Chemia organiczna

Chemia organiczna - dziedzina chemii zajmująca się badaniem budowy, właściwości oraz reakcji związków chemicznych zawierających węgiel, a także opracowywaniem różnorodnych metod syntezy tych połączeń. Ponadto związki organiczne zawierać mogą atomy innych pierwiastków, takich jak wodór, tlen, azot, fosfor, krzem oraz siarka

Chemia organiczna i nieorganiczna

Termin chemia organiczna oznaczał pierwotnie dział chemii zajmujący się systematyką oraz badaniem własności związków organicznych, które, jak wierzono, nie mogą być otrzymane na drodze syntezy laboratoryjnej, a jedynie przez żywe organizmy.

Później okazało się jednak, że niemal wszystkie związki chemiczne produkowane przez organizmy żywe da się też sztucznie zsyntezować. Udało się następnie otrzymać wiele związków, które w naturze nie występują, ale których własności są zbliżone do tych produkowanych przez organizmy żywe.

Obecnie nauką, która zajmuje się badaniem związków chemicznych występujących w żywych organizmach oraz ich przemianami jest biochemia, która jest powiązana z chemią organiczną.

Z drugiej strony okazało się, że wszystkie związki organiczne zawierają węgiel czterowartościowy (pomijając dwutlenek węgla i cyjanki, będące zw. nieorganicznymi), stąd obecnie definicja chemii organicznej to chemia wszystkich tych związków węgla, którymi nie zajmowała się wcześniej tradycyjna chemia nieorganiczna

Historia chemii organicznej

Na początku XIX wieku powszechnie uważano, że związki chemiczne występujące w żywych organizmach są zbyt złożone, by można było je otrzymać na drodze syntezy chemicznej wychodzącej od prostych związków nieorganicznych.

Znaczące przyspieszenie rozwoju tej dyscypliny miało miejsce w czasie, gdy uświadomiono sobie, że związki organiczne mogą zostać otrzymane na drodze syntezy laboratoryjnej bez posługiwania się "siłą życiową". W 1816 Michel Eugène Chevreul prowadził badania nad składem mydła i właściwościami występujących tam soli kwasów tłuszczowych. Natomiast w 1828 Friedrich Wöhler przeprowadził syntezę mocznika, będącego składnikiem moczu z wykorzystaniem cyjanianu amonu NH₄OCN. Reakcja ta stanowiła punkt zwrotny w historii chemii organicznej i zapoczątkowała dalsze syntezy coraz bardziej skomplikowanych związków występujących w naturze.

Zaproponowana przez Kekulego struktura benzenu

Teoretyczne podstawy struktury związków organicznych zostały sformułowane niezależnie przez dwóch naukowców: Friedricha Augusta Kekulego oraz Archibalda Scotta Coupera w 1858. Badacze ci zasugerowali, że czterowiązalne atomy węgla zdolne są do formowania trójwymiarowej siatki (struktura diamentu) a dokładny wzór chemiczny danego związku może zostać wydedukowany na podstawie dokładnej analizy reakcji chemicznych, którym on podlega. Ponadto Kekule jest odkrywcą poprawnej struktury benzenu. Przed jego interpretacją, zakładającą istnienie aromatycznego pierścienia sześcioczłonowego istniało kilka innych proponowanych wzorów strukturalnych dla tego węglowodoru, z których każdy charakteryzował się poprawną stechiometrią.

Większa dostępność prostych węglowodorów i innych związków organicznych otrzymywanych z ropy naftowej gwałtownie przyśpieszyło rozwój syntezy organicznej. Jednym z pierwszych masowo produkowanych leków był kwas acetylosalicylowy. Salvarsan, będący zawierającym arsen związkiem stosowanym w leczeniu kiły.

Właściwości związków organicznych

Struktura cząsteczki metanu przedstawiona na rysunku pokazuje rozkład par elektronów pomiędzy jądrami atomowymi atomów węgla wodoru.

W przeważającej większości przypadków wiązania występujące w związkach organicznych są wiązaniami kowalencyjnymi. Ponieważ węgiel wykazuje zdolność do tworzenia stabilnych wiązań pomiędzy swoimi atomami (proces ten nazywany jest katenacją), możliwe jest powstawanie długich łańcuchów oraz pierścieni zbudowanych z atomów węgla. Ponadto możliwe jest formowanie się wiązań podwójnych oraz potrójnych, których obecność prowadzi do zwiększenia stopnia nienasycenia związku.

