Органическая химия изучает соединения: §51. Органическая химия | 9 класс

Содержание

Органическая химия. Химия углерода и его соединений

    Современная химия достигла такого уровня развития, что существует целый ряд ее специальных разделов, являющихся самостоятельными науками. В зависимости от атомарной природы изучаемого вещества, типов химических связей между атомами различают неорганическую, органическую и элементоорганическую химии. Объектом неорганической химии являются все химические элементы и их соединения, другие вещества на их основе. Органическая химия изучает свойства обширного класса соединений, образованных посредством химических связей углерода с углеродом и другими органогенными элементами водородом, азотом, кислородом, серой, хлором, бромом и йодом. Элементоорганическая химия находится на стыке неорганической и органической химии. Эта третья химия относится к соединениям, включающим химические связи углерода с остальными элементами периодической системы, не являющимися органогенами. Молекулярная структура, степень агрегации (объединения) атомов в составе молекул и крупных молекул — макромолекул привносят свои характерные особенности в химическую форму движения материи.
Поэтому существуют химия высокомолекулярных соединений, кристаллохимия, геохимия, биохимия и другие науки. Они изучают крупные объединения атомов и гигантские полимерные образования различной природы. Везде центральным вопросом для химии является вопрос о химических свойствах. Предметом изучения являются также физические, физико-химические и биохимические свойства веществ. Поэтому не только интенсивно разрабатываются собственные методы, но и привлекаются к изучению веществ другие науки. Так важными составными частями химии являются физическая химия и химическая физика, исследующие химические объекты, процессы и сопровождающие их явления с помощью расчетного аппарата физики и физических экспериментальных методов. Сегодня эти науки объединяют целый ряд других квантовая химия, химическая термодинамика (термохимия), химическая кинетика, электрохимия, фотохимия, химия высоких энергий, компьютерная химия и др. Только перечень фундаментальных наук химического направления уже говорит об исключительном разнообразии проявления химической формы движения материи и влиянии ее на пашу повседневную 
[c. 14]

    Органическая химия—химия соединений углерода. Свое название органические соединения получили в связи с тем, что первые описанные индивидуальные вещества имели растительное или животное происхождение. Со временем данное определение приобрело более широкий смысл, поскольку номенклатура соединений углерода не ограничивается только природными соединениями, а включает и вещества синтетического происхождения. Причиной многообразия органических [c.216]

    Органическая химия-это химия соединений углерода точнее, химия углеводородов и их производных. Органические соединения обязательно включают в себя атомы углерода и водорода и часто содержат также атомы кислорода, азота, галогенов и других элементов. Многообразие органических соединений, их свойства и превращения объясняет теория химического строения (А. М. Бутлеров, 1861-1864 гг.). 

[c.194]

    Электровалентность проявляется чаще всего в соединениях, содержащих элементы I, II, VI и VII групп, поскольку здесь для достижения заполненной оболочки необходимо отдать или принять не более двух электронов. Для отрыва от катиона (или присоединения к аниону) большего числа электронов требуется дополнительная затрата энергии, именно поэтому истинные частицы типа АР+ или встречаются крайне редко. Ковалентность, которая избегает образования таких высокозаряженных частиц, встречается главным образом в соединениях, содержащих элементы центральных групп (III—V) периодической системы. Получить при нормальных условиях ионы С + или С невозможно. Это приводит к принципиальному выводу органическая химия — это химия соединений углерода, являющихся практически всегда ковалентно построенными молекулами. 

[c.14]

    Органическая химия — химия соединений углерода — почти исключительно посвящена изучению ковалентно построенных молекул (разд. 1.2). Отсюда следует, что органические реакции сводятся к образованию и разрыву ковалентных связей, а также к перемещению связанных электронов. Для того чтобы понять причину протекания реакции в определенном направлении., необходимо изучить факторы, влияющие на вклад электронов в ковалентные связи, а также на их способность к образованию новых связей.[c.24]

    При таком определении органической химии возникает, однако, вопрос, почему же из всей сотни, известных элементов именно углерод имеет такое преимущественное положение Что это особое положение закономерно, ясно из сопоставления некоторых фактов из областей органической и неорганической химии. Прежде всего число известных в настоящее время соединений углерода примерно в 10—20 раз больше числа соединений всех остальных элементов, образованных без участия углерода. Но даже 1—2 миллиона изученных в настоящее время органических соединений никак не исчерпывают безграничных возможностей конструирования органических молекул. 

[c.12]


    Общей для всех органических соединений составной частью является углерод. Уже в середине прошлого столетия было сделано предложение называть органические соединения углеродистыми соединениями, а органическую химию — химией углеродистых соединений.
Однако, исторически сложившийся терми органическая химия сохранился до сих пор и в настоящее время является синонимом термина химия углеродистых соединений . [c.9]

    Органическая химия Соединения углерода (за исключением оксидов углерода, угольной кислоты и ее солей, карбидов и некоторых других простых соединений углерода) [c.11]

    Органическая химия — это химия соединений углерода. Поэтому молекулы органических соединений всегда содержат по крайней мере один атом углерода. Свое название органические соединения получили потому, что они были впервые найдены в растительных и животных организмах. С течением времени это определение потеряло свой смысл, и теперь к органическим относят не только соединения, полученные из природного материала, т. е. из организмов или их частей (в этом случае говорят о природных продуктах), но и соединения, созданные искусственно с помощью синтеза в лабораториях или на заводах. [c.7]

    Органическая химия — это химия соединений углерода.

Разделение описательной химии на неорганическую и органическую основано на том, что из всех химических элементов только углерод обладает способностью образовывать устойчивые соединения, содержащие длинные цепи одинаковых атомов. Вследствие этого число известных соединений углерода во много тысяч раз превосходит число веществ, образованных всеми другими элементами. [c.31]

    Название органические вещества утвердилось за соединениями углерода, которых насчитывается несколько миллионов. Органические соединения обладают рядом свойств, отличающих их от неорганических соединений и от некоторых производных углерода, рассматриваемых в курсе неорганической химии, например от солей угольной кислоты. Органические соединения чрезвычайно многообразны. Многообразие обусловлено исключительной способностью атомов углерода соединяться друг с другом в прямые, разветвленные и замкнутые (циклические) цепи. 

[c.369]

    Соединения углерода с неметаллами. Кроме рассмотренных кислородных, а также водородных соединений (изучаемых в курсе органической химии) углерод образует соединения с серой, азотом, металлами.[c.326]

    Органическая химия — это химия соединений углерода. [c.427]

    В настоящее время общепринятым считается определение органической химии как химии соединений углерода. [c.9]

    Органической химией называется химия соединений углерода. Исключениями из этого определения являются некоторые простейшие соединения углерода, а именно оксиды углерода и угольная кислота, а также ее соли. [c.290]

    Органическая химия-это химия соединений углерода. Лишь несколько простейших соединений углерода, а именно оксиды углерода, угольная кислота и ее соли, являются исключениями и относятся к неорганическим соединениям. Неорганическая химия изучает все остальные элементы и их соединения. 

[c.304]

    Органическая химия-это химия соединений. .., исключением являются оксиды углерода, угольная кислота и ее соли. [c.307]

    Широчайшую научную область, охватываемую химией, можно подразделить иначе. Важным представляется деление на органическую и неорганическую химию. Органическая химия —химия соединений углерода, в частности таких, которые входят в состав тканей растений и животных. Неорганическая химия —химия соединений всех остальных элементов, кроме углерода. Каждое из этих направлений химии является частично описательным, частично теоретическим. Многие другие разделы химии, которые в общем являются частями органической или неорганической химии, также получили свои названия таковы аналитическая химия, физическая химия, биохимия, ядерная химия, промышленная химия (химическая технология) и т. д. Их содержание ясно из самих названий. 

[c.11]

    Органически химия — это химия соединений углерода (органических соединений). [c.315]

    Органическая химия — химия соединений углерода. Это очень большая область химии в литературе описано уже более миллиона различных органических соединений. Многие из этих веществ выделены из живой материи, а еще большее число их синтезировано химиками в лабораториях.[c.355]

    Немецкий химик Фридрих Август Кекуле фон Страдонитц (1829—1886) , которого обычно называют Кекуле, сделал верный вывод. В учебнике, опубликованном им в 1861 г., Кекуле определил органическую химию как химию соединений углерода. Развивая эту мысль, можно определить неорганическую химию как химию соединений, не содержащих углерод. Это определение получило широкое распространение. Правда, несколько соединений углерода, в том числе диоксид углерода и карбонат кальция, скорее следуем считать типичными неорганическими соединениями, чем типичными органическими. Такие соединения углерода обычно рассматриваются в трудах по неорганической химии. 

[c.73]


    Традиционно область органической химии связана в первую очередь с изучением соединений углерода, а неорганическая химия имеет дело с соединениями всех остальных элементов. Название органическая возникло в связи с тем, что в свое время предполагалось, будто соединения углерода могут быть получены только из живой материи. С тех пор многие соединения углерода были синтезированы из неорганических веществ, причем значительная часть этих соединений вообще не встречается в природе, но название органическая химия сохранилось, и мы еще коснемся ее в данной книге. Может показаться странным, что органическая химия посвящена в основном одному элементу и его соединениям, в то время как неорганическая химия имеет дело со всеми остальными элементами. Однако такое разделение химии на отдельные области основано на наличии у углерода ряда особых, исключительных свойств. Число соединений углерода, которое может быть синтезировано, практически ничем не ограничено, между тем как из большинства остальных элементов можно создать лишь относительно небольшое число соединений. [c.10]

    Название органическая химия возникло исторически на основании представлений, что органические соединения образуются лишь живущими организмами и могут быть получены только из них. Ранее считалось, что синтез некоторьгх веществ, например этилового спирта, уксусной кислоты, метана и бензола, невозможен без участия жизненной силы , которую нельзя воспроизвести в лабораторных условиях. Однако с 1828 г., когда Велер синтезировал мочевину (соединение, входящее в состав мочи животных) из неорганических веществ, термин органическая химия стал означать химию соединений углерода как природного, так и синтетического происхождения. В лабораторных условиях были синтезированы не только перечисленные выше соединения. [c.453]

    В этой главе мы рассмотрим только некоторые простые соединения углерода, так как изучение широкого класса его соединений составляет предмет органической химии. Углерод — уникальный элемент с точки зрения числа и многообразия его соединений, в основе структуры которых лежит скелет из одинаковых атомов С, непосредственно связанных между собой. Существуют также соединения, содержаш,ие в скелете связи С—N. С—О и С—N—О, в том числе циклические системы. Некоторые из них мы рассмотрим позже. Известны два больших класса органических соединений алифатические соединения, образованные тетраэдрическими атомами углерода, и ароматические соединения, содержащие гексагональные кольца Сб, в которых отдельные атомы углерода могут быть заменены атомами азота и т. п. Этим двум типам углеродного скелета в островных молекулах соответствуют две полиморфные модификации кристаллического углерода алмаз, в котором каждый атом С связан тетраэдрическими хр -связями с четырьмя соседними атомами, и графит, где каждый атом участвует в трех лежащих в одной плоскости зр -связях, вследствие чего атомы образуют слои. [c.5]

    Среди элементов Периодической системы Д. И. Менделеева углерод занимает особое место. Это связано с тем, что его атомы, обладая способностью образовывать между собой достаточно прочные связи, служат как бы кирпичиками , из которых могут быть построены так называемые углеродные скелеты — прямые и разветвленные цепи, различные циклы, объемные структуры-бесчисленного множества молекул. Валентности углерода, оставшиеся свободными в углеродном скелете, насыщаются за счет образования связей с водородом (при этом получаются молекулы углеводородов), а также с другими атомами и группами атомов (последние называются заместителями). Возможность варьировать число и взаимное расположение атомов в углеродном скелете, а также число, виды и взаимное расположение заместителей приводит к тому, что можно сконструировать сколь угодно большое число соединений углерода. Это явилось одной из причин, заставивших выделить химию последних в отдельную науку. Для этой науки характерен свой подход к систематизации материала, к разработке новых путей развития. Ее стали называть органической химией, поскольку первые соединения углерода были выделены из живых организмов или из продуктов их жизнедеятельности.  [c.13]

    Весьма скоро химики убедились, что органические вещества подчиняются тем же закономерностям, что и неорганические. Но деление химии на неорганическую и органическую сохранилось. Критерием деления стал состав веществ. А. Кекуле в 1851 г. определил органическую химию как химию соединений углерода. Однако это определение не вполне последовательно. Есть группы соединений углерода, которые все-таки причисляют к неорганическим (оксид и диоксид углерода, карбонилы металлов, карбонаты, карбиды). В то же время все металлорганическне соединения могут быть причислены к органическим. Определение, данное Кекуле, упускает нз виду принципы образования органических соединений. [c.10]

    ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, химия углерода и его соединений. О. X.— наиболее крупный раздел хим. науки. Она обладает неограниченными возможносгя.ми синтеза и установления структуры орг. в-в, распределения в них электронной плотности, пространств, расположения атомов и установления механизма р-ций. Вместе с тем она определяет развитие и создание новых областей науки и техники. [c.413]

    Чтобы лучше понять свойства кремнийорганических соединений, следует прежде всего познакомиться с простейшими соединениями кремния с ковалентной связью, такими, как гидриды и галогениды, хотя по классической тeмaтккe они считаются неорганическими соединениями. Впрочем, согласно современным воззрениям, неправильно проводить резкую грань между органической и неорганической химией. Аналогично тому, как органическая химия охватывает все соединения углерода, кроме карбонатов и карбидов, можно считать, что химия кремнийорганических соединений охватывает все соединения кремния с ковалентной связью, кроме силикатов и силицидов [А10, АП], которые (согласно Воронкову) безусловно относятся к неорганическим соединениям кремния.[c.37]

    Как уже было выяснено, органическая химия — это химия соединений углерода, то есть обширная глава общей химии. Однако и в неорганической химии из общего обзора всех элементов не выпадает глава об углероде общее знакомство с этим элементом и целым рядом его соединений приобрет ается в общем курсе. Такие соединения, содержащие углерод, как например, сода, ничем не отличаются от массы других неорганических соединений, и естественно их не следует отделять от им подобных. [c.22]

    За этим быстро последовал синтез других органических веществ. Термин органическая химия постепенно приобрел значение химии соединений углерода, так что когда химикам XX в. понадобилось говорить конкретно о процессах, протекающих в живых организмах, им пришлось придумать новый термин-биохы.иия. Правильнее сказать, что химия жизни является подразделом химии соединений углерода, и стоит поразмыслить, почему это так. [c.264]

    Основным элементом, входящим в состав органических соединений, является углерод. Поэтому А. М. Бутлеров определил органическую химию как химию соединений углерода. Однако существуют простые вещества, содержащие углерод (СО, СО2, соли синильной кислоты, СЗа), которые относят к неорганическим соединениям и изучают их в курсе общей или неорганической химии. Учитывая это, более точно органическую химию следует определять как химию углеводородов и их производных (К. Шорлем-мер). [c.5]

    Эти открытия сыграли огромную роль в развитии науки вообще, а химии в особенности. Ученые-химики постепенно стали отходить от виталистических позиций и склоняться к тому, что и органические вещества человек может получать из химических элементов. Принцип противопоставления веществ органических и неорганических обнаружил свою несостоятельность. Органическая химия изучает соединения углерода — углеводороды и их производные, в состав молекул которых могут входить почти все элементы периодической системы. Выделение органической химии в самостоятельную науку вбусловлено большим числом и многообразием и особыми свойствами соединений углерода.[c.287]

    Органическая химия — это химия соединений углерода, за исключением оксидов углерода, угольный кислоты и ее солей. Она возникла в начале XIX века, хотя органические вещества были известны очень давно. Объекты изучения органической химии — углеводороды и их производные. Сейчас известно более 3 миллионов различных органических соединений, и их количество растет с каждым днем. Органические соединения имеют большое практическое значение. Они широко используются в топливной промышленности, в производстве красителей, искусственных волокон, синтетических каучуков, пластмасс, взрывчатых веществ, инсектицидов. Благодаря успехам химии синтезированы важнейшие лекарственные препараты сульфаниламиды,. некоторые алкаллоиды, антибиотики, витамины и др. Синтез высокомолекулярных органических соединений обеспечил бурное развитие хирургии протезирования. Пластмассы широко используются в ортопедии, травматологии и др. [c.86]

    В органической химии имеется множество соединений, молекулы которых содержат несколько хиральных атомов углерода. При этом, естественно, возрастает число пространственных изомеров одного строения. Если рассматривать взаимосвязи между такими стереоизомерами, то те два, молекулы которых являются зеркальными изображениями друг друга, представляют собой антиподы, а все остальные являются по отношению к ним диастереомерами. Энантиомерия и диастереомерия являются взаимоисключающими типами отношения между двумя стереоизомерами Число стереоизомеров с одинаковым строением определяется выражением 2″, где п — число хиральных атомов углерода. В качестве примера приведем 2,3,4-тригидроксибута-новую кислоту, строение которой выражается формулой [c.90]

    Органическая химия — наука, занимающаяся изучением органических веществ. Иначе ее можно определить как химию соединений углерода, поскольку в современной науке органическими ве-ществами (органическими соединениями) называют такие соединз-ния или вещества, в состав которых входит элемент углерод. [c.9]

