ОРГАНИ́ЧЕСКАЯ ХИ́МИЯ

ОРГАНИ́ЧЕСКАЯ ХИ́МИЯ, нау­ка, пред­ме­том изу­че­ния ко­то­рой яв­ля­ют­ся со­еди­не­ния уг­ле­ро­да с др. эле­мен­та­ми – т. н. ор­га­нич. со­еди­не­ния, а так­же за­ко­ны их пре­вра­ще­ний; часть хи­мии. Как ор­га­ни­че­ские клас­си­фи­ци­ру­ют­ся не все со­еди­не­ния уг­ле­ро­да, напр. СО₂, HCN, CS₂ тра­ди­ци­он­но от­но­сят к не­ор­га­ни­че­ским. Ор­га­нич. со­еди­не­ния иг­ра­ют важ­ней­шую роль в про­цес­сах по­строе­ния и жиз­не­дея­тель­но­сти рас­тит. и жи­вот­ных ор­га­низ­мов. Са­мое раз­но­об­раз­ное при­ме­не­ние ор­га­нич. со­еди­не­ния на­хо­дят во всех сфе­рах жиз­не­дея­тель­но­сти че­ло­ве­ка: из ор­га­нич. со­еди­не­ний со­сто­ят пи­ща, то­п­ли­во, ле­кар­ст­ва, мою­щие сред­ст­ва, кра­си­те­ли, взрыв­ча­тые ве­ще­ст­ва, ма­те­риа­лы, без ко­то­рых не­воз­мож­но соз­да­ние транс­пор­та, кни­го­пе­ча­та­ние, ос­вое­ние кос­мо­са и мн. дру­гое.

Мно­го­об­ра­зие ор­га­нич. со­еди­не­ний обу­слов­ле­но уни­каль­ной спо­соб­но­стью ато­мов уг­ле­ро­да со­еди­нять­ся друг с дру­гом про­сты­ми и крат­ны­ми свя­зя­ми, об­ра­зовы­вать мо­ле­ку­лы, вклю­чаю­щие прак­ти­че­ски не­ог­ра­ни­чен­ное чис­ло ато­мов, свя­зан­ных в це­пи, цик­лы, би­цик­лы, три­цик­лы, по­ли­цик­лы, кар­ка­сы и др., об­ра­зо­вы­вать проч­ные свя­зи со мно­ги­ми эле­мен­та­ми пе­рио­дич. сис­те­мы, а так­же яв­ле­ни­ем изо­ме­рии – су­ще­ст­во­ва­ни­ем раз­ных по струк­ту­ре и свой­ст­вам со­едине­ний, об­ла­даю­щих од­ним и тем же со­ста­вом и оди­на­ко­вой мо­ле­ку­ляр­ной мас­сой. Чис­ло из­вест­ных к на­стоя­ще­му вре­ме­ни ор­га­нич. со­еди­не­ний пре­вы­ша­ет 50 млн. (не учи­ты­вая ком­би­на­тор­ные биб­лио­те­ки) и уве­ли­чи­ва­ет­ся ка­ж­дый год на 250–300 тыс. Мно­го­об­ра­зие и ог­ром­ное чис­ло ор­га­нич. со­еди­не­ний оп­ре­де­ля­ют зна­че­ние О. х. как круп­ней­ше­го раз­де­ла совр. хи­мии.

