Органическая химия

Разделы органической химии представляют собой самостоятельной области химической науки – стереохимия, химия элементоорганических соединений, высокомолекулярных соединений, природных соединений, электрохимический синтез и др.

Органическая химия тесно связана со смежными естественными науками: биологией, биохимией, медициной и др. Органические вещества играют важную роль в построении растительных и животных организмов (клетки, ткани, органы), органические реакции (химические и физико-химические превращения) лежат в основе процессов их жизнедеятельности.

Методами органической химии установлено строение нуклеиновых комитет, белков и других сложных природных соединений, раскрыты механизм и регуляция синтеза белков, разработан синтез многих полипептидов, в том числе ферментов, получены некоторые синтетические гены.

Многообразие соединений углерода обусловлено уникальной способностью его атомов соединяться прочными связями не только с атомами других элементов, но и друг с другом, образуя линейные и разветвленные цепи практически любой длины и циклы (замкнутые цепи) любого размера и топологии. Сочетание в одной молекуле углеродных цепей и (или) циклов, которые включают (или не включают) атомы других элементов (например, кислород, азот, сера, фосфор), связанных с атомами водорода (например, фтор, хлор), обеспечивает качественное и количественное разнообразие органических веществ.

Для соединений углерода характерна изомерия – явление существования соединений, одинаковых по составу и молекулярной массе, но различающихся последовательностью сцепления атомов или расположением их в пространстве и, вследствие этого, по химическим и физическим свойствам. Благодаря этим особенностям, количество изученных органических веществ приближается к 15 миллионам, что в десятки раз больше числа известных неорганических соединений.

Сравнительно небольшая часть органических соединений выделена из биологических источников, в основном они получены искусственно, путем органического синтеза. Создана лекарственные средства, витамины, красители, лаки, полимерные материалы (например, каучуки, пластмассы, искусственные волокна, пленки), жидкие кристаллы и другие материалы для электротехнической и электронной промышленности, топливо для двигателей внутреннего сгорания, ракетных двигателей, материалы для атомной промышленности, смазочные материалы для транспортных средств и металлообработки, взрывчатые вещества, химико-фотографические материалы, средства защиты сельскохозяйственных растений и другое; созданы материалы с заранее заданными свойствами.

Методы органической химии приобрели важное значение в области основного органического синтеза, изменили технологии ряда химических производств, привели к созданию новых видов продукции на основе химической переработки природных газов и некоторых узких фракций нефти. Отрицательные последствия органического синтеза – загрязнение среды обитания, появление болезней, связанных с попаданием в организм человека ксенобиотиков.

Термин «органическая химия» был введен шведским ученым Й.Берцелиусом в 1827 г., однако уже в глубокой древности были известны спиртовое и уксусно-кислое брожение, применялись природные красители.

В XVI в. начались исследования по использованию органических веществ в медицине (из растений выделены эфирные масла, путем сухой перегонки древесины получены уксусная кислота и метиловый спирт, разработан способ приготовления простого эфира и др.).

В 1823 г. немецкими химиками Ф.Вёлером и Ю.Либихом была открыта изомерия. Первый синтез органического вещества осуществил Вёлер. Им были получены щавелевая кислота и мочевина (1828).

В середине XIX в. количество синтетических органических веществ значительно возросло: были синтезированы уксусная кислота (Г.Кольбе), вещества типа жиров (П.Бертло), сахаристое вещество – метиленитан (А.М.Бутлеров).

В первой половине XIX в. получили развитие теоретические представления органической химии: создана теория радикалов, теория типов, установлено правило валентности, доказаны 4-валентность углерода и возможность соединения атомов углерода с образованием цепей.

В 1861 г. Бутлеров создал теорию химического строения органических соединений, ввел в органическую химию понятия о химической связи, порядке связей атомов в молекуле, взаимном влиянии атомов и др. Теория строения объяснила известные к тому времени случаи изомерии.

В 1864 г. Бутлеров предсказал возможность изомерии углеводородов и подтвердил это синтезом изобутана (1867). Были открыты явления оптической (Я.Вант-Гофф, Ж.А.Ле Бель) и геометрической (Й.Вислиценус) изомерии. Одно из положений теории строения – о взаимном влиянии атомов в молекуле – впоследствии было развито В.В.Марковниковым.

Природа связей и взаимное влияние атомов в бензоле (открыт М.Фарадеем, 1825) и других ароматических и непредельных соединениях были изучены в середине ХХ в. на основании квантово-механических представлений. Разработка количественного микроанализа (1920-е гг.), совершенствование и создание новых физических методов (хроматография, электронный парамагнитный резонанс, рентгеноструктурный анализ, масс-спектроскопия, ЯМР-, ИК-, УФ-спектроскопия и др.) позволили быстро и точно определять структуру органических веществ практически без применения химических методов. Методы квантовой механики дали возможность объяснить распределение электронной плотности в сопряженных системах, ее смещение под влиянием заместителей, причины двойственной реакционной способности органических соединений. Применение математического моделирования позволило проводить целенаправленный поиск веществ с заданными свойствами.

