Szerves kémia - a kémia ága , amely a szénvegyületek szerkezetét, tulajdonságait és szintézisének módszereit tanulmányozza a szerves vegyületekhez kapcsolódó egyéb kémiai elemekkel . [1] [2] A szerves kémia kifejezés eredeti jelentése csak a növényi és állati eredetű szénvegyületek vizsgálatát jelentette. Emiatt számos széntartalmú vegyületet hagyományosan nem szervesnek minősítenek (például szén-monoxidot , szén-dioxidot , hidrogén-cianidot , szén-diszulfidot , fém-karbonilokat ), hanem szervetlen vegyületnek tekintik . Feltételesen úgy tekinthetjük, hogy a szénhidrogének a szerves vegyületek szerkezeti prototípusai . [2]
A szén a legtöbb vegyületet az úgynevezett organogén elemekkel alkotja : H , N , O , S , P [3] . A szén azon képessége, hogy a legtöbb elemmel egyesül, és különböző összetételű és szerkezetű molekulákat képez, meghatározza a szerves vegyületek sokféleségét. A szerves vegyületek kulcsszerepet játszanak az élő szervezetek létezésében (pl . nukleotidok , természetes aminosavak , szénhidrátok ).
A szerves kémia tantárgy a következő célokat, kísérleti módszereket és elméleti fogalmakat tartalmazza:
1999. május 24-én az ismert kémiai vegyületek száma meghaladta a 25 milliót, ebből 12 millió volt szerves [4] , 2014. május 2-án az összes ismert szervetlen és szerves vegyület száma meghaladta a 87 milliót [5] . 2018. április 8-án a US Chemical Abstracts Service (CAS) nyilvántartásában 141 millió vegyi anyag szerepel [1] Archiválva : 2018. április 10. a Wayback Machine -nél .
Különféle szerves anyagok kinyerésének módszerei már az ókorban ismertek. Az egyiptomiak és a rómaiak indigófestékeket és alizarint használtak , amely a növényi anyagokban található. Sok nemzet ismerte az alkoholos italok és az ecet cukor- és keményítőtartalmú alapanyagokból történő előállításának titkait.
A középkorban ehhez a tudáshoz nem adtak semmit, némi előrelépés csak a 16-17. században kezdődött: bizonyos anyagokat főként bizonyos növényi termékek lepárlásával nyertek. Nagy gazdasági jelentőségű volt, hogy Marggraf felfedezte a cukrot a répában [7] :6 (az akkoriban ismert forrása - a cukornád mellett), amint arról a "Kémiai kísérletek valódi cukor kinyerésére a vidék növényeiből" című cikkében beszámolt. hazánk" 1747 -ben [8 ] . 1769-1785 között Scheele számos szerves savat izolált , köztük almasavat , borkősavat , citromsavat , gallusavat , tejsavat és oxálsavat . 1773- ban Ruel karbamidot izolált az emberi vizeletből .
Az állati vagy növényi alapanyagokból izolált termékek sok hasonlóságot mutattak egymással, de különböztek a szervetlen vegyületektől . Ugyanakkor azt hitték, hogy ezek az anyagok csak az „életerő” révén juthatnak hozzá az élő szervezetekhez. Így hát 1753-ban a híres svéd természettudós , Wallerius egy másik kiemelkedő svéd tudós, Jerne munkáinak gyűjteményének előszavában kijelentette [9] : „...sem állatok, sem növényi testek, sem azok részei nem reprodukálhatók. vegyművészet által” [7] : 7 . J. J. Berzelius 1828 -ban megjelent „Előadások az állatok kémiájáról” („Föreläsningar i Djurkemien”) című könyvének első kötetében vezeti be először a „szerves kémia” ( Swed. organ Kemi ) fogalmát, úgy definiálja, mint „a szerves kémia” fogalmát. élettan, amely leírja az élő testek összetételét a bennük zajló kémiai folyamatokkal együtt” [10] .
Az "életerő" fogalmát az élő szervezetekben képződő anyagok szervetlen anyagokból történő szintézise rázta meg, amelyet a 19. század első felében végeztek [7] : 15-16 , például 1828 -ban Friedrich Wöhler szerves anyagot kapott . anyag - karbamid - párolgás eredményeként ammónium-cianát vizes oldata (NH 4 OCN). Ezt megelőzően, 1824 -ben kapott először oxálsavat .