Осн. ме­то­дом О. х. яв­ля­ет­ся син­тез. Раз­ви­тие ме­то­дов син­те­за не толь­ко спо­соб­ст­во­ва­ло ус­та­нов­ле­нию строе­ния са­мых слож­ных со­еди­не­ний (иде­аль­ным за­вер­ше­ни­ем про­цес­са оп­ре­де­ле­ния струк­ту­ры мо­ле­кул ор­га­нич. со­еди­не­ний яв­ля­ет­ся пол­ный, или то­таль­ный, син­тез, т. е. по­лу­че­ние с по­мо­щью од­но­знач­ных хи­мич. ме­то­дов со­еди­не­ния, струк­ту­ра ко­то­ро­го бы­ла пред­ло­же­на на ос­но­ва­нии изу­че­ния др. ме­то­да­ми), но и при­ве­ло к соз­да­нию ма­те­ри­аль­ных объ­ек­тов, ни­ко­гда ра­нее не су­ще­ст­во­вав­ших в при­ро­де. Для ус­пеш­но­го про­ве­де­ния ор­га­нич. син­те­за хи­ми­ку-син­те­ти­ку не­об­хо­ди­мо со­вер­шен­ное со­че­та­ние тео­ре­тич. и прак­тич. зна­ний с ин­туи­тив­ным под­бо­ром средств, наи­бо­лее под­хо­дя­щих для по­строе­ния са­мых слож­ных мо­ле­кул.

Совр. О. х. изу­ча­ет со­еди­не­ния, вы­де­ляе­мые из рас­тит. и жи­вот­ных ор­ганиз­мов (при­род­ные ве­ще­ст­ва), а так­же со­еди­не­ния, соз­дан­ные ис­кус­ст­вен­но с по­мо­щью ла­бо­ра­тор­но­го или пром. ор­га­нич. син­те­за. Бо­лее то­го, объ­ек­та­ми изу­че­ния ком­пь­ю­тер­ной О. х. яв­ля­ют­ся со­еди­не­ния, не толь­ко не су­ще­ст­вую­щие в жи­вых ор­га­низ­мах, но и такие, ко­то­рые, по-ви­ди­мо­му, нель­зя син­те­зи­ро­вать (напр., ги­по­те­тич. ана­лог ме­та­на, имею­щий не при­род­ное тет­ра­эд­рич. строе­ние, а фор­му плос­ко­го квад­ра­та, в цен­тре ко­то­ро­го ле­жит атом С, а в вер­ши­нах – ато­мы Н).

Ор­га­нич. син­тез свя­зы­ва­ет О. х. с хи­мич. пром-стью как ма­ло­тон­наж­ной (тон­кий ор­га­ни­че­ский син­тез – про­из-во ле­карств, ви­та­ми­нов, жид­ких кри­стал­лов, фер­мен­тов, фе­ро­мо­нов и др.), так и круп­но­тон­наж­ной (ос­нов­ной ор­га­ни­че­ский син­тез – про­из-во ис­кусств. во­лок­на и пла­ст­масс, неф­те­хи­ми­че­ский син­тез – хи­мич. пе­ре­ра­бот­ка неф­ти и га­за и др.).

Строе­ние ор­га­нич. со­еди­не­ний ус­та­нав­ли­ва­ют с по­мо­щью ме­то­дов ана­ли­за ор­га­нич. со­еди­не­ний, вклю­чаю­щих, по­ми­мо эле­мент­но­го ана­ли­за, та­кие фи­зич. ме­то­ды, как ЯМР, масс-спек­тро­мет­рия, ИК- и УФ-спек­тро­ско­пия, рент­ге­нов­ский струк­тур­ный ана­лиз, элек­тро­но­гра­фия и др. Раз­ви­ва­ют­ся так­же ме­то­ды вы­де­ле­ния, очи­ст­ки и раз­де­ле­ния ор­га­нич. ве­ществ, напр. разл. ви­ды хро­ма­то­гра­фии.

