiknevad pikad süsinikuaatomite ahelad üksteisega paralleelselt. Iga kett on struktuuriga (-C=C) L või (=C=C=) L. Karbiini tihedus on keskmine grafiidi ja teemandi vahel - 2,68-3,30 g/cm 3 . Üks neist kõige olulisemad omadused karabiin - selle ühilduvus kangastega Inimkeha, mis võimaldab seda kasutada näiteks kunstliku valmistamisel veresooned(Joonis 1).
Fullereenid ei saanud oma nime mitte keemiku auks, vaid Ameerika arhitekti R. Fulleri järgi, kes tegi ettepaneku ehitada angaare ja muid kuplite kujulisi konstruktsioone, mille pinna moodustavad viisnurgad ja kuusnurgad (selline kuppel ehitati, näiteks Moskva Sokolniki pargis).
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 loomsed ja taimsed koed, meie toit, ravimid, riided (puuvill, vill ja sünteetilised kiud), kütused (nafta ja maagaas), kumm ja plast, pesuvahendid. Praegu on selliseid aineid teada üle 10 miljoni ja nende arv suureneb iga aastaga oluliselt tänu sellele, et teadlased isoleerivad loodusobjektidest tundmatuid aineid ja loovad uusi ühendeid, mida looduses ei eksisteeri.
See orgaaniliste ühendite mitmekesisus on seotud ainulaadne omadus süsinikuaatomid moodustavad tugevaid kovalentseid sidemeid nii omavahel kui ka teiste aatomitega. Süsinikuaatomid, mis ühendavad üksteisega nii liht- kui ka mitmiksidemeid, võivad moodustada peaaegu igasuguse pikkuse ja tsükliga ahelaid. Orgaaniliste ühendite suur mitmekesisus on seotud ka isomeeria nähtuse olemasoluga.
Peaaegu kõik orgaanilised ühendid sisaldavad ka vesinikku, sageli sisaldavad need hapniku-, lämmastiku- ja harvemini väävli, fosfori ja halogeenide aatomeid. Ühendeid, mis sisaldavad mis tahes elementide aatomeid (välja arvatud O, N, S ja halogeenid), mis on otseselt seotud süsinikuga, nimetatakse ühiselt organoelementühenditeks; selliste ühendite põhirühma moodustavad metallorgaanilised ühendid (joon. 3).
Orgaaniliste ühendite tohutu hulk nõuab nende selget klassifitseerimist. Orgaanilise ühendi aluseks on molekuli karkass. Skelett võib olla avatud (sulgemata) struktuuriga, sel juhul nimetatakse ühendit atsükliliseks (alifaatseks; alifaatilisi ühendeid nimetatakse ka rasvühenditeks, kuna need eraldati esmalt rasvadest), ja suletud struktuuriga, mille puhul nimetatakse seda nn. tsükliline. Skelett võib olla süsinik (koosneb 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 üht või mitut tsüklit) ja heterotsüklilisteks.
Vesiniku- ja halogeeniaatomid ei sisaldu skeletis ning heteroaatomid sisalduvad skeletis ainult siis, kui neil on süsinikuga vähemalt kaks sidet. Seega ei sisaldu etüülalkoholis CH3CH2OH hapnikuaatom 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.
Molekulaarses skeletis on nelja tüüpi süsinikuaatomeid. Süsinikuaatomit on tavaks nimetada primaarseks, kui see moodustab ainult ühe sideme teise süsinikuaatomiga. Sekundaarne aatom on seotud kahe teise süsinikuaatomiga, tertsiaarne aatom on seotud kolmega ja kvaternaarne aatom kulutab kõik neli oma sidet, moodustades sidemeid süsinikuaatomitega.
Järgmine klassifitseerimistunnus on mitme sideme olemasolu. Orgaanilisi ühendeid, mis sisaldavad ainult lihtsidemeid, nimetatakse küllastunud (limit). Topelt- või kolmiksidemeid sisaldavaid ühendeid nimetatakse küllastumata (küllastumata). Nende molekulides on süsinikuaatomi kohta vähem vesinikuaatomeid kui piiravates molekulides. Benseeni seeria tsüklilised küllastumata süsivesinikud on klassifitseeritud eraldi aromaatsete ühendite klassi.
Kolmas klassifitseerimistunnus on funktsionaalsete rühmade olemasolu - aatomirühmad, mis on iseloomulikud antud ühendite klassile ja määravad selle keemilised omadused. Funktsionaalrühmade arvu järgi jaotatakse orgaanilised ühendid monofunktsionaalseteks - sisaldavad ühte funktsionaalset rühma, polüfunktsionaalseteks - sisaldavad mitut funktsionaalset rühma, näiteks glütserool ja heterofunktsionaalseteks - ühes molekulis on mitu erinevat rühma, näiteks aminohapped.
Sõltuvalt sellest, millise süsinikuaatomiga funktsionaalrühm asub, jagatakse ühendid primaarseteks, näiteks etüülkloriidiks CH 3 CH 2 C1, sekundaarseteks - isopropüülkloriidiks (CH3) 2 CH 1 ja tertsiaarseks - butüülkloriidiks (CH 8) 8 CCl. .
Orgaaniline keemia
On tavaks eristada kahte tüüpi asendajate elektroonilist mõju: induktiivne - piki σ-sidemete ahelat ja konjugatsiooni mõju - piki konjugeeritud sidemetega ahelat. Seega on kloroäädikhappe (II) happesuse suurenemine võrreldes äädikhappega CH 3 COOH seletatav klooriaatomite induktiivse mõjuga ning metüülrühmade vesinikuaatomite liikuvus äädikhappes (III) või sorbiinaldehüüdis. konjugatsiooni mõjul: Elektrontiheduse ümberjaotumine, eriti reaktsiooni ajal, ei toimu mitte ainult sidemetes, mida reaktsioon mõjutab, vaid ka molekuli teistes osades. Ilmne soola moodustumise kõrvalekalle n-dimetüülaminoasobenseen (V), mille prooton on fikseeritud asorühma nõrgalt aluselise lämmastikuaatomiga, on seletatav molekuli reaktsioonitsentri liikumisega, mis on tingitud elektrontiheduse nihkest reaktsiooni ajal näidatud suunas. nooled: Konjugatsiooni mõju avaldub ka juhtudel, kui orgaaniliste ainete kaks võimalikku reaktsioonisuunda ei ole tingitud tautomeeriast (vt tautomeeria). Seega toimub naatriumenolaatide alküülimine süsinikuaatomi juures reaktsioonikeskuse liikumise tõttu sidemete konjugeerimise tõttu: Aatomite vastastikune mõju sideme konjugatsiooni tulemusena avaldub ka aromaatsetes ühendites (vt Orientatsioonireeglid). Elektrofiilse asendamise käigus on elektrone loovutavad (nukleofiilsed) asendajad (VI) orienteeritud orto- ja para-asendisse (vt punkt...), elektrone eemaldavad (elektrofiilsed) asendajad (VII) - metas (vt Meta-, orto- , para- )-positsioon: Teoreetiliste ja füüsikaliste uurimismeetodite väljatöötamise tulemusena sai lõplikult lahenduse aromaatsete süsteemide, sealhulgas benseeni ehituse küsimus. Viimase ehitust kirjeldatakse järgmiselt: kuus süsinikuaatomit benseeni rõngas on samas tasapinnas ja ühendatud σ sidemetega; kuus π elektroni moodustavad ühtse liikuva elektronsüsteemi. Selle tagajärjeks on C-C sidemete täielik samaväärsus, mida kinnitab kogemus, ja benseeni kõrge sümmeetria kuuekordse teljega. Nendest sätetest järeldub, et benseen on mittepolaarne ja sellel on diamagnetilise vastuvõtlikkuse anisotroopia. Kõiki aromaatseid süsteeme, milles π-elektronide arv on 4, iseloomustavad sarnased omadused n+ 2 (Hückeli reegel). Benseen pole kaugeltki ainus näide joondatud kaksiksidemetega ja üksiksidemetega ühenditest; sarnane pilt on täheldatud tropolooni, tropüüliumbromiidi, ferrotseeni, difenüülpolüeenide jt puhul. Täielikult edukat graafilist esitust benseeni ja teiste aromaatsete ühendite struktuurist ei õnnestunud välja töötada. Nende struktuuri kirjeldamiseks kasutavad nad valentsskeemide komplekti (VIII), mille pakkus esmakordselt välja L. Pauling oma resonantsi teoorias (vt Resonantsi teooria), või tähistussüsteemi (IX), kus kõverad nooled näitavad ka sidemete joondamist ( esmakordselt kasutati mesomeria teoorias (vt Mesomerism)): Umbes 20. sajandi 2. poolest. Oh. on jõudnud uude faasi. Paljud selle valdkonnad arenesid nii intensiivselt, et kasvasid suurteks spetsiaalseteks sektsioonideks, mida kutsuti teaduslikul või rakenduslikul alusel (stereokeemia, polümeeride keemia (vt polümeerid), looduslikud ained, antibiootikumid (vt antibiootikumid),
