La chimica organica è la scienza che studia i composti del carbonio chiamatisostanze organiche. A questo proposito, viene anche chiamata chimica organica chimica dei composti del carbonio.
Le ragioni più importanti per la separazione della chimica organica in una scienza separata sono le seguenti.
1. Numerosi composti organici rispetto a quelli inorganici.
Il numero di composti organici conosciuti (circa 6 milioni) supera significativamente il numero di composti di tutti gli altri elementi del sistema periodico di Mendeleev. Attualmente se ne conoscono circa 700.000. composti inorganici, si ottengono circa 150mila nuovi composti organici in un anno. Ciò è spiegato non solo dal fatto che i chimici sono particolarmente intensamente impegnati nella sintesi e nello studio dei composti organici, ma anche dalla speciale capacità dell'elemento carbonio di dare composti contenenti un numero quasi illimitato di atomi di carbonio collegati in catene e cicli.
2. Le sostanze organiche rivestono un'importanza eccezionale sia per le loro applicazioni pratiche estremamente diverse, sia perché svolgono un ruolo cruciale nei processi vitali degli organismi.
3. Esistono differenze significative nelle proprietà e nella reattività dei composti organici rispetto a quelli inorganici, di conseguenza, è nata la necessità di sviluppare molti metodi specifici per lo studio dei composti organici.
L'oggetto della chimica organica è lo studio dei metodi per la preparazione, la composizione, la struttura e le applicazioni delle più importanti classi di composti organici.
2. Breve rassegna storica dello sviluppo della chimica organica
La chimica organica come scienza ha preso forma all'inizio del XIX secolo, ma la conoscenza dell'uomo con le sostanze organiche e la loro applicazione a fini pratici è iniziata in tempi antichi. Il primo acido conosciuto era l'aceto, o soluzione acquosa acido acetico. I popoli antichi conoscevano la fermentazione del succo d'uva, conoscevano un primitivo metodo di distillazione e lo utilizzavano per ottenere la trementina; Galli e Germani sapevano fare il sapone; in Egitto, Gallia e Germania sapevano fare la birra.
In India, Fenicia ed Egitto, l'arte della tintura con l'aiuto di sostanze organiche era molto sviluppata. Inoltre, i popoli antichi lo usavano materia organica come oli, grassi, zucchero, amido, gomme, resine, indaco, ecc.
Il periodo di sviluppo della conoscenza chimica nel Medioevo (circa fino al XVI secolo) fu chiamato il periodo dell'alchimia. Tuttavia, lo studio sostanze inorganiche ebbe molto più successo dello studio delle sostanze organiche. Le informazioni su quest'ultimo sono rimaste limitate quasi quanto in epoche più antiche. Alcuni progressi sono stati compiuti attraverso il miglioramento dei metodi di distillazione. In questo modo, in particolare, si isolavano diversi oli essenziali e si otteneva un forte alcool di vino, che era considerato una delle sostanze con cui si può preparare la pietra filosofale.
Fine del XVIII secolo fu segnato da notevoli successi nello studio delle sostanze organiche, e le sostanze organiche cominciarono ad essere studiate da un punto di vista puramente scientifico. In questo periodo furono isolati e descritti dalle piante alcuni dei più importanti acidi organici (ossalico, citrico, malico, gallico) e si scoprì che oli e grassi contengono, come componente comune, il “dolce inizio degli oli” (glicerina), ecc.
Gradualmente iniziò a sviluppare studi sulle sostanze organiche, i prodotti dell'attività vitale degli organismi animali. Ad esempio, urea e acido urico e dall'urina di mucche e cavalli - acido ippurico.
L'accumulo di materiale fattuale significativo è stato un forte impulso a uno studio più approfondito della materia organica.
I concetti di sostanze organiche e chimica organica furono introdotti per la prima volta dallo scienziato svedese Berzelius (1827). In un testo di chimica che ha avuto molte edizioni, Berzelius esprime la convinzione che “nella natura vivente gli elementi obbediscono a leggi diverse che nella natura inanimata” e che le sostanze organiche non possono formarsi sotto l'influenza delle ordinarie forze fisiche e chimiche, ma richiedono una speciale “forza vitale” per la loro formazione”. Ha definito la chimica organica come "la chimica delle sostanze vegetali e animali, o sostanze formate sotto l'influenza della forza vitale". Il successivo sviluppo della chimica organica ha dimostrato l'errore di queste opinioni.
Nel 1828 Wöhler dimostrò che una sostanza inorganica - il cianato di ammonio - quando riscaldata si trasforma in un prodotto di scarto di un organismo animale - l'urea.
Nel 1845 Kolbe sintetizzò una tipica sostanza organica - l'acido acetico, usando come materiali di partenza carbone, zolfo, cloro e acqua. In un periodo relativamente breve sono stati sintetizzati numerosi altri acidi organici, che in precedenza erano stati isolati solo dalle piante.
Nel 1854 Berthelot riuscì a sintetizzare sostanze appartenenti alla classe dei grassi.
Nel 1861 A. M. Butlerov, per azione dell'acqua di calce sulla paraformaldeide, effettuò per la prima volta la sintesi del metilenenitano, una sostanza appartenente alla classe degli zuccheri, che, come è noto, svolgono un ruolo importante nei processi vitali di organismi.
Tutte queste scoperte scientifiche hanno portato al crollo del vitalismo, la dottrina idealistica della "forza vitale".
CHIMICA ORGANICA
Concetti di base della chimica organica
Chimica organica – è la branca della chimica che studia i composti del carbonio. Il carbonio si distingue tra tutti gli elementi in quanto i suoi atomi possono legarsi l'un l'altro in lunghe catene o cicli. È questa proprietà che consente al carbonio di formare i milioni di composti studiati dalla chimica organica.
Teoria della struttura chimica di A. M. Butlerov.
Teoria moderna La struttura delle molecole spiega sia l'enorme numero di composti organici sia la dipendenza delle proprietà di questi composti dalla loro struttura chimica. Conferma inoltre pienamente i principi di base della teoria della struttura chimica, sviluppata dall'eccezionale scienziato russo A. M. Butlerov.
