Арганічная хімія

Аргані́чная хі́мія — раздзел хіміі, які вывучае злучэнні вугляроду з іншымі элементамі (арганічныя злучэнні) і іх ператварэнні. Займаецца сінтэзам і вызначэннем структуры арганічных злучэнняў, вывучэннем сувязі хімічнай будовы рэчываў з рэакцыйнай здольнасцю і фізічнымі ўласцівасцямі, практычным выкарыстаннем.

Арганічная хімія
Прадмет вывучэння	арганічныя рэчывы
Процілегла	неарганічная хімія
Медыяфайлы на Вікісховішчы

Падзяляецца на стэрэахімію, хімію высокамалекулярных злучэнняў, прыродных рэчываў (антыбіётыкаў, вітамінаў, гармонаў і інш.), металаарганічных, фтораарганічных, комплексных злучэнняў, фарбавальнікаў.

Цесна звязана з біяхіміяй, медыцынай, біялогіяй, арганічнай геахіміяй, малекулярнай біялогіяй і іншымі галінамі навук^[1].

Гісторыя

Фрыдрых Вёлер

Як асобная навука арганічная хімія сфарміравалася ў пачатку 19 ст., калі вучоныя пачалі сістэматычнае вывучэнне арганічных рэчываў, якія ў той час вылучаліся з жывых арганізмаў.

Спачатку лічылі, што арганічныя рэчывы можна атрымліваць толькі з аб’ектаў жывой прыроды пад уплывам асобай «жыццёвай сілы». Існавала нават вучэнне аб «жыццёвай сіле» — віталізм.

Тэрмін «арганічная хімія» ўведзены Ё. Берцэліусам у 1827 годзе.

Доўгі час вучоныя-хімікі не маглі атрымаць арганічныя злучэнні з неарганічных рэчываў. Адным з першых такі сінтэз ажыццявіў нямецкі хімік Фрыдрых Вёлер. У выніку ператварэння неарганічнага злучэння (цыянату амонію) ён атрымаў арганічнае — мачавіну.

У наступныя гады сінтэзы арганічных злучэнняў з неарганічных ажыццявілі А. Кольбе (1845), М. Бертло (1854) і А. М. Бутлераў (1861). К пачатку 19 ст. была праведзена вялікая колькасць даследаванняў, вылучана ў чыстым выглядзе і вывучана многа арганічных рэчываў, уваходзячых у састаў прадуктаў харчавання, арганізмаў раслін, жывёл і чалавека. Лік вывучаных рэчываў набліжаўся да некалькіх соцень, але ніякай сувязі паміж іх будовай і ўласцівасцямі ўстаноўлена не было. Тым не менш стала вядома, што ў састаў большасці арганічных рэчываў уваходзяць элементы вуглярод, вадарод, кісларод, а некаторыя з рэчываў змяшчаюць атамы азоту і інш.

З другой чвэрці 19 стагоддзя пачалі развівацца тэарэтычныя ўяўленні агранічнай хіміі, у тым ліку тэорыя радыкалаў (Ю. Лібіх, Вёлер, Э. Франкленд, Р. Бунзен), тэорыя тыпаў (Ж. Дзюма, Ш. Жэрар і А. Ларан), паняцце пра валентнасць хімічных элементаў, чатырохвалентнасць вугляроду і здольнасць яго атамаў ствараць складаныя малекулы.

Абгрунтаваная ў 1861 годзе Бутлеравым тэорыя хімічнай будовы прапанавала існаванне сувязі паміж будовай і ўласцівасцямі арганічных злучэнняў, растлумачыла з’яву прасторавай ізамерыі арганічных злучэнняў. Ф. А. Кекуле ў 1865 годзе створана тэорыя будовы араматычных злучэнняў (на прыкладзе бензолу), у 1874 годзе Я. Х. вант Гоф і Ж. Ле Бель заклалі асновы стэрэахіміі, вылучылі аптычную ізамерыю і геаметрычную ізамерыю арганічных рэчываў.

