Многообразие органических соединений и их классификация
Органические вещества живой природы. Уровни организации органических веществ. Природный и сопутствующие нефтяные газы, нефть, каменный уголь.
Многообразие органических соединений определяется уникальной способностью атомовуглерода соединяться друг с другом простыми и кратными связями, образовывать соединения с практически неограниченным числом атомов, связанных в цепи, циклы, бициклы, трициклы, полициклы, каркасы и др., образовывать прочные связи почти со всеми элементами периодической системы (формирование как функциональных групп, так и различного рода соединений иного порядка), а также явлением изомерии и гомологии — существованием разных по свойствам веществ, обладающих одним и тем же составом и молекулярной массой.
Органические вещества можно разделить на две основные группы циклические и ациклические.
Ациклические также называют алифатическими. Ациклические разделяют на прямые и разветвлённые. Циклические на карбоциклические и ароматические. Особое значение имеет при этом наличие и характер функциональной группы.
Разнообразие органических соединений, усложнение их строения и функций от метана да ДНК, связано преимущественно с неограниченными возможностями комбинирования структур, взаиморасположения атомов и фрагментов молекул при условии одного и того же состава.
Трудно вообразить себе число возможных органических соединений по этому поводу. Можно, конечно, попробовать, рассчитать (как звёзды на небе ) число возможных типов соединений, комбинаций и перекомбинаций. Это непосредственно будет связано с такой областью знаний как математика, а именно комбинаторика. (это Ваша вероятность выигрыша в азартной игре, лотерее и т.д.)
Формулы для вычисления:
Имеется n последовательно расположенных неодинаковых элементов. Требуется найти количество способов, которыми их можно переставить (построение изомеров, например, из атомов углерода и атомов функциональных групп теоретический расчёт построения и возможности существования аминокислот, например при этом, в результате невозможно будет осуществить синтез некоторых аминокислот ввиду термодинамических и стереохимических проблем и т.д.):
(восклицательным знаком обозначается факториал), где n количество неодинаковых элементов.
Это относительно расположения элементов
Имеется n различных (неодинаковых, неповторяющихся) элементов. Требуется выбрать из них m элементов, безразлично, в каком порядке (построение первичной структуры белковых цепочек из суммы возможных аминокислот, при этом часть структур в реальности существовать не будет, иные не будут иметь структур последующих порядков, а ещё часть будет нефункциональна «теория отбора в биологии» )
имеется n различных элементов. Нужно выбрать из них m элементов, причем порядок расположения элементов важен! (к примеру, синтез белка, или синтез нуклеиновой кислоты осуществляется с выбором определённой аминокислоты или нуклеотида соответственно)
Стоит также отметить, что органические вещества способны к взаимопревращениям, что является основой искусственных синтезов веществ. При этом можно синтезировать вещества с заранее заданными свойствами. При этом стоит отметить, что строение, в особенности пространственное будет определять специфические функции белков, в особенности полимеров, действие лекарственных веществ.
Молекулярный уровень является продолжением атомарного и в то же время предшественником полимерного уровня.
Для многих органических веществ, составляющих организмы, присущ не только молекулярный, но и полимерный уровень организации.
Молекулярный уровень организации имеет ряд особенностей:
- — ковалентная связь между атомами в молекулах
- — постоянный состав молекул
- — постоянная молекулярная масса
Стоит отметить два понятия
Конфигурация особенности стойкого взаиморасположения атомов либо групп атомов в пространстве молекулы, (другие определения — равновесная конфигурация — расположение атомных ядер молекулы (иона, радикала) в пространстве, соответствующее минимуму её потенц. энергии. Конфигурация двухатомной молекулы характеризуется расстоянием между атомными ядрами. Для описания равновесной конфигурации многоатомных молекул используют длины связей, валентные углы, двугранные углы между направлениями хим. связей. Конфигурация может меняться при возбуждении молекулы.
