Лекция №1 - 2 Введение в органическую химию

Лекция № 1 - 2
Введение в органическую химию.
План:
1.
2.
ний.
3.
4.
Предмет и задачи органической химии.
Строение, классификация и номенклатура органических соединеМеханизмы реакций в органической химии.
Значение органической химии в зоотехнии.
Органическая химия изучает соединения углерода, называемые органическими
веществами. В связи с этим органическую химию называют также химией соединений углерода.
Органическая химия может быть определена также как химия углеводородов и их
производных. Хотя такое определение более четко отражает содержание предмета
органической химии, однако и оно не дает возможности провести резкую границу
между органическими и неорганическими веществами.
Неудачи многочисленных попыток найти эту границу привела многих химиков
к мысли, что хотя неорганические и органические соединения следует рассматривать как строго самостоятельные группы, различие между ними довольно трудно
определить. Эти неудачи объясняются стремлением дать формально-логическое
определение органической химии, отыскать резкую грань между ней и неорганической химией. Такая задача ошибочна в самой ее постановке и принципиально неразрешима. Так как в природе все явления взаимосвязаны, то естественно, что грубое
отсечение одной отрасли науки от другой невозможно. Между смежными науками
существуют естественные диалектические переходы. В частности, на границе между
органическими и неорганическими соединениями находятся такие вещества, как сода, сероуглерод, мочевина, оксид углерода (IV) и т. д., которые можно с равным
правом рассматривать в качестве как органических, так и неорганических соединений.
Место органической химии в ряду других наук определяется не только ее соседством с неорганической химией. Изучая сложнейшие органические вещества, играющие важную роль в жизнедеятельности животных и растительных организмов,
органическая химия тесно соприкасается и с биологией. В пограничной между этими двумя науками области возникла и успешно развивается новая молодая наука биологическая химия. Наконец, вследствие все расширяющегося в настоящее время
применения физических методов исследования органических веществ теснее становится связь органической химии с физикой.
Важнейшие причины выделения органической химии в отдельную науку заключаются в следующем:
1.
Число известных органических соединений (около 5 миллионов) значительно превышает число соединений всех остальных элементов периодической системы Менделеева. В настоящее время известно около 650 тысяч неорганических
соединений, примерно 200 тысяч новых органических соединений получают сейчас
в один год. Это объясняется не только тем, что химики особенно интенсивно зани1
маются синтезом и исследованием органических соединений, но и особой способностью элемента углерода давать соединения, содержащие практически неограниченное число атомов углерода, связанных в цепи и циклы.
2.
Органические вещества имеют исключительное значение вследствие их
крайне многообразного практического применения, а особенно потому, что они играют важную роль в процессах жизнедеятельности организмов.
3.
Имеются существенные отличия в свойствах и реакционной способности
органических соединений от неорганических, вследствие чего возникла необходимость в развитии многих специфических методов исследования органических соединений.
История развития органической химии
Органическая химия как наука оформилась в начале XIX в., однако знакомство
человека с органическими веществами и применение их для практических целей
началось еще в глубокой древности.

Первой известной кислотой был уксус, или водный раствор уксусной кислоты.

Древним народам было известно брожение виноградного сока,

Они знали примитивный способ перегонки и применяли, его для
получения скипидара; галлы и германцы знали способы варки мыла;

В Египте, Галлии и Германии умели варить пиво. В Индии, Финикии и Египте было весьма развито искусство крашения при помощи органических веществ.

