химический каталог




ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Автор Химическая энциклопедия г.р. И.Л.Кнунянц

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, наука, изучающая соединения углерода с другими элементами (органические соединения), а также законы их превращений. Назв. "О.х." возникло на ранней стадии развития науки, когда предмет изучения ограничивался соединение углерода растит, и животного происхождения. Не все соединение углерода классифицируются как органические. Например, СО2, HCN, CS2 традиционно относят к неорганическим. Условно можно считать, что прототипом органическое соединение является метан СН4.

К настоящему времени число известных органическое соединение превышает 10 млн. и увеличивается каждый год на 250-300 тысяч Многообразие органическое соединение определяется уникальной способ ностью атомов углерода соединяться друг с другом простыми и кратными связями, образовывать соединение с практически неогранич. числом атомов, связанных в цепи, циклы, бициклы, трициклы, полициклы, каркасы и др., образовывать прочные связи почти со всеми элементами периодической системы, а также явлением изомерии-существованием разных по свойствам веществ, обладающих одним и тем же составом и мол. массой.

Многообразие и громадное число органическое соединение определяет значение ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯх. как крупнейшего раздела современной химии. Окружающий нас мир построен главным образом из органическое соединение; пища, топливо, одежда, лекарства, краски, моющие средства, ВВ, материалы, без которых невозможно создание транспорта, книгопечатания, проникновение в космос и проч.,-все это состоит из органическое соединений. Важнейшую роль органическое соединение играют в процессах жизнедеятельности. На стыке ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯх. с неорганическое химией и биохимией возникли химия металлоорганическое соединение и биоорганическое химия соответственно, широко использующие методы и представления ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯх. Отдельный раздел ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯх. составляет химия высокомол. соединение: по величине молекул органическое вещества делятся на низкомолекулярные (с мол. массой от несколько десятков до несколько сотен, редко до тысячи) и высокомолекулярные (макромолекулярные; с мол. массой порядка 104-106 и более).

Осн. методом ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯх. является синтез. Развитие методов синтеза в первую очередь способствовало установлению строения самых сложных соединений. Идеальным завершением процесса определения структуры молекул органическое соединение является полный синтез (тотальный синтез), т.е. получение с помощью совершенно однозначных химический методов соединения, структура которого была предложена на основании изучения др. методами. Орг. синтез-очень тонкое искусство, и химику, приступающему к синтезу, необходимо совершенное сочетание теоретич. и практическое знаний с интуитивным подбором средств, наиболее подходящих для построения самых сложных молекул (см. также Органический синтез).

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯх. изучает не только соединение, получаемые из растит. и животных организмов (так называемой природные вещества), но в основные соединение, созданные искусственно с помощью лабораторная или пром. органическое синтеза. Более того, объектами изучения компьютерной ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯх. являются соединение, не только не существующие в живых организмах, но которые, по-видимому, нельзя получить искусственно (например, гипотетич. аналог метана, имеющий не природные тетраэдрич. строение, а форму плоского квадрата, в центре которого лежит атом С, а в вершинах-атомы Н).

Орг. синтез связывает ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯх. с химический промышленостью, как малотоннажной (тонкий органический синтез; производство лекарств, витаминов, жидких кристаллов, ферментов, феромонов и др.), так и крупнотоннажной (основной органический синтез; производство искусств. волокна, пластмасс; переработка нефти и газа и др.).

Строение органическое соединение устанавливают с помощью методов анализа органическое соединение, включающих помимо элементного анализа такие физических методы, как ЯМР, масс-спектрометрия, ИК спектроскопия, рентгеновский структурный анализ, электронография и др.; развиваются также методы выделения, очистки и разделения органическое веществ, например различные виды хрома-тографии.

Классификация органических соединений. Основу органическое соединение составляет незамкнутая (открытая) или замкнутая цепь углеродных атомов; одно или несколько звеньев цепи может быть заменено на атомы, отличные от углерода,-так называемой гетероатомы, чаще всего О, N, S. По структуре органическое соединение подразделяют на алифатические соединения - углеводороды и их производные, имеющие открытую углеродную цепь; карбоциклический соединение с замкнутой углеродной цепью (см. Алициклические соединения, Ароматические соединения); гетероциклические соединения. Углеводороды и их производные, не содержащие кратных связей, относятся к насыщ. соединение, с кратными связями - к ненасыщенным.

