Вступ. Короткий огляд виникнення та розвитку органічної хімії.
Лекція 1.1.
План лекції
1. Предмет органічної хімії, становлення органічної хімії як науки, зв'язок з іншими дисциплінами.
2. Теорія хімічної будови о.м. Бутлерова.
3. Класифікація органічних реакцій.
4. Класифікація органічних сполук.
5. Номенклатура органічних сполук.
1. Органічна хімія – наука, предметом вивчення якої є сполуки Карбону з іншими елементами (за винятком деяких найбільш простих – карбонатної кислоти та її солей, оксиду карбону (ІІ, ІV) та ціановодню), а також закони перетворення цих речовин. Тому органічну хімію ще називають хімією сполук Карбону.
До складу багатьох органічних сполук, окрім Карбону, входять Гідроген, дещо рідше – Оксиген, ще рідше – Нітроген; значно рідше зустрічаються Сульфур, галогени, Фосфор, метали та ін. Ці елементи отримали назву органогени.
Назва «органічна хімія» не зовсім точна. Вона збереглася з тих часів, коли хімічні речовини залежно від джерел їх отримання поділяли на два класи: неорганічні (мінеральні) та органічні. Органічні речовини мали рослинне та тваринне походження. При цьому десь до середини ХІХ ст. хіміки виділяли хімію рослин та хімію тварин. Однак ставало відомо дедалі більше речовин , які були спільними для рослинного та тваринного світу: жири, білки, деякі кислоти. Тоді за пропозицією шведського хіміка Й.Я.Берцеліуса цю галузь хімії почали називати органічною хімією.
Органічні сполуки відіграють важливу роль у процесах життєдіяльності тваринних та рослинних організмів. Вони мають практичне значення у багатьох галузях народного господарства. Нафта, газ, синтетичні волокна та пластмаси, медичні препарати, вітаміни, пестициди, харчові добавки (емульгатори, антиоксиданти, консерванти тощо) є органічними речовинами.
Причини виділення органічної хімії в окрему науку
1. Багаточисельність органічних сполук.
Нині відомо понад 10 мільйонів сполук Карбону, і кількість їх весь час зростає, тоді як неорганічних речовин налічується близько 700 тисяч. Така кількість органічних сполук пояснюється винятковою здатністю атомів карбону міцно сполучатися у довгі ланцюги і замкнені кільця з практично необмеженою кількістю атомів, а також сполучатися з більшістю елементів періодичної системи. Також атоми Карбону утворюють один з одним одинарні, подвійні та потрійні зв’язки. Сполукам Карбону властиве явище ізомерії.
2. Органічні речовини (ліпіди, білки, вуглеводи, нуклеїнові кислоти) є основою існування живої матерії, є головними продуктами харчування.
3. Органічні речовини є сировинною базою для таких галузей промисловості як: хімічна, фармацевтична, харчова, легка, оборонна і т.д.
4. Більшість органічних речовин горить
5. Не стійкі до дії концентрованих мінеральних кислот та лугів
6. Мають велику молекулярну масу
7. Більшість хімічних реакцій, в яких беруть участь органічні речовини протікають повільно в порівнянні з іонними реакціями, характерними для неорганічних речовин.
8. Для більшості органічних сполук характерний ковалентний тип зв’язку
9. У хімічних реакціях переважає вільнорадикальний розрив зв’язків.
Історичний розвиток органічної хімії
Органічна хімія – порівняно молода наука, вона стала самостійною лише у XIX сторіччі, хоча знайомство людини з органічними речовинами і застосування їх у практиці почалось ще в давні часи.
Давні народи знали різноманітні природні органічні сполуки і переробляли їх на їжу(хліб), напої (вино, пиво) – процес спиртового бродіння; В Стародавній Індії була відома сахароза, як продукт переробки цукрової тростини, за 1500 – 1000 років до н.е. в Стародавньому Римі почали добувати і використовувати для фарбування тканин природну фарбу індиго, а дещо пізніше пурпур і алізарин; при збереженні трупів у стародавньому Єгипті використовували ефірні масла як дезінфікуючі та консервуючі матеріали; добування оцту з вина також відоме з незапам'ятних часів; в Стародавньому Китаї було вперше добуто бездимний порох ; Гали для прання використовували мило. Це був період практичного використання органічних речовин (емпіричний період), хоча хімії як науки ще не існувало.