Развіццё арганічнай хіміі ў пачатку 20 стагоддзя звязана з дасягненнямі квантавай фізікі і электронных тэорый хімічнай сувязі. Вызначаны тыпы хімічнай сувязі; Г. Льюіс, В. Косель, К. Інгалд, Л. Полінг распрацавалі і дапоўнілі ўяўленнямі квантавай хіміі і квантава-хімічнымі разлікамі электронную тэорыю будовы арганічных злучэнняў, прадказалі і растлумачылі іх рэакцыйную здольнасць.

У другой палове 20 стагоддзя пачалося станаўленне фізічнай арганічнай хіміі, у якой абагульнены ўяўленні па механізмах рэакцый і сувязі паміж структурай арганічных злучэнняў і іх рэакцыйнай здольнасцю. У даследаваннях пачалі шырока выкарыстоўвацца храматаграфія, рэнтгенаскапія, мас-спектраскапія, метады ЭПР, ЯМР, ІЧ- і УФ-спектраскапія. Сінтэзаваны новыя класы крэмнійарганічных злучэнняў (полісілаксаны), поліаміды (нейлон), фторпалімеры (тэфлон), цэнвыя злучэнні пераходных металаў (ферацэн), фізіялагічна актыўныя злучэнні, лекавыя прэпараты, атрутныя рэчывы, сродкі аховы раслін, антыпірэны.

Метады арганічнай хіміі разам з фізічнымі метадамі даследавання выкарыстоўваюцца ў вызначэнні будовы нуклеінавых кіслот, бялкоў, складаных прыродных злучэнняў, з дапамогай матэматычнага мадэлявання ажыццяўляецца мэтанакіраваны сінтэз арганічных рэчываў з зададзенымі ўласцівасцямі.

Магчымасці арганічнай хіміі дазволілі сінтэзаваць хларафіл, вітамін В₁₂ (Р. Вудварт), полінуклеатыды (А. Тод), распрацаваць аўтаматызаваны сінтэз ферментаў.

Адно з дасягненняў арганічнай хіміі ў геннай інжынерыі — сінтэз актыўнага гена (Х. Каран, 1976). Выкарыстанне дасягненняў арганічнай хіміі прывяло да стварэння тэхналогій вытворчасці сінтэтычных каўчукаў, пластычных мас, сінтэтычных валокнаў, фарбавальнікаў, кінафотаматэрыялаў, атрутных рэчываў, сродкаў аховы раслін, духмяных рэчываў, лекавых прэпаратаў.

На Беларусі даследаванні па арганічнай хіміі пачаліся ў 1924 годзе ў БДУ і вяліся ў Інстытутах фізіка-арганічнай і біяарганічнай хіміі АН, БДУ, Беларускім дзяржаўным тэхналагічным універсітэце, сельскагаспадарчых, медыцынскіх і іншых НДІ. Сінтэзаваны і вывучаны ператварэнні металаарганічных, поліхлорарганічных, пераксідных злучэнняў, ацыклічных і гетэрацыклічных злучэнняў, стэроідаў, гетэрастэроідаў, простагландзінаў, нуклеатыдаў, тэрпеноідаў.^[2]

Правілы і асаблівасці класіфікацыі

Асноўны артыкул: Арганічныя злучэнні

У аснове класіфікацыі ляжыць структура арганічных злучэнняў. Аснова апісання структуры — структурная формула. Атамы элементаў абазначаюцца лацінскімі знакамі, як яны пазначаны ў перыядычнай табліцы хімічных элементаў (табліцы Мендзялеева). Вадародныя і электронадэфіцітныя сувязі абазначаюцца пункцірнай лініяй, іонныя сувязі абазначаюцца ўказаннем зарадаў часціц, якія ўваходзяць у склад малекулы. Паколькі ў пераважную большасць арганічных малекул ўваходзіць вадарод, яго звычайна не абазначаюць пры паказе структуры. Такім чынам, калі ў структуры ў аднаго з атамаў намалявана недастатковая валентнасць, значыць, каля гэтага атама размешчаны адзін або некалькі атамаў вадароду.

Атамы могуць утвараць цыклічныя і араматычныя сістэмы.

