Związki organiczne. Klasy związków organicznych

Wszystkie substancje, które zawierają atom węgla, oprócz węglanów, węglików, cyjanków, tiocyjanianów i kwas węglowy są związkami organicznymi. Oznacza to, że są one zdolne do wytworzenia przez żywe organizmy z atomów węgla przez reakcje enzymatyczne lub inne. Dzisiaj wielu materia organiczna Można sztucznie syntetyzować, co pozwala na rozwój medycyny i farmakologii, a także tworzenie wysokowytrzymałych materiałów polimerowych i kompozytowych.

Klasyfikacja związków organicznych

Związki organiczne są najliczniejszą klasą substancji. Istnieje około 20 rodzajów substancji. Różnią się one właściwościami chemicznymi, różnymi właściwościami fizycznymi. Ich temperatura topnienia, masa, lotność i rozpuszczalność, jak również stan skupienia w normalnych warunkach są również różne. Wśród nich są:

• węglowodory (alkany, alkiny, alkeny, alkadieny, cykloalkany, węglowodory aromatyczne) ;
• aldehydy;
• ketony;
• alkohole (dwuatomowe, jednowodorotlenowe, wielowodorotlenowe);
• etery;
• estry;
• kwasy karboksylowe;
• aminy;
• aminokwasy;
• węglowodany;
• tłuszcze;
• wiewiórki;
• biopolimery i syntetyczne polimery.

Klasyfikacja ta odzwierciedla charakterystykę struktury chemicznej i obecność określonych grup atomowych, które określają różnicę w właściwościach substancji. Ogólnie rzecz biorąc, klasyfikacja oparta na konfiguracji szkieletu węglowego, która nie bierze pod uwagę osobliwości interakcji chemicznych, wygląda inaczej. Zgodnie z jej postanowieniami związki organiczne dzieli się na:

• związki alifatyczne;
• substancje aromatyczne;
• substancje heterocykliczne.

Dane klasy związków organicznych mogą mieć izomery w różnych grupach substancji. Właściwości izomerów są różne, chociaż ich skład atomowy może być taki sam. Wynika to z przepisów ustanowionych przez A. M. Butlerova. Również teoria struktury związków organicznych jest podstawą do prowadzenia wszystkich badań w chemii organicznej. Jest umieszczony na tym samym poziomie, co prawo okresowe Mendelejewa.

Teoria struktury związków organicznych

Pojęcie struktury chemicznej wprowadził A. M. Butlerov. Pojawił się w historii chemii 19 września 1861 roku. Wcześniej były różne opinie w nauce, a niektórzy naukowcy całkowicie zaprzeczyli obecności cząsteczek i atomów. Dlatego w chemii organicznej i nieorganicznej nie było porządku. Co więcej, nie istniały przepisy, dzięki którym można było ocenić właściwości konkretnych substancji. Istniały również związki, które o tym samym składzie wykazywały różne właściwości.

Wypowiedzi A. M. Butlerova w dużej mierze kierowały rozwojem chemii we właściwym kierunku i stworzyły najsilniejszą podstawę. Za jego pośrednictwem można było usystematyzować zgromadzone fakty, a mianowicie chemiczne lub fizyczne właściwości niektórych substancji, wzorce ich wejścia w reakcje i tak dalej. Już ta teoria umożliwiła przewidywanie sposobów uzyskiwania związków i obecności niektórych wspólnych właściwości. A co najważniejsze, A. M. Butlerow wykazał, że strukturę cząsteczki substancji można wytłumaczyć w kategoriach interakcji elektrycznych.

Logika teorii struktury substancji organicznych

Odkąd do 1861 r. W chemii wielu odrzucało istnienie atomu lub cząsteczki, teoria związków organicznych stała się rewolucyjną propozycją dla świata nauki. A ponieważ sam A. Butlerow pochodzi tylko z materialistycznych wniosków, udało mu się obalić filozoficzne idee dotyczące materii organicznej.

