Органи́ческая хи́мия - раздел химии, изучающий соединения углерода, их структуру, свойства, методы синтеза.Органическими называют соединения углерода с другими элементами. Наибольшее количество соединений углерод образует с так называемыми элементами-органогенами: H, N, O, S, P.Способность углерода соединяться с большинством элементов и образовывать молекулы различного состава и строения обусловливает многообразие органических соединений (к концу XX века их число превысило 10 млн, сейчас более 20 млн[источник не указан 229 дней]). Органические соединения играют ключевую роль в существовании живых организмов.

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

Выделение индивидуальных веществ из растительного, животного или ископаемого сырья

Синтез и очистка соединений

Определение структуры веществ

Изучение механизмов химических реакций

Выявление зависимостей между структурой органических веществ и их свойствами

История

Способы получения различных органических веществ были известны ещё с древности. Египтяне и римляне использовали красители индиго и ализарин, содержащиеся в растительных веществах. Многие народы знали секреты производства спиртных напитков и уксуса из сахар- и крахмалсодержащего сырья.Во времена средневековья к этим знаниям ничего не прибавилось, некоторый прогресс начался только в XVI-XVII в: были получены некоторые вещества, в основном путём перегонки определённых растительных продуктов. В 1769-1785 г. Шееле выделил несколько органических кислот, таких как яблочная, винная, лимонная, галловая, молочная и щавелевая. В 1773 г. Руэль выделил из человеческой мочи мочевину.Выделенные из животного или растительного сырья продукты имели между собой много общего, но отличались от неорганических соединений. Так возник термин «Органическая химия» - раздел химии, изучающий вещества, выделенные из организмов (определение Берцелиуса, 1807 г.). При этом полагали, что эти вещества могут быть получены только в живых организмах благодаря «жизненной силе».Как принято считать, органическая химия как наука появилась в 1828 году когда Фридрих Вёлер впервые получил органическое вещество - мочевину - в результате упаривания водного раствора цианата аммония (NH4OCN).Важным этапом стала разработка теории валентности Купером и Кекуле в 1857 г., а также теории химического строения Бутлеровым в 1861 г. В основу этих теорий были положены четырёхвалентность углерода и его способность к образованию цепей. В 1865 году Кекуле предложил структурную формулу бензола, что стало одним из важнейших открытий в органической химии. В 1875 г. Вант-Гофф и Ле Бель предложили тетраэдрическую модель атома углерода, по которой валентности углерода направлены к вершинам тетраэдра, если атом углерода поместить в центр этого тетраэдра. В 1917 году Льюис предложил рассматривать химическую связь с помощью электронных пар.В 1931 г. Хюккель применил квантовую теорию для объяснения свойств альтернантных ароматических углеродов, чем основал новое направление в органической химии - квантовую химию. В 1933 г. Ингольд провёл изучение кинетики реакции замещения у насыщенного атома углерода, что привело к масштабному изучению кинетики большинства типов органических реакций.Историю органической химии принято излагать в связи с открытиями сделанными в области строения органических соединений, однако такое изложение больше связано с историей химии вообще. Гораздо интереснее рассматривать историю органической химии с позиции материальной базы, т. е. собственно предмета изучения органической химии.На заре органической химии предметом изучения были преимущественно субстанции биологического происхождения. Именно этому факту органическая химия обязана своим названием. Научно-технический прогресс не стоял на месте, и со временем основной материальной базой органической химии стала каменноугольная смола, выделяемая при получении кокса прокаливанием каменного угля. Именно на основе переработки каменноугольной смолы в конце XIX века возник основной органический синтез. В 50-60 годах прошлого века произошёл переход основного органического синтеза на новую базу - нефть. Таким образом появилась новая область химии - нефтехимия. Огромный потенциал, который был заложен в новом сырье вызвал бум в органической химии и химии вообще. Появление и интенсивное развитие такой области как химии полимеров обязана прежде всего новой сырьевой базе.Несмотря на то, что современная органическая химия в качестве материальной базы по прежнему использует сырье биологического происхождения и каменноугольную смолу, объём переработки этих видов химического сырья по сравнению с переработкой нефти мал. Смена материально-сырьевой базы органической химии была вызвана прежде всего возможностями наращивания объёмов производства.

Классификация органических соединений

Правила и особенности классификации:

В основе классификации лежит структура органических соединений. Основа описания структуры - структурная формула. Атомы элементов обозначаются латинскими символами, как они обозначены в периодической таблице химических элементов (таблице Менделеева). Водородные и электронодефицитные связи обозначаются пунктирной линией, ионные связи обозначаются указанием зарядов частиц, входящих в состав молекулы. Поскольку в подавляющее большинство органических молекул входит водород, его обычно не обозначают при изображении структуры. Таким образом, если в структуре у одного из атомов изображена недостаточная валентность, значит, возле этого атома расположен один или несколько атомов водорода.Атомы могут образовывать циклические и ароматические системы.

Основные классы органических соединений

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

предельныенепредельныепредельныенепредельные

с одинарной связьюс двойной связьюс тройной связьюс двумя двойными связямис одинарной связьюс бензольным кольцом

ряд метана (алканы)ряд этилена (алкены)ряд ацетилена (алкины)ряд диеновых углеводородовряд полиметиленов (нафтены)ряд бензола (ароматические углеводороды, или арены).Соединения с гетероатомами в функциональных группах - соединения, в которых углеродный радикал R связан с функциональной группой. По характеру функциональных групп делятся на:

Спирты, фенолы. Спирты́ (устар. алкого́ли, англ. alcohols; от лат. spiritus - дух) - органические соединения, содержащие одну или более гидроксильных групп (гидроксил, −OH), непосредственно связанных с насыщенным (находящемся в состоянии sp³ гибридизации) атомом углерода. Спирты можно рассматривать как производные воды (H−O−H), в которых один атом водорода замещен на органическую функциональную группу: R−O−H. В номенклатуре IUPAC для соединений, в которых гидроксильная группа связана с ненасыщенным (находящемся в состоянии sp2 гибридизации атомом углерода, рекомендуются названия «енолы» (гидроксил связан с винильной C=C связью) и «фенолы» (гидроксил связан с бензольным или другим ароматическим циклом).

