Гісторыя развіцця арганічнай хіміі. Прадмет і значэнне арганічнай хіміі

Мала хто задумваўся пра тое, якая роля арганічнай хіміі ў жыцці сучаснага чалавека. А бо яна велізарная, складана яе пераацаніць. З самай раніцы, калі чалавек прачынаецца і ідзе мыцца, і да самага вечара, калі ён кладзецца спаць, яго штохвілінна суправаджаюць прадукты арганічнай хіміі. Зубная шчотка, адзенне, папера, касметыка, прадметы мэблі і інтэр'еру і многае іншае - усё гэта дае нам яна. Але калісьці ўсё было зусім не так, і аб арганічнай хіміі ведалі зусім мала.

Разгледзім, як складалася паэтапна гісторыя развіцця арганічнай хіміі.

1. Перыяд развіцця да XIV стагоддзя, званы стыхійным.

2. XV - XVII стагоддзя - пачатак развіцця або, ятрохимия, алхімія.

3. Стагоддзе XVIII - XIX - панаванне тэорыі витализма.

4. XIX - XX стагоддзя - інтэнсіўнае развіццё, навуковы этап.

Пачатак, або Стыхійны этап станаўлення хіміі арганічных злучэнняў

Дадзены перыяд на ўвазе само зараджэнне паняцці хіміі, вытокі. А вытокі сыходзяць яшчэ ў Старажытны Рым і Егіпет, у якіх вельмі здольныя жыхары навучыліся здабываць фарбуюць рэчывы для афарбоўкі прадметаў і адзення з прыроднага сыравіны - лісця і сцеблаў раслін. Гэта былі індыга, які дае насычаны сіні колер, і ализорин, які афарбоўвае літаральна ўсё ў сакавітыя і прывабныя адценні памяранцавага і чырвонага. Незвычайна спрытныя жыхары розных народнасцяў таго ж часу таксама навучыліся атрымліваць воцат, вырабляць спіртныя напоі з сахаро- і крахмалосодержащих рэчываў расліннага паходжання.

Вядома, што вельмі распаўсюджанымі прадуктамі ва ўжыванні ў гэты гістарычны перыяд былі жывёлы тлушчы, смалы і раслінныя алею, якія выкарыстоўваліся лекараў і кухарамі. А таксама ва ўжытак шчыльна ўваходзілі розныя яды, як асноўнае зброю внутриусобных адносін. Усе гэтыя рэчывы з'яўляюцца прадуктамі арганічнай хіміі.

Але, на жаль, як такога паняцця "хімія" не існавала, і вывучэння канкрэтных рэчываў з мэтай высвятлення уласцівасцяў і складу не адбывалася. Таму дадзены перыяд і называецца стыхійным. Усе адкрыцця насілі выпадковы, нецеленаправленный характар бытавога значэння. Так працягвалася аж да наступнага стагоддзя.

Перыяд ятрохимии - шматабяцальны пачатак развіцця

Сапраўды, менавіта ў XVI - XVII стагоддзях пачалі зараджацца непасрэдныя ўяўленні аб хіміі як навуцы. Дзякуючы працам вучоных таго часу былі атрыманы некаторыя арганічныя рэчывы, вынайдзеныя найпростыя прылады для перагонкі і ўзгонкі рэчываў, выкарыстоўвалася спецыяльная хімічная посуд для драбнення рэчываў, падзелу прадуктаў прыроды на інгрэдыенты.

Асноўным напрамкам працы таго часу стала медыцына. Імкненне атрымаць неабходныя лекі прывяло да таго, што з раслін вылучаліся эфірныя алею і іншыя сыравінныя кампаненты. Так, Карлам Шэель былі атрыманы некаторыя арганічныя кіслоты з расліннай сыравіны:

• яблычная;
• цытрынавая;
• галловая;
• малочная;
• шчаўевая.

