Organisk kemi - en gren af kemi , der studerer struktur, egenskaber og metoder til syntese af kulstofforbindelser med andre kemiske elementer relateret til organiske forbindelser . [1] [2] Den oprindelige betydning af udtrykket organisk kemi betød studiet af kulstofforbindelser af vegetabilsk og animalsk oprindelse. Af denne grund er en række kulstofholdige forbindelser traditionelt ikke klassificeret som organiske (for eksempel kulilte , kuldioxid , hydrogencyanid , kulstofdisulfid , metalcarbonyler ), men betragtes som uorganiske forbindelser . Det kan betinget anses for, at kulbrinter er den strukturelle prototype af organiske forbindelser . [2]
Kulstof danner det største antal forbindelser med de såkaldte organogene grundstoffer : H , N , O , S , P [3] . Kulstofs evne til at kombinere med de fleste grundstoffer og danne molekyler af forskellige sammensætninger og strukturer bestemmer mangfoldigheden af organiske forbindelser. Organiske forbindelser spiller en nøglerolle i eksistensen af levende organismer (f.eks . nukleotider , naturlige aminosyrer , kulhydrater ).
Faget organisk kemi omfatter følgende mål, eksperimentelle metoder og teoretiske begreber:
Den 24. maj 1999 oversteg antallet af kendte kemiske forbindelser 25 millioner, hvoraf 12 millioner var organiske [4] , den 2. maj 2014 oversteg det samlede antal kendte uorganiske og organiske forbindelser 87 millioner [5] . Pr. 8. april 2018 har U.S. Chemical Abstracts Service (CAS) registret 141 millioner kemikalier opført [1] Arkiveret 10. april 2018 på Wayback Machine .
Metoder til at opnå forskellige organiske stoffer har været kendt siden antikken. Ægypterne og romerne brugte indigo farvestoffer og alizarin , fundet i plantemateriale. Mange nationer kendte hemmelighederne bag produktionen af alkoholholdige drikkevarer og eddike fra sukker og stivelsesholdige råvarer.
I løbet af middelalderen blev intet tilføjet til denne viden, nogle fremskridt begyndte først i det 16.-17. århundrede: nogle stoffer blev opnået, hovedsageligt ved destillation af visse planteprodukter. Af stor økonomisk betydning var Marggrafs opdagelse af sukker i roer [7] :6 (ud over dens kendte kilde på det tidspunkt - sukkerrør ), som han rapporterede i artiklen "Kemiske forsøg på at udvinde ægte sukker fra planterne af vort land" i 1747 [8 ] . I 1769-1785 isolerede Scheele flere organiske syrer , blandt dem æblesyre , vinsyre , citronsyre , gallussyre , mælkesyre og oxalsyre . I 1773 isolerede Ruel urinstof fra menneskelig urin .
Produkter isoleret fra animalske eller vegetabilske råvarer havde meget til fælles med hinanden, men adskilte sig fra uorganiske forbindelser . Samtidig mente man, at disse stoffer kun kan opnås i levende organismer på grund af "livskraften". Så i 1753 udtalte den berømte svenske naturforsker Wallerius , i forordet til samlingen af værker af en anden fremtrædende svensk videnskabsmand, Jerne , [9] : "... hverken dyr eller plantekroppe eller deres dele kan derfor reproduceres. ved kemisk kunst” [7] : 7 . I første bind af sin bog "Lectures on Animal Chemistry" ("Föreläsningar i Djurkemien"), udgivet i 1828, introducerer J. J. Berzelius for første gang begrebet "organisk kemi" ( Svensk. organisk Kemi ), og definerer det som "en del af fysiologi, der beskriver sammensætningen af levende kroppe sammen med de kemiske processer, der foregår i dem” [10] .
Begrebet "livskraft" blev rystet af syntesen af stoffer dannet i levende organismer fra uorganiske stoffer, udført i første halvdel af det 19. århundrede [7] : 15-16 , for eksempel i 1828 opnåede Friedrich Wöhler organisk stof - urinstof - som et resultat af fordampning en vandig opløsning af ammoniumcyanat (NH 4 OCN). Forud for dette, i 1824 , havde han fået oxalsyre for første gang .