W odróżnieniu od związków nieorganicznych znaczna część związków organicznych w temperaturach powyżej 300 °C ulega topnieniu, sublimacji lub rozkładowi. Obojętne związki organiczne wykazują z reguły niską rozpuszczalność w wodzie, a dużo lepiej rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych. Rozpuszczalność danego związku w określonych rozpuszczalnikach zależy od występowania w cząsteczce tego związku różnych grup funkcyjnych, a także od budowy szkieletu węglowego.

.

Klasyfikacja związków organicznych

Nomenklatura

W przypadku prostych związków nieorganicznych charakterystyka związku może zostać dokonana przez podanie jego wzoru sumarycznego, zawierającego informacje o pierwiastkach występujących w związku oraz ich stechiometrii. Jednak zarówno nieorganiczne związki kompleksowe jak i substancje organiczne wymagają znajomości wzoru strukturalnego oddającego względne rozmieszczenie atomów w cząsteczce.

W chemii organicznej zwykle dokonuje się tego przez podanie wzoru strukturalnego. Z powodu znacznego stopnia złożoności cząsteczek organicznych konieczne było opracowanie uniwersalnej konwencji zapisu wzorów cząsteczek. Obecnie panuje tendencja do przedstawiania szkieletów węglowych pod postacią kresek, symbolami oznacza się jedynie atomy inne niż węgla i wodoru oraz grupy funkcyjne. W systemie tym każdy koniec linii oznacza ponadto grupę metylową. Zaistniała też potrzeba opracowania uniwersalnej nomenklatury, pozwalającej na nazwanie każdego hipotetycznego związku organicznego, niezależnie od stopnie skomplikowania jego cząsteczki. Historycznie pierwszym systemem nazewnictwa była Nomenklatura Genewska powstała w1892 roku

Węglowodory i grupy funkcyjne

Rodzina kwasów karboksylowych posiada grupę karboksylową (-COOH). Przedstawiony na rysunku Kwas octowy jest tylko przykładem.

Klasyfikacja związków organicznych zaczyna się od węglowodorów ponieważ są one najprostszymi związkami organicznymi. Inne związki organiczne charakteryzują się obecnością przynajmniej jednej grupy funkcyjnej. Klasa związków posiadająca daną grupę funkcyjną charakteryzuje się podobnymi właściwościami takimi jak: rozpuszczalność w wodzie i innych rozpuszczalnikach, kwasowość, reaktywność chemiczna, odporność na utlenianie itp.

Związki alifatyczne

W ogólności związek alifatyczny charakteryzuje się obecnością jedynie łańcuchów węglowych w swojej strukturze, a brakiem ugrupowań o charakterze pierścieni.

Węglowodory alifatyczne są podzielone na trzy grupy szeregów homologicznych (nasycenie):

• alkany, nie posiadają w swojej strukturze żadnych wiązań podwójnych ani potrójnych

• alkeny posiadają przynajmniej jedno wiązanie podwójne

• alkiny posiadają co najmniej jedno wiązanie potrójne

Zarówno alkeny jak i alkiny mogą posiadać kilka wiązań wielokrotnych, ponadto w jednej cząsteczce węglowodoru mogą znajdować się zarówno wiązanie podwójne jak i potrójne.

Związki alicykliczne i aromatyczne

Związki cykliczne dzielą się na związki acykliczne oraz związki aromatyczne, węglowodory aromatyczne nazywane są arenami i z uwagi na obecność zdelokalizowanej chmury elektronów π posiadają inne właściwości. Układ aromatyczny jest znacznie bardziej stabilny, niż wynikałoby to z obecności w nim określonej ilości wiązań podwójnych.

Podobnie jak w przypadku związków alifatycznych, alicykliczne pierścienie węglowe mogą być nasycone lub nienasycone. Węglowodory alicykliczne posiadające jedynie pojedyncze wiązania nazywane są cykloalkanami, których najprostszym przedstawicielem jest cyklopropan. Natomiast cykloalkeny i cykloalkiny posiadają odpowiednio wiązania podwójne i potrójne.

Węglowodory aromatyczne posiadają układ zdelokalizowanych wiązań podwójnych w obrębie pierścienia węglowego. Najprostszym związkiem aromatycznym jest benzen, którego sześcioczłonowy pierścień aromatyczny stanowi element wielu cząsteczek organicznych. Dla "klasycznych" związków cyklicznych kryterium aromatyczności jest występowanie 4n + 2 zdelokalizowanych elektronów π, gdzie n jest liczbą naturalną.

