Предмет органическая химия: история развития

I. Углеводороды (R–H). 

II. Галогенопроизводные  (R–Hlg). 

III. Спирты (R–OH).

IV. Эфиры  простые и сложные (R–O–R’, R–C   ).

V. Карбонильные  соединения (альдегиды и кетоны).

VI. Карбоновые  кислоты (R–C).

VII. Амины  (R–NH2, NH, R–N–R’).

VIII. Нитросоединения (R–NO2).

IX. Сульфокислоты  (R–SO3H). 

      Число известных классов органических соединений не ограничивается перечисленными, оно велико и с развитием науки все время увеличивается. Все классы органических соединений взаимосвязаны. Переход от одних классов соединений к другим осуществляется в основном за счет превращений функциональных групп без изменения углеродного скелета.

Классификация реакций органических соединений по характеру химических превращений.

     Органические  соединения способны к разнообразным  химическим превращениям, которые могут  проходить как без изменения  углеродного скелета, так и с  таковым. Большинство реакций проходит без изменения углеродного скелета. 

I.                     Реакции без изменения углеродного скелета. К реакциям без изменения углеродного скелета относятся следующие:

1)     замещения: RH + Br2 ® RBr + HBr,

2)     присоединения: CH2=CH2 + Br2 ® CH2Br – CH2Br, 

3)     отщепления (элиминирования): CH3–CH2–Cl ® CH2=CH2 + HCl, C2H5ONa

4)     изомеризации.

     Реакции замещения характерны для всех классов  органических соединений. Замещаться могут атомы водорода или атомы любого другого элемента, кроме углерода. 

      Реакции присоединения характерны для соединений с кратными связями, которые могут  быть между атомами углерода, углерода и кислорода, углерода и азота  и т. д., а также для соединений, содержащих атомы со свободными электронными парами или вакантными орбиталями.

     К реакциям элиминирования способны соединения, содержащие электроотрицательные группировки. Легко отщепляются такие вещества, как вода, галогеноводороды, аммиак. К реакциям изомеризации без изменения углеродного скелета особенно склонны непредельные соединения и их производные. 

II.                Реакции с изменением углеродного скелета. К этому типу превращений органических соединений относятся следующие реакции: 

1)     удлинения цепи, 

2)     укорачивания цепи, 

3)     изомеризации цепи, 

4)     циклизации, 

5)     раскрытия цикла, 

6)     сжатия и расширения цикла. 

      Химические  реакции проходят с образованием различных промежуточных продуктов. Путь, по которому осуществляется переход от исходных веществ к конечным продуктам, называется механизмом реакции. В зависимости от механизма реакции они делятся на радикальные и ионные. Ковалентные связи между атомами А и В могут разрываться таким образом, что электронная пара или делится между атомами А и В, или передается одному из атомов. В первом случае частицы А и В, получив по одному электрону, становятся свободными радикалами. Происходит гомолитическое расщепление:

А : В  ® А• + •В 

      Во  втором случае электронная пара переходит к одной из частиц и образуются два разноименных иона. Поскольку образующиеся ионы имеют различные электронные структуры, этот тип разрыва связи называется гетеролитическим расщеплением:

А : В  ® А+ + :В- 

      Положительный ион в реакциях будет стремиться присоединить к себе электрон, т. е. будет вести себя как электрофильная частица. Отрицательный ион – так называемая, нуклеофильная частица будет атаковать центры с избыточными положительными зарядами.

Основные  этапы развития химии 

     При изучении истории развития химии возможны два взаимно дополняющих подхода: хронологический и содержательный. При хронологическом подходе историю химии принято подразделять на несколько периодов. Следует учитывать, что периодизация истории химии, будучи достаточно условной и относительной, имеет скорее дидактический смысл. При этом на поздних этапах развития науки (в случае химии – уже с начала XIX века) в связи с её дифференциацией неизбежны отступления от хронологического порядка изложения, поскольку приходится отдельно рассматривать развитие каждого из основных разделов науки. Как правило, большинство историков химии выделяют следующие основные этапы её развития:

1.  Предалхимический период: до III в. н.э.

     В предалхимическом периоде теоретический  и практический аспекты знаний о веществе развиваются относительно независимо друг от друга. Происхождение свойств вещества рассматривает античная натурфилософия, практические операции с веществом являются прерогативой ремесленной химии.

2.  Алхимический период: III – XVI вв. 

     Алхимический период, в свою очередь, разделяется на три подпериода – александрийскую (греко-египетскую), арабскую и европейскую алхимию. Алхимический период – это время поисков философского камня, считавшегося необходимым для осуществления трансмутации металлов. В этом периоде происходит зарождение экспериментальной химии и накопление запаса знаний о веществе; алхимическая теория, основанная на античных философских представлениях об элементах, тесно связана с астрологией и мистикой. Наряду с химико-техническим "златоделием" алхимический период примечателен также и созданием уникальной системы мистической философии.

3.  Период становления (объединения): XVII – XVIII вв.