Асноўныя класы арганічных злучэнняў

• Вуглевадароды — хімічныя злучэнні, якія складаюцца толькі з атамаў вугляроду і вадароду. У залежнасці ад тапалогіі будовы вугляроднага шкілета вуглевадароды падпадзяляюць на ацыклічныя і карбацыклічныя. У залежнасці ад кратнасці вуглярод-вугляродных сувязяў вуглевадароды падпадзяляюць на гранічныя (алканы або насычаныя), якія не змяшчаюць кратныя сувязі ў сваёй структуры і негранічныя або ненасычаныя — маюць у сваім складзе хоць бы адну двайную і / або трайную сувязь (алкены, алкіны, дыены). У сваю чаргу цыклічныя вуглевадароды падзяляюць на аліцыклічныя (з адкрытым ланцугом) і цыклаалканы (гранічныя з замкнёным ланцугом), араматычныя вуглевадароды (негранічныя, якія змяшчаюць цыкл).

Ацыклічныя (з адкрытым ланцугом)				Карбацыклічныя (з замкнёным ланцугом)
гранічныя	негранічныя			гранічныя	негранічныя
з адзінарнай сувяззю	з двайной сувяззю	з трайной сувяззю	з дзвюмя двайнымі сувязямі	з адзінарнай сувяззю	з бензольным кальцом
рад метана (алканы)	рад этылена (алкены)	рад ацэтылена (алкіны)	рад дыенавых вуглевадародаў	рад полімеціленаў (нафтэны)	рад бензола (араматычныя вуглевадароды, або арэны)

• Злучэнні з гетэраатамамі ў функцыянальных групах — злучэнні, у якіх вугляродны радыкал R звязаны з функцыянальнай групай. Па характары функцыянальных груп дзеляцца на:
  • Галагензмяшчальныя
  • Спірты, фенолы. Спірты (англ.: alcohols; ад лац.: spiritus — дух) — арганічныя злучэнні, якія змяшчаюць адну або больш гідраксільных груп (гідраксіл, -OH), непасрэдна звязаных з насычаным (што знаходзіцца ў стане sp³ гібрыдызацыі) атамам вугляроду^[3]. Спірты можна разглядаць як вытворныя вады (H-O-H), у якіх адзін атам вадароду замешчаны на арганічную функцыянальную групу: R-O-H. У наменклатуры IUPAC для злучэнняў, у якіх гідраксільная група звязана з ненасычаным (што знаходзіцца ў стане sp2 гібрыдызацыі) атамам вугляроду, рэкамендуюцца назвы «енолы» (гідраксіл звязаны з винильной C = C сувяззю)^[4] і «фенолы» (гідраксіл звязаны з бензольным або іншым араматычным цыклам)^[5].
  • Простыя эфіры (этэры) — арганічныя рэчывы, якія маюць формулу R-O-R₁, дзе R і R₁ — вуглевадародныя радыкалы. Неабходна ўлічваць, што такая група можа ўваходзіць у склад іншых функцыянальных груп злучэнняў, якія не з’яўляюцца простымі эфірамі (напрыклад, кіслародзмяшчальныя арганічныя злучэнні).
  • Складаныя эфіры (эстэры) — вытворныя оксакіслот (як карбонавых, так і мінеральных) R_kE(=O)_l(OH)_m, (l ≠ 0), фармальна якія з’яўляюцца прадуктамі замяшчэння атамаў вадароду гідраксілаў -OH кіслотнай функцыі на вуглевадародны астатак (аліфатычны, алкенільны, араматычны або гетераараматычны); разглядаюцца таксама як ацылвытворныя спіртоў. У наменклатуры IUPAC да складаных эфіраў адносяць таксама ацылвытворныя халькагенідных аналагаў спіртоў (тыолаў, селенолаў і тэлуролаў)^[6]. Адрозніваюцца ад простых эфіраў, у якіх два вуглевадародных радыкала злучаны атамам кіслароду (R₁—O—R₂).
  • Злучэнні, якія змяшчаюць карбанільныя групу
    • Альдэгіды (ад лац.: alcohol dehydrogenatum — спірт, пазбаўлены вадароду) — клас арганічных злучэнняў, якія змяшчаюць карбанільныя групу (С=О) з адным алкільным або арыльным замяшчальнікам.
    • Кетоны — гэта арганічныя рэчывы, у малекулах якіх карбанільныя група звязаная з двума вуглевадароднымі радыкаламі. Агульная формула кетонаў: R₁-CO-R₂. Наяўнасць у кетонаў менавіта двух атамаў вугляроду, непасрэдна звязаных з карбанільныя групай, адрознівае іх ад карбонавых кіслот і іх вытворных, а таксама альдэгідаў.
    • Хіноны — цалкам спалучаныя циклагексадыеноны і іх ануляваныя аналагі. Існуюць два класа хінонаў: пара-хіноны з пара-размяшчэннем карбанільных груп (1,4-хіноны) і орта-хіноны з орта-размяшчэннем карбанільных груп (1,2-хіноны). Дзякуючы здольнасці да зварачальнага аднаўлення да двухатамных фенолаў некаторыя вытворныя пара-хінонаў удзельнічаюць у працэсах біялагічнага акіслення ў якасці каферментаў рада оксідарэдуктаз.
  • Злучэнні, якія змяшчаюць карбаксільныя групу (карбонавыя кіслоты, складаныя эфіры)
  • Серазмяшчальныя злучэнні
  • Азотазмяшчальныя злучэнні
  • Металаарганічныя злучэнні
• Гетэрацыклічныя — утрымліваюць гетэраатамы ў складзе кальца. Адрозніваюцца па ліку атамаў у цыкле, па выглядзе гетераатама, па колькасці гетэраатамаў у цыкле.
• Арганічнага паходжання — як правіла злучэнні вельмі складанай структуры, часта належаць адразу да некалькіх класах арганічных рэчываў, часта з’яўляюцца палімерамі. З-за гэтага іх складана класіфікаваць і іх вылучаюць у асобны клас рэчываў.
• Палімеры — рэчывы з вельмі вялікай малекулярнай масай, якія складаюцца з перыядычна паўтаральных фрагментаў — монамерных звёнаў.

