Основні історичні періоди розвитку органічої хімії

Органічні речовини здавна були відомі людині, широко використовувались нею. У XVII і XVIII століттях з об'єктів рослинного і тваринного походження було виділено десятки індивідуальних хімічних сполук, таких як яблучна, винна, лимонна, галова, молочна, щавлева кислоти (К. Шеєле), сечовина тощо. Їх властивості сильно відрізнялися від властивостей мінеральних (неорганічних) речовин, і тому аж до першої чверті XIX століття хіміки вважали, що живі організми створюють органічні речовини за допомогою " Spiritus vitae", особливої " життєвої" сили (віталістична теорія).

Виділення окремих періодів в історії науки завжди вельми умовно. Як правило, початок кожного нового періоду пов'язують з моментами принципових змін в понятійному апараті науки, це завжди супроводжується перебудовою структури науки, зміною пріоритетів наукових досліджень, виникненням нових сфер застосування одержуваних знань. У наше завдання не входить докладний виклад історії органічної хімії, ми лише коротко охарактеризуємо основні періоди цього розвитку, починаючи відлік часу з моменту виділення органічної хімії в самостійну наукову дисципліну (кінець XVIII століття). Ми простежимо, як змінювалися методичний арсенал, головні напрямки і об'єкти досліджень, стан наукової теорії, характер міждисциплінарних зв'язків та області застосування хімічних знань. Ми будемо називати періоди відповідно домінуючих напрямків досліджень в кожному з них.

1. 1. Аналітичний період

(кінець XVIII століття - 60-ті роки XIX століття).

Завдяки швидкому вдосконаленню методів виділення і очищення індивідуальних сполук (екстракція, кристалізація, перегонка, сублімація), з природних джерел в цей період було виділено десятки нових індивідуальних органічних речовин –сечовина, маніт, аспарагін, нікотин, глюкоза, хінін, хлорофіл, фенол, бензол, пірол, хінолін, анілін, тирозин, карбонові кислоти та багато інших. У міру того, як вивчалися їх властивості, хіміки навчилися перетворювати ці речовини на інші сполуки. Це наводило на думку, що віталістична теорія невірна. Вирішальний удар завдали по ній дві роботи Фрідріха Велера. З неорганічних речовин він отримав дві добре відомих органічних речовини – щавлеву кислоту гідролізом диціану (1824 р., рівняння 1) і сечовину – перегрупуванням ізоціаната амонію (1829 р., рівняння 2):

Слідом за цим зусиллями багатьох хіміків в лабораторіях за короткий час були синтезовані з неорганічних попередників й інші органічні речовини різних класів – насичені вуглеводні і їх галогенопохідні, спирти, аміни, альдегіди, карбонові кислоти, естери, хлорангідриди та інші речовини. Ряд молекул при цьому було синтезовано з елементів. Найбільш важливим напрямком у розвитку органічної хімії цього періоду було визначення якісного і кількісного складу органічних сполук. В його основу було покладено створений Антуаном Лораном Лавуазьє наприкінці в кінці XVIII століття методу кількісного елементного аналізу органічних речовин. Дані про елементний склад і взаємні перетворення органічних сполук стали послужили основою для створення перших теорій будови органічних сполук.

Перші теорії, запропоновані Юстусом Лібіхом та Адольфом Кольбе, значною мірою були інтуїтивними і умоглядними.

1. 2. Період становлення і розвитку класичної структурної теорії

Важливим етапом стала розробка теорії валентності А. Купером і Ф. Кекуле в 1857 р, а також теорії хімічної будови О.М. Бутлеровим в 1861 р. В основу цих теорій були покладені чотиривалентність Карбону і його здатність до утворення ланцюгів. У першому томі своєї праці з органічної хімії, що вийшов в 1859 році Кекуле вперше вводить близьке до сучасного визначення поняття «органічна хімія - це хімія сполук Карбону».