    Идея о способности атомов углерода соединяться друг с другом с образованием цепочек сыграла выдающуюся роль в развитии органической химии. Изомерия и цепеобразпое сочетание атомов углерода объясняли возможность существования многочисленных органических соединений. Уже сам А. Кекуле объяснил смысл общей формулы гомологического ряда насыщенных углеводородов (СпНгп+г), выведенной Ш. Жераром, согласно которой п атомов углерода связывают 2га-Ь 2 атомов водорода или такое же число единиц сродства атомов кислорода, азота или других многовалентных элементов. [c.175]

    В самых общих словах можно сказать следующее Органическая химия-это химия соединений углерода, простых соединений углерода, а именно оксиды углерода и солями, являются исключением и относятся к неорганичес Соединения, образуемые всеми остальными элементам к области неорганической химии. [c.289]

    Химия жизпи, органическая химия, поначалу была совершен-ло отделена от неорганической. Она считалась надежной опорой витализма, до той поры, когда научились синтезировать органические соединения из веп(еств неживого происхождения (начало было положено синтезом мочевины O(Nh3)2, проведенным Вёлером Е 1828 г. . В дальне вхсм органическая химия перестала быть химией живого и превратилась в синтетическую химию соединений углерода — химию углеводородов и их производных. Почти независимо развивалась биохимия — наука о строении и свойствах биологических молекул, о течении химических реакций в живых организмах. Биохимия достигла грандиозных успехов в расшифровке сложных сетей метаболизма. Из биохимии в союзе -с физикой выросла молекулярная биология, занимающаяся физико-химическим, молекулярным истолкованием основных биологических явлений, прежде всего наследственности. Одновременно органическая химия вновь обратилась к живой природе на основе многолетнего опыта исследований органических соединений. Возникла биоорганическая химия, а затем и бионеорганическая химия, изучающая биологические молекулы, содержащие атомы металлов. Провести границы между перечисленными областями исследований химии жизни невозможно, да в этом и нет необходимости. [c.23]

    Органическая химия — это химия соединений углерода. Благодаря громадному многообразию органических соединений (число их превышает два миллиона) органическую химию рассматривают как обособленную область химии, тесно соприкасающуюся, с одной стороны, с неорганической химией (СО2, СО, карбонаты, карбиды), а с другой — с биохимией. Органическая химия дапно перестала быть собранием отдельных фактов, которые приходилось заучивать, прежде чем появлялась возможность установить между ними связи. [c.452]

    Органическая химия — химия соединений углерода. Как самостоятельная область химической науки О. х. сформировалась в XIX в. В настоящее время многие разделы О. х. развились столь интенсивио, что выделились в новые самостоятельные области науки — химия элементоорганических соединений, природных соединений, полимеров, антибиотиков, витаминов, гормонов, красителей, стереохимия и т. д. Однако все эти разделы основываются на общих законах О. х. Большую роль в развитии О. X. сыграла теория строения органических соединений А. М. Бутлерова (1861 г.). В настоящее время известно более 3 ООО ООО органических веществ. Органические кислоты — см. Карбоновые кислоты. [c.95]

    При таком определении органической химии возникает, однако, вопрос, почему же из всей сотни известных элементов именно углерод имеет такое преимущественное пoлoнieниe Что это особое положение закономерно, ясно из сопоставления некоторых фактов из областей органической и неорганической химии. Прежде всего число известных в настоящее время соединений углерода примерно в 10—20 раз больше числа соединений всех остальных элементов, образованных не углеродом. Но даже- [c.12]

    Не является корректным старое определение, что органическая химия — это химия соединений углерода. Это связано с тем, что, во-первых, значительная часть соединений углерода (карбонаты, карбиды и т. д.) изучается неорганической химией и, во-вторых, в состав органических молекул входят элементы всей периодической системы Д. И. Менделеева, которых в их составе бывает даже больше, чем атомов углерода (С2р4, ССЬСНО и т. д.). Поэтому приоритет атома углерода нередко отступает на второй план. [c.7]

    После того как было установлено, что органические соединения могут быть синтезированы и вне лживого организма, появилась иеобход -мость дать новое определение понятию органическая химия . В середине прошлого века Гмелии, Кольбе и Кекуле иод этим ионятисм подразумевали химию соединений углерода . Такое определение действительно и в настояи ее время, хотя надо иметь в виду, что сам углерод, карбиды, оксид углерода и карбонилы металлов, диоксид углерода и карбонаты, сероуглерод и циановая кислота, синильная кислота и роданистоводородная кислота, а таклнеорганическим соединениям. Понятие органическая химия включает следующий комплекс экспериментальных методов и теоретических представлений. [c.18]


Органическая химия на сайте Игоря Гаршина



Органическая химия на сайте Игоря Гаршина Ни одна вещь не возникает, не уничтожается, но каждая составляется из смешения существующих вещей или выделяется из них. (Анаксагор)

Органическая химия изучает свойства и реакции органических соединений — веществ, построенных на основе «углеродного скелета». Наибольшее количество соединений углерод образует с так элементами-органогенами: H, N, O, S, P. Способность углерода соединяться с большинством элементов и образовывать молекулы различного состава и строения обусловливает многообразие органических соединений.

Название «органические соединения» связано со словом «организм»: из этих соединений в основном состоят все живые организмы. Бурное развитие органической химии началось после создания выдающимся русским химиком А.М. Бутлеровым ее теоретической основы – структурной теории, основная идея которой в том, что свойства органических соединений зависят не только от их состава, но и от структуры, т. е. последовательности связи атомов в молекуле. А.М. Бутлеров ввел понятие изомеров. Изомеры — это варианты веществ с одинаковым молекулярным составом и массой, но с разной структурой и потому с разными свойствами.

Именно возможность построения из одних и тех же немногих элементов большого числа изомерных структур объясняет существование огромного количества органических соединений (их более пяти миллионов, тогда как неорганических – около пятисот тысяч). Конец ХIХ века был периодом триумфального шествия органического синтеза; в эти годы были впервые получены анилиновые красители, взрывчатые органические вещества, многие лекарства.

Простые «органические» соединения могут образовываться абиогенно (даже в космосе), сложные — результат жизнедеятельности биоты. Абиогенную (пребиотическую) эволюцию неорганических соединений в органические изучет эволюционная химия. Химическая эволюция закономерно приводит к образованию самокаталитических веществ и дальнейшему биогенезу.

Разделы страницы о химии органических соединений:

  • Органические вещества
  • Химия элементоорганических соединений
  • Химия полимеров

Органические вещества

Основными классами органических соединений являются:

  • Углеводороды — соединения, состоящие только из атомов углерода и водорода, которые делятся на:
    • Насыщенные — не содержат кратные связи в своей структуре.
    • Ненасыщенные — имеют в своём составе хотя бы одну двойную и/или тройную связь.
    • С открытой цепью.
    • С замкнутой цепью — содержат цикл — это алканы, алкены, алкины, диены, циклоалканы, арены.
  • Соединения с гетероатомами в функциональных группах — соединения, в которых углеродный радикал R связан с функциональной группой. По характеру функциональных групп они делятся на:
    • Галогенсодержащие.
    • Спирты, фенолы.
    • Простые эфиры (этеры).
    • Сложные эфиры (эстеры).
    • Соединения, содержащие карбонильную группу.
    • Альдегиды.
    • Кетоны.
    • Хиноны.
    • Соединения, содержащие карбоксильную группу (карбоновые кислоты, сложные эфиры).
    • Серосодержащие соединения.
    • Азотсодержащие соединения.
    • Металлоорганические соединения.
  • Гетероциклические — содержат гетероатомы в составе кольца. Различаются по числу атомов в цикле, по виду гетероатома, по количеству гетероатомов в цикле.
  • Органического происхождения — как правило соединения очень сложной структуры, зачастую принадлежат сразу к нескольким классам органических веществ, часто полимеры. Из-за этого их сложно классифицировать и их выделяют в отдельный класс веществ.
  • Полимеры — вещества очень большой молекулярной массы, которые состоят из периодически повторяющихся фрагментов — мономеров.

Химия полимеров

В ХХ веке начала интенсивно развиваться и другая область органической химии – химия полимеров. Полимеры — это длинноцепочечные структуры, состоящие из повторяющихся звеньев, число которых может достигать десятков и даже сотен тысяч. Основной элемент, входящий в органические молекулы – углерод – в отличие от всех других химических элементов способен образовывать длинные цепочки. Такие большие молекулы называют макромолекулами. К полимерам относятся все пластмассы, синтетические каучуки, без которых было бы невозможно развитие автомобильной промышленности и, наконец, искусственные (на природной основе) и синтетические волокна.

ХХ век по праву можно назвать не только веком выхода в космос и освоения ядерной энергии, но также и веком полимеров. Были синтезированы десятки тысяч новых веществ с полезными человеку свойствами, которых не создала природа. Оборотной стороной этих успехов полимерной химии явилось возникновение проблемы утилизации отходов производства и быта.

Химия элементоорганических соединений

В ХХ веке появился еще один молодой раздел химии – химия элементоорганических соединений. Это соединения, в состав которых, кроме углерода, водорода, кислорода, азота и серы входят кремний, фтор, бор, а также некоторые металлы. На основе кремнийорганических соединений созданы полимеры, обладающие уникальными свойствами, что делает их незаменимыми в авиации и энергетике. Фторорганические соединения обладают исключительной устойчивостью даже в кислотах и щелочах, из них изготавливают всевозможные покрытия (фторопласты). Некоторые металлоорганические соединения (например, ферроцен) используют в качестве лекарств и кровезаменителей.

Создателем школы элементоорганической химии, внесшим огромный вклад в развитие этого раздела химической науки, был выдающийся русский ученый академик Александр Николаевич Несмеянов (1899-1980).



Ключевые слова для поиска сведений об органической химии и органических веществах: На русском языке: органическая химия, элементы-органогены, углеродный скелет, полимеры, углеводороды; На английском языке: organic chemistry.


Страница обновлена 10.10.2015

Тест «Теоретические основы»

Тест по теме «Теоретические основы органической химии»

Предлагаются задания трех типов: выбор одного ответа (например, вопрос №1), выбор нескольких ответов (вопрос №4 и др.), вопросы на соответствие с выбором ответов из ниспадающего списка (например, №5). Результат тестирования вы можете определить, нажав кнопку «Баллы» на панели оценок (внизу справа).

1. Органическая химия изучает

2. Критерием деления веществ на органические и неорганические является

3. Химический элемент, способный образовывать наибольшее число соединений

4. К органическим веществам относятся

5. Некоторые природные органические соединения были получены в 19 веке синтетическим путём. Это опровергло существовавшую тогда теорию витализма, согласно которой органические вещества не могли образоваться вне живого организма (без участия «жизненной силы»).
Установите соответствие между органическим веществом и именем учёного, осуществившим его синтез.

Мочевина (1828) Выбрать …М. БертлоА. БутлеровФ. ВёлерШ. ВюрцН. ЗининА. КольбеМ. КучеровД. Менделеев
Жиры (1854) Выбрать …М. БертлоА. БутлеровФ. ВёлерШ. ВюрцН. ЗининА. КольбеМ. КучеровД. Менделеев
Уксусная кислота (1845) Выбрать …М. БертлоА. БутлеровФ. ВёлерШ. ВюрцН. ЗининА. КольбеМ. КучеровД. Менделеев
Углеводы (1861) Выбрать …М. БертлоА. БутлеровФ. ВёлерШ. ВюрцН. ЗининА. КольбеМ. КучеровД. Менделеев
Анилин (1842) Выбрать . ..М. БертлоА. БутлеровФ. ВёлерШ. ВюрцН. ЗининА. КольбеМ. КучеровД. Менделеев

6. В теорию А.М. Бутлерова не входили положения:

7. Основой современной теории строения органических веществ являются

8. Изомеры – вещества, имеющие

9. Изомерами являются следующие пары соединений

10. Изомером уксусной кислоты CH3COOH является вещество, имеющее структурную формулу 11. Какие из приведённых соединений являются изомерами?

V, VI и VII, VIII

II, III, IV

IV, V, VIII

I, IV, V, VIII

I, IV, VIII

12. Электронная конфигурация атома углерода в основном состоянии

13. Энергия атомных орбиталей изменяется в ряду:

14. Правильное заполнение атомных орбиталей электронами выражено схемой:

15. Электроотрицательность химического элемента – это

16. Наименее электроотрицательный атом

17. Полярность связи увеличивается в ряду:

18. Укажите типы химических связей между атомами в молекуле
Связь С–Н (1)  ионнаяковалентная полярнаяковалентная неполярнаяковалентная слабополярнаяводороднаяметаллическая
Связь С–С (2)  ионнаяковалентная полярнаяковалентная неполярнаяковалентная слабополярнаяводороднаяметаллическая
Связь С–О (3)  ионнаяковалентная полярнаяковалентная неполярнаяковалентная слабополярнаяводороднаяметаллическая
Связь O–Na (4)  ионнаяковалентная полярнаяковалентная неполярнаяковалентная слабополярнаяводороднаяметаллическая
19. Водородные связи образуют соединения
a) CH3-O-CH3 б) CH3NH2 в) CH3-OH г) N(CH3)3 д) CH3CH=O
20. Гибридизация атомов углерода в молекуле
21. Установите соответствие между схемой строения атомных орбиталей и типом их гибридизации.
А Б
А  нет гибридизацииsp3-гибридизацияsp2-гибридизацияsp-гибридизацияdsp2-гибридизация
Б  dsp2-гибридизациянет гибридизацииsp-гибридизацияsp2-гибридизацияsp3-гибридизация
В  sp2-гибридизацияsp-гибридизациянет гибридизацииsp3-гибридизацияdsp2-гибридизация
Г  sp-гибридизацияsp2-гибридизацияsp3-гибридизациянет гибридизацииdsp2-гибридизация
В Г
22. Ванилин (применяется в качестве ароматизатора в пищевой, парфюмерной и фармацевтической промышленности) имеет формулу
    Это соединение можно отнести к классам:
    23. Реакцией элиминирования является 25. Укажите место наиболее вероятной атаки нуклеофильным реагентомНуклеофильный реагент (нуклеофил) — это частица (анион или молекула), имеющая неподеленную пару электронов на внешнем электронном уровне. в молекуле уксусного альдегида:

    Лекция по органической химии

    ЛЕКЦИЯ 1

    Схема лекции

    1. Введение

                1.1 Формирование органической химии как науки

                1.2 Теория химического строения

                1.3 Органический синтез

     

    2. Классификация органических соединений

                2.1  Классификация органических соединений

                2.2 Два принципа классификации органических соединений

     

     

    1. ВВЕДЕНИЕ

     

    1.1 Формирование органической химии как науки.

    Органическая химия изучает соединения углерода – углеводороды и их производные, в состав которых могут входить почти все элементы периодической системы. По определению немецкого химика Шорлеммера: органическая химия – это химия углеводородов и их производных.

    Выделение органической химии в самостоятельную научную дисциплину обусловлено большим числом и многообразием соединений углерода, наличием специфических свойств, отличающих их от соединений других элементов, и наконец, их исключительным значением в жизни человека.

    В настоящее время известно более 10 миллионов органических соединений, в то время как соединений неорганических всего около 700 тысяч. Превращения органических соединений управляются общими законами химии, а также специфическими закономерностями, характерными только для органических соединений. Органические соединения обычно менее стойки, чем неорганические, легче окисляются (горят), подавляющее большинство из них имеет только ковалентные связи между атомами.

    Особое положение органической химии в системе наук обусловлено ещё и тем, что она изучает более высокоорганизованную материю, чем неорганическая химия, и тесно связана с биологией: органические вещества появились на Земле позже неорганических, они являются носителями жизнедеятельности. Но не этим определяется исключительное значение органической химии. Органические соединения составляют основу многих отраслей химической промышленности (пластических масс, синтетического каучука и резины, моторного топлива и смазочных материалов, растворителей, лаков и пигментов, красителей для волокна, медикаментов, взрывчатых веществ, текстильных, кожевенных и пищевых материалов и т.д.) и широко используются в производстве.

    Открытие закона сохранения материи (М.В. Ломоносов и А.Л. Лавуазье), позволило химикам определить состав молекул органических веществ и выразить его в виде эмпирических (или молекулярных) формул, отражающих число атомов различных элементов, входящих в состав молекул.

    Во времена Ломоносова, Лавуазье и Берцелиуса химики полагали, органические вещества образуются только в живых организмах под действием «жизненной силы». Однако эксперименты показали ошибочность подобной концепции. В 1824г Фридрих Велер получил из дициана – неорганического вещества органическое вещество – щавелевую кислоту:

    Далее тот же Фридрих Велер получил из явно неорганического вещества — аммонийной соли циановой кислоты явно органическое вещество – мочевину:

    Дальнейшее развитие органической химии было связано с появлением теорий типов и радикалов. На основании их можно было вывести формулы многих органических соединений. Однако они не имели предсказательной силы.

    Первая треть ХIХ ознаменовалась подъемом органической химии. Но при этом химики заметили, что иногда вещества, обладающие одинаковыми эмпирическими формулами, обладают различными физическими и химическими свойствами. Объяснение данному факту дала теория химического строения.

     

    1.2 Теория химического строения.

    В 1858 г шотландский химик А. Купер предложил обозначать черточками связи между атомами в молекулах органических соединений.