vitamiinid (vt vitamiinid), hormoonid (vt Hormoonid),
metallorgaanilised ühendid (vt metallorgaanilised ühendid),
fluororgaanilised ühendid (vt fluororgaanilised ühendid),
värvained (vt Värvid) jne). Edusammud teoorias ja füüsikaliste uurimismeetodite arendamine (näiteks molekulide röntgendifraktsioon (vt molekulide röntgendifraktsioon), ultraviolett- ja infrapunaspektroskoopia (vt infrapunaspektroskoopia), Ramani spektroskoopia, tuumamagnetresonants (vt Tuumamagnetresonants ), tuumade keemiliselt indutseeritud dünaamiline polarisatsioon, massispektromeetria), samuti meetodid erinevate ainete identifitseerimiseks ja eraldamiseks kromatograafia abil (vt kromatograafia) võimaldasid komplekssete orgaaniliste ühendite kiiret struktuurianalüüsi ja paljude oluliste probleemide kiiret lahendamist. Füüsikaliste meetodite kasutamine orgaaniliste ainete reaktsioonide kineetika uurimiseks (vt Keemiline kineetika) võimaldab uurida reaktsioone poolväärtusajaga 10 -8 -10 -9 sek. Lineaarse vabaenergia põhimõttel põhinevad korrelatsioonivõrrandid võimaldavad kvantifitseerida seoseid orgaaniliste ühendite struktuuri ja reaktsioonivõime vahel, ka nende, millel on füsioloogiline toime. Oh. osutus tihedalt seotud seotud loodusteadused- biokeemia (vt Biokeemia), meditsiin (vt meditsiin) ja bioloogia (vt bioloogia), O. x. ideede ja meetodite rakendamine. neis teadustes määrasid suures osas uue suuna arengu - molekulaarbioloogia(Vt molekulaarbioloogia). Meetodid O. x. koos füüsikaliste uurimismeetoditega mängisid nad olulist rolli nukleiinhapete, paljude valkude (vt. Valgud) ja keerukate looduslike ühendite struktuuri kindlakstegemisel; nende abiga selgus valgusünteesi mehhanism ja regulatsioon (vt Geneetiline kood). Hapnikukemikaalide sünteetilised võimed on tohutult suurenenud, mis on toonud kaasa selliste keerukate looduslike ainete nagu klorofüll, vitamiin B 12 (R. Woodworth (vt Woodworth)), polünukleotiidide tootmist teatud ühikute vaheldumisega (A. Todd, H. G. Koraan). ) ja teised. Nende meetodite tohutu edu on paljude polüpeptiidide, sealhulgas ensüümide automaatse sünteesi arendamine. Sünteesiti uus klass orgaanilisi ühendeid, mis moodustuvad kahe või enama tsüklilise molekuli põimumisel nagu tavaline ahel (katenaanid, joonisel vasakul) või nagu hantel, mille telje külge on kinnitatud rõngas (rotaksaanid, paremal): O. x. meetodid on omandanud suure tähtsuse. kaasaegses tehnoloogias sünteetiliste kummide (vt Sünteetilised kummid), plasti (vt Plastid), sünteetiliste kiudude (vt Sünteetilised kiud), värvainete, ravimite, filmi- ja fotomaterjalide, taimekasvu stimulantide, kahjuritõrjevahendite tootmiseks Põllumajandus(pestitsiidid (vt pestitsiidid)) ja paljud teised O. x. orgaanilise põhisünteesi (vt Põhiline orgaaniline süntees) ja naftakeemilise sünteesi (vt Naftakeemia süntees) valdkonnas ei muutnud mitte ainult mitmete tööstusharude tehnoloogiat, vaid ka uute toodete loomiseni. Luues seosed orgaaniliste ühendite struktuuri ja omaduste vahel, on võimalik luua uusi materjale erinevatel eesmärkidel ja eelnevalt kindlaksmääratud omadustega. Oh. on jõudnud tasemele, mis talle vastab oluline roll kaasaegse ühiskonna materiaalse kultuuri loomisel. Teadusasutused ja -organisatsioonid, perioodika. Teaduslik töö O. x. NSV Liidus viivad läbi NSVL Teaduste Akadeemia uurimisinstituudid - nime saanud Orgaanilise Keemia Instituut. N. D. Zelinsky (ROK), Orgaanilise ja Füüsikalise Keemia Instituut. A. E. Arbuzova (Füüsikalise Keemia Instituut), Naftakeemia Sünteesi Instituut, mis on nime saanud. A. V. Topchieva (INHS), orgaaniliste elementide instituut. ühendid (INEOS), Keemiainstituut
nime saanud looduslikud ühendid M. M. Shemyakina (IKhPS); NSVL Teaduste Akadeemia Siberi filiaal - Novosibirski instituut orgaaniline keemia (NIOC), Irkutski orgaanilise keemia instituut (IIOC), naftakeemia instituut; Vabariiklikud akadeemiad – Armeenia NSV, Kirgiisi NSV, Ukraina NSV orgaanilise keemia instituudid, peenorgaanilise keemia instituut. A. L. Mnjoyan (Armeenia NSV), füüsikalis-orgaanilise keemia instituut (BSSR), füüsikalise ja orgaanilise keemia instituut. P. G. Melikishvili (Gruusia NSV), Orgaanilise Sünteesi Instituut (Läti NSV) jne. Nõukogude keemikute riiklik komitee on Rahvusvahelise Puhta ja Rakenduskeemia Liidu (IUPAC) liige, mis korraldab iga 2 aasta tagant kongresse, konverentse ja sümpoosione, eelkõige O. kemikaalide teemal. Perioodika, milles avaldatakse orgaanilise keemia töid: NSV Liidus - “Orgaanilise keemia ajakiri” (alates 1965. aastast); "Üldkeemia ajakiri" (alates 1931. aastast); “Heterotsükliliste ühendite keemia” (Riia, aastast 1965); “Looduslike ühendite keemia” (Taškent, aastast 1965); "Väljendage teavet. Tööstuslik orgaaniline süntees" (alates 1960. aastast); välismaal - “Orgaanilise keemia ajakiri” (Wash., aastast 1936); "Keemiaühingu ajakiri. Perkini tehing. 1. Orgaaniline ja bioorgaaniline keemia" (L., aastast 1972); II. “Füüsikaline orgaaniline keemia” (L., aastast 1972); "Justus Liebigs Annalen der Chemie" (Weinheim, aastast 1832); "Bulletin de la Société chimique de France", pt. 2 (P., aastast 1858); “Jaapani orgaanilise sünteetilise keemia ühingu ajakiri” (Tokyo, alates 1943. aastast); rahvusvaheline - "Tetrahedron" (N.Y., aastast 1957); “Tetrahedron Letters” (L., aastast 1959); "Süntees" (Stuttgart, aastast 1969); "Synthetic Communication" (N.Y., aastast 1971); “Metallorgaanilise keemia ajakiri” (Lausanne, aastast 1964); “Journal of Heterocyclic Chemistry” (L., alates 1964); “Orgaaniline magnetresonants” (L., 1969); "Orgaaniline massispektromeetria" (L., 1968); "Orgaanilised ettevalmistused ja protseduurid" (N.Y., aastast 1969). kirjandus O. x. kokkuvõte ajakirjades: "Chemical Abstracts" (Easton, aastast 1907), abstraktne ajakiri "Chemistry" (alates 1953), "Chemisches Zentralblatt" (SDV ja FRG ühiselt, V., aastast 1830).