Со второй половины ХХ в. получают развитие кинетические методы исследования, происходит становление теории цепных реакций (Н.Н.Семёнов), теории кислотно-основного и гетерогенного катализа, на базе которых разрабатываются промышленные способы дегидрирования углеводородов (в том числе нефтяных, с получением олефинов, бензола и его гомологов), алкилирования парафинов олефинами и др.

Большое значение имели: получение метанола и предельных углеводородов восстановлением окиси углерода водородом, реакция Дильса-Альдера (см. Диеновый синтез), карбодиимидный синтез пептидов, методы определения последовательности аминокислот в белках, химия полимеров. Исследования фосфорорганических соединений (А.Е.Арбузов) привели к открытию физиологически активных соединений: лекарственных препаратов, отравляющих веществ, средств защиты растений, антипиренов и др. Самостоятельными разделами стали химия фтора и его соединений, химия переходных металлов, химия красителей, получили развитие новые области органической химии – супрамолекулярная химия, химия фуллеренов.

Органическая химия – область знания, в которой ученые Татарстана добились наиболее значительных достижений, признанных мировым химическим сообществом. Именно в Казанском университете в 1830-х гг. трудами Н.Н.Зинина по восстановлению ароматических нитросоединений (см. Зинина реакция) были заложены основы развития в России органической химии, фундаментом которой стала теория химического строения Бутлерова – одного из основателей Казанской химической школы.

Ученики Бутлерова В.В.Марковников, А.М.Зайцев, А.Н.Попов, Е.Е.Вагнер, С.Н.Реформатский продолжили исследования по дальнейшему развитию учения о строении органических соединений. Открыты Бутлерова реакция, Вагнера реакция, Зайцева-Вагнера реакция, Вагнера-Меервейна перегруппировка, Реформатского реакция; сформулированы Зайцева правило, Зайцева-Вагнера правило, Марковникова правило, Попова правило; синтезированы различные классы органических соединений; проведены фундаментальные исследования и получены результаты по оптической активности органических соединений (И.И.Канонников). Основаны научные направления по химии терпенов (Ф.М.Флавицкий, А.Е.Арбузов, Б.А.Арбузов), фосфорорганических соединений (А.Е.Арбузов), мышьякорганических соединений (Г.Х.Камай).

В ХХ в. преобладали исследования по химии фосфорорганических соединений – открыты Арбузова реакция, Абрамова реакция, Пудовика реакция, Камая реакция. Синтезированы лекарственные фосфорорганические соединения.

Определяющее значение для развития органической химии имело создание Б.А.Арбузовым совместно с казанскими физиками (Б.М.Козырев, Ю.Ю.Самитов, Р.Р.Шагидуллин и др.) комплекса физических методов исследования в химии. Изучены стереохимия циклических соединений кислорода, серы, фосфора, мышьяка и других элементов, конформационные особенности органических молекул (см. Конформационный анализ). Получили развитие исследования по химии мышьяка, сурьмы, серы, селена, бора, фтора; химии металлоорганических соединений и органических комплексов металлов, химии терпенов и других природных соединений, химии диенов, диеновому синтезу, химии азотистых гетероциклов, химии гидразонов, химии нитросоединений, технической химии, физической органической химии, электрохимическому синтезу.

Исследование химической кинетики (см. Кинетика химическая), изучение теоретических и прикладных аспектов катализа способствовали развитию основного органического и нефтехимического синтеза, совершенствованию технологий производств, созданию новых видов продукции (см. Нефтехимия).

С середины 1990-х гг. получили развитие новые для органической химии области науки: супрамолекулярная химия (А.И.Коновалов, И.С.Антипин) и химия фуллеренов (О.Г.Синяшин, И.А.Нуретдинов, В.И.Коваленко).

Исследования по органической химии проводятся в Казанском федеральном университете, институте органической и физической химии Казанского научного центра Российской академии наук, Казанском технологическом университете, Казанском научно-исследовательском институте химических продуктов, Казанском химическом научно-исследовательском институте, Казанском институте фотоматериалов, Управлении научных исследовательских и опытных работ акционерного общества «Нижнекамскнефтехим», Всероссийском научно-исследовательском ветеринарном институте (Казань), Казанском архитектурно-строительном университете, Казанском медицинском университете и других вузах и отраслевых научно-исследовательских институтах республики.

Общая органическая химия: В 12 томах. Москва, 1981–1989.

Коновалов А.И., Чмутова Г.А. Казанская химическая школа: История и современность // Российский химический журнал. 1999. Том 43, № 3/4.

Смит В., Бочков А., Кейпл Р. Органический синтез: Наука и искусство. Москва, 2001.

Коновалов А.И. Казанская школа химиков-органиков // Известия Российской академии наук. Серя химия. 2004. № 1.

Будников Г. Казань, Сорокина Т.Д. История и методология химии в Казанском университете. Казань, 2006.

Автор – Я.А.Левин.