Le principali disposizioni di questa teoria (a volte chiamata strutturale):
1) gli atomi nelle molecole sono interconnessi in un certo ordine da legami chimici secondo la loro valenza;
2) le proprietà di una sostanza sono determinate non solo dalla composizione qualitativa, ma anche dalla struttura e dall'influenza reciproca degli atomi.
3) dalle proprietà di una sostanza, puoi determinarne la struttura e dalla struttura - proprietà.
Un'importante conseguenza della teoria della struttura fu la conclusione che ogni composto organico doveva avere una formula chimica che riflettesse la sua struttura. Questa conclusione giustificava teoricamente il ben noto fenomeno già allora isomerismo, - l'esistenza di sostanze con la stessa composizione molecolare, ma con proprietà diverse.
Isomeri– sostanze che hanno la stessa composizione ma struttura diversa
Formule di struttura. L'esistenza degli isomeri richiedeva l'uso non solo di semplici formule molecolari, ma anche di formule strutturali che riflettessero l'ordine di legame degli atomi nella molecola di ciascun isomero. Nelle formule strutturali, un legame covalente è indicato da un trattino. Ogni trattino indica una coppia di elettroni comune che collega gli atomi nella molecola.
Formula strutturale - immagine condizionale della struttura di una sostanza, tenendo conto dei legami chimici.
Classificazione dei composti organici.
Per classificare i composti organici per tipi e costruire i loro nomi nella molecola di un composto organico, è consuetudine distinguere lo scheletro di carbonio e i gruppi funzionali.
scheletro di carbonio rappresenta una sequenza di atomi di carbonio legati chimicamente.
Tipi di scheletri di carbonio. Gli scheletri di carbonio sono divisi in aciclico(non contenente cicli) , ciclico ed eterociclico.
In uno scheletro eterociclico, uno o più atomi diversi dal carbonio sono inclusi nel ciclo del carbonio. Negli stessi scheletri di carbonio, i singoli atomi di carbonio devono essere classificati in base al numero di atomi di carbonio legati chimicamente. Se un dato atomo di carbonio è legato a un atomo di carbonio, viene chiamato primario, con due - secondario, tre - terziario e quattro - quaternario.
Poiché gli atomi di carbonio possono formare tra loro non solo legami singoli, ma anche multipli (doppi e tripli), quindi sono chiamati composti contenenti solo singoli legami C-C ricco, vengono chiamati composti con più legami insaturo.
idrocarburi– composti in cui gli atomi di carbonio sono legati solo agli atomi di idrogeno.
Gli idrocarburi sono riconosciuti in chimica organica come ancestrali. Una varietà di composti sono considerati derivati di idrocarburi ottenuti introducendo in essi gruppi funzionali.
Gruppi funzionali. La maggior parte dei composti organici, oltre agli atomi di carbonio e idrogeno, contiene atomi di altri elementi (non inclusi nello scheletro). Questi atomi oi loro raggruppamenti, che determinano in gran parte la chimica e Proprietà fisiche si chiamano composti organici gruppi funzionali.
Il gruppo funzionale risulta essere la caratteristica finale secondo la quale i composti appartengono all'una o all'altra classe.
I più importanti gruppi funzionali
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Gruppi funzionali |
Classe di connessione |
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designazione |
Nome |
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F, -Cl, -Br, -I |
alogeno derivati degli idrocarburi |
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idrossile |
alcoli, fenoli |
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carbonile |
aldeidi, chetoni |
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carbossilico |
acidi carbossilici |
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gruppo amminico |
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gruppo nitro |
composti nitro |
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serie omologa. Il concetto di serie omologa è utile per descrivere i composti organici. serie omologa formare composti che differiscono l'uno dall'altro per il gruppo -CH 2 - e hanno proprietà chimiche simili. Vengono chiamati i gruppi CH 2 differenza omologica .
Un esempio di serie omologa è la serie degli idrocarburi saturi (alcani). Il suo rappresentante più semplice è il metano CH 4 . Gli omologhi del metano sono: etano C 2 H 6, propano C 3 H 8, butano C 4 H 10, pentano C 5 H 12, esano C 6 H 14, eptano C 7 H 16, ecc. La formula di ogni successivo omologo può essere ottenuto aggiungendo alla formula della precedente differenza omologica di idrocarburi.
La composizione delle molecole di tutti i membri della serie omologa può essere espressa da uno formula generale. Per la serie omologa considerata di idrocarburi saturi, tale formula sarà CnH2n+2, dove n è il numero di atomi di carbonio.
Nomenclatura dei composti organici. Attualmente è riconosciuta la nomenclatura sistematica di IUPAC (IUPAC - International Union of Pure and Applied Chemistry).
Secondo le regole IUPAC, il nome di un composto organico è costruito dal nome della catena principale che forma la radice della parola, e dai nomi delle funzioni usate come prefissi o suffissi.
Per la corretta costruzione del nome, è necessario selezionare la catena principale e numerare gli atomi di carbonio in essa contenuti.
La numerazione degli atomi di carbonio nella catena principale inizia dall'estremità della catena, più vicina alla quale si trova il gruppo più vecchio. Se esistono diverse possibilità di questo tipo, la numerazione viene eseguita in modo tale che o un legame multiplo o un altro sostituente presente nella molecola riceva il numero più piccolo.
Nei composti carbociclici, la numerazione parte dall'atomo di carbonio in cui si trova il gruppo caratteristico più alto. Se in questo caso è impossibile scegliere una numerazione univoca, il ciclo viene numerato in modo che i sostituenti abbiano i numeri più piccoli.
Nel gruppo degli idrocarburi ciclici si distinguono in particolare gli idrocarburi aromatici, caratterizzati dalla presenza di un anello benzenico nella molecola. Alcuni noti rappresentanti degli idrocarburi aromatici e dei loro derivati hanno nomi banali, il cui uso è consentito dalle regole IUPAC: benzene, toluene, fenolo, acido benzoico.
