Існує кілька визначень, що таке органічні речовини, чим вони відрізняються від іншої групи сполук - неорганічних. Одне з найбільш поширених пояснень випливає з назви «вуглеводні». Дійсно, в основі всіх органічних молекул знаходяться ланцюжка атомів вуглецю, пов`язані з воднем. Присутні й інші елементи, які отримали найменування «біогенні».
Органічна хімія до відкриття сечовини
З давніх-давен люди користуються багатьма пріродниміе речовинами і мінералами: сірої, золотом, залізної і мідної рудою, кухонною сіллю. За весь час існування науки - з найдавніших часів і до першої половини XIX століття - вчені не могли довести зв`язок живої і неживої природи на рівні мікроскопічної будови (атомів, молекул). Вважалося, що своєю появою органічні речовини зобов`язані міфічної життєву силу - витализму. Побутував міф про можливість виростити чоловічка «гомункулуса». Для цього треба було скласти в бочонок різні продукти життєдіяльності, почекати певний час, поки зародиться життєва сила.
Нищівний удар по витализму завдали роботи Веллера, який синтезував органічну речовину сечовину з неорганічних компонентів. Так було доведено, що ніякої життєвої сили немає, природа єдина, організми і неорганічні сполуки утворені атомами одних і тих же елементів. Склад сечовини був відомий і до робіт Веллера, вивчення цього з`єднання не становило в ті роки великих труднощів. Чудовим був сам факт отримання речовини, характерного для обміну речовин, поза тіла тварини або людини.
Теорія А. М. Бутлерова
Велика роль російської школи хіміків у становленні науки, що вивчає органічні речовини. З іменами Бутлерова, Марковникова, Зелінського, Лебедєва пов`язані цілі епохи в розвитку органічного синтезу. Основоположником теорії будови сполук є А. М. Бутлеров. Знаменитий учений-хімік в 60-х роках XIX століття пояснив склад органічних речовин, причини різноманіття їх будови, розкрив взаємозв`язок, що існує між складом, будовою і властивостями речовин.
На основі висновків Бутлерова вдалося не тільки систематизувати знання про вже існуючих органічних сполуках. З`явилася можливість передбачити властивості ще невідомих науці речовин, створити технологічні схеми для їх отримання в промислових умовах. Повною мірою втілюються в життя багато ідей провідних хіміків-органіків в наші дні.
На основі коксу, кам`яного вугілля, природного газу і нафтової сировини в промисловості отримують дуже багато видів продукції. Поставлено на потік масове виробництво штучних і синтетичних матеріалів, що знаходять застосування у всіх сферах життя. Кіноплівка, шкільна ручка, деталі автомобіля - якщо продовжити список всього, що дає органічний синтез, то він виходить дуже довгим.
Органічні речовини
Подібність елементарного складу характерно для всіх відомих речовин, але відмінні ознаки все-таки присутні. Хоча немає жодного хімічного елемента в неживій природі, якого б не було в складі організмів. Справа в кількості різних атомів. Органічні речовини складаються в основному з вуглецю, водню, кисню, азоту. Саме ці хімічні елементи є органогенних. Порівняємо їх процентний вміст в живій клітині:
- кисень - близько 70%;
- вуглець - до 18%;
- водень - близько 10%;
- азот - 2%.
Перераховані елементи і органічні речовини клітини в цілому складають приблизно 98% від загальної маси живого організму. Атомів фосфору, сірки, натрію, калію, заліза, хлору містяться десяті частки відсотка. Ще менше хрому, бору, літію, кобальту. Всі елементи за кількістю і значенням для живих істот об`єднали в групи: макро- і мікроелементи. Їх важливість визначається не тільки кількістю, а й впливом на функції.
Помітно, що за змістом атомів вуглецю живі організми набагато перевершують навколишні тіла неживої природи, наприклад, грунт. Цей факт став одним з вирішальних, коли народжувалося назва цілої групи речовин. Але спочатку дуже багато углеродосодержащие з`єднання отримали загальну назву «органічні речовини». Клітини містять основні групи таких сполук і похідні. Чіткої межі між неорганічної природою і органічними сполуками немає. Вчені виробили критерії, на підставі яких відносять речовини до різних класів. Небаченими темпами зростає в останні десятиліття число знову синтезованих органічних сполук. Їх загальна кількість сягає кількох мільйонів (за різними даними, від 7 до 10 млн).