На даследаванне раслін і выдзяленне гэтых кіслот навукоўцу спатрэбілася 16 гадоў (з 1769 года па 1785 г.). Гэта стала пачаткам развіцця, былі закладзены асновы арганічнай хіміі, якая непасрэдна як раздзел хіміі была вызначаная і названая пазней (пачатак XVIII стагоддзя).

У гэты ж перыяд сярэднявечча Г. Ф. Руэла вылучыў крышталі мачавой кіслаты з мачавіны. Іншымі хімікамі была атрымана бурштынавая кіслата з бурштыну, вінная кіслата. У ўжытак уваходзіць метад сухой перагонкі расліннага і жывёльнага сыравіны, дзякуючы якому атрымліваюць воцатную кіслату, диэтиловый эфір, драўняны спірт.

Так быў пакладзены пачатак інтэнсіўнаму развіццю арганічнай хімічнай прамысловасці ў будучыні.

Vis vitalis, або "Жыццёвая сіла"

XVIII - XIX стагоддзя для арганічнай хіміі вельмі дваякае: з аднаго боку, адбываецца цэлы шэраг адкрыццяў, якія маюць грандыёзнае значэнне. З іншага, доўгі час рост і назапашванне патрэбных ведаў і правільных уяўленняў тармозіцца пануючай тэорыяй витализма.

Дадзеную тэорыю ўвёў ва ўжытак і пазначыў галоўнай Енс Якабс Берцелиус, які пры гэтым сам жа даў і вызначэнне арганічнай хіміі (дакладны год невядомы, або 1807, альбо 1808 г.). Па палажэннях дадзенай тэорыі, арганічныя рэчывы здольныя ўтварацца толькі ў жывых арганізмах (расліны і жывёл, у тым ліку чалавека), бо толькі ў жывых істотах ёсць адмысловая "жыццёвая сіла", якая дазваляе гэтых рэчываў выпрацоўвацца. У той час як з неарганічных рэчываў атрымаць арганічныя цалкам немагчыма, бо яны з'яўляюцца прадуктамі нежывой прыроды, негаручых, без vis vitalis.

Гэтым жа навукоўцам была прапанавана першая класіфікацыя ўсіх вядомых на той момант злучэнняў на неарганічныя (нежывыя, усе рэчывы, падобныя вадзе і солі) і арганічныя (жывыя, тыя, што быццам аліўкавага алею і цукру). Таксама Берцелиус першым пазначыў канкрэтна, што такое арганічная хімія. Вызначэнне гучала так: гэта раздзел хіміі, які вывучае рэчывы, выдзеленыя з жывых арганізмаў.

У гэты перыяд навукоўцамі лёгка ажыццяўляліся ператварэння арганічных рэчываў у неарганічныя, напрыклад, пры згаранні. Аднак аб магчымасці зваротных ператварэнняў нічога вядома пакуль не было.

Лёсу было заўгодна распарадзіцца так, што менавіта вучань Енса Берцелиуса Фрыдрых Велер спрыяў пачатку краху тэорыі свайго настаўніка.

Нямецкі навуковец працаваў над злучэннямі цыянід і ў адным з якія праводзяцца досведаў здолеў атрымаць крышталі, падобныя на мачавая кіслату. У выніку больш ўважлівага даследаванні ён пераканаўся, што сапраўды здолеў атрымаць арганічнае рэчыва з неарганічнага без усялякай vis vitalis. Калі б ні быў скептычна настроены Берцелиус, ён вымушаны быў прызнаць гэты бясспрэчны факт. Так быў нанесены першы ўдар па віталістычным поглядах. Гісторыя развіцця арганічнай хіміі пачала набіраць абароты.

Шэраг адкрыццяў, сьцерці витализм

Поспех Велера натхніў хімікаў XVIII стагоддзя, таму пачаліся паўсюдныя выпрабаванні і эксперыменты з мэтай атрымання арганічных рэчываў у штучных умовах. Такіх сінтэзаў, якія маюць вырашальнае і найбольшае значэнне, было здзейснена некалькі.