Orgaaniline keemia - keemia haru, mis uurib süsinikuühendeid, nende struktuuri, omadusi , sünteesimeetodid, aga ka nende teisenemise seadused. Orgaanilised ühendid on süsiniku ühendid teiste elementidega (peamiselt H, N, O, S, P, Si, Ge jne).
Süsinikuaatomite ainulaadne võime üksteisega siduda, moodustades erineva pikkusega ahelaid, erineva suurusega tsüklilisi struktuure, karkassiühendeid, paljude elementidega, koostiselt ja struktuurilt erinevaid ühendeid, määrab orgaaniliste ühendite mitmekesisuse. Tänaseks ületab teadaolevate orgaaniliste ühendite arv kaugelt 10 miljonit ja kasvab igal aastal 250-300 tuhande võrra.Meid ümbritsev maailm on ehitatud peamiselt orgaanilistest ühenditest, nende hulka kuuluvad: toit, riided, kütus, värvained, ravimid, pesuained, materjalid paljudele tehnoloogiaharudele ja rahvamajandusele. Orgaanilised ühendid mängivad elusorganismide olemasolus võtmerolli.
Orgaanilise keemia ja anorgaanilise keemia, biokeemia ja meditsiini ristumiskohas tekkisid metalli- ja organoelementide ühendite keemia, bioorgaaniline ja meditsiiniline keemia ning kõrgmolekulaarsete ühendite keemia.
Orgaanilise keemia peamine meetod on süntees. Orgaaniline keemia ei uuri mitte ainult taimsetest ja loomsetest allikatest saadud ühendeid (looduslikke aineid), vaid peamiselt laboratoorse ja tööstusliku sünteesi teel kunstlikult loodud ühendeid.
Orgaanilise keemia arengulugu
Erinevate orgaaniliste ainete saamise meetodid on tuntud juba iidsetest aegadest. Nii kasutasid egiptlased ja roomlased taimset päritolu värvaineid – indigot ja alisariini. Paljud rahvad valdasid suhkrut ja tärklist sisaldavast toorainest alkohoolsete jookide ja äädika valmistamise saladusi.
Keskajal ei lisandunud neile teadmistele praktiliselt midagi, mõningane edasiminek algas alles 16. ja 17. sajandil (iatrokeemia periood), mil taimsete saaduste destilleerimise teel eraldati uusi orgaanilisi ühendeid. Aastatel 1769-1785 K.V. Scheele eraldas mitu orgaanilist hapet: õun-, viin-, sidrun-, gallus-, piim- ja oksaalhapet. Aastal 1773 G.F. Ruel isoleeritud uurea inimese uriinist. Loomsetest ja taimsetest materjalidest eraldatud ainetel oli üksteisega palju ühist, kuid need erinesid anorgaanilistest ühenditest. Nii tekkis mõiste “orgaaniline keemia” – keemia haru, mis uurib organismidest eraldatud aineid (definitsioon J.Ya. Berzelius, 1807). Samal ajal arvati, et neid aineid saab elusorganismidest saada ainult tänu "elujõule".
On üldtunnustatud, et orgaaniline keemia kui teadus tekkis 1828. aastal, mil F. Wöhler sai esmalt aurustumise tulemusena orgaanilise aine - uurea vesilahus anorgaaniline aine - ammooniumtsüanaat (NH 4 OCN). Edasi eksperimentaalne töö demonstreeris vaieldamatuid argumente teooria ebajärjekindluse kohta " elujõudu" Näiteks, A. Kolbe sünteesitud äädikhape M. Berthelot sai metaani H 2 S-st ja CS 2-st ning OLEN. Butlerov sünteesiti formaldehüüdist suhkrurikkaid aineid.
19. sajandi keskel. Sünteetilise orgaanilise keemia kiire areng jätkub, esimene tööstuslik tootmine orgaanilised ained ( A. Hoffman, W. Perkin Sr.- sünteetilised värvained, fuksia-, tsüaniin- ja asavärvid). Avatuse parandamine N.N. Zinin(1842) aniliini sünteesi meetod oli aniliinivärvitööstuse loomise aluseks. Laboris A. Bayer sünteesiti looduslikke värvaineid - indigo, alisariin, indigoid, ksanteen ja antrakinoon.
Oluliseks etapiks teoreetilise orgaanilise keemia arengus oli areng F. Kekule valentsusteooria 1857. aastal, samuti klassikaline keemilise struktuuri teooria OLEN. Butlerov 1861. aastal, mille kohaselt on molekulides aatomid omavahel seotud vastavalt nende valentsile, määravad ühendite keemilised ja füüsikalised omadused neis sisalduvate aatomite olemus ja arv, samuti sidemete tüüp ja otsene vastastikune mõju. sidumata aatomid. Aastal 1865 F. Kekule pakkus välja benseeni struktuurivalemi, millest sai üks olulisemaid avastusi orgaanilises keemias. V.V. Markovnikov Ja OLEN. Zaitsev sõnastas rea reegleid, mis esimest korda seostasid orgaaniliste reaktsioonide suuna neisse sisenevate ainete struktuuriga. Aastal 1875 Van't Hoff Ja Le Bel pakkus välja süsinikuaatomi tetraeedrilise mudeli, mille järgi süsiniku valentsid on suunatud tetraeedri tippudele, mille keskel asub süsinikuaatom. Selle mudeli põhjal koos eksperimentaalsete uuringutega I. Vislicenus(!873), mis näitas (+)-piimhappe (hapupiimast) ja (±)-piimhappe struktuurivalemite identsust, tekkis stereokeemia - teadus aatomite kolmemõõtmelisest orientatsioonist molekulides, mis ennustas. 4 erineva asendaja olemasolu süsinikuaatomi juures (kiraalsed struktuurid) ruumiliselt peegeldavate isomeeride (antipoodide või enantiomeeride) olemasolu võimalus.
