Органические вещества и их строение

Атомы углерода обладают способностью соединяться друг с другом, создавая практически бесконечное разнообразие сложных органических соединений. Однако известны сложные вещества, например стекло, не содержащие углерода.

Одно время считали, что углеродсодержащие соединения могут образовываться только в процессах жизнедеятельности. Так, в моче млекопитающих была обнаружена мочевина. На этом основании она и другие аналогично открытые и выделенные вещества получили название органических. Это название так и сохранилось за ними, хотя позже многие органические вещества были искусственно получены в лабораториях из неорганических соединений.

Английский химик У. Перкин, пытаясь получить хинин из анилина, в 1856 г. неожиданно получил краситель анилиновый красный. Это был первый искусственный краситель - до того времени использовались красители только природного происхождения.

Промышленный органический синтез. Открытия, приведшие к созданию промышленности органического синтеза, были сделаны в конце XIX в. Было установлено, что из побочного продукта, образующегося при получении кокса и светильного газа,-каменноугольной смолы-можно производить множество ценных веществ, причем многие из них были слишком сложны, чтобы получать их искусственно в лабораториях. Красители, аспирин, сахарин, взрывчатые вещества (например, тротил) были синтезированы в XIX в. на основе веществ, выделенных из каменноугольной смолы.

Общим фрагментом молекул многих продуктов переработки каменноугольной смолы оказалась группировка из 6 атомов углерода, соединенных как бы в кольцо (цикл). Как и в других молекулах, химические связи в этой группировке образуются вследствие перекрывания электронных орбиталей отдельных атомов, но эти орбитали расположены не как обычно-между 2 соседними атомами,-а охватывают все 6 атомов углерода, образуя общее электронное облако, так что каждый из атомов связан с соседним не ординарной и не двойной, а как бы полуторной связью.

Простейшее из соединений такого типа, в котором каждый из 6 атомов углерода связан еще с атомом водорода,— бензол. Он имеет формулу С₆Н₆ и наряду с другими веществами содержится в каменноугольной смоле. Сейчас бензол получают также при переработке нефти. В некоторых соединениях бензольные кольца «спаяны» между собой - полициклические углеводороды, например нафталин, бензпирен (канцерогенное вещество) или препарат ЛСД, вызывающий галлюцинации.

Многие из сложных органических веществ, встречающихся в природе, не содержат бензольного кольца. Напротив, они построены в виде длинных цепей атомов углерода, с которыми связаны атомы других элементов. В состав молекул органических веществ почти всегда входит водород, а также довольно часто кислород и азот. К таким соединениям принадлежат широко распространенные в природе жиры, воска, сахара и белки.

Бензольное кольцо, содержащее 6 атомов углерода, является одним из наиболее важных фрагментов молекул в органической химии. Каждый из атомов углерода связан с 1 атомом водорода, следовательно, он может образовать еще три связи с 2 соседними атомами углерода. Можно подумать, что в бензольном кольце чередуются простые и двойные связи (А,Б), но если бы бензол обладал таким строением, то он имел бы совсем другие химические свойства. Ныне установлено, что углерод-углеродные связи в кольце равноценны, так как электронные облака охватывают все атомы кольца, образуя единую систему (В, Г).

Синтетические полимеры и их получение. Органические соединения лежат в основе одной из наиболее важных отраслей современной промышленности – бурно развивающегося производства и использования синтетических полимеров (пластмасс, резин, волокон). Полимерами в широком смысле этого слова называют любые очень большие молекулы, построенные из повторяющихся одинаковых небольших молекулярных фрагментов мономеров.

Большинство органических полимеров образуется «сшиванием» молекул мономеров в реакциях полимеризации или конденсации. В первом случае в качестве исходных обычно используются мономеры с двойной связью в молекулах, которые связываются между собой за счет электронов двойной связи, разрывающейся во время реакции. Во втором случае в процессе реакции от молекул мономеров «отрываются» концевые группы, образуя новые несложные молекулы, а оставшиеся группировки мономера «сшиваются» между собой.

Природные и синтетические каучуки принадлежат к полимерам, образующимся в реакциях полимеризации. Однако многие синтетические волокна, как и их природные «двойники»-шерсть и хлопок,-относятся к полимерам, образующимся в результате реакций конденсации. Свойства синтетических полимеров зависят от того, какие исходные вещества использовались для их получения. Поэтому, тщательно подбирая исходные материалы, можно получать синтетические волокна с самыми разнообразными свойствами.

Синтетические материалы могут быть волокнистыми или эластичными, как резина, прозрачными или светонепроницаемыми, твердыми или гибкими. Их свойства можно видоизменять бесконечно, благодаря чему они широко используются во всех областях жизни.

В структуре бензола атомы водорода могут быть заменены на другие атомы или группы атомов. В анилине (А) 1 атом водорода заменен на аминогруппу NH₂, а в феноле (Б) - на гидроксильную группу ОН. В стироле (В) короткая цепочка из атомов углерода связана с бензольным кольцом. Замещаться может и большее число атомов водорода: так, пирокатехин (Г) имеет 2 группы ОН, а в аспирине (Д) с бензольным кольцом связаны 2 различные группы. Иногда 1 атом углерода может заменяться атомом азота, как например, в пиридине (Е).

Цепи, включающие атомы кремния. Кремний расположен в периодической системе элементов непосредственно под углеродом, и логично было бы ожидать у него сходные с углеродом химические свойства. Однако из-за большего размера атомов сам кремний не склонен образовывать длинные цепи. Тем не менее в полимерах, называемых силиконами, имеются длинные цепи из чередующихся атомов кремния и кислорода. В силиконах, вырабатываемых промышленностью, обычно присутствуют и органические группировки. Эти полимеры находят широкое применение для изготовления, например, искусственных клапанов сердца.

Подобно углероду, кремний может образовывать четыре связи, а кислород-только две. Это приводит к тому, что в повторяющихся фрагментах цепи —Si—О— каждый атом кремния может быть связан с 4 атомами кислорода. А если каждый из атомов кислорода в свою очередь связан с другими атомами кремния, то возникает трехмерная полимерная структура с общей формулой SiO₂. Песок и стекло состоят преимущественно из таких неорганических полимерных фрагментов. Подобная же структура лежит в основе строения кварца, сходные по строению фрагменты образуются и при производстве фарфора и керамики.

Высокомолекулярные соединения подразделяют на три группы: полимеры, сополимеры и полимеры с сетчатой структурой. Полимер (А) построен из повторяющихся фрагментов одного мономера. Сополимер (Б) содержит фрагменты нескольких мономеров. В сетчатых полимерах (В) цепи образуют объемную структуру. Полиэтилен (Г) и поливинилхлорид (Д) типичные полимеры. В полиэфирах, например в терилене (лавсане, Е), полимерные цепи при нагревании образуют сетчатый полимер.

Дигиталин относится к числу веществ с очень сложными молекулами, образующихся в растениях. Изображенные в нижней части рисунка три кольца фенантреновой системы встречаются также в молекулах стероидов и гормонов, например в холестерине и в половых гормонах.