От каждого углеводорода путем замены атомов Н на различные функциональных группы может быть образован так называемой генетич. ряд, например этан - этилхлорид - этанол - ацстальдегид - уксусная кислота. В зависимости от типа функц. группы органическое сосд. разделяются на классы: углеводороды RH (функциональных группа отсутствует), их галогензамещенные RHal, спирты ROH, альдегиды RCHO, кетоны R2CO, карбоновые кислоты RCOOH, первичные, вторичные и третичные амины RNH2, R2NH и R3N, нитросоединение RNO2; тиолы (меркаптаны) RSH, сульфиды R2S и др. К функциональных группам относят также кратные углерод-углеродные связи. Группы органическое соединение однотипной структуры с одинаковыми функциональных группами, отличающимися друг от друга по кол-ву групп СН2 в углеродной цепи, составляют гомологический ряд.

Соед., в молекулах которых кроме атомов С и Н и атомов-органогенов (Hal, О, N, S) содержатся атомы др. элементов, образующих связи с углеродом, относятся к элементоорга-ническим соединениям (см., например, Металлоорганические соединения, Мышьякорганические соединения, Фосфороргани-ческие соединения). О правилах наименования органическое соединение см. в ст. Номенклатура химическая.

Историческая справка. Истоки ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ х. восходят к глубокой древности (уже тогда знали о спиртовом и уксуснокислом брожении, крашении индиго и ализарином). Однако в средние века (период алхимии) были известны лишь немногие индивидуальные органическое вещества. Все исследования этого периода сводились главным образом к операциям, при помощи которых, как тогда думали, одни простые вещества можно превратить в другие. Начиная с 16 в. (период ятрохимии) исследования были направлены в основные на выделение и использование различные лек. веществ: был выделен из растений ряд эфирных масел, приготовлен диэтиловый эфир, сухой перегонкой древесины получены древесный (метиловый) спирт и уксусная кислота, из винного камня-винная кислота, перегонкой свинцового сахара-уксусная кислота, перегонкой янтаря - янтарная. Большая роль в становлении ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ х. принадлежат А. Лавуазье, который разработал основные количественное методы определения состава химический соединений.

Слияние химии соединений растит. и животного происхождения в единую химический науку ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ х. осуществил Й. Берцелиус, который ввел сам термин и понятие органическое вещества, образование последнего, по Берцелиусу, возможно только в живом организме при наличии "жизненной силы". Это заблуждение опровергли Ф. Вёлер (1828), который получил мочевину (органическое вещество) из цианата аммония (неорганическое вещество), А. Кольбе, синтезировавший уксусную кислоту, М. Бертло, получивший метан из H2S и CS2, A. M. Бутлеров, синтезировавший сахаристые вещества из формалина. В первой пол. 19 в. был накоплен обширный опытный материал и сделаны первые обобщения, определившие бурное развитие ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ х.: развиты методы анализа органическое соединение (Берцелиус, Ю. Либих, Ж. Дюма, М. Шеврёль), создана теория радикалов (Вёлер, Ж. Гей-Люссак, Либих, Дюма) как групп атомов, переходящих неизменными из исходной молекулы в конечную в процессе реакции; теория типов (Ш. Жерар, 1853), в которой органическое соединение конструировались из неорганическое веществ-"типов" (тип водорода, воды, хлористого водорода, аммиака) замещением в них атомов на органическое фрагменты; введено понятие изомерии (Берцелиус).

Исследования Э. Франклендом (1852) металлоорганическое соединение позволили установить четырехвалентность углерода, заложить основы теории валентности (Ф. Кекуле, 1858) и постулировать существование углерод-углеродных простых и двойных связей. Революц. вклад внес А. Купер (1858), который ввел понятие валентного штриха. С тех пор и по настоящее время химики используют язык т. называют конституционных (структурных) формул молекул органическое соединение, в которых связи между отдельными атомами обозначаются с помощью одного (простая, или одинарная, связь), двух (двойная) или трех (тройная) валентных штрихов.

Одновременно продолжается интенсивное развитие синтеза. Создаются первые пром. производства органическое соединение (А. Гофман, У. Перкин-старший-синтетич. красители: мовеин, фуксин, цианиновые и азокрасители). Усовершенствование открытого Н. Н. Зининым (1842) способа синтеза анилина послу жило основой создания анилинокрасочной промышлености. В лаборатории А. Байера синтезированы природные красители - индиго, ализарин, индигоидные, ксантеновые, антрахиноновые.

