История развития органической химии

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Истоки органической химии восходят к глубокой древности (уже тогда знали о спиртовом и уксуснокисломброжении, крашении индиго и ализарином). Однако в средние века (период алхимии) были известны лишь немногие индивидуальные органические вещества. Все исследования этого периода сводились главным образом к операциям, при помощи которых, как тогда думали, одни простые вещества можно превратить в другие. Начиная с 16 в. (период ятрохимии) исследования были направлены в основном на выделение и использование различных лекарственных веществ: был выделен из растений ряд эфирных масел, приготовлен диэтиловый эфир, сухой перегонкой древесиныполучены древесный (метиловый) спирт и уксусная кислота, из винного камня - винная кислота, перегонкой свинцового сахара - уксусная кислота, перегонкой янтаря - янтарная кислота. Большая роль в становленииорганической химии принадлежат А.Лавуазье, который разработал основные количественные методы определения состава химических соединений.

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

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

Одновременно продолжается интенсивное  развитие синтеза. Создаются первые промышленные производства органических соединений (А.Гофман, У.Перкин-старший - синтетические красители: мовеин, фуксин, цианиновые иазокрасители). Усовершенствование открытого Н.Н.Зининым (1842) способа синтеза анилина послужило основой создания анилинокрасочной промышленности. В лаборатории А.Байера синтезированы природные красители - индиго,ализарин, индигоидные, ксантеновые, антрахиноновые.

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

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

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

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

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

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

КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

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

От каждого углеводорода путем  замены атомов водорода на различные функциональные группы может быть образован так называемый генетический ряд, например этан - этилхлорид - этанол - ацетальдегид - уксусная кислота. В зависимости от типа функциональной группы органические соединения разделяются на классы: углеводороды RH (функциональная группа отсутствует), их галогензамещенные RHal, спирты ROH, альдегиды RCHO, кетоны R₂CO,карбоновые кислоты RCOOH, первичные, вторичные и третичные амины RNH₂, R₂NH и R₃N, нитросоединения RNO₂;тиолы (меркаптаны) RSH, сульфиды R₂S и др. К функциональным группам относят также кратные углерод-углеродные связи. Группы органических соединений однотипной структуры с одинаковыми функциональными группами, отличающимися друг от друга по количеству групп СН₂ в углеродной цепи, составляют гомологический ряд.

Органические соединения, органические вещества — класс соединений, в состав которых входит углерод (за исключением карбидов, угольной кислоты, карбонатов,оксидов углерода и цианидов).^[1]

Название органические вещества появилось на ранней стадии развития химии во время господства виталистических воззрений, продолжавших традицию Аристотеля иПлиния Старшего о разделении мира на живое и неживое. Вещества при этом разделялись на минеральные — принадлежащие царству минералов, и органические — принадлежащие царствам животных и растений. Считалось, что для синтеза органических веществ необходима особая «жизненная сила» (лат. vis vitalis), присущая только живому, и поэтому синтез органических веществ из неорганических невозможен. Это представление было опровергнуто Фридрихом Вёлером в 1828 году путём синтеза «органической» мочевины из «минерального» цианата аммония, однако деление веществ на органические и неорганические сохранилось в химической терминологии и по сей день.

Основные классы органических соединений биологического происхождения — белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты — содержат, помимо углерода, преимущественно водород, азот, кислород, серу и фосфор. Именно поэтому «классические» органические соединения содержат прежде всего водород, кислород, азот исеру — несмотря на то, что элементами, составляющими органические соединения, помимо углерода могут быть практически любые элементы.

Соединения углерода с  другими элементами составляют особый класс органических соединений — элементоорганические соединения. Металлоорганические соединениясодержат связь металл-углерод и составляют обширный подкласс элементоорганических соединений.

Количество известных  органических соединений составляет почти 27 млн. Таким образом, органические соединения — самый обширный класс химических соединений. Многообразие органических соединений связано с уникальным свойством углерода образовывать цепочки из атомов углерода, что в свою очередь обусловлено высокой стабильностью (то есть энергией) углерод-углеродной связи. Связь углерод-углерод может быть как одинарной, так и кратной — двойной, тройной. При увеличении кратности углерод-углеродной связи возрастает её энергия, то есть стабильность, а длина уменьшается. Высокая валентность углерода — 4, а также возможность образовыватькратные связи, позволяет образовывать структуры различной размерности (линейные, плоские, объёмные).