У доповіді Олександра Михайловича Бутлерова на з'їзді німецьких натуралістів у вересні 1861 року було дано нове визначення поняття «хімічна будова», сформульовані основні положення нової теорії хімічної будови, намічені шляхи експериментального вивчення будови органічних речовин, а також запропонований спосіб зображення формул що відображають хімічну будову. Бутлеров визначив хімічну будову як " хімічний зв'язок, або спосіб взаємного сполучення атомів в складному тілі ", тобто в молекулі. Теорія О. М. Бутлерова включає в себе в переосмисленому вигляді всі найбільш важливі досягнення попередніх теорій. Принципово новим було наступне центральне положення: «Будь-яка органічна сполука має єдину хімічну формулу, що відображає порядок сполучення атомів у молекулі і визначає його властивості».

Основні положення теорії хімічних сполук О.М. Бутлерова:

• Атоми, що входять до складу молекул органічніх сполук, сполучені між собою между собою в суворо визначеному порядку, згідно їх валентності. Послідовність з'єднання атомів у молекулі називається хімічною будовою.
• Властивості речовини залежать не лише від того, які атоми і в якій кількості входять до складу її молекули, але й від того, в якій послідовності вони зв’язані між собою, тобто від хімічної будови молекули.
• Атоми або групи атомів, які утворюють молекулу та зв’язані між собою як безпосередньо, так і через інші атоми, взаємно впливають один на одного, від чого залежить реакційна здатність молекули.
• За реакційною здатністю речовини можна встановити її будову і навпаки, за будовою речовини можна робити висновок про її властивості.

Теорія хімічної будови О. М. Бутлерова дозволила не лише систематизувати зібраний на той час в органічній хімії величезний матеріал, але й передбачити існування нових сполук, а також пердбачити шляхи їх одержання. За важливістю її можна порівняти з періодичною системою Д. І. Менделєєва. Блискучим підтвердженням теорії було одержання в 1867 році ізобутану, передбаченого О. М. Бутлеровим.

Теорія хімічної будови О. М. Бутлерова є найважливішою частиною теоретичного фундаменту органічної хімії. Подальшого розвитку вона набула в працях учня О. М. Бутлерова — В. В. Марковнікова, який встановив закономірності взаємного впливу атомів у молекулах.

Другим важливим досягненням періоду становлення і розвитку структурної теорії став розвиток стереохімії. У 1815 р французький хімік Біо показав, що при проходженні плоскополяризованого світла через деякі кристали відбувається обертання площини поляризації. В одних випадках вона повертається вправо, в інших вліво. У 1848 р Луї Пастер, кристалізуючи з водного розчину натрієво-амонійну сіль виноградної кислоти, виявив, що утворюються кристали двох видів. Йому вдалося вручну пінцетом розділити ці два види кристалів, розглядаючи їх в лупу. Властивості розчинів кристалів і отриманих з них кислот виявилися абсолютно ідентичними, виняток склала тільки їх оптична активність – розчини обертали площину плоскополяризованого світла в різні боки. Пояснюючи це відкриття, Я. Вант-Гофф та Ж. Ле-Бель у 1875 р незалежно один від одного дійшли висновку про тетраедричну напрямленість зв’язків атома Карбону в просторі (чотири валентності атома Карбону направлені до кутів тетраедра, у центрі якого знаходиться атом Карбону).

В 1916 році американським ученим Гілбертом Льюїсом була запропонована електронна теорія хімічного зв’язку (так звана теорія електронних пар), за якою хімічний зв’язок в органічних сполуках представлено парою електронів, виділених по одному кожним з атомів, що зв’язуються. Окрім цього, Г. Льюїс висловив припущення, що електронна пара, яка бере участь в утворенні хімічного зв’язку, може зміщуватись до одного з атомів.

Отримані хіміками-органіками в цей період знання послужили основою створення великого числа хімічних технологій і швидкого розвитку хімічної промисловості.

1. 3. Період фізичної органічної хімії

(з початку до 80-их років ХХ століття).