1. 1845 г. - Адольф Кольбэ, які быў вучнем Велера, здолеў з простых неарганічных рэчываў З, Н _2, Аб ₂ многоэтапной поўным сінтэзам атрымаць воцатную кіслату, якая з'яўляецца рэчывам арганічным.
2. 1812 г. Канстанцінам Кірхгофа ажыццёўлены сінтэз глюкозы з крухмалу і кіслоты.
3. 1820 г. Анры Браконно дэнатураванага бялок кіслатой і затым апрацаваў сумесь азотнай кіслатой і атрымаў першую з 20 сінтэзаваных пазней амінакіслот - гліцын.
4. 1809 г. Мішэль Шеврель вывучаў склад тлушчаў, спрабуючы расшчапіць іх на складовыя кампаненты. У выніку ён атрымаў тоўстыя кіслоты і гліцэрына. 1854 г. Жан Бертло працягнуў працы Шевреля і нагрэў гліцэрына са стэарынавай кіслатой. Вынік - тлушч, дакладна паўтаралы структуру прыродных злучэнняў. У далейшым ён здолеў атрымаць і іншыя тлушчы і масла, якія былі некалькі выдатныя па будынку малекул ад прыродных аналагаў. Гэта значыць даказаў магчымасць атрымання новых арганічных злучэнняў, якія маюць вялікае значэнне, у лабараторных умовах.
5. Ж. Бертло сінтэзаваў метан з серавадароду (Н ₂ S) і серавугляроду (CS _2).
6. 1842 г. Зинин здолеў сінтэзаваць анілін, фарбавальнік з нітрабензолу. У далейшым яму ўдалося атрымаць цэлы шэраг анілінавых фарбавальнікаў.
7. А. Байер стварае ўласную лабараторыю, у якой займаецца актыўным і паспяховым сінтэзам арганічных фарбавальнікаў, падобных з прыроднымі: ализариновые, индигоидные, антрохиноновые, ксантеновые.
8. 1846 г. сінтэз нітрагліцэрыну навукоўцам Собреро. Ім жа распрацавана тэорыя тыпаў, гаворачая аб тым, што рэчывы падобныя да некаторых з неарганічных і іх можна атрымаць заменай атамаў вадароду ў структуры.
9. 1861 г. А. М. Бутлер сінтэзаваў цукрыстасці рэчыва з фармаліну. Ім жа былі сфармуляваны палажэнні тэорыі хімічнай будовы арганічных злучэнняў, актуальныя па гэты дзень.

Усе гэтыя адкрыцці вызначылі прадмет арганічнай хіміі - вуглярод і яго злучэння. Далейшыя адкрыцця былі накіраваны на вывучэнне механізмаў хімічных рэакцый у арганіцы, на ўсталяванне электроннай прыроды узаемадзеянняў і на разгляд структуры злучэнняў.

Другая палова XIX і XX стагоддзе - час глабальных хімічных адкрыццяў

Гісторыя развіцця арганічнай хіміі з цягам часу перажывала ўсе вялікія змены. Праца мноства навукоўцаў над механізмамі ўнутраных працэсаў у малекулах, у рэакцыях і сістэмах дала свае плённыя вынікі. Так, ў 1857 г. Фрыдрых Кекуле распрацоўвае тэорыю валентнасці. Таксама яму належыць найвялікшая заслуга - адкрыццё будынка малекулы араматычнага вуглевадароду бензолу. У гэты ж час А. М. Бутлер фармулюе палажэнні тэорыі будовы злучэнняў, у якіх паказвае на четырехвалентность вугляроду і на з'ява існавання ізамерыю і ізамерыя.