Идея неразрывной связи химический и физических свойств молекулы с ее строением, идея единственности этого строения впервые была высказана Бутлеровым (1861), который создал классич. теорию химический строения (атомы в молекулах соединяются согласно их валентностям, химический и физических свойства соединение определяются природой и числом входящих в их состав атомов, а также типом связей и взаимным влиянием непосредственно несвязанных атомов). Теория химический строения определила дальнейшее бурное развитие ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ х.: в 1865 Кекуле предложил формулу бензола, позднее высказал идею об осцилляции связей; В. В. Марковников и А.М.Зайцев сформулировали ряд правил, впервые связавших направление химический реакции с химический строением вступающего в реакцию вещества. Эксперим. данные И. Вислиценуса (1873) об идентичности структурных формул (+)-молочной кислоты (из кислого молока) и ()-молочной кислоты послужили толчком для создания стереохимический теории (Я. Вант-Гофф и Ж. Ле Бель, 1874), в которой постулировалось тетраэдрич. строение фрагмента с четырехвалентным атомом углерода, что в случае четырех различные заместителей предсказывало существование пространственно-зеркальных изомеров; для соединение с двойной связью (тетраэдры соединяются по ребру) - наличие геометрическая изомерии. На этой основе возникла стереохимия- наука о трехмерной ориентации атомов в молекулах и вытекающих отсюда следствиях, касающихся свойств соединение (см. также Конфигурация стереохими-ческая, Конформационный анализ, Молекулярная механика, Оптическая активность, Хиральностъ).

Работами Байера, К. Лаара, Л. Клайзена, Л. Кнорра развиты представления о таутомерии - подвижной изомерии. Все эти теоретич. представления способствовали мощному развитию .синтетич. химии. К кон. 19 в. были получены все важнейшие представители углеводородов, спиртов, альдегидов и кетонов, карбоновых кислот, галогено- и нитропроизвод-ных, азот- и серосодержащих структур, гетероциклов арома-тич. природы. Разработаны методы получения диенов, ацетиленов и алленов (А. Е. Фаворский). Открыты многочисленные реакции конденсации (Ш. Вюрц, А. П. Бородин, У. Перкин, Клайзен, А. Михаэль, Ш. Фридель, Дж. Крафтс, Э. Кнёве-нагель и др.). Исключит. успехи были достигнуты Э. Г. Фишером в изучении углеводов, белков и пуринов, в использовании ферментов в органическое синтезе (1894), им же был осуществлен синтез полипептидов. Основой промышлености душистых веществ становятся работы ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Валлаха по химии терпенов. Выдающимися даже для нашего времени являются пионерские работы Р. Вильштеттера [установление структуры кокаина (1897) и хлорофилла (1907-11)]. Фундам. вклад в развитие органическое синтеза был внесен В. Гриньяром (1900-20) и Н.Д. Зелинским (1910)-создание исключительно плодотворного метода синтеза магнийорганическое соединение и открытие каталитических превращений углеводородов; последнее сыграло выдающуюся роль в развитии химии нефти. Химия свободный радикалов началась с работ М. Гомберга (1900), открывшим три-фенилметильный радикал, и была продолжена работами А. Е. Чичибабина, Г. Виланда и Ш. Гольдшмидта.

Разработка Ф. Преглем в нач. 20 в. методов микроанализа органическое веществ способствовала дальнейшему быстрому развитию химии природные соединение, что ознаменовалось работами Виланда (1910) по установлению природы желчных кислот, А. Виндауса (1913-15)-природы холестерина, работами Г. Фишера (1927-29) по синтезу таких ключевых соединений, как порфирин, билирубин и гемин, У. Хоуорса (Хеуорс)-по установлению структуры углеводов, синтезу витамина С, П. Каррера, Р. Куна (1911-39)-по получению каротиноидов и витаминов В2, В6, Е и К; химия алкалоидов, половых гормонов, терпенов была создана работами А. Бутенандта (1929-61), Л. Ружички (1920-24), А. П. Орехова и Р. Робинсона.

К сер. 20 в. органическое синтез претерпевает бурное развитие. Это определялось открытием таких основополагающих процессов, как получение олефинов с использованием илидов (Г. Виттиг, 1954), диеновый синтез (О. Дильс, К. Альдер, 1928), гидроборирование непредельных соединений (Г. Браун, 1959), синтез нуклеотидов и синтез гена (А. Тодд, X. Корана). Не менее значительны успехи в химии металлоорганическое соединение (А. Н. Несмеянов, Г. А. Разуваев). В 1951 был осуществлен синтез ферроцена, установление "сэндвичевой" структуры которого Р. Вудвордом и Дж. Уилкинсоном положило начало химии металлоценовых соединение и вообще химии органическое соединение переходных металлов. В 1955 Э.О. Фишер синтезировал дибензолхром и разработал метод синтеза ареновых производных переходных металлов.