Классификация органических соединений

Ос­но­ву ор­га­нич. со­еди­не­ний со­став­ля­ет не­замк­ну­тая (от­кры­тая) или замк­ну­тая цепь уг­ле­род­ных ато­мов; од­но или неск. звень­ев це­пи мо­жет быть за­ме­не­но на ато­мы, от­лич­ные от уг­ле­ро­да, – ге­те­роа­то­мы, ча­ще все­го О, N, S. По струк­ту­ре ор­га­нич. со­еди­не­ния под­раз­де­ля­ют на али­фа­ти­че­ские со­еди­не­ния (уг­ле­во­до­ро­ды и их про­из­вод­ные, имею­щие от­кры­тую уг­ле­род­ную цепь); кар­бо­цик­ли­че­ские, в т. ч. али­цик­ли­че­ские со­еди­не­ния и аро­ма­ти­че­ские со­еди­не­ния (име­ют замк­ну­тую уг­ле­род­ную цепь); ге­те­ро­цик­ли­че­ские со­еди­не­ния (цик­лы вклю­ча­ют, на­ря­ду с ато­ма­ми уг­ле­ро­да, один или неск. ге­те­роа­то­мов). Уг­ле­во­до­ро­ды и их про­из­вод­ные, не со­дер­жа­щие крат­ных свя­зей, от­но­сят­ся к на­сы­щен­ным со­еди­не­ни­ям, с крат­ны­ми свя­зя­ми – к не­на­сы­щен­ным.

От ка­ж­до­го уг­ле­во­до­ро­да пу­тём за­ме­ны ато­мов Н на разл. ха­рак­те­ри­сти­че­ские (функ­цио­наль­ные) груп­пы мо­жет быть об­ра­зо­ван т. н. ге­не­тич. ряд, напр. ге­не­тич. ряд эта­на C₂H₆: этил­хло­рид C₂H₅Cl – эта­нол C₂H₅OH – эти­ла­мин C₂H₅NH₂ – аце­таль­де­гид CH₃CHO – ук­сус­ная ки­сло­та CH₃COOH и т. д. В за­ви­си­мо­сти от ти­па функ­цио­наль­ной груп­пы ор­га­нич. со­еди­не­ния под­раз­де­ля­ют­ся на клас­сы: уг­ле­во­до­ро­ды RH (функ­цио­наль­ная груп­па от­сут­ст­ву­ет), га­ло­ген­про­из­вод­ные уг­ле­во­до­ро­дов RHal, спир­ты ROH, аль­де­ги­ды RCHO, ке­то­ны R₂CO, кар­бо­но­вые ки­сло­ты RCOOH, пер­вич­ные, вто­рич­ные и тре­тич­ные ами­ны RNH₂, R₂NH и R₃N, нит­ро­со­еди­не­ния RNO₂; тио­лы (мер­кап­та­ны) RSH, суль­фи­ды ор­га­ни­че­ские R₂S и др. К функ­цио­наль­ным груп­пам от­но­сят так­же крат­ные уг­ле­род-уг­ле­род­ные свя­зи. По­сле­до­ва­тель­но­сти ор­га­нич. со­еди­не­ний с од­но­тип­ной струк­ту­рой и оди­на­ко­вы­ми функ­цио­наль­ны­ми груп­па­ми, в слу­чае ес­ли со­еди­не­ния от­ли­ча­ют­ся друг от дру­га по ко­ли­че­ст­ву струк­тур­ных еди­ниц СН₂ в уг­ле­род­ной це­пи, со­став­ля­ют го­мо­ло­ги­че­ские ря­ды.

По ве­ли­чи­не мо­ле­кул ор­га­нич. со­еди­не­ния под­раз­де­ля­ют на низ­ко­мо­ле­ку­ляр­ные (с мо­ле­ку­ляр­ной мас­сой от не­сколь­ких де­сят­ков до не­сколь­ких со­тен, ред­ко до ты­ся­чи) и вы­со­ко­мо­ле­ку­ляр­ные (мак­ро­мо­ле­ку­ляр­ные; с мо­ле­ку­ляр­ной мас­сой по­ряд­ка 10⁴–10⁶ и бо­лее). Хи­мия вы­со­ко­мо­ле­ку­ляр­ных со­еди­не­ний со­став­ля­ет отд. раз­дел ор­га­нич. хи­мии.

