Всі речовини, які містять вуглецевий атом, крім карбонатів, карбідів, ціанідів, тіоціонат і вугільної кислоти, являють собою органічні сполуки. Це означає, що вони здатні створюватися живими організмами з атомів вуглецю за допомогою ферментативних або інших реакцій. На сьогоднішній день багато органічних речовин можна синтезувати штучно, що дозволяє розвивати медицину і фармакологію, а також створювати високоміцні полімерні та композитні матеріали.
Класифікація органічних сполук
Органічні сполуки є найчисленнішим класом речовин. Тут присутній близько 20 видів речовин. Вони різні за хімічним властивостям, відрізняються фізичними якостями. Їх температура плавлення, маса, летючість і розчинність, а також агрегатний стан при нормальних умовах також різні. Серед них:
- вуглеводні (алкани, Алкіни, алкени, алкадіени, Циклоалкани, ароматичні вуглеводні);
- альдегіди;
- кетони;
- спирти (двоатомні, одноатомні, багатоатомні);
- прості ефіри;
- складні ефіри;
- карбонові кислоти;
- аміни;
- амінокислоти;
- вуглеводи;
- жири;
- білки;
- біополімери і синтетичні полімери.
Ця класифікація відбиває особливості хімічної будови і наявність специфічних атомних груп, що визначають різницю властивостей того чи іншого речовини. У загальному вигляді класифікація, в основі якої лежить конфігурація вуглецевого скелета, яка не враховує особливостей хімічних взаємодій, виглядає по-іншому. Відповідно до її положень, органічні сполуки діляться на:
- аліфатичні сполуки;
- ароматичні речовини;
- гетероциклічні речовини.
дані класи органічних сполук можуть мати ізомери в різних групах речовин. Властивості ізомерів різні, хоча їх атомний склад може бути однаковим. Це випливає з положень, закладених А. М. Бутлеров. Також теорія будови органічних сполук є керівною основою при проведенні всіх досліджень в органічній хімії. Її ставлять на один рівень з менделєєвськая Періодичним законом.
Теорія будови органічних сполук
Саме поняття про хімічну будову ввів А. М. Бутлеров. В історії хімії воно з`явилося 19 вересня 1861 року. Раніше в науці існували різні думки, а частина вчених зовсім заперечувало наявність молекул і атомів. Тому в органічної та неорганічної хімії не було ніякого порядку. Більш того, не існувало закономірностей, за якими можна було судити про властивості конкретних речовин. При цьому були і з`єднання, які при однаковому складі проявляли різні властивості.
Твердження А. М. Бутлерова в чому направили розвиток хімії в потрібне русло і створили для неї прочнейший фундамент. За допомогою неї вдалося систематизувати накопичені факти, а саме, хімічні або ж фізичні властивості деяких речовин, закономірності набрання ними реакції та інше. Навіть прогноз шляхів отримання сполук і наявність деяких загальних властивостей стало можливим завдяки даній теорії. А головне, А. М. Бутлеров показав, що структуру молекули речовини можна пояснити з точки зору електричних взаємодій.
Логіка теорії будови органічних речовин
Оскільки до 1861 року в хімії багато відкидали існування атома або ж молекули, то теорія органічних сполук стала революційною пропозицією для вченого світу. І оскільки сам Бутлеров А. М. виходить лише з матеріалістичних висновків, то йому вдалося спростувати філософські уявлення про органіці.
Йому вдалося показати, що молекулярну будову можна розпізнати дослідним шляхом за допомогою хімічних реакцій. Наприклад, склад будь-якого вуглеводу можна з`ясувати за допомогою спалювання його певної кількості і підрахунку утворилася води і Вуглекислий газ. Кількість азоту в молекулі аміну підраховується також при спалюванні шляхом вимірювання об`єму газів і виділення хімічного кількості молекулярного азоту.
Якщо розглядати судження Бутлерова про хімічному будову, що залежить від структури, в зворотному напрямку, то напрошується новий висновок. А саме: знаючи хімічну будову і склад речовини, можна емпірично припустити його властивості. Але найголовніше - Бутлеров пояснив, що в органіці зустрічається величезна кількість речовин, які проявляють різні властивості, але мають однаковий склад.
Загальні положення теорії
Розглядаючи і досліджуючи органічні сполуки, Бутлеров А. М. вивів деякі найважливіші закономірності. Він об`єднав їх в положення теорії, що пояснює будову хімічних речовин органічного походження. Положення теорії такі:
- в молекулах органічних речовин атоми з`єднані між собою в строго визначеної послідовності, яка залежить від валентності;
- хімічну будову - це безпосередній порядок, згідно з яким з`єднані атоми в органічних молекулах;
- хімічну будову обумовлює наявність властивостей органічної сполуки;
- в залежності від будови молекул з однаковим кількісним складом можлива поява різних властивостей речовини;
- всі атомні групи, які беруть участь в утворенні хімічної сполуки, мають взаємний вплив один на одного.