1917. aastal Lewis tegi ettepaneku kaaluda keemilist sidumist elektronpaaride abil.
1931. aastal Hückel rakendas mittebensenoidsete aromaatsete süsteemide omaduste selgitamiseks kvantteooriat, mis pani aluse orgaanilises keemias uuele suunale – kvantkeemiale. See andis tõuke kvantide edasiseks intensiivseks arendamiseks keemilised meetodid, eriti molekulaarorbitaalmeetodil. Orbitaalkontseptsioonide orgaanilisse keemiasse tungimise etapi avastas resonantsi teooria L. Pauling(1931-1933) ja edasised tööd K. Fukui, R. Woodward Ja R. Hoffman piiriorbitaalide rollist keemiliste reaktsioonide suuna määramisel.
20. sajandi keskpaik mida iseloomustab eriti kiire orgaanilise sünteesi areng. Selle määras põhiprotsesside avastamine, näiteks olefiinide tootmine üliidide abil ( G. Wittig, 1954), dieeni süntees ( O. Dils Ja K. Lepp, 1928), küllastumata ühendite hüdroboreerimine ( G. Brown, 1959), nukleotiidide süntees ja geenisüntees ( A. Todd, H. Koraan). Metall-orgaaniliste ühendite keemia edusammud on suuresti tingitud tööst A.N. Nesmejanova Ja G.A. Razuvaeva. 1951. aastal viidi läbi ferrotseeni süntees, mille “võileiva” struktuur loodi R. Woodward Ja J. Wilkinson pani aluse metallotseeniühendite keemiale ja siirdemetallide orgaanilisele keemiale üldiselt.
Aastal 20-30 A.E. Arbuzov loob aluse fosfororgaaniliste ühendite keemiale, mis viis hiljem uut tüüpi füsioloogiliselt aktiivsete ühendite, kompleksonide jne avastamiseni.
Aastal 60-80 Ch. Pedersen, D. Kram Ja J.M. Linane arendavad krooneetrite, krüptaanide ja muude sarnaste struktuuride keemiat, mis on võimelised moodustama tugevaid molekulaarseid komplekse ja seeläbi lähenema kõige olulisem küsimus"molekulaarne äratundmine".
Kaasaegne orgaaniline keemia jätkab oma kiiret arengut. Orgaanilise sünteesi praktikasse võetakse kasutusele uued reaktiivid, põhimõtteliselt uued sünteesimeetodid ja -tehnikad, uued katalüsaatorid ning sünteesitakse senitundmatuid orgaanilisi struktuure. Orgaaniliste uute bioloogiliselt aktiivsete ühendite otsimine käib pidevalt. Lahendust ootavad veel paljud orgaanilise keemia probleemid, näiteks struktuuri-omaduste seose (sealhulgas bioloogilise aktiivsuse) üksikasjalik väljaselgitamine, komplekssete looduslike ühendite struktuuri ja stereosuunalise sünteesi väljaselgitamine, uute regio- ja stereoselektiivsete sünteeside väljatöötamine. meetodid, uute universaalsete reaktiivide ja katalüsaatorite otsimine.
Maailma üldsuse huvi orgaanilise keemia arendamise vastu näitas ilmekalt ettekannet Nobeli preemia keemias 2010 R. Heku, A. Suzuki ja E. Negishi tööde eest pallaadiumkatalüsaatorite kasutamisel orgaanilises sünteesis süsinik-süsinik sidemete moodustamiseks.
Orgaaniliste ühendite klassifikatsioon
Klassifikatsioon põhineb orgaaniliste ühendite struktuuril. Struktuuri kirjeldamise aluseks on struktuurivalem.
Orgaaniliste ühendite põhiklassid
Süsivesinikud - ainult süsinikust ja vesinikust koosnevad ühendid. Need omakorda jagunevad:
Küllastunud- sisaldavad ainult üksikuid (σ-sidemeid) ja ei sisalda mitut sidet;
Küllastumata- sisaldavad vähemalt ühte kaksiksidet (π-side) ja/või kolmiksidet;
Ava kett(alitsükliline);
Suletud ahel(tsükliline) – sisaldavad tsüklit
Nende hulka kuuluvad alkaanid, alkeenid, alküünid, dieenid, tsükloalkaanid, areenid
Funktsionaalrühmades heteroaatomitega ühendid- ühendid, milles süsinikuradikaal R on seotud funktsionaalrühmaga. Sellised ühendid klassifitseeritakse vastavalt funktsionaalrühma olemusele:
Alkohol, fenoolid(sisaldab hüdroksüülrühma OH)
Eetrid(sisaldavad rühmitust R-O-R või R-O-R
Karbonüülühendid(sisaldavad rühma RR"C=O), nende hulka kuuluvad aldehüüdid, ketoonid, kinoonid.
Karboksüülrühma sisaldavad ühendid(COOH või COOR), nende hulka kuuluvad karboksüülhapped, estrid
Element- ja metallorgaanilised ühendid
Heterotsüklilised ühendid - sisaldavad tsükli osana heteroaatomeid. Need erinevad tsükli olemuse (küllastunud, aromaatne), aatomite arvu poolest tsüklis (kolme-, nelja-, viie-, kuueliikmelised tsüklid jne), heteroaatomi olemuse poolest, heteroaatomite arv tsüklis. See määrab selle klassi teadaolevate ja igal aastal sünteesitavate ühendite tohutu hulga. Heterotsüklite keemia on orgaanilise keemia üks põnevamaid ja olulisemaid valdkondi. Piisab, kui öelda, et üle 60% sünteetilise ja loodusliku päritoluga ravimitest kuuluvad erinevatesse heterotsükliliste ühendite klassidesse.
Looduslikud ühendid -ühenditel on reeglina üsna keeruline struktuur, kuuludes sageli mitmesse orgaaniliste ühendite klassi. Nende hulgas on: aminohapped, valgud, süsivesikud, alkaloidid, terpeenid jne.
Polümeerid- väga suure molekulmassiga ained, mis koosnevad perioodiliselt korduvatest fragmentidest - monomeeridest.
Orgaaniliste ühendite struktuur
Orgaanilised molekulid moodustuvad peamiselt kovalentsete mittepolaarsete C-C sidemete või kovalentsete polaarsete sidemetega tüüp C-O, C-N, C-Hal. Polaarsust seletatakse elektrontiheduse nihkega elektronegatiivsema aatomi suunas. Orgaaniliste ühendite struktuuri kirjeldamiseks kasutavad keemikud molekulide struktuurivalemite keelt, milles üksikute aatomite vahelised sidemed on tähistatud ühe (liht- või üksikside), kahe (topelt) või kolme (kolmekordse) valentsi algarvuga. Orgaanilises keemias võeti kasutusele valentsi algarvu mõiste, mis pole tänaseni oma tähendust kaotanud A. Cooper aastal 1858
Süsinikuaatomite hübridisatsiooni kontseptsioon on orgaaniliste ühendite struktuuri mõistmiseks väga oluline. Süsinikuaatomi põhiolekus on elektrooniline konfiguratsioon 1s 2 2s 2 2p 2, mille põhjal on võimatu seletada 4 omast valentsi süsiniku suhtes selle ühendites ja 4 identse sideme olemasolu alkaanides, mis on suunatud tetraeedri tipud. Valentssideme meetodi raames lahendatakse see vastuolu hübridisatsiooni mõiste kasutuselevõtuga. Põnevuse korral viiakse see läbi s→lk elektronide üleminek ja sellele järgnev nn sp- hübridisatsioon ja hübridiseerunud orbitaalide energia on energiate vahepealne s- Ja lk-orbitaalid. Kui alkaanides tekivad sidemed, siis kolm R-elektronid suhtlevad ühega s-elektron ( sp 3-hübridisatsioon) ja tekivad 4 identset orbitaali, mis asuvad üksteise suhtes tetraeedriliste nurkade all (109 umbes 28 tolli). Alkeenide süsinikuaatomid asuvad sp 2-hübriidne olek: igal süsinikuaatomil on kolm identset orbitaali, mis asuvad samal tasapinnal üksteise suhtes 120° nurga all ( sp 2 orbitaali) ja neljas ( R-orbitaal) on selle tasapinnaga risti. Kattuv R-kahe süsinikuaatomi orbitaalid moodustavad kaksiksideme (π). Kolmiksidet kandvad süsinikuaatomid on sees sp- hübriidseisund.