В 20-30-е гг. А. Е. Арбузов создает основы химии фос-форорганическое соединение, что впоследствии привело к открытию новых типов физиологически активных соединений, комплексонов и др.

В 60-е гг. Г. Шилл осуществил синтез таких "неклассических" соединение, как катенаны и ротаксаны. В 60-80-е гг. Ч. Педерсен, Д. Крам и Ж. М. Лен разрабатывают химию краун-эфиров, криптандов и др. родств. структур, способных образовывать прочные мол. комплексы, и тем самым подходят к важнейшей проблеме "мол. узнавания".

Строение органических соединений. Для органическое соединение характерны неполярные ковалентные связи С—С и полярные ковалентные связи С—О, С—N, С—Hal, С—металл и т.д. Образование ковалентных связей было объяснено на основании развитых Г. Льюисом и В. Косселем (1916) предположений о важной роли электронных образований-октетов и дублетов. Молекула устойчива, если валентная оболочка таких элементов, как С, N, О, Hal, содержит 8 электронов (правило октета), а валентная оболочка водорода-2 электрона. Химическая связь образуется обобществленной парой электронов различные атомов (простая связь). Двойные и тройные связи образуются соответственно двумя и тремя такими парами. Электроотрицат. атомы (F, О, N) используют для связи с углеродом не все свои валентные электроны; "неиспользованные" электроны образуют неподеленные (свободные) электронные пары. Полярность и поляризуемость ковалентных связей в органическое соединение в электронной теории Льюиса - Кос-селя объясняется смещением электронных пар от менее электроотрицательного к более электроотрицат. атому, что находит выражение в индуктивном эффекте и мезомерном эффекте.

Признание ключевой роли электронных пар сыграло важную роль в классификации органическое соединение, которые в случае реагентов с четным числом валентных электронов были разделены на нуклеофильные и электрофильные, а реакции частиц с нечетным числом валентных электронов назвали радикальными.

Классич. теория химический строения и первонач. электронные представления оказались не в состоянии удовлетворительно описать на языке структурных формул строение многие соединение, например ароматических. Совр. теория связи в органическое соединение основана главным образом на понятии орбиталей и использует молекулярных орбиталей методы. Интенсивно развиваются квантовохимический методы, объективность которых определяется тем, что в их основе лежит аппарат квантовой механики, единственно пригодный для изучения явлений микромира. Методы мол. орбиталей в ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ х. развивались от простого метода Хюккеля к валентных связей методу, ЛКАО-приближению и др. Широко используются представления о гибридизации атомных орбиталей. Этап проникновения орбитальных концепций в ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ х. открыла резонанса теория Л. Полинга (1931-33) и далее работы К. Фукуи, Вудворда и Р. Хофмана о роли граничных орбиталей в определении направления химический реакции. Теория резонанса до сих пор широко используется в ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ х. как метод описания строения одной молекулы набором канонич. структур с одинаковым положением ядер, но с разным распределением электронов.

Общая характеристика реакций органических соединений. Реакции органическое соединение имеют некоторые специфический особенности. В реакциях неорганическое соединение обычно участвуют ионы; эти реакции протекают очень быстро, иногда мгновенно при нормальной температуре. В реакциях органическое соединение обычно участвуют молекулы; при этом одни ковалентные связи разрываются, а другие образуются. Такие реакции протекают медленнее ионных (например, десятки часов), и для их ускорения часто требуется повысить температуру или добавить катализатор. Наиб. часто используют в качестве катализаторов кислоты и основания. Обычно протекает не одна, а несколько реакций, так что выход нужного продукта очень часто составляет менее 50%. В связи с этим в ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ х. употребляют не химический уравения, а схемы реакций без указания стехиометрич. соотношений.