Et vigtigt skridt var udviklingen af teorien om valens af Cooper og Kekule i 1857 , såvel som teorien om kemisk struktur af Butlerov i 1861. Disse teorier var baseret på tetravalensen af kulstof og dets evne til at danne kæder. I det første bind af sit arbejde om organisk kemi, udgivet i 1859 , introducerer Kekule for første gang en definition af begrebet "organisk kemi" tæt på den moderne - dette er "carbonforbindelsernes kemi" [11] , hvilket allerede afspejles i selve titlen på dette værk, som oversættes som " Lærebog i organisk kemi eller kemi af kulstofforbindelser. I 1850'erne sagde en professor ved Moskva Universitet N. E. Lyaskovskii ifølge N. M. Sarandinaki : "Organisk kemi er ikke kemien af stoffer, der findes i organismer, men kemien af kulstofforbindelser," som senere blev den dominerende opfattelse i videnskaben [12] ] . I 1865 foreslog Kekule strukturformlen for benzen , en af de vigtigste opdagelser inden for organisk kemi. I 1875 foreslog van't Hoff og Le Bel den tetraedriske model af carbonatomet , ifølge hvilken kulstofvalenserne er rettet mod tetraederens hjørner , hvis carbonatomet er placeret i midten af dette tetraeder. I 1917 foreslog Lewis , at kemisk binding skulle overvejes i form af elektronpar .
I 1931 anvendte Hückel kvanteteori til at forklare egenskaberne ved alternative aromatiske kulstoffer og grundlagde derved en ny retning inden for organisk kemi - kvantekemi. I 1933 gennemførte Ingold en undersøgelse af kinetikken af en substitutionsreaktion ved et mættet kulstofatom, hvilket førte til en storstilet undersøgelse af kinetikken af de fleste typer organiske reaktioner.
Det er sædvanligt at præsentere den organiske kemi i forbindelse med de opdagelser, der er gjort inden for organiske forbindelsers struktur, men en sådan fremstilling er mere forbundet med kemiens historie generelt. Det er meget mere interessant at betragte historien om organisk kemi ud fra den materielle base, det vil sige det faktiske emne for undersøgelse af organisk kemi.
Ved begyndelsen af organisk kemi var emnet for undersøgelsen overvejende stoffer af biologisk oprindelse. Det er til dette faktum, at organisk kemi skylder sit navn. Videnskabelige og teknologiske fremskridt stod ikke stille, og med tiden blev stenkulstjære , frigivet under produktionen af koks ved kalcinering af kul , den vigtigste materialebase for organisk kemi . Det var på basis af forarbejdningen af stenkulstjære, at den vigtigste organiske syntese opstod i slutningen af det 19. århundrede . I 50-60'erne af forrige århundrede blev den vigtigste organiske syntese overført til en ny base - olie. Således dukkede et nyt felt af kemi op - petrokemi . Det enorme potentiale, der var lagt i de nye råvarer, forårsagede et boom i organisk kemi og kemi generelt. Fremkomsten og den intensive udvikling af et sådant område som polymerkemi er primært forbundet med en ny råmaterialebase.
På trods af at moderne organisk kemi stadig bruger råmaterialer af biologisk oprindelse og stenkulstjære som materialebase, er mængden af forarbejdning af disse typer kemiske råvarer lille sammenlignet med olieforarbejdning. Ændringen i materiale- og råstofbasen for organisk kemi skyldtes primært muligheden for at øge produktionsmængderne.
Klassificeringen er baseret på strukturen af organiske forbindelser. Grundlaget for beskrivelsen af strukturen er strukturformlen . Grundstoffernes atomer er betegnet med latinske symboler, som de er i det periodiske system af kemiske grundstoffer ( Mendeleevs tabel ). Hydrogen- og elektrondeficiente bindinger er angivet med en stiplet linje, ionbindinger er angivet ved angivelse af ladningerne af de partikler, der udgør molekylet. Da langt de fleste organiske molekyler inkluderer brint , er det normalt ikke angivet, når strukturen afbildes. Således, hvis et af atomerne har utilstrækkelig valens i strukturen , betyder det, at et eller flere brintatomer er placeret i nærheden af dette atom.
Atomer kan danne cykliske og aromatiske systemer.