Orgaaniliste reaktsioonide tunnused
IN anorgaanilised reaktsioonid Tavaliselt on kaasatud ioonid, sellised reaktsioonid toimuvad kiiresti ja täielikult toatemperatuuril. Orgaanilistes reaktsioonides kovalentsed sidemed sageli katkevad ja tekivad uued. Tavaliselt nõuavad need protsessid eritingimusi: teatud temperatuure, reaktsiooniaegu, teatud lahusteid ja sageli katalüsaatori olemasolu. Tavaliselt ei toimu korraga mitte üks, vaid mitu reaktsiooni.Seetõttu ei kasutata orgaaniliste reaktsioonide kujutamisel mitte võrrandeid, vaid diagramme ilma stöhhiomeetriat arvutamata. Sihtainete saagised orgaanilistes reaktsioonides ei ületa sageli 50% ning nende eraldamine reaktsioonisegust ja puhastamine nõuab spetsiifilisi meetodeid ja tehnikaid. Tahkete ainete puhastamiseks kasutatakse tavaliselt ümberkristallimist spetsiaalselt valitud lahustitest. Vedelad ained puhastatakse destilleerimise teel atmosfäärirõhul või vaakumis (olenevalt keemistemperatuurist). Reaktsioonide kulgemise ja komplekssete reaktsioonisegude eraldamiseks kasutatakse erinevat tüüpi kromatograafiat [õhukesekihikromatograafia (TLC), preparatiivne kõrgjõudlusega vedelikkromatograafia (HPLC) jne].
Reaktsioonid võivad toimuda väga keerukalt ja mitmes etapis. Vaheühenditena võivad esineda radikaalid R·, karbokatioonid R+, karbanioonid R-, karbeenid:СХ2, radikaalkatioonid, radikaalanioonid ja muud aktiivsed ja ebastabiilsed osakesed, mis tavaliselt elavad sekundi murdosa. Täpsem kirjeldus nimetatakse kõiki transformatsioone, mis toimuvad reaktsiooni käigus molekulaarsel tasemel reaktsiooni mehhanism. Sidemete lõhustumise ja moodustumise olemuse alusel eristatakse radikaalseid (homolüütilisi) ja ioonseid (heterolüütilisi) protsesse. Transformatsioonitüüpide järgi eristatakse radikaalseid ahelreaktsioone, nukleofiilseid (alifaatseid ja aromaatseid) asendusreaktsioone, eliminatsioonireaktsioone, elektrofiilseid liitmisi, elektrofiilseid asendusreaktsioone, kondenseerumist, tsükliseerumist, ümberkorraldusprotsesse jne. Reaktsioone klassifitseeritakse ka nende meetodite järgi. initsiatsioon (ergastus ), nende kineetiline järjestus (monomolekulaarne, bimolekulaarne jne).
Orgaaniliste ühendite struktuuri määramine
Läbi orgaanilise keemia kui teaduse eksisteerimise on kõige olulisem ülesanne olnud orgaaniliste ühendite struktuuri määramine. See tähendab, et tuleb välja selgitada, millised aatomid on struktuuri osad, mis järjekorras ja kuidas need aatomid on omavahel seotud ning kuidas nad ruumis paiknevad.
Nende probleemide lahendamiseks on mitu meetodit.
- Elementaaranalüüs seisneb selles, et aine lagundatakse lihtsamateks molekulideks, mille arvu järgi saab määrata ühendi moodustavate aatomite arvu. See meetod ei võimalda määrata aatomitevaheliste sidemete järjekorda. Sageli kasutatakse ainult kavandatud struktuuri kinnitamiseks.
- Infrapunaspektroskoopia (IR spektroskoopia) ja Ramani spektroskoopia (Ramani spektroskoopia). Meetod põhineb asjaolul, et aine interakteerub elektromagnetilise kiirgusega (valgusega) infrapunapiirkonnas (IR-spektroskoopias täheldatakse neeldumist, Ramani spektroskoopias aga kiirguse hajumist). See valgus neeldumisel ergastab molekulide vibratsiooni- ja pöörlemistasemeid. Võrdlusandmeteks on dipoolmomendi (IR) või polariseeritavuse (PC) muutusega seotud molekuli vibratsioonide arv, sagedus ja intensiivsus. Meetod võimaldab määrata funktsionaalrühmade olemasolu ning seda kasutatakse sageli ka aine identsuse kinnitamiseks mõne juba tuntud ainega, võrreldes nende spektreid.
- Massispektromeetria. Aine muutub teatud tingimustel (elektronide löök, keemiline ionisatsioon jne) ioonideks ilma aatomite kadumiseta (molekulioonid) ja kaoga (killustumine, fragmentioonid). Meetod võimaldab teil uuesti jagada molekulmass aine, selle isotoopse koostise ja mõnikord funktsionaalrühmade olemasolu. Killustumise olemus võimaldab teha mõningaid järeldusi struktuuritunnuste kohta ja rekonstrueerida uuritava ühendi struktuuri.
- Tuumamagnetresonantsi (NMR) meetod põhineb tuumade vastasmõjul, millel on oma magnetmoment (spin) ja mis on paigutatud välisesse konstantsesse magnetvälja (spinni ümberorienteerumine) koos vahelduva elektromagnetkiirgusega raadiosagedusalas. NMR on üks olulisemaid ja informatiivsemaid meetodeid keemilise struktuuri määramiseks. Meetodit kasutatakse ka molekulide ruumilise struktuuri ja dünaamika uurimiseks. Sõltuvalt kiirgusega interakteeruvatest tuumadest eristavad nad näiteks prootonresonantsmeetodit (PMR, 1 H NMR), mis võimaldab määrata vesinikuaatomite asukohta molekulis. 19F NMR meetod võimaldab määrata fluori aatomite olemasolu ja asukohta. 31P NMR meetod annab teavet fosfori aatomite olemasolu, valentsioleku ja asukoha kohta molekulis. 13C NMR meetod võimaldab määrata süsinikuaatomite arvu ja tüüpe, seda kasutatakse molekuli süsiniku skeleti uurimiseks. Erinevalt kolm esimest viimane meetod kasutab elemendi vähemtähtsat isotoopi, kuna peamise isotoobi 12 C tuuma spinn on null ja seda ei saa NMR abil jälgida.