2) Стерсохим. конфигурация характеризует пространств, расположение атомов в молекуле относительно стерич. центров (двойной связи, цикла или элемента хиральности). Напр., говорят о цис- или транс -конфигурации алкенов, D- или L- конфигурации аминокислот и углеводов. При одной и той же конфигурации, молекула может иметь множество конформаций)
Изменение конфигурации жиров при жарке приводит к такому изменению конфигурации ненасыщенных карбоновых кислот, что образуются транс-жиры, которые содержат остатки элаидиновой кислоты, вредной при встраивании её в состав плазматической оболочки клеток. (деструктуризация, нарушение обменных процессов, запуск свободнорадикальных процессов) Изменение пространственной конфигурации приводит к тому, что белки утрачивают свою активность, изменяется состав клеточных мембран, нарушаются их функции.
Конформация — (от лат. conformatio форма, построение, расположение) молекул, геометрические формы, которые могут принимать молекулы органических соединений при вращении атомов или групп атомов (заместителей) вокруг простых связей при сохранении неизменными порядка химической связи атомов (химического строения), длины связей и валентных углов. Внутримолекулярное движение обуславливает изменение конформаций.
Крахмал. Полимер. Степени полимеризации. Характер Связей. ( водородные, гидрофильные и т.д.)
Природный газ. Нефть. Каменный уголь.
Нефть маслянистая жидкость темного (от бурого до черного) цвета с характерным запахом, нерастворимая в воде. Ее плотность меньше, чем у воды, поэтому, попадая в нее, нефть растекается по поверхности, препятствуя растворению кислорода и других газов воздуха в воде. Очевидно, что, попадая в природные водоемы, нефть вызывает гибель микроорганизмов и животных, приводя к экологическим бедствиям и даже катастрофам. Существуют бактерии, способные использовать компоненты нефти в качестве пищи, преобразуя ее в безвредные продукты своей жизнедеятельности.
Природный газ смесь газообразных предельных углеводородов с небольшой молекулярной массой. Основным компонентом природного газа является метан, доля которого в зависимости от месторождения составляет от 75 до 99% по объему. Кроме метана в состав природного газа входят этан, пропан, бутан и изобутан, а также азот и углекислый газ.
Как и попутный нефтяной, природный газ используется и как топливо, и в качестве сырья для получения разнообразных органических и неорганических веществ. В качестве топлива природный газ используют на электростанциях, в котельных системах водяного отопления жилых домов и промышленных зданий, в доменном и мартеновском производствах.
Чиркая спичкой и зажигая газ в кухонной газовой плите городского дома, вы «запускаете» цепную реакцию окисления алканов, входящих в состав природного газа., Кроме нефти, природного и попутного нефтяного газов, природным источником углеводородов является каменный уголь. 0н образует мощные пласты в земных недрах, его разведанные запасы значительно превышают запасы нефти. Как и нефть, каменный уголь содержит большое количество различных органических веществ. Кроме органических, в его состав входят и неорганические вещества, такие, например, как вода, аммиак, сероводород и конечно же сам углерод уголь. Одним из основных способов переработки каменного угля является коксование прокаливание без доступа воздуха.
Число — известное органическое соединение
Число известных органических соединений ( около 3 миллионов) значительно превышает число соединений всех остальных элементов периодической системы Менделеева.
В настоящее время известно несколько более ста пятидесяти тысяч неорганических соединений, примерно такое же число новых органических соединений получают сейчас в один год. Это происходит не только потому, что химики особенно интенсивно занимаются получением и исследованием органических веществ, но и вследствие особой способности элемента углерода давать соединения, содержащие практически неограниченное число атомов углерода, связанных в цепи и циклы.
Число известных органических соединений ( около 6 млн) значительно превышает число соединений всех остальных элементов периодической системы Менделеева.
Число известных органических соединений ( более 3 миллионов) значительно превышает число соединений всех остальных элементов периодической системы Менделеева.
