Органи́ческая хи́мия — раздел химии , изучающий структуру, свойства и методы синтеза соединений углерода с другими химическими элементами, относящихся к органическим соединениям . Первоначальное значение термина органическая химия подразумевало изучение только соединений углерода растительного и животного происхождения. По этой причине ряд углеродсодержащих соединений традиционно не относят к органическим (например, монооксид углерода , диоксид углерода , циановодород , сероуглерод , карбонилы металлов ), а рассматривают как неорганические соединения . Условно можно считать, что структурным прототипом органических соединений являются углеводороды .

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. Органические соединения (например, нуклеотиды , природные аминокислоты , углеводы ) 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

Количество известных органических соединений

24 мая 1999 года число известных химических соединений превышало 25 млн, из них 12 млн были органическими , ко 2 мая 2014 года общее число известных неорганических и органических соединений превысило 87 млн . На 8 апреля 2018 года в реестре Химической реферативной службы США (CAS) зарегистрирован 141 млн химических веществ .

История

Способы получения различных органических веществ были известны ещё в древности. Египтяне и римляне использовали красители индиго и ализарин , содержащиеся в растительных веществах. Многие народы знали секреты производства спиртных напитков и уксуса из сахара и крахмалсодержащего сырья.

Во времена Средневековья к этим знаниям ничего не прибавилось, некоторый прогресс начался только в XVI—XVII веках: были получены некоторые вещества, в основном путём перегонки определённых растительных продуктов. Большое экономическое значение имело обнаружение Андреасом Маргграфом сахара в свёкле ^:6 (в дополнение к известному в то время его источнику — сахарному тростнику ), о чём он сообщил в статье «Химические попытки извлекать настоящий сахар из растений нашей страны» в 1747 году . В 1769—1785 годах Шееле выделил несколько органических кислот , среди них яблочная , винная , лимонная , галловая , молочная и щавелевая . В 1773 году Руэль выделил из человеческой мочи мочевину .

Выделенные из животного или растительного сырья продукты имели между собой много общего, но отличались от неорганических соединений . При этом полагали, что эти вещества могут быть получены только в живых организмах благодаря «жизненной силе». Так, в 1753 году известный шведский естествоиспытатель Юхан Валлериус в предисловии к сборнику работ другого видного шведского учёного, Урабана Йерне , утверждал : «…ни животные, ни растительные тела, ни их части не могут быть воспроизведены поэтому химическим искусством» ^:7 . В первом томе своей книги «Лекции по животной химии» («Föreläsningar i Djurkemien»), вышедшем в 1806 году , Якоб Берцелиус впервые вводит понятие «органическая химия» ( швед. organisk Kemi ), определяя её как «часть физиологии, которая описывает состав живых тел вместе с химическими процессами, происходящими в них» .

Представление о «жизненной силе» было поколеблено синтезом образующихся в живых организмах веществ из неорганических, проведённым в первой половине XIX века ^:15-16 , так, в 1824 году Фридрих Вёлер впервые получил органическое вещество — щавелевую кислоту , а в 1824 году он провел синтез ещё одного органического соединения мочевины в результате упаривания водного раствора цианата аммония (NH ₄ OCN).

Важными этапами развития теоретической органической химии стали теория валентности , разработанная Арчибальдом Купером и Фридрихом Кекуле в 1857 году, а также теории химического строения , предложенная в 1861 году Александром Бутлеровым . В основу этих теорий были положены четырёхвалентность углерода и его способность к образованию цепей. В первом томе своего труда по органической химии, вышедшем в 1859 году , Кекуле впервые вводит близкое к современному определение понятия «органическая химия» — это «химия соединений углерода» , что отражено уже в самом названии этого труда, которое переводится как «Учебник органической химии, или химии углеродистых соединений». В 1850-х годах профессор Московского университета Николай Лясковский выразил мнение, что «органическая химия не есть химия веществ, встречаемых в организмах, а химия соединений углерода», которое впоследствии сделалось господствующим в науке воззрением . 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 связи атомов 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 альтернативных 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.