Acyklisk (åben kæde) | Carbocyklisk (lukket kæde) | ||||
---|---|---|---|---|---|
marginal- | ubegrænset | marginal- | ubegrænset | ||
enkelt link | med dobbeltbinding | med tredobbelt binding | med to dobbeltbindinger | enkelt link | med benzenring |
metan -serien ( alkaner ) | ethylen -serien ( alkener ) | acetylen -serien ( alkyner ) | en række dienkulbrinter | en række polymethylener ( naphthener ) | benzenserier (aromatiske kulbrinter eller arener ) |
Organiske molekyler dannes hovedsageligt af kovalente ikke-polære C-C-bindinger eller kovalente polære bindinger af typen C-O, C-N, C-Hal. Ifølge Lewis og Kossel- oktetteorien er et molekyle stabilt, hvis de ydre orbitaler af alle atomer er fuldstændigt fyldte. Grundstoffer som C , N , O , Halogener har brug for 8 elektroner for at fylde de ydre valensorbitaler , brint behøver kun 2 elektroner. Polaritet forklares ved forskydningen af elektrontætheden mod det mere elektronegative atom.
Den klassiske teori om valensbindinger er ikke i stand til at forklare alle typer bindinger, der findes i organiske forbindelser, så den moderne teori bruger metoderne for molekylære orbitaler og kvantekemiske metoder.
Egenskaberne af organiske stoffer bestemmes ikke kun af strukturen af deres molekyler, men også af antallet og arten af deres interaktioner med nabomolekyler såvel som af deres indbyrdes rumlige arrangement. Mest tydeligt er disse faktorer manifesteret i forskellen i egenskaberne af stoffer i forskellige aggregeringstilstande. Stoffer, der let interagerer i form af en gas, kan således slet ikke reagere i fast tilstand eller føre til andre produkter.
I faste organiske stoffer, hvor disse faktorer er mest udtalte, skelnes organiske krystaller og amorfe legemer. Videnskaben om " organisk faststofkemi " beskæftiger sig med deres beskrivelse , hvis grundlag er forbundet med navnet på den sovjetiske fysiker-krystallograf A. I. Kitaigorodsky . Eksempler på nyttige organiske faste stoffer er organiske phosphorstoffer, forskellige polymerer, sensorer, katalysatorer, elektriske ledninger, magneter osv.
Uorganiske reaktioner involverer normalt ioner , og de forløber hurtigt og afsluttes ved stuetemperatur. I organiske reaktioner brydes kovalente bindinger ofte med dannelsen af nye. Som regel kræver disse processer særlige forhold: en vis temperatur, reaktionstid og ofte tilstedeværelsen af en katalysator . Normalt forekommer ikke én, men flere reaktioner på én gang, så udbyttet af målstoffet overstiger ofte ikke 50 %. Når man afbilder organiske reaktioner, bruges derfor ikke ligninger, men skemaer uden beregning af støkiometri .
Reaktioner kan forløbe på en meget kompleks måde og i flere trin, ikke nødvendigvis på den måde, reaktionen konventionelt er afbildet i diagrammet. Carbocations R + , carbanioner R- , radikaler R·, carbener CX 2 , radikale kationer, radikale anioner og andre aktive eller ustabile partikler, der normalt lever i en brøkdel af et sekund, kan optræde som mellemliggende forbindelser . En detaljeret beskrivelse af alle de transformationer, der sker på molekylært niveau under en reaktion, kaldes reaktionsmekanismen .
Reaktioner klassificeres afhængigt af metoderne til at bryde og danne bindinger, metoderne til excitation af reaktionen, dens molekylæritet .
Gennem hele eksistensen af organisk kemi som videnskab har en vigtig opgave været at bestemme strukturen af organiske forbindelser. Det betyder at finde ud af, hvilke atomer der er en del af forbindelsen, i hvilken rækkefølge disse atomer er forbundet og hvordan de er placeret i rummet.
Der er flere metoder til at løse disse problemer.
I modsætning til de tre første bruger den sidste metode en mindre isotop af grundstoffet, da kernen i hovedkulstofisotopen, 12 C, har nul spin og ikke kan observeres ved kernemagnetisk resonans, ligesom kernen af 16 O, den mest almindelig iltisotop i naturen.
Ordbøger og encyklopædier | ||||
---|---|---|---|---|
|
af organisk kemi | Afsnit|
---|---|
Organisk kemi | |
---|---|