Udało mu się pokazać, że struktura molekularna może być rozpoznana empirycznie poprzez reakcje chemiczne. Na przykład, skład każdego węglowodanu można ustalić poprzez spalenie pewnej jego ilości i zliczenie wytworzonej wody i dwutlenku węgla. Ilość azotu w cząsteczce aminy oblicza się również przez spalanie przez pomiar objętości gazów i uwalnianie chemicznej ilości cząsteczkowego azotu.

Jeśli weźmiemy pod uwagę osądy Butlerowa o strukturze chemicznej, która zależy od struktury, w przeciwnym kierunku, to sugeruje się nowy wniosek. Mianowicie: znając strukturę chemiczną i skład substancji, można empirycznie założyć jej właściwości. Ale co najważniejsze, Butlerow wyjaśnił, że w materii organicznej jest ogromna ilość substancji o różnych właściwościach, ale o tym samym składzie.

Ogólne przepisy teorii

Rozpatrując i badając związki organiczne, Butlerov A.M. wyprowadził niektóre z najważniejszych prawidłowości. Połączył je w teorie teorii wyjaśniającej strukturę chemikaliów pochodzenia organicznego. Przepisy tej teorii są następujące:

• w cząsteczkach organicznych atomy są ze sobą połączone w ściśle określonej kolejności, która zależy od wartościowości;
• struktura chemiczna jest bezpośrednim uporządkowaniem atomów w cząsteczkach organicznych;
• struktura chemiczna determinuje obecność właściwości związku organicznego;
• W zależności od struktury cząsteczek o tym samym składzie ilościowym mogą pojawić się różne właściwości substancji;
• Wszystkie grupy atomowe zaangażowane w tworzenie związku chemicznego mają wzajemny wpływ na siebie nawzajem.

Wszystkie klasy związków organicznych zbudowane są zgodnie z zasadami tej teorii. Położył fundamenty, Butlerov A.M. był w stanie rozwinąć chemię jako dziedzinę nauki. Wyjaśnił, że ze względu na to, że w substancjach organicznych węgiel wykazuje wartościowość równą cztery, to powoduje się różnorodność tych związków. Obecność zestawu aktywnych grup atomowych decyduje o przynależności substancji do określonej klasy. I właśnie ze względu na obecność określonych grup atomowych (rodników) pojawiają się właściwości fizyczne i chemiczne.

Węglowodory i ich pochodne

Te organiczne związki węgla i wodoru są najprostszym składem spośród wszystkich substancji z grupy. Są one reprezentowane przez podklasę alkanów i cykloalkanów (nasycone węglowodory), alkeny, alkadieny i alkateny, alkiny (węglowodory nienasycone), jak również podklasę substancji aromatycznych. W alkanach wszystkie atomy węgla są połączone tylko pojedynczym wiązaniem C-C, dzięki czemu żaden pojedynczy atom H nie może być włączony do kompozycji węglowodorowej.

W nienasyconych węglowodorach wodór może być zatopiony w miejscu obecności podwójnego wiązania C = C. Ponadto wiązanie C-C może być potrójne (alkin). Pozwala to tym substancjom wchodzić w wiele reakcji związanych z redukcją lub dodawaniem rodników. Wszystkie pozostałe substancje dla wygody badania ich zdolności do reakcji są uważane za pochodne jednej z klas węglowodorów.

Alkohole

Alkohole są nazywane bardziej złożonymi chemikaliami organicznymi niż węglowodory. Są syntetyzowane w wyniku przepływu reakcji enzymatycznych w żywych komórkach. Najbardziej typowym przykładem jest synteza etanolu z glukozy w drodze fermentacji.