Fontos lépés volt, hogy Cooper és Kekule 1857 - ben kidolgozta a vegyértékelméletet , valamint Butlerov 1861 -ben a kémiai szerkezet elméletét. Ezek az elméletek a szén tetravalenciáján és láncképző képességén alapultak. A szerves kémiáról szóló, 1859 - ben megjelent munkája első kötetében Kekule először vezeti be a "szerves kémia" fogalmának a modernhez közeli definícióját - ez a "szénvegyületek kémiája" [11] , Ez már a mű címében is tükröződik, ami annyit tesz: "A szerves kémia vagy a szénvegyületek kémiája tankönyve". Az 1850-es években a Moszkvai Egyetem egyik professzora, N. E. Lyaskovskii , N. M. Sarandinaki szerint, azt mondta: „A szerves kémia nem az élőlényekben található anyagok kémiája, hanem a szénvegyületek kémiája”, amely később a tudomány uralkodó nézetévé vált [12]. ] . 1865 -ben Kekule javasolta a benzol szerkezeti képletét , amely a szerves kémia egyik legfontosabb felfedezése. 1875- ben van't Hoff és Le Bel javasolta a szénatom tetraéderes modelljét , amely szerint a szén vegyértékei a tetraéder csúcsaira irányulnak , ha a szénatom ennek a tetraédernek a közepébe kerül. 1917 -ben Lewis azt javasolta, hogy a kémiai kötést elektronpárok alapján vegyék figyelembe .
1931 -ben Hückel a kvantumelméletet alkalmazta az alternatív aromás szénatomok tulajdonságainak magyarázatára , ezáltal új irányt alapított a szerves kémiában – a kvantumkémiában. 1933- ban Ingold tanulmányt végzett egy telített szénatomon végbemenő szubsztitúciós reakció kinetikájáról, ami a legtöbb szerves reakciótípus kinetikájának nagyszabású vizsgálatához vezetett.
Szokás a szerves kémia történetét a szerves vegyületek szerkezete terén tett felfedezések kapcsán bemutatni, de az ilyen jellegű bemutatás inkább a kémia történetéhez általában kötődik. Sokkal érdekesebb a szerves kémia történetét az anyagi bázis, vagyis a szerves kémia tanulmányozásának tulajdonképpeni tárgya szempontjából vizsgálni.
A szerves kémia hajnalán a vizsgálat tárgyát túlnyomórészt biológiai eredetű anyagok képezték. Ennek a ténynek köszönheti nevét a szerves kémia. A tudományos és technológiai fejlődés nem állt meg, és idővel a kőszén égetésével a kokszgyártás során felszabaduló kőszénkátrány a szerves kémia fő anyagi bázisává vált . A 19. század végén a kőszénkátrány feldolgozása alapján jött létre a fő szerves szintézis . A múlt század 50-60-as éveiben a fő szerves szintézist egy új alapra - olajra - vitték át. Így a kémia új területe jelent meg - a petrolkémia . Az új nyersanyagokban rejlő hatalmas potenciál a szerves kémia és általában a kémia fellendülését idézte elő. Egy olyan terület megjelenése és intenzív fejlődése, mint a polimerkémia, elsősorban egy új nyersanyagbázishoz kapcsolódik.
Annak ellenére, hogy a modern szerves kémia még mindig biológiai eredetű nyersanyagokat és kőszénkátrányt használ anyagi alapként, az ilyen típusú vegyi alapanyagok feldolgozási volumene az olajfeldolgozáshoz képest csekély. A szerves kémia anyag- és alapanyagbázisának változását elsősorban a termelési mennyiségek növelésének lehetősége okozta.
Az osztályozás a szerves vegyületek szerkezetén alapul. A szerkezet leírásának alapja a szerkezeti képlet . Az elemek atomjait latin szimbólumokkal jelöljük, ahogy a kémiai elemek periódusos rendszerében ( Mengyelejev táblázata ). A hidrogén- és elektronhiányos kötéseket szaggatott vonal, az ionos kötéseket a molekulát alkotó részecskék töltéseinek jelzése jelöli . Mivel a szerves molekulák túlnyomó többsége hidrogént tartalmaz , általában nincs feltüntetve a szerkezet ábrázolásakor. Így, ha az egyik atom vegyértéke nem elegendő a szerkezetben , az azt jelenti, hogy egy vagy több hidrogénatom található az atom közelében.
Az atomok ciklikus és aromás rendszereket alkothatnak.