Простые эфиры (этеры) - органические вещества, имеющие формулу R-O-R1, где R и R1 - углеводородные радикалы. Необходимо учитывать, что такая группа может входить в состав других функциональных групп соединений, не являющихся простыми эфирами (например, Кислородсодержащие органические соединения).

Сложные эфиры (эстеры) - производные оксокислот (как карбоновых так и минеральных) RkE(=O)l(OH)m, (l ≠ 0), формально являющиеся продуктами замещения атомов водорода гидроксилов -OH кислотной функции на углеводородный остаток (алифатический, алкенильный, ароматический или гетероароматический); рассматриваются также как ацилпроизводные спиртов. В номенклатуре IUPAC к сложным эфирам относят также ацилпроизводные халькогенидных аналогов спиртов (тиолов, селенолов и теллуролов). Отличаются от простых эфиров, в которых два углеводородных радикала соединены атомом кислорода (R1-O-R2).

Соединения, содержащие карбонильную группу

Альдегиды (от лат. alcohol dehydrogenatum - спирт, лишённый водорода) - класс органических соединений, содержащих карбонильную группу (С=О) с одним алкильным или арильным заместителем.

Кетоны - это органические вещества, в молекулах которых карбонильная группа связана с двумя углеводородными радикалами. Общая формула кетонов: R1–CO–R2. Наличие в кетонах именно двух атомов углерода, непосредственно связанных с карбонильной группой, отличает их от карбоновых кислот и их производных, а также альдегидов.

Хиноны - полностью сопряжённые циклогексадиеноны и их аннелированные аналоги. Существуют два класса хинонов: пара-хиноны с пара - расположением карбонильных групп (1,4-хиноны) и орто-хиноны с орто-расположением карбонильных групп (1,2-хиноны). Благодаря способности к обратимому восстановлению до двухатомных фенолов некоторые производные пара-хинонов участвует в процессах биологического окисления в качестве коферментов ряда оксидоредуктаз.

Соединения, содержащие карбоксильную группу (Карбоновые кислоты, сложные эфиры)

Металлоорганические соединения

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

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

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

Строение органических молекул

Органические молекулы в основном образованы ковалентными неполярными связями C-C, или ковалентными полярными типа C-O, C-N, C-Hal. Согласно октетной теории Льюиса и Косселя молекула является устойчивой, если внешние орбитали всех атомов полностью заполнены. Для таких элементов как C, N, O, Галогены необходимо 8 электронов, чтобы заполнить внешние валентные орбитали, для водорода необходимо только 2 электрона. Полярность объясняется смещением электронной плотности в сторону более электроотрицательного атома.

Классическая теория валентных связей не в состоянии объяснить все типы связей, существующие в органических соединениях, поэтому современная теория использует методы молекулярных орбиталей и квантовохимические методы.

Строение органического вещества

Свойства органических веществ определяются не только строением их молекул, но и числом и характером их взаимодействий с соседними молекулами, а также взаимным пространственным расположением. Наиболее ярко эти факторы проявляются в различии свойств веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях. Так, вещества, легко взаимодействующие в виде газа, могут совершенно не реагировать в твёрдом состоянии, или приводить к другим продуктам.

В твёрдых органических веществах, в которых наиболее ярко проявляются эти факторы, различают органические кристаллы и аморфные тела. Их описанием занимается наука "химия органического твёрдого тела", основание которой связывают с именем советского физика-кристаллографа А. И. Китайгородского. Примеры полезных органических твёрдых тел - органические люминофоры, разнообразные полимеры, сенсоры, катализаторы, электропроводники, магниты и др.

Особенности органических реакций

В неорганических реакциях обычно участвуют ионы, они проходят быстро и до конца при комнатной температуре. В органических реакциях часто происходят разрывы ковалентных связей с образованием новых. Как правило, эти процессы требуют особых условий: определённой температуры, времени реакции, и часто наличия катализатора. Обычно протекает не одна, а сразу несколько реакций, поэтому выход целевого вещества зачастую не превышает 50 %. Поэтому при изображении органических реакций используют не уравнения, а схемы без расчёта стехиометрии.

Реакции могут протекать очень сложным образом и в несколько стадий, не обязательно так, как реакция условно изображена на схеме. В качестве промежуточных соединений могут возникать карбкатионы R+, карбанионы R−, радикалы R·, карбены CX2, катион-радикалы, анион-радикалы, и другие активные или нестабильные частицы, обычно живущие доли секунды. Подробное описание всех превращений, происходящих на молекулярном уровне во время реакции, называется механизмом реакции.Реакции классифицируются в зависимости от способов разрыва и образования связей, способов возбуждения реакции, её молекулярности.

Определение структуры органических соединений

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

Существует несколько методов решения этих задач.

Элементный анализ. Заключается в том, что вещество разлагается на более простые молекулы, по количеству которых можно определить количество атомов, входящее в состав соединения. С помощью этого метода невозможно установить порядок связей между атомами. Часто используется лишь для подтверждения предположенной структуры.

Инфракрасная спектроскопия и спектроскопия комбинационного рассеяния (ИК-спектроскопия и КР-спектроскопия). Вещество взаимодействует с электромагнитным излучением (светом) инфракрасного диапазона (в ИК-спектроскопии наблюдают поглощение, в КР-спектроскопии - рассеяние излучения). Этот свет при поглощении возбуждает колебательные и вращательные уровни молекул. Опорными данными являются число, частота и интенсивность колебаний молекулы, связанных с изменением дипольного момента (ИК-спектроскопия) или поляризуемости (КР-спектроскопия). Методы позволяют установить наличие определённых функциональных групп в молекуле. Часто используются и для того чтобы подтвердить идентичность исследуемого вещества с некоторым уже известным веществом путём сравнения спектров.