В. В. Марковников і А. М. Зайцаў паглыбляюцца ў вывучэнне механізмаў рэакцый у арганіцы і фармулююць шэраг правілаў, якія гэтыя механізмы тлумачаць і пацвярджаюць. У 1873 - 1875 гг. І. Вислиценус, ванты-Гоф і Ле Бель вывучаюць прасторавае размяшчэнне атамаў у малекулах, адкрываюць існаванне стэрэа-ізамерыя і становяцца родапачынальнікамі цэлай навукі - стереохимии. Мноства розных людзей прымалі ўдзел у стварэнні той вобласці арганікі, якую мы маем сёння. Таму навукоўцы арганічнай хіміі заслугоўваюць увагі.

Канец XIX і XX стагоддзя - гэта часы глабальных адкрыццяў у фармацэўтыцы, лакафарбавай прамысловасці, квантавай хіміі. Разгледзім адкрыцця, якія забяспечылі максімальнае значэнне арганічнай хіміі.

1. 1881 г. М. Конрад і М. Гудцейт сінтэзавалі анестэтыкі, веранал і саліцылавую кіслату.
2. 1883 г. Л. Кнорр атрымаў антипирин.
3. 1884 г. Ф. Штолль атрымаў пірамідон.
4. 1869 г. браты Хайатт атрымалі першае штучнае валакно.
5. 1884 г. Д. Истмен сінтэзаваў дзяўчынцы фотастужку.
6. 1890 г. атрыманае медноаммиачное валакно Л. Депасси.
7. 1891 г. Ч. Крос з калегамі атрымаў віскозы.
8. 1897 г. Ф. Мишер і Бухнер заснавалі тэорыю біялагічнай акіслення (было адкрыта бясклетачнай закісанне і энзімы як биокатализаторы).
9. 1897 г. Ф. Мишер адкрыў нуклеінавыя кіслаты.
10. Пачатак XX стагоддзя - новая хімія элементоорганических злучэнняў.
11. 1917 г. Люіс адкрыў электронную прыроду хімічнай сувязі ў малекулах.
12. 1931 г. Хюккель - заснавальнік квантавых механізмаў у хіміі.
13. 1931-1933 гг. Лаймус Полинг абгрунтоўвае тэорыю рэзанансу, а пазней яго супрацоўнікі раскрываюць сутнасць напрамкаў у хімічных рэакцыях.
14. 1936 г. сінтэзаваны нейлон.
15. 1930-1940 гг. А. Е. Арбузаў дае пачатак развіццю фосфоорганических злучэнняў, якія з'яўляюцца асновай для вытворчасці пластмас, лекаў і інсектыцыдаў.
16. 1960 г. акадэмік Несмеянов з вучнямі стварае ў лабараторных умовах першую сінтэтычную ежу.
17. 1963 г. Дзю Винью атрымлівае інсулін, што з'яўляецца вялізным крокам наперад у медыцыне.
18. 1968 г. індыец Х. Г. Карана здолеў атрымаць просты ген, што дапамагло ў расшыфроўцы генетычнага кода.

Такім чынам, значэнне арганічнай хіміі ў жыцці людзей проста каласальна. Пластмасы, палімеры, валакна, лакафарбавая прадукцыя, каучукі, гумы, ПВХ-матэрыялы, поліпрапілена і поліэтылену і многія іншыя сучасныя рэчывы, без якіх сёння проста не ўяўляецца магчымай жыццё, прайшлі складаны шлях да свайго адкрыцця. Сотні навукоўцаў ўнеслі свой шматгадовы карпатлівая праца, каб склалася агульная гісторыя развіцця арганічнай хіміі.

Сучасная сістэма арганічных злучэнняў

Прарабіўшы велізарны і складаны шлях у развіцці, арганічная хімія і сёння не стаіць на месцы. Вядома больш за 10 млн. Злучэнняў, і гэта лік з кожным годам расце. Таму існуе пэўная сістэматызаваная структура размяшчэння рэчываў, якія нам дае арганічная хімія. Класіфікацыя арганічных злучэнняў прадстаўлена ў табліцы.