Aciklikus (nyitott lánc) | Karbociklusos (zárt lánc) | ||||
---|---|---|---|---|---|
marginális | korlátlan | marginális | korlátlan | ||
egyetlen link | kettős kötéssel | hármas kötéssel | két kettős kötéssel | egyetlen link | benzolgyűrűvel |
metán sorozat ( alkánok ) | etilén sorozat ( alkének ) | acetilén sorozat ( alkinok ) | számos dién szénhidrogén | számos polimetilén ( naftén ) | benzol sorozat (aromás szénhidrogének vagy arének ) |
A szerves molekulákat főként kovalens nempoláris C–C kötések, vagy C–O, C–N, C–Hal típusú kovalens poláris kötések képezik. A Lewis és Kossel oktett elmélet szerint egy molekula akkor stabil, ha az összes atom külső pályája teljesen kitöltött. Az olyan elemeknek, mint a C , N , O , A halogéneknek 8 elektronra van szükségük a külső vegyértékpályák kitöltéséhez , a hidrogénnek csak 2 elektronra. A polaritást az elektronsűrűség eltolódása az elektronegatívabb atom felé magyarázza.
A vegyértékkötések klasszikus elmélete nem képes megmagyarázni a szerves vegyületekben létező összes kötéstípust, ezért a modern elmélet a molekulapályák és a kvantumkémiai módszereket alkalmazza.
A szerves anyagok tulajdonságait nemcsak molekuláik szerkezete határozza meg, hanem a szomszédos molekulákkal való kölcsönhatásaik száma és jellege, valamint kölcsönös térbeli elrendeződésük is. Ezek a tényezők a legvilágosabban a különböző aggregációs állapotú anyagok tulajdonságainak különbségében nyilvánulnak meg. Így a gáz formájában könnyen kölcsönhatásba lépő anyagok szilárd állapotban egyáltalán nem reagálnak, vagy más termékekhez vezethetnek.
A szilárd szerves anyagokban, amelyekben ezek a tényezők a legkifejezettebbek, szerves kristályokat és amorf testeket különböztetnek meg. Leírásukkal a " szerves szilárdtest-kémia " tudománya foglalkozik , amelynek alapja A. I. Kitaigorodszkij szovjet fizikus-krisztallográfus nevéhez fűződik . A hasznos szerves szilárd anyagok példái a szerves foszforok, különféle polimerek, érzékelők, katalizátorok, elektromos vezetékek, mágnesek stb.
A szervetlen reakciókban általában ionok vesznek részt, és szobahőmérsékleten gyorsan és teljesen végbemennek. Szerves reakciókban a kovalens kötések gyakran megszakadnak újak képződésével. Ezekhez az eljárásokhoz általában speciális feltételek szükségesek: bizonyos hőmérséklet, reakcióidő és gyakran katalizátor jelenléte . Általában nem egy, hanem több reakció megy végbe egyszerre, így a célanyag hozama gyakran nem haladja meg az 50%-ot. Ezért a szerves reakciók ábrázolásakor nem egyenleteket használunk, hanem sémákat a sztöchiometria számítása nélkül .
A reakciók nagyon összetett módon és több szakaszban is lezajlahatnak, nem feltétlenül úgy, ahogy a reakciót az ábrán hagyományosan ábrázolják. Közbenső vegyületként jelenhetnek meg az R + karbokationok , R- karbanionok , R · gyökök , CX 2 karbének , gyökkationok , gyök anionok és egyéb aktív vagy instabil részecskék, amelyek általában a másodperc töredékéig élnek . A reakció során molekuláris szinten végbemenő összes átalakulás részletes leírását reakciómechanizmusnak nevezzük .
A reakciókat a kötések felszakításának és kialakításának módszerei, a reakció gerjesztési módszerei, molekulárissága szerint osztályozzák .
A szerves kémia, mint tudomány fennállása során mindvégig fontos feladat volt a szerves vegyületek szerkezetének meghatározása. Ez azt jelenti, hogy megtudjuk, mely atomok képezik a vegyület részét, milyen sorrendben kapcsolódnak egymáshoz, és hogyan helyezkednek el a térben.
Számos módszer létezik ezeknek a problémáknak a megoldására.
Az első háromtól eltérően az utolsó módszer az elem egy kisebb izotópját használja , mivel a fő szénizotóp, a 12 C atommagja nulla spinű, és nem figyelhető meg mágneses magrezonanciával, akárcsak a 16 O atommag, a legtöbb. gyakori oxigénizotóp a természetben.
![]() | ||||
---|---|---|---|---|
|
Szerves kémia szekciók | |
---|---|
Szerves kémia | |
---|---|