Масс-спектроскопия. Вещество при определённых условиях (электронный удар, химическая ионизация и др.) превращают в ионы без потери атомов (молекулярные ионы) и с потерей (осколочные). Позволяет определить молекулярный вес и иногда позволяет установить наличие различных функциональных групп.

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Основан на взаимодействии ядер, обладающих собственным магнитным моментом (спином) и помещённых во внешнее постоянное магнитное поле, с электромагнитным излучением радиочастотного диапазона. Один из главных методов, который может быть использован для определения химической структуры. Метод используют также для изучения пространственного строения молекул, динамики молекул. В зависимости от ядер, взаимодействующих с излучением различают, например:Метод протонного магнитного резонанса (ПМР). Позволяет определить положение атомов водорода 1H в молекуле.Метод ЯМР 19F. Позволяет определить наличие и положение атомов фтора в молекуле.Метод ЯМР 31P. Позволяет определить наличие, положение и валентное состояние атомов фосфора в молекуле.Метод ЯМР 13С. Позволяет определить число и типы атомов углерода в молекуле. Используется для исследования формы углеродного скелета молекулы.

В отличие от первых трёх в последнем методе используется неосновной изотоп элемента, поскольку ядро основного изотопа углерода - 12С имеет нулевой спин и не может наблюдаться методом ядерного магнитного резонанса, так же как и ядро 16O - единственного природного изотопа кислорода.Метод ультрафиолетовой спектроскопии (УФ-спектроскопия) или Спектроскопия электронных переходов. Метод основан на поглощении электромагнитного излучения ультрафиолетовой и видимой области спектра при переходе электронов в молекуле с верхних заполненных уровней на вакантные уровни (возбуждение молекулы). Чаще всего используется для определения наличия и характеристик коньюгированных π-систем.Методы аналитической химии. Позволяют определить наличие некоторых функциональных групп по специфическим химическим реакциям, факт протекания которых можно фиксировать визуально или с помощью других методов.

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

Из всего многообразия химических соединений большая часть (свыше четырех миллионов) содержит углерод. Почти все они относятся к органическим веществам. Органические соединения встречаются в природе, например углеводы, белки, витамины, они играют важную роль в жизнедеятельности животных и растений. Многие органическиё вещества и их смеси (пластмассы, каучук, нефть, природный газ и другие) имеют большое значение для развития народного хозяйства страны.

Химия соединений углерода называется органической химией. Так определил предмет органической химии великий русский химик-органик А.М. Бутлеров. Однако не все соединения углерода принято относить к органическим. Такие простейшие вещества, как оксид углерода (II) СО, диоксид углерода СО2, угольная кислота Н2СО3 и ее соли, например, СаСО3, К2СО3, относят к неорганическим соединениям. В состав органических веществ кроме углерода могут входить и другие элементы. Наиболее часто - это водород, галогены, кислород, азот, сера и фосфор. Существуют также органическиё, вещества, содержащие другие элементы, в том числе металлы.

2. Строение атома углерода (С), структура его электронной оболочки

2.1 Значение атома углерода (С) в химическом строении органических соединений

УГЛЕРОД (лат. Carboneum), С, химический элемент подгруппы IVa периодической системы; атомный номер 6, атомная масса 12,0107, относится к неметаллам. Природный углерод состоит из двух стабильных нук лидов - 12С (98,892% по массе) и 13С (1,108%) и одного нестабильного - С с периодом полураспада 5730 лет.

Распространённость в природе. На долю углерода приходится 0,48% от массы земной коры, в которой он по содержанию занимает среди других элементов 17-е место. Основные углерод-содержащие породы - природные карбонаты (известняки и доломиты); количество углерода в них составляет около 9,610 т.

В свободном состоянии углерод встречается в природе в виде горючих ископаемых, а также в виде минералов - алмаза и графита. Около 1013 т углерода сосредоточено в таких горючих ископаемых, как каменный и бурый уголь, торф, сланцы, битумы, образующих мощные скопления в недрах Земли, а также в природных горючих газах. Алмазы чрезвычайно редки. Даже алмазоносные породы (кимберлиты) содержат не более 9-10 % алмазов массой, как правило, не более 0,4 г. Найденным крупным алмазам обычно присваивают особое название. Самый большой алмаз «Куллинан» весом 621,2 г (3106 карат) был найден в Южной Африке (Трансвааль) в 1905 г., а самый большой русский алмаз «Орлов» весом 37,92 г (190 карат) -в Сибири в середине 17 в.

Чёрно-серый непрозрачный жирный на ощупь с металлическим блеском графит представляет собой скопление плоских полимерных молекул из атомов углерода, непрочно наслоённых друг на друга. При этом атомы внутри слоя связаны между собой сильнее, чем атомы между слоями.

Другое дело алмаз. В его бесцветном, прозрачном и сильно преломляющем свет кристалле каждый атом углерода связан химическими связями с четырьмя такими же атомами, расположенными в вершинах тетраэдра. Все связи одинаковы по длине и очень прочны. Они образуют в пространстве непрерывный трёхмерный каркас. Весь кристалл алмаза представляет собой как бы одну гигантскую полимерную молекулу, не имеющую «слабых» мест, т.к. прочность всех связей одинакова.

Плотность алмаза при 20°С равна 3,51 г/см 3 , графита - 2,26 г/см 3 . Физические свойства алмаза (твёрдость, электропроводность, коэффициент термического расширения) практически одинаковы по всем направлениям; он является самым твёрдым из всех найденных в природе веществ. В графите же эти свойства по разным направлениям - перпендикулярному или параллельному слоям атомов углерода - сильно различаются: при небольших боковых усилиях параллельные слои графита сдвигаются друг относительно друга и он расслаивается на отдельные чешуйки, оставляющие след на бумаге. По электрическим свойствам алмаз - диэлектрик, графит же проводит электрический ток.