    В 1961 г русский химик А.М. Бутлеров сформулировал понятие «химическое строение». Развитие представлений о химическом строении привело к созданию А.М. Бутлеровым теории химического строения. Основные положения этой теории сводятся к следующему:

    1. Химическая природа каждой молекулы определяется природой составляющих ее атомов, их количеством и химическим строением.

    2. Химическое строение – это определенный порядок в чередовании атомов в молекуле и взаимное влияние атомов друг на друга.

    3. Химическое строение веществ определяет их физические и химические свойства.

    4. Изучение свойств веществ позволяет определить их химическое строение.

     

    Первым практическим следствием теории химического строения явились структурные формулы, с помощью которых можно отразить строение молекулы сочетанием символов атомов и черточек, обозначающих химические связи. При этом всегда следует придерживаться следующих правил:

    1. Атомы углерода в молекулах органических соединений всегда четырехвалентены:

    2. Атомы углерода в молекулах органических соединений способны образовывать цепи:

    3. Атомы углерода в молекулах органических соединений могут быть соединены двумя и тремя связями:

    4. Атомы углерода в молекулах органических соединений могут образовывать циклы:

    5. Атом или группа атомов, определенным образом соединенные друг с другом и придающие молекулам органических соединений характерные свойства называются функциональными группами.

    В 70-х годах XIX в. Теория стоения дополнилась теорией пространственного расположения атомов в молекулах – стериохимической теорией (Я. Вант-Гофф, Ж.Ле Бель). Она ввела представление о тетраэдрическом строении насыщенных соединений углерода и определила явление оптической изомирии как свойство соединений (оптических изомеров), в молекулах которых атом углерода связан с четырьмя различными заместителями.

    В отличие от структурных изомеров оптические изомеры имеют одинаковые физические и химические свойства и одинаково реагируют с симметричными молекулами.

    В начале 20 века в органическую химию были введены электронные представления о химической связи и структуре соединений. Согласно им химическая связь – это совместное владение парой электронов двумя атомами, которые образуют эту связь. Были даны объяснения неполярным и полярным связям, смещению электронов, в последних вследствие разной электроотрицательности атомов, перераспределению этих смещений по всей молекуле. Были введены понятия об индукционном (±J) и конъюгационном (±С) механизмах перераспределения электронов, механизмах влияния заместителей на реакционную способность реакционного центра.

    В настоящее время разработаны два современных метода описания химической связи – метод валентных связей (ВС) и молекулярных орбиталей (МО). Оба метода исходят из одной отправной точки – в  образовании химической связи участвуют атомные орбитали (s-, p-, d-, f- АО). Главное отличие этих методов заключается в том, что в методе ВС в атомные орбитали образующих связь атомов, помещают два электрона, а затем их приближают друг к другу до образования химической связи. В методе МО из атомных орбиталей составляют молекулярные орбитали, а затем их заполняют электронами. Оба метода используются для описания как локализованных (между двумя отомами) и делокализованных (между более чем двумя атомами) связей.

     Разработана современная теория химической реакции – теория возмущения МО. Она выясняет, что происходит с энергией системы, когда при образовании химической связи электроны донора переходят в свободные орбитали акцептора. Согласно этой теории многие химические реакции рассматриваются как одно- или двухсторонние донорно-акцепторные взаимодействия (ДАВ), которые протекают через ациклический или циклический интермедиаты:

     

    1.3 Органический синтез

    С древнейших времён люди использовали природные органические вещества и получали из них различные продукты, например, спиртные напитки (вино, пиво, «мёд»), уксус, органические красители (пурпур, индиго, ализарин), эфирные масла, сахар и др. Затем научились видоизменять эти вещества и воспроизводить природные процессы в условиях, отличных от природы. И уже значительно позже стали получать не существующие в природе вещества и материалы и изучать механизмы химических процессов.

    Одним из первых методов переработки природных веществ была перегонка. С её помощью, например, из уксуса была получена уксусная кислота (IX в.) из бродящих жидкостей  — этиловый спирт (XI в), а затем из спирта – перегонкой с серной кислотой – этиловый эфир (XVI в), из природных смол – янтарная и бензойная кислоты. Впоследствии научились выделять нужные вещества методами кристаллизации, перегонки с паром и др.

    Теория химического строения способствовала бурному развитию органического синтеза. Этим понятием химики стали определять последовательность превращений тех или иных органических веществ для получения целевого продукта. С применением бензола в качестве сырья во второй половине XIX в. Были получены многие полезные продукты: лекарства, красители, душистые вещества.

    В 20-е годы прошлого века важное значение в качестве сырья для органического синтеза приобрели продукты переработки нефти. В частности этилен оказался ценным сырьём для производства полиэтилена, поливинилхлорида, этилового спирта, ацетальдегида, уксусной кислоты.

    Из 1,3- бутадиена химики научились получать синтетический каучук.

    Первые схемы органического синтеза были не очень сложны. Однако чтобы проводить и сравнительно простые синтезы, химики должны были анализировать органические вещества. Основоположником анализа органических веществ явился Ю. Либих. Предложенные им методы элементного анализа (1831 – 1833 гг.) в различных вариантах применяют в настоящее время. Все они основаны на сожжении навески вещества (порядка нескольких миллиграмм) измерения количеств образовавшихся продуктов (СО2, Н2О, N2). В последующем для установления строения органических соединений стали широко привлекать и спектральные методы.

    Спектральные методы оказались незаменимы, когда химики приступили к изучению витаминов, гормонов и других сложнейших структур, играющих важную роль в жизнедеятельности животных и растений.

    Например,  из растений были выделены многие вещества, способные оказывать сильное действие на организм человека. Характерным примером является установление строений соединений, содержащихся в табаке: никотина, норникатина, анабазина.

    Эти вещества были не только выделены, но и тщательно изучены. В небольших количествах никотин является наркотическим средством, действует как возбудитель центральной и периферической нервной системы. Установлено вместе с тем, что никотин и крайне токсичен: смертельная доза для человека составляет -40 мг. Его опасность особенно очевидна, если иметь, в виду, что некоторые сорта табака содержат в листьях от 2 до 8 мас. % никотина, а сам никотин при курении в значительном количестве присутствует в табачном дыме.

    Была установлена роль в организме человека и разработаны методы синтеза многочисленных витаминов и гормонов. Найдено, например, что гормоны – вещества, которые вырабатываются организмом или поступают в него извне в очень небольших количествах, но поддерживают его нормальное функционирование, действуя как носители информации и регуляторы биохимических процессов. В частности, половые гормоны обладают очень мощным физиологическим действием и обычно присутствуют в организме лишь в ничтожном количестве (в микрограммах).

    Решение экологических проблем – проблем охраны окружающей среды – химики ищёт на пути создания новых, более избирательных и эффективных реагентов и новых, более селективных методов синтеза.

    Возможности органической химии в настоящее время практически неограниченны как в области синтеза сложнейших природных структур, так и в области расчёта и моделирования свойств органических молекул и макромолекул.

     

     

    2. Классификация органических соединений

     

    2.1  Классификация органических соединений

     

    К настоящему времени известно более 10 млн. органических соединений. Каждый год химики синтезируют и выделяют из природных источников сотни тысяч новых соединений. Чтобы ориентироваться в этом многообразии, органические соединения принято классифицировать.

     

    2.2 Два принципа классификации органических соединений

    Имеются два принципа классификации:

    1)                          По родоночальной структуре (по строению главной цепи атомов), т.е. по строению углеродной цепочки – по расположению атомов в молекуле.

    2)                          По функциональным или характеристическим группам (по характерным элементам – заместители, связанные с атомами углерода и типы связей в цепи углеродных атомов), таким как:NO2, NO, N=N, RO, RS.

     

    Согласно первому принципу все органические соединения делятся на;

    а) ациклические, т.е. нециклические (CH2=CH2 – этилен, C2H5OH – этиловый спирт, этанол)

    б) циклические.

    Циклические в зависимости от природы атомов входящих в цикл делятся на:

    — карбоциклические: в цикле только атомы углерода. Например,

    -гетероциклические – в гетероцикл входит хотя бы один не углеродный атом – гетероатом.

    Карбоциклические соединения в свою очередь делятся на;

    — алициклические – это различные циклические углеводороды и их производные с различной величиной цикла и числом циклов и разным числом двойных связей, кроме шестичленных с тремя двойными связями.

    — ароматические или арены – циклические углеводороды и их производные, построенные из шестичленных циклов с тремя двойными связями:

    Согласно второму  принципу классификации в зависимости от природы функциональной характеристической группы и по характеру связи углерод-углерод, органические соединения делятся на классы функциональная группа – это атом или группа атомов, которые определяет основные свойства группы соединений. В пределах класса, соединения конечно будут различаться по своей реакционной способности, но главные химические свойства будут одинаковыми.

    Характеризуются подвижностью водорода в гидроксиле. Однако в зависимости от R или Ar подвижность будет различна: спирты очень слабые кислоты, фенолы – более сильные кислоты.

    По количеству функциональных групп можно разделить на следующие классы:

     а) монофункциональные – с одной функциональной характеристической группой

    б) полифункциональные – с двумя и более характеристическими группами.

     

    26.1: Органические соединения и структуры: обзор

    Цели обучения

    • Распознавать состав и свойства, типичные для органических и неорганических соединений.
    • Определять и называть простые (прямоцепочечные) алканы по данным формулам и писать формулы для прямоцепочечных алканов по их названиям.
    • Напишите сокращенные структурные формулы алканов, зная полные структурные формулы.
    • Нарисуйте формулы линейного угла по структурным формулам.
    • Давать названия алканам по системе IUPAC и писать формулы для алканов, которым присвоены названия IUPAC
    • Чтобы описать функциональные группы и объяснить, почему они полезны при изучении органической химии.

    Ученые 18-го и начала 19-го веков изучали соединения, полученные из растений и животных, и обозначили их как органические , потому что они были выделены из «организованных» (живых) систем. Соединения, выделенные из неживых систем, таких как горные породы и руды, атмосфера и океаны, были обозначены как неорганические .Многие годы ученые считали, что органические соединения могут образовываться только живыми организмами, потому что они обладают жизненной силой, присущей только живым системам. Теория жизненной силы начала приходить в упадок в 1828 году, когда немецкий химик Фридрих Вёлер синтезировал мочевину из неорганических исходных материалов. Он провел реакцию с цианатом серебра (AgOCN) и хлоридом аммония (NH 4 Cl), рассчитывая получить цианат аммония (NH 4 OCN). То, что он ожидал, описывается следующим уравнением.

    \[AgOCN + NH_4Cl \rightarrow AgCl + NH_4OCN \label{Eq1}\]

    Вместо этого он обнаружил, что продукт представляет собой мочевину (NH 2 CONH 2 ), хорошо известное органическое вещество, которое легко выделяют из мочи. Этот результат привел к серии экспериментов, в которых большое разнообразие органических соединений было получено из неорганических исходных материалов. Теория жизненной силы постепенно ушла в прошлое, когда химики узнали, что они могут создавать многие органические соединения в лаборатории.

    Сегодня органическая химия изучает химию соединений углерода, а неорганическая химия изучает химию всех остальных элементов. Может показаться странным, что мы делим химию на две ветви — одну, которая рассматривает соединения только одного элемента, и другую, которая охватывает более 100 остальных элементов.Однако такое деление представляется более разумным, если учесть, что из десятков миллионов охарактеризованных соединений подавляющее большинство составляют соединения углерода.

    Примечание

    Слово органический имеет разные значения. Органические удобрения, такие как коровий навоз, являются органическими в первоначальном смысле; он получен из живых организмов. Органические продукты – это продукты, выращенные без синтетических пестицидов или удобрений. Органическая химия – это химия соединений углерода.

    Углерод уникален среди других элементов тем, что его атомы могут образовывать стабильные ковалентные связи друг с другом и с атомами других элементов во множестве вариаций. Образовавшиеся молекулы могут содержать от одного до миллионов атомов углерода. Ранее мы рассмотрели органическую химию, разделив ее соединения на семейства на основе функциональных групп. Мы начнем с простейших членов семейства, а затем перейдем к молекулам, которые являются органическими в первоначальном смысле, то есть они производятся живыми организмами и находятся в них.Эти сложные молекулы (все содержащие углерод) определяют формы и функции живых систем и являются предметом биохимии.

    Органические соединения, как и неорганические соединения, подчиняются всем законам природы. Часто нет четкого различия в химических или физических свойствах органических и неорганических молекул. Тем не менее полезно сравнить типичные члены каждого класса, как в таблице \(\PageIndex{1}\).

    Таблица \(\PageIndex{1}\): Общие контрастные свойства и примеры органических и неорганических соединений
    Органический Гексан Неорганический NaCl
    низкая температура плавления −95°С высокие температуры плавления 801°С
    низкая температура кипения 69°С высокие точки кипения 1413°С
    низкая растворимость в воде; высокая растворимость в неполярных растворителях нерастворим в воде; растворим в бензине большая растворимость в воде; низкая растворимость в неполярных растворителях растворим в воде; нерастворим в бензине
    легковоспламеняющиеся легковоспламеняющийся негорючий негорючий
    водные растворы не проводят электричество непроводящий водные растворы проводят электричество проводящий в водном растворе
    имеют ковалентную связь ковалентные связи проявляют ионную связь ионные связи

    Однако имейте в виду, что для каждой категории в этой таблице есть исключения. Чтобы дополнительно проиллюстрировать типичные различия между органическими и неорганическими соединениями, в таблице \(\PageIndex{1}\) также перечислены свойства неорганического соединения хлорида натрия (обычная поваренная соль, NaCl) и органического соединения гексана (C 6 H 14). ), растворитель, который используется для извлечения соевого масла из соевых бобов (среди прочего). Многие соединения можно классифицировать как органические или неорганические по наличию или отсутствию определенных типичных свойств, как показано в таблице \(\PageIndex{1}\).

    Углеводороды

    Начнем изучение органической химии с углеводородов, простейших органических соединений, которые состоят только из атомов углерода и водорода. Как мы уже отмечали, существует несколько различных видов углеводородов. Они различаются по типу связи между атомами углерода и по свойствам, возникающим в результате этой связи. Углеводороды, имеющие только углерод-углеродные одинарные связи (С-С) и существующие в виде непрерывной цепи атомов углерода, также связанных с атомами водорода, называются алканы (или насыщенные углеводороды). Насыщенный в данном случае означает, что каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами (водорода или углерода) — максимально возможное; в молекулах отсутствуют двойные и тройные связи.

    Примечание

    Слово насыщенный имеет то же значение для углеводородов, что и для пищевых жиров и масел: молекула не имеет углерод-углеродных двойных связей (C=C).

    Ранее мы ввели три простейших алкана — метан (CH 4 ), этан (C 2 H 6 ) и пропан (C 3 H 8 ), и они снова показаны на рисунке \( \ИндексСтраницы{1}\).

    Рисунок \(\PageIndex{1}\): Три простейших алкана

    Показанные плоские представления не точно отображают валентные углы или молекулярную геометрию. Метан имеет тетраэдрическую форму, которую химики часто изображают клиньями, обозначающими связи, выходящие к вам, и пунктирными линиями, обозначающими связи, отходящие от вас. Обычная сплошная линия указывает на связь в плоскости страницы. Напомним, что теория VSEPR правильно предсказывает тетраэдрическую форму молекулы метана (рис. \(\PageIndex{2}\)).

    Рисунок \(\PageIndex{2}\): Тетраэдрическая молекула метана

    Метан (CH 4 ), этан (C 2 H 6 ) и пропан (C 3 H 8 ) являются началом ряда соединений, в которых любые два члена в последовательности различаются. одним атомом углерода и двумя атомами водорода, а именно единицей CH 2 . Первые 10 членов этой серии приведены в таблице \(\PageIndex{2}\).

    4 6 3 9090 2
    Таблица \(\PageIndex{2}\): Первые 10 алканов с прямой цепью
    Имя Молекулярная формула (C n H 2 n + 2 ) Концентрированная структурная формула Число возможных изомеров
    метан СН 4 СН 4
    этан С 2 Н 6 CH 3 CH 3
    пропан С 3 Н 8 CH 3 CH 2 CH 3
    бутан С 4 Н 10 CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 2
    пентан С 5 Н 12 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 3
    гексан С 6 Н 14 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 5
    гептан С 7 Н 16 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 9
    Октан С 8 Н 18 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 18
    нонан С 9 Н 20 СН 3 СН 2 СН 2 СН 2 СН 2 СН 2 СН 2 СН 35
    декан С 10 Н 22 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 75

    Рассмотрим серию на рисунке \(\PageIndex{3}\). Последовательность начинается с C 3 H 8 , и на каждом шаге вверх по последовательности добавляется единица CH 2 . Любое семейство соединений, в котором соседние члены отличаются друг от друга определенным фактором (здесь группа СН 2 ), называется гомологическим рядом. Члены такого ряда, называемые гомологами , обладают свойствами, которые изменяются регулярным и предсказуемым образом. Принцип гомологии дает организацию органической химии почти так же, как таблица Менделеева дает организацию неорганической химии.Вместо сбивающего с толку множества отдельных соединений углерода мы можем изучить несколько членов гомологического ряда и вывести из них некоторые свойства других соединений этого ряда.

    Рисунок \(\PageIndex{3}\): Члены гомологичного ряда. Каждая последующая формула включает на один атом углерода и два атома водорода больше, чем предыдущая формула.