Тэорыя хімічнай будовы арганічных злучэнняў

Тэорыю хімічнай будовы арганічных злучэнняў можна коратка сфармуляваць у наступных асноўных палажэннях.

Атамы ў малекулах арганічных рэчываў злучаюцца адзін з адным у пэўнай паслядоўнасці, згодна з іх валентнасцю. Валентнасць вугляроду ў малекулах арганічных злучэнняў заўсёды роўна 4, вадароду — 1, кіслароду — 2.

Уласцівасці рэчываў залежаць не толькі ад якаснага і колькаснага саставу, але і ад парадку злучэння атамаў у малекулах. Існуюць рэчывы, якія маюць аднолькавы састаў, але розную будову і з прычыны гэтага розныя ўласцівасці. Рэчывы, якія маюць аднолькавы састаў, але розную будову, называюцца ізамерамі.

У малекулах арганічных рэчываў атамы і групы атамаў узаемна ўплываюць адны на адных. Узаемны ўплыў фенільнай групы і амінагрупы ў малекуле аніліну адбіваецца на яго хімічных уласцівасцях.

Асаблівасці арганічных рэакцый

У неарганічных рэакцыях звычайна ўдзельнічаюць іоны, яны праходзяць хутка і да канца пры пакаёвай тэмпературы. У арганічных рэакцыях часта адбываюцца парывы кавалентных сувязяў з утварэннем новых. Як правіла, гэтыя працэсы патрабуюць асаблівых умоў: пэўнай тэмпературы, часу рэакцыі, і часта наяўнасці каталізатара. Звычайна працякае не адна, а адразу некалькі рэакцый, таму выхад мэтавага рэчыва часта не перавышае 50 %. Таму для адлюстравання арганічных рэакцый выкарыстоўваюць не ўраўненні, а схемы без разліку стэхіаметрыі.