Вода + органічна речовина - це основа життя на Землі
Живі клітини містять найпоширеніше і загадкова речовина на нашій планеті - воду. Це неорганічне з`єднання одного атома кисню і двох атомів водню (органогенних елементів). Вміст води в організмі дорослої людини становить близько 65%, але з віком кількість чудових молекул Н2Про в тканинах зменшується. З цим пов`язана втрата тургору шкіри і інші вікові зміни.
Вода є середовищем, в якій відбуваються всі складні біохімічні реакції в організмі. У порівнянні з фабриками і заводами, процеси в клітинах людини протікають в «м`яких» умовах: при температурі всього 36,6 ° С, хоча на виробництві ті ж речовини довелося б нагрівати до 100 або більше градусів. Секрет ефективності роботи організму, як «живої машини», - наявність біологічних каталізаторів. До цієї групи належать ферменти. Формули органічних речовин цього класу дуже складні, в їх складі присутні вітаміни, атоми металів і інші частинки (коферменти).
Вода бере участь у розщепленні органічних сполук клітини. Цей процес отримав назву «гідроліз», що в перекладі означає «розкладання водою». Всі харчові речовини, що надходять в живі організми, розщеплюються на складові частини, з них, як з цеглинок, потім будуються власні молекули органічних речовин.
вуглеводні
Існує поділ на граничні і ненасичені класи органічних речовин. Перші утворені ланцюжками атомів вуглецю, з`єднаними простими «сигма» -зв`язків. У молекулах друге присутня подвійна зв`язок, що складається з однієї «сигма» - і однієї «пі»-зв`язку. Є ще потрійний зв`язок (одна «сигма» - і дві «пі»-зв`язку). Граничні вуглеводні є насиченими, а ненасичені - ненасиченими. Це означає, що в них не зв`язку атомів вуглецю витрачаються або насичуються за рахунок приєднання водню.
До граничним вуглеводнів відносяться алкани- найважливіші представники цього класу: метан, етан, пропан, інші газоподібні і рідкі вуглеводні. Вони входять до складу природного газу, нафти. Так, деякі родовища природного газу містять до 95% метану. Нафта переробляють шляхом крекінгу (розщеплення). Поділяють цю суміш вуглеводнів на легкі газові фракції, середні (рідкі), важкі (мазут, гудрон).
Для різних класів вуглеводневих сполук характерна певна структура «скелета», набір пов`язаних з ним функціональних груп. Тому прийнято говорити про гомології або схожості речовин одного класу між собою.
Розглянемо деякі формули органічних речовин - вуглеводнів (УВ).
- Перші три представника граничних УВ: СН4 - метан, С2Н6 - етан, С3Н8 - пропан.
- Початок гомологічного ряду ненасичених вуглеводнів з одним подвійним зв`язком: З2Н4 - етен, С3Н - пропен, С4Н8 - бутен.
- Ненасичені УВ з одного потрійним зв`язком: З2Н2 - Етін (ацетилен), С3Н6 - пропін, С4Н8 - бутин.
Горіння і окислення - властивості УВ
При згорянні органічного речовини, яке відноситься до класу вуглеводнів, серед продуктів реакції знаходяться вуглекислий газ і вода. При цьому виділяється тепло, запасеної в хімічних зв`язках молекул. Такий же результат можна отримати, спалюючи деревину, рослинні залишки. Енергія органічних речовин - природного газу, торфу, нафти, горючих сланців - здавна служить для опалення житлових і виробничих приміщень.
В останні роки визнано недоцільним витрачати виснажені запаси нафти і газу на цілі опалення. Набагато важливіше використовувати їх як сировину для хімічної промисловості. Отримали розвиток альтернативні види пального, джерела енергії - біопаливо, вітрові двигуни, приливні електростанції.
При окисленні вуглеводнів виходять нові органічні речовини - представники інших класів (альдегідів, кетонів, спиртів, карбонових кислот). Наприклад, великі обсяги ацетилену йдуть на виробництво оцтової кислоти. Частина цього продукту реакції в подальшому витрачається для отримання синтетичних волокон. Розчин кислоти (9% і 6%) є в кожному будинку - це звичайний оцет. Окислення органічних речовин служить основою для отримання дуже великого числа з`єднань, що мають промислове, сільськогосподарське, медичне значення.
