1. Предмет органической химии

Органическая («живая») химия – наука, изучающая соединения углерода. Выделение углерода и определение задач целой области химии его изучению определено количеством соединений, которые образует углерод. Основные причины такой возможности данного элемента следующие:

• атом углерода образует прочные связи не только с другими атомами, но и между собой, что определяет возможности возникновения линейных и циклических структур;

• углерод 4-х валентен, что позволяет углеродным цепям разветвляться, образуя сложные структуры;

• углерод способен образовывать кратные связи с атомами углерода и другими элементами.

Основные направления развития органической химии. Некоторые органические соединения были известны еще в глубокой древности. Доисторические люди использовали сахар (сладкое начало сахарного тростника), а также знали, что при брожении виноградного сока, содержащийся в нем сахар (С₁₂Н₂₂О₁₁) превращается в спирт (С₂Н₆О). Было замечено, что вино на воздухе скисает с образованием уксуса – уксусной кислоты (от лат. acetum – уксус). Протекающее при этом химическое превращение состоит в окислении спирта в уксусную кислоту (С₂Н₄О₂) под действием микроорганизма Acetobacter. Издавна люди употребляют в пищу растительные масла и животные жиры, многие столетия известен способ приготовления мыла из жиров. Древние египтяне и римляне окрашивали хлопчатобумажные, шерстяные и шелковые ткани в синий цвет с помощь индиго (С₁₆Н₁₀О₂N₂). Окраска хлопчатобумажных тканей в яркие оттенки красного производилось при помощи вещества, содержащегося в корне марены. Впоследствии было установлено, что красящим веществом являлся ализарин (С₁₄Н₈О₄). Финикийцы выделяли из редкого вида моллюсков краситель античный пурпур (С₁₆Н₈Br₂О₂N₂).

Простейший метод дистилляции, впервые примененный для получения скипидара из сосновой смолы, был использован в IX веке нашей эры для повышения содержания спирта в вине. В XVI и XVII веках изучалась деструктивная перегонка многих растительных продуктов. При пиролизе древесины без доступа воздуха (1661 г.) наряду с древесным углем был получен дистиллят, названный древесным уксусом (от англ. piroligneous acid, от греч. piro – огонь, лат. lignium – дерево), который представлял раствор уксусной кислоты, метилового спирта (СН₄О) и ацетона (С₃Н₆О). В результате деструктивной перегонки была выделена янтарная кислота (С₄Н₆О₄, лат. succinum – янтарь). При пиролизе бензойной смолы (1608 г.) была получена бензойная кислота (С₇Н₆О₂) и бензиловый спирт (С₇Н₈О). Эти вещества не встречаются в природе как индивидуальные, они представляют собой лишь фрагменты природных соединений, отщепляющиеся при их распаде.

Изучение все увеличивающегося числа веществ растительного и животного происхождения привело к удивительному выводу, что в состав этих, различающихся по характеру и свойствам веществ, в разных соотношениях входят несколько элементов (С, Н, О, N). В различных сочетаниях эти элементы образуют твердые, жидкие, газообразные вещества, которые могут иметь кислый или сладкий вкус, красный или синий цвет, могут являться необходимыми частями пищи или, напротив, растительными веществами, ядовитыми для животных организмов.

Совсем иная картина обнаружилась при изучении неорганических веществ минерального происхождения. Для этих материалов характерно чрезвычайное разнообразие элементного состава, так что исследователю, впервые анализировавшему минерал, часто удавалось открыть новый элемент. В 1807 г. было известно 36 элементов, а в 1830 году их число составило 53. Природа подразделялась на три «царства», что нашло отражение в деление веществ на минеральные, растительные и животные.

Систематизация химических соединений разделила вещества на две группы: неорганических тел и тел организованных. К концу XVIII века происходит преобразование термина организованный в органический.

