Органическая химия как наука¶

Органическая химия — раздел химии, изучающий соединения углерода, их строение, свойства, методы получения и превращения. К органическим традиционно относят соединения углерода, за исключением простейших его форм — оксидов углерода, угольной кислоты и её солей (карбонатов), а также некоторых других веществ, которые рассматриваются в рамках неорганической химии. Название дисциплины исторически связано с представлением о том, что такие вещества образуются только в живых организмах, однако это представление было опровергнуто в XIX веке.

¶История

Термин «органическая химия» ввёл в научный оборот шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус в 1806 году. Он и его современники полагали, что соединения углерода возникают лишь под действием «жизненной силы», присущей живому, и принципиально отличаются от минеральных веществ. Это учение получило название витализма.

Переломным стал 1828 год, когда немецкий химик Фридрих Вёлер, нагревая неорганическую соль — аммоний цианат, — получил мочевину, вещество, ранее выделенное из мочи животных. Синтез органического соединения из неорганического нанёс удар по витализму. В дальнейшем были синтезированы уксусная кислота, жиры и другие природные вещества, что окончательно утвердило представление о единстве законов химии для живой и неживой природы.

В 1858 году немецкий химик Фридрих Август Кекуле и шотландец Арчибальд Скотт Купер независимо сформулировали теорию валентности, а в 1861 году русский химик Александр Михайлович Бутлеров создал теорию химического строения. Она объяснила свойства веществ порядком соединения атомов в молекуле и заложила основы современной органической химии. В 1865 году Кекуле предложил циклическую структуру бензола.

¶Особенности соединений углерода

Углерод способен образовывать прочные ковалентные связи с другими атомами углерода, создавая цепочки и кольца практически неограниченной длины. Это явление называется катенацией и лежит в основе огромного числа органических веществ — их известно более 20 миллионов, тогда как неорганических соединений насчитывается порядка нескольких сотен тысяч.

Для органических молекул характерны:

• ковалентные связи между атомами;
• низкие температуры плавления и кипения по сравнению с неорганическими солями;
• горючесть и способность к разложению при нагревании;
• плохая растворимость в воде и хорошая — в органических растворителях;
• явление изомерии — существование веществ с одинаковым составом, но разным строением.

¶Классификация

Органические соединения делят по строению углеродного скелета и по наличию функциональных групп.

По скелету выделяют:

• ациклические (алифатические) — с открытой цепью атомов углерода;
• циклические — с замкнутым кольцом, среди которых различают карбоциклические (бензол, циклогексан) и гетероциклические (пиридин, фуран), содержащие в кольце атомы других элементов.

По функциональным группам различают углеводороды, спирты, фенолы, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, сложные эфиры, амины, амиды и другие классы. Функциональная группа определяет химические свойства вещества.

¶Методы исследования

Современная органическая химия опирается на комплекс физических и химических методов. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса позволяет установить строение молекулы по взаимодействию ядер водорода и углерода. Масс-спектрометрия определяет молекулярную массу и фрагментацию. Инфракрасная спектроскопия выявляет наличие функциональных групп. Рентгеноструктурный анализ даёт трёхмерную картину кристаллической молекулы. Эти методы пришли на смену трудоёмкому химическому анализу.

¶Значение и применение

Органические вещества составляют основу жизни: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды построены на углеродном каркасе. Понимание их строения лежит в основе биохимии, молекулярной биологии и медицины.

Промышленное значение органической химии огромно. Из нефти и природного газа получают топливо, пластмассы, синтетические волокна, каучуки, растворители, красители, лекарственные препараты, пестициды и моющие средства. Нефтехимический и газохимический комплексы России — одни из крупнейших в мире; предприятия в Татарстане, Башкортостане, Тюменской области и других регионах выпускают полимеры, синтетические каучуки и минеральные удобрения.

В фармацевтике органический синтез позволяет создавать аналоги природных соединений и принципиально новые лекарства. В сельском хозяйстве органические соединения используются как удобрения, гербициды и стимуляторы роста.

¶Смежные дисциплины

Органическая химия тесно связана с биоорганической химией, изучающей природные соединения, с полимерной химией, элементоорганической химией и химией природных соединений. На стыке с биологией возникли молекулярная биология и генетическая инженерия, а на стыке с материаловедением — химия новых материалов.

¶Интересные факты

• Первым синтезированным органическим веществом из неорганического стала мочевина (1828).
• Число известных органических соединений многократно превышает число неорганических.
• Многие лекарства и яды действуют за счёт взаимодействия с белками-рецепторами, то есть на уровне органических молекул.
• Явление изомерии объясняет, почему при одном и том же составе вещества могут обладать разными свойствами.

Источники: учебники по органической химии, труды А. М. Бутлерова, Ф. Кекуле, Ф. Вёлера, справочные издания по химии.