- Ultraviolett-spektroskoopia meetod (UV-spektroskoopia) või elektrooniliste üleminekute spektroskoopia. Meetod põhineb absorptsioonil elektromagnetiline kiirgus spektri ultraviolett- ja nähtavad piirkonnad elektronide üleminekul molekulis ülemistelt täidetud energiatasemetelt vabadele (molekuli ergastamine). Kõige sagedamini kasutatakse konjugeeritud π süsteemide olemasolu ja iseloomustamiseks.
- Analüütilise keemia meetodid võimaldavad kindlaks teha teatud funktsionaalrühmade olemasolu spetsiifiliste keemiliste (kvalitatiivsete) reaktsioonide abil, mille toimumist saab visuaalselt (näiteks välimus või värvimuutus) või muid meetodeid kasutades fikseerida. Lisaks keemilistele analüüsimeetoditele kasutatakse orgaanilises keemias üha enam instrumentaalseid meetodeid. analüüsimeetodid, nagu kromatograafia (õhuke kiht, gaas, vedelik). Nende hulgas on aukohal kromatograafia-massispektromeetria, mis võimaldab mitte ainult hinnata saadud ühendite puhtusastet, vaid saada ka massispektri teavet keerukate segude komponentide kohta.
- Orgaaniliste ühendite stereokeemia uurimise meetodid. Alates 80ndate algusest. farmakoloogia ja farmaatsia uue suuna väljatöötamise teostatavus, mis on seotud enantiomeerselt puhta ravimid terapeutilise efektiivsuse ja ohutuse optimaalse tasakaaluga. Praegu on ligikaudu 15% kõigist sünteesitud ravimitest puhtad enantiomeerid. See suundumus kajastub tekkes teaduskirjandus Viimastel aastatel tähtaeg kiraalne lüliti, mis venekeelses tõlkes tähendab "lülitumist kiraalsetele molekulidele". Sellega seoses omandavad orgaanilises keemias erilise tähtsuse meetodid kiraalsete orgaaniliste molekulide absoluutse konfiguratsiooni määramiseks ja nende optilise puhtuse määramiseks. Absoluutse konfiguratsiooni määramise peamine meetod peaks olema röntgendifraktsioonianalüüs (XRD) ja optiline puhtus peaks olema kromatograafia kiraalse statsionaarse faasiga kolonnidel ja NMR meetodil, kasutades spetsiaalseid täiendavaid kiraalseid reagente.
Orgaanilise keemia seos keemiatööstusega
Orgaanilise keemia põhimeetod – süntees – on orgaanilise keemiaga tihedalt seotud keemiatööstus. Sünteetilise orgaanilise keemia meetodite ja arenduste põhjal tekkis väikesemahuline (peen)orgaaniline süntees, sealhulgas ravimite, vitamiinide, ensüümide, feromoonide, vedelkristallide, orgaaniliste pooljuhtide, päikesepatareide jne tootmine. orgaanilise keemia saavutustele tugineb ka (põhi)orgaaniline süntees. Peamine orgaaniline süntees hõlmab tehiskiudude, plastide tootmist, nafta, gaasi ja kivisöe tooraine töötlemist.
Soovitatav lugemine
- G.V. Bykov, Orgaanilise keemia ajalugu, M.: Mir, 1976 (http://gen.lib/rus.ec/get?md5=29a9a3f2bdc78b44ad0bad2d9ab87b87)
- J. Märts, Orgaaniline keemia: reaktsioonid, mehhanismid ja struktuur, 4 köites, M.: Mir, 1987
- F. Carey, R. Sandberg, Orgaanilise keemia edasijõudnute kursus, 2 köites, M.: Keemia, 1981
- O.A. Reutov, A.L. Kurtz, K.P. Butin, Orgaaniline keemia, 4 osas, M.: “Binom, teadmiste labor”, 1999-2004. (http://edu.prometey.org./library/autor/7883.html)
- Keemia entsüklopeedia, toim. Knunyantsa, M.: “Suur vene entsüklopeedia”, 1992.
On teada, et kõik kompleksained võib jagada orgaanilisteks ja anorgaanilisteks.
Anorgaaniliste ainete koostis võib sisaldada mis tahes perioodilisuse tabeli elementi. Anorgaaniliste ainete peamised klassid on oksiidid, happed, alused ja soolad. Nende ainete omadusi käsitleti kahes esimeses osas.
Orgaaniliste ainete koostis sisaldab tingimata süsinikuaatomit, mis moodustab enamikus orgaanilistes ühendites ahelaid. Need ahelad on erineva pikkusega ja erineva struktuuriga, nii et teoreetiliselt võib orgaanilisi ühendeid olla lõpmatu arv.
Iga orgaanilise ühendi aluseks on süsivesinikahel, mida saab kombineerida funktsionaalrühmadega.
Orgaanilise ühendi omadusi kirjeldatakse vastavalt skeemile:
- määratlus;
- homoloogne seeria;
- isomeeria;
- nomenklatuur (nimed);
- molekulaarstruktuur (süsivesinike ahel ja funktsionaalrühmad);
- struktuuriga seotud omadused
- funktsionaalne rühm;
- süsivesinikradikaal;
- erilised omadused;
- kättesaamine ja kasutamine.
Pärast järgmise õppetunni lugemist proovige kirjeldada uuritavaid ühendeid, kasutades selle diagrammi mis tahes näidet. Ja kõik saab korda!
Orgaanilised ained on inimestele teada juba ammu. Juba iidsetel aegadel kasutati suhkrut, loomseid ja taimseid rasvu, värvaineid ja aromaatseid aineid. Kõik need ained eraldati elust organismid. Seetõttu hakati selliseid ühendeid nimetama orgaaniline ja keemia osa, mis uuris elusorganismide elutegevuse tulemusena tekkinud aineid, kandis nime “ orgaaniline keemia" Selle määratluse andis Rootsi teadlane Berzelius* 1827. aastal.
* Berzelius Jens Jacob(20.08.1779–08.07.1848) – Rootsi keemik. Testis ja tõestas mitmeid keemia põhiseadusi, määras aatommassi 45 keemilised elemendid, tutvustas keemiliste elementide tänapäevast nimetust (1814) ja esimesi keemilisi valemeid, töötas välja mõisted "isomeeria", "katalüüs" ja "allotroopia".
Juba esimesed orgaaniliste ainete uurijad märkisid nende ühendite omadusi. Esiteks, põlemisel moodustavad nad kõik süsinikdioksiidi ja vett, mis tähendab, et need kõik sisaldavad süsiniku- ja vesinikuaatomeid. Teiseks, neid ühendusi oli rohkem keeruline struktuur kui mineraalsed (anorgaanilised) ained. Kolmandaks, tekkisid tõsised raskused nende ühendite saamise ja puhastamise meetoditega. Usuti isegi, et orgaanilisi ühendeid ei saa ilma "elujõu" osaluseta, mis on omane ainult elusorganismidele, see tähendab, et orgaanilisi ühendeid ei saa kunstlikult saada.
Ja lõpuks avastati sama molekulaarse koostisega, kuid erinevate omadustega ühendeid. See nähtus ei olnud tüüpiline anorgaanilistele ainetele. Kui anorgaanilise aine koostis on teada, siis on teada ka selle omadused.
küsimus. Millised omadused on H2SO4-l? Ca(OH)2?
Ja orgaanilised keemikud avastasid, et aine koostisega C 2 H 6 O on mõne teadlase jaoks üsna inertne gaas, teiste jaoks aga vedelik, mis osaleb aktiivselt erinevates reaktsioonides. Kuidas seda seletada?