Il radicale C 6 H 5 formato dal benzene è chiamato fenile, non benzile. Il benzile è il radicale C 6 H 5 CH 2 formato dal toluene.
Comporre il nome di un composto organico. La base del nome del composto è la radice della parola, che denota un idrocarburo saturo con lo stesso numero di atomi della catena principale ( meth-, et-, prop-, but-, pent: hex- eccetera.). Segue poi un suffisso che caratterizza il grado di saturazione, -it se non ci sono legami multipli nella molecola, -it in presenza di doppi legami e -In per tripli legami, (es. pentano, pentene, pentene). Se ci sono più legami multipli nella molecola, il numero di tali legami è indicato nel suffisso: - di it, - tre en, e dopo il suffisso, la posizione del legame multiplo deve essere indicata in numeri arabi (ad esempio, butene-1, butene-2, butadiene-1.3):
Inoltre, il nome del gruppo caratteristico più antico nella molecola è inserito nel suffisso, indicando la sua posizione con un numero. Altri sostituenti sono designati da prefissi. Tuttavia, non sono elencati in ordine di anzianità, ma in ordine alfabetico. La posizione del sostituente è indicata da un numero prima del prefisso, ad esempio: 3 -metile; 2 -cloro, ecc. Se nella molecola sono presenti più sostituenti identici, il loro numero è indicato davanti al nome del gruppo corrispondente (ad esempio, di metil-, tricloro-, ecc.). Tutti i numeri nei nomi delle molecole sono separati dalle parole da un trattino e l'uno dall'altro da virgole. I radicali di idrocarburi hanno i loro nomi.
Limitare i radicali di idrocarburi:
Radicali di idrocarburi insaturi:
Radicali di idrocarburi aromatici:
Prendiamo come esempio la seguente connessione:
1) La scelta della catena è inequivocabile, quindi la radice della parola è penta; seguito dal suffisso - it, che indica la presenza di un legame multiplo;
2) l'ordine di numerazione fornisce il gruppo più alto (-OH) con il numero più piccolo;
3) il nome completo del composto termina con un suffisso che denota gruppo anziano(in questo caso il suffisso è - ol indica la presenza di un gruppo ossidrile); la posizione del doppio legame e del gruppo idrossile è indicata da numeri.
Pertanto, il composto dato è chiamato penten-4-ol-2.
Nomenclatura banaleè una raccolta di nomi storici non sistematici di composti organici (esempio: acetone, acido acetico, formaldeide, ecc.).
Isomeria.
È stato dimostrato sopra che la capacità degli atomi di carbonio di formare quattro legami covalenti, compresi quelli con altri atomi di carbonio, apre la possibilità dell'esistenza di diversi composti della stessa composizione elementare: gli isomeri. Tutti gli isomeri sono divisi in due grandi classi: isomeri strutturali e isomeri spaziali.
Strutturale sono chiamati isomeri ordine diverso connessioni di atomi.
Isomeri spaziali hanno gli stessi sostituenti su ciascun atomo di carbonio e differiscono solo per la loro disposizione reciproca nello spazio.
Isomeri strutturali. In accordo con la suddetta classificazione dei composti organici per tipo, si distinguono tre gruppi tra gli isomeri strutturali:
1) composti che differiscono negli scheletri di carbonio:
2) composti che differiscono nella posizione del sostituente o del legame multiplo nella molecola:
3) composti contenenti vari gruppi funzionali e appartenenti a diverse classi di composti organici:
Isomeri spaziali(stereoisomeri). Gli stereoisomeri possono essere suddivisi in due tipi: isomeri geometrici e isomeri ottici.
isomeria geometrica caratteristica dei composti contenenti un doppio legame o ciclo. In tali molecole, è spesso possibile disegnare un piano condizionale in modo tale che i sostituenti su diversi atomi di carbonio possano trovarsi sullo stesso lato (cis-) o su lati opposti (trans-) di questo piano. Se un cambiamento nell'orientamento di questi sostituenti rispetto al piano è possibile solo a causa della rottura di uno dei legami chimici, allora si parla della presenza di isomeri geometrici. Gli isomeri geometrici differiscono nelle loro proprietà fisiche e chimiche.
Influenza reciproca degli atomi in una molecola.
Tutti gli atomi che compongono una molecola sono interconnessi e sperimentano un'influenza reciproca. Questa influenza viene trasmessa principalmente attraverso un sistema di legami covalenti con l'aiuto dei cosiddetti effetti elettronici.
Gli effetti elettronici sono lo spostamento della densità elettronica in una molecola sotto l'influenza dei sostituenti.
Gli atomi legati da un legame polare portano cariche parziali, denotate dalla lettera greca delta (δ). Un atomo che "tira" la densità elettronica del legame δ nella sua direzione acquisisce una carica negativa δ − . Quando si considera una coppia di atomi legati da un legame covalente, l'atomo più elettronegativo è chiamato accettore di elettroni. Il suo partner di legame δ avrà di conseguenza un deficit di densità elettronica uguale, cioè una carica positiva parziale δ +, e sarà chiamato donatore di elettroni.
Lo spostamento della densità elettronica lungo la catena di legami σ è chiamato effetto induttivo ed è indicato con I.
L'effetto induttivo viene trasmesso attraverso il circuito con smorzamento. La direzione di spostamento della densità elettronica di tutti i legami σ è indicata da frecce diritte.
A seconda che la densità elettronica si allontani dall'atomo di carbonio considerato o si avvicini ad esso, l'effetto induttivo è chiamato negativo (-I) o positivo (+I). Il segno e l'entità dell'effetto induttivo sono determinati dalle differenze di elettronegatività tra l'atomo di carbonio in questione e il gruppo che lo provoca.
Sostituenti elettron-attrattori, cioè un atomo o un gruppo di atomi che sposta la densità elettronica di un legame σ da un atomo di carbonio mostra un effetto induttivo negativo (effetto −I).