Zdelokalizowane elektrony π tworzą chmurę elektronową wewnątrz cząsteczki benzenu.

Związki posiadające tego rodzaju pierścienie nazywane są związkami heterocyklicznymi. Do prostych aromatycznych związków heterocyklicznych można zaliczyć piran, furan, tiofen oraz pirydynę natomiast piperydyna oraz tetrahydrofuran stanowią przykłady związków alicyklicznych. Pierścienie węglowe mogą się łączyć ze sobą, prowadząc do powstania związków policyklicznych

Polimery

Reprezentacja łańcucha poli(difluorofosfazanu) oparta na badaniach kryształu polimeru

Z punktu widzenia chemii organicznej najważniejszą cechą atomów węgla jest zdolność do katenacji, czyli tworzenia połączeń pomiędzy atomami tego samego pierwiastka. Ponadto bardzo wiele związków organicznych może w odpowiednich warunkach łączyć się ze sobą, tworząc ogromne makromolekuły o prostym lub rozgałęzionym łańcuchu. Proces formowania się łańcucha polimeru nazywany jest polimeryzacją, natomiast mianem monomeru określana jest najmniejsza powtarzalna jednostka występująca w łańcuchu polimeru

Do odgrywających największą rolę polimerów można zaliczyć polietylen, polipropylen, nylon, teflon, polistyren, polichlorek winylu oraz syntetyczne gumy i silikony.

Poprzez dobór odpowiednich warunków polimeryzacji można otrzymać polimery tego samego związku charakteryzujące się różną budową łańcucha. Najczęściej modyfikowane parametry to długość łańcucha, stopień rozgałęzienia oraz taktyczność. Jeżeli do syntezy zostanie wykorzystany jeden związek, to powstały polimer będzie homopolimerem. Jeżeli zostaną użyte dwa związki, to produktem będzie kopolimer.

Związki naturalne

Jak wspomniano wyżej trzy podstawowe klasy biopolimerów to białka, kwasy nukleinowe oraz polisacharydy. Do podstawowych typów związków małocząsteczkowych zalicza się:

• Aminokwasy stanowiące bloki budulcowe dla białek. Działają jako cząsteczki sygnałowe, stanowią intermediaty występujące w procesach metabolicznych lub biorą udział w procesach redoks.

• Cukry, pełniące głównie funkcje budulcowe, pod postacią takich polisacharydów jak celuloza i chityna oraz energetyczne.

• Lipidy będące zróżnicowaną grupą związków stanowiących materiał zapasowy.

• Izoprenoidy- grupę związków wywodzących się od wspólnego związku, fosforanu izopentylu. W organizmach zwierzęcych największą rolę spełniają cholesterol występujący w błonie komórkowej i jego pochodne odgrywające rolę hormonów.

Do istotnej dla ludzi grupy należą alkaloidy, często wykorzystywane w medycynie oraz do produkcji używek i narkotyków

Reakcje związków organicznych

Różnorodność reakcji chemicznych, jakim mogą podlegać związki organiczne, jest zależna od ilości grup funkcyjnych jakie one posiadają. Przykładowo alkany są znacznie mniej reaktywne niż związki zawierające grupę karbonylową. Z powodu różnorodnej struktury i obecności wielu grup funkcyjnych przebieg reakcji i stojący za tym mechanizm jest z reguły bardziej złożony niż w przypadku reakcji związków nieorganicznych.

Do wyjaśnienia mechanizmu należy rozważyć kilka głównych czynników:

• powinowactwo elektronowe

• siłę wiązań

• zawadę steryczną

• efekty stereoelektronowe

• wiązania wodorowe

• efekty rozpuszczalnikowe

Ponieważ reakcje organiczne mają złożony przebieg, to zwykle obok głównej reakcji zachodzi też jedna lub więcej reakcji ubocznych. W niektórych przypadkach zachodzenie tych reakcji może naprowadzić na trop mechanizmu danej reakcji, jednak w większości przypadków reakcje uboczne uznawane są za procesy szkodliwe, ponieważ obniżają one wydajność powstawania właściwego produktu.

Wyznaczanie struktury związków organicznych

Z reguły cząsteczki organiczne mają skomplikowaną budowę, której nie można wyznaczyć jedynie na podstawie wzoru sumarycznego danego związku. Mimo tego, posiadając znany wzór sumaryczny można, poprzez porównanie ilości atomów wodoru i węgla wyznaczyć sumaryczną ilość nienasyconych wiązań w cząsteczce. Opierając się o te informacje nie można jednak ustalić, czy są to wiązania podwójne czy potrójne, ani wyznaczyć ich położenia w cząsteczce. Ponadto im bardziej złożona jest substancja, która jest przedmiotem badań, tym większa jest liczba potencjalnych izomerów konstytucyjnych, a także stereoizomerów.