19. sajandi keskpaigaks oli loodud palju teooriaid, mille autorid püüdsid selgitada neid ja teisi orgaaniliste ühendite tunnuseid. Üks neist teooriatest oli Butlerovi keemilise struktuuri teooria*.
*Butlerov Aleksander Mihhailovitš(15.09.1928–17.08.1886) - vene keemik. Ta lõi orgaaniliste ainete keemilise struktuuri teooria, mis on kaasaegse keemia aluseks. Ta ennustas paljude orgaaniliste ühendite isomeeriat ja pani aluse tautomeeria doktriinile.
Mõned selle sätted visandas A. M. Butlerov 1861. aastal Speyeris toimunud konverentsil, teised sõnastati hiljem aastal teaduslikud tööd A. M. Butlerov. Üldiselt põhisätted see teooriad tänapäevases esitluses võib selle sõnastada järgmiselt.
1. Aatomid molekulides on paigutatud rangesse järjekorda vastavalt nende valentsile.
2. Orgaanilistes molekulides sisalduva süsinikuaatomi valents on alati võrdne neli.
3. Aatomite ühenduste järjekorda molekulis ja aatomitevaheliste keemiliste sidemete olemust nimetatakse keemiline struktuur.
4. Omadused orgaanilised ühendid sõltuvad mitte ainult sellel, millised aatomid ja millistes kogustes molekulis sisalduvad, vaid ka keemilisest struktuurist:
- ained mitmesugused hoonetel on erinev omadused;
- ained sarnased hoonetel on sarnased omadused.
5. Uurides orgaaniliste ühendite omadusi, saab teha järelduse antud aine struktuuri kohta ja kirjeldada seda struktuuri ühe keemilise valemiga.
6. Molekulis olevad aatomid mõjutavad üksteist ja see mõju mõjutab aine omadusi.
Orgaanilise keemia õppimisel peate neid sätteid sagedamini meeles pidama ja enne mis tahes aine omaduste kirjeldamist peaksite selle ära näitama struktuur kasutades keemilist valemit, mis näitab aatomite ühendamise järjekorda molekulis - graafiline valem.
Orgaaniliste ühendite struktuuri tunnused
Orgaaniline keemia uurib süsinikuühendite molekulide ehitust ja omadusi, välja arvatud kõige lihtsamad (süsinik- ja vesiniktsüaniidhapped ning nende soolad).
Anorgaaniliste ühendite koostis võib sisaldada mis tahes 114 praegu teadaolevast keemilisest elemendist. Praeguseks on teada rohkem kui 0,5 miljonit anorgaaniline ained.
Orgaanilised molekulid sisaldavad tavaliselt 6 keemilise elemendi aatomeid: C, H, O, N, P, S. Sellest hoolimata on nüüd teada rohkem 20 miljonit orgaanilineühendused.
Miks on nii palju orgaanilisi aineid?
Kuna iga orgaaniline ühend sisaldab süsinikuaatomit, proovime sellele küsimusele vastust leida süsinikuaatomi struktuuriomadusi arvestades.
Süsinik on 2. perioodi IV rühma keemiline element Perioodilisustabel Seetõttu võib Mendelejevi keemilisi elemente kujutada tema aatomi struktuuri järgmiselt:
Seega on süsinikuaatomi välistasandil neli elektron. Kuna süsinikuaatom on mittemetall, võib see nii loobuda neljast elektronist kui ka vastu võtta neli elektroni kuni välise taseme lõpuni neli elektron. Sellepärast:
- süsinikuaatom orgaanilistes ühendites on alati neljavalentne;
- süsinikuaatomid on võimelised üksteisega ühinema, moodustades ketid erinevad pikkused ja struktuurid;
- süsinikuaatomid on omavahel ja teiste aatomitega ühendatud kovalentse sideme abil, mis on valemis tähistatud kriipsuga; kuna süsinikuaatomi valents on neli, on ka ühe süsinikuaatomi joonte (keemiliste sidemete) koguarv neli.
Süsinikuahelad võivad sisaldada erinevat arvu süsinikuaatomeid: ühest kuni mitme tuhandeni. Lisaks võivad kettidel olla erinevad struktuurid:
Süsinikuaatomite vahel võivad tekkida erinevat tüüpi keemilised sidemed:
Seetõttu võivad ainuüksi neli (!) süsinikuaatomit moodustada rohkem kui 10 erineva struktuuriga ühendit, isegi kui sellised ühendid sisaldavad ainult süsiniku ja vesiniku aatomeid. Nendel ühenditel on näiteks järgmised "süsiniku skeletid":
ja teised.
Ülesanne 17.1. Proovige ise neljast süsinikuaatomist valmistada 2-3 erineva struktuuriga süsinikuaatomite ahelat.
järeldused
Süsinikuaatomite võime moodustada erineva koostise ja struktuuriga SÜSINIKETTE peamine põhjus mitmesugused orgaanilised ühendid.
Orgaaniliste ühendite klassifikatsioon
Kuna orgaanilisi ühendeid on nii palju, klassifitseeritakse need erinevate kriteeriumide järgi:
- süsinikuahela struktuuri järgi- lineaarsed, hargnenud, tsüklilised ühendused;
- keemilise sideme tüübi järgi- küllastunud, küllastumata ja aromaatsed ühendid;
- koostise järgi- süsivesinikud, hapnikku sisaldavad ühendid, lämmastikku sisaldavad ühendid ja teised.
See õpetus uurib erinevate klasside ühendite omadusi, nii et määratlused ja näited antakse hiljem.
Orgaaniliste ühendite valemid
Orgaaniliste ühendite valemeid saab kujutada erineval viisil. Molekuli koostis peegeldab molekulaarne (empiiriline) valem:
Kuid see valem ei näita aatomite paigutust molekulis, see tähendab aine molekuli struktuuri. Ja orgaanilises keemias on see mõiste – aine molekuli keemiline struktuur – kõige olulisem! Aatomite ühendusjärjestus molekulis näitab graafiline (struktuuri)valem. Näiteks aine kohta, mille struktuur on C 4 H 10, võib kirjutada kaks järgmised valemid:
Saab näidata Kõik keemilised sidemed:
Sellised üksikasjalikud graafilised valemid näitavad selgelt, et süsinikuaatom orgaanilistes molekulides on neljavalentne. Graafiliste valemite koostamisel peate esmalt kujutama süsinikahelat, näiteks:
Seejärel kasutage iga süsinikuaatomi valentsi märkimiseks kriipsu:
Igal süsinikuaatomil peab olema neli rida!
Seejärel täitke "vabad" valentsid vesinikuaatomitega (või muude monovalentsete aatomite või rühmadega).
Nüüd saate selle valemi lühendatud kujul ümber kirjutada:
Kui soovite kohe sellise butaani valemi kirjutada, pole midagi keerulist, peate lihtsalt lugema neljani. Pärast süsiniku "skeleti" kujutamist peate endalt küsima: mitu valentsi (joont) sellel konkreetsel süsinikuaatomil on?
Kaks. See tähendab, et peate lisama 2 vesinikuaatomit:
Tuleb meeles pidada, et graafilisi valemeid saab kirjutada erineval viisil. Näiteks võib butaani graafilise valemi kirjutada järgmiselt:
Kuna aatomite paigutuse järjestust ei ole rikutud, on need valemid sama ühendus(!) Saate end proovile panna, mõeldes välja nende ühendite nimed (vt õppetund 17.7). Kui ainete nimetused langevad kokku, siis on tegemist sama aine valemitega.