Внаслідок взаємодії з фізикою і математикою відбулося повне оновлення методичного арсеналу досліджень структури і реакційної здатності органічних сполук. Його основу почали складати методи спектроскопії всіх видів, мас-спектрометрії, рентгеноструктурного аналізу та багато інших. Різні види хроматографії стали основними методами аналізу, розділення, очищення та ідентифікації органічних речовин. Незважаючи на зв'язок реакційної здатності органічних сполук з їх будовою.

Разом зі спектроскопією в хімію прийшла квантова механіка. В 1931 р. Еріх Хюккель застосував квантову теорію для пояснення властивостей ароматичних вуглеводнів, що було початком розитку квантової хімії.

Таким чином, в середині тридцятих років минулого століття в органічній хімії з'явилася нова електронна теорія будови молекул, заснована на квантовій механіці. Важливо розуміти, що між класичною та електронною теоріями будови молекул існує принципова відмінність. У квантової теорії при описі структури молекула розглядається як сукупність атомних ядер, оточених узагальненим електронним хмарами. Розподіл електронної густини в молекулі і визначає її геометрію та властивості.

Поряд з науковими відкриттями, у 50-60 роках минулого століття відбувся перехід основного органічного синтезу на нову сировинну базу – нафту. Величезний потенціал, який був закладений в нову сировину, викликав бум в органічній хімії. Поява та інтенсивний розвиток такої області як хімії полімерів зобов'язана перш за все новою сировинною базою.

В цей період значне фінансування фундаментальних і прикладних досліджень в галузі органічної хімії та хімії в цілому, дають потужний поштовх розвитку великотоннажних хімічних виробництв органічних речовин і матеріалів. Відбувається повна хімізація сільського господарства, харчової промисловості, виробництва синтетичних миючих засобів, пластиків і полімерних матеріалів, енергетичного комплексу. Промисловість важкого і тонкого органічного синтезу стає важливою галуззю економіки розвинених країн.

1. 4. Сучасний період

(з середини 80-их років XX століття).

До середини 80-их років XX століття арсенал органічної хімії досяг того ступеня розвитку, при якому ефективний синтез нових сполук будь якого рівня складності стає чисто технічною проблемою. Сучасні варіанти класичних синтетичних реакцій і нові хімічні реагенти забезпечують отримання цільових продуктів з практично кількісними виходами. Встановлення послідовності мономерних ланок у складних біополімерах (білки, нуклеїнові кислоти) і синтез цих біомакромолекул повністю автоматизовані. Органічний синтез став більш практично орієнтованим.

Зрозуміло, зі сказаного не випливає, що в органічній хімії не залишилося
більш місця для розробки нових синтетичних методів, нових реагентів і реакцій. Дослідження в цьому напрямку інтенсивно тривають і будуть тривати завжди. Ми бачимо суттєві зміни структури органічної хімії. Відбувається її диференціація, виділення з неї багатьох самостійних дисциплін. Одночасно на межі органічної хімії з іншими науками відбувається формування нових наукових напрямів.

Значне прискорення наукових досліджень забезпечується також за рахунок використання нових інформаційних технологій і засобів електронної комунікації. Сьогодні дослідження по одній і тій же темі часто виконуються
паралельно в десятках наукових колективів.

Колосальний прогрес, досягнутий в органічній хімії за відносно короткий двохсотлітній період її існування як самостійної дисципліни, не може не викликати захоплення. У нас є всі підстави вважати, що темпи розвитку органічної хімії будуть настільки ж високими і в майбутньому.

Органічна хімія в наш час переживає перід швидкого розвитку, з чим пов’язано значне зростання обсягу знань, тому набути необхідних знань з цієї дисципліни можливо лише за умов ретельної роботи над матеріалом. Це дозволить у подальшому краще засвоїти дисципліни професійного спрямування та кваліфіковано вирішувати питання, пов’язані з потребами новітніх технологій у харчовій, фармацевтичній, біотехнологічній та інших галузях народного господарства.