Реакции органическое соединение могут протекать очень сложным образом и вовсе не обязательно соответствовать простейшей относит. записи. Как правило, простая стехиометрич. реакция на самом деле происходит в несколько последоват. стадий. В качестве промежуточные соединение (интермедиатов) в многостадийных процессах могут возникать карбкатионы R+, карбанионы R-, свободный радикалы , карбены: СХ2, катион-радикалы (например, ), анион-радикалы (например, Аг ) и др. нестабильные частицы, живущие доли секунды. Подробное описание всех изменений, которые происходят на мол. уровне в процессе превращаются реагентов в продукты, называют механизмом реакции.

Исследование влияния строения органическое соединение на механизм их реакций изучает физическая ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯх., основы которой заложили К. Инголд, Робинсон и Л. Гаммет (1930-е гг.).

Реакции органическое соединение может быть классифицированы в зависимости от способа разрыва и образования связей, метода возбуждения реакции, ее молекулярности и др. (см. Реакции химические).

Взаимод. между реагирующими молекулами с использованием представлений о мол. орбиталях описывается примерно так же, как взаимодействие между атомами при образовании молекул. Широкое распространение для этой цели получил метод возмущений мол. орбиталей, на основе которого можно предсказать направление (региохимию) и стереохимический результат реакции, а также саму возможность ее осуществления в данных условиях. Использование граничных орбиталей теории (К. Фукуи, 1952) послужило мощным стимулом к сближению экспериментальной ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯх. с квантовой химией. Подлинным триумфом применения метода мол. орбиталей в ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯх. явилось опубликование в 1965 правил Вудворда-Хофмана, на основе которых можно легко предсказать направление перициклический реакций и условия их проведения, необходимые для получения желаемого стереохимический результата (см. Вудворда-Хофмана правила, Перициклические реакции).

Развитие ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ х. в настоящее время достигло уровня, позволяющего начать решение такой основополагающей проблемы ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯх., как проблема количественное соотношения структуры вещества и его свойства, в качестве которого может выступать любое физических свойство (например, температура плавления), биологическое активность любого строго заданного типа (например, пестицидная) и др. Решение задач такого типа осуществляется с использованием мат. методов.

Возникновение органических соединений. Большинство органическое соединение в природе образуется в процессе фотосинтеза из диоксида углерода и воды под действием солнечного излучения, поглощаемого хлорофиллом в зеленых растениях. Однако органическое соединение должны были существовать на земле и до возникновения жизни, которая не могла появиться без них. Первичная земная атмосфера около 2 млрд. лет назад имела восстановит. свойства, т. к. в ней не было кислорода, а содержались прежде всего водород и вода, а также СО, азот, аммиак и метан.

В условиях сильного радиоактивного излучения земных минералов и интенсивных атм. разрядов в атмосфере протекал абиотич. синтез аминокислот по схеме:

CH4 + H2O + NH3Аминокислоты

Возможность такой реакции в настоящее время доказана лабораторная опытами. Аминокислоты (из которых состоят белки) накапливались в океане вместе с другими веществами и постепенно превращались во все более сложные органическое вещества, пока, наконец, не появилась возможность создания живой клетки.

Литература: Чичибабин А. Е., Основные начала органической химии, 6 изд., т. 1-2, М., 1954-58; Каррер П., Курс органической химии, пер. с нем., 2 над., Л., 1962, Ингольд К., Теоретические основы органической химии, 2 изд., пер. с англ., М., 1973; Быков Г. В., История органической химии. Структурная теория, физическая органическая химия, расчетные методы, М., 1976; Дьюар М., Догерти Р., Теория возмущений молекулярных орбиталей в органической химии, пер. с англ., М., 1977; Быков Г. В., История органической химии. Открытие важнейших органических соединении. М., 1978; Общая органическая химия, под ред. Д. Бартона и У. Д. Оллнса, пер. с англ., т. 1-12, М., 1981-88; Терней А., Современная органическая химия, пер. с англ., т. 1-12, М., 1981; М а рч Д., Органическая химия. Реакции, механизмы и структура, пер. с англ., т. 1-4. М., 1987-88; Beilsteins Handbuch der organischen Chemie, 4 Aufl., bearb. von B. Prager [u.a.], Bd 1-31, В., 1918-40 (с 1928 г. изд. доп. тт.); Houben -Weyl, Methoden der organischen Chemie, 4 Aufl., Bd 1 20, Stuttg., 1952-88.

Я. С. Зефиров.

Химическая энциклопедия. Том 3 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
индивидуальные курсы графические программы
установка встроенного холодильника вызов мастера в щёлково
курсы дизайнера штор пермь
Электрические котлы Руснит РУСНИТ 212M

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(07.12.2016)