Алмаз при нагревании без доступа воздуха выше 1000 °С превращается в графит. Графит при постоянном нагревании в тех же условиях не изменяется вплоть до 3000°С, когда он возгоняется без плавления. Прямой переход графита в алмаз происходит только при температуре выше 3000°С и огромном давлении - около 12 ГПа.

Третья аллотропная модификация углерода -карбин - получена искусственно. Это мелкокристаллический чёрный порошок; в его структуре длинные цепочки атомов углерода расположены параллельно друг другу. Каждая цепочка имеет строение (-С=С) Л или (=С=С=) Л. Плотность карбина средняя между графитом и алмазом -2,68-3,30 г/см 3 . Одна из важнейших особенностей карбина - его совместимость с тканями человеческого организма, что позволяет применять его, например, при изготовлении не-отторгаемых организмом искусственных кровеносных сосудов (рис. 1).

Название своё фуллерены получили не в честь химика, а по имени американского архитектора Р. Фуллера, который предложил строить ангары и другие сооружения в виде куполов, поверхность которых образуют пяти- и шестиугольники (такой купол построен, например, московском парке «Сокольники»).

Для углерода характерно также состояние с неупорядоченной структурой - это т. наз. аморфный углерод (сажа, кокс, древесный уголь) рис. 2. Получение углерода (С):

Большинство окружающих нас веществ - органические соединения. Это ткани животных и растений, наша пища, лекарства, одежда (хлопчатобумажные, шерстяные и синтетические волокна), топливо (нефть и природный газ), резина и пластмассы, моющие средства. В настоящее время известно более 10 миллионов таких веществ, и число их каждый год значительно возрастает благодаря тому, что учёные выделяют неизвестные вещества из природных объектов и создают новые, не существующие в природе соединения.

Такое многообразие органических соединений связано с уникальной особенностью атомов углерода образовывать прочные ковалентные связи, как между собой, так и с другими атомами. Атомы углерода, соединяясь друг с другом как простыми, так и кратными связями, могут образовывать цепочки практически любой длины и циклы. Большое разнообразие органических соединений связано также с существованием явления изомерии.

Почти все органические соединения содержат также водород, часто в их состав входят атомы кислорода, азота, реже - серы, фосфора, галогенов. Соединения, содержащие атомы любых элементов (за исключением О, N, S и галогенов), непосредственно связанные с углеродом, объединены под названием элементоорганические соединения; основную группу таких соединений составляют металлоорганические соединения (рис. 3).

Огромное число органических соединений требует их четкой классификации. Основу органического соединения составляет скелет молекулы. Скелет может иметь открытую (незамкнутую) структуру, тогда соединение называют ациклическим (алифатическим; алифатические соединения называют также соединениями жирного ряда, т.к. они впервые были выделены из жиров), и замкнутую структуру, тогда его называют циклическим. Скелет может быть углеродным (состоять только из атомов углерода) либо содержать другие, отличные от углерода атомы - т. наз. гетероатомы, чаще всего кислород, азот и серу. Циклические соединения подразделяют на карбоцикличе-ские (углеродные), которые могут быть ароматическими и алициклическими (содержащими один или несколько циклов), и гетероциклические.

Атомы водорода и галогенов в скелет не входят, а гетероатомы входят в скелет лишь в том случае, если они имеют, по меньшей мере, две связи с углеродом. Так, в этиловом спирте СН3СН2ОН атом кислорода не включён в скелет молекулы, а в диметиловом эфире СН3ОСН3 включён в него.

Кроме того, ациклический скелет может быть неразветвлённым (все атомы расположены в один ряд) и разветвлённым. Иногда неразветвлённый скелет называют линейным, однако следует помнить, что структурные формулы, которыми мы чаще всего пользуемся, передают лишь порядок связи, а не реальное расположение атомов. Так, «линейная» углеродная цепь имеет зигзагообразную форму и может закручиваться в пространстве различными способами.

В скелете молекулы различают четыре типа атомов углерода. Принято атом углерода называть первичным, если он образует только одну связь с другим атомом углерода. Вторичный атом связан с двумя другими атомами углерода, третичный - с тремя, а четвертичный все свои четыре связи затрачивает на образование связей с атомами углерода.

Следующим классификационным признаком является наличие кратных связей. Органические соединения, содержащие только простые связи, называются насыщенными (предельными). Соединения, содержащие двойные или тройные связи, называются ненасыщенными (непредельными). В их молекулах на один атом углерода приходится меньшее число атомов водорода, чем в предельных. Циклические ненасыщенные углеводороды ряда бензола выделяют в отдельный класс ароматических соединений.

Третьим классификационным признаком является наличие функциональных групп-групп атомов, характерных для данного класса соединений и определяющих его химические свойства. По количеству функциональных групп органические соединения делятся на монофункциональные - содержат одну функциональную группу, полифункциональные - содержат несколько функциональных групп, например глицерин, и гетерофунк-циональные - в одной молекуле несколько различных групп, например аминокислоты.

В зависимости от того, у какого атома углерода находится функциональная группа, соединения делятся на первичные, например этилхлорид СН 3 СН 2 С1, вторичные - изопропилхлорид (СНз)2СНС1 и третичные - бутилхлорид (СН 8) 8 ССl.

1.1 Теория строения органических веществ :

Теория Бутлерова явилась научным фундаментом органической химии и способствовала быстрому ее развитию. Опираясь на положения теории, А.М. Бутлеров дал объяснение явлению изомерии , предсказал существование различных изомеров и впервые получил некоторые из них. Так он впервые экспериментально доказал отличие бутана (C 4 H 10) от изобутана (C 4 H 10), несмотря на общую молекулярную формулу. Основные положения теории А. М. Бутлерова заключаются в следующем:

1. В молекулах соединений существует определенный порядок связи атомов, который и носит название строения.

2. Химические свойства соединения определяются составом и строением его молекул.