VIII – XVI ст. – період алхімії. У цей час основна увага приділялась пошукам «філософського каменю» – особливої речовини, за допомогою якої нібито можна було перетворити неблагородні метали на золото, а також створенню еліксиру життя – «золотого напою». В 1540 р. Кордус з етилового спирту і сульфатної кислоти при нагріванні отримав діетиловий ефір; Р.Бойль (1861 р.) при сухій перегонці деревної тирси отримує метиловий спирт. К. Шеєле (1769-1785 р.) одержує ряд органічних кислот – винну, щавлеву, молочну, лимонну, яблучну, тощо. Чиста оцтова кислота була одержана арабськими алхіміками лише в IX ст. Ще пізніше, у XI ст., алхіміки при перегонці вина добули у чистому вигляді винний спирт. І. Руель (1773 р.) добуває сечовину з сечі людини.
Починаючи з XVI ст. під впливом ідей німецького вченого Т. Парацельса (1493 – 1541) дослідження хіміків спрямовуються головним чином у бік використання речовин у медицині.
Значного розвитку вивчення органічних речовин на той час ще не було, однак існувала класифікація хімічних сполук за зовнішніми ознаками.
Наприкінці XVI ст. велику роль у розвитку органічної хімії відіграли аналітичні методи, які дозволили з'ясувати склад органічних сполук. У результаті аналізу великої кількості органічних сполук: було встановлено, що до складу органічних речовин рослинного і тваринного походження входять Карбон, Гідроген, Оксиген, а іноді й Нітроген, тобто елементи, які властиві мінеральним речовинам. Було також встановлено, що органічні речовини менш стійкі, ніж мінеральні, і розкладаються при нагріванні.
Встановлено, що органічні речовини, які вступають в хімічні реакції відповідають законам збереження маси (М.В. Ломоносов, 1748 р), еквівалентів (Р.Ріхтер, 1797 р.; Дж.Дальтон, 1803 р.) і сталості складу (Ж.Пруст, 1801 р.).
Виникають поняття «органічні речовини» та «органічна хімія». Їх ввів у 1806 р Берцеліус. Його основною помилкою було уявлення про участь недоступної для пізнання «життєвої сили» в утворенні та перетворенні органічних речовин, а звідси і не можливість добування таких речовин поза живим організмом.
Першого удару по віталізму завдали відкриття німецького хіміка Ф. Велера (1800 – 1882), який у 1824 р. показав, що з неорганічної речовини – диціану можна добути оцтову кислоту:
(СN)2 4H2O→ НООС – СООН
А в 1828 році він синтезував з амонійціанату продукт життєдіяльності тваринного організму – сечовину, в утворенні якої, з точки зору віталістів, повинна взяти участь “життєва сила”.
NH4OCN → H2N – C – NH2
О
Проте це ще не могло похитнути віру в таємничу “життєву силу”. Прихильники її твердили, що сечовина, як продукт виділення тваринного організму, не може вважатися справжньою органічною речовиною, а перебуває на грані між неорганічними і органічними речовинами і є продуктом життєдіяльності тваринних організмів.
Остаточному спростуванню ідеалістичного вчення про “життєву силу” сприяли штучне добування оцтової кислоти (Г. Кольбе, 1845 р.) і синтез жирів (М. Бертло, 1854 р.). Поступово, під тиском фактів ідеалістичне вчення про “життєву силу” було відкинуте. Ф. Енгельс писав: “...Завдяки одержанню неорганічним шляхом таких хімічних сполук, які до того часу породжувались тільки у живому організмі, було доведено, що закони хімії мають ту саму силу для органічних тіл, як і для неорганічних, і була заповнена значна частина тієї ніби навіки непрохідної безодні між неорганічною і органічною природою...”. Незважаючи на те, що після синтезу органічних речовин зникла межа, яка відділяла ці речовини від неорганічних, проте історично вкорінені назви “органічні речовини”, або “органічні сполуки”, використовують до цього часу.
Разом з аналітичним напрямком активно починає розвиватись синтетичний. Ю. Лібіх та Е. Суберан (1831 р.) синтезують хлороформ. У 1842 р. М.М. Зінін шляхом відновлення нітробензолу одержує анілін – важливу сировину для синтезу барвників та медикаментів.
1851 р. П. Бертло синтезує фенол, бензол та нафталін при пірогенетичному розкладанні оксигеновмісних органічних речовин.
1861 р. О.М. Бутлеров при взаємодії формальдегіду та вапняної води добуває суміш різних цукрів.
Ю. Лібіх розробляє методики кількісного визначення вуглецю і водню в органічних сполуках.
