Органическая химия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Органическая химия изучает  соединения углерода с другими элементами – так называемые органические соединения и законы их превращений. Способность  углерода соединяться с большинством элементов и образовывать молекулы различного состава и строения обусловливает  многообразие органических соединений (к концу 20 века их число превысило 10 млн.). Предмет органической химии включает следующие цели, экспериментальные методы и теоретические представления:

1. Выделение индивидуальных веществ из растительного, животного или ископаемого сырья

2. Синтез и очистка соединений

3. Определение структуры веществ

4. Определение механизмов химических реакций

5. Выявление связей между структурой органических веществ и их свойствами

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

Во времена средневековья к  этим знаниям ничего не прибавилось, некоторый прогресс начался только в 16-17 века: были получены некоторые продукты, в основном путем перегонки некоторых растительных продуктов. В 1769—1785 г. Шееле выделил несколько органических кислот, таких как яблочная, винная, лимонная, галловая, молочная и щавелевая. Как принято считать, органическая химия как наука появилась в 1828 году когда Фридрих Вёлер впервые получил органическое вещество — мочевину — в результате упаривания водного раствора цианата аммония (NH4OCN).

Предметом изучения были преимущественно субстанции биологического происхождения. Именно этому факту органическая химия обязана своим названием. Научно-технический прогресс не стоял на месте, и со временем материальной базой органической химии стала каменноугольная смола, выделяемая при получении кокса прокаливанием каменного угля. Именно на основе переработки каменноугольной смолы в конце 19 века возник основной органический синтез.

 Современная органическая химия в качестве материальной базы по прежнему использует сырье биологического происхождения и каменноугольную. Смена материально-сырьевой базы органической химии была вызвана прежде всего возможностями наращивания объемов производства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Успехи органической химии в 20 века

Органический  синтез стал основным направлением исследований. Были разработаны основные методы построения углеродных скелетов, введения и трансформации функциональных групп, описаны и проанализированы закономерности протекания химических реакций. В этот период в лабораториях были получены тысячи веществ, относящихся ко всем классам моно- и полифункциональных соединений. Из природных источников были выделены и охарактеризованы основные типы сложных биомолекул. Именно в этот период наметились заметные изменения в структуре органической химии. Началось формирование в ней крупных самостоятельных областей, таких как химия нефти, химия углеводов, химия гетероциклических соединений, химия красителей и другие. Полученные химиками-органиками в это период знания послужили основой создания большого числа химических технологий и быстро развивающейся химической промышленности.

В химию пришла квантовая механика. Вклад в эту область внесли ученые, такие как: Нильс Бор, удостоенный Нобелевской премии по физике в 1922 году «за заслуги в изучении строения атомов и испускаемого ими излучения». Луи де Бройль, получивший Нобелевскую премию по физике в 1929 году «заоткрытие волновой природы электрона». Вернер Гейзенберг, которому была присуждена Нобелевская премия по физике в 1932 году «за участие в создании квантовой механики». Эрвин Шредингер и Поль Дирак, совместно получившие Нобелевскую премию по физике в 1933 году «за создание новых продуктивных форм атомной теории». Макс Борн, удостоенный Нобелевской премии по физике в 1954 году «за фундаментальные исследования по квантовой механике, особенно за статистическую интерпретацию волновой функции».

В 1916 году Вальтер  Коссель сформулировал первые представления об электронной природе ионной химической связи, а Гильберт Льюис выдвинул предположение о том, что в образовании ординарной ковалентной химической связи принимают участие два электрона – по одному от каждого из взаимодействующих атомов. Однако эта важная гипотеза оставляла без ответа фундаментальный вопрос о том, какова природа этого взаимодействия. Ответ на него был дан в 1927 году в работе В. Гейтлера и Ф. Лондона, которые выполнили первый расчет строения молекулярного иона Н2 + и молекулы водорода Н2 на основе квантовой механики. В нем были получены правильные по порядку величины значения энергии связи и межатомного расстояния.