Для пояснения этих положений можно привести тот факт, что изменение последовательности расположения атомов приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами. Например, составу вещества С 2 Н 6 О отвечают два разных соединения: диметиловый эфир (СН 3 –О–СН 3) и этиловый спирт (С 2 Н 5 ОН).

3. Различное строение при одном и том же составе и молекулярной массе вещества обуславливает явление изомерии.

4. Химический характер атомов, входящих в молекулу, меняется в зависимости от того, с какими атомами они связаны в данной молекуле.

1.2 Виды изомерии.

· Изомерия – явление существования соединений, которые имеют одинаковый состав (одинаковую молекулярную формулу), но разное строение. Такие соединения называются изомерами . В связи с многообразием органических веществ видов изомерии существует несколько. Вот некоторые из них:

· Изомерия углеродного скелета (структурная изомерия).

В молекуле углеродная цепь может быть линейной, или разветвленной.

Пример: н – бутан (линейная)

изобутан; 2 метил пропан (разветвленная)

Углеродные атомы, составляющие цепочку в молекулах углеводородов, и их производных могут быть первичными, вторичными, третичными и четвертичными.

Первичные атомы (I) углерода соединены с одним соседним атомом углерода, вторичные атомы (II) – соответственно с двумя, третичные атомы (III) – с тремя атомами углерода и четвертичные – с четырьмя. В молекуле 2 – метилбутана показаны рассматриваемые атомы углерода.

· Изомерия положения кратной связи.

бутен-1,

· Изомерия гомологических рядов (межвидовая).

Молекулы, относящиеся к разным классам углеводородов, например, алкадиены и алкины имеют одинаковую молекулярную формулу, но различаются по структуре, а, следовательно, и свойствам.

Бутадиен 1, 3

бутин-1.

· Геометрическая изомерия (пространственная).

Характерна для соединений, имеющих одну или несколько двойных связей. Если рассматривать двойную связь как плоскость, то заместители, располагающиеся у атомов углерода по двойной связи, имеют разное положение по отношению к плоскости двойной связи.

цис – бутен-2 транс – бутен-2

Так, в молекуле бутена-2 группы СН 3 могут находиться либо по одну сторону от плоскости двойной связи в цис –изомере, либо по разные стороны в транс –изомере.

1.3 Классификация органических веществ

Самыми простыми по составу органическими молекулами являются углеводороды, они получили свое название потому, что состоят только из углерода и водорода. Углеводороды являются родоначальниками всех других классов органических соединений.

Классифицируют органические вещества по наличию и порядку соединения атомов в их молекулах. В зависимости от порядка соединения атомов углерода в этой цепи вещества делятся на ациклические, не содержащие замкнутых цепей атомов углерода в молекулах, и карбоциклические, содержащие такие цепи (циклы) в молекулах (см. схему).

В этом пособии детально будут рассмотрены предельные, непредельные и ароматические углеводороды, т. к. залог понимания всей органической химии лежит в усвоении простых вещей: основных классов органических веществ, закономерностей реакций, протекающих в них. В общем виде свойства рассматриваемых классов веществ, предложены в таблице 1.

Таблица 1

Сводная таблица по классам органических соединений (углеводородов) и их химическим свойствам.

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ - раздел химии, естественнонаучная дисциплина, предметом изучения к-рой являются органические соединения, т. е. соединения углерода с другими элементами, а также законы превращения этих веществ; иногда органическую химию определяют как химию углеводородов и их производных.

Влияние О. х. на развитие биологии и медицины очень велико. Все живое построено в основном из органических соединений (см.), и обмен веществ, лежащий в основе жизненных процессов, представляет собой превращения гл. обр. органических соединений. О. х. лежит в основе биохимии (см.) - науки, являющейся одной из естественнонаучных основ медицины. Большинство лекарственных веществ представляет собой органические соединения; поэтому О. х. наряду с физиологией и биохимией является основой фармакологии (см.). Методы О. х. сыграли важную роль в установлении строения нуклеиновых к-т, многих белков и других сложных природных соединении; с их помощью были раскрыты механизмы и регуляция синтеза белков. Благодаря возросшим возможностям органического синтеза были искусственно получены такие сложные природные вещества, как полинуклеотиды с заданным чередованием нуклеотидных звеньев, цианокобаламин и др.

Успехом органич. химии, имеющим принципиальное значение, явилась разработка методов синтеза многих биологически активных полипептидов, в т. ч. ферментов и нек-рых гормонов или их фармакологически активных аналогов, а также многих лекарственных средств.

Кроме того, большое значение приобрели методы О. х. в совр, технологии производства каучуков, пластмасс, синтетических красителей, пестицидов, гербицидов, стимуляторов роста растений.

О. х. изучает тонкое строение органических веществ: порядок соединения атомов в их молекулах, взаимное пространственное расположение атомов в молекулах органических соединений, электронное строение атомов и их связей в органических соединениях. Кроме того, предметом О. х. является изучение органических реакций, в т. ч. их кинетики (см. Кинетика биологических процессов), энергетики и электронных механизмов, а также разработка новых методов синтеза органических веществ в лабораторных и производственных условиях.

Разделы О. х. посвящены изучению отдельных групп органических веществ в соответствии с их классификацией, напр, химия углеводородов, химия аминокислот и т. д., или общетеоретическим вопросам, напр, стереоизомерия органических соединений, механизмы органических реакций, а также практически важным аспектам О. х., напр, химия красителей, химия органических лекарственных средств и т. д.

Органические соединения и нек-рые их свойства были известны людям с древних времен; уже тогда знали о спиртовом и уксусном брожении, крашении индиго и ализарином и т. п.

