Organska kemija
Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Organska kemija je veja kemije, ki z znanstvenimi metodami preučuje zgradbo, lastnosti, sestavo, pripravo in reakcije ogljikovih spojin. Spojine lahko poleg ogljika vsebujejo tudi druge elemente, med katerimi so najbolj pogosti vodik, dušik, kisik, halogenii elementi, fosfor, silicij in žveplo,[1][2][3] medtem ko se elementarni ogljik in nekatere ogljikove spojine, na primer oksidi, karbonati in karbidi, prištevajo k anorganskim spojinam.
Naziv "organska" kemija je posledica napačnega sklepanja, da so organske spojine vezane izključno na nek življenjski proces. Organske molekule seveda lahko nastajajo tudi izven živih organizmov in ne samo to. Življenje je odvisno tudi od anorganske kemije. Mnogi encimi imajo vgrajene prehodne kovine, na primer železo in baker, kosti in zobje pa so zgrajeni delno iz organskih delno iz anorganskih spojin.
Posebno področje organske kemije je biokemija, ki se ukvarja pretežno z kemijo naravnih biomolekul, na primer proteinov, sladkorjev in nukleinskih kislin.
Spojine z večimi ogljikovimi atomi so zaradi svojih specifičnih lastnosti zelo raznolike in imajo izredno široko področje uporabe. Organske spojine so osnova hrane, zdravil, barvil, plastičnih mas itd. in, razen redkih izjem, osnova vseh življenjskih procesov.
Vsebina |
[uredi] Zgodovina
Na začetku 19. stoletja je med kemiki še vedno prevladovalo mnenje, da so spojine iz živih organizmov preveč zapletene, da bi se jih dalo sintetizirati iz neživih snovi in da je za njihovo sintezo potrebna "življenjska sila" oziroma vitalizem, ki je lastnost živih bitij. Spojine so zato imenovali "organske", svoje raziskovanje pa so preusmerili na anorganske spojine, ki so se jim zdele bolj obetavne.
Ko so spoznali, da se organske spojine lako obravnavaja podobno kot anorganske, je zanimanje za organsko kemijo začelo naraščati. Okrog leta 1816 je začel Michel-Eugène Chevreul preučevati mila, izdelana iz različnih vrst maščob in različnih alkalij. Izločil je nekaj različnih maščobnih kislin in iz njih z različnimi alkalijami izdelal milo. S tem je dokazal, da se lahko iz spojin, ki so organskega porekla, proizvedejo nove spojine brez "življenjske sile". Leta 1828 je Friedrich Wöhler iz amonijevega cianata (NH4OCN), ki je anorganska spojina, prvi sintetiziral ureo (karbamid), ki je ena od sestavin urina. Sinteza se po njem imenuje Wöhlerjeva sinteza. Čeprav je bil Wöhler takrat, pa tudi kasneje, oprezen pri trditvah, da je zrušil teorijo o "vitalni sili", velja njegova sinteza za prelomnico v razvoju organske kemije.
Naslednji velik korak v razvoju organske kemije je naredil William Henry Perkin, ki je leta 1856 med poskusi sintetiziranja kinina po naključju odkril prvo sintetsko organsko barvilo movein ali anilinski purpur. Barvilo se po njem imenuje tudi Perkinov purpur. Njegovo odkritje je prineslo velike finančne dobičke, kar je močno povečalo zanimanje za organsko kemijo.
Leta 1874 je Othmer Zeidler v laboratoriju sintetiziral insekticid DDT, vendar so njegove insekticidne lastnosti odkrili mnogo kasneje.
Ključna prelomnica v teoriji organske kemije je bila ideja o kemijski strukturi, ki sta jo neodvisno drug od drugega razvila Friedrich August Kekulé in Archibald Scott Couper leta 1858. Oba znanstvenika sta predvidevala, da se štirivalentni ogljikovi atomi lahko med seboj spajajo in tvorijo verige in obroče, podroben vzorec molekule in vezi med atomi pa se lahko ugotovi s strokovno interpretacijo kemijske reakcije.