I sostituenti donatori di elettroni, cioè un atomo o un gruppo di atomi che spostano la densità elettronica sull'atomo di carbonio, mostrano un effetto induttivo positivo (+ effetto I).
L'effetto I è esibito da radicali di idrocarburi alifatici, cioè radicali alchilici (metile, etile, ecc.).
La maggior parte dei gruppi funzionali mostra -I-effetto: alogeni, gruppo amminico, gruppi ossidrilici, carbonilici, carbossilici.
L'effetto induttivo si manifesta anche nel caso in cui gli atomi di carbonio legati differiscono nello stato di ibridazione. Quindi, nella molecola di propene, il gruppo metilico mostra + I-effetto, poiché l'atomo di carbonio in esso è nello stato ibrido sp3 e l'atomo ibridato sp2 (con un doppio legame) funge da accettore di elettroni, poiché ha un'elettronegatività maggiore:
Quando l'effetto induttivo del gruppo metilico viene trasferito al doppio legame, il legame π mobile ne risente per primo.
L'effetto di un sostituente sulla distribuzione della densità elettronica trasmessa attraverso i legami π è chiamato effetto mesomerico (M). L'effetto mesomerico può anche essere negativo e positivo. Nelle formule strutturali, è rappresentato da una freccia curva che parte dal centro della densità elettronica e termina nel punto in cui la densità elettronica si sposta.
La presenza di effetti elettronici porta ad una ridistribuzione della densità elettronica nella molecola e alla comparsa di cariche parziali sui singoli atomi. Questo determina la reattività della molecola.
Classificazione delle reazioni organiche
− Classificazione in base al tipo di rottura dei legami chimici nelle particelle reattive. Di questi, si possono distinguere due grandi gruppi di reazioni: radicale e ionico.
Reazioni radicali - questi sono processi che vanno con una rottura omolitica di un legame covalente. In una rottura omolitica, una coppia di elettroni che formano un legame è divisa in modo tale che ciascuna delle particelle formate riceva un elettrone. Come risultato della rottura omolitica, si formano radicali liberi:
Viene chiamato un atomo o una particella neutra con un elettrone spaiatoradicale libero.
Reazioni ioniche- questi sono processi che avvengono con la rottura eterolitica dei legami covalenti, quando entrambi gli elettroni di legame rimangono con una delle particelle precedentemente legate:
Come risultato della scissione del legame eterolitico, si ottengono particelle cariche: nucleofile ed elettrofile.
Una particella nucleofila (nucleofila) è una particella che ha una coppia di elettroni nel livello elettronico esterno. A causa della coppia di elettroni, il nucleofilo è in grado di formare un nuovo legame covalente.
Una particella elettrofila (elettrofila) è una particella che ha un livello elettronico esterno vuoto. L'elettrofilo rappresenta orbitali vuoti e vuoti per la formazione di un legame covalente dovuto agli elettroni della particella con cui interagisce.
−Classificazione in base alla composizione e alla struttura delle sostanze iniziali e dei prodotti di reazione. In chimica organica, tutti i cambiamenti strutturali sono considerati relativi all'atomo (o agli atomi) di carbonio coinvolti nella reazione. I tipi più comuni di trasformazioni sono:
adesione
sostituzione
scissione (eliminazione)
polimerizzazione
In accordo con quanto sopra, la clorurazione del metano per azione della luce è classificata come sostituzione radicalica, l'aggiunta di alogeni agli alcheni come addizione elettrofila e l'idrolisi degli alogenuri alchilici come sostituzione nucleofila.
La chimica organica è una scienza che studia i composti del carbonio con altri elementi, chiamati composti organici, nonché le leggi delle loro trasformazioni. Il nome "chimica organica" ha avuto origine in fase iniziale sviluppo della scienza, quando l'oggetto di studio era limitato ai composti del carbonio di origine vegetale e animale. Non tutti i composti del carbonio possono essere definiti organici. Ad esempio, CO 2 , HCN, CS 2 sono tradizionalmente classificati come inorganici. Convenzionalmente, possiamo assumere che il prototipo dei composti organici sia il metano CH 4 .
Ad oggi, il numero di sostanze organiche conosciute supera i 10 milioni e aumenta ogni anno di 200-300 mila.La varietà di questi composti è determinata dalla capacità unica degli atomi di carbonio di combinarsi tra loro mediante legami semplici e multipli, per formare composti con un numero praticamente illimitato di atomi collegati in una catena, cicli, strutture, ecc., formano forti legami con quasi tutti gli elementi del sistema periodico, così come il fenomeno dell'isomerismo - l'esistenza di sostanze identiche nella composizione, ma diversi per struttura e proprietà.
Un numero enorme di composti organici determina il valore di org. chimica come il più grande ramo della chimica moderna. Il mondo che ci circonda è costruito principalmente da org. connessioni; cibo, carburante, vestiti, medicinali, vernici, detergenti, materiali senza i quali è impossibile creare trasporti, stampa, penetrazione nello spazio e così via. Il ruolo più importante di org. composti giocano nei processi della vita. Dalla dimensione delle molecole org. le sostanze sono suddivise in a basso peso molecolare (con massa molare da diverse decine a diverse centinaia, raramente fino a mille) e macromolecolare (macromolecolare; con una massa molare dell'ordine di 10 4 -10 6 e oltre).
La chimica organica studia non solo composti ottenuti da organismi vegetali e animali, ma principalmente composti creati artificialmente mediante sintesi organica di laboratorio o industriale. Inoltre, gli oggetti di studio del computer org. chimica sono composti che non solo non esistono negli organismi viventi, ma che, a quanto pare, non possono essere ottenuti artificialmente (ad esempio, un ipotetico analogo del metano, che non ha una struttura tetraedrica naturale, ma ha la forma di un quadrato piatto) .