Существует несколько  важных свойств, которые выделяют органические соединения в отдельный, ни на что  не похожий класс химических соединений.

1. Различная топология образования связей между атомами, образующими органические соединения (прежде всего, атомами углерода), приводит к появлению изомеров — соединений, имеющих один и тот же состав и молекулярную массу, но обладающих различными физико-химическими свойствами. Данное явление носит название изомерии.
2. Явление гомологии — существование рядов органических соединений, в которых формула любых двух соседей ряда (гомологов) отличается на одну и ту же группу (чаще всего CH₂). Целый ряд физико-химических свойств в первом приближении изменяется симбатно по ходу гомологического ряда. Это важное свойство используется в материаловедении при поиске веществ с заранее заданными свойствами.
3. Роль органических веществ огромна: например:углеводы ( сахариды ) молекулы этих веществ построены всего из трёх элементов - углерода, кислорода и водорода. Углероды являются основным источником энергии для живых организмов. Кроме того, они обеспечивают организмы соединениями, которые используются в дальнейшем для синтеза других соединений.  
   Наиболее известными и распространёнными углеводами являются растворённые в воде моно- и дисахариды. Они кристаллизуются, сладкие на вкус.  
   Моносахариды  
   Полисахариды  
   Липиды - группа соединений, которые содержатся во всех живых клетках, они нерастворимы в воде.  
   Жиры ( триглицериды, нейтральные жиры ) являются основной группой липидов. Они представляют собой сложные эфиры трёхатомного спирта глицерина и жирных кислот или смесь свободных жирных кислот и триглицеридов.  
   Встречаются в живых клетках и свободные жирные кислоты : пальмитиновая, стеариновая, рициновая.  
   Липоиды - жироподобные вещества. Имеют большое значение, так как благодаря своему строению образуют чётко ориентированные молекулярные слои, а упорядочённое расположение гидрофильных и гидрофобных концов молекул имеет первоочередное значение для формирования мембранных структур с избирательной проницаемостью.  
   Функция ферментов заключается в снижении энергии активации, т.е. в снижении уровня энергии, необходимой для придания реакционной способности молекуле.  
   В состав гемоглобина эритроцитов крови человека, всех других позвоночных и некоторых беспозвоночных входит окисное железо, которое и придаёт крови красный цвет.  
   Витамины имеют высокую физиологическую активность, сложное и разнообразное химическое строение. Они необходимы для нормального роста и развития организма. Витамины регулируют окисление углеводов, органических кислот, аминокислот, некоторые из которых входят в состав НАД, НАДФ.  
   Органические кислоты - к этой группе относятся органические вешества, способные образовывать при диссоциации в водных растворах катионы водорода. Содержатся в значительном количестве в клетках животных и особенно растительных организмов. Органические кислоты являются продуктами превращения углсврдов; при синтезе белков они обрязуют углеродную основу аминокислот.  
   Функции белков разнообразны.  
   1. Строительный материал – белки участвуют в образовании оболочки клетки, органоидов и мембран клетки. Из белков построены кровеносные сосуды, сухожилия, волосы.  
   2. Каталитическая роль – все клеточные катализаторы – белки (активные центры фермента). Структура активного центра фермента и структура субстрата точно соответствуют друг другу, как ключ и замок.  
   3. Двигательная функция – сократительные белки вызывают всякое движение.  
   4. Транспортная функция – белок крови гемоглобин присоединяет кислород и разносит его по всем тканям.  
   5. Защитная роль – выработка белковых тел и антител для обезвреживания чужеродных веществ.  
   6. Энергетическая функция – 1 г белка эквивалентен 17,6 кДж.  
   Белки – необходимые компоненты пищевых продуктов, они входят в состав лекарственных препаратов.  
   Солнце мое это очень кратко и не все еще очень долго писать в и-нете все есть, это я тебе как учитель говорю, а в учебнике все кратко и доступно не ленись смотри внимательно.