    Принцип гомологии позволяет написать общую формулу алканов: C n H 2 n + 2 . Используя эту формулу, мы можем написать молекулярную формулу любого алкана с заданным числом атомов углерода. Например, алкан с восемью атомами углерода имеет молекулярную формулу C 8 H (2 × 8) + 2 = C 8 H 18 .

    Мы используем несколько видов формул для описания органических соединений. Молекулярная формула показывает только виды и количество атомов в молекуле. Например, молекулярная формула C 4 H 10 говорит нам о том, что в молекуле 4 атома углерода и 10 атомов водорода, но не различает бутан и изобутан.Структурная формула показывает все атомы углерода и водорода и связывающие их связи. Таким образом, структурные формулы идентифицируют конкретные изомеры, показывая порядок присоединения различных атомов. К сожалению, структурные формулы трудно напечатать/записать и они занимают много места. Химики часто используют сокращенные структурные формулы, чтобы облегчить эти проблемы. В сокращенных формулах атомы водорода показаны рядом с атомами углерода, к которым они присоединены, как показано для бутана:

    .

    Окончательная сокращенная формула представляет собой формулу линейного угла, в которой атомы углерода подразумеваются в углах и концах линий, и понимается, что каждый атом углерода связан с достаточным количеством атомов водорода, чтобы дать каждому атому углерода четыре связи.Например, мы можем представлять пентан (CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 ) и изопентан [(CH 3 ) 2 CHCH 2 CH 3 ] следующим образом:

    Примечание

    Скобки в сокращенных структурных формулах указывают на то, что заключенная группа атомов присоединена к соседнему атому углерода.

    Номенклатура

    Как отмечено в Таблице \(\PageIndex{2}\): число изомеров быстро увеличивается по мере увеличения числа атомов углерода.Имеется 3 пентана, 5 гексанов, 9 гептанов и 18 октанов. Было бы трудно присвоить уникальные индивидуальные имена, которые мы могли бы запомнить. Систематический способ именования углеводородов и других органических соединений был разработан Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC). Эти правила, используемые во всем мире, известны как Система номенклатуры IUPAC. (Некоторые из названий, которые мы использовали ранее, такие как изобутан, изопентан и неопентан, не следуют этим правилам и называются общими именами .) Название основы (таблица \(\PageIndex{3}\)) указывает количество атомов углерода в самой длинной непрерывной цепи (LCC). Атомы или группы, присоединенные к этой углеродной цепи, называемые заместителями , затем называются, а их положения обозначаются цифрами. Сейчас мы будем рассматривать только те заместители, которые называются алкильными группами.

    Таблица \(\PageIndex{3}\): Стебли, указывающие количество атомов углерода в органических молекулах
    Стержень Номер
    мет- 1
    эт- 2
    опора- 3
    а- 4
    отложен- 5
    шестигранник- 6
    гепт- 7
    окт- 8
    не 9
    дек- 10

    Алкильная группа представляет собой группу атомов, образующуюся при удалении одного атома водорода из алкана. Группа названа путем замены суффикса -ane исходного углеводорода на -yl . Например, группа СН 3 , полученная из метана (СН 4 ), образуется в результате вычитания одного атома водорода и называется метильной группой . Алкильные группы, которые мы будем использовать чаще всего, перечислены в таблице \(\PageIndex{4}\). Алкильные группы не являются независимыми молекулами; это части молекул, которые мы рассматриваем как единое целое, чтобы систематически называть соединения.

    Упрощенные правила ИЮПАК для обозначения алканов следующие (показаны в примере \(\PageIndex{1}\)).

    1. Назовите алканы в соответствии с LCC атомов углерода в молекуле (а не общим числом атомов углерода). Этот LCC, считающийся материнской цепью, определяет название основания, к которому мы добавляем суффикс — ан , чтобы указать, что молекула является алканом.
    2. Если углеводород разветвлен, пронумеруйте атомы углерода LCC. Номера присваиваются в том направлении, которое дает наименьшие номера атомам углерода с присоединенными заместителями.Дефисы используются для отделения чисел от названий заместителей; запятые отделяют числа друг от друга. (LCC не нужно писать прямой линией; например, LCC в следующем примере имеет пять атомов углерода.)

    1. Расположите названия групп заместителей в алфавитном порядке перед названием исходного соединения. Если одна и та же алкильная группа встречается более одного раза, то указываются номера всех атомов углерода, к которым она присоединена.Если одна и та же группа появляется более одного раза у одного и того же атома углерода, номер этого атома углерода повторяется столько раз, сколько появляется группа. Причем количество одинаковых групп обозначается греческими приставками ди -, три -, тетра — и так далее. Эти префиксы , а не учитываются при определении алфавитного порядка заместителей. Например, этил указан перед диметилом; di- просто игнорируется. Последняя названная алкильная группа ставится перед названием исходного алкана, образуя одно слово.

    При соблюдении этих правил каждое уникальное соединение получает собственное эксклюзивное имя. Правила позволяют нам не только называть соединение по заданной структуре, но и рисовать структуру по заданному имени. Лучший способ научиться пользоваться системой IUPAC — это заставить ее работать, а не просто запомнить правила. Это проще, чем кажется.

    Пример \(\PageIndex{1}\)

    Назовите каждое соединение.

    Решение

    1. LCC имеет пять атомов углерода, поэтому исходным соединением является пентан (правило 1).Ко второму атому углерода пентановой цепи присоединена метильная группа (правило 2). Поэтому название 2-метилпентан.
    2. LCC имеет шесть атомов углерода, поэтому исходным соединением является гексан (правило 1). Метильные группы (правило 2) присоединены ко второму и пятому атомам углерода. Название 2,5-диметилгексан.
    3. LCC имеет восемь атомов углерода, поэтому исходным соединением является октан (правило 1). Имеются метильная и этильная группы (правило 2), обе присоединены к четвертому атому углерода (если считать от вправо, то дает этому атому углерода меньший номер; правило 3).Таким образом, правильное название – 4-этил-4-метилоктан.

    Упражнение \(\PageIndex{1}\)

    Назовите каждое соединение.

    Пример \(\PageIndex{2}\)

    Нарисуйте структуру каждого соединения.

    1. 2,3-диметилбутан
    2. 4-этил-2-метилгептан

    Решение

    При рисовании структур всегда начинайте с родительской цепи.

    1. Исходной цепью является бутан, что указывает на четыре атома углерода в LCC.

      Затем добавьте группы на свои места. Вы можете нумеровать родительскую цепочку в любом направлении, если вы непротиворечивы; просто не меняйте направление до того, как структура будет готова. Название указывает на две метильные (CH 3 ) группы, одну на втором атоме углерода и одну на третьем.

      Наконец, заполните все атомы водорода, имея в виду, что каждый атом углерода должен иметь четыре связи.

    2. В данном случае исходной цепью является гептан, что указывает на семь атомов углерода в LCC. –С–С–С–С–С–С–С–

      Добавление групп в соответствующие позиции дает

      Заполнение всех атомов водорода дает следующие сокращенные структурные формулы:

      Обратите внимание, что облигации (тире) могут быть показаны или нет; иногда они необходимы для расстановки.

    Упражнение \(\PageIndex{2}\)

    Нарисуйте структуру каждого соединения.

    1. 4-этилоктан
    2. 3-этил-2-метилпентан
    3. 3,3,5-триметилгептан

    Функциональные группы

    Функциональные группы представляют собой атомы или небольшие группы атомов (от двух до четырех), которые проявляют характерную реакционную способность. Конкретная функциональная группа почти всегда будет демонстрировать свое характерное химическое поведение, когда она присутствует в соединении. Из-за их важности для понимания органической химии функциональные группы имеют характерные названия, которые часто переносятся в названия отдельных соединений, включающих определенные группы.При изучении органической химии чрезвычайно важно уметь быстро распознавать наиболее распространенные функциональные группы, поскольку они являются ключевыми структурными элементами, определяющими реакцию органических молекул. На данный момент мы будем беспокоиться только о рисовании и распознавании каждой функциональной группы, как показано Льюисом и линейными структурами. Большая часть оставшейся части вашего изучения органической химии будет посвящена изучению поведения различных функциональных групп в органических реакциях.

    Ранее мы рассмотрели несколько видов углеводородов. Теперь мы рассмотрим некоторые из множества органических соединений, содержащих функциональные группы. Сначала мы ввели понятие функциональной группы, особого структурного расположения атомов или связей, которое придает молекуле характерную химическую активность. Если вы понимаете поведение конкретной функциональной группы, вы многое узнаете об общих свойствах этого класса соединений. В этой главе мы проводим краткое, но систематическое исследование некоторых семейств органических соединений.Каждое семейство основано на общей простой функциональной группе, содержащей атом кислорода или атом азота. Некоторые распространенные функциональные группы перечислены в таблице \(\PageIndex{5}\), а более полный список можно найти здесь.

    Сводка

    • Простые алканы существуют в виде гомологического ряда, в котором соседние члены отличаются единицей CH 2 .
    • Сокращенные химические формулы показывают атомы водорода (или другие атомы или группы) рядом с атомами углерода, к которым они присоединены.
    • Формулы линейного угла подразумевают наличие атома углерода на углах и концах линий. Подразумевается, что каждый атом углерода связан с достаточным количеством атомов водорода, чтобы дать каждому атому углерода четыре связи.
    • Алканы имеют как общие названия, так и систематические названия, установленные IUPAC.
    • Функциональная группа, структурное расположение атомов и/или связей, в значительной степени отвечает за свойства семейств органических соединений.

    Авторы и авторство

    3.11: Органические соединения — Химия LibreTexts

    Цели обучения

    • Определение алканов, алкенов, алкинов и ароматических соединений.
    • Перечислите некоторые свойства углеводородов.

    Простейшие органические соединения состоят только из двух элементов: углерода и водорода. Эти соединения называются углеводородами . Сами углеводороды делятся на два типа: алифатические углеводороды и ароматические углеводороды.

    Алифатические углеводороды представляют собой углеводороды на основе цепочек атомов углерода. Существует три типа алифатических углеводородов. Алканы представляют собой алифатические углеводороды только с одинарными ковалентными связями. Алкены представляют собой углеводороды, содержащие по крайней мере одну двойную связь С–С, а Алкины представляют собой углеводороды, содержащие тройную связь С–С. Иногда встречаются алифатические углеводороды с кольцом из атомов С; эти углеводороды называются циклоалканов (или циклоалкенов или циклоалкинов ).

    Ароматические углеводороды имеют особое шестиуглеродное кольцо, называемое бензольным кольцом .Электроны в бензольном кольце обладают особыми энергетическими свойствами, которые придают бензолу физические и химические свойства, заметно отличающиеся от свойств алканов. Первоначально термин ароматический использовался для описания этого класса соединений, потому что они были особенно ароматными. Однако в современной химии термин ароматический обозначает наличие шестичленного кольца, которое придает молекуле различные и уникальные свойства.

    У простейших алканов атомы С связаны прямой цепью; они называются нормальными алканами .Они названы по количеству атомов С в цепи. Самый маленький алкан – метан:

    . Рисунок \(\PageIndex{1}\) — Трехмерное представление метана. Рисунок \(\PageIndex{1}\) Трехмерное представление метана © Thinkstock. Молекула метана трехмерна, атомы H расположены в положениях четырех углов тетраэдра.

    Следующий по величине алкан имеет два атома углерода, которые ковалентно связаны друг с другом. Чтобы каждый атом C образовал четыре ковалентные связи, каждый атом C должен быть связан с тремя атомами H.Полученная молекула, формула которой C 2 H 6 , представляет собой этан:

    Пропан состоит из трех атомов C, окруженных атомами H. Вы должны быть в состоянии проверить, что молекулярная формула пропана C 3 H 8 :

    Диаграммы, представляющие алканы, называются структурными формулами , потому что они показывают структуру молекулы. По мере того, как молекулы становятся больше, структурные формулы становятся все более и более сложными.Один из способов обойти это — использовать сокращенную структурную формулу , в которой перечислены формулы каждого атома C в основной цепи молекулы. Например, сокращенная структурная формула этана — CH 3 CH 3 , а пропана — CH 3 CH 2 CH 3 . В таблице \(\PageIndex{1}\) — Первые 10 алканов приведены молекулярные формулы, сокращенные структурные формулы и названия первых 10 алканов.

    Таблица \(\PageIndex{1}\) Первые 10 алканов
    Молекулярная формула Концентрированная структурная формула Имя
    Ч 4 CH 4 метан
    С 2 Н 6 CH 3 CH 3 этан
    С 3 Н 8 CH 3 CH 2 CH 3 пропан
    С 4 Н 10 CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 бутан
    С 5 Н 12 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 пентан
    С 6 Н 14 CH 3 (CH 2 ) 4 CH 3 гексан
    С 7 Н 16 CH 3 (CH 2 ) 5 CH 3 гептан
    С 8 Н 18 CH 3 (CH 2 ) 6 CH 3 октановое число
    С 9 Н 20 CH 3 (CH 2 ) 7 CH 3 нонан
    С 10 Н 22 CH 3 (CH 2 ) 8 CH 3 декан

    Поскольку алканы имеют максимально возможное число атомов Н согласно правилам ковалентных связей, алканы также называют насыщенными углеводородами .

    Алкены имеют двойную связь С-С. Поскольку они содержат меньше максимально возможного количества атомов водорода, они являются ненасыщенными углеводородами . Наименьший алкен — этен — имеет два атома углерода и также известен под своим общим названием этилен:

    .

    Следующий по величине алкен — пропен — имеет три атома углерода с двойной связью С—С между двумя атомами углерода. Он также известен как пропилен:

    .

    Что вы заметили в названиях алканов и алкенов? Названия алкенов такие же, как у соответствующих им алканов, за исключением того, что окончание — ene , а не — ane .Использование основы для обозначения числа атомов С в молекуле и окончания для обозначения типа органического соединения, как мы увидим, распространено в органической химии.

    С введением следующего алкена, бутена, мы начинаем видеть главную проблему с органическими молекулами: выбор. С четырьмя атомами C двойная связь C–C может проходить между первым и вторым атомами C или между вторым и третьим атомами C:

    (Двойная связь между третьим и четвертым атомами С такая же, как и между первым и вторым атомами С, только перевернутая. ) Правила наименования в органической химии требуют, чтобы эти два вещества имели разные названия. Первая молекула называется 1-бутен , а вторая молекула называется 2-бутен . Число в начале названия указывает, откуда берется двойная связь. Наименьшее возможное число используется для нумерации признаков в молекуле; следовательно, называть вторую молекулу 3-бутеном было бы неправильно. Числа являются общими частями названий органических химических веществ, потому что они указывают, какой атом C в цепи содержит отличительный признак.

    Соединения 1-бутен и 2-бутен обладают различными физическими и химическими свойствами, даже если они имеют одинаковую молекулярную формулу — C 4 H 8 . Различные молекулы с одинаковой молекулярной формулой называются изомерами . Изомеры распространены в органической химии и вносят свой вклад в ее сложность.

    Пример \(\PageIndex{1}\):

    На основе названий молекул бутена предложите название для этой молекулы.

    Раствор

    С пятью атомами С мы будем использовать пентен — стержень, а с двойной связью С–С это алкен, значит, эта молекула пентен.При нумерации атомов С мы используем число 2 , потому что это самая нижняя возможная метка. Так что эта молекула называется 2-пентен.

    Упражнение \(\PageIndex{1}\)

    На основе названий молекул бутена предложите название для этой молекулы.

    Ответить

    3-гексен

    Алкины с тройной связью C–C называются так же, как и алкены, за исключением того, что их названия оканчиваются на — yne .Наименьшим алкином является этин, также известный как ацетилен:

    .

    Пропин имеет структуру

    В случае с бутином нам нужно начать нумеровать положение тройной связи так же, как мы делали это в случае с алкенами:

    Ароматические соединения содержат бензольное звено. Сам бензол состоит из шести атомов C в кольце с чередующимися одинарными и двойными связями C–C:

    .

    Чередование одинарных и двойных связей С—С придает бензольному кольцу особую стабильность, и оно не реагирует как алкен, как можно было бы предположить.Бензол имеет молекулярную формулу C 6 H 6 ; в более крупных ароматических соединениях другой атом заменяет один или несколько атомов H.

    Какими бы фундаментальными для органической химии ни были углеводороды, их свойства и химические реакции довольно обыденны. Большинство углеводородов неполярны из-за близкой электроотрицательности атомов C и H. Таким образом, они лишь умеренно растворяются в H 2 O и других полярных растворителях. Небольшие углеводороды, такие как метан и этан, представляют собой газы при комнатной температуре, тогда как более крупные углеводороды, такие как гексан и октан, представляют собой жидкости.Даже более крупные углеводороды представляют собой твердые вещества при комнатной температуре и имеют мягкую воскообразную консистенцию.

    Углеводороды довольно неактивны, но они участвуют в некоторых классических химических реакциях. Одной из распространенных реакций является замещение атомом галогена путем объединения углеводорода с элементарным галогеном. Свет иногда используется для ускорения реакции, например, между метаном и хлором:

    \[CH_{4}+Cl_{2}\overset{light}{\rightarrow} CH_{3}Cl+HCl\номер \]

    Галогены также могут реагировать с алкенами и алкинами, но реакция отличается.В этих случаях галоген реагирует с двойной или тройной связью C–C и встраивается в каждый атом C, участвующий в кратных связях. Эта реакция называется реакцией присоединения . Один пример

    Условия реакции обычно мягкие; во многих случаях галоген самопроизвольно реагирует с алкеном или алкином.