Isomerism
19. sajandi keskpaigaks, kui oli saadud ja uuritud üsna palju orgaanilisi ühendeid, avastasid orgaanilised keemikud kummaline nähtus: sama koostisega ühenditel olid erinevad omadused! Näiteks gaas, mis reageerib vaevaliselt ja ei reageeri Na-ga, on koostisega C 2 H 6 O. Kuid seal on vedel, mis on sama koostisega ja keemiliselt väga aktiivne. Eelkõige reageeris see vedelik koostisega C2H6O aktiivselt Na-ga, vabastades vesiniku. Ainetel, mis on füüsikaliste ja keemiliste omaduste poolest täiesti erinevad, on sama molekulvalem! Miks? Sellele küsimusele saab vastuse, kasutades Butlerovi orgaaniliste ühendite struktuuri teooriat, mille üks säte ütleb: "Orgaaniliste ühendite omadused sõltuvad nende molekulide keemilisest struktuurist".
Kuna vaadeldavate ühendite keemilised omadused on erinevad, tähendab see, et nende molekulidel on erinev struktuur. Proovime nende ühendite jaoks luua graafilisi valemeid. Aine koostisega C 2 H 6 O saame pakkuda ainult kaks kettide tüüp:
Täites need "skeletid" vesinikuaatomitega, saame:
küsimus. Milline neist ühenditest on võimeline reageerima Na-ga, vabastades vesinikku?
Ilmselgelt on selliseks interaktsiooniks võimeline ainult sidet sisaldav aine (I). "TEMA", mis Ei molekulis (II). Ja gaas H 2 eraldub, kuna side on katkenud "TEMA". Kui side tuleb katkestada, et moodustada vesinik "S-N", siis kuna sellised sidemed eksisteerivad mõlemas aines, eralduks mõlemal juhul gaas H 2. Seega peegeldab valem (I) vedela molekuli struktuuri ja valem (II) - gaasi.
Nimetatakse ühendite olemasolu, millel on sama koostis, kuid erinev keemiline struktuur isomeeria.
ISOMEERID- need on ühendid, millel on sama koostis, kuid mitmesugused keemiline struktuur ja seetõttu erinev omadused.
Seetõttu tuleks orgaaniliste ühendite molekule kujutada graafiliste (struktuursete) valemite abil, kuna sel juhul on see nähtav struktuur uuritav aine, mis tähendab, et saab selgeks, kuidas ja mille tõttu keemiline reaktsioon toimub.
Harjutus 17.1. Leidke isomeerid järgmiste ühendite hulgast:
Lahendus. Kuna isomeeridel on sama koostis, määrame kõigi nende ühendite koostise (molekulvalemid), st arvutame ümber süsiniku- ja vesinikuaatomite arvu:
Vastus. Ühendid a) ja b) on üksteise suhtes isomeersed, kuna neil on sama koostis C4H10
Ühendid c) ja d) on üksteise suhtes isomeersed, kuna neil on sama koostis C5H12, kuid erinev keemiline struktuur.
Ülesanne 17.2. Leidke isomeerid järgmiste ühendite hulgast:
Homoloogid
Butlerovi orgaaniliste ühendite struktuuri teooria samadest sätetest järeldub, et ained, millel on sarnased(sarnane) molekulide struktuur peab olema ja sarnased(sarnased) omadused. Sarnase struktuuriga ja seetõttu ka sarnaste omadustega orgaanilised ühendid moodustavad homoloogseid seeriaid.
Näiteks süsivesinikud, mille molekulid sisaldavad ainult üks kaksikside alkeenid:
Süsivesinikud, mille molekulid sisaldavad ainult lihtsad ühendused, moodustavad homoloogilise seeria alkaanid:
Mis tahes homoloogse seeria liikmeid nimetatakse HOMOLOOGIdeks.
Homoloogid- need on orgaanilised ühendid, mis on keemilise struktuuri ja seega ka omaduste poolest sarnased. Homoloogid on üksteisest erinevad koostise järgi rühma kohta CH2 või (CH2)n.
Kontrollime seda alkeenide homoloogse seeria näitel:
Ülesanne 17.3. Võrrelge alkaanide (alkaanide homoloogide) homoloogse seeria liikmete koostist ja veenduge, et need erinevad koostiselt CH 2 või (CH 2) n rühma järgi.
järeldused
Homoloogid on struktuurilt ja seega ka omadustelt sarnased; homoloogid erinevad koostiselt CH 2 rühma järgi. CH2 rühma nimetatakse homoloogiline erinevus.
Süsivesinike nimetused. Rahvusvahelise nomenklatuuri reeglid
Üksteise mõistmiseks vajame keelt. Inimesed räägivad erinevaid keeli ja ei saa alati üksteisest aru. Keemikud kasutavad üksteise mõistmiseks sama rahvusvahelist keelt. Selle keele aluseks on ühendite nimetused (nomenklatuur).
Orgaaniliste ühendite nomenklatuuri (nimetuste) eeskirjad võeti vastu 1965. aastal. Neid nimetatakse IUPAC-reegliteks*.
* IUPAC- Rahvusvaheline Puhta- ja Rakenduskeemia Liit - Rahvusvaheline Puhta- ja Rakenduskeemia Liit.
Orgaaniliste ühendite nimetused põhinevad homoloogide-alkaanide nimetustel:
- CH 4 - KOHTUSIME ja,
- C2H6- SEE ja,
- C3H8- PROP ja,
- C 4 H 10 - AGA ja**,
- C5H12- PENT ja**,
- C6H14- HEX ja**,
- C7H16- GEPT ja**,
- C8H18- OKT an**.
** Nende ühendite puhul peetakse silmas, et neil on lineaarne struktuur.
Nendes pealkirjades JUURED sõnad (paksus kirjas) - met-, see-, prop- ja nii edasi - märkige süsinikuaatomite arv ahelas:
- KOHTUSIME- 1 süsinikuaatom,
- SEE- 2 süsinikuaatomit,
- PROP- 3 süsinikuaatomit ja nii edasi.
Ülesanne 17.4. Mitu süsinikuaatomit sisaldab ühendite süsinikuahel:
- mett anaalne;
- see muda alkohol;
- prop anon;
- pudel anoviinhape?
Sufiks nimes näitab seoste olemust (tüüpi). Jah, järelliide -en- näitab, et kõik sidemed süsinikuaatomite vahel lihtne.
Ülesanne 17.5. Pidage meeles, mis on homoloogid ja tehke kindlaks, kas alk on homoloogid et s järgmised ained:
- okt et?
- prop et?
- 2-metüülprop et?
Nimedes võib olla muid järelliiteid:
- -en-, kui see on ahelas kahekordneühendus;
- -in-, kui see on ahelas kolmekordneühendus.
Harjutus 17.2. Proovige luua ET jaoks graafilisi valemeid et a, ET et a ja ET sisse A.
Lahendus. Kõigil neil ainetel on juur -SEE-, see tähendab, et need ained hõlmavad .?. süsiniku aatom. Esimene aine sisaldab .?. ühendus, sest järelliide -en-:
Sarnaselt vaieldes saate:
Oletame, et peate kujutama graafilist valemit propina.
1. Juur -rekvisiit- näitab, et ahelas on 3 süsinikuaatomit:
2. Sufiks -in- näitab, et on olemas üks kolmikside:
3. Iga süsinikuaatomi valents on IV. Seetõttu lisame puuduvad vesinikuaatomid: