Історія розвитку органічної хімії. Предмет і значення органічної хімії

Мало хто замислювався про те, яка роль органічної хімії в житті сучасної людини. А адже вона величезна, складно її переоцінити. З самого ранку, коли людина прокидається і йде вмиватися, і до самого вечора, коли він лягає спати, його щохвилини супроводжують продукти органічної хімії. Зубна щітка, одяг, папір, косметика, предмети меблів та інтер`єру та багато іншого - все це дає нам вона. Але колись все було зовсім не так, і про органічної хімії знали зовсім мало.

Розглянемо, як складалася поетапно історія розвитку органічної хімії.

1. Період розвитку до XIV століття, званий стихійним.

2. XV - XVII століття - початок розвитку або, ятрохімія, алхімія.

3. Століття XVIII - XIX - панування теорії віталізму.

4. XIX - XX століття - інтенсивний розвиток, науковий етап.

Початок, або Стихійний етап становлення хімії органічних сполук

Даний період увазі саме зародження поняття хімії, витоки. А витоки йдуть ще в Древній Рим і Єгипет, в яких дуже здібні жителі навчилися видобувати фарбувальні речовини для фарбування предметів і одягу з природної сировини - листя і стебел рослин. Це були індиго, дає насичений синій колір, і алізорін, що забарвлює буквально все в соковиті і привабливі відтінки помаранчевого і червоного. Надзвичайно моторні жителі різних народностей того ж часу також навчилися одержувати оцет, виготовляти спиртні напої з цукрово-і крахмалосодержащих речовин рослинного походження.

Відомо, що дуже поширеними продуктами у застосуванні в цей історичний період були тваринні жири, смоли і рослинні олії, які використовувалися лікарями і кухарями. А також в ужиток щільно входили різні отрути, як основна зброя внутріусобних відносин. Всі ці речовини є продуктами органічної хімії.

Але, на жаль, як такого поняття "хімія" не існувало, і вивчення конкретних речовин з метою з`ясування властивостей і складу не відбувалося. Тому даний період і називається стихійним. Всі відкриття носили випадковий, нецілеспрямований характер побутового значення. Так тривало аж до наступного століття.

Період ятрохимии - багатообіцяючий початок розвитку

Дійсно, саме в XVI - XVII століттях почали зароджуватися безпосередні уявлення про хімію як науку. Завдяки роботам вчених того часу були отримані деякі органічні речовини, винайдені найпростіші пристрої для перегонки і сублімації речовин, використовувалася спеціальна хімічний посуд для подрібнення речовин, поділу продуктів природи на інгредієнти.

Основним напрямком роботи того часу стала медицина. Прагнення отримати необхідні ліки призвело до того, що з рослин виділялися ефірні масла та інші сировинні компоненти. Так, Карлом Шеєле були отримані деякі органічні кислоти з рослинної сировини:

• яблочная;
• лімонная;
• галловая;
• молочная;
• щавлева.

На дослідження рослин і виділення цих кислот вченому знадобилося 16 років (з 1769 р по 1785 г.). Це стало початком розвитку, були закладені основи органічної хімії, яка безпосередньо як розділ хімії була визначена і названа пізніше (початок XVIII століття).

У цей же період середньовіччя Г. Ф. Руел виділив кристали сечової кислоти з сечовини. Іншими хіміками була отримана бурштинова кислота з бурштину, винна кислота. У побут входить метод сухої перегонки рослинної і тваринної сировини, завдяки якому отримують оцтову кислоту, діетиловий ефір, деревне спирт.

Так було покладено початок інтенсивному розвитку органічної хімічної промисловості в майбутньому.

Vis vitalis, або "Життєва сила"

XVIII - XIX століття для органічної хімії вельми двоякі: з одного боку, відбувається цілий ряд відкриттів, які мають грандіозне значення. З іншого, довгий час зростання і накопичення потрібних знань і правильних уявлень гальмується панівної теорією віталізму.

Дану теорію ввів в ужиток і позначив головною Йенс Якобс Берцеліус, який при цьому сам же дав і визначення органічної хімії (точний рік невідомий, або 1807, або 1808). За положеннями даної теорії, органічні речовини здатні утворюватися тільки в живих організмах (рослинах і тварин, у тому числі людини), так як тільки в живих істот є спеціальна "життєва сила", що дозволяє цим речовинам вироблятися. У той час як з неорганічних речовин отримати органічні абсолютно неможливо, так як вони є продуктами неживої природи, негорючими, без vis vitalis.

Цим же вченим була запропонована перша класифікація всіх відомих на той момент з`єднань на неорганічні (неживі, всі речовини, подібні воді і солі) і органічні (живі, ті, що начебто оливкового масла і цукру). Також Берцеліус першим позначив конкретно, що таке органічна хімія. Визначення звучало так: це розділ хімії, що вивчає речовини, виділені з живих організмів.

У цей період вченими легко здійснювалися перетворення органічних речовин в неорганічні, наприклад, при згорянні. Однак про можливість зворотних перетворень нічого відомо поки не було.

Долі було завгодно розпорядитися так, що саме учень Йенса Берцеліуса Фрідріх Велер сприяв початку краху теорії свого вчителя.

Німецький вчений працював над з`єднаннями ціанідів і в одному з проведених дослідів зумів отримати кристали, схожі на сечову кислоту. В результаті більш ретельного дослідження він переконався, що дійсно зумів отримати органічну речовину з неорганічної без всякої vis vitalis. Наскільки б не був скептично налаштований Берцеліус, він змушений був визнати цей незаперечний факт. Так було завдано першого удару по віталістичним поглядам. Історія розвитку органічної хімії почала набирати обертів.

Ряд відкриттів, розтрощивши віталізм

Успіх Велера надихнув хіміків XVIII століття, тому почалися повсюдні випробування та експерименти з метою отримання органічних речовин у штучних умовах. Таких синтезів, що мають вирішальне і найбільше значення, було скоєно кілька.

1. 1845 - Адольф Кольбе, який був учнем Велера, зумів з простих неорганічних речовин С, Н₂, Про₂ багатоетапним повним синтезом отримати оцтову кислоту, яка є речовиною органічним.
2. 1812 Костянтином Кирхгофом здійснено синтез глюкози з крохмалю і кислоти.
3. 1820 Анрі Браконно денатурованого білок кислотою і потім обробив суміш азотної кислотою і отримав першу з 20 синтезованих пізніше амінокислот - гліцин.
4. 1809 Мішель Шеврель вивчав склад жирів, намагаючись розщепити їх на складові компоненти. У результаті він отримав жирні кислоти і гліцерин. 1854 р Жан Бертло продовжив роботи Шевреля і нагрів гліцерин зі стеаринової кислотою. Результат - жир, що точно повторює структуру природних сполук. Надалі він зумів отримати і інші жири і масла, які були дещо відмінні за будовою молекул від природних аналогів. Тобто довів можливість отримання нових органічних сполук, що мають велике значення, в лабораторних умовах.
5. Ж. Бертло синтезував метан із сірководню (Н₂S) і сірковуглецю (CS₂).
6. 1842 р Зінін зумів синтезувати анілін, барвник з нітробензолу. Надалі йому вдалося отримати цілий ряд анілінових барвників.
7. А. Байєр створює власну лабораторію, в якій займається активним і успішним синтезом органічних барвників, схожих з природними: алізаринові, індигоїдних, антрохіноновие, ксантеновие.
8. 1846 синтез нітрогліцерину вченим Собреро. Їм же розроблена теорія типів, що говорить про те, що речовини подібні деяким з неорганічних і їх можна отримати заміною атомів водню в структурі.
9. 1861 А. М. Бутлеров синтезував цукристих речовин з формаліну. Їм же були сформульовані положення теорії хімічної будови органічних сполук, актуальні донині.

Всі ці відкриття визначили предмет органічної хімії - вуглець і його сполуки. Подальші відкриття були спрямовані на вивчення механізмів хімічних реакцій в органіці, на встановлення електронної природи взаємодій і на розгляд структури сполук.

Друга половина XIX і XX століття - час глобальних хімічних відкриттів

Історія розвитку органічної хімії з плином часу зазнавала все великі зміни. Робота безлічі вчених над механізмами внутрішніх процесів в молекулах, в реакціях і системах дала свої плідні результати. Так, в 1857 р Фрідріх Кекуле розробляє теорію валентності. Також йому належить найбільша заслуга - відкриття будови молекули ароматичного вуглеводню бензолу. В цей же час А. М. Бутлеров формулює положення теорії будови сполук, в яких вказує на чотирьохвалентного вуглецю і на явище існування ізомерії і ізомерів.

В. В. Марковников і А. М. Зайцев поглиблюються у вивчення механізмів реакцій в органіці і формулюють ряд правил, які ці механізми пояснюють і підтверджують. У 1873 - 1875 рр. І. Вісліценус, Вант-Гофф і Ле Бель вивчають просторове розташування атомів в молекулах, відкривають існування стерео-ізомерів і стають родоначальниками цілої науки - стереохімії. Безліч різних людей брали участь у створенні тієї області органіки, яку ми маємо сьогодні. Тому вчені органічної хімії заслуговують на увагу.

Кінець XIX і XX століття - це часи глобальних відкриттів у фармацевтиці, лакофарбової промисловості, квантової хімії. Розглянемо відкриття, що забезпечили максимальне значення органічної хімії.

1. 1881 М. Конрад і М. Гудцейт синтезували анестетики, веронал і саліцилову кислоту.
2. 1883 Л. Кнорр отримав антипірин.
3. 1884 Ф. Штоллем отримав пірамідон.
4. 1869 брати Хайатт отримали перше штучне волокно.
5. 1884 Д. Істмен синтезував целулоїдну фотоплівку.
6. 1890 отримано мідноаміачні волокно Л. Депассі.
7. 1891 Ч. Крос з колегами отримав віскозу.
8. 1897 Ф. Мішер і Бухнер заснували теорію біологічного окислення (було відкрито безклітинні бродіння і ензими як біокаталізатори).
9. 1897 Ф. Мішер відкрив нуклеїнові кислоти.
10. Початок XX століття - нова хімія елементоорганічних сполук.
11. 1917 Люіс відкрив електронну природу хімічного зв`язку в молекулах.
12. 1931 Хюккель - засновник квантових механізмів в хімії.
13. 1931-1933 рр. Лаймус Полінг обґрунтовує теорію резонансу, а пізніше його співробітники розкривають сутність напрямків у хімічних реакціях.
14. 1936 синтезований нейлон.
15. 1930-1940 рр. А. Е. Арбузов дає початок розвитку фосфоорганіческіх сполук, які є основою для виробництва пластмас, ліків та інсектицидів.
16. 1960 академік Несмєянов з учнями створює в лабораторних умовах першу синтетичну їжу.
17. 1963 Дю Вінью отримує інсулін, що є величезним кроком вперед в медицині.
18. 1968 індієць Х. Г. Корана зумів отримати простий ген, що допомогло в розшифровці генетичного коду.

Таким чином, значення органічної хімії у житті людей просто колосально. Пластмаси, полімери, волокна, лакофарбова продукція, каучуки, гуми, ПВХ-матеріали, поліпропілени і поліетілени і багато інших сучасних речовини, без яких сьогодні просто не представляється можливим життя, пройшли складний шлях до свого відкриття. Сотні вчених внесли свій багаторічний кропітка праця, щоб склалася спільна історія розвитку органічної хімії.

Сучасна система органічних сполук

Виконавши величезний і складний шлях у розвитку, органічна хімія і сьогодні не стоїть на місці. Відомо більше 10 млн. Сполук, і це число з кожним роком зростає. Тому існує певна систематизована структура розташування речовин, які нам дає органічна хімія. Класифікація органічних сполук представлена в таблиці.

Вивчення всього різноманіття речовин і реакцій, в які вони вступають, і становить предмет органічної хімії на сьогоднішній день.

Типи хімічних зв`язків в органічних речовинах

Для будь-яких з`єднань характерні електронностатіческіе взаємодії всередині молекул, які в органіці виражаються в наявності ковалентних полярних і ковалентних неполярних зв`язків. У металлорганических з`єднаннях можливе утворення слабкого іонного взаємодії.

Ковалентні неполярні зв`язку виникають між С-С взаємодією у всіх органічних молекулах. Ковалентное полярне взаємодія характерно для різних атомів-неметалів в молекулі. Наприклад, С-Hal, CH, CO, CN, CP, CS. Це всі зв`язки в органічній хімії, які існують для утворення сполук.