     В период становления химии как  науки происходит её полная рационализация. Химия освобождается от натурфилософских и алхимических взглядов на элементы как на носители определённых качеств. Наряду с расширением практических знаний о веществе начинает вырабатываться единый взгляд на химические процессы и в полной мере использоваться экспериментальный метод. Завершающая этот период химическая революция окончательно придаёт химии вид самостоятельной (хотя и тесно связанной с другими отраслями естествознания) науки, занимающейся экспериментальным изучением состава тел.

4.  Период количественных законов (атомно-молекулярной теории): 1789 – 1860 гг.

     Период  количественных законов, ознаменовавшийся открытием главных количественных закономерностей химии – стехиометрических  законов, и формированием атомно-молекулярной теории, окончательно завершает превращение  химии в точную науку, основанную не только на наблюдении, но и на измерении.

5.  Период классической химии: 1860 г. – конец XIX в.

     Период  классической химии характеризуется  стремительным развитием науки: создаётся периодическая система  элементов, теория валентности и химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика и химическая кинетика; блестящих успехов достигают прикладная неорганическая химия и органический синтез.  В связи с ростом объёма знаний о веществе и его свойствах начинается дифференциация химии – выделение её отдельных ветвей, приобретающих черты самостоятельных наук.

6.  Современный период: с начала XX века по настоящее время.

     В начале ХХ века происходит революция  в физике: на смену системе знаний о материи, основанной на механике Ньютона, приходят квантовая теория и теория относительности. Установление делимости атома и создание квантовой механики вкладывают новое содержание в основные понятия химии. Успехи физики в начале XX  века позволили понять причины периодичности свойств элементов и их соединений, объяснить природу валентных сил и создать теории химической связи между атомами. Появление принципиально новых физических методов исследования предоставило химикам невиданные ранее возможности для изучения состава, структуры и реакционной способности вещества. Всё это в совокупности обусловило в числе прочих достижений и блестящие успехи биологической химии второй половины XX века – установление строения белков и ДНК, познание механизмов функционирования клеток живого организма.

     Содержательный подход к истории химии основывается на изучении того, как изменялись со временем теоретические основы науки. Вследствие изменений в теориях на всём протяжении существования химии постоянно менялось её определение. Химия зарождается как "искусство превращения неблагородных металлов в благородные"; Менделеев в 1882 г. определяет её как "учение об элементах и их соединениях". Определение из современного школьного учебника в свою очередь значительно отличается от менделеевского: "Химия – наука о веществах, их составе, строении, свойствах, взаимных превращениях и законах этих превращений".

     Следует отметить, что изучение структуры  науки мало способствует созданию представления  о путях развития химии в целом: общепринятое деление химии на разделы  основано на целом ряде различных принципов. Деление химии на органическую и неорганическую произведено по различию их предметов (каковое различие, кстати, может быть правильно понято только при историческом рассмотрении). Выделение физической химии основано на её близости к физике, аналитическая химия выделена по признаку используемого метода исследования. В целом общепринятое деление химии на разделы является в значительной степени данью исторической традиции; каждый раздел в той или иной степени пересекается со всеми остальными.

     Основной  задачей содержательного подхода  к истории химии является, говоря словами Д. И. Менделеева, выделение "неизменного и общего в изменяемом и частном". Таким неизменным и  общим для химических знаний всех исторических периодов является цель химии. Именно цель науки – не только теоретический, но и исторический её стержень.

     Целью химии на всех этапах её развития является получение вещества с заданными  свойствами. Эта цель, иногда именуемая  основной проблемой химии, включает в себя две важнейших задачи – практическую и теоретическую, которые не могут быть решены отдельно друг от друга. Получение вещества с заданными свойствами не может быть осуществлено без выявления способов управления свойствами вещества, или, что то же самое, без понимания причин происхождения и обусловленности свойств вещества. Таким образом, химия есть одновременно и цель и средство, и теория и практика.

     Теоретическая задача химии имеет ограниченное и строго определённое число способов решения, которые задаются структурной иерархией самого вещества, для которого можно выделить следующие уровни организации:

1.  Субатомные частицы.

2.  Атомы химических элементов.

3.  Молекулы химических веществ как унитарные (единые) системы.

4.  Микро- и макроскопические системы реагирующих молекул.

5.  Мегасистемы (Солнечная система, Галактика и т.п.)

     Объектами изучения химии является вещество на 2 – 4 уровнях организации. Исходя из этого, для разрешения проблемы происхождения  свойств необходимо рассмотреть  зависимость свойств вещества от трёх факторов:

1.  От элементарного состава;

2.  От структуры молекулы вещества; 

3.  От организации системы.

     Таким образом, иерархия изучаемых материальных объектов предопределяет иерархию т.н. концептуальных систем химии – относительно самостоятельных систем теорий, описывающих вещество на каком-либо уровне организации. Обычно выделяют три концептуальных системы, а именно:

1.  Учение о составе;

2.  Структурная химия;

3.  Учение о химическом процессе.

     Следует отметить, что указанные концептуальные системы не противоречат друг другу и не сменяют одна другую, но являются взаимно дополняющими.

     Заключение  

     Учение  о составе возникло значительно  раньше двух других концептуальных систем – уже в античной натурфилософии появляется понятие об элементах  как о составных частях тел.