ароматичні вуглеводні
Ароматичность в молекулах органічних речовин - це присутність одного або декількох бензольних ядер. Ланцюжок з 6 атомів вуглецю замикається в кільце, в ньому виникає сполучена зв`язок, тому властивості таких вуглеводнів не схожі на інші УВ.
Ароматичні вуглеводні (або арени) мають величезне практичне значення. Широко застосовуються багато з них: бензол, толуол, ксилол. Вони використовуються як розчинники і сировину для виробництва ліків, барвників, каучуку, гуми та інших продуктів органічного синтезу.
кислородосодержащие з`єднання
У складі великої групи органічних речовин присутні атоми кисню. Вони входять в найбільш активну частину молекули, її функціональну групу. Спирти містять одну або кілька гідроксильних часток ОН. приклади спиртів: метанол, етанол, гліцерин. У карбонових кислотах присутня інша функціональна частка - карбоксил (-СОООН).
Інші кислородосодержащие органічні сполуки - альдегіди і кетони. Карбонові кислоти, спирти і альдегіди в великих кількостях присутнє в складі різних органів рослин. Вони можуть бути джерелами для отримання натуральних продуктів (оцтової кислоти, етилового спирту, ментолу).
Жири є сполуками карбонових кислот і трехатомного спирту гліцерину. Крім спиртів і кислот лінійної будови, є органічні сполуки з бензольні кільцем і функціональною групою. Приклади ароматичних спиртів: фенол, толуол.
вуглеводи
Найважливіші органічні речовини організму, що входять до складу клітин, - білки, ферменти, нуклеїнові кислоти, вуглеводи і жири (ліпіди). Прості вуглеводи - моносахариди - зустрічаються в клітинах у вигляді араб, дезоксирибози, фруктози і глюкози. Останній в цьому короткому списку вуглевод - основна речовина обміну речовин в клітинах. Рибоза і дезоксирибоза - складові частини рибонуклеїнової і дезоксирибонуклеїнової кислот (РНК і ДНК).
При розщепленні молекул глюкози виділяється енергія, необхідна для життєдіяльності. Спочатку вона запасається при утворенні своєрідного переонсчіка енергії - аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ). Ця речовина переноситься кров`ю, доставляється в тканини і клітини. При послідовному відщепленні від аденозину трьох залишків фосфорної кислоти енергія освобождатеся.
жири
Ліпіди - речовини живих організмів, що володіють специфічними властивостями. Вони не розчиняються у воді, є гідрофобними частинками. Особливо багаті речовинами цього класу насіння і плоди деяких рослин, нервова тканина, печінка, нирки, кров тварин і людини.
Шкіра людини і тварин містить безліч дрібних сальних залоз. Виділений ними секрет виводиться на поверхню тіла, змащує її, захищає від втрати вологи і проникнення мікробів. Шар підшкірної жирової клітковини оберігає від пошкоджень внутрішні органи, служить запасним речовиною.
білки
Протеїни складають більше половини всіх органічних речовин клітини, в деяких тканинах їх зміст доходить до 80%. Для всіх видів білків характерні високі молекулярні маси, наявність первинної, вторинної, третинної і четвертинної структур. При нагріванні вони руйнуються - відбувається денатурація. Первинна структура - це величезна для мікросвіту ланцюжок амінокислот. Під дією особливих ферментів в травній системі тварин і людини протеїнових макромолекула розпадеться на складові частини. Вони потрапляють в клітини, де відбувається синтез органічних речовин - інших білків, специфічних для кожної живої істоти.
Ферменти і їх роль
Реакції в клітці протікають зі швидкістю, яка в виробничих умовах важко досяжна, завдяки катализаторам - ферментам. Розрізняють ферменти, що діють тільки на білки, - ліпази. Гідроліз крохмалю відбувається за участю амілази. Для розкладання на складові частини жирів необхідні ліпази. Процеси за участю ферментів йдуть вов всіх живих організмах. Якщо у людини немає в клітинах будь-якого ферменту, то це позначається на обміні речовин, в цілому на здоров`я.
нуклеїнові кислоти
Речовини, вперше виявлені і виділені з ядер клітин, виконують функцію передачі спадкових ознак. Основна кількість ДНК міститься в хромосомах, а молекули РНК розташовані в цитоплазмі. При редуплікації (подвоєння) ДНК з`являється можливість передати спадкову інформацію статевим клітинам - гамет. При їх злитті новий організм отримує генетичний матеріал від батьків.