Начиная с 16 века - периода ятрохимии (см.)- исследования были направлены в основном на выделение и использование различных органических лекарственных веществ: из растений были выделены эфирные масла, приготовлен диэтиловый эфир, сухой перегонкой древесины получены метиловый (древесный) спирт и уксусная к-та, перегонкой янтаря - янтарная к-та. Однако возникновение О. х. как самостоятельной научной дисциплины относится лишь к 19 в. Впервые понятие «органическая химия» было использовано И. Берцелиусом, к-рый называл так химию веществ, образующихся в организме животных и растений. Важными этапами становления О. х. было осуществление первых хим. синтезов органических веществ - щавелевой к-ты и мочевины, показавшее возможность получения органических соединений вне живого организма, без участия «жизненной силы» (см. Витализм). Эти синтезы, а также работы Ю. Либиха, доказавшего, что во всех образующихся в живом организме (органических) веществах содержится углерод, способствовали появлению определения О. х. как химии соединений углерода, предложенного Л. Гмелином. С первой четверти 19 в. начались попытки обобщить фактический материал, имеющийся в распоряжении О. х., в виде тех или иных теорий. Первой такой теорией можно считать теорию радикалов, сформулированную Ж. Гей-Люссаком, согласно к-рой молекулы органических веществ состоят из групп атомов - радикалов, постоянных и неизменных и способных переходить из одного соединения в другое. Такие радикалы, по мнению Ж. Гей-Люссака, могут длительное время существовать в свободном состоянии, а в молекуле они удерживаются благодаря своим разноименным зарядам. Представление о радикалах как группах атомов, способных переходить из одной молекулы в другую, сохранилось и поныне. Однако все остальные положения этой теории оказались ошибочными.

Вслед за теорией радикалов появилась теория типов Жерара (F. Gerard) и Лорана (A. Laurent). По этой теории все органические вещества представляют собой соединения, образованные путем замены определенных атомов в молекуле нек-рых неорганических веществ (напр., воды, аммиака и др.) на органические остатки. Т. о. могут быть получены органические соединения, относящиеся к типам воды (спирты, простые эфиры), типам аммиака (первичные, вторичные и третичные амины) и т. д. Теория типов в свое время сыграла положительную роль, т. к. она позволила создать первую классификацию органических веществ, нек-рые элементы к-рой сохранились и в позднейших классификациях. Однако по мере накопления фактов и знакомства с более сложными веществами теория типов все чаще оказывалась несостоятельной.

Важным этапом в развитии О. х. явилось создание теории строения органических соединений. Одной из предпосылок создания этой теории было установление Кекуле (F. A. Kekule) в 1857 г. постоянной четырехвалентности углерода и открытие Купером (A. Cooper) в 1858 г. способности атомов углерода соединяться друг с другом, образуя цепи. Создателем теории строения органических соединений явился А. М. Бутлеров (1861). Основные положения этой теории заключаются в следующем. Все атомы, образующие молекулу органического вещества, связаны в определенной последовательности; они могут быть связаны одинарной -С-С-, двойной >С=С< или тройной -С-С- связью. От строения молекул, т. е. от порядка соединения атомов и характера связей между ними, зависят свойства вещества; этими положениями объяснялось непонятное ранее явление изомерии (см.). Хим. свойства каждого атома и атомной группы не неизменны, они зависят от других атомов и атомных групп, присутствующих в молекуле. Это положение теории строения органических соединений о взаимном влиянии атомов было развито учеником А. М.Бутлерова - В. В. Марковниковым. Теория А. М. Бутлерова, глубоко материалистическая, дает возможность выбрать наилучшую схему синтеза и по формуле строения, как по чертежу, синтезировать разнообразные органические вещества.

С момента создания теории строения органических соединений начинается интенсивное развитие О. х. Многие разделы О. х. становятся теоретической основой для ряда отраслей промышленности (химия топлива, химия красителей, химия лекарственных средств и т. д.).

В развитии О. х. выдающуюся роль сыграли также H. Н. Зинин, С. В. Лебедев, А. Е. Фаворский, Н. Д. Зелинский, В. М. Родионов, А. Н. Несмеянов, А. П. Орехов и многие другие. Среди зарубежных ученых в области О. х. широко известны Л. Пастер, Э. Фишер, Бертло (Р. E. М. Berthelot), А. Байер, Р. Вилъштеттер, Вудворд (R. В. Woodward) и др.

Под влиянием бурного развития физики в теории О. х. стали широко использоваться принципы квантовой, или волновой механики (см. Квантовая теория). Возникли понятия об орбиталях электрона (пространствах атома, в к-рых вероятность пребывания электрона наиболее велика). Электронные представления в О. х. дали возможность понять и классифицировать разнообразные факты взаимного влияния атомов, в основе к-рого, как выяснилось, лежит перераспределение электронной плотности. Большое внимание в О. х. уделяется изучению электронногомеханизма органических реакций. Эти реакции протекают с образованием свободных радикалов, имеющих атом с неспаренным электроном, магнитно некомпенсированным, а потому активным, или же ионов, несущих положительный или отрицательный заряд (карбокатионов и карбоанионов).

Глубокая связь О. х. с физикой и физической химией (см.) проявляется не только в изучении электронной природы хим. связей, взаимного влияния атомов и электронных механизмов реакций, но и в широкой разработке проблем кинетики и энергетики хим. реакций.

Особенностью О. х. второй половины 20 в. являются ее успехи в расшифровке строения и в синтезе таких сложнейших природных веществ, как белки (см.), нуклеиновые кислоты (см.) и др. Залогом успеха в этой области явилось установление взаимного пространственного расположения атомов в молекулах, т. е. стереохимии (см.) и конформации органических молекул (см. Конформация). Параллельно была решена задача изучения причин оптической изомерии и синтеза оптически активных соединений.

К успехам О. х. следует отнести открытие и изучение новых классов органических соединений, среди к-рых первое место занимают небензольные ароматические соединения (циклопеитадиенильный анион и металлоцены, катион тропилия, азу-лены и др.), нек-рые группы элемент-органических соединений с очень ценными в практическом отношении свойствами.