    Водород также может быть добавлен по кратной связи; эта реакция называется реакцией гидрирования . Однако в этом случае условия реакции не могут быть мягкими; может потребоваться высокое давление газа H 2 . Обычно используют платиновый или палладиевый катализатор, чтобы реакция протекала с разумной скоростью:

    \[CH_{2}=CH_{2}+H_{2}\overset{металл\: катализатор}{\rightarrow} CH_{3}CH_{3}\без номера \]

    Безусловно, наиболее распространенной реакцией углеводородов является горение, которое представляет собой соединение углеводорода с O 2 с образованием CO 2 и H 2 O. Сгорание углеводородов сопровождается выделением энергии и основным источником производства энергии в нашем обществе (Рисунок \(\PageIndex{2}\) — Горение).{8}H_{18}+25O_{2}\rightarrow 16CO_{2}+18H_{2}O+\sim 5060 кДж\номер \]

    Рисунок \(\PageIndex{2}\) Сгорание © Thinkstock. Сжигание углеводородов является основным источником энергии в нашем обществе.

    Ключевые выводы

    • Простейшими органическими соединениями являются углеводороды, состоящие из углерода и водорода.
    • Углеводороды могут быть алифатическими или ароматическими; алифатические углеводороды делятся на алканы, алкены и алкины.
    • Сжигание углеводородов является основным источником энергии для нашего общества.

    Упражнение \(\PageIndex{1}\)

    1. Дайте определение углеводород . Какие два основных типа углеводородов существуют?
    2. Какие три различных типа алифатических углеводородов существуют? Как они определяются?
    3. Укажите, является ли каждая молекула алифатическим или ароматическим углеводородом; если алифатический, идентифицируйте молекулу как алкан, алкен или алкин.
    4. Укажите, является ли каждая молекула алифатическим или ароматическим углеводородом; если алифатический, идентифицируйте молекулу как алкан, алкен или алкин.
    5. Укажите, является ли каждая молекула алифатическим или ароматическим углеводородом; если алифатический, идентифицируйте молекулу как алкан, алкен или алкин.
    6. Укажите, является ли каждая молекула алифатическим или ароматическим углеводородом; если алифатический, идентифицируйте молекулу как алкан, алкен или алкин.
    7. Назовите и нарисуйте структурные формулы четырех самых маленьких алканов.
    8. Назовите и нарисуйте структурные формулы четырех самых маленьких алкенов.
    9. Что означает термин ароматический в отношении органической молекулы?
    10. Что означает термин нормальный при использовании для алканов?
    11. Объясните, почему название 1-пропен неверно.Как правильно называется эта молекула?
    12. Объясните, почему название 3-бутен неверно. Как правильно называется эта молекула?
    13. Назовите и нарисуйте структурную формулу каждого изомера пентена.
    14. Назовите и нарисуйте структурную формулу каждого изомера гексина.
    15. Напишите химическое уравнение реакции между метаном и бромом.
    16. Напишите химическое уравнение реакции между этаном и хлором.
    17. Изобразите строение продукта реакции брома с пропиленом.
    18. Изобразите строение продукта реакции хлора с 2-бутеном.
    19. Изобразите строение продукта реакции водорода с 1-бутеном.
    20. Изобразите строение продукта реакции водорода с 1-бутеном.
    21. Напишите сбалансированное химическое уравнение горения гептана.
    22. Напишите сбалансированное химическое уравнение горения нонана.

      границ | Большие проблемы в органической химии

      Текущая сфера деятельности «журналов по органической химии» обычно охватывает теорию и практику (i) новых синтетических методов и методологий, (ii) выделения и синтеза натуральных продуктов, (iii) механизмов органических реакций, основанных на подходах физической и теоретической химии, (iv) биоорганическая и медицинская химия, (v) металлоорганическая химия, (vi) молекулярное распознавание и супрамолекулярная химия, и (vii) химия полимеров и материалов.

      Эти категории или разделы были созданы на протяжении многих лет, отражая эволюцию этой области химии на основе принципов органической химии. Эволюция естественно продолжится в органической химии, которая основана на ясном понимании двух- и трехмерных химических структур, а также их связи со стабильностью, реакционной способностью и другими химическими свойствами. Эта характерная черта органической химии уникальна и не имеет аналогов ни в одной другой дисциплине химических наук.Таким образом, отношения структура-свойство, структура-активность и структура-функция органических соединений будут продолжать служить основными темами исследований в области органической химии.

      Совершенно очевидно, что органическая химия процветала, расширяя свои территории за счет исследования взаимосвязей с другими научными дисциплинами. Таким образом, органическая химия, несомненно, служит основной химической наукой для развития науки и техники с четкими целями на благо жизни человека и общества.

      Соответственно, одна из главных задач органической химии заключается в том, как исследовать новые границы на стыке органической химии и других областей науки или техники . В прошлом большинство междисциплинарных исследований проводилось между двумя дисциплинами в двух разных лабораториях. Но теперь необходимо использовать междисциплинарные подходы, включающие несколько дисциплин и лабораторий, для решения важных научных или технологических проблем. В этих условиях химики-органики должны превратиться в непредубежденных исследователей, которые могут эффективно общаться и сотрудничать с другими исследователями из разных дисциплин.Для достижения этой цели химики-органики должны хорошо знать другие дисциплины, чтобы понимать всю картину проекта. Таким образом, еще одна большая проблема для химиков-органиков состоит в том, как превратиться в ключевого игрока в междисциплинарном исследовательском проекте, развивая способность эффективно общаться и сотрудничать с другими членами команды проекта из разных дисциплин . Затем еще одна тесно связанная с этим грандиозная задача — , как вырастить следующее поколение химиков-органиков, которые смогут выжить и преуспеть в широком стыке органической химии и других научно-технических дисциплин .Поскольку традиционные химики-органики наслаждались исследованиями только на своих собственных удобных игровых площадках, химикам-органикам придется столкнуться с серьезными проблемами в исследованиях и образовании.

      Поскольку «химия» стала центральным ядром молекулярной науки для энергетики, окружающей среды, устойчивого развития, материалов, биологии и медицины, большие проблемы в «органической химии» отражают более или менее ту же тенденцию. Кроме того, достижения в области вычислительных мощностей и возможностей открыли возможности для обработки и анализа больших данных, системной химии, точного моделирования и прогнозирования.Соответственно, можно с уверенностью сказать, что большие проблемы и успехи органической химии будут связаны с энергетикой, окружающей средой, устойчивостью, материалами, биологией, медициной и компьютерными науками .

      Теперь давайте перейдем к примерам больших проблем в разделах органической химии.

      На границе с энергией солнечная энергия и накопление энергии были преимущественно во главе с неорганическими материалами. Таким образом, перед химиками-органиками стоит серьезная задача создать органические или гибридные материалы, которые превзойдут существующие неорганические материалы.

      На стыке с наукой об устойчивом развитии и окружающей среде проблемой является разработка эффективных химических процессов преобразования промышленных и сельскохозяйственных отходов, промышленных побочных продуктов, двуокиси углерода, парниковых газов, таких как фтороформ, восстановленные пластмассы и т. д., в полезные химические вещества без производства очередная трата. Если эти процессы включают в себя эффективные фотохимические процессы с использованием солнечной энергии, это будет идеально.

      При взаимодействии с материалами можно предвидеть множество серьезных проблем, и в этой области уже ведутся многочисленные исследования и разработки. Проблема здесь заключается в том, как органическая химия может играть ключевую роль в химии полимеров и материалов. Разработка новых, селективных и эффективных методов и методологий полимеризации, использующих металлоорганическую химию и органокатализ, оказывает огромное влияние на это стремление. Супрамолекулярная химия играет важную роль в создании новых органических, металлоорганических, координационных комплексов и гибридных материалов, где органическая химия может внести решающий вклад. «Молекулярные машины» уже появились как новая концепция, но как химики-органики могут построить органические функциональные устройства, состоящие из молекулярных машин с макроскопическими движениями?

      На стыке биологии и медицины перед химиками-органиками стоит множество сложных задач, например.g., эпигенерика, повреждение и восстановление ДНК, редактирование генов, наномедицина, нанопрепараты, молекулярная визуализация, открытие и разработка лекарств, конъюгаты антитело-лекарство, флуоресцентные красители следующего поколения для визуализации живых клеток со сверхвысоким разрешением, и это немного. Химическая биология развилась из биоорганической химии и биохимии, которая предоставляет мощные инструменты для исследования биологических проблем на молекулярном уровне. Для открытия лекарств и фармацевтических наук синтетическая органическая и медицинская химия действительно необходимы.Однако проблема здесь заключается в том, как химики-органики/медицинские химики следующего поколения могут играть ключевую роль во всем процессе разработки лекарств, т. е. не просто служить контрактной исследовательской организацией (КИО) для подготовки библиотеки соединений классическим способом медицинской химии. . Химики-органики/медицинские химики следующего поколения должны иметь возможность полностью участвовать в разработке лекарств на основе структурной и вычислительной биологии. Физико-органические химики должны уметь применять кинетический и термодинамический анализ, особенно в сочетании с молекулярной визуализацией, для точной оценки эффективности и механизма действия лекарств, а также для улучшения дизайна лекарств.

      На стыке компьютерных наук перед органической химией стоит множество сложных задач. Как вычислительная органическая химия может расширить квантово-механический анализ и предсказание механизмов органических реакций и каталитических циклов с увеличением размеров молекул без рентгеновских кристаллических структур? Как вычислительные химики-органики могут связать науку о больших данных с органической химией для изучения «системной органической химии»? Как химики-органики и химики-вычислители могут работать вместе для рационального проектирования новых, селективных и эффективных органических реакций, а также металлических катализаторов с использованием неблагородных металлов? Как химики-органики могут работать с учеными-вычислителями, чтобы точно предсказать химические, физические и биологические свойства органических молекул с помощью надежных исследований взаимосвязей структура-свойство, структура-активность и структура-функция? Как вычислительные химики-органики могут создать надежную программу для указания наиболее эффективных путей синтеза органических соединений с определенной структурной сложностью?

      Конечно, в области органической химии и ее разделов существует множество проблем. Создание новых химических соединений (НХС) может быть достигнуто только химиками — никакая другая научная дисциплина не может конкурировать с химией в этом отношении. Тогда за все органические НХЭ отвечает синтетическая органическая химия. Соответственно, в этом отношении важны как новаторские, так и дополнительные достижения в синтетических методах и методологиях. В дополнение к изучению более селективных, эффективных и «зеленых» химических процессов, особенно с использованием металлических или органических катализаторов, разработка высокоэффективных технологий регенерации катализаторов и разделения продуктов имеет решающее значение, что имеет отношение к проблемам устойчивости и окружающей среды.Инновационные синтетические методы и методологии, которые позволяют модифицировать поздние стадии, значительно ускорят разработку и синтез аналогов в медицинской химии и открытии лекарств. Химическая информатика будет играть все более важную роль в синтетической органической и медицинской химии, а также в химии органических материалов. Вычислительный анализ и проектирование также будут играть решающую роль в медицинской химии, открытии лекарств, катализе, супрамолекулярной химии и органических материалах.

      Вклад авторов

      Автор подтверждает, что является единственным автором данной работы и одобрил ее публикацию.

      Заявление о конфликте интересов

      Автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

      Органическая химия и изучение форм жизни в виде углеродных соединений — видео и расшифровка урока

      Почему карбон?

      Итак, вы можете задаться вопросом: «Почему углерод является таким важным элементом? Почему не неон? Или хлор? Я не хочу пренебрегать своими коллегами-элементами — я имею в виду, что неон и хлор — мои друзья, но они не могут делать то, что умею я! Для начала я могу связать или прикрепить четыре других элемента одновременно.

      Это потому, что у меня есть четыре валентных электрона , или самые внешние электроны, наиболее удаленные от центра, или ядра, атома.

      Чтобы достичь стабильности, атомы должны иметь восемь валентных электронов, поэтому я склонен делиться четырьмя другими электронами с другим атомом, что дает мне восемь общих электронов. Итак, я связываюсь или присоединяюсь к другим атомам через ковалентную связь или связь, образованную, когда атомы делят электроны. Каждый валентный электрон участвует в соединении, вот почему я могу присоединяться или связываться с четырьмя другими атомами одновременно!

      Но это еще не все! Помимо связи с четырьмя разными атомами одновременно, я также довольно особенный из-за того, как я могу связываться.Например, я могу образовать простые связи и создать что-то вроде метана: присоединить к четырем атомам водорода. Или я могу создать более сложную молекулу, соединив ее с другими атомами углерода и образовав цепь.

      Я могу создать разветвленную цепь, я могу развернуться и образовать кольца, и я даже могу образовать двойные или тройные связи с другими атомами! Я уверен, что талантлив!

      Итак, вы, вероятно, поняли, что я могу связываться со многими различными элементами самыми разными способами, и поэтому я могу создавать миллионы различных органических молекул или молекул, содержащих углерод.

      Многие из этих органических молекул важны для вас, даже если вы об этом не знаете. Я не только составляю 18% твоего тела, но я также являюсь строительным блоком для множества вещей внутри тебя. Я создаю сахар, который дает вам энергию, белок, из которого состоят ваши мышцы, ферменты, которые помогают химическим реакциям протекать в вашем теле быстрее, ДНК внутри ваших клеток, жиры, которые смягчают ваши органы… ладно, ладно, Я знаю! Я не могу перестать говорить о себе! Поскольку я являюсь элементом, составляющим так много важных частей человеческого тела, вы можете начать называть себя формой жизни, основанной на углероде.

      Отделения органической химии

      Без углерода не было бы жизни на Земле, так что да, я довольно большая шишка. Но, кроме создания вашего тела, вашей бутылки с водой и бензина для вашей машины, каким еще целям я служит? Что ж, есть несколько областей, в которых используется органическая химия, поэтому давайте уделим немного времени беглому рассмотрению некоторых из них, начиная с биотехнологии. Это раздел органической химии, который модифицирует живые организмы для других целей. Например, около 80% папайи, выращенной на Гавайях, были генетически модифицированы, чтобы быть устойчивыми к определенному вирусу.Затем есть фармацевтическая отрасль, целью которой является разработка лекарств для лечения и лечения болезней.

      До сих пор мы говорили в основном об органической химии и живых организмах, верно? Кажется, я вкратце упомянул бензин и пластик, но это все. Что, если бы я сказал вам, что органическая химия очень важна для многих областей, не связанных с живыми организмами в настоящее время? Например, хотя сырая нефть состоит из крошечных организмов, которые когда-то были живыми, сейчас их точно нет, что приводит нас к нефтяным месторождениям, где люди пытаются найти, добыть и очистить нефть.Или химическая область, где сырье, такое как нефть, сырая нефть и металлы, перерабатывается в 70 000 продуктов, включая каучуки, пластмассы и ткани. Видишь, я действительно везде!

      Краткий обзор урока

      Вы уже должны знать, что Кэлли Карбон не просто хорошенькая! Я настолько важен, что у меня есть собственная ветвь химии под названием органическая химия. Давайте рассмотрим некоторые важные термины и идеи.

      • Органическая химия изучает углеродсодержащие молекулы и соединения, которые они образуют.
      • Химики-органики изучают реакции, структуру и состав, свойства и способы получения органических молекул.
      • Углерод особенный, потому что он может присоединяться к четырем другим атомам, и он может делать это разными способами: от колец до цепочек, двойных или даже тройных связей. Это приводит к множеству различных типов органических молекул.
      • Эти органические молекулы составляют строительные блоки для живых существ, поэтому вы представляете собой форму жизни на основе углерода.
      • Есть много областей, требующих твердого понимания органической химии, от фармацевтики до поиска и добычи нефти.

      Так что да, ты не должен забывать меня. Я имею в виду, что я повсюду вокруг тебя, и без меня ты бы не существовал.

      Результаты обучения

      Тщательно изученный, этот урок предназначен для того, чтобы подготовить вас к:

      • Помните определение органической химии
      • Укажите, что изучают химики-органики
      • Объясните, почему углерод так уникален и важен для жизни
      • Перечислите некоторые области, в которых используется органическая химия

      Органическая химия | Факультет химии

      Понимание веществ на основе углерода и разработка экономических, экологически чистых стратегий для производства полезных новых молекул, реакций и материалов

      Стэнфордские химики разрабатывают более эффективные и устойчивые химические вещества, исследуя структуру, свойства и реакции органических соединений и материалов. Новые реагенты и катализаторы делают промышленные процессы более экологичными. Растущее понимание свойств, активности и синтеза натуральных продуктов ведет к потенциально новым терапевтическим средствам в тесном сотрудничестве с исследователями Медицинской школы. Эти передовые разработки основаны на богатом опыте отдела органического синтеза.

      Органический синтез

      Изобретение новых инструментов и методов позволяет создавать сложные молекулы из простых исходных материалов быстрее и с меньшими затратами.Химики из Стэнфорда разрабатывают новые методы синтеза молекул-мишеней с потенциальным применением в качестве новых катализаторов, антибиотиков и противоопухолевых препаратов; атомно-эффективные методы создания новых небелковых катализаторов на основе переходных металлов; новые процессы реакции типа переноса атома и группы для синтеза природных продуктов и химической биологии; и новые подходы к дизайну и синтезу экзотических малых и гигантских молекул для нестандартных свойств. Неуловимые, избирательные реакции на границах современного органического синтеза черпают вдохновение из натуральных продуктов и отвечают на вопросы об их свойствах и действиях.