Різновиди формул речовин в органіці

Найпоширеніші формули, що виражають кількісний склад з`єднання, називаються емпіричними. Такі формули існують для кожного неорганічної речовини. Але коли справа торкнулася складання формул в органіці, перед вченими встало безліч проблем. По-перше, маса багатьох з них обчислюється сотнями, а то й тисячами. Складно визначити емпіричну формулу для такого величезного речовини. Тому з часом з`явився такий розділ органічної хімії, як органічний аналіз. Основоположниками його вважаються вчені Лібіх, Велер, Гей-Люссак і Берцеліус. Саме вони, спільно з працями А. М. Бутлерова, визначили існування ізомерів - речовин, що мають однаковий якісний і кількісний склад, але розрізняються будовою молекули і властивостями. Саме тому будова органічних сполук виражається на сьогоднішній день не емпіричної, а структурної повної або структурної скороченою формулою.

Ці структури - характерна і відмінна особливість, яку має органічна хімія. Формули записуються за допомогою рисок, що позначають хімічні зв`язки. наприклад, скорочена структурна формула бутану буде мати вигляд CH<sub>3</sub> - СН<sub>2</sub> - СН<sub>2</sub> - СН<sub>3</sub>. Повна структурна формула показує всі наявні в молекулі хімічні зв`язки.

Також існує спосіб записування молекулярних формул органічних сполук. Він виглядає так само, як емпіричні у неорганічних. Для бутану, наприклад, вона буде такою: З₄Н₁₀. Тобто молекулярна формула дає уявлення тільки про якісний і кількісний склад з`єднання. Структурні ж характеризують зв`язку в молекулі, тому по них можна передбачити майбутні властивості і хімічну поведінку речовини. Це ті особливості, які має органічна хімія. Формули записуються в будь-якому вигляді, кожен з них вважається вірним.

Типи реакцій в органічній хімії

Існує певна класифікація органічної хімії за типом відбуваються реакцій. Причому таких класифікацій декілька, за різними ознаками. Розглянемо основні з них.

Механізми хімічних реакцій за способами розриву і утворення зв`язків:

• гомолитического або радікальние;
• гетеролітичні або іонні.

Реакції за типами перетворень:

• ланцюгові радікальние;
• нуклеофильного алифатического замещенія;
• нуклеофильного ароматичного замещенія;
• реакції елімінірованія;
• електрофільного прісоедіненія;
• конденсаціі;
• ціклізаціі;
• електрофільного замещенія;
• реакції перегрупувань.

За способом запуску реакції (ініціювання) і по кінетичного порядку також іноді реакції класифікуються. Це основні особливості реакцій, якими володіє органічна хімія. Теорія, що описує подробиці протікання кожної хімічної реакції, була відкрита ще в середині XX століття і підтверджується і доповнюється досі з кожним новим відкриттям і синтезом.

Слід зауважити, що взагалі реакції в органіці протікають при більш жорстких умовах, ніж в неорганічної хімії. Це пов`язано з більшою стабілізацією молекул органічних сполук за рахунок утворення всередині і міжмолекулярних міцних зв`язків. Тому практично жодна реакція не обходиться без підвищення температури, тиску або застосування каталізатора.

Сучасне визначення органічної хімії

В цілому, розвиток органічної хімії йшло по інтенсивному шляху протягом кількох століть. Накопичена величезна кількість відомостей про речовини, їх структурах і реакціях, в які вони можуть вступати. Синтезовані мільйони корисних і просто необхідних сировинних компонентів, що використовуються в самих різних галузях науки, техніки і промисловості. Поняття органічної хімії сьогодні сприймається як щось грандіозне і велике, численне і складне, різноманітне і значне.

Свого часу першим визначенням цього великого розділу хімії було те, що дав Берцеліус: це хімія, що вивчає речовини, виділені з організмів. З того моменту пройшло багато часу, скоєно безліч відкриттів і усвідомлено і розкрито велику кількість механізмів внутріхіміческіх процесів. Внаслідок цього сьогодні є інше поняття, що таке органічна хімія. Визначення їй дається таке: це хімія вуглецю і всіх його сполук, а також методів їх синтезу.