Во второй половине 20 в. продолжается дальнейшее сближение О. х. с биохимией и биологией, в результате к-рого возник новый раздел химии - биоорганическая химия.

Успехи О. х. стали возможны благодаря широкому использованию наряду с химическими ряда физических методов, к к-рым прежде всего относятся дифракционные методы (рентгенография и электронография), оптическая спектроскопия (в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра), магнитная радиоспектроскопия: электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ядерный магнитный резонанс (ЯМР), масс-спектрометрия, определение электрических моментов диполя. Среди названных методов наиболее эффективным по информативности является ядерный магнитный резонанс (см.), в т. ч. его разновидности - протонно-магннтный резонанс и находящий все большее применение метод 13С-ЯМР. Эти методы не только во много раз ускорили расшифровку строения молекул органических соединений, но и позволили создать условия для получения их полной геометрической и энергетической характеристики, а также раскрыть электронные механизмы реакций. В органической химии используют и биохим, методы, напр, строго специфичные ферментативные методы, иммунол, методы и т. п.

С развитием естествознания появились такие новые дисциплины, как молекулярная патология и молекулярная фармакология. Все большее число болезней удается объяснить появлением в тканях измененных молекул органических веществ. Бурно развивающаяся молекулярная фармакология позволяет найти в клетках и охарактеризовать большое число рецепторов, специфически связывающих изучаемое лекарственное вещество. Изучение рецепторов на молекулярном уровне открывает перспективы для поисков новых лекарственных средств. Проникновение О. х. в биологию и медицину позволило вскрыть сущность нек-рых процессов, считавшихся ранее чисто биологическими. Так, было установлено, что наследственные признаки организмов «записаны» в молекулах ДНК в виде определенной последовательности нуклеотидов. О. х. проникла и в самую сложную сферу - в сферу изучения психической деятельности человека. Оказалось возможным одними органическими веществами вызвать у здорового человека галлюцинации, подобные галлюцинациям у психически больных, другими веществами эти галлюцинации снять. Из мозга человека и животных были выделены пептиды, обладающие действием, подобным действию морфина и его аналогов (см. Опиаты эндогенные). Возможно, что нарушение биосинтеза или рецепции этих пептидов лежит в основе патогенеза психических заболеваний, а органический синтез их устойчивых к действию пептидаз крови аналогов будет иметь огромное значение для анестезиологии, психиатрии и т. д.

По-видпмому, самые эффективные достижения следует ожидать именно в тех областях О. х., к-рые граничат с биологией и медициной. Это раскрытие хим. основ злокачественного роста п борьбы со злокачественными опухолями, расшифровка хим. основ памяти, механизма динамики развития и дифференцировки тканей, раскрытие хим. основ иммунитета и т. д. В областях О. х., пограничных с физикой и физической химией, будут продолжаться исследования по более глубокому проникновению в природу хим. связи между атомами в органической молекуле, будут более точно установлены количественные соотношения между строением и реакционной способностью таких молекул, глубже изучены механизмы реакций, в к-рые вступают органические соединения. В СССР научную работу по О. х. проводят НИИ АН СССР: Ин-т органической химии им. Н. Д. Зелинского (ИОХ), Ин-т органической и физической химии им. А. Е. Арбузова (ИОФХ), Ин-т нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева (ИНХС), Ин-т элементоорганических соединений (ИНЭОС), Ин-т биоорганической химии им. М. М. Шемякина, H PI И Сибирского отделения АН СССР: Новосибирский ин-т органической химии (НИОХ), Иркутский ин-т органической химии (ИНОХ), Ин-т химии нефти, а также НИИ республиканских академий - ин-ты органической химии Армянской ССР, Киргизской ССР, УССР, Ин-т тонкой органической химии им. А. Л. Мгджаяна (Арм. ССР), Ин-т физикоорганической химии (БССР), Ин-т физической и органической химии им. П. Г. Меликишвили (Груз. ССР), Ин-т органического синтеза (Латв. ССР) и др.

Национальный комитет советских химиков является членом Международного союза чистой и прикладной химии - IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemie), к-рый организует один раз в два года конгрессы, конференции и симпозиумы, в т. ч. и по органической химии.

В связи с общей тенденцией медицины приблизиться к молекулярному уровню медик должен ясно представлять себе строение и пространственную конфигурацию молекул веществ, принимающих участие в метаболизме (нуклеиновых к-т, белков, ферментов, коферментов, углеводов, липидов и т. д.) в норме и патологии, а также строение молекул лекарственных средств.

О. х. является основой для изучения в медвузах и средних мед. учебных заведениях биохимии, фармакологии, физиологии и других дисциплин. Ей посвящен самостоятельный курс или она читается в составе курса по общей химии. Многие данные, полученные в исследованиях по О. х., используются в физической и коллоидной химии, биологии, гистологии, патофизиологии, общей гигиене, курсе профзаболеваний и т. д.

Библиография: Ингольд К. Теоретические основы органической химии, пер. с англ., М., 1973; Крам Д. и X э м-м о н д Дж. Органическая химия, пер. с англ., М., 1964; Матье Ж.-П. и П а-н и ко Р. Курс теоретических основ органической химии, пер. с франц., М., 1975; M о p р и сон Р. и Б о й д Р. Органическая химия, пер. с англ., М., 1974; Несмеянов А. Н. и Несмеянов Н. А. Начала органической химии, т. 1-2, М., 1974; Пальм В. А. Введение в теоретическую органическую химию, М., 1974; Райд К. Курс физической органической химии, пер. с англ., М., 1972; P е-в о А. Я. и 3 e л e н к о в а В. В. Малый практикум по органической химии, М., 1980; Реутов О. А. Теоретические проблемы органической химии, М., 1964; Робертс Дж. и К а с е-р и о М. Основы органической химии, пер. с англ., т. 1-2, М., 1978; С тепа-ненко Б. Н. Курс органической химии, ч. 1-2, М., 1976; он же, Курс органической химии, М., 1979.