      Молекулярный дизайн

      Стэнфордские химики являются квалифицированными разработчиками широкого спектра молекул для применения в химическом синтезе, материаловедении и биомедицине. Достижения в синтетических возможностях и эффективности обеспечивают свободу молекулярного дизайна. Химики из Стэнфорда разрабатывают новые реакции, катализаторы и реагенты для более эффективных, селективных и надежных химических превращений; новые молекулярные стратегии для разработки более эффективных лекарств; новые визуализирующие агенты, оптические репортеры и средства молекулярной доставки, позволяющие интегрировать биологические системы и доставлять терапевтические препараты в клетки; новые классы биологических зондов для изучения гликанов клеточной поверхности; флуоресцентные зонды ферментов репарации ДНК в клетках и тканях; и новые классы необычных молекулярных и полимерных материалов с индивидуальными оптическими, электронными, тепловыми и механическими свойствами.

      Зеленая химия

      Используя механистические принципы для разработки новых каталитических стратегий, химики из Стэнфорда синтезируют сложные, полезные макромолекулярные структуры, включая устойчивые полимеры, синтетическое топливо и биологически активные молекулы; и разработать экономически эффективные катализаторы и химические реакции, которые перерабатывают CO2 в топливо и товарные химикаты с использованием возобновляемых источников энергии. Чтобы понять и воспроизвести замечательную специфичность и энергетическую эффективность металлоферментов, химики из Стэнфорда изучают механизм активации кислорода медьсодержащими ферментами.

      Биомедицина

      Исследователи из Стэнфорда используют органические методы для изучения роли сахаров клеточной поверхности и гликозилирования в здоровье, старении и заболеваниях, включая рак; изучить и спроектировать ферментативные сборочные линии, катализирующие биосинтез антибиотиков в бактериях; и разработать нуклеотиды с необычными свойствами, такими как флуоресценция, реактивность ферментов или измененная форма и способность к связыванию, в качестве инструментов для изучения функции нуклеотидов и потенциальных новых зондов для диагностики рака.

      Компьютерное моделирование

      Компьютерные исследования молекул-мишеней с желаемыми свойствами позволяют найти способы создания функционально сходных видов, для синтеза которых требуется меньшее количество шагов — метод, называемый функционально-ориентированным дизайном и синтезом.

      Каковы 5 основных разделов химии?

      Органическая химия

      Органическая химия — это изучение углерода, но она также известна как изучение химии жизни. Жизненно важные биологические молекулы в живых системах в основном представляют собой органические соединения.Не все углеродные реакции являются органическими (см. Неорганическую химию ниже). Органическую химию также можно считать изучением молекул, содержащих связь углерод-водород, и их реакций.

      Познакомьтесь с химиком-органиком Асимой Чатерджи >>

      Неорганическая химия

      В то время как органическая химия изучает углерод, неорганическая химия фокусируется на структурах, не содержащих углерод. Чаще всего эти структуры включают кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий и магний.Неорганическая химия также изучает синтез, реакции, строение и свойства соединений.

      Физическая химия

      Физическая химия изучает поведение материалов на молекулярном и атомарном уровне и протекание химических реакций. На основе своих анализов физико-химики разрабатывают новые теории, например, о формировании сложных структур. Химики-физики часто работают с учеными-материаловедами для исследования и разработки новых материалов.Физические химики сосредотачиваются на понимании физических свойств атомов и молекул и того, как протекают химические реакции.

      Познакомьтесь с профессором физической химии Джоан Файр >>

      Биохимия

      Биохимия — это область применения науки для изучения живых организмов и химических процессов в них. Это лабораторная наука, объединяющая биологию и химию. Используя химические знания и методы, биохимики могут понять и решить биологические проблемы.

      Познакомьтесь с биохимиком Гертрудой Б. Элион >>

      Аналитическая химия

      Аналитическая химия изучает химический состав материалов. Он также разрабатывает инструменты, используемые для изучения химических составов. Он включает в себя мокрую лабораторную химию, а также использование приборов. Аналитическая химия важна в науке, технике, медицине и промышленности.

      Познакомьтесь с Тилли, химиком-аналитиком компании Owlstone Medical, в видео выше.

      искусство и наука воспроизведения молекул живой природы и создания себе подобных в лаборатории

      Proc Math Phys Eng Sci. 2014 8 марта; 470(2163): 20130690.

      Факультет химии, Совместное биологическое исследование, Университет Райса, 6100 Main Street, MS-602, Хьюстон, Техас 77005, США

      Королевским обществом в 2013 г.

      Поступила в редакцию 15 октября 2013 г.; Принято 18 ноября 2013 г.

      Copyright © 2014 Автор(ы) Опубликовано Королевским обществом. Все права защищены. Эта статья цитировалась в других статьях PMC.

      Abstract

      Синтетические органические химики могут воспроизвести некоторые из самых интригующих молекул живой природы в лаборатории и применить свои разработанные синтетические стратегии и технологии для создания их вариаций. Такие молекулы облегчают биологию и медицину, поскольку они часто находят применение в качестве биологических инструментов и кандидатов в лекарства для клинической разработки.Кроме того, используя сложные каталитические реакции и правильно разработанные синтетические процессы, они могут синтезировать не только молекулы природы и их аналоги, но и множество других органических молекул для потенциального применения во многих областях науки, техники и повседневной жизни. После краткого исторического введения в данной статье основное внимание уделяется последним достижениям в области органического синтеза с наглядными примерами тотального синтеза сложных биоактивных молекул, природных или созданных в лабораториях автора, и их влиянию на химию, биологию и медицину.

      Ключевые слова: химия, биология, медицина, натуральные продукты, противораковые средства, нейротоксины

      1. Введение

      Среди того, что имеет наибольшее значение, является сама материя. Поэтому неудивительно, что химия, наука о материи, рассматривается многими как центральная наука, лежащая между физикой и биологией. Его сила проистекает из его способности анализировать и синтезировать молекулы из атомов и других, более или менее сложных молекул. Последняя практика, синтез, имеет первостепенное значение для нашего благополучия, поскольку с ее помощью мы создаем новые химические сущности (т.е. молекулы), из которых мы получаем наши самые ценные материальные объекты. Поддисциплина синтеза — это органический синтез, искусство и наука о создании веществ, природных или искусственных, основным элементом которых является углерод. Флагманом органического синтеза является тотальный синтез, стремление синтезировать молекулы живой природы в лаборатории. Способность человека копировать молекулы живых существ и создавать другие молекулы, подобные им, является выдающимся достижением в истории человечества.Его рождение восходит к 1828 году, когда немецкий химик Фридрих Вёлер, иностранный член Королевского общества (ForMemRS), синтезировал мочевину, пример природного вещества из живого мира [1]. Такие молекулы широко известны как натуральные продукты, термин, обычно относящийся к вторичным метаболитам. Творческая природа тотального синтеза позволила этой дисциплине называться изящным искусством и точной наукой. Производные от него технологии и органический синтез в целом принесли обществу впечатляющую пользу, включая полезные продукты, начиная от фармацевтических препаратов, красителей, косметики и сельскохозяйственных химикатов и заканчивая диагностикой и высокотехнологичными материалами, используемыми в компьютерах, мобильных телефонах и космических кораблях. [2].

      2. Органический синтез в перспективе

      Мир резко изменился за последние два столетия в результате научных открытий и их применения. Одним из самых глубоких из этих открытий является появление органического синтеза, о чем свидетельствует синтез мочевины Вёлером. И хотя его основы восходят к той эпохе, это начальное событие, вместе с развитием структурной теории и аналитических методов, дало импульс его развитию и применению в нескольких областях.Но каковы были условия и основы, позволившие этой науке возникнуть? И откуда они пришли? Чтобы ответить на эти вопросы, мы должны вернуться в древние времена, когда люди практиковали превращения материи как средство для приготовления пищи, лекарств, красок, инструментов и оружия. Артефакты, оставленные древними цивилизациями, такими как египтяне, вавилоняне, греки, римляне и китайцы, свидетельствуют о таких усилиях, хотя не было существенного понимания природы этих преобразований.Однако любопытство к природе побудило древних греков думать и размышлять о материи, практика, которая привела Демокрита к теории атома.

      Последний послужил основой, из которой на заре девятнадцатого века возникла более точная атомная теория английского химика и физика Джона Дальтона, члена Королевского общества (FRS). Теория Дальтона была одним из самых влиятельных теоретических достижений в науке всех времен и дала огромный импульс дальнейшему развитию химии [3].Но прежде чем двигаться вперед во времени, мы должны упомянуть алхимиков и их практики, которые можно проследить до тысячелетий назад на Ближнем Востоке и Востоке и которые преобладали позже, в Средние века, в Европе. Благодаря этим усилиям в восемнадцатом веке медленно возникла современная химия. Среди главных действующих лиц, ответственных за переход от алхимии к современной химии, был уроженец Ирландии Роберт Бойль (FRS), который был и алхимиком, и современным химиком. Он изложил свою философию в своей книге «Скептический химик », которая была опубликована в 1661 году, через год после основания Королевского общества.Бойль продвигал эксперименты, основанные на чистоте, точности и данных.

      Эксперименты и количественный анализ были подняты на более высокий уровень французским химиком Антуаном-Лораном де Лавуазье (ForMemRS), которого многие считают отцом современной химии, а Бойля считают дедушкой. Лавуазье описал свою химическую философию и методы в своем труде Traité Élémentaire de Chimie , который послужил основой для возникновения современной химии. Его химия была в основном неорганической и основывалась на сжигании и элементном анализе.Лавуазье опубликовал список химических элементов, но не смог отличить их от атомов; последнему пришлось ждать атомной теории Дальтона и последующих разработок, которые утвердились в девятнадцатом веке. Среди этих достижений было появление органической химии, раздела химии, изучающего органические соединения, состоящие из углерода и некоторых других элементов, чаще всего водорода, кислорода, азота, серы, фосфора и галогенов.

      Химия натуральных продуктов зародилась в восемнадцатом веке прежде всего благодаря работе аптекарей, фармацевтов того времени, среди которых наиболее выдающимся был швед Карл Вильгельм Шееле. Ему, помимо того, что ему приписывают идентификацию кислорода, он открыл несколько встречающихся в природе органических кислот, включая лимонную, галловую, яблочную, молочную, щавелевую и мочевую кислоты. Шееле также разработал важные практические лабораторные методы, такие как дистилляция и кристаллизация.

      К началу девятнадцатого века была подготовлена ​​почва для появления органической химии вообще и органического синтеза в частности. Таким образом, в дополнение к развитию атомной теории Дальтона возник ряд других важных открытий и идей, которые в конечном итоге привели к пониманию строения молекулы и искусству ее синтеза.В число первоначальных выдающихся вкладов в создание основ современной химии входят работы английского химика Хамфри Дэви (FRS и президент Королевского общества), шведского химика Йонса Якоба Берцелиуса (ForMemRS), английских химиков Александра Уильямсона (FRS) и Уильяма Одлинг (FRS) и французский химик и физик Жозеф Гей-Люссак (ForMemRS). Их теории и открытия послужили основой для дальнейших достижений, включая различие между атомным и эквивалентным весом, структурную теорию и тетраэдрическую природу углерода. Среди главных действующих лиц этих разработок были французские химики Жан-Батист Андре Дюма (ForMemRS), Огюст Лоран, Шарль Герхардт, Жозеф Ле Бель и К. Адольф Вюрц (ForMemRS), немецкий химик Фридрих Август Кекуле (ForMemRS), итальянские химики Амедео Авогадро и Станислао Канниццаро ​​(ForMemRS), российский химик Дмитрий Менделеев (ForMemRS), французский физик, химик и математик Жан-Батист Био (ForMemRS), французский химик и микробиолог Луи Пастер (ForMemRS) и голландский химик Якобус Вант-Гофф (ForMemRS) [1,3].

      3. Появление и эволюция органического синтеза и полного синтеза

      Развитие экспериментальных методов практической химии и открытие природных веществ, таких как мочевина, хинин, морфин и стрихнин, в конце восемнадцатого и начале девятнадцатого веков заложили основы и послужили толчком к возникновению органического синтеза [1].

      Как упоминалось выше, первым натуральным продуктом, синтезированным в лаборатории, была мочевина (молекулярную структуру мочевины и других важных молекул, упомянутых в этой статье, см. ).Это знаменательное событие, хотя и случайное открытие, означало, что человек может создавать органические соединения, молекулы живой природы, в лаборатории и без помощи живых существ или их органов. Эта важная особенность привела к падению витализма, пониманию явления изомерии и к революции в науке, получившей название органического синтеза. Поскольку мочевина была природным органическим соединением, веха ее синтеза также знаменует собой рождение полного синтеза, поддисциплины органического синтеза, связанной с построением природных органических молекул.За достижением синтеза мочевины Вёлером последовал полный синтез уксусной кислоты, природного продукта, содержащего два атома углерода (в отличие от мочевины), немецким химиком Германом Кольбе (ForMemRS) в 1845 году.

      Выберите исторические вехи достижения полного синтеза (* формальный полный синтез).

      Вскоре после своего появления появление органического синтеза породило сначала красильную промышленность, а затем фармацевтическую промышленность с синтезом и коммерциализацией лилового (или мовеина) и ацетилсалициловой кислоты (аспирина), соответственно, вызвав эти промышленные революции. Первое открытие было сделано, также по счастливой случайности, английским химиком Уильямом Генри Перкином (FRS) во время его попыток синтезировать хинин (чудесный натуральный продукт, используемый в качестве лекарства для лечения малярии), используя ошибочный рецепт. В то время Перкин был учеником немецкого химика Августа Вильгельма фон Хофмана (FRS), который основал и руководил Королевским химическим колледжем в Лондоне по приглашению королевы Виктории. Второе открытие было сделано немецким химиком Феликсом Хоффманном в компании Bayer и было основано на выделении и выяснении структуры салицина, активного болеутоляющего ингредиента коры ивы, лечебные свойства которого были известны с древних времен [2].

      Действительно, натуральные продукты сыграли решающую роль в возникновении и развитии органического синтеза с момента его зарождения до наших дней. Таким образом, с первых дней элементного анализа природных продуктов эти вещества очаровали и бросили вызов химикам-органикам, сначала их структурным объяснением, а затем их полным синтезом. К началу двадцатого века химики синтезировали, помимо мочевины и уксусной кислоты, множество природных и искусственных молекул, включая индиго, ализарин, глюкозу, кониин и салициловую кислоту, предшественник ацетилсалициловой кислоты.Они также открыли несколько новых реакций и применили их к синтезу широкого спектра органических соединений, включая многие производные бензола, известные под общим названием ароматические соединения [1–3].

      Крупнейшие достижения в области органического синтеза и полного синтеза последних десятилетий XIX века получили широкое признание и заслуженное признание, что подтверждается двумя Нобелевскими премиями по химии, присужденными за первые 5 лет существования премии [4]. Первый был вручен немецкому химику Эмилю Фишеру (ForMemRS) в 1902 году «в знак признания выдающихся заслуг, которые он оказал своей работой по синтезу сахара и пуринов», а второй — немецкому химику Адольфу фон Байеру (ForMemRS) в 1905 году «в знак признания за его заслуги в развитии органической химии и химической промышленности, благодаря его работе над органическими красителями и гидроароматическими соединениями». Еще много Нобелевских премий будут присуждаться с заметной частотой и регулярностью, отражая впечатляющие достижения в этих областях, которые постоянно совершались на протяжении двадцатого века, подчеркивая их важность для науки и общества. Эти успехи стали возможными не только благодаря открытиям и изобретениям в области органического синтеза с точки зрения новых синтетических реакций, методов и стратегий, но и благодаря совершенствованию аналитических методов и инструментов, а также теорий, которые привели к лучшему пониманию природа химической связи [5] и химическая активность.Выделение и структурное объяснение новых молекулярных архитектур из природных источников послужили топливом и источником вдохновения для практиков тотального синтеза. Среди наиболее важных новых реакций, открытых в первой половине двадцатого века, были каталитическая реакция гидрирования ненасыщенных углерод-углеродных связей французским химиком Полем Сабатье (ForMemRS) и реакция Гриньяра для образования углерод-углеродных связей французским химиком. химик Виктор Гриньяр. Сабатье и Гриньяр разделили Нобелевскую премию по химии 1912 года за свои новаторские и влиятельные открытия.Еще одним очень влиятельным открытием той эпохи была реакция Дильса-Альдера (циклоприсоединение 4 + 2 для построения соединений с шестичленным кольцом), сделанная немецкими химиками Отто Дильсом и Куртом Альдером в 1928 году. Их работа была отмечена в 1950 году Нобелевской премией по химии. . Был синтезирован ряд относительно сложных алкалоидов природного происхождения, в том числе тропинон, хинин, морфин и стрихнин. Полный синтез стрихнина был осуществлен американским химиком Робертом Бернсом Вудвордом (ForMemRS), крупной фигурой, возглавившей революционное движение в этой области в 1950-х и 1960-х годах, кульминацией которого стало его признание Шведской королевской академией наук с Нобелевской премией 1965 года. кандидат химических наук «за заслуги в области органического синтеза» [6].К тому времени, помимо стрихнина, он синтезировал хинин (формальный полный синтез), резерпин, хлорофилл и цефалоспорин, а затем завершил полный синтез витамина B 12 , самого сложного природного продукта, который можно воспроизвести в организме. лаборатории в то время в сотрудничестве со швейцарским химиком Альбертом Эшенмозером (ForMemRS) [7]. Вклад Вудворда также включал внедрение современных приборов для структурной очистки и разъяснения, а также теоретические аспекты органической химии, например, правила Вудворда-Хоффмана.