Этот выдающийся успех положил начало квантовой химии и открыл путь к исследованию природы связи в более сложных многоатомных молекулах, хотя трудности точного решения систем уравнений, возникающие при проведении таких расчетов, в это время казались непреодолимыми.

 Таким образом в середине 30-ых годов прошлого века в органической химии наряду с феноменологической структурной теорией появилась новая электронная теория строения молекул, основанная на квантовой механике. Важно понимать, что между классической теорией и электронной теориями строения молекул существует принципиальное различие. В квантовой теории при описании структуры молекул не используются представления об атомах и локализованных связях между ними. Молекула рассматривается в ней как совокупность атомных ядер, окруженных обобщенным электронным облаком. Распределение электронной плотности в молекуле и определяет ее геометрию и свойства.

Сообщество  химиков-органиков с энтузиазмом осваивало новые электронные представления, которые и составили теоретический фундамент обновленной структурной теории. Основные понятия структурной теории, которые являются открытыми понятиями (о смысле этого термина и об особенностях понятийного аппарата химии будет сказано несколько позже), наполнились новым содержанием. Ковалентная химическая связь стала пониматься как пара электронов, находящаяся в общем пользовании двух атомов.

Двойная и  тройная связи трактовались как  одновременное совместное использование двумя атомами двух и трех электронных пар соответственно. Многочисленные данные физико-химических экспериментов ясно показывали, что даже в простых двухатомных молекулах электронная плотность распределяется между двумя взаимодействующими атомами неравномерно. Если эти атомы неодинаковы, как полагал уже Льюис, она всегда смещена в сторону одного из атомов, что приводит к появлению дипольного момента молекулы. В качестве характеристики, описывающей способности атомов притягивать или отдавать электроны при образовании химических связей, Л.Полинг ввел представления обоих электроотрицательностях. Ионная и ковалентная связи представляют собою два предельных случая, а большинство гетероатомных химических связей оказывается поляризованными. Классическая структурная теория испытывала значительные трудности при описании молекул с делокализованными связями.

Первую циклическую формулу бензола предложил Ф.А.Кекуле. Многие ученые ломали себе голову над этой структурой в 60-ых годах позапрошлого века. Согласно легенде, Ф.А.Кекуле приснился бензольный цикл в виде шести мартышек, держащих друг друга за задние лапы. Бензольный цикл приснился Ф.А Кекуле в виде шести мартышек, держащих друг друга за задние лапы. После этого формула Кекуле для бензола в ее традиционном виде с чередующимися двойными и простыми связями утвердилась в органической химии на многие годы.

Однако довольно быстро стало ясно, что эта структура противоречит многим экспериментальным фактам. Бензол не обнаруживает склонности к реакциям присоединения по двойным связям, свойственным олефинам.

 Фундаментальные принципы квантовой механики гласят, что истинной структурой основного состояния системы является та, которой соответствует минимум полной энергии. Эту энергию можно рассчитать, используя точную волновую функцию Ψ. Если φ1 и φ2 - две собственные волновые функции системы, то любая линейная комбинация этих функций Ψ1= а φ1 + bφ2 также является ее волновой функцией. Этот подход, являющийся некоторой математической абстракцией, открыл путь для расчетов энергий, геометрий и свойств молекул с помощью метода, названного «методом валентных схем».

Новые данные физико-химических методов, полученные в этот период, привели к полному изменению смысла термина «химическое строение» в органической химии. Его содержание в предшествующий период ограничивалось бутлеровской структурной формулой и стереохимическими проекциями молекулы. Теперь описание структуры на геометрическом уровне приобретает количественный смысл. В него включается знание межатомных расстояний, валентных и вугранных углов, которые определяются с помощью дифракционных или спектральных экспериментов.