Периодические издания - Журнал общей химии, М.- Л., с 1931; Журнал органической химии, М.- Л., с 1965; Химия гетероциклических соединений, Рига, с 1965; Химия природных соединений, Ташкент, с 1965; Bulletin de la Societe chi-mique de France, P., с 1863; Journal of the Chemical Society, Perkin Transaction, I. Organic and Bio-organic Chemistry, II. Physical Organic Chemistry, L., с 1972; Journal of Heterocyclic Chemistry, L., с 1964; Journal of Organic Chemistry, Washington, с 1936; Journal of the Orgariometailic Chemistry, Lausanne, с 1964; Journal of the Society of Organic Synthetic Chemistry of Japan, Tokyo, с 1943; Justus Liebigs Anna-len der Chemie, Weinheim, с 1832; Organic Magnetic Resonance, L., с 1969; Organic Mass Spectrometry, L., с 1968; Organic Preparations and Procedures, N. Y., с 1969; Synthesis, Stuttgart, с 1969; Synthetic Communication, N. Y., с 1971; Tetrahedron, N. Y.- L., с 1957; Tetrahedron Letters, L., с 1959.

Б. H. Степаненко.

Органическая химия – наука, изучающая соединения углерода, назы­ваемые органическими веществами. В связи с этим органиче­скую химию называют также химией соединений углерода.

Важнейшие причины выделения органической химии в отдельную науку заключаются в следующем.

1.Многочисленность органических соединений по сравнению с неорганическими.

Число известных органических соединений (около 6 млн.) значительно превышает число соединений всех остальных эле­ментов периодической системы Менделеева. В настоящее время известно около 700 тыс. неорганических соединений, пример­но 150 тыс. новых органических соединений получают сейчас в один год. Это объясняется не только тем, что химики особен­но интенсивно занимаются синтезом и исследованием органи­ческих соединений, но и особой способностью элемента углеро­да давать соединения, содержащие практически неограничен­ное число атомов углерода, связанных в цепи и циклы.

2. Органические вещества имеют исключительное значение как вследствие их крайне многообразного практического примене­ния, так и потому, что они играют важнейшую роль в процес­сах жизнедеятельности организмов.

3. Имеются существенные отличия в свойствах и реакцион­ной способности органических соединений от неорганических , вследствие чего возникла необходимость в развитии многих спе­цифических методов исследования органических соединений.

Предметом органической химии является изучение способов получения, состава, строения и областей применения важнейших классов органических соединений.

2. Краткий исторический обзор развития органической химии

Органическая химия как наука оформилась в начале XIX в., однако знакомство человека с органическими вещест­вами и применение их для практических целей началось еще в глубокой древности. Первой известной кислотой был уксус, или водный раствор уксусной кислоты. Древним народам было известно брожение виноградного сока, они знали примитив­ный способ перегонки и применяли его для получения скипи­дара; галлы и германцы знали способы варки мыла; в Египте, Галлии и Германии умели варить пиво.

В Индии, Финикии и Египте было весьма развито искусство крашения при помощи органических веществ. Кроме того, древ­ние народы пользовались такими органическими веществами, как масла, жиры, сахар, крахмал, камедь, смолы, индиго и т. д.

Период развития химических знаний в средние века (при­близительно до XVI в.) получил название периода алхимии. Однако изучение неорганических веществ было значительно более успешным, чем изучение веществ органических. Сведе­ния о последних остались почти столь же ограниченными, как и в более древние века. Некоторый шаг вперед был сделан бла­годаря совершенствованию методов перегонки. Таким путем, в частности, было выделено несколько эфирных масел и полу­чен крепкий винный спирт, считавшийся одним из веществ, с помощью которых можно приготовить философский камень.

Конец XVIII в. ознаменовался заметными успехами в изуче­нии органических веществ, причем органические вещества на­чали исследовать с чисто научной точки зрения. В этот период был выделен из растений и описан ряд важнейших органиче­ских кислот (щавелевая, лимонная, яблочная, галловая) и уста­новлено, что масла и жиры содержат в качестве общей состав­ной части «сладкое начало масел» (глицерин) и т. д.

Постепенно начали развиваться исследования органиче­ских веществ - продуктов жизнедеятельности животных ор­ганизмов. Так, например, из мочи человека были выделены мочевина и мочевая кислота, а из мочи коровы и лошади - гиппуровая кислота.

Накопление значительного фактического материала яви­лось сильным толчком к более глубокому изучению органиче­ского вещества.

Впервые понятия об органических веществах и об органиче­ской химии ввел шведский ученый Берцелиус (1827). В учеб­нике химии, выдержавшем много изданий, Берцелиус выска­зывает убеждение, что «в живой природе элементы повинуются иным законам, чем в безжизненной» и что органические веще­ства не могут образовываться под влиянием обычных физиче­ских и химических сил, но требуют для своего образования особой «жизненной силы». Органическую химию он и опреде­лял как «химию растительных и животных веществ, или ве­ществ, образующихся под влиянием жизненной силы». После­дующее развитие органической химии доказало ошибочность этих взглядов.

В 1828 г. Вёлер показал, что неорганическое вещество - циановокислый аммоний - при нагревании превращается в продукт жизнедеятельности животного организма - моче­вину.

В 1845 г. Кольбе синтезировал типичное органическое вещество - уксусную кислоту, использовав в качестве исход­ных веществ древесный уголь, серу, хлор и воду. За сравнитель­но короткий период был синтезирован ряд других органиче­ских кислот, которые до этого выделялись только из растений.

В 1854 г. Бертло удалось синтезировать вещества, относя­щиеся к классу жиров.

В 1861 г. А. М, Бутлеров действием известковой воды на параформальдегид впервые осуществил синтез метиленитана - вещества, относящегося к классу Сахаров, которые, как из­вестно, играют важную роль в процессах жизнедеятельности организмов.

Все эти научные открытия привели к краху витализма - идеалистического учения о «жизненной силе».