      Тем временем впечатляющий успех пенициллина как антибиотика, спасающего жизнь, дал толчок к открытию широкого спектра новых биологически активных натуральных продуктов из микроорганизмов, у руля которых сначала стояли фармацевтические компании, а вскоре к ним присоединятся академические институты. Многие из этих соединений стали клиническими средствами для лечения болезней, а некоторые используются даже сегодня. Их привлекательность привлекла внимание синтетических химиков-органиков второй половины двадцатого века и привела к крупным достижениям в области полного синтеза.Человеческие гормоны, такие как стероиды и эйкозаноиды (например, простагландины, тромбоксаны и лейкотриены), играли ту же роль, что и натуральные продукты, полученные из растений и микробов, стимулируя и вдохновляя молодых практиков, начинающих работать в этой области. Одним из таких практиков был американский химик Элиас Дж. Кори (ForMemRS), чей легендарный вклад помог сформировать органический синтез решающим образом во второй половине двадцатого века. Его достижения включали введение теории ретросинтетического анализа, разработку нескольких новых синтетических методов, реагентов и катализаторов, а также полный синтез многочисленных биоактивных природных веществ, в том числе нескольких представителей классов простагландинов, лейкотриенов и макролидов, гинкголида В, майтанзина. и эктеинацидин 743.Кори был удостоен Нобелевской премии по химии в 1990 г. «за разработку теории и методологии органического синтеза» [8–10].

      Вторая половина двадцатого века стала свидетелем впечатляющих достижений в области новой синтетической методологии, которая подняла искусство органического синтеза на более высокий уровень элегантности, практичности и эффективности. Эти новые методы облегчили исследовательские исследования, разработку продуктов и производство фармацевтических препаратов и других тонких химикатов, которые принесли пользу обществу. Среди наиболее мощных из этих полезных реакций — реакция Виттига для построения углерод-углеродных двойных связей, разработанная немецким химиком Георгом Виттигом, и реакция гидроборирования, разработанная американским химиком Гербертом К. Брауном. Браун и Виттиг разделили Нобелевскую премию по химии 1979 года «за разработку использования бор- и фосфорсодержащих соединений соответственно в важных реагентах в органическом синтезе». Вклад английского химика сэра Дерека Х. Р. Бартона (FRS) и норвежского химика Одда Хассела в конформационный анализ сыграл важную роль в формировании нашего понимания молекулярной структуры, которая способствовала химической реакционной способности и селективности.Открытия Бартона вышли далеко за рамки стереохимии и проникли в другие области органического синтеза, такие как биомиметические реакции окислительного сочетания и радикальная химия. Его новаторские исследования в последней области включали методы деоксигенации и оксигенации (активация / функционализация C-H), которые оказались очень полезными и вдохновляющими химиков-органиков его и последующих поколений. Бартон и Хассель разделили Нобелевскую премию по химии 1969 года «за вклад в развитие концепции конформации и ее применение в химии».Американский химик Гилберт Сторк (ForMemRS) и Альберт Эшенмозер внесли новаторский вклад в органический синтез, имеющий теоретическое и практическое значение. Так, в 1955 году они независимо друг от друга предложили так называемую гипотезу Сторка-Эшенмозера, утверждающую, что полиненасыщенные молекулы, обладающие всеми транс- олефиновыми связями (например, оксид сквалена, биосинтетический предшественник стероидных гормонов), должны подвергаться стереоспецифической циклизации, чтобы снабдить полициклическую систему всеми Стереохимия слияния колец транс (например,грамм. транс , транс , транс для даммаратиенола, продукта циклизации сквалена). Позже эта гипотеза была экспериментально подтверждена У. С. Джонсоном, который осуществил первый биомиметический полный синтез прогестерона в 1971 году. Аист внес несколько других конструктивных вкладов в органический синтез, включая стереоконтроль, каскадные радикальные реакции и полный синтез. Вклад Эшенмозера в органический синтез столь же впечатляет и включает реакции регио- и стереоконтроля, разработку методов, химию коррина и вышеупомянутый знаковый общий синтез витамина B 12 .Другие важные реакции включают процессы образования фосфатных и амидных связей, открытые американским биохимиком индийского происхождения Х. Гобиндом Хораной (ForMemRS; Нобелевская премия по физиологии и медицине 1968 г., разделенная с американскими биохимиками Робертом У. Холли и Маршаллом У. Ниренбергом) и американским биохимиком. Р. Брюс Меррифилд (Нобелевская премия по химии 1984 г.) за синтез олигонуклеотидов и пептидов соответственно. Между тем, каталитические асимметричные реакции окисления, восстановления и множество других важных процессов (Нобелевская премия по химии 2001 года присуждена американскому химику К.Барри Шарплесс, японский химик Рёдзи Ноёри (ForMemRS) и американский химик Уильям С. Ноулз), реакции метатезиса (Нобелевская премия по химии 2005 г. присуждена американским химикам Роберту Х. Граббсу и Ричарду Р. Шроку (ForMemRS) и французскому химику Иву Шовену) за построение олефиновых связей и циклических структурных мотивов и полимеров, а также катализируемые палладием реакции образования перекрестных связей углерод-углерод (Нобелевская премия по химии 2010 г. присуждена американскому химику Ричарду Ф. Хеку и японским химикам Эй-ити Негиши и Акира Судзуки ) изменили то, как химики-синтетики думали и практиковали свою науку.

      Влияние органического синтеза на науку и технику не ограничивается биологией и медициной. Он охватывает многие другие научные и технологические начинания и способствует их совершенствованию, охвату и досягаемости. Среди наиболее заметных областей, которые получили огромную пользу от применения органического синтеза, — молекулярное распознавание и супрамолекулярная химия, материаловедение, нанотехнологии и химическая биология. Действительно, вселенная соединений, синтезированных с помощью органического синтеза, природных и искусственных, очень велика и может быть почти бесконечной. Отражением прогресса, достигнутого в органическом синтезе в последние годы, являются многочисленные элегантные полные синтезы биологически и медицинских важных молекул, достигнутые в лабораториях по всему миру [11–15].

      4. Усилия по полному синтезу

      Выбор целевой молекулы из множества натуральных продуктов для полного синтеза практикующим специалистом зависит от новизны ее молекулярной структуры, биологической активности и природного дефицита, среди других критериев.Таким образом, некоторые химики-синтетики могут захотеть использовать структуру молекулы как возможность открыть и разработать новые реакции для неудовлетворенных потребностей в органическом синтезе, чтобы построить его необычные или чувствительные структурные мотивы. Другие могут быть заинтересованы в исследовании и разработке дефицитного биологически активного природного продукта или его разновидности в качестве биологического инструмента или фармацевтического препарата-кандидата для разработки в качестве клинического средства для использования против болезней. И все же другие, возможно, пожелают провести кампанию полного синтеза интеллектуального вызова и явного волнения, которое он обеспечивает.К этим причинам следует добавить образование и обучение молодых студентов и навыки решения проблем, которые они приобретают в ходе таких усилий, а также ценность фундаментальных открытий, которые часто делаются посредством логических рассуждений или интуиции.

      Попытки полного синтеза могут быть более или менее сложными в зависимости от сложности целевой молекулярной структуры. Простые и химически стабильные молекулы легче поддаются синтезу, чем молекулы со сложной и лабильной архитектурой.Однако сложность не всегда означает размер, когда речь идет о молекулах и их конструкции. Таким образом, меньшая молекула с необычными связями атомов и структурными мотивами всегда представляет больше проблем для химиков-органиков, чем молекула, обладающая более крупной, но повторяющейся структурой, такой как полимер, полипептид или полинуклеотид.

      Чем сложнее кажется полный синтез, тем больше у него шансов открыть и изобрести новые синтетические стратегии и технологии. И чем выше важность биологии и медицины молекулы-мишени, тем богаче, вероятно, будет урожай преимуществ и вознаграждений за усилия. Такие кампании часто превращаются в интересные химико-биологические исследования и программы открытия лекарств посредством молекулярного дизайна и синтеза аналогов природного продукта. Избранные молекулы-мишени, показанные в, являются лишь некоторыми из тех, которые были созданы в наших лабораториях на протяжении многих лет [16]. Случаи калихеамицина ( 1 ), таксола ( 2 ) и бреветоксина В ( 3 ) являются примерами общих усилий по синтезу, которые мы проводили, и будут освещены ниже.

      Избранные молекулы, синтезированные в лабораториях автора.

      5. Полный синтез калихеамицина

      Калихеамицин ( 1 , ) — удивительная молекула, интрига которой связана не только с ее феноменальными цитотоксическими свойствами и потенциалом в качестве противоракового агента, но также с ее потрясающей молекулярной архитектурой и увлекательным механизмом действия. действие. На момент выделения из Micromonospora echinospora ssp. calichensis в 1980-х годах, ни его структура, ни его механизм действия не были прецедентами.Особенно поразительными были 10-членные ендииновые, олигосахаридные и трисульфидные структурные мотивы молекулы калихеамицина, все три из которых вовлечены в механизм его действия, приводящий к летальным двухцепочечным разрезам генетического материала (двойной спирали ДНК). Этот механизм можно сравнить с механизмом управляемой ракеты, в которой ендииновая часть действует как взрывная нагрузка (генерируя реактивные бирадикалы бензоидов посредством циклоароматизации Бергмана), олигосахаридный домен — как система доставки (связываясь с малой бороздкой ДНК) и трисульфид устройство как пусковое устройство (инициирующее при активации реакцию циклоароматизации Бергмана).Имея все эти изысканные функции, мы подготовили почву для того, что, как мы ожидали, станет захватывающим приключением, когда мы отправились в путь к полному синтезу калихеамицина в конце 1980-х годов. Действительно, с самого начала мы понятия не имели, сможем ли мы когда-нибудь добраться до пункта назначения, поскольку проблемы, стоящие перед нами, были огромными и непредсказуемыми из-за демонической сложности молекулы и ее потенциальной химической нестабильности.

      Особенности полного синтеза калихеамицина: ( a ) в ретросинтетическом формате и ( b ) в прямом синтетическом формате.

      Каким бы трудным и трудным ни был парус, 5 лет спустя он триумфально привел нас к калихеамицину, нашей молекулярной «Итаке». Самое главное, что мы прибыли туда намного поумневшими и вполне довольными щедростью открытий и изобретений, собранных в пути. Эти награды пришли в виде новых синтетических методов и стратегий, разработанных аналогов калихеамицина, обладающих сходными биологическими свойствами, несмотря на их более простую структуру, и окончательного подтверждения первоначально заданной структуры натурального продукта.Детали нашего полного синтеза калихеамицина были опубликованы и рассмотрены на других форумах [17-19] и, следовательно, не будут рассматриваться здесь, кроме основных моментов, описанных в . Как показано в и в ретросинтетическом формате, ряд разъединений стратегических связей позволил определить набор строительных блоков (т.е. 4 , 11 16 , b ), которые были сконструированы, соединены и соответствующим образом обработаны до двух более крупных промежуточных соединений: ендиинового фрагмента 10 и олигосахаридного фрагмента 17 .Затем эти два домена были соединены посредством реакции гликозидирования, чтобы получить весь каркас молекулы в требуемом пространственном расположении атомов. Это передовое промежуточное соединение затем трансформировали в синтетический калихеамицин ( 1 ), идентичный во всех отношениях (энантиомерный, хроматографический, спектроскопический и масс-спектрометрический) природному веществу. Группа Danishefsky сообщила о втором синтезе калихеамицина [20].

      Попытка полного синтеза калихеамицина оказалась восхитительно богатой фундаментальными и прикладными знаниями. Таким образом, были разработаны новые синтетические стратегии и технологии для конструирования беспрецедентных структурных мотивов молекулы, а также разработан, синтезирован и протестирован ряд аналогов на их способность расщеплять двухцепочечную ДНК и убивать опухолевые клетки. В целом, наши синтетические исследования калихеамицина заложили основы, которые сформировали эндииновую область противоопухолевых антибиотиков [21]. Эта область по-прежнему вызывает большой интерес как у ученых, так и у клиницистов, поскольку появляются новые природные и созданные природой и лабораторные исследования.

      Одним из самых многообещающих новых природных находок является унциаламицин, дефицитный эндииновый противоопухолевый антибиотик, недавно выделенный из морского существа. Наши первые полные синтезы унциаламицина [22, 23], которые привели к его полному структурному назначению, в настоящее время оптимизируются и используются в качестве средства для производства этого природного продукта и его аналогов в больших количествах, а также в качестве потенциальной полезной нагрузки для конъюгации с антителами. Такие конъюгаты антител с лекарственными средствами (ADC) недавно были провозглашены потенциальными «волшебными пулями» для направленной химиотерапии рака [24].Первым препаратом ADC, одобренным для клинического применения в начале 1990-х годов, был гемтузумаб озогамицин (Mylotarg; Wyeth/Pfizer), конъюгат антитело-линкер-калихеамицин, направленный против острого миелоидного лейкоза. Хотя позже Милотарг был отозван из-за соображений эффективности/безопасности, он оказался вдохновляющим и путеводным. Сегодня на рынке есть по крайней мере два препарата ADC для химиотерапии рака: брентуксимаб ведотин (Adcetris; Seattle Genetics и Millennium/Takeda; против распространенной лимфомы Ходжкина) и трастузумаб эмтансин (Kadcyla; Genentech/Roche; против HER2-позитивной молочной железы на поздних стадиях). рак).Многие другие кандидаты в препараты ADC в настоящее время находятся на разных стадиях разработки [24].

      6. Полный синтез таксола

      Легендарные противораковые свойства таксола (паклитаксела) сочетаются с интригой его открытия и разработки в качестве противоракового препарата во второй половине двадцатого века. Первоначально выделенный из Taxus brevifolia (тихоокеанский тис) и структурно охарактеризованный в начале 1970-х годов, таксол оставался научной диковинкой до тех пор, пока в начале 1980-х годов не был признан его антимитотический механизм действия в качестве противоопухолевого агента.Последнее открытие дало импульс его клинической разработке, и в начале 1990-х он стал одобренным лекарством. В настоящее время таксол является одним из наиболее эффективных и широко используемых противоопухолевых препаратов при различных видах рака, который вводят пациентам отдельно или в комбинации с другими препаратами. Естественная нехватка молекулы в ее первоначальном источнике в сочетании с ожидаемым спросом на лекарство вызвала необходимость в его лабораторном синтезе в 1980-х годах, что было сорвано огромной сложностью задачи из-за ее молекулярной сложности.Действительно, многочисленные группы по всему миру приступили к его полному синтезу в то время, а другие по сей день продолжают быть заинтригованы его структурой как синтетической мишенью. Важность и привлекательность таксола не ускользнули от нас, и в начале 1990-х годов мы инициировали кампанию по его синтезу, которая завершилась первым опубликованным полным синтезом таксола в 1994 году [25].

      Стратегия, разработанная для синтеза таксола, была основана на принципе конвергенции, что означает, что ряд ключевых строительных блоков должен был быть определен, сконструирован и последовательно соединен, а полученные промежуточные соединения выращены и усовершенствованы для получения конечной целевой молекулы.Эта стратегия, представленная в ретросинтетическом формате в виде и , определяла посредством указанных разъединений стратегических связей строительные блоки 22 , 27 и 32 ( b ). Эти промежуточные соединения были сконструированы, объединены и обработаны, как указано в b , посредством серии ключевых реакций, обозначенных стрелками. Так, два [4+2]-циклоприсоединения (реакции Дильса–Альдера) были использованы для превращения исходных соединений 18 и 19 и 23 и 24 в циклогексеновые системы 21 и 26 переходные состояния через 20 и 25 соответственно. Каждый из этих процессов был примечателен по разным причинам. Первый привел к ожидаемому (из правил реакции Дильса-Альдера) региоизомеру, кольцу А ( 21 ), несмотря на сильное стерическое скопление вокруг двух соседних тетразамещенных (четвертичных) углеродных центров в этом соединении. Второе [4+2]-циклоприсоединение, ведущее после дальнейшей перегруппировки к кольцу С ( 26 ), впечатляло региохимической исключительностью, благодаря которой оно происходило вследствие временного связывания бора, которое правильно ориентировало два реагента-партнера в пространство, как показано на 25 .Последующая разработка 21 и 26 предоставила необходимые строительные блоки 22 и 27 соответственно. Связывание этих ключевых строительных блоков посредством реакции Шапиро стереоселективно привело к продукту 28 . Дальнейшая обработка последнего соединения дала бисальдегид 29 , замыкание кольца которого в присутствии свежеобразованного металлического титана дало желаемую систему колец ABC растущей молекулы 30 посредством процесса, известного как реакция Мак-Мерри. Этот улучшенный промежуточный продукт был затем подвергнут дальнейшей обработке, что привело к соединению 31 , которое было селективно связано с β -лактамом 32 с получением после соответствующего снятия защиты синтетического таксола ( 1 ), идентичного во всех отношениях натуральный продукт. В последней реакции связывания β -лактам служил заменителем боковой цепи таксола, как и ожидалось на основании хорошо известного химического состава этого структурного мотива. Действительно, такая же реактивность проявляется в антибактериальном механизме действия пенициллина и других β -лактамных антибиотиков.Дополнительные стратегические и экспериментальные детали нашего полного синтеза таксола можно найти в оригинальных публикациях и нескольких обзорах [19,25,26].