клас злучэнняў	асаблівасці будынка	агульная формула
Вуглевадароды (складаюцца толькі з атамаў вугляроду і вадароду)	насычаныя (толькі сігма св.); ненасычаныя (сігма і пі св.); ацыклічныя; цыклічныя.	Алкаеў C n H 2n + 2; Алкены, циклоалканы C n H 2n; Алкины, алкадиены C n H 2n-2; Арэны C 6 H 2n-6.
Рэчывы, якія змяшчаюць розныя гетероатомы у галоўнай групе	галагены; група ЁН (спірты і фенолы); групоўка ROR (простыя эфіры).	R-Hal; R-OH; ROR.
карбанільныя злучэння	альдэгіды; кетоны; хиноны.	RC (H) = O
Злучэнні, якія змяшчаюць карбаксільныя групоўку	карбонавыя кіслоты; складаныя эфіры.	R-COOH; R-COOR.
Злучэнні, якія змяшчаюць серу, азот ці фосфар ў складзе малекулы	Могуць быць цыклічнымі і ацыклічныя	-
Элементоорганические злучэння	Вуглярод звязаны непасрэдна з іншым элементам, а не вадародам	З-Э
Металлоорганические злучэння	Вуглярод звязаны з металам	З-Ме
гетэрацыклічныя злучэння	У аснове структуры цыкл з ўваходзяць у склад гетероатомами	-
прыродныя рэчывы	Вялікія палімерныя малекулы, якія ўваходзяць у склад прыродных злучэнняў	вавёркі, нуклеінавыя кіслаты, амінакіслоты, алкалоіды і т. д.
палімеры	Рэчывы з вялікай малекулярнай масай, аснову якіх складаюць мономерные звёны	n (-RRR-)

Вывучэнне усёй шматстатнасці рэчываў і рэакцый, у якія яны ўступаюць, і складае прадмет арганічнай хіміі на сённяшні дзень.

Тыпы хімічных сувязяў ў арганічных рэчывах

Для любых злучэнняў характэрныя электронностатические ўзаемадзеяння ўнутры малекул, якія ў арганіцы выяўляюцца ў наяўнасці кавалентных палярных і кавалентных непалярных сувязяў. У металлорганических злучэннях магчыма адукацыю слабога іённага ўзаемадзеяння.

Кавалентным непалярныя сувязі ўзнікаюць паміж С-З узаемадзеяннем ва ўсіх арганічных малекулах. Кавалентная палярнае ўзаемадзеянне характэрна для розных атамаў-неметаллов у малекуле. Напрыклад, С-Hal, CH, CO, CN, CP, CS. Гэта ўсё сувязі ў арганічнай хіміі, якія існуюць для адукацыі злучэнняў.

Разнавіднасці формул рэчываў у арганіцы

Самыя распаўсюджаныя формулы, што выражаюць колькасны склад злучэння, называюцца эмпірычнымі. Такія формулы існуюць для кожнага неарганічнага рэчыва. Але калі справа кранула складання формул ў арганіцы, перад навукоўцамі ўстала мноства праблем. Па-першае, маса многіх з іх вылічаецца сотнямі, а то і тысячамі. Складана вызначыць эмпірычную формулу для такога велічэзнага рэчывы. Таму з часам з'явіўся такі раздзел арганічнай хіміі, як арганічны аналіз. Заснавальнікамі яго лічацца навукоўцы Либих, Велер, Гей-Люссак і Берцелиус. Менавіта яны, сумесна з працамі А. М. Бутлерова, вызначылі існаванне ізамерыя - рэчываў, якія маюць аднолькавы якасны і колькасны склад, але якія адрозніваюцца будовай малекулы і ўласцівасцямі. Менавіта таму будынак арганічных злучэнняў выяўляецца на сённяшні дзень не эмпірычнай, а структурнай поўнай або структурнай скарочанай формулай.