Рэакцыі могуць працякаць вельмі складаным чынам і ў некалькі стадый, не абавязкова так, як яна ўмоўна паказана на схеме. У якасці прамежкавых злучэнняў могуць узнікаць карбкаціёны R⁺, карбаніёны R⁻, радыкалы R^·, карбены CX₂, катыён-радыкалы, аніён-радыкалы і іншыя актыўныя або нестабільныя часціцы, звычайна тыя, што жывуць долі секунды. Падрабязнае апісанне ўсіх ператварэнняў, якія адбываюцца на малекулярным узроўні падчас рэакцыі, называецца механізмам рэакцыі.

Рэакцыі класіфікуюцца ў залежнасці ад спосабаў разрыву і стварэння сувязяў, спосабаў узбуджэння рэакцыі, яе малекулярнасці.

Метады вывучэння арганічных рэчываў

Вывучэнне арганічных рэчываў пачынаецца з устанаўлення іх якаснага і колькаснага саставу.

Арганічныя рэчывы, якія сустракаюцца ў прыродзе або атрымліваюцца сінтэтычна, як правіла, з’яўляюцца сумесямі. Для вывучэння будовы і ўласцівасцей арганічных злучэнняў неабходны чыстыя, без прымесей, рэчывы, таму вельмі важнымі з’яўляюцца метады ачысткі арганічных рэчываў. Часцей за ўсё для ачысткі прымяняюцца перагонка, перакрышталізацыя і храматаграфія.

Пасля атрымання чыстага рэчыва або асобнага кампанента сумесі пачынаецца вызначэнне яго якаснага саставу — наяўнасці вугляроду, вадароду, кіслароду, азоту і іншых элементаў. Якаснае выяўленне вугляроду і вадароду ў арганічных злучэннях лёгка ажыццявіць, напрыклад, пры іх акісленні аксідам медзі(ІІ) да вуглякіслага газу і вады.

Наступным этапам даследавання рэчыва з’яўляецца вызначэнне яго колькаснага саставу. Колькасны састаў арганічных злучэнняў устанаўліваюць пры іх акісленні. Прадукты акіслення арганічных злучэнняў улоўліваюць у спецыяльных паглынальніках, якія ўзважваюць перад рэакцыяй і пасля яе, і па рознасці мас знаходзяць масы вады і вуглякіслага газу, што ўтварыліся ў рэакцыі. На падставе атрыманых даных вызначаюць прасцейшую (эмпірычную) формулу рэчыва, а калі вядома адносная малекулярная маса, то і малекулярную формулу.

Для вызначэння структруры арганічных рэчываў выкарыстоўваюцца наступныя метады:

• Элементны аналіз заключаецца ў тым, што рэчыва раскладаецца на больш простыя малекулы, па колькасці якіх можна вызначыць колькасць атамаў, якія ўваходзяць у склад злучэння. З дапамогай гэтага метаду немагчыма ўсталяваць парадак сувязяў паміж атамамі. Часта выкарыстоўваецца толькі для пацверджання здагадкі аб структуры.
• Інфрачырвоная спектраскапія і спектраскапія камбінацыйнага рассейвання (ІЧ-спектраскапія і КР-спектраскапія). Рэчыва ўзаемадзейнічае з электрамагнітным выпраменьваннем (святлом) інфрачырвонага дыяпазону (у ІЧ-спектраскапіі назіраюць паглынанне, у КР-спектраскапіі — рассейванне выпраменьвання). Гэта святло пры паглынанні ўзбуджае вагальныя і круцільныя ўзроўні малекул. Апорнымі дадзенымі з’яўляюцца колькасць, частата і інтэнсіўнасць ваганняў малекулы, звязаных са змяненнем дыпольныя моманту (ІЧ-спектраскапія) або палярызуемасці (КР-спектраскапія). Метады дазваляюць усталяваць наяўнасць пэўных функцыянальных груп у малекуле. Часта выкарыстоўваюцца і для таго, каб пацвердзіць ідэнтычнасць доследнага рэчывы з некаторым ужо вядомым рэчывам шляхам параўнання спектраў.
• Мас-спектраскапія. Рэчыва пры пэўных умовах (электронны ўдар, хімічная іянізацыя і інш.) ператвараюць у іоны без страты атамаў (малекулярныя іёны) і са стратай (аскепкавыя). Дазваляе вызначыць малекулярную вагу і часам дазваляе ўсталяваць наяўнасць розных функцыянальных груп.
• Метад ядзернага магнітнага рэзанансу (ЯМР). Заснаваны на ўзаемадзеянні ядраў, якія валодаюць уласным магнітным момантам (спінам) і размешчаны ў знешнім пастаянным магнітным поле, з электрамагнітным выпраменьваннем радыёчастотнага дыяпазону. Адзін з галоўных метадаў, які можа быць выкарыстаны для вызначэння хімічнай структуры. Метад выкарыстоўваюць таксама для вывучэння прасторавай будовы малекул, дынамікі малекул. У залежнасці ад ядраў, якія ўзаемадзейнічаюць з выпраменьваннем, адрозніваюць, напрыклад:
  • Метад пратоннага магнітнага рэзанансу (ПМР). Дазваляе вызначыць становішча атамаў вадароду ¹H ў малекуле.
  • Метад ЯМР ¹⁹F. Дазваляе вызначыць наяўнасць і становішча атамаў фтору ў малекуле.
  • Метад ЯМР ³¹P. Дазваляе вызначыць наяўнасць, становішча і валентны стан атамаў фосфару ў малекуле.
  • Метад ЯМР ¹³С. Дазваляе вызначыць колькасць і тыпы атамаў вугляроду ў малекуле. Выкарыстоўваецца для даследавання формы вугляроднага шкілета малекулы.