Кроме того, древние народы пользовались такими органическими
веществами, как масла, жиры, сахар, крахмал, камедь, смолы, индиго и т.
д.
Период развития химических знаний в средние века (приблизительно до XVI в.)
получил название периода алхимии. Однако изучение неорганических веществ было значительно более успешным, чем изучение веществ органических. Сведения о
последних остались почти столь же ограниченными, как и в более древние века. Некоторый шаг вперед был сделан благодаря совершенствованию методов перегонки.
Таким путем, в частности, было выделено несколько эфирных масел и получен
крепкий винный спирт, считавшийся одним из веществ, с помощью которых можно
приготовить философский камень.
Конец XVIII в ознаменовался заметными успехами в изучении органических
веществ, причем органические вещества начали исследовать с чисто научной точки
зрения. В этот период был выделен из растений и описан ряд важнейших органических кислот (щавелевая, лимонная, яблочная, галловая), установлено, что масла и
жиры содержат в качестве общей составной части «сладкое начало» - масел (глицерин) и т. д.
Постепенно начали развиваться исследования органических веществ - продуктов жизнедеятельности животных организмов. Так, например, из мочи человека были выделены мочевина и мочевая кислота, а из мочи коровы и лошади - гиппуровая
кислота. Накопление значительного фактическое материала явилось сильным толч2
ком к более глубокому изучению органического вещества.
Впервые понятия об органических веществах и об органической химии
ввел шведский ученый Берцелиус(1827). Органическую химию он и определял
как «химию растительных и животных веществ, или веществ, образующихся под
влиянием жизненной силы».
В 1828г Вёлер показал, что неорганическое вещество - циановокислый аммоний при нагревании превращается в продукт жизнедеятельности животного организма - мочевину.
В 1845г Кольбе синтезировал типичное органическое вещество - уксусную
кислоту, использовав в качестве исходных веществ древесный уголь, серу, хлор и
воду. За сравнительно короткий период был синтезирован ряд других органических
кислот, которые до этого выделялись только из растений,
В 1854г Бертло удалось синтезировать вещества, относящиеся к классу жиров.
В 1861г. А. М. Бутлеров действием известковой воды на параформальдегид
впервые осуществил синтез метиленитана - вещества, относящегося к классу сахаров, которые, как известно, играют важную роль в процессах жизнедеятельности
организмов.
Теории органической химии
1. Теория радикалов.
Первая теория в органической химии - теория радикалов была тесно связана с
электрохимической теорией Берцелиуса. Основываясь главным образом на факте
электролиза неорганических соединений, Берцелиус считал, что все химические вещества состоят из электроотрицательных и электроположительных атомов или
групп атомов, удерживаемых в молекуле силами электростатического притяжения.
Фактическим основанием для создания теории радикалов послужили исследования
соединений циана (Гей-Люссак, 1815). Этими исследованиями было впервые установлено, что при целом ряде химических превращений группа из нескольких атомов
в неизменном виде переходит из молекулы одного вещества в молекулу другого,
подобно тому, как переходят из молекулы в молекулу атомы элементов. Такие «неизменяемые» группы атомов получили название радикалов.
На определенном этапе развития органической химии теория радикалов сыграла значительную роль, впервые дав химикам руководящую нить в исследовании органического вещества. Это оказалось возможным потому, что в основе теории радикалов лежало важное обобщение: при химических реакциях группы, атомов (т. е.
радикалы) в неизменном виде входят в образующиеся при этих реакциях молекулы.
2. Теория строения органических соединений А.М. Бутлерова
Насущные задачи органической химии требовали разрешения основного вопроса: являются ли молекулы беспорядочным нагромождением атомов, удерживаемых
силами притяжения, или же представляют собой частицы с определенным строени3
ем, которое можно установить, исследуя свойства вещества. В органической химии
к этому времени уже накопились факты и обобщения, которые могли служить основой для решения вопроса о строении молекул.
Решающую роль сыграло открытие валентности элементов, следуя состав
металлорганических соединений, Франкланд (1853) нашел, что каждый металл дает
соединения со строго определенным числом радикалов; это число и представляет
собой валентность данного металла.
Так, были получены следующие соединения:
СН3Na
метилнатрий
(СН3)2Нg
(СН3)3А1
(СН3)4Sn
диметилртуть триметилалюминий
тетраметилолово
Стало ясно, что атомы могут соединяться в молекулы только в отношениях,
определяемых валентностью атомов. В частности, было установлено, что углерод
четырехвалентен (Кекуле, 1858). Открытие валентности непосредственно подводило к мысли, что молекулы имеют определенное строение.
Основная идея теории А.М. Бутлерова сформулирована в 1861г. в статье
«О химическом строении вещества».
В своей теории Бутлеров дает понятие химического строения вещества и новое
определение природы вещества: «Химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением».
Бутлеров считал, что для каждого соединения возможна лишь одна структурная формула, причем в будущем, когда будет полностью выяснена зависимость
свойств от строения, формула соединения должна выражать все его свойства.
Замечательным успехом теории строения явилось объяснение явления изомерии. Так, к цепи из трех атомов углерода четвертый углеродный атом может быть
присоединен двояким образом: а) к одному из двух крайних атомов и б) к среднему
атому. Следовательно, возможен не один, а два различных порядка связи атомов в
молекулах общей формулы С4Н10:
H3C - CH2 - CH3