В настоящее время число известных органических соединений уже перевалило за 4 миллиона, и буквально день за днем химики синтезируют или выделяют все новые и новые вещества.
В основе классификации органических соединений лежит их структура. За основу наиболее рационального описания структуры до сих, пор берется структурная формула или формула строения, В пей все ковалеитиые связи чисто формально изображаются валентной чертой с учетом того, что каждому элементу присуща определенная валентность.
Органические вещества почти всегда наряду с углеродом содержат атомы водорода, за исключением таких, например, соединений, как четыреххлористый углерод и тетранитрометан. Углеводороды составляют первый основной класс органических соединений.
Если в настоящее время известно несколько более пятидесяти тысяч неорганических соединений, то число известных органических соединений превышает миллион. Это произошло не только потому, что химики особенно интенсивно занимались получением и исследованием органических веществ, но и вследствие особой способности элемента углерода давать соединения, содержащие практически неограниченное число атомов углерода в молекуле.
Если в настоящее время известно несколько более пятидесяти тысяч неорганических соединений, то число известных органических соединений превышает миллион. Это произошло не только потому, что химики особенно интенсивно занимались получением и исследованием органических веществ, но и вследствие особой способности элемента углерода давать соединения, содержащие практически неограниченное число атомов углерода в молекуле.
Если в настоящее время известно несколько более пятидесяти тысяч неорганических соединений, то число известных органических соединений уже приближается к миллиону. Это произошло не только потому, что химики особенно интенсивно занимались получением и исследованием органических веществ, но и вследствие особой способности элемента углерода давать соединения, содержащие практически неограниченное число атомов углерода в молекуле.
Органические соединения значительно более многочисленны, чем неорганические вещества. Число известных органических соединений уже превышает два миллиона.
Количество соединений углерода столь велико, что для их описания потребовалось выделить самостоятельное направление в химии — органическую химию. Число известных органических соединений углерода превышает 10 миллионов, тогда как число соединений всех остальных элементов составляет примерно 120 тысяч.
Велер писал, что органическая химия представляется ему огромной чащей без выхода, без конца, куда не осмеливаешься проникнуть…
Что же сказать сегодня, когда число известных органических соединений приближается к пяти миллионам. Прежде всего то, что, несмотря на свой огромный объем, органическая химия уже не кажется огромной чащей без выхода, без конца: она представляется, скорее, величественным зданием со строгой, ясной планировкой.
Органическая химия изучает соединения, которые содержат углерод и водород и могут также содержать другие элементы, такие, как кислород, азот, галогены, сера, фосфор и некоторые металлы. Замечательная особенность органической химии состоит в том, что число известных органических соединений огромно и неограниченно число таких, которые могут существовать.
В настоящее время известно свыше одного миллиона различных органических соединений.
Ежегодно тысячи новых соединений либо открываются в природе, либо синтезируются в лаборатории. Показателем развития данной области может служить количество соединений, которые были известны на различных этапах времени.
[Свинец в большинстве его органических соединений проявляет валентность, равную четырем. Однако в некоторых свинецорганических соединениях он остается двухвалентным. Число известных органических соединений с двухвалентным свинцом невелико [158], и оно включает главным образом диарпльные производные этого металла.
Органических соединений насчитывается ныне около 5 млн., и каждое из них имеет свое название.
Непрерывно синтезируются или открываются в природе новые вещества. Считают, что ежегодно число известных органических соединений увеличивается примерно на 200 тыс.; следовательно, каждый год появляется такое же число новых названий. Химики давно уже поняли, что научное название должно быть построено по определенным правилам.
Женевская — из 62 правил на 10 страницах. Большой объем правил ШРАС частично связан с ростом разнообразия и числа известных органических соединений, однако прежде всего он вызван упоминавшимся уже желанием составителей кодифицировать существующую практику во всем ее многообразии.
Теоретические основы органической химии
- Органическая химия – это раздел химической науки, в котором изучаются соединения углeрода – их строение, свойства, способы получения и практического использования.