Со­еди­не­ния, в мо­ле­ку­лах ко­то­рых кро­ме ато­мов С, Н, Hal, О, N, S со­дер­жат­ся ато­мы др. эле­мен­тов, об­ра­зую­щих свя­зи с уг­ле­ро­дом, от­но­сят­ся к эле­менто­ор­га­ни­че­ским со­еди­не­ни­ям (см., напр., Ме­тал­ло­ор­га­ни­че­ские со­еди­не­ния, Мышь­я­кор­га­ни­че­ские со­еди­не­ния, Фос­фо­рор­га­ни­че­ские со­еди­не­ния).

Историческая справка

Ис­то­ки О. х. вос­хо­дят к глу­бо­кой древ­но­сти (уже то­гда зна­ли о спир­то­вом и ук­сус­но­кис­лом бро­же­нии, кра­ше­нии ин­ди­го и али­за­ри­ном). Од­на­ко в сред­ние ве­ка (пе­ри­од ал­хи­мии) бы­ли из­вест­ны лишь не­мно­гие ин­ди­ви­ду­аль­ные ор­га­нич. со­еди­не­ния. Все ис­сле­до­ва­ния это­го пе­рио­да сво­ди­лись гл. обр. к опе­ра­ци­ям, при по­мощи ко­то­рых, как то­гда ду­ма­ли, од­ни про­стые ве­ще­ст­ва мож­но пре­вра­тить в дру­гие. На­чи­ная с 16 в. (пе­ри­од ят­ро­хи­мии) ис­сле­до­ва­ния бы­ли на­прав­ле­ны в осн. на по­лу­че­ние и ис­поль­зо­ва­ние разл. ле­кар­ст­вен­ных ве­ществ: был вы­де­лен из рас­те­ний ряд эфир­ных ма­сел, при­го­тов­лен ди­эти­ло­вый эфир, су­хой пе­ре­гон­кой дре­ве­си­ны по­лу­че­ны дре­вес­ный (ме­ти­ло­вый) спирт и ук­сус­ная ки­сло­та, из вин­но­го кам­ня – вин­ная ки­сло­та, пе­ре­гон­кой ян­та­ря – ян­тар­ная ки­сло­та. Боль­шая роль в ста­нов­ле­нии О. х. при­над­ле­жит А. Ла­ву­а­зье, ко­то­рый раз­ра­бо­тал осн. ко­ли­че­ст­вен­ные ме­то­ды оп­ре­де­ле­ния со­ста­ва хи­мич. со­еди­не­ний. 

Назв. «ор­га­ни­че­ское со­еди­не­ние» встре­ча­ет­ся уже в кон. 18 в. Тер­мин «О. х.» был, по-ви­ди­мо­му, впер­вые при­ме­нён Й. Бер­це­лиу­сом в «Ру­ко­во­дстве по ор­га­ни­че­ской хи­мии», из­дан­ном в 1827. В тер­ми­не «О. х.» на­шли от­ра­же­ние взгля­ды то­го вре­ме­ни на ор­га­нич. со­еди­не­ния как ве­ще­ст­ва, встре­чаю­щие­ся толь­ко в рас­тит. и жи­вот­ных ор­га­низ­мах (от греч. ὀργα­νιϰος, букв. – от­но­сящий­ся к ор­га­нам); об­ра­зо­ва­ние ор­га­нич. ве­ществ рас­смат­ри­ва­лось как про­яв­ле­ние «жиз­нен­ной си­лы». Это за­блу­ж­де­ние оп­ро­верг­ли Ф. Вё­лер, ко­то­рый впер­вые по­лу­чил ор­га­нич. ве­ще­ст­во – мо­че­ви­ну из не­ор­га­ни­че­ско­го – циа­на­та ам­мо­ния (1828), А. Коль­бе, син­те­зиро­вав­ший ук­сус­ную ки­сло­ту (1845), М. Берт­ло, по­лу­чив­ший ана­ло­ги при­род­ных жи­ров и син­те­зи­ро­вав­ший ме­тан из H₂S и CS₂ (1854), и др. 