В этот период становится также очевидным, что статические представления о структуре молекул не достаточны для количественного описания их свойств и реакционной способности. Статические модели, в частности, оказываются непригодными для описания явлений таутомерии и свойств многих классов т. н. стереохимически нежестких молекул. В связи с этим разрабатываются динамические модели строения молекул, включающие описание “силового поля” - частот и амплитуд всех колебаний и 38 вращений, непрерывно протекающих в молекулах. Развивается динамическая стереохимия. Получает развитие фотохимия органических молекул, изучающая их электронновозбужденные состояния. Построение динамических моделей структуры по существу означает введение временной координаты в химию.

Времена жизни  различных состояний молекул  становятся их неотъемлемыми важными характеристиками. В период физической органической химии происходит дальнейшая глубокая специализация и разделение органической химии на самостоятельные области, вплоть до их выделения. Отпочковывается химия высокомолекулярных соединений. На границе с биологией бурно развиваются и затем выделяются биохимия и молекулярная биология.

На границе  с неорганической химией возникает и выделяется химия элементоорганических соединений. Небывалые масштабы финансирования фундаментальных и прикладных исследований в области органической химии и химии, в целом, дают исключительно мощный толчок развитию крупнотоннажных химических производств органических веществ и материалов. Происходит полная химизация сельского хозяйства, пищевой промышленности, производства синтетических моющих средств, пластиков и полимерных материалов, энергетического комплекса. Промышленность тяжелого и тонкого органического синтеза становится стержневой отраслью экономики развитых стран.

К середине 80-ых годов XX века методический арсенал и теоретическая база органической химии достигли той степени развития, при которой эффективное решение задач на молекулярном уровне любой мыслимой степени сложности становится чисто технической проблемой. К числу самых ярких успехов науки безусловно следует отнести практическое достижение физических пределов в пространственном, временном и концентрационном разрешении в ряде новых методов для химических исследований.

Наиболее  важные достижения:

1. Создание  сканирующей туннельной микроскопии с пространственным разрешением на уровне 0,1 нм обеспечивает наблюдение отдельных атомов и молекул на поверхности (Нобелевская премия по физике присуждена за это выдающееся достижение Г.Рореру и Э.Руске в 1986 г).

2. Разработка  лазерной фемтосекундной спектроскопии с временным разрешением на уровне 1 – 10 фс открывает возможности исследования элементарных актов химических процессов во временных интервалах, соответствующих одному периоду колебаний атомов в молекуле. Это достижение отмечено в 1999 г Нобелевской премией по химии, присужденной А.Зейвалу.

3. Открытие  туннельной колебательной спектроскопии позволяет теперь следить за поведением и превращениями отдельных молекул на поверхности твердых тел. Прорыв на новый уровень разрешения и чувствительности был мощно поддержан исключительно быстрым совершенствованием тех физических методов, которые уже составляли основу арсенала химика-исследователя в предшествующий период.

За последние 15 лет разрешающая способность и чувствительность всех спектральных методов улучшились на порядок и более, а производительность научных приборов возросла на два и более порядков. В ведущих исследовательских лабораториях сейчас основу приборного парка составляют инструменты 5 поколения - сложнейшие измерительно- вычислительные комплексы, которые обеспечивают полную автоматизацию проведения измерений и обработки результатов.

Органический  синтез стал более практически ориентированным. При этом часто химик-синтетик первоначально определяет с помощью теоретического расчета или с использованием эмпирических закономерностей, найденных путем обобщения больших массивов экспериментальных данных, связывающих структуру и свойства, какое именно вещество должно обладать нужным комплексом свойств, и лишь затем приступает к его синтезу.

Возникает и  быстро развивается принципиально иной подход в органическом синтезе - “синтез комбинаторных библиотек соединений” Особенно часто его используют при создании новых лекарственных и биологически активных веществ. При этом в одном реакторе одновременно в одну или несколько стадий получают сотни, а иногда и тысячи близких по строению молекул, которые затем испытываются на присутствие веществ с нужными свойствами (например, способных связываться с определенным рецептором или обладающих  способностью подавлять рост болезнетворных бактерий) все одновременно.