Związki organiczne często tworzą mieszaniny. Wykorzystując różne temperatury wrzenia składników mieszaniny oraz różnice w rozpuszczalności w różnych rozpuszczalnikach można przy użyciu prostych technik takich jak destylacja, ekstrakcja oraz krystalizacja, w łatwy sposób rozdzielić proste mieszaniny. Do rozdziału mieszanin związków o podobnych właściwościach fizykochemicznych należy wykorzystać bardziej skomplikowane metody, takie jak destylacja frakcyjna, chromatografia oraz techniki elektroforetyczne.

Po rozdziale mieszaniny można przystąpić do identyfikacji poszczególnych składników. W chwili obecnej istnieje wiele technik umożliwiających ustalenie struktury związku organicznego. Poniżej zostaną zaprezentowane metody o największym znaczeniu we współczesnej chemii organicznej.

• Krystalografia rentgenowska stanowi obecnie najdokładniejszą metodę wyznaczania struktury przestrzennej związków organicznych. Jedynym ograniczeniem w jej zastosowaniu jest konieczność otrzymania dobrze wykształconego kryształu badanego związku.

• Analiza elementarna to metoda badawcza, w której próbka związku jest precyzyjnie ważona, a następnie ulega spaleniu. Na podstawie analizy pozostałości po spaleniu można wyznaczyć jakie pierwiastki wchodzą w skład badanego związku oraz jakie są zależności stechiometryczne pomiędzy nimi.

• Spektrometria mas stanowi najdokładniejszą metodę wyznaczania mas związków chemicznych. Poprzez bardzo precyzyjne wyznaczenie masy cząsteczki oraz wykorzystanie dodatkowych informacji możliwych do uzyskania za pomocą tej techniki można wyznaczyć wzór sumaryczny badanego związku, a także uzyskać pewne informacje na temat jego struktury.

• Techniki spektroskopowe. Podstawową ideą spektroskopii jest wykorzystanie oddziaływań fal elektromagnetycznych z cząsteczkami związków chemicznych^:

• Spektroskopia NMR Pozwala ona na badanie mechanizmów reakcji chemicznych, wyznaczanie składu mieszanin, a także ustalanie budowy przestrzennej białek i kwasów nukleinowych.

• Spektroskopia w podczerwieni technika ta pozwala na wykrycie podstawowych grup funkcyjnych w cząsteczce, a także badanie wiązań wodorowych oraz ustalanie składu mieszanin organicznych.

• Spektroskopia Ramana, podobnie jak spektroskopia w podczerwieni, pozwala na wykrywanie grup funkcyjnych w związkach organicznych.

• Spektroskopia UV-VIS stosowana jest głównie do ustalania stężeń związków w roztworach, a także badań przejść elektronowych.

• Dichroizm kołowy to najczęściej stosowana obecnie metoda chiralooptyczna znajdująca zastosowanie w badaniach związków czynnych optycznie.

Syntetyczna chemia organiczna

Synteza oseltamiviru (Tamiflu) zaprojektowana przez E. J. Coreya. Cała synteza składa się z 11 osobnych reakcji.

Syntetyczna chemia organiczna, nazywana syntezą organiczną, stanowi naukę stosowaną zajmującą się projektowaniem i prowadzeniem syntez złożonych cząsteczek organicznych.

W większości przypadków zaprojektowanie efektywnej syntezy nowego związku chemicznego stanowi duży problem z uwagi na ogromną liczbę możliwych dróg prowadzących od substratów do cząsteczki docelowej. Nie zawsze możliwe jest ustalenie jednej optymalnej strategii syntezy, ponadto w wielu przypadkach nie można przewidzieć czy w danych warunkach określona reakcja będzie zachodziła z dobrą wydajnością. Mimo tego istnieje kilka zasadniczych reguł, którymi należy się kierować przy projektowaniu syntezy, takich jak redukcja ilości kroków syntetycznych poprzez prowadzenie równoległej syntezy kilku bloków syntetycznych. W wielu przypadkach, zwłaszcza przy prowadzeniu syntez totalnych, istnieje konieczność zmodyfikowania lub opracowania nowych procedur syntetycznych.

---