Zgodovina organske kemije se je nadaljevala z odkritjem nafte in njeno frakcioniranje na posamezne komponente glede na njihova vrelišča. S pretvorbo različnih frakcij ali posameznih spojin v neke druge produkte se je začela razvijati petrokemijska industrija, ki zdaj masovno proizvaja sintetski gumij, organska lepila in plastične mase.
Farmacevtska industrija se je začela razvijati v zadnjem desetletju 19. stoletja, ko je tovarna Bayer začela proizvajati acetilsalicilno kislino, bolj znano kot aspirin. Prvo zdravilo, ki je nastalo s sistematičnim razvojem, je bil arsfenamin (salvarzan), ki se je uporabljal za zdravljenje sifilisa. Za njegovo odkritje je Paul Ehrlich s sodelavci sistematično sintetiziral in preskušal številne derivate takrat že znane in izredno strupene arzenove organske spojine atoxil (arsanilinska kislina) in iskal spojino z največjo učinkovitostjo in najmanjšo toksičnostjo.
Odkritja prvih organskih reakcij in njihove aplikacije so bila v glavnem naključna, v 20. stoletju pa je organska kemija že tako napredovala, da je omogočala sintezo izbrane spojine in celo načrtovanje molekul s specifičnimi lastnostmi, na primer zdravil.
Zaporedje kemijskih reakcij, ki daje zahtevani produkt, se imenuje totalna sinteza. Totalna sinteza zapletenih naravnih spojin se je začela z ureo in nadaljevala z glukozo in terpineolom (α,α,4-trimetillcikloheks-3-en-1-metanol). Totalno sintezo je prvi komercializiral Gustaf Komppa leta 1903 s sintezo kafre. S sintezo holesterola in njemu podobnih spojin se je odprla pot sintezam zelo zapletenih človeških hormonov in njihovih modificiranih derivatov.
Biokemija, ki v steklu in v živo preučuje kemijo živih organizmov, se je začela razvijati na začetku 20. stoletja in odprla popolnoma novo in zelo obsežno poglavje organske kemije.
[uredi] Klasifikacija organskih spojin
[uredi] Opis in poimenovanje
Klasifikacija spojine brez njenega popolnega opisa ni mogoča. V anorganski kemiji so opisi spojin precej enostavni. Sestavljeni so iz niza simbolov kemijskih elementov in števila njihovih atomov v molekuli. V organski kemiji takšen opis ni doVolj natančen, zato mu je treba dodati tudi relativno razporeditev atomov znotraj molekule.
Eden od načinov opisa molekule je risba njene strukture, ki se imenuje strukturna formula. Zaradi zapletenosti molekularnih struktur se je razvil poenostavljen sistem zapisa z lomljeno črto, ki je zelo enostaven in enoznačen. V tem sistemu pomenijo začetek in konec črte ter vsi prelomi in presečišča po en ogljikov atom. Vodikovi atomi se lahko pišejo ali pa tudi ne, ker so razvidni implicitno iz števila prostih ogljikovih valenc. Pomanjkljivost takšnega prikaza je, da ga je težko opisati z besedami, še večje težave pa so s tiskanjem.
S problemi, ki so povezani s poimenovanjem snovi, se ukvarja nomenklatura organskih spojin. Zaradi težav, ki jih povzroča izredno veliko število organskih spojin, so kemiki že zelo zgodaj spoznali, da je treba vzpostaviti mednarodno priznan sistem njihovega poimenovanja. Rezultat številnih mednarodnih srečanj na to temo je bila leta 1892 sprejeta Ženevska nomenklatura.
Ugotovili so tudi to, da se mora sistem stalno razvijati in prilagajati vedno večjemu številu vedno bolj zapletenih spojin. To nalogo opravlja Mednarodna zveza za čisto in uporabno kemijo (IUPAC), ki tesno sodeluje z Mednarodno zvezo za biokemijo in molekularno biologijo (IUBMB), s katero skupaj sprejemata priporočila s področja nomenklature.
IUPAC je leta 1951 predložil prva priporočila za poenostavitev sistema poimenovanja. Za ogljikovodike z aromatskim obročem (običajno benzenovim) in alifatsko verigo, ki tvori most med dvema nesosednjima ogljikovima atomoma na aromatskem obroču, je predlagala naziv ciklofan. Kasneje je priporočilo razširila tudi na druge ciklične strukture, vključno s heterocikličnimi spojinami.