CH3
H3C - CH2 - CH2 - CH3
Таким образом, молекулярной формулой С4Н10 могут обладать вещества,
имеющие одинаковый качественный и количественный состав, а так же одинаковую
молекулярную массу, но отличающиеся по расположению атомов в молекулах. Такие вещества называются изомерами.
В современной интерпретации основные положения и следствия теории
строения Бутлерова могут быть сформулированы следующим образом:
1. В молекулах соединений существует определенный порядок связи
атомов, который и носит название строения.
2. Химические свойства соединения определяются составом и строением
его молекул.
3. Различное строение при одном и том же составе и молекулярной мас4
се вещества обусловливает явление изомерии.
4. Так как при отдельных реакциях изменяются не все, а только некоторые части молекул, то, изучая продукты химических превращения соединения, можно установить его строение.
5. Химический характер (т. е. реакционная способность) атомов, входящих в молекулу, меняется в зависимости от того, с какими атомами они
связаны в данной молекуле. Это изменение химического характера обусловливается главным образом взаимным влиянием непосредственно связанных друг с другом атомов. Взаимное влияние атомов, не связанных
непосредственно, обычно проявляется значительно слабее.
Виды изомерии органических соединений
1. изомерия основной углеродной цепи:
H3C - CH2 - CH3

CH3
H3C - CH2 - CH2 - CH3
С4Н10
бутан
изобутан
2. изомерия положения двойных или тройных (кратных) связей:
H3C - CH = CH - CH3
H2C = CH - CH2 - CH3
бутен - 2
бутен - 1
3. изомерия положения функциональных групп:
H2C - CH2 - CH3

OH
H2C - CH - CH3

OH
пропанол-1 (первичный спирт)
пропанол-2 (вторичный спирт)
4. пространственная изомерия (оптическая или «цис-транс»):
CH3

HC = CH

CH3
HC = CH


CH3 CH3
цис-изомер
транс-изомер
5
5. межклассовая изомерия:
H3C - C C - CH3H2C = CH CH = CH3
бутин-2
бутадиен -1,3
Классификация органических соединений
Классы органических соединений
Углеводороды:
1. Алканы
2. Алкены
3. Алкины
4. Диены
5. Цикланы
6. Арены
Кислородсодержащие
соединения:
1. Спирты, простые эфиры
2. Фенолы
3. Альдегиды
4. Кетоны
5. Карбоновые кислоты
6. Сложные эфиры, жиры
7. Сахара, углеводы
Гетероциклические
соединения
Азотсодержащие
соединения:
1. Амины
2. Аминокислоты
3. Белки
Номенклатура органических соединений
ТРИВИАЛЬНАЯ номенклатура (т.н.): в основе ее лежит название соединения, которое связано с его местом нахождения или способом получения:
O
O


H - C - OH
H3C - CH - C - OH

OH
муравьиная кислота
молочная кислота
РАЦИОНАЛЬНАЯ номенклатура (р.н.): выбирается некоторая основа (чаще всего
первый представитель класса), затем называются радикалы, находящиеся вокруг основы. В названии в начале перечисляются все радикалы, а потом – основа.
O