Riferimento storico
Le origini della chimica organica risalgono a tempi antichissimi (si conoscevano già la fermentazione alcolica e acetica, la tintura con indaco e alizarina). Tuttavia, nel Medioevo (il periodo dell'alchimia), solo pochi individui org. sostanze. Tutti gli studi di questo periodo furono ridotti principalmente a operazioni, con l'aiuto delle quali, come si pensava allora, solo sostanze semplici può essere trasformato in altri. Dal XVI sec (periodo di iatrochimica) la ricerca era principalmente finalizzata all'isolamento e all'uso di varie sostanze medicinali: si isolavano alcuni oli essenziali dalle piante, si preparava l'etere dietilico, si ottenevano alcool (metilico) di legno e acido acetico per distillazione a secco del legno, l'acido tartarico è stato ottenuto dal tartaro, distillazione zucchero di piombo - acido acetico, distillazione di ambra - succinico.
La fusione di composti chimici di origine vegetale e animale in un'unica sostanza chimica. scienza org. la chimica è stata svolta da J. Berzelius, che ha introdotto il termine stesso e il concetto di materia organica, la formazione di quest'ultima, secondo Berzelius, è possibile solo in un organismo vivente in presenza di "forza vitale".
Questo malinteso fu confutato da F. Wöhler (1828), che ottenne l'urea (sostanza organica) dal cianato di ammonio (sostanza inorganica), A. Kolbe, che sintetizzò acido acetico, M. Berthelot, che ha ricevuto metano da H 2 S e CS 2, A. M. Butlerov, che ha sintetizzato sostanze zuccherine dalla formalina. Al primo piano 19esimo secolo fu accumulato un vasto materiale sperimentale e furono fatte le prime generalizzazioni che determinarono il rapido sviluppo di org. chimica: metodi sviluppati di analisi org. composti (Berzelius, J. Liebig, J. Dumas, M. Chevreul), una teoria dei radicali (Wohler, J. Gay-Lussac, Liebig, Dumas) è stata creata come gruppi di atomi che passano invariati dalla molecola iniziale alla molecola finale molecola durante la reazione; teoria dei tipi (C. Gerard, 1853), in cui org. i composti sono stati costruiti da sostanze inorganiche - "tipi" sostituendo gli atomi in essi contenuti con org. frammenti; fu introdotto il concetto di isomeria (Berzelius).
Allo stesso tempo, continua lo sviluppo intensivo della sintesi. Il primo produzione industriale composti organici(A. Hoffman, W. Perkin Sr. - coloranti sintetici: movein, magenta, cianina e coloranti azoici). Il miglioramento del metodo di sintesi dell'anilina scoperto da N. N. Zinin (1842) servì come base per la creazione dell'industria dei coloranti all'anilina.
Idea legame inscindibile chim. e fisico proprietà di una molecola con la sua struttura, l'idea dell'unicità di questa struttura fu espressa per la prima volta da Butlerov (1861), che creò la teoria classica della chimica. strutture (gli atomi nelle molecole sono collegati in base alle loro valenze, le proprietà chimiche e fisiche del composto sono determinate dalla natura e dal numero di atomi inclusi nella loro composizione, nonché dal tipo di legami e dall'influenza reciproca degli atomi direttamente non legati). Teoria della chimica. la struttura determinò l'ulteriore rapido sviluppo della chimica organica: nel 1865 Kekule propose la formula per il benzene, e in seguito espresse l'idea delle oscillazioni di legame; V.V. Markovnikov e A.M. Zaitsev ha formulato una serie di regole che per la prima volta collegavano la direzione della chimica. reazioni con chim. la struttura del reagente.
Le opere di Bayer, K. Laar, L. Claisen, L. Knorr hanno sviluppato idee su tautomeria - isomeria mobile. Tutte queste idee teoriche hanno contribuito al potente sviluppo della chimica sintetica. Per truffare. 19esimo secolo sono stati ottenuti tutti i più importanti rappresentanti di idrocarburi, alcoli, aldeidi e chetoni, acidi carbossilici, alogeni e nitroderivati, strutture contenenti azoto e zolfo, eterocicli aromatici. Sono stati sviluppati metodi per ottenere dieni, acetileni e alleni (A.E. Favorsky). Sono state scoperte numerose reazioni di condensazione (Sch. Wurtz, A. P. Borodin, W. Perkin, Claisen, A. Michael, S. Friedel, J. Crafts, E. Knoevenagel e altri). Eccezionale successo è stato ottenuto da EG Fisher nello studio di carboidrati, proteine e purine, nell'uso di enzimi in org. sintesi (1894), eseguì anche la sintesi di polipeptidi. Il lavoro di O. Wallach sulla chimica dei terpeni divenne la base per l'industria delle sostanze profumate. Eccezionali anche per il nostro tempo sono le opere pionieristiche di R. Wilstetter. Contributo fondamentale allo sviluppo di org. la sintesi fu introdotta da V. Grignard (1900-20) e N.D. Zelinsky (1910) - la creazione di un metodo eccezionalmente fruttuoso per la sintesi di composti organomagnesiaci e la scoperta di trasformazioni catalitiche di idrocarburi; quest'ultimo ha svolto un ruolo eccezionale nello sviluppo della chimica del petrolio. La chimica dei radicali liberi iniziò con il lavoro di M. Gomberg (1900), che scoprì il radicale trifenilmetile, e fu continuata dal lavoro di A. E. Chichibabin, G. Wieland e S. Goldschmidt.
La struttura dei composti organici
I composti organici sono caratterizzati da legami C-C covalenti non polari e legami covalenti polari. Connessioni C-O, C-N, C-Hal, C-metal, ecc. La formazione di legami covalenti è stata spiegata sulla base delle ipotesi sviluppate da G. Lewis e W. Kossel (1916) sull'importante ruolo delle formazioni elettroniche: ottetti e doppietti. La molecola è stabile se il guscio di valenza di elementi come C, N, O, Hal contiene 8 elettroni (regola dell'ottetto) e il guscio di valenza dell'idrogeno contiene 2 elettroni. Chim. un legame è formato da una coppia socializzata di elettroni di atomi diversi (un legame semplice). I doppi e tripli legami sono formati dalle corrispondenti due e tre di tali coppie. Gli atomi elettronegativi (F, O, N) non usano tutti i loro elettroni di valenza per legarsi al carbonio; gli elettroni "inutilizzati" formano coppie di elettroni non condivise (libere). Polarità e polarizzabilità dei legami covalenti in org. composti nella teoria elettronica di Lewis-Kossel è spiegato dallo spostamento di coppie di elettroni da un atomo meno elettronegativo a uno più elettronegativo, che si esprime nell'effetto induttivo e nell'effetto mesomerico.