В 1-й пол. 19 в. на­ко­п­лен об­шир­ный опыт­ный ма­те­ри­ал и сде­ла­ны пер­вые обоб­ще­ния, оп­ре­де­лив­шие бур­ное раз­ви­тие О. х.: раз­ви­ты ме­то­ды ана­ли­за ор­га­нич. со­еди­не­ний (Й. Бер­це­ли­ус, Л. Те­нар, Ю. Ли­бих, Ж. Дю­ма, М. Шев­рёль; прин­ци­пы этих ме­то­дов ле­жат в ос­но­ве совр. ор­га­ни­че­ских ве­ществ ана­ли­за), соз­да­на тео­рия ра­ди­ка­лов (Ф. Вё­лер, Ж. Гей-Люс­сак, Ли­бих, Дю­ма) как групп ато­мов, пе­ре­хо­дя­щих не­из­мен­ны­ми из ис­ход­ной мо­ле­ку­лы в ко­неч­ную в про­цес­се ре­ак­ции; раз­ви­та тео­рия ти­пов (Ш. Же­рар, 1851), со­глас­но ко­то­рой ор­га­нич. со­еди­не­ния мож­но кон­ст­руи­ро­вать из не­ор­га­нич. ве­ществ че­ты­рёх ти­пов (во­до­ро­да, во­ды, хло­ро­во­до­ро­да, ам­миа­ка) за­ме­ще­ни­ем в них ато­мов на ор­га­нич. фраг­мен­ты; вве­де­но по­ня­тие изо­ме­рии (Бер­це­ли­ус, 1830).

Ис­сле­до­ва­ния Э. Франк­лен­дом ме­тал­ло­ор­га­нич. со­еди­не­ний по­зво­ли­ли ус­тано­вить че­ты­рёх­ва­лент­ность уг­ле­ро­да, за­ло­жить ос­но­вы тео­рии ва­лент­но­сти (Франк­ленд, Ф. А. Ке­ку­ле, А. Коль­бе, 1850–60-е гг.) и по­сту­ли­ро­вать су­ще­ст­во­ва­ние уг­ле­род-уг­ле­род­ных про­стых и двой­ных свя­зей. Ре­во­люц. вклад внёс А. Ку­пер (1858), ко­то­рый ввёл по­ня­тие ва­лент­но­го штри­ха. С тех пор и до­ныне хи­ми­ки ис­поль­зу­ют язык кон­сти­ту­ци­он­ных (струк­тур­ных) фор­мул мо­ле­кул ор­га­нич. со­еди­не­ний, в ко­то­рых свя­зи ме­ж­ду отд. ато­ма­ми обо­зна­ча­ют­ся с по­мо­щью од­но­го (про­стая связь), двух (двой­ная) или трёх (трой­ная) ва­лент­ных штри­хов.

Од­но­вре­мен­но про­дол­жа­лось ин­тен­сив­ное раз­ви­тие син­те­тич. ме­то­дов. Впер­вые соз­да­ют­ся пром. про­из-ва ор­га­нич. со­еди­не­ний [А. Гоф­ман, У. Пер­кин (стар­ший) – син­те­тич. кра­си­те­ли: мо­веин, фук­син, циа­ни­но­вые и азо­кра­си­те­ли]. Усо­вер­шен­ст­во­ва­ние от­кры­то­го Н. Н. Зи­ни­ным (1842) спо­со­ба син­те­за ани­ли­на по­слу­жи­ло ос­но­вой соз­да­ния отеч. ани­ли­нокра­соч­ной пром-сти. В ла­бо­ра­то­рии А. Бай­е­ра син­те­зи­ро­ва­ны при­род­ные кра­си­те­ли – ин­ди­го, али­за­рин, ин­ди­го­ид­ные, ксан­те­но­вые, ан­тра­хи­но­но­вые.