H3C - CH2 - C - OH
H3C - CH2 - CH2 - CH3
метилуксусная кислота
метилэтилэтан
6
МЕЖДУНАРОДНАЯ номенклатура (м.н.): выбирается самая длинная углеродная
цепь, содержащая максимальное количество функциональных групп. Номеруется с
того конца, к которому ближе расположена старшая функциональная группа, затем
называются радикалы с указанием номера их расположения, потом называется углеродная цепочка по количеству атомов углерода и добавляется окончание, соответствующее наличию функциональной группы или классовой принадлежности.
Механизмы реакций в органической химии
Органические реакции можно подразделить на четыре основных типа:
1) замещение;
2) присоединение;
3) отщепление (элиминирование);
4) перегруппировка.
Иногда сложная суммарная реакция может включать несколько типовых реакций,
однако отдельные стадии суммарной реакции всегда можно отнести к одному из
перечисленных типов.
Как правило, основное органическое вещество, участвующее реакции, называют
«субстратом», тогда другой компонент реакции обычно условно рассматривают как
«реагент».
Распределение электронной плотности в реагирующей молекуле часто определяет тип
реагента, с которым основное органическое вещество (субстрат) будет реагировать.
Так, в бромистом этиле углеродный атом, связанный с атомом брома и имеющий низкую электронную плотность, будет легко подвергаться атаке частицами, несущими
отрицательный заряд (NС-, НО-), или молекулами, в которых имеются центры с высокой электронной плотностью (:NН3, :NR3):
δ+ δСН3 - СН2→Вr + ОН- → СН3 - СН2 - ОН + ВrСубстрат
нуклеофил
В этом случае реагент называют нуклеофильным реагентом или нуклеофилом, а реакция называется нуклеофильной реакцией.
Напротив, реагент с электронным дефицитом (чистый катион Н+, +NО2, С6Н5N2+) или
молекула, имеющая центр с низкой электронной плотностью - SО3 и ВF3) будет реагировать с субстратом, в котором имеются центры с высокой электронной плотностью/
Реагент такого типа называется электрофильным реагентом или электрофилом, а
реакция называется электрофильной реакцией.
И электрофильные, и нуклеофильные реакции называются гетеролитическими реакциями.
Существуют реакции, в которых реагент является радикальной частицей, несущей неспаренный электрон. Такие реакции называются радикальными или гомолитическими реакциями.
7
Источники органических соединений
1.
Важнейшим источником органических соединений является нефть. Она
представляет собой смесь органических веществ, главным образом углеводородов различных классов. Так, например алканами наиболее богаты грозненская,
дрогобычская, румынская пенсильванская (США) нефти и некоторые виды мексиканской нефти; алициклические углеводороды в значительных количества:
встречаются в бакинской, эмбинской и калифорнийской нефти. Нефть, богатая
ароматическими углеводородами, встречается редко, особенно богаты ими
нефти с островов Борнео и Суматра, а в СНГ - пермская и майкопская.
Кроме углеводородов в нефти имеются небольшие количества соединений, содержащих кислород, серу, азот и др. Нефть некоторые месторождений содержит
значительные количества сернистых веществ (башкирская и техасская нефти)
или азотистых соединений (алжирская и калифорнийская нефти).
Продукты нефтепереработки все шире используются для получения органических соединений.
2.
Все виды каменного угля содержат помимо элементарного углерода много сложных органических соединений, содержащих С, Н, О, N и S. На коксохимических и газовых заводах при сухой перегонке каменного угля получают в
настоящее время примерно в 10 раз меньше органических веществ, чем из
нефти, однако большая часть ароматических соединений добывается из каменноугольного дегтя.
3.
Довольно много органических веществ содержится в торфе и в битуминозных или горючих сланцах.
4.
Огромное количество ценных органических материалов получают из основной части древесины - целлюлозы. Одни из материалов такого рода («определенные сорта бумаги, картона) получаются механической обработкой клетчатки, другие (искусственное волокно, спирт, порох, пластические массы) - с помощью ее химической переработки.
5.
Животное сырье хотя и в меньших количествах, но все же перерабатывается на аминокислоты, глицерин, карбоновые кислоты другие продукты.
Значение органической химии:
1.
Использование добавок в комбикорма, биологически активных добавок,
2.
Использование полимеров;
3.
Обработка почв путем применения пестицидов и гербицидов;
4.
Применение лекарственных препаратов в ветеринарии;
5.
Использование удобрений;
6.
Использование органических соединений для защиты кормов, растительного сырья от вредителей;
7.
Применение органических соединений в производстве продуктов сельского хозяйства: молока, мяса, шкур животных.
8