Za vsakdanjo komunikacijo so natančna IUPACova imena spojin prveč zapletena, zato se namesto njih pogosto uporabljajo stara trivialna imena, na primer izopentan namesto 2-metilbutan in neopentan namesto 2,2-dimetilpropan.
Organske spojine se torej razvrščajo po njihovi osnovni molekularni zgradbi in po atomih elementov, ki so poleg ogljika vgrajeni v molekulo. V strukturnih formulah se vodikovi atomi praviloma ne pišejo. Njihovo število je zapisano implicitno, ker zasedajo vse proste ogljikove valence do skupnega števila štiri.
[uredi] Ogljikovodiki in funkcionalne skupine
Klasificiranje organskih spojin se običajno začne pri ogljikovodikih, spojinah, ki vsebujejo samo ogljik in vodik. Drugi elementi so vezani v tako imenovanih funkcionalnih skupinah, ki imajo odločilen vpliv na kemijske in fizikalne lastnosti spojine. Spojine z enakimi funkcionalnimi skupinami imajo podobne lastnosti, na primer topnost v vodi, kislost oziroma bazičnost, reaktivnost in obstojnost proti oksidaciji.
Nekatere funkcionalne skupine so tudi radikali, podobni tistim v anorganski kemiji. Definirani so kot polarne atomske skupine, ki v kemijski reakciji preidejo iz ene spojine v drugo ne da bi se pri tem spremenili.
Nekateri elementi, na primer O, S, N in halogeni, so lahko vezani tudi posamično, zato izraz funkcionalna skupina zanje morda ni najbolj primeren. Glede na to, da imajo odločilen vpliv na lastnosti ogljikovodikov, se kljub temu uvrščajo med funkcionalne skupine.
Skoraj vse funkcionalne skupine, ki se pojavljajo v alifatskih spojinah, najdemo tudi aromatskih in alicikličnih spojinah, če niso dehidrirane. Z dehidracijo namreč nastanejo nereaktivne kooptivne skupine.
Nomenklatura organskih spojin temelji na funkcionalnih skupinah, nekatera imena pa so kljub priporočilom izpeljana iz trivialnih imen. Razvrščanje spojin v podrazrede se zaplete, če ima spojina več kot eno funkcionalno skupino.
V organski kemiji prevladujeta dve glavni kategoriji spojin: alifatske spojine z odprtimi verigami in ciklične spojine z zaprtimi verigami. Spojine z odprtimi in zaprtimi verigami se običajno uvrščajo med ciklične spojine.
[uredi] Alifatske spojine
Alifatski ogljikovodiki so glede na stopnjo nasičenosti razdeljeni na tri skupine homolognih vrst: alkane ali parafine, ki imajo samo enojne vezi, alkene ali olefine, ki se glede na število dvojnih vezi delijo na alkene, diene, triene, poliene itd, in alkine, ki imajo vsaj eno trojno vez. Ostale alifatske spojine se klasificirajo po svojih funkcionalnih skupinah in po tem, ali so verige ravne ali razvejane. Stopnja razvejanosti lahko zelo vpliva na njihove lastnosti. Značilen primer različnih lastnosti sta oktan in izooktan (2,2,4-trimetilpentan), ki imata zelo različni oktanski števili.
[uredi] Aromatske in aliciklične spojine
Tudi ciklične spojine so lahko nasičene ali nenasičene. Najbolj stabilne so spojine s šestimi ogljikovimi atomi. Zelo pogoste so tudi spojine s petimi atomi, druge pa so bolj redke.
Ciklični ogljikovodiki de delijo na aliciklične ogljikovodike, ki so lahko nasičeni ali nenasičeni, vendar nimajo aromatskih lastnosti, in aromatske, ki se imenujejo tudi areni. Aliciklične spojine cikloalkani imajo same enojne vezi. Cikloalkeni in cikloalkini imajo vsaj eno dvojno oziroma trojno vez. Za nenasičene aliciklične spojine so značilni veliki obroči, imenovani makrocikli. Najpreprostejši cikloalkan je ciklopropan s tremi ogljikovimi atomi.