Органічна хімія вимагала фундаментальної наукової теорії, що пояснила б будову та властивості органічних речовин. У 1852 р Франкленд встановлює поняття «сполучної сили», попередника валентності; А.Кекуле (1857 р.) встановлює чотиривалентність вуглецю та його здатність утворювати ланцюги та цикли; А.Купер (1858) встановлює позначення хімічних зв’язків у молекулах у вигляді окремих рисок між атомами таким чином з’являється графічне позначення формул.
У 1861р. О.М. Бутлеров створив структурну теорію, яка стала фундаментом для швидкого подальшого розвитку органічної хімії.
У другій половині XIX ст. виникли виробництво лікарських, запашних і вибухових речовин. Після першої світової війни розпочалися роботи по синтезу вуглеводнів та інших органічних сполук з використанням як сировини твердого палива й гідрогену. Створилася нова галузь промисловості, що виробляє синтетичний бензин і різноманітні продукти для органічного синтезу. На основі переробки нафти виросла нова галузь хімії – нафтохімія, перед якою стоїть завдання раціонального використання всіх продуктів переробки нафти. Успіхи органічної хімії в галузі органічного синтезу не тільки змінили технологію ряду виробництв, але й сприяли створенню нових видів продукції.
У XX ст. виникли нові галузі промисловості – виробництво синтетичного каучуку, пластичних мас, синтетичного волокна. Вивчення каучуків, смол, білків, целюлози та інше виділилося в самостійну галузь хімії високомолекулярних сполук.
Дуже важливого значення набула хімія елементорганічних сполук, яка успішно розвивається навіть сьогодні.
Важлива роль у розвитку органічної хімії належить дослідженням природних фізіологічно активних речовин і синтезу лікувальних препаратів. Початий ще у XIX ст. синтез лікувальних речовин досяг у XX ст. значних успіхів. Були синтезовані могутні засоби для боротьби з інфекційними захворюваннями.
За останні 25 – 30 років значні досягнення зроблені у вивченні будови й синтезу найскладніших природних речовин – алкалоїдів, вітамінів, гормонів і антибіотиків, а також в пізнанні будови білків і нуклеїнових кислот.
Сучасний період розвитку органічної хімії характеризується впровадженням електронних уявлень і положень квантової механіки, детальне вивчення раніше відомих органічних сполук та з використанням методів фізико-хімічного аналізу та добування нових речовин.
Органічна хімія пов’язана з багатьма науками. На стику органічної хімії, біології, мікробіології виникла біотехнологія. Її досягнення дозволяють для тваринництва одержувати відносно дешеві кормові білки, амінокислоти, вітаміни, а для медицини та ветеринарії – дешеві антибіотики, гормональні препарати, лікарські засоби.
Вона також пов’язана з ґрунтознавством, захистом рослин, оскільки в сучасному сільському господарстві широко використовуються пестициди – інсектициди, фунгіциди, гербіциди, регулятори росту рослин, хімічні засоби боротьби з гризунами, простогландини.
Також з органічною хімією пов’язані такі науки як біохімія з основами фізичної та колоїдної хімії, фізіологія рослин та фізіологія тварин, фармакологія, всі галузі тваринництва (скотарство, свинарство, вівчарство, конярство, птахівництво, рибництво) та дисципліни клінічного напрямку.
2. Теорію будови органічних сполук запропонував російський вчений О.М. Бутлеров – учень М.М. Зініна. Основні положення теорії він виклав у своїй доповіді на з’їзді німецьких природодослідників та лікарів «Про хімічну будову речовин» у м. Шпейєр.
Бутлеров ввів в органічну хімію такі поняття як: хімічний зв'язок, порядок зв’язків атомів у молекулі, а також описав взаємний вплив атомів у молекулі.
Одне з основних положень теорії хімічної будови О.М. Бутлерова полягає в тому, що в молекулах існує певний порядок хімічного зв’язку атомів, це і є хімічною будовою.
Другим положенням теорії будови органічних сполук О.М. Бутлерова є те, що хімічні властивості сполуки залежать від її складу та будови. Це принципово нове, революційне для того часу положення лягло в основу дальшого розвитку органічної хімії. Воно означало, що хімічна будова складної речовини може бути встановлена на основі її перетворень, а хімічні властивості її (реакційна здатність) – на основні хімічної будови. Бутлеров показав, що будова органічних сполук може бути встановлена як синтетичним, так і аналітичним шляхом. Виходячи з положення теорії про залежність хімічних властивостей сполук від її будови, він вважав, що істинна будова молекули може бути виражена формулою і що ця формула повинна бути єдиною для даної речовини.