      Особенности полного синтеза таксола: ( a ) в ретросинтетическом формате и ( b ) в прямом синтетическом формате.

      Помимо нашего полного синтеза, Holton et al. сообщил о ряде других элегантных полных синтезов таксола. [27], Danishefsky и др. [28], Wender и др. [29], Mukaiyama и др. [30] и Куваджима с сотрудниками [31]. В совокупности эти достижения продвинули искусство и науку органического синтеза, позволили разработать и синтезировать многочисленные аналоги таксола, а также способствовали биологическим исследованиям и усилиям по открытию лекарств в этой области, включая идентификацию биологических инструментов и кандидатов в лекарства. В дополнение к методологическим разработкам и облегчению биологии и медицины, полный синтез таксола служил для демонстрации высокого уровня техники полного синтеза в то время и послужил источником вдохновения для дальнейших достижений в этой области.

      7. Полный синтез бреветоксина B

      Давно известное явление «красного прилива», первый пример которого, возможно, упоминается в Библии, часто является причиной крупных катастроф, связанных с экологическим ущербом, массовой гибелью рыбы и отравлением людей. и других живых существ через потребление морепродуктов. Двумя наиболее известными ядами, связанными с этими угрожающими явлениями, являются сильнодействующий нейротоксин бреветоксин B ( 3 ) и родственная ему молекула бреветоксин A.

      Основные моменты полного синтеза бреветоксина B: ( a ) в ретросинтетическом формате и ( b ) в прямом синтетическом формате.

      Вырабатываемый динофлагеллятом Karenia brevis , бреветоксин B ( 3 ) был выделен и структурно изучен в 1981 году. Его молекулярная структура представляет собой потрясающе красивую совокупность атомов углерода, кислорода и водорода, расположенных точно в пространстве в виде лестницы. массив из 11 колец, размером от шести до восьми членов.Такие структуры были беспрецедентными в то время, и, как таковые, они бросали вызов и вдохновляли синтетических химиков-органиков, чье стремление продвинуть свою науку на более высокий уровень сложности часто подпитывается открытиями новых структурных мотивов в природе. Действительно, это было нашей главной мотивацией приступить к кампании полного синтеза бреветоксина B [32–34], а затем и его родственного родственного бреветоксина A [19,35].

      Ошеломляющая молекулярная структура бреветоксина В означала отсутствие подходящих методов его конструирования, в частности структурных единиц циклического эфира разного размера.Такое положение дел требовало поиска таких методов в качестве предварительного условия перед любой серьезной попыткой разработать стратегию синтеза молекулы. Этот поиск был плодотворным и привел к большому количеству новых синтетических методов конструирования циклических эфиров, общих структурных мотивов в природных и созданных молекулах, имеющих биологическое и медицинское значение. Эти синтетические технологии и стратегии подробно описаны в предыдущих статьях и не будут далее комментироваться здесь, за исключением двух, которые сыграли ключевую роль в синтезе бреветоксина B и других морских биотоксинов, подобных лестнице.Это регио- и стереоспецифическое внутримолекулярное раскрытие гидроксиэпоксидов, несущих олефиновую связь рядом с эпоксидной углерод-кислородной связью, которая подвергается начальной нуклеофильной атаке с образованием тетрагидропирановых систем (структурные мотивы шестичленного циклического эфира), и гидроксидитиокетальная циклизация, приводящая к к оксоценовым системам (восьмичленные циклические эфирные структурные мотивы).

      Вооружившись нашими недавно разработанными синтетическими технологиями, мы смогли разработать успешную стратегию в отношении нашей целевой молекулы бреветоксина B [32,33], но не раньше трудной одиссеи продолжительностью 12 лет, полной невообразимых приключений и волнений [34 ].резюмирует разработанную синтетическую стратегию как в ретросинтетическом формате ( a ), определяющем исходные материалы и ключевые строительные блоки, так и в прямом синтетическом направлении ( b ), что позволяет связывать и дорабатывать построенные строительные блоки с конечная молекула-мишень.

      Таким образом, как показано в b , общий синтез бреветоксина В начался с d-маннозы ( 34 ), легкодоступного исходного материала, который обеспечивал соответствующую хиральность для достижения целевой молекулы в ее встречающейся в природе энантиомерной форме.Этот материал был переработан в гидроксиэпоксид 35 , который прекрасно послужил предшественником следующего желаемого промежуточного соединения, трициклической системы 36 , посредством катализируемого кислотой регио- и стереоселективного раскрытия гидроксиэпоксида в соответствии с нашими специально разработанными условиями для образования тетрагидрофурана. как указано выше. Последний затем был преобразован в кольцевую систему IJK альдегид дитиокеталь 37 в ожидании соединения с более крупным фрагментом ABCDEFG ( 41 ), построение которого началось с 2-дезокси-d-рибозы ( 38 ), еще одного легко доступный исходный материал, обладающий правильной хиральностью для наших целей, и проходил через промежуточные соединения 39 и 40 .Усовершенствованные ключевые промежуточные соединения 37 и 41 затем были связаны с помощью реакции Виттига с образованием гидроксидитиокеталя 42 , замыкание кольца которого под действием перхлората серебра привело сначала к этилтиооксоценовой системе 43 , а затем посредством соответствующих химических превращений. , в кольцевую систему ABCDEFGHIJK 44 , содержащую всю ундекациклическую кольцевую структуру бреветоксина B. Дальнейшая разработка последнего предшественника привела к получению синтетического бреветоксина B ( 3 ), идентичного во всех отношениях встречающемуся в природе веществу. В 1995 г. сообщалось, что за полным синтезом бреветоксина B [33,34] последовал наш общий синтез бреветоксина A [35]. После нашей работы группы Наката и Ямамото осуществили второй и третий полный синтез бреветоксина В соответственно [36,37], а группа Кримминса добилась второго полного синтеза бреветоксина А [38].

      Проект по бреветоксину В оказался восхитительно обогащенным знаниями и запасами этого дефицитного биотоксина. Что наиболее важно, это подготовило почву для дальнейших достижений в области морских нейротоксинов, подобных лестнице, семейство которых в настоящее время насчитывает более 50 членов и продолжает расти.Помимо бреветоксинов B и A, несколько других членов этого класса были получены рядом групп путем полного синтеза, включая гемибреветоксин, сигуатоксин 3C, гамбиерол, гимнозин A, бреверал и азаспирациды. Эти работы были рассмотрены Nicolaou et al. [39]. Кроме того, были синтезированы крупные фрагменты майтотоксина (см. молекулярную структуру), крупнейшего члена лестничного семейства морских биотоксинов [40].

      Молекулярные структуры майтотоксина и мочевины.

      8. Перспективы на будущее

      С момента своего создания в 1828 году органический синтез находился в постоянном движении, продвигаясь к новым уровням производительности и достижениям с точки зрения молекулярной сложности и разнообразия [16,41]. Его приложения были столь же впечатляющими и продолжают расширяться в новых областях, тем самым увеличивая его влияние на науку и общество. Так, из крошечной молекулы мочевины (CH 4 N 2 O, см. ), содержащей один атом углерода и не имеющей стереогенного участка, химики-органики нашего времени осмеливаются пытаться синтезировать гигантские молекулы, такие как молекула майтотоксина. (C 164 H 256 O 68 S 2 Na 2 , см. ), крупнейший вторичный метаболит, открытый до сих пор в природе, имеющий 164 атома углерода и 99 участков стереоизомерии [40].А из красителей и фармацевтических препаратов органический синтез стал основой целого нового поколения научных разработок и отраслей, включая полимеры и пластмассы. Попытки полного синтеза позволили получить множество более или менее сложных биологически активных молекул (природных или созданных) для биологических и фармацевтических исследований. Другие синтетические усилия сделали доступными биомолекулы, такие как нуклеиновые кислоты, белки и полисахариды, а также их меньшие родственники олигонуклеотиды, пептиды и углеводы.Тонкие химикаты, используемые в качестве топлива, пестициды и гербициды, диагностические и медицинские приборы, витамины, парфюмерия, косметика, ткани и всевозможные высокотехнологичные материалы, используемые в телевизорах, компьютерах и других информационных технологиях, транспортных и космических машинах, также являются продуктами органический синтез.

      Последнее применение стало возможным только благодаря достижениям в области органического синтеза. Поэтому крайне важно продолжать развивать эту дисциплину ради нее самой и постоянно придумывать новые области ее применения.Первая цель находится в умах и руках практиков органического синтеза, тех, кто посвящает свои усилия открытию и изобретению новых синтетических реакций, методов и стратегий. Действительно, их творчество и воображение уже нацелены на новые направления и амбициозные цели. Среди них каскадные реакции, активация/функционализация С-Н, стратегии биомиметического синтеза, новые металл- и органокаталитические реакции и зеленая химия. В идеале конечной целью практиков органического синтеза должно быть стремление поднять свое искусство и науку до стандартов природы и выше с точки зрения эффективности, практичности и элегантности.

      Последняя цель, заключающаяся в разумном применении возможностей органического синтеза на благо других дисциплин и общества, может быть лучше всего достигнута благодаря изобретательности и воображению тех же самых практиков искусства синтеза или других ученых и инженеров, чьи потребности могут быть выполнены с помощью средств органического синтеза. Однако наиболее эффективным способом создания новых приложений и продуктов являются междисциплинарные и междисциплинарные исследовательские программы, в которых участвуют ученые из разных дисциплин и обладающие перекрывающимся и взаимодополняющим опытом. Прекрасным примером такого сотрудничества является то, что в настоящее время практикуется среди химиков, биологов и клиницистов в процессе открытия и разработки лекарств. По мере того, как к этому процессу будет привлекаться все больше ученых, ожидается, что появятся новые парадигмы, в которых будут участвовать, помимо химиков, биологов и клиницистов, другие специалисты, такие как специалисты по вычислениям, биоинформатики, инженеры и логики, среди прочих. Их совместные и интегрированные усилия должны привести к улучшению практики открытия и разработки лекарств с более высокой производительностью, меньшими затратами и более высокими шансами на успех в клинике для кандидатов в лекарства.Тем временем активизируются другие аналогичные трансдисциплинарные программы, включая совместные исследования химиков, физиков и материаловедов в области нанотехнологий. Кроме того, можно также представить несколько других серьезных проблем, которые могут выиграть от решений, обеспечиваемых благодаря вкладу органического синтеза. Эти проблемы включают производство продуктов питания, источники энергии и защиту окружающей среды с помощью зеленой химии и других средств.

      Я искренне надеюсь, что в этой краткой перспективе мне удалось, по крайней мере частично, объяснить сущность, цель и социальное влияние органического синтеза более широкому кругу читателей этого журнала Королевского общества.Прогресс, достигнутый в этой области за ее почти двухвековую историю, впечатляет, но, учитывая ошеломляющую молекулярную сложность и разнообразие молекул, которые природа может синтезировать с такой восхитительной элегантностью и эффективностью, мы должны признать, что наше мастерство и мастерство в этом искусстве глубоко неадекватный. Мы можем только гадать, что основатель органического синтеза Фридрих Велер думал о его прогрессе, нынешнем уровне техники и его перспективах на будущее. Я подозреваю, что, хотя он был бы счастлив и доволен, он бы побуждал нас продолжать достигать более высоких уровней сложности и на новых пастбищах в поисках дальнейших открытий и применений нового и старого.

      Благодарности

      Моя искренняя благодарность и глубокая признательность моим многочисленным ученикам, чьи совместные усилия привели к достижениям, описанным в этой статье, и имена которых можно найти в приведенных ниже ссылках и цитируемых в ней документах. Я также хочу выразить благодарность различным агентствам, компаниям и благотворителям, чьи имена можно найти в оригинальных публикациях, за поддержку наших исследовательских программ на протяжении многих лет. И последнее, но не менее важное: я в долгу перед моими учителями и наставниками за их постоянное руководство и вдохновение, а также перед моей женой Жоржеттой, моей дочерью Колетт, моими сыновьями Алексом, Кристофером и П.J., и моего внука, Николя, за их постоянную поддержку и безусловную любовь.

      Заявление о финансировании

      Эта работа была частично поддержана Национальным институтом здравоохранения США, Институтом химической биологии Скаггса и Техасским научно-исследовательским институтом профилактики рака (CPRIT).

      Профиль автора

      К. К. Николау получил степень бакалавра наук в Бедфорд-колледже и степень доктора философии в Университетском колледже Лондонского университета под руководством Питера Гарратта и Франца Зондхеймера (FRS).Впоследствии он проводил исследования в качестве научного сотрудника в Колумбийском и Гарвардском университетах под руководством Томаса Дж. Каца и Э. Дж. Кори соответственно. Во время своей независимой карьеры он работал в Пенсильванском университете, Исследовательском институте Скриппса, Калифорнийском университете в Сан-Диего и в настоящее время в Университете Райса, где он является профессором химии Гарри К. и Ольги К. Висс. В период с 2004 по 2010 год он занимал должность директора Лаборатории химического синтеза, основателем которой он был, в A*STAR, Сингапур.Его исследовательская деятельность сосредоточена на открытии и разработке новых синтетических стратегий и технологий, а также на их применении для полного синтеза природных и созданных молекул, имеющих биологическое и медицинское значение. K.C. Nicolaou был избран иностранным членом Королевского общества в 2013 г.

      Ссылки

      2. Nicolaou KC, Montagnon T. 2008. Молекулы, изменившие мир. Вайнхайм, Германия: Издательство Wiley-VCH [Google Scholar]3. Рок Эй Джей. 1984. Химический атомизм в девятнадцатом веке: от Дальтона до Канниццаро.Колумбус, Огайо: Издательство государственного университета Огайо [Google Scholar]5. Полинг Л. 1939 год. Природа химической связи. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Издательство Корнельского университета [Google Scholar]6. Бенфей ОТ, Моррис П.Дж.Т. 2001. Роберт Бернс Вудворд. Филадельфия, Пенсильвания: Фонд химического наследия [Google Scholar]7. Эшенмозер А. 2011. Этиология потенциально первичных биомолекулярных структур: от витамина B 12 до нуклеиновых кислот и исследование химии происхождения жизни: ретроспектива. Ангью. хим.Междунар. Эд. 50, 12 412–12 472 (doi:10.1002/anie.201103672) [PubMed] [Google Scholar]8. Кори Э.Дж., Ченг X-M. 1989. Логика химического синтеза. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Wiley [Google Scholar]9. Кори Э.Дж., Чако Б., Курти Л. 2007. Молекулы и медицина. Вайнхайм, Германия: Wiley [Google Scholar] 10. Кори Э.Дж., Кюрти Л. 2010. Энантиоселективный химический синтез. Мэйлин, Алабама: Директ [Google Scholar]11. Николау К.С., Соренсен Э.Дж. 1996. Классика в тотальном синтезе. Вайнхайм, Германия: Издательство VCH [Google Scholar]12.Николау К.С., Снайдер С.А. 2003. Классика в тотальном синтезе II. Вайнхайм, Германия: Издательство Wiley-VCH [Google Scholar]13. Николау К.С., Чен Дж.С. 2011. Классика в тотальном синтезе III. Вайнхайм, Германия: Издательство Wiley-VCH [Google Scholar]14. Николау К.С., Нилевски С. В прессе. Органический синтез. В книге «Открытия в современной науке: исследования, изобретения, технологии» (под ред. Трефила Дж.). Вудбридж, Коннектикут: Справочник Macmillan USA [Google Scholar]15. Николау К.С., Хейл CRH. В прессе. Стремление к полному синтезу и его влияние на химию, биологию и медицину.Нац. науч. Преп. [Google Scholar] 17. Николау К.С., Хаммель К.В., Пицинос Э. Н., Накада М., Смит А.Л., Шибаяма К., Саймото Х. 1992. Общий синтез калихеамицина γ 1 I . Варенье. хим. соц. 114, 10082–10084 (doi:10.1021/ja00051a063) [Google Scholar]20. Хичкок С.А., Бойер С.Х., Чу-Мойер М.Ю., Олсон С.Х., Данишефски С.Дж. 1994. Конвергентный общий синтез калихеамицина γ 1 I . Ангью. хим. Междунар. Эд. англ. 33, 858–862 (doi:10.1002/anie199408581) [Google Scholar]23.Николау К.С., Чен Дж.С., Чжан Х., Монтеро А. 2008. Асимметричный синтез и биологические свойства унициаламицина и 26-эпи-унциаламицина. Ангью. хим. Междунар. Эд. 47, 185–189 (doi:10.1002/anie.200704577) [PubMed] [Google Scholar]29. Вендер П.А. и соавт. 1997. Путь пинена к таксанам. 6. Краткий стереоконтролируемый синтез таксола. Варенье. хим. соц. 119, 2757–2758 (doi:10.1021/ja963539z) [Google Scholar]30. Мукаяма Т., Сиина И., Ивадаре Х., Сако Х., Тани Ю., Хасэгава М., Сайто К. 1997. Асимметричный общий синтез таксола.проц. Япония. акад. Б 73, 95–100 (doi:10.

    Author: alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.