La teoria classica della chimica. le strutture e le rappresentazioni inizialmente elettroniche non erano in grado di descrivere in modo soddisfacente la struttura di molti composti, ad esempio quelli aromatici, nel linguaggio delle formule strutturali. Teoria moderna della comunicazione in org. composti si basa principalmente sul concetto di orbitali e utilizza i metodi degli orbitali molecolari. Si stanno sviluppando intensamente metodi quanto-chimici, la cui oggettività è determinata dal fatto che si basano sull'apparato della meccanica quantistica, l'unico adatto allo studio dei fenomeni del micromondo.
L'emergere di composti organici
La maggior parte dei composti organici in natura si formano durante la fotosintesi dall'anidride carbonica e dall'acqua sotto l'azione della radiazione solare assorbita dalla clorofilla nelle piante verdi. Tuttavia, org. i composti devono essere esistiti sulla terra anche prima dell'emergere della vita, che non sarebbe potuta apparire senza di loro. L'atmosfera terrestre primaria circa 2 miliardi di anni fa aveva proprietà riducenti, poiché non conteneva ossigeno, ma conteneva principalmente idrogeno e acqua, oltre a CO, azoto, ammoniaca e metano.
In condizioni di forte radiazione radioattiva da minerali terrestri e intense scariche atmosferiche nell'atmosfera, la sintesi abiotica degli amminoacidi procedeva secondo lo schema:
CH 4 + H 2 O + NH 3 → Amminoacidi
La possibilità di una tale reazione è stata ora dimostrata da esperimenti di laboratorio.
CHIMICA ORGANICA- sezione di chimica, disciplina delle scienze naturali, oggetto di studio sono i composti organici, cioè i composti del carbonio con altri elementi, nonché le leggi di trasformazione di queste sostanze; a volte la chimica organica è definita come la chimica degli idrocarburi e dei loro derivati.
Influenza di O. x. sullo sviluppo della biologia e della medicina è molto ampio. Tutti gli esseri viventi sono costituiti da composti organici(vedi), e il metabolismo che è la pietra angolare di processi vitali rappresenta trasformazioni di hl. arr. composti organici. OH. sottende biochimica(vedi) - scienza, che è uno dei fondamenti scientifici naturali della medicina. La maggior parte delle sostanze medicinali sono composti organici; quindi O.x. insieme a fisiologia e biochimica è la base farmacologia(cm.). Metodi O.x. giocato ruolo importante nello stabilire la struttura degli acidi nucleici, molte proteine e altri composti naturali complessi; con il loro aiuto sono stati scoperti i meccanismi e la regolazione della sintesi proteica. Grazie alle maggiori possibilità di sintesi organica, sono state ottenute artificialmente sostanze naturali complesse come i polinucleotidi con una data alternanza di unità nucleotidiche, cianocobalamina, ecc.
Il successo del biologico chimica, che è di fondamentale importanza, è stato lo sviluppo di metodi per la sintesi di molti polipeptidi biologicamente attivi, inclusi enzimi e alcuni ormoni o loro analoghi farmacologicamente attivi, così come molti medicinali.
Oltretutto, Grande importanza ha acquisito i metodi di O. x. in moderna, tecnologia per la produzione di gomme, materie plastiche, coloranti sintetici, pesticidi, erbicidi, stimolanti della crescita delle piante.
OH. studi struttura fine sostanze organiche: l'ordine di connessione degli atomi nelle loro molecole, la mutua disposizione spaziale degli atomi nelle molecole dei composti organici, la struttura elettronica degli atomi ei loro legami nei composti organici. Inoltre, un soggetto di O. x. è lo studio delle reazioni organiche, compresa la loro cinetica (cfr. Cinetica dei processi biologici), meccanismi energetici ed elettronici, nonché lo sviluppo di nuovi metodi per la sintesi di sostanze organiche in condizioni di laboratorio e industriali.
Sezioni O. x. sono dedicati allo studio di singoli gruppi di sostanze organiche secondo la loro classificazione, ad esempio la chimica degli idrocarburi, la chimica degli amminoacidi, ecc., o questioni teoriche generali, ad esempio la stereoisomeria dei composti organici, i meccanismi di reazioni organiche, oltre che pratico aspetti importanti O. x., ad esempio, la chimica dei coloranti, la chimica delle droghe organiche, ecc.
I composti organici e alcune delle loro proprietà sono noti alle persone fin dall'antichità; già allora conoscevano la fermentazione alcolica e acetica, la tintura con indaco e alizarina, ecc.