Всі класи органічних сполук побудовані згідно з принципами даної теорії. Заклавши основи, Бутлеров А. М. зміг розширити хімію як область науки. Він пояснив, що завдяки тому, що в органічних речовинах карбон проявляє валентність рівну чотирьом, обумовлюється різноманіття дані з`єднань. Наявність безлічі активних атомних груп визначає приналежність речовини до певного класу. І саме за рахунок наявності специфічних атомних груп (радикалів) з`являються фізичні і хімічні властивості.
Вуглеводні та їх похідні
Дані органічні сполуки вуглецю і водню є найпростішими за складом серед всіх речовин групи. Вони представлені підкласом алканів і циклоалканов (насичених вуглеводнів), алкенів, алкадиенов і алкатріенов, алкинов (ненасичених вуглеводнів), а також подклассом ароматичних речовин. У алканах все атоми вуглецю з`єднані тільки одинарної С-С зв`язком, через що до складу вуглеводнів вже не може бути вбудований жоден атом Н.
У ненасичених вуглеводнях водень може вбудовуватися за місцем наявності подвійний С = С зв`язку. Також З-С зв`язок може бути потрійний (Алкіни). Це дозволяє даними речовин вступати в безліч реакцій, пов`язаних з відновленням або приєднанням радикалів. Всі інші речовини для зручності вивчення їх здатності вступати в реакції розглядаються як похідні одного з класів вуглеводнів.
спирти
Спиртами називаються більш складні, ніж вуглеводні органічні хімічні сполуки. Вони синтезуються в результаті протікання ферментативних реакцій в живих клітинах. Найтиповішим прикладом є синтез етанолу з глюкози в результаті бродіння.
У промисловості спирти отримують з галогенових похідних вуглеводнів. В результаті заміщення галогенового атома на гідроксильну групу і утворюються спирти. одноатомні спирти містять лише одну гідроксильну груп, багатоатомні - дві і більше. Прикладом двухатомного спирту є етиленгліколь. Багатоатомний спирт - це гліцерин. Загальна формула спиртів R-OH (R - вуглецева ланцюг).
Альдегіди і кетони
Після того як спирти вступають в реакції органічних сполук, пов`язані з відщепленням водню від спиртової (гідроксильної) групи, замикається подвійний зв`язок між киснем і вуглецем. Якщо дана реакція проходить по спиртової групи, розташованої у кінцевого вуглецевого атома, то в результаті її утворюється альдегід. Якщо вуглецевий атом із спиртовою розташований не на кінці вуглецевого ланцюга, то результатом реакції дегідратації є отримання кетона. Загальна формула кетонів - R-CO-R, альдегідів R-COH (R - вуглеводневий радикал ланцюга).
Ефіри (прості і складні)
Хімічна будова органічних сполук даного класу ускладнене. прості ефіри розглядаються як продукти реакції між двома молекулами спиртів. При відщепленні води від них утворюється з`єднання зразка R-O-R. Механізм реакції: відщеплення протона водню від одного спирту і гідроксильної групи від іншого спирту.
Складні ефіри - продукти реакції між спиртом і органічної карбонової кислотою. Механізм реакції: відщеплення води від спиртової та карбонової групи обох молекул. Водень отщепляется від кислоти (по гідроксильної групі), а сама ОН-група відокремлюється від спирту. Отримане з`єднання зображується як R-CO-O-R, де букової R позначені радикали - інші ділянки вуглецевого ланцюга.
Карбонові кислоти і аміни
Карбоновими кислотами називаються особливі речовини, які відіграють важливу роль у функціонуванні клітини. Хімічна будова органічних сполук таке: вуглеводневий радикал (R) з приєднаною до нього карбоксильною групою (-СООН). Карбоксильная група може розташовуватися тільки у крайнього атома вуглецю, тому як валентність С в групі (-СООН) дорівнює 4.
Аміни - це більш прості сполуки, які є похідними вуглеводнів. Тут у будь-якого атома вуглецю розташовується аміни радикал (-NH2). Існують первинні аміни, у яких група (-NH2) приєднується до одного вуглецю (загальна формула R-NH2). У вторинних амінів азот з`єднується з двома вуглецевими атомами (формула R-NH-R). У теоретичних амінів азот з`єднаний з трьома вуглецевими атомами (R3N), де р - радикал, вуглецева ланцюг.
амінокислоти
Амінокислоти - комплексні сполуки, які проявляють властивості і амінів, і кислот органічного походження. Існує кілька їх видів в залежності від розташування аминной групи по відношенню до карбоксильної. Найбільш важливі альфа-амінокислоти. Тут аминная група розташована у атома вуглецю, до якого приєднана карбоксильна. Це дозволяє створювати пептидную зв`язок і синтезувати білки.
Вуглеводи і жири
Вуглеводи є Альдегідоспирти або кетоспіртамі. Це з`єднання з лінійної або циклічною структурою, а також полімери (крохмаль, целюлоза і інші). Їх найважливіша роль в клітці - структурна і енергетична. Жири, а точніше ліпіди, виконують ті ж функції, тільки беруть участь в інших біохімічних процесах. З точки зору хімічної будови жир є складним ефіром органічних кислот і гліцерину.