Я. Берцелиус разделил все вещества на два класса – органические и неорганические (1807 г.), основное различие заключалось в происхождении веществ. Неорганические вещества можно получать синтезом, а органические – образуются только в живых организмах под действием «жизненной силы» (vis vitalis), предположение Берцелиуса явилось основой теории витализма. До середины XIX века виталистическая теория пользовалась большой популярностью, хотя появлялись факты ей противоречащие, например:

1824 г. ученик Я. Берцелиуса Ф. Велер синтезировал щавелевую кислоту:

1828 г. мочевину:

В настоящее время мочевину синтезируют реакцией взаимодействия аммиака и углекислого газа:

В 1862 г. Ф. Велер синтезировал ацетилен из карбида кальция, А.М. Бутлеров синтезировал сахаристое вещество – акрозу из формальдегида, в 1881 г. М.Г. Кучеров синтезировал уксусную кислоту, Бертло – жиры и т. д. Теперь не было препятствий для объединения органической и неорганической химии, однако этого не произошло, поскольку органическую химию стали рассматривать, как химию соединений углерода.

На ранней стадии развития органической химии начались поиски ответов на общехимические вопросы – об атомах, молекулах, внутреннем строении веществ, о природе сил связывающих атомы, т. е. кроме простого разделения на органические и неорганические вещества возникла необходимость познания внутреннего строения молекул.

Теория радикалов (Я. Берцелиус, Ж. Дюма). Основное предположение этой теории в том, что все органические соединения состоят из двух частей: радикала и соединенных с ним групп:

Данные соединения являются производными этерина – C₂H₄. Однако вскоре было установлено, что в радикалах атомы водорода могут замещаться на отличные, по химической природе, атомы. Например, при продолжительном воздействии на солянокислый этерин C₂Cl₄∙HCl хлора, он теряет весь водород, переходя в соединение состава C₂Cl₆ (перхлорэтан).

Теория типов (О. Лоран, Ш. Жерар, Ж. Дюма). Органические вещества классифицируют по типам превращений: типы водорода, хлористого водорода, аммиака, воды и метана.

Например, тип аммиака:

Тип воды:

Теория типов, с большими натяжками позволила классифицировать накопленный экспериментальный материал. Однако предсказать существование и пути синтеза новых соединений она не могла.

Унитарная теория (Ш. Жерар, Бекетов, Ж.Дюма) объединила теорию радикалов и теорию типов. Согласно унитарной теории все органические соединения могут быть образованы из определенных типов, при замещении атомов водорода органическими группировками. При этом соединение – цельная система, составленная определенным, но неизменным порядком атомов, строение молекул можно отразить только реакциями, но не химическими формулами.

Понятие о строении органических соединений и соответствующая теория возникла на основе работ Ф.А. Кекуле, А.С. Купера, А.М. Бутлерова.

Ф.А. Кекуле сформулировал понятие о 4-х валентности атома углерода и способности связываться друг с другом с образованием цепей.

А.М. Бутлеров предположил, что молекулярная структура выражает последовательность соединения атомов и молекул, т. е. для каждого соединения возможна только одна структурная формула, отражающая его свойства.

Основные положения теории:

• химические свойства веществ определяются природой составных частиц, их количеством и строением;

• у веществ с одинаковым составом может быть различное строение – изомеры;

• в молекуле существует строгая последовательность химического связывания атомов;

• реакционная способность атомов молекулы изменяется в зависимости от окружения;

• физические и химические свойства органических соединений определяются составом молекул, пространственным и электронным строением;

• строение вещества можно изучать химическими и физическими методами.

Эмпирическая формула – простейшая формула, отражающая низшее целочисленное соотношение различных атомов в молекуле. Истинное число различных атомов в молекуле отражает молекулярная формула (брутто-формула). Структурная формула отражает не только вид и число атомов, составляющих молекулу, но и порядок их соединения друг с другом, типы связей между ними. А.С. Купер предложил для изображения органических соединений графические формулы, в которых валентные связи изображаются черточкой или пунктиром:

Таким образом, очевидно, что химическое строение органического вещества описывает структурная формула, которая является исходной моделью для более глубокого исследования вещества и надежного средства предвидения его дальнейших превращений. Теория строения органических соединений актуальна до сих пор, она дополняется, расширяется, но основы ее остаются неизменными. Однако ответить на такие вопросы: почему атомы держаться вместе, почему молекулы имеют определенное пространственное строение – позволила теория химической связи, основным понятием которой является ковалентная связь и теория гибридизации.