Aromatski ogljikovodiki vsebujejo konjugirane dvojne vezi. Njihov najenostavnejši predstavnik je benzen, ki ima šest ogljikovih atomov in tri konjugirane dvojne vezi. Njegovo strukturo je formuliral nemški kemik Friedrich August Kekulé, ki je prvi predvidel delokalizacijo elektronov in resonanco. Ciklične spojine spadajo med aromatske, če imajo 4n+2 delokaliziranih π-elektronov. n je naravno število. Posebno nestabilne (antiaromatske) so spojine s 4n konjugiranimi π-elektroni.
Lastnosti cikličnih ogljikovodikov se zelo spremenijo, če vsebujejo heteroatom. Če je heteroatom vezan na obroč, so eksociklične, če je vgrajen v obroč pa so endociklične oziroma heterocikične. Heterociklična aromata sta, na primer, priridin in furan, medtem ko sta piperidin in tetrahidrofuran aliciklična heterocikla. Heteroatomi v heterocikličnih molekulah so lahko kisik, žveplo ali dušik. Dušik je zlasti pogost v biokemijskih sistemih.
Obroči se lahko zlijejo z drugimi obroči. Če se zlijejo po robu, nastanejo policiklične spojine, kakršen je, na primer purin. Če se obroči zlijejo na vogalih, tako da ima en atom (praviloma ogljik) dve vezi na prvem in dve vezi na drugem obroču, nastanejo tako imenovane spiro spojine, ki igrajo pomembno vlogo v mnogih naravnih produktih.
[uredi] Polimeri
Nekatere organske mlekule, imenovane monomeri, se lahko vežejo med seboj in tvorijo verige, mreže ali prostorske strukture. Njihovo spajanje se imenuje polimerizacija, produkti pa polimeri. Če med polimerizacijo nastajajo kakšni stranski produkti, na primer voda, se reakcija imenuje polikondenzacija.
Polimeri se razvrščajo v sintetske ali industrijske[4] in naravne ali biopolimere. Prvi sintetski polimer je bil bakelit, ki ga je v letih 1907–1909 razvil belgijski kemik Leo Hendrik Baekeland. Po njegovem odkritju je začelo število polimerov hitro naraščati. Nam najbolj znani polimeri so polietilen (polieten), polipropilen (polipropen), nylon (poliamid), teflon (politetrafluoroetilen, PTFE), polistiren, poliestri, polivinilklorid (PVC), polimetilmetakrilat (perspex in plexiglas), poliizobutilen (sintetski gumij) in polibutadien (komponenta sintetskega gumija).
Fizikalne in kemijske lastnosti polimerov so zelo različne in odločilno vplivajo na njihovo uporabnost. Na njihove lastnosti vplivajo predvsem kemijska sestava in pogoji polimerizacije, ki določajo dolžino in razvejanost verige ter taktičnost.
Polimeri iz istovrstnega monomera so homopolimeri, polimeri iz dveh ali več monomerov pa so heteropolimeri ali kopolimeri. Zelo uporaben kopolimer je ABS (akrilonitril-butadien-stiren). S kombiniranjem monomerov in njihove množine lahko nastanejo produkti z želenimi lastnostmi, kot so gostota, trdota, trdnost, odpornost na obrabo, termična obstojnost, barva itd.
[uredi] Biomolekule
Živi organizmi proizvajajo množico zelo zapletenih multifunkcionalnih spojin, ki so pomembne za njihov obstoj. Nekatere biomolekule so biopolimeri z dolgimi verigami, med katere spadajo beljakovine, nukleinske kisline (DNA in RNA) ter polisaharidi (glikogen, škrob in celuloza). Druga velika skupina so enostavne spojine, na primer amino kisline, monosaharidi, nukleinske kisline in lipidi, ki so gradbeni elementi (monomeri) bolj zapletenih spojin. Tretja skupina so enostavne vmesne spojine (intermediati), ki v biokemiji živali sodelujejo v Krebsovem ciklu proizvodnje energije. Iz njih nastaja izopren, ki je najpogostejši živalski ogljikovodik. Iz živalskih izoprenov nastajajo pomembni steroidi, na primer holesterol, in steroidni hormoni, iz rastlinski izoprenov pa terpeni, terpenoidi in nekateri alkaloidi ter polizoprenoidi, ki so sestavni del lateksa.