На заре органической химии предметом изучения были преимущественно субстанции биологического происхождения, которым органическая химия обязана своим названием. Научно-технический прогресс не стоял на месте, и в конце XIX века основной материальной базой органической химии стала каменноугольная смола , выделяемая при получении кокса прокаливанием каменного угля . Именно на основе переработки каменноугольной смолы возник основной органический синтез и связанная с ним химическая технология . В 50—60 годах XX века произошёл переход основного органического синтеза на новую материальную базу — нефть . Таким образом, появилась новая область химии — нефтехимия , которая вызвала бум в органической химии и определила интенсивное развитие новой области – химии полимеров.

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 наличия или отсутствия в структуре замкнутых углеродных цепей углеводороды подразделяют на карбоциклические и ациклические . 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 ( олефины – алкены и диены , а также алкины ). В свою очередь циклические углеводороды разделяют на алициклические ( алифатические , содержащие циклические фрагменты) и ароматические углеводороды (содержащие ароматический фрагмент).

Ациклические (с открытой цепью)				Карбоциклические (с замкнутой цепью)
предельные	непредельные			алициклические	ароматические
только одинарные связи	с двойной связью	с тройной связью	с двумя двойными связями	только алифатические фрагменты	с ароматическим фрагментом
ряд метана ( алканы )	ряд этилена ( алкены )	ряд ацетилена ( алкины )	ряд диеновых углеводородов	ряды циклоалканов и циклоалкенов	ряд бензола (ароматические углеводороды, или арены )

• Соединения с гетероатомами в функциональных группах — соединения, в которых углеводородный радикал R связан с функциональной группой. По характеру функциональных групп делятся на:
  • Галогенсодержащие.
  • Спирты , фенолы . Спирты́ (устар. алкого́ли , англ. alcohols ; от лат. spiritus — дух) — органические соединения , содержащие одну или более гидроксильных групп (гидроксил, − O H ), 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 замещён на органическую функциональную группу : R−O−H . В номенклатуре IUPAC для соединений, в которых гидроксильная группа связана с ненасыщенным (находящемся в состоянии sp ² гибридизации атомом углерода, рекомендуются названия « енолы » (гидроксил связан с винильной C=C связью) и « фенолы » (гидроксил связан с бензольным или другим ароматическим циклом) .
  • Соединения, содержащие карбоксильную группу ( карбоновые кислоты , сложные эфиры ):
    • Сложные эфиры ( эстеры ) — производные оксокислот (как карбоновых так и минеральных) R _k E(=O) _l (OH) _m , (l ≠ 0), формально являющиеся продуктами замещения атомов водорода гидроксилов —OH кислотной функции на углеводородный радикал (алифатический, ароматический или гетероароматический); также могут рассматриваться как ацилпроизводные спиртов . В номенклатуре IUPAC к сложным эфирам относят также ацилпроизводные халькогенидных аналогов спиртов ( тиолов , селенолов и теллуролов) .
  • Соединения, содержащие карбонильную группу
    • Альдегиды (от лат. al cohol dehyd rogenatum — спирт , лишённый водорода ) — класс органических соединений , содержащих альдегидную группу (–СН=О), связанную с углеводородным радикалом. Общая формула альдегидов: R–СН=О
    • Кетоны — это органические вещества, в молекулах которых карбонильная группа (С=О) связана с двумя углеводородными радикалами. Общая формула кетонов: R ₁ –CO–R ₂ . 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 аннулированные 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).
  • Серосодержащие соединения
  • Азотсодержащие соединения
  • Металлоорганические соединения
• Гетероциклические — содержат гетероатомы в составе кольца. Различаются по числу атомов в цикле, по виду гетероатома, по количеству гетероатомов в цикле.

  

• Полимеры — вещества, которые состоят из периодически повторяющихся фрагментов — мономерных звеньев, зачастую имеют большую молекулярную массу.