У адрозненне ад першых трох у апошнім метадзе выкарыстоўваецца неасноўны ізатоп элемента, паколькі ядро асноўнага ізатопа вугляроду — ¹²С мае нулявы спін і не можа назірацца метадам ядзернага магнітнага рэзанансу, гэтак жа як і ядро ¹⁶O — адзінага прыроднага ізатопа кіслароду.

• Метад ультрафіялетавай спектраскапіі (УФ-спектраскапія) або спектраскапія электронных пераходаў. Метад заснаваны на паглынанні электрамагнітнага выпраменьвання ўльтрафіялетавай і бачнай вобласці спектру пры пераходзе электронаў у малекуле з верхніх запоўненых узроўняў на вакантныя ўзроўні (ўзбуджэнне малекулы). Часцей за ўсё выкарыстоўваецца для вызначэння наяўнасці і характарыстык кан’югіраванных π-сістэм.
• Метады аналітычнай хіміі. Дазваляюць вызначыць наяўнасць некаторых функцыянальных груп па спецыфічным хімічным рэакцыям, факт праходжання якіх можна фіксаваць візуальна або з дапамогай іншых метадаў.
• Рэнтгенаструктурны аналіз.

Зноскі

1. БелЭн 1996, с. 467.
2. БелЭн 1996, p. 467-468.
3. Alcohols (англ.)(недаступная спасылка). IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). doi:10.1351/goldbook.A00204. Архівавана з першакрыніцы 22 ліпеня 2011. Праверана 2 верасня 2010.
4. Enols (англ.)(недаступная спасылка). IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the «Gold Book»). doi:10.1351/goldbook.E02124. Архівавана з першакрыніцы 18 кастрычніка 2012. Праверана 2 верасня 2010.
5. Phenols (англ.)(недаступная спасылка). IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the «Gold Book»). doi:10.1351/goldbook.P04539. Архівавана з першакрыніцы 17 верасня 2011. Праверана 2 верасня 2010.
6. esters // IUPAG Gold Book

Літаратура

• Беларуская энцыклапедыя: У 18 т. Т. 1: А — Аршын / Рэдкал.: Г. П. Пашкоў і інш. — Мн. : БелЭн, 1996. — Т. 1. — 552 с. — 10 000 экз. — ISBN 985-11-0035-8. — ISBN 985-11-0036-6 (т. 1).
• Хімія: вучэб. дапам. для 11-га кл. агульнаадукац. устаноў з бел. мовай навучання з 11-гадовым тэрмінам навучання / А. П. Ельніцкі, А. І. Шарапа; пер. з рус. мовы Л. Э. Гаранінай. — Мінск : Нар. асвета, 2008.
• Химическая энциклопедия, под ред. Кнунянц, т.3. Москва, «Большая Российская Энциклопедия», 1992.