Идея не­раз­рыв­ной свя­зи хи­мич. и фи­зич. свойств мо­ле­ку­лы с её строе­ни­ем и един­ст­вен­но­сти это­го строе­ния впер­вые вы­ска­за­на А. М. Бут­ле­ро­вым (1861), ко­то­рый соз­дал клас­сич. тео­рию хи­мич. строе­ния (ато­мы в мо­ле­ку­лах со­еди­ня­ют­ся со­глас­но их ва­лент­но­стям, хи­мич. и фи­зич. свой­ст­ва со­еди­не­ний оп­ре­де­ля­ют­ся при­ро­дой и чис­лом вхо­дя­щих в их со­став ато­мов, а так­же ти­пом свя­зей и вза­им­ным влия­ни­ем не­по­сред­ст­вен­но не свя­зан­ных ато­мов). Тео­рия хи­мич. строе­ния оп­ре­де­ли­ла даль­ней­шее бур­ное раз­ви­тие О. х.: в 1865 Ф. А. Ке­ку­ле пред­ло­жил фор­му­лу бен­зо­ла, позд­нее вы­ска­зал идею об ос­цилля­ции свя­зей; В. В. Мар­ков­ни­ков и А. М. Зай­цев сфор­му­ли­ро­ва­ли ряд пра­вил, впер­вые свя­зав­ших на­прав­ле­ние хи­мич. ре­ак­ции с хи­мич. строе­ни­ем всту­паю­ще­го в ре­ак­цию ве­ще­ст­ва. Экс­пе­рим. дан­ные Й. Вис­ли­це­ну­са (1873) об иден­тич­но­сти струк­тур­ных фор­мул при­род­ных мо­лоч­ных ки­слот по­слу­жи­ли толч­ком для соз­да­ния сте­рео­хи­мич. тео­рии (Я. Х. Вант-Гофф и Ж. А. Ле Бель, 1874), в ко­то­рой по­сту­ли­ро­ва­лось тет­ра­эд­рич. строе­ние фраг­мен­та с че­ты­рёх­ва­лент­ным ато­мом уг­ле­ро­да, что в слу­чае че­ты­рёх разл. за­мес­ти­те­лей пред­ска­зы­ва­ло су­ще­ст­во­ва­ние про­стран­ст­вен­но-зер­каль­ных изо­ме­ров; для со­еди­не­ний с двой­ной свя­зью (тет­ра­эд­ры со­еди­ня­ют­ся по реб­ру) – на­ли­чие гео­мет­рич. изо­ме­рии. На этой ос­но­ве воз­ник­ла сте­рео­хи­мия – нау­ка о трёх­мер­ной ори­ента­ции ато­мов в мо­ле­ку­лах и вы­те­ка­ющих от­сю­да след­ст­ви­ях, ка­саю­щих­ся свойств со­еди­не­ний (см. так­же Ди­на­ми­че­ская сте­рео­хи­мия, Кон­фи­гу­ра­ция мо­ле­кул, Кон­фор­ма­ци­он­ный ана­лиз, Оп­ти­че­ская ак­тив­ность, Хи­раль­ность). Ра­бо­та­ми А. Бай­е­ра, К. Ла­а­ра, Л. Клай­зе­на, Л. Кнор­ра раз­ви­ты пред­став­ле­ния о тау­то­ме­рии – под­виж­ной изо­ме­рии.