Гэтыя структуры - характэрная і адметная асаблівасць, якую мае арганічная хімія. Формулы запісваюцца пры дапамозе рысачак, якія абазначаюць хімічныя сувязі. напрыклад, скарочаная структурная формула бутану будзе мець выгляд CH ₃ - СН ₂ - СН ₂ - СН _3. Поўная структурная формула паказвае ўсе наяўныя ў малекуле хімічныя сувязі.

Таксама існуе спосаб запісвання малекулярных формул арганічных злучэнняў. Ён выглядае так жа, як эмпірычныя у неарганічных. Для бутану, напрыклад, яна будзе такой: З ₄ Н _10. Гэта значыць малекулярная формула дае ўяўленне толькі аб якасным і колькасным складзе злучэння. Структурныя жа характарызуюць сувязі ў малекуле, таму па іх можна прадказаць будучыя ўласцівасці і хімічнае паводзіны рэчывы. Гэта тыя асаблівасці, якія мае арганічная хімія. Формулы запісваюцца ў любым выглядзе, кожны з іх лічыцца дакладным.

Тыпы рэакцый у арганічнай хіміі

Існуе пэўная класіфікацыя арганічнай хіміі па тыпу адбываюцца рэакцый. Прычым такіх класіфікацый некалькі, па розных прыкметах. Разгледзім асноўныя з іх.

Механізмы хімічных рэакцый па спосабам разрыву і адукацыі сувязяў:

• гомолитические або радыкальныя;
• гетеролитические або іённыя.

Рэакцыі па тыпах ператварэнняў:

• ланцужныя радыкальныя;
• нуклеафільнага аліфаціческіе замяшчэння;
• нуклеафільнага араматычнага замяшчэння;
• рэакцыі элиминирования;
• электрафільнага далучэння;
• кандэнсацыі;
• циклизации;
• электрафільнага замяшчэння;
• рэакцыі перегруппировок.

Па спосабе запуску рэакцыі (ініцыявання) і па кінэтычную парадку таксама часам рэакцыі класіфікуюцца. Гэта асноўныя асаблівасці рэакцый, якімі валодае арганічная хімія. Тэорыя, якая апісвае падрабязнасці праходжання кожнай хімічнай рэакцыі, была адкрыта яшчэ ў сярэдзіне XX стагоддзя і пацвярджаецца і дапаўняецца да гэтага часу з кожным новым адкрыццём і сінтэзам.

Варта заўважыць, што ўвогуле рэакцыі ў арганіцы працякаюць пры больш жорсткіх умовах, чым у неарганічнай хіміі. Гэта звязана з большай стабілізацыяй малекул арганічных злучэнняў за кошт адукацыі ўнутры і межмолекулярных трывалых сувязяў. Таму практычна ні адна рэакцыя не абыходзіцца без павышэння тэмпературы, ціску або прымянення каталізатара.

Сучаснае вызначэнне арганічнай хіміі

У цэлым, развіццё арганічнай хіміі ішло па інтэнсіўным шляху на працягу некалькіх стагоддзяў. Назапашана велізарная колькасць звестак аб рэчывах, іх структурах і рэакцыях, у якія яны могуць уступаць. Сінтэзаваны мільёны карысных і проста неабходных сыравінных кампанентаў, якія выкарыстоўваюцца ў самых розных галінах навукі, тэхнікі і прамысловасці. Паняцце арганічнай хіміі сёння ўспрымаецца як нешта грандыёзнае і вялікая, шматлікае і складанае, разнастайнае і значнае.

У свой час першым вызначэннем гэтага вялікага падзелу хіміі было тое, што даў Берцелиус: гэта хімія, якая вывучае рэчывы, выдзеленыя з арганізмаў. З таго моманту прайшло шмат часу, здзейснена мноства адкрыццяў і осознано і раскрыта вялікая колькасць механізмаў внутрихимических працэсаў. З прычыны гэтага сёння ёсць іншае паняцце, што такое арганічная хімія. Вызначэнне ёй даецца такое: гэта хімія вугляроду і ўсіх яго злучэнняў, а таксама метадаў іх сінтэзу.