Dal XVI secolo - il periodo iatrochimica(vedi) - la ricerca era finalizzata principalmente all'isolamento e all'uso di varie sostanze medicinali organiche: le piante erano isolate oli essenziali, fu preparato etere dietilico, alcool metilico (legno) e acido acetico furono ottenuti per distillazione a secco del legno, ambra to-ta fu ottenuta per distillazione dell'ambra. Tuttavia l'emergenza di O. x. come indipendente disciplina scientifica si riferisce solo al XIX secolo. Per la prima volta il concetto «la chimica organica» fu usato da I. Berzelius, to-ry chiamò così la chimica delle sostanze che sono formate in un organismo di animali e piante. Tappe importanti della formazione di O. x. è stata l'implementazione del primo chem. sintesi di sostanze organiche - acido ossalico e urea, che ha mostrato la possibilità di ottenere composti organici al di fuori di un organismo vivente, senza la partecipazione della "forza vitale" (vedi. Vitalismo). Queste sintesi, così come il lavoro di Yu Liebig, che ha dimostrato che il carbonio è contenuto in tutte le sostanze (organiche) formate in un organismo vivente, hanno contribuito all'emergere della definizione di O. x. come la chimica dei composti del carbonio proposta da L. Gmelin. Dal primo quarto del XIX secolo Cominciarono i tentativi di generalizzare il materiale fattuale a disposizione di O. x., sotto forma di varie teorie. La prima di queste teorie può essere considerata la teoria dei radicali, formulata da J. Gay-Lussac, secondo la quale le molecole delle sostanze organiche sono costituite da gruppi di atomi - radicali, costanti e immutabili e capaci di passare da un composto all'altro. Tali radicali, secondo J. Gay-Lussac, possono a lungo esistono in uno stato libero e in una molecola sono trattenuti a causa delle loro cariche opposte. Il concetto di radicali come gruppi di atomi capaci di trasferirsi da una molecola all'altra è stato conservato fino ad oggi. Tuttavia, tutte le altre disposizioni di questa teoria si sono rivelate errate.
Seguendo la teoria dei radicali, apparve la teoria dei tipi di Gerard (F. Gerard) e Laurent (A. Laurent). Secondo questa teoria, tutte le sostanze organiche sono composti formati sostituendo alcuni atomi nella molecola di alcune sostanze inorganiche (es. acqua, ammoniaca, ecc.) con residui organici. Quello. si possono ottenere composti organici relativi ai tipi di acqua (alcoli, eteri), tipi di ammoniaca (ammine primarie, secondarie e terziarie), ecc.. La teoria dei tipi ha avuto un ruolo positivo a suo tempo, poiché ha permesso di creare la prima classificazione delle sostanze organiche, di cui alcuni elementi sono stati conservati nelle classificazioni successive. Tuttavia, con l'accumulo di fatti e la conoscenza di sostanze più complesse, la teoria dei tipi si è rivelata sempre più insostenibile.
Una tappa importante nello sviluppo di O. x. fu la creazione di una teoria della struttura dei composti organici. Uno dei prerequisiti per la creazione di questa teoria fu l'istituzione da parte di F. A. Kekule nel 1857 della costante tetravalenza del carbonio e la scoperta da parte di A. Cooper nel 1858 della capacità degli atomi di carbonio di combinarsi tra loro, formando catene. Il creatore della teoria della struttura dei composti organici fu A. M. Butlerov (1861). Le disposizioni principali di questa teoria sono le seguenti. Tutti gli atomi che formano una molecola di materia organica sono collegati in una certa sequenza; possono essere concatenati singolo -С-С-, doppio >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 isomerismo(cm.). Chim. le proprietà di ciascun atomo e gruppo atomico non sono fisse, dipendono dagli altri atomi e gruppi atomici presenti nella molecola. Questa posizione della teoria della struttura dei composti organici sull'influenza reciproca degli atomi è stata sviluppata dallo studente di A. M. Butlerov - V. V. Markovnikov. La teoria di A. M. Butlerov, profondamente materialista, consente di scegliere il miglior schema di sintesi e, secondo la formula della struttura, come secondo il disegno, sintetizzare varie sostanze organiche.
Dal momento della creazione della teoria di una struttura di composti organici inizia lo sviluppo intensivo di O. x. Molte sezioni O. x. diventare la base teorica per una serie di industrie (chimica dei combustibili, chimica dei coloranti, chimica dei farmaci, ecc.).
Nello sviluppo di O. x. Anche N. N. Zinin, S. V. Lebedev, A. E. Favorskii, N. D. Zelinsky, V. M. Rodionov, A. N. Nesmeyanov, A. P. Orekhov e molti altri hanno svolto un ruolo eccezionale. Tra gli scienziati stranieri nel campo O. x. ampiamente conosciuti sono L. Pasteur, E. Fisher, Berthelot (R. E. M. Berthelot), A. Bayer, R. Wilstetter, R. B. Woodward, ecc.
Sotto l'influenza del rapido sviluppo della fisica nella teoria di O. x. i principi della meccanica quantistica o ondulatoria cominciarono ad essere largamente utilizzati (cfr. Teoria dei quanti). Sorsero concetti sugli orbitali di un elettrone (spazi di un atomo, in cui la probabilità di permanenza di un elettrone è maggiore). Rappresentazioni elettroniche in O. x. ha permesso di comprendere e classificare vari fatti dell'influenza reciproca degli atomi, che, come si è scoperto, si basa sulla ridistribuzione della densità elettronica. Molta attenzione in O. x. è dedicato allo studio del meccanismo elettronico delle reazioni organiche. Queste reazioni procedono con la formazione di radicali liberi aventi un atomo con un elettrone spaiato, magneticamente non compensato, e quindi attivo, o di ioni portatori di carica positiva o negativa (carbocationi e carboanioni).
Connessione profonda O. x. con la fisica e chimica fisica(vedi) si manifesta non solo nello studio della natura elettronica della sostanza chimica. legami, l'influenza reciproca degli atomi e dei meccanismi elettronici delle reazioni, ma anche nell'ampio sviluppo dei problemi di cinetica ed energetica della chimica. reazioni.
Caratteristica di O. x. seconda metà del XX secolo sono i suoi successi nel decifrare la struttura e nella sintesi di sostanze naturali così complesse come scoiattoli(cm.), acidi nucleici(vedi), ecc. La chiave del successo in quest'area è stata l'istituzione della disposizione spaziale reciproca degli atomi nelle molecole, ad es. stereochimica(vedi) e conformazioni di molecole organiche (vedi. Conformazione). Parallelamente è stato risolto il problema dello studio delle cause dell'isomerismo ottico e della sintesi di composti otticamente attivi.
Al successo di O. x. dovrebbe includere la scoperta e lo studio di nuove classi di composti organici, tra i quali il primo posto è occupato da composti aromatici non benzenici (anione ciclopeitadienilico e metalloceni, catione tropilio, azu-lenes, ecc.), alcuni gruppi di composti organici elementari con proprietà pratiche molto preziose per quanto riguarda.