W przemyśle alkohole otrzymuje się z chlorowcopochodnych węglowodorów. W wyniku zastąpienia atomu halogenu grupą hydroksylową tworzą się alkohole. Alkohole jednowodorotlenowe zawierają tylko jedną grupę hydroksylową, wielowodorotlenową - dwie lub więcej. Przykładem dwuwodorotlenowego alkoholu jest glikol etylenowy. Wielowodorotlenowy alkohol to gliceryna. Ogólna formuła alkoholi to R-OH (R oznacza łańcuch węglowy).

Aldehydy i ketony

Po przejściu alkoholi do reakcji związków organicznych związanych z usuwaniem wodoru z grupy alkoholowej (hydroksylowej), podwójne wiązanie pomiędzy tlenem i węglem zamyka się. Jeśli ta reakcja przejdzie przez grupę alkoholową znajdującą się przy końcowym atomie węgla, wówczas powstaje z niej aldehyd. Jeśli atom węgla z alkoholem nie znajduje się na końcu łańcucha węglowego, wynikiem reakcji odwodnienia jest wytworzenie ketonu. Ogólny wzór ketonów to R-CO-R, aldehyd R-COH (R jest węglowodorowym rodnikiem tego łańcucha).

Etery (proste i złożone)

Struktura chemiczna związków organicznych tej klasy jest skomplikowana. Etery uważane za produkty reakcji między dwiema cząsteczkami alkoholi. Po usunięciu z nich wody powstaje związek z próbki ROR. Mechanizm reakcji: usunięcie protonu wodoru z jednego alkoholu i grupy hydroksylowej z innego alkoholu.

Estry są produktami reakcji między alkoholem i organicznym kwasem karboksylowym. Mechanizm reakcji: eliminacja wody z grup alkoholowych i karboksylowych obu cząsteczek. Wodór jest odcinany od kwasu (przez grupę hydroksylową), a sama grupa OH jest oddzielana od alkoholu. Otrzymany związek przedstawiono jako R-CO-OR, gdzie buk R jest znakowany przez rodniki - pozostałe części łańcucha węglowego.

Kwasy karboksylowe i aminy

Kwasy karboksylowe są specjalnymi substancjami, które odgrywają ważną rolę w funkcjonowaniu komórki. Struktura chemiczna związków organicznych to: rodnik węglowodorowy (R) z przyłączoną do niego grupą karboksylową (-COOH). Grupa karboksylowa może znajdować się tylko przy najwyższym atomie węgla, ponieważ wartość C w grupie (-COOH) wynosi 4.

Aminy są prostszymi związkami, które pochodzą z węglowodorów. Tutaj, przy dowolnym atomie węgla, znajduje się rodnik aminowy (-NH2). Istnieją pierwszorzędowe aminy, w których grupa (-NH2) jest przyłączona do jednego węgla (ogólny wzór to R-NH2). W aminach drugorzędowych azot łączy się z dwoma atomami węgla (wzór: R-NH-R). W trzeciorzędowych aminach azot jest przyłączony do trzech atomów węgla (R3N), gdzie p oznacza rodnik, łańcuch węglowy.

Aminokwasy

Aminokwasy to złożone związki, które wykazują właściwości amin i kwasów pochodzenia organicznego. Istnieje kilka ich rodzajów, w zależności od lokalizacji grupy aminowej w stosunku do grupy karboksylowej. Najważniejsze alfa-aminokwasy. Tutaj grupa aminowa znajduje się przy atomie węgla, do którego przyłączony jest karboksyl. Pozwala to na tworzenie wiązania peptydowego i syntezę białek.

Węglowodany i tłuszcze

Węglowodany to aldehydowe alkohole lub ketospirity. Są to związki o liniowej lub cyklicznej strukturze, a także polimery (skrobia, celuloza itp.). Ich najważniejsza rola w komórce jest strukturalna i energetyczna. Tłuszcze, a raczej lipidy, pełnią tę samą funkcję, uczestnicząc tylko w innych procesach biochemicznych. Pod względem budowy chemicznej tłuszcz jest estrem kwasów organicznych i gliceryny.