- Соединения, в состав которых входит углерод, называются органическими.
Кроме углерода, они почти всегда содержат водород, довольно часто – кислород, азот и галогены, реже – фосфор, серу и другие элементы.
Однако сам углерод и некоторые простейшие его соединения, такие как оксид углерода(II), оксид углерода (IV), угольная кислота, карбонаты, карбиды и т.п., по характеру свойств относятся к неорганическим соединениям.
Поэтому часто используется другое определение:
- Органические соединения – это углеводороды
- Углеводороды соединения, содержащие только углерод и водород.
- Производные углеводородов продукты замещения в молекулах углеводородов одного или более атомов водорода на другие атомы или группы атомов и их производные.
Благодаря особым свойствам углерода, органические соединения очень многочисленны. Сейчас они составляют подавляющее большинство из 136 миллионов соединений, зарегистрированных к началу 2018 года, и их число постоянно возрастает~10 млн. за 2017 год. (см. динамический счётчик «ORGANIC AND INORGANIC SUBSTANCES TO DATE» на сайте CAS Chemical Abstracts Service).
Динамика роста числа новых соединений
Сырьевые источники органических веществ: нефть, природный газ, попутные нефтяные газы, каменный и бурый угли, горючие сланцы, сланцевый газ, торф, древесина и сельскохозяйственные растения.Видео (из фонда советских научно-популярных фильмов)
К органическим веществам относят углеродсодержащие вещества, преимущественно образующиеся в живых организмах. На сегодня, многие органические вещества могут быть получены искусственно в лаборатории. Синтезировано большое количество органических соединений, не встречающихся в природе.
Общее число известных органических веществ превышает 10 миллионов, в то время как неорганических — около 100 тысяч.
Такое многообразие органических соединений связано со способностью атомов углерода соединяться в цепи различной длины.
Презентация по химии на тему «Разнообразие органических веществ»
Связи между атомами углерода могут быть одинарными и кратными: двойными, тройными. При этом вещества могут иметь одинаковую молекулярную формулу, но разное строение и свойства (это явление получило название изомери́и).
В состав органических веществ входят углерод, водород, кислород, а также азот, фосфор, сера.
Кроме того, могут входить практически любые элементы.
Углеводороды — вещества, состоящие из двух элементов: углерода и водорода.
Метан (его также называют болотный, рудничный газ, т. к. он образуется при разложении органических остатков на дне болот, а также выделяется из пластов каменного угля в рудниках). Состоит из одного атома углерода, соединенного ковалентными связями с четырьмя атомами водорода.
Молекулярная формула CH4. Структурная формула показывает порядок связи атомов в молекуле:
H
l
H – C – H
l
H
Чтобы правильно составлять структурные формулы органических веществ, нужно помнить, что атомы углерода образуют по 4 связи, изображаемые черточками (т. е. валентность углерода по числу связей равна четырем. В органической химии преимущественно используется именно валентность по числу связей).
В 10–11 классах изучается, что молекула метана имеет форму треугольной пирамиды — тетраэдра, подобно знаменитым египетским пирамидам.
Этилен C2H4 состоит из двух атомов углерода, соединенных двойной связью:
Угол между связями составляет 120º (электронные пары,образующие связь отталкиваются и располагаются на максимальном расстоянии друг от друга).
Ацетилен C2H2 содержит тройную связь:
H – C ≡ C – H
В качестве примера кислородсодержащих органических веществ можно назвать метиловый (древесный) спирт CH3OH (систематическое название метанол), этиловый спирт C2H5OH (этанол), уксусную кислоту CH3COOH (кислотный остаток уксусной кислоты CH3COO− обычно находится в нижней строчке таблицы растворимости, поэтому если забудете формулу, возьмите таблицу растворимости — она должна быть на экзамене — и добавьте к кислотному остатку водород)
автор: Владимир Соколов