Nella seconda metà del XX secolo l'ulteriore riavvicinamento di O. x procede. con la biochimica e la biologia, a seguito della quale sorse una nuova sezione della chimica: la chimica bioorganica.
Successi di O. x. è diventato possibile grazie all'uso diffuso di una serie di metodi fisici insieme a quelli chimici, che includono principalmente metodi di diffrazione (radiografia e diffrazione elettronica), spettroscopia ottica (nelle regioni visibile, ultravioletta e infrarossa dello spettro), radiospettroscopia magnetica: elettrone risonanza paramagnetica (EPR), risonanza magnetica nucleare (NMR), spettrometria di massa, determinazione dei momenti di dipolo elettrico. Tra questi metodi, il più efficace in termini di contenuto informativo è risonanza magnetica nucleare(vedi), comprese le sue varietà: la risonanza magnetica protonica e il metodo 13C-NMR, che è sempre più utilizzato. Questi metodi non solo hanno accelerato molte volte la decifrazione della struttura delle molecole di composti organici, ma hanno anche permesso di creare le condizioni per ottenere le loro caratteristiche geometriche ed energetiche complete, nonché per rivelare i meccanismi elettronici delle reazioni. Nella chimica organica vengono utilizzati anche metodi biochimici, ad esempio metodi enzimatici strettamente specifici, immunolo, metodi, ecc.
Con lo sviluppo delle scienze naturali sono apparse nuove discipline come la patologia molecolare e la farmacologia molecolare. Un numero crescente di malattie può essere spiegato dalla comparsa di molecole alterate di sostanze organiche nei tessuti. La farmacologia molecolare in rapido sviluppo consente di trovare nelle cellule e caratterizzare grande numero recettori che legano in modo specifico l'oggetto studiato sostanza medicinale. Lo studio dei recettori a livello molecolare apre prospettive per la ricerca di nuovi farmaci. penetrazione di O. x. in biologia e medicina ha permesso di rivelare l'essenza di alcuni processi che prima erano considerati puramente biologici. Pertanto, si è scoperto che le caratteristiche ereditarie degli organismi sono "registrate" nelle molecole di DNA sotto forma di una certa sequenza di nucleotidi. OH. penetrato nell'area più difficile: il campo di studio attività mentale persona. Si è scoperto che le sostanze organiche da sole potevano causare persona sana allucinazioni simili alle allucinazioni nei malati di mente, altre sostanze per rimuovere queste allucinazioni. Dal cervello di esseri umani e animali sono stati isolati peptidi che hanno un effetto simile a quello della morfina e dei suoi analoghi (vedi Fig. Oppiacei endogeni). È possibile che una violazione della biosintesi o della ricezione di questi peptidi sia alla base della patogenesi malattia mentale, e la sintesi organica dei loro analoghi resistenti alle peptidasi del sangue sarà di grande importanza per l'anestesiologia, la psichiatria, ecc.
A quanto pare, il più realizzazioni efficaci c'è da aspettarselo in quelle aree O. x., al confine tra biologia e medicina. Questa è l'apertura della chimica. le basi della crescita maligna e la lotta contro tumore maligno, decifrando chim. i fondamenti della memoria, il meccanismo delle dinamiche di sviluppo e differenziazione dei tessuti, la divulgazione della chimica. basi di immunità, ecc. Nelle aree O. x., al limite con la fisica e la chimica fisica, proseguiranno le ricerche sulla penetrazione più profonda nella natura chimica. legami tra gli atomi in una molecola organica, le relazioni quantitative tra la struttura e la reattività di tali molecole saranno stabilite più accuratamente, i meccanismi delle reazioni, in cui entrano i composti organici, saranno studiati più a fondo. IN URSS lavoro scientifico secondo O.x. realizzato dall'Istituto di ricerca dell'Accademia delle scienze dell'URSS: Istituto di chimica organica. ND Zelinsky (IOC), Istituto di chimica organica e fisica. A. E. Arbuzova (IOPC), Istituto di sintesi petrolchimica im. A. V. Topchieva (INHS), Institute of Organoelement Compounds (INEOS), Institute of Bioorganic Chemistry im. M. M. Shemyakina, HP PI e il ramo siberiano dell'Accademia delle scienze dell'URSS: Novosibirsk Institute of Organic Chemistry (NIOC), Irkutsk Institute of Organic Chemistry (INOC), Institute of Petroleum Chemistry, nonché Research Institute of Republican Academies - Istituto di chimica organica della RSS armena, RSS kirghisa, RSS ucraina, Istituto di chimica organica fine. A. L. Mgdzhayan (SSR armeno), Istituto di chimica fisica e organica (BSSR), Istituto di chimica fisica e organica im. P. G. Melikishvili (SSR georgiano), Istituto di sintesi organica (SSR lettone), ecc.
Il Comitato Nazionale dei Chimici Sovietici è membro dell'Unione Internazionale di Chimica Pura e Applicata - IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemie), che organizza congressi, conferenze e simposi una volta ogni due anni, compresi quelli sulla chimica organica.
In connessione con la tendenza generale della medicina ad avvicinarsi al livello molecolare, il medico deve comprendere chiaramente la struttura e la configurazione spaziale delle molecole delle sostanze coinvolte nel metabolismo (acidi nucleici, proteine, enzimi, coenzimi, carboidrati, lipidi, ecc.) in normale e patologia, così come la struttura delle molecole del farmaco.
OH. è la base per studiare nelle università mediche e nelle scuole mediche secondarie. istituzioni educative biochimica, farmacologia, fisiologia e altre discipline. a lei dedicato corso indipendente oppure viene letto come parte di un corso su chimica generale. Molti dei dati ottenuti nella ricerca su O. x. sono utilizzati in chimica fisica e colloidale, biologia, istologia, fisiopatologia, igiene generale, decorso delle malattie professionali, ecc.
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BH Stepanenko.