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 , 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 квантово-химические 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 их реакция может 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, электропроводки, магниты и другие.

Особенности органических реакций

В обычно участвуют ионы , они проходят быстро и до конца при комнатной температуре. В 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 целевого вещества зачастую не превышает 50 %. Поэтому, зачастую, при изображении органических реакций используют не уравнения, а схемы без расчёта стехиометрии .

Реакции могут протекать очень сложным образом и в несколько стадий. В качестве промежуточных соединений могут возникать карбкатионы R ⁺ , карбанионы R ⁻ , радикалы R·, карбены :CX ₂ , , и другие активные или нестабильные короткоживущие частицы. Подробное описание всех превращений, происходящих на молекулярном уровне во время реакции, называется механизмом реакции .

Реакции классифицируются в зависимости от способов разрыва и образования связей и их .

Определение состава и строения органических соединений

Важнейшей задачей органической химии является установление состава и строения (порядка связывания атомов между собой и их расположения в пространстве) органических соединений.

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. Используют для установления элементного состава соединений.
• 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). Это излучение при поглощении возбуждает колебательные и вращательные электронные уровни молекул. Опорными данными являются число, частота и интенсивность колебаний молекулы, связанные с изменением дипольного момента (ИК-спектроскопия) или поляризуемости (КР-спектроскопия). Методы позволяют установить наличие определённых функциональных групп в молекуле. Часто используются для того чтобы подтвердить идентичность исследуемого вещества, путем сравнения спектра исследуемого вещества со спектром уже известного вещества.
• Масс-спектроскопия . Вещество при определённых условиях (электронный удар, химическая ионизация и др.) превращают в ионы без потери атомов (молекулярные ионы) и с их потерей (осколочные). Позволяет определить молекулярную массу молекул 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, механизмов реакций. В зависимости от ядер, взаимодействующих с излучением, различают, например:
  • Метод протонного магнитного резонанса ( ПМР ).
  • .
  • .
  • Метод ЯМР ¹³ С .

Использование комбинации этих методов ЯМР позволяет комплексно решать задачу установления структуры органических соединений

• Рентгеноструктурный анализ . Один из основых методов установления структуры кристаллических соединений на основе дифракции рентгеновских лучей на трёхмерной кристаллической решётке.

• ( ) или . 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 соединений, содержащих непредельные или ароматические фрагменты.
• Методы аналитической химии . Позволяют определить наличие некоторых функциональных групп по специфическим качественым реакциям .

Примечания

Литература

• Быков Г. В. История органической химии. М.: Химия, 1976. 360 с.
• Гауптман З., Грефе Ю., Ремане Х., «Органическая химия». Москва, «Химия», 1979.
• Марч Дж., «Органическая химия: реакции, механизмы и структура», в 4-х томах. Москва, «Мир», 1987.
• Кери Ф., Сандберг Р., «Углубленный курс органической химии», в 2-х томах. Москва, «Химия», 1981.
• Реутов О. А., Курц А. Л., Бутин К. П. «Органическая химия», в 4-х частях. Москва, Изд-во МГУ, «БИНОМ. Лаборатория знаний», 1999—2004. от 14 декабря 2017 на Wayback Machine
• Травень В. Ф. «Органическая химия», в 2-х томах. Москва, ИКЦ «Академкнига», 2004.
• Химическая энциклопедия , п. ред. Кнунянц, т. 3. Москва, «Большая Российская Энциклопедия», 1992.
• Робертс Дж., Касерио М. , «Основы органической химии». Изд. 2, в 2-х томах. Москва, «Мир», 1978.
• Моррисон Р., Бойд Р., «Органическая химия». Москва, «Мир», 1974.
• Clayden J., Greeves N., Warren S., Wothers P. Organic Chemistry. — Oxford University Press, 2012.

Ссылки

• Лорен Грэхэм от 30 сентября 2007 на Wayback Machine