[uredi] Male molekule
V farmakologiji in biokemiji so male molekule vse organske spojine, ki so biološko aktivne, vendar niso polimeri. V praksi to pomeni, da mednje spadajo spojine z molsko maso manjšo od 1000 g/mol.
[uredi] Fulereni
Fulereni so razred ogljikovih alotropov, katerih molekule so sestavljene izključno iz ogljikovih atomov. Fulereni imajo obliko kroglic, cevk (nanocevke) ali ploskev (grafen). Fulereni imajo podobno zgradbo kot grafit, zanimi pa so predvsem zaradi izrednih električnih lastnosti.
[uredi] Druge spojine
Organske spojine lahko poleg ogljika in vodika vsebujejo tudi druge elemente. Spojine s kisikom, dušikom in halogeni se običajno ne obravnavajo kot samostojni razredi spojin. Spojine z drugimi elementi se pogosto obravnavajo samostojno kot organožveplove, organokovinske, organofosforjeve in organosilicijeve spojine.
[uredi] Značilnosti organskih spojin
V organskih spojinah prevladuje zelo stabilna kovalentna vez, ki omogočajo tvorbo različnih verig in obročev. Organske spojine se razlikujejo od anorganskih spojin po tem, da imajo tališča, vrelišča in temperature razpada pod 300 °C. Organske spojine so slabše topne v vodi kot anorganske soli. Izjeme so nizkomolekularne polarne spojine, na primer alkoholi in karboksilne kisline, ki tvorijo vodikove vezi.
Organske spojine se dobro topne v čistih organskih topilih, na primer v etru ali etanolu, ali v zmesi topil, kakršne so petroletri in težki bencini. Topnost spojin je odvisna od vrste topila in funkcionalnih skupin. Obnašanje raztopin preučuje fizikalna kemija. Nekatere oganske spojine tudi kristalizirajo.
[uredi] Ugotavljanje zgradbe molekule
Organske spojine so sestavljene iz atomov ogljika in vodika in funkcionalnih skupin. Ogljik ima valenco 4, vodik 1, funkcionalne skupine pa praviloma 1. Iz števila ogljikovih in vodikovih atomov v molekuli se lahko izračuna stopnja nenasičenosti, se pravi število enojnih, dvojnih in trojnih vezi. Za ugotavljanje zgradbe enostavnih molekul je to na prvi pogled dovolj, v resnici pa ni tako, ker imajo tudi preproste molekule več izomerov. Organske spojine so pogosto zmesi večih izomerov, ki jih je zaradi zelo podobnih lastnost s preprostimi metodami (destilacija, kristalizacija in kromatografija) zelo težko ločiti. Za ugotavljanje zgradbe so zato potebne drugačne metode.
- Kristalografija je najbolj natančna metoda za ugotavljanje molekularne geometrije. Njena uporaba v organski kemiji je pogosto omejena, ker je pri mnogih spojinah težko dobiti dovolj velik kristal dovolj dobre kakovosti. Kristalografija se zelo obširno uporablja v biokemiji za ugotavljanje zgradbe proteinov in ugotavljanje zgradbe organokovinskih katalizatorjev.
- Elementarna analiza je destruktivna metoda za določanje elementarne sestave spojine. Elementarna analiza se pogosto navezuje na spektrometrijo.
- Infrardeča spektroskopija se najpogosteje uporablja za ugotavljanje prisotnosti ali odsotnosti določenih funkcionalnih skupin.
- Masna spektrometrija se uporablja za določanje molekulskih mas. Z masno spektrometrijo visoke razločljivosti se včasih lahko ugotovi tudi natančno formulo spojine. Metoda se pogosto uporablja namesto elementarne analize.
- Jedrska magnetna resonančna spektroskopija (JMR) identificira različna atomska jedra na osnovi njihove kemijske okolice. JMR spada med najpomembnejše spektroskopske tehnike v organski kemiji, ker pogosto dopušča popolno določitev atomskih povezav.
- Optična sučnost omogoča razločitev dveh optičnih izomerov kiralnih spojin na osnovi zasuka ravnine cirkularno polarizirane svetlobe. Če je specifični zasuk optičnega izomera znan, se lahko iz zasuka ravnine ugotovi razmerje med izomeroma v njuni zmesi.