Визначаючи хімічну структуру як послідовність порядку взаємного хімічного зв’язку атомів різних елементів, Бутлеров дав пояснення явищу ізомерії. Він писав: “Поняття про хімічну будову, що дуже твердо спирається на факти, веде нас тут apriori до припущення можливості існування речовин, що мають зовсім однаковий склад і однакову величину частинок, і проте зовсім різних між собою внаслідок різної хімічної будови... Принцип хімічної будови, який заздалегідь вказує навіть хімічний характер ізомерів, повинен вважатися цілком пояснюючим звичайні явища ізомерії складних речовин”.
Теорія хімічної будови не тільки з’ясувала причини ізомерії, але й дозволила встановити кількість можливих ізомерів і давала можливість виводити формули ізомерних органічних сполук. Чітке уявлення про будову органічних речовин дозволило Бутлерову розвинути положення про можливість рівноважного існування двох ізомерів задовго до того, як це явище (таутомерія) було підтверджене експериментально. Бутлеров писав: “...Можливо, що й без присутності посередницького реагенту... частинки деяких речовин внаслідок постійного розкладу і возз’єднання продуктів у новому порядку, постійно ізомеризуються, переходячи з однієї видозміни в іншу – і навпаки... можливо, що в деяких випадках можна зустріти такі тіла, маса яких постійно містить в помітній кількості ізомерні частинки різної хімічної будови, – частинки, які постійно “суперничають” між собою і перегруповуються взаємно з однієї будови в іншу... Вся ця маса, зрозуміло, буде підлягати реакціям, властивим одній будові, або реакціям, які властиві іншій будові, зважаючи на природу реагенту, впливу якого піддається”.
Одним з найважливіших питань теорії будови було положення про взаємний вплив атомів у молекулі. Згодом його розвинув учень Бутлерова В.В. Марковников. Детальне вивчення взаємного впливу атомів стало основою дальшого розвитку теорії будови і уявлень про реакційну здатність речовин.
Основні положення і наслідки теорії будови органічних сполук О.М. Бутлерова такі:
1. Атоми в молекулах органічних речовин сполучені між собою в певному порядку. Послідовність сполучення атомів у молекулі О.М. Бутлеров назвав хімічною будовою, або структурою, молекули.
2. Сполучення атомів у молекулі відбувається відповідно до їх валентності. Валентності всіх атомів у молекулі взаємно насичені. Карбон у молекулах органічних речовин чотиривалентний, Гідроген – одновалентний, Оксиген – двовалентний, Нітроген – трьох- та п’ятивалентний, галогени - одновалентні.
3. Властивості молекул органічних речовин залежать від природи атомів, що входять до складу молекул, від кількості цих атомів і від порядку їх сполучення в молекулі, тобто від хімічної будови молекули.
4. Органічні речовини з однаковим якісним і кількісним складом, але з різною хімічною будовою – ізомери – мають різні хімічні властивості.
5. Знаючи властивості органічних речовин, можна встановити їх хімічну будову.
6. Реакційна здатність (хімічна активність) атомів, що входять до складу молекули органічної речовини, може змінюватись залежно від того, з якими іншими атомами вони сполучені в даній молекулі. Ця зміна хімічної активності атомів зумовлюється взаємним впливом безпосередньо сполучених (сусідніх) атомів, а також взаємним впливом атомів через інші атоми (посередній вплив).
7. Два сусідні атоми Карбону для зв’язку між собою здатні витрачати по одній, дві, три валентності, утворюючи відповідно одинарні, подвійні та потрійні зв’язки.
Теорія хімічної будови Бутлерова узагальнила великий фактичний матеріал органічної хімії, пояснила її найважливіші закономірності і дала можливість завбачити багато нових фактів.
Подальшим розвитком теорії стало вчення про таутомерію – явища існування деяких органічних сполук у вигляді двох і більше структурних ізомерів – таутомерів, що здатні вільно переходити один в одного. Наприклад, ацетооцтовий ефір може існувати у вигляді двох форм: кетонної – етиловий ефір ацетооцтової кислоти та енольної – етиловий ефір оксикротонової кислоти.
У 70-ті роки ХІХ ст. виникають стереохімічні уявлення. Я.Г. Вант-Гофф і Ж.А. Ле Бель сформували теорію просторового розміщення атомів у молекулах органічних речовин. Відповідно до неї чотири атоми карбону або радикали, сполучені з насиченим атомом Карбону, розміщені не в одній площині, а в просторі по кутам тетраедра, в центрі якого знаходиться атом Карбону.
Тепер теорія хімічної будови лежить в основі всієї органічної хімії.