Органічні сполуки. Класи органічних сполук

Всі речовини, які містять вуглецевий атом, крім карбонатів, карбідів, ціанідів, тиоционатов та вугільної кислоти, являють собою органічні сполуки. Це значить, що вони здатні створюватися живими організмами з атомів вуглецю допомогою ферментативних або інших реакцій. На сьогоднішній день багато органічні речовини можна синтезувати штучно, що дозволяє розвивати медицину і фармакології, а також створювати високоякісні полімерні та композитні матеріали.

Класифікація органічних сполук

Органічні сполуки є самим численним класом речовин. Тут є 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, алкини, алкени, алкадиени, циклоалкани, ароматичні вуглеводні) ;

альдегіди;

кетони;

спирти (двохатомні, одноатомні, багатоатомні);

прості ефіри;

складні ефіри;

карбонові кислоти;

аміни;

амінокислоти;

вуглеводи;

жири;

білки;

біополімери і синтетичні полімери.

Дана 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, не враховує особливостей хімічних взаємодій, виглядає по-іншому. Відповідно її положень, органічні сполуки поділяються 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. Бутлеровим. Також теорія будови органічних сполук є керівною основою при проведенні всіх досліджень в органічній хімії. Її ставлять на один рівень з менделеевским Періодичним законом.

Теорія будови органічних сполук

Саме поняття про хімічному 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 сполуки, які при однаковому складі виявляли різні властивості.




Затвердження А. М. Бутлерова багато в чому направили розвиток хімії в потрібне русло і створили для неї надміцний фундамент. За допомогою неї вдалося систематизувати накопичені факти, а саме, хімічні або фізичні властивості деяких речовин, закономірності вступу їх у реакції та інше. Навіть передбачення шляхів отримання сполук і наявність деяких загальних властивостей стало можливим завдяки цій 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 молекули, то теорія органічних сполук стала революційним 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 молекулярне будова можна розпізнати досвідченим шляхом за допомогою хімічних реакцій. Наприклад, склад будь-якого вуглеводу можна з'ясувати за допомогою спалювання його певної кількості і підрахунку утворилася води і вуглекислого газу. Кількість азоту в молекулі аміну підраховується також при спалюванні шляхом вимірювання об'єму газів та виділення хімічного кількості молекулярного азоту. Якщо розглядати судження Бутлерова про хімічному будову, що залежить від структури, у зворотному напрямку, то напрошується новий висновок. А саме: знаючи хімічна будова і склад речовини, можна емпірично припустити його властивості. Але найголовніше - Бутлеров пояснив, що в органіці зустрічається величезна кількість речовин, які виявляють 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:

у молекулах органічних речовин атоми з'єднані між собою в строго певній послідовності, яка залежить від валентності;

хімічна будова - це безпосередній порядок, згідно з яким з'єднані атоми в органічних молекулах;

хімічна будова обумовлює наявність властивостей органічної сполуки;

в залежності від будови молекул з однаковим кількісним складом можлива поява різних властивостей речовини;

всі атомні групи, що беруть участь в утворенні хімічної сполуки, що мають взаємний вплив один на одного.

Всі класи органічних сполук побудовані відповідно до принципів даної теорії. Заклавши основи, Бутлеров А. М. зміг розширити хімію як галузь науки. Він пояснив, що завдяки тому, що в органічних речовинах вуглець виявляє валентність дорівнює чотирьом, обумовлює різноманіття дані сполук. Наявність безлічі активних атомних груп визначає належність речовини до певного класу. І саме за рахунок наявності специфічних атомних груп (радикалів) з'являються фізичні та 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, алкадієнів і алкатриенов, алкіной (неграничних вуглеводнів), а також підкласом ароматичних речовин. В алканах всі атоми вуглецю з'єднані тільки одинарної З-Із зв'язком, з-за чого до складу вуглеводню вже не може бути вбудований жоден атом Н. У неграничних вуглеводнів водень може вбудовуватися за місцем наявності подвійного С=С зв'язку. Також С-С зв'язок може бути потрійний (алкини). 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. Найбільш типовим прикладом є синтез етанолу з глюкози в результаті бродіння. У промисловості отримують спирти 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 двоатомних 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 спиртовий (гідроксильної групи, замикається подвійний звязок між киснем і вуглецем. Якщо дана реакція проходить за спиртової групи, розташованої у кінцевого вуглецевого атома, то в результаті утворюється альдегід. Якщо вуглецевий атом зі спиртової розташований не на кінці вуглецевого ланцюга, то результатом реакції дегідратації є отримання кетону. Загальна формула кетонів R-CO-R, альдегідів R-COH (R - вуглеводневий радикал ланцюга).

Етери (прості і складні)

Хімічну будову органічних сполук даного класу ускладнене. Прості ефіри розглядаються як продукти реакції між двома молекулами спиртів. При отщеплении води від них утворюється з'єднання зразка R-O-R. Механізм реакції: відщеплення протона водню від одного спирту і гідроксильної групи від іншої спирту. Складні ефіри - продукти реакції між спиртом і органічної карбоновою кислотою. Механізм реакції: відщеплення води від спиртової та карбонової групи обох молекул. Водень відщеплюється від кислоти (за гідроксильної групи), а сама ВОНА-група відокремлюється від спирту. Отримане з'єднання зображується як R-CO-O-R, де букової R позначені радикали - інші ділянки вуглецевого ланцюга.

Карбонові кислоти та аміни

Карбоновими кислотами називаються особливі речовини, які відіграють важливу роль у функціонуванні клітини. Хімічну будову органічних сполук таке: вуглеводневий радикал (R) з приєднаною до нього карбоксильної групи (-СООН). Карбоксильна група може розташовуватися тільки у крайнього атома вуглецю, тому як валентність З групи (-СООН) дорівнює 4. Аміни - це більш прості сполуки, які є похідними вуглеводнів. Тут у кожного атома вуглецю розташовується амінні 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 третинних амінів азот з'єднаний з трьома вуглецевими атомами (R3N), де р - радикал, вуглецева ланцюг.

Амінокислоти

Амінокислоти - комплексні сполуки, які проявляють властивості амінів, і кислот органічного походження. Існує декілька їх видів в залежності від розташування аминной групи відносно карбоксильної. Найбільш важливі альфа-амінокислоти. Тут аминная група розташована у атома вуглецю, до якого приєднана карбоксильна. Це дозволяє створювати пептидний зв'язок і синтезувати білки.

Вуглеводи і жири

Вуглеводи є альдегидоспиртами або кетоспиртами. Це з'єднання з лінійною або циклічною структурою, а також полімери (крохмаль, целюлоза та 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.