- UV/VIS spektroskopija se uporablja za ugotavljanje stopnje konjugiranosti sistema. Metoda se je včasih uporabljala predvsem za karakteriziranje molekul, danes pa se bolj pogosto uporablja v kvantitativni analizi za ugotavljanje vsebnosti znane snovi v (praviloma tekočem) vzorcu.
[uredi] Organske reakcije
Organske reakcije so kemijske reakcije, v katerih so udeležene organske spojine.[5] Osnovne organske reakcije so adicije, eliminacije, substitucije, periciklične reakcije, prerazporeditve in redoks reakcije. Posebno področje reakcij so organske sinteze, s katerimi se ustvarjajo nove spojine, na primer zdravila, barvila in plastične mase.
Najstarejši organski reakciji sta zgorevanje organskih goriv in umiljenje maščob. Posebno znana reakcija je Wöhlerjeva sinteza sečnine (1828), ki velja za začetek sodobne organske kemije. Za odkritje specifičnih organskih reakcij je bilo podeljenih celo nekaj Nobelovih nagrad za kemijo: leta 1912 za Grignardovo reakcijo, leta 1950 za Diels-Alderjevo reakcijo, leta 1979 za Wittigovo reakcijo in leta 2005 za olefinsko metatezo.
Ogljikovodiki brez funkcionalnih skupin so omejeni na samo nekaj vrst reakcij, medtem ko je število reakcij spojin s funkcionalnimi skupinami mnogo večje. V splošno teorijo organskih reakcij je vključen temeljit študij lastnosti spojin, kot so elektronska afiniteta kjučnih atomov, jakost kemijskih vezi in sterične ovire. Te lastnosti lahko določajo relativno stabilnost kratko živečih reaktivnih vmesnih spojin, ki ponavadi neposredno določajo reakcijsko pot. Pri vsaki reakciji je traba upoštevati tudi njene termodinamske značilnosti, na primer spremembo proste entalpije, ki določa spontanost reakcije, in reakcijsko entalpijo, ki določa ali bo reakcija eksotermna ali endotermna. Neustrezni reakcijski pogoji lahko povzročijo tvorbo stranskih produktov, ki so lahko nezaželeni ali pa jih je težko ločiti od ciljnega produkta.
[uredi] Organske sinteze
Organske sinteze so posebna veja kemijskih sintez, ki se ukvarja z načrtovanjem, analiziranjem in sintezo organskih spojin. Organske molekule so praviloma mnogo bolj zapletene kot anorganske, zato se je njihova sinteza razvila v eno eno od najpomembnejših vej organske kemije. Organske sinteze so razdeljene na dve glavni področji: totalne sinteze in metodologijo.
Sinteze slonijo na večih strategijah. Ena od sodobnih strategij je retrosinteza, ki jo je razvil E.J. Corey. Po tej metodi se sinteza začne pri ciljni molekuli, katero se z znanimi reakcijami sistematično razgrajuje do znanih spojin. Te spojine, ki so potencialni prekurzorji, se razgrajujejo še naprej, dokler razgradnja ne pripeje do enostavnih, dostopnih in cenenih začetnih spojin. Retrosintezo se zatem zapiše v obratnem zaporedju, tako da iz nje nastane sinteza. Sinteza ima običajno obliko drevesa, ker tudi prekurzorji zahtevajo večstopenjsko sintezo.
[uredi] Reference
- ^ Robert T. Morrison, Robert N. Boyd in Robert K. Boyd, Organic Chemistry, 6. izdaja, Benjamin Cummings, 1992, ISBN 0-13-643669-2
- ^ John D. Roberts, Marjorie C. Caserio, Basic Principles of Organic Chemistry, W. A. Benjamin, Inc., 1964
- ^ Richard F. in Sally J. Daley, Organic Chemistry, Online organic chemistry textbook. http://www.ochem4free.info
- ^ "Industrial polymers, chemistry of." Encyclopædia Britannica. 2006
- ^ Strategic Applications of Named Reactions in Organic Synthesis Laszlo Kurti, Barbara Czako Academic Press (March 4, 2005) ISBN 0-12-429785-4