Все эти тео­ре­тич. пред­став­ле­ния спо­соб­ст­во­ва­ли мощ­но­му раз­ви­тию син­те­тич. ор­га­нич. хи­мии. К кон. 19 в. бы­ли син­те­зи­ро­ва­ны все важ­ней­шие пред­ста­ви­те­ли уг­ле­во­до­ро­дов, спир­тов, аль­де­ги­дов, ке­то­нов, кар­бо­но­вых ки­слот, га­ло­ге­но- и нит­ро­про­из­вод­ных, азот- и се­ро­со­дер­жа­щих струк­тур, ге­те­ро­цик­лов аро­ма­тич. при­ро­ды. Раз­ра­бо­та­ны ме­то­ды по­лу­че­ния дие­нов, аце­ти­ле­нов и ал­ле­нов (А. Е. Фа­вор­ский). От­кры­ты мно­го­числ. кон­ден­са­ции ре­ак­ции [Ш. Вюрц, А. П. Бо­ро­дин, У. Пер­кин (старший), Л. Клай­зен, А. Ми­ха­эль, Ш. Фри­дель, Дж. Крафтс, Э. Кнё­ве­на­гель и др.]. Ис­клю­чит. ус­пехи бы­ли дос­тиг­ну­ты Э. Фи­ше­ром в изу­че­нии уг­ле­во­дов, бел­ков и пу­ри­нов, в ис­поль­зо­ва­нии фер­мен­тов в ор­га­нич. син­те­зе, им же осу­ще­ст­в­лён син­тез по­ли­пеп­ти­дов. Ос­но­вой пром-сти ду­ши­стых ве­ществ ста­но­вят­ся ра­бо­ты О. Вал­ла­ха по хи­мии тер­пе­нов. Вы­даю­щи­ми­ся да­же для на­ше­го вре­ме­ни яв­ля­ют­ся пио­нер­ские ра­бо­ты Р. Виль­штет­те­ра (ус­та­нов­ле­ние струк­ту­ры ко­каи­на и хло­рофил­ла). Фун­дам. вклад в раз­ви­тие ор­га­нич. син­те­за вне­сён В. Гринь­я­ром и Н. Д. Зе­лин­ским – соз­да­ние ис­клю­чи­тель­но пло­до­твор­но­го ме­то­да син­те­за маг­ний­ор­га­нич. со­еди­не­ний и от­кры­тие ка­та­ли­тич. пре­вра­ще­ний уг­ле­во­до­ро­дов; по­след­нее сыг­ра­ло вы­даю­щую­ся роль в раз­ви­тии неф­те­хи­мии. Хи­мия сво­бод­ных ра­ди­ка­лов на­ча­лась с ра­бот М. Гом­бер­га, от­крыв­ше­го (1900) три­фе­нил­ме­тиль­ный ра­ди­кал, и бы­ла про­дол­же­на ра­бо­та­ми А. Е. Чи­чи­ба­би­на, Г. Ви­лан­да и Ш. Гольд­шмид­та.

Раз­ра­бот­ка Ф. Пре­глем в нач. 20 в. ме­то­дов мик­ро­ана­ли­за ор­га­нич. ве­ществ спо­соб­ст­во­ва­ла даль­ней­ше­му бы­ст­ро­му раз­ви­тию хи­мии при­род­ных со­еди­не­ний, что оз­на­ме­но­ва­лось ра­бо­та­ми Г. Ви­ланда по ус­та­нов­ле­нию при­ро­ды жёлч­ных ки­слот (1910), А. Вин­дау­са – при­ро­ды хо­ле­сте­ри­на (1913–15), ра­бо­та­ми Х. Фи­ше­ра по син­те­зу та­ких клю­че­вых со­еди­не­ний, как пор­фи­рин, ге­мин и би­ли­ру­бин (1927–31), У. Н. Хоу­ор­са по ус­та­нов­ле­нию струк­ту­ры уг­ле­во­дов, син­те­зу ви­та­ми­на С (1915–33), П. Кар­ре­ра, Р. Ку­на по по­лу­че­нию ка­ро­ти­нои­дов и ви­та­ми­нов В₂, В₆, Е и K (1911–39). Хи­мия ал­ка­лои­дов, по­ло­вых гор­мо­нов, тер­пе­нов соз­да­на ра­бо­та­ми А. Бу­те­нанд­та (1929–61), Л. Ру­жич­ки (1920–24), А. П. Оре­хо­ва и Р. Ро­бин­со­на.

К сер. 20 в. ор­га­нич. син­тез пре­тер­пе­ва­ет бур­ное раз­ви­тие. Это оп­ре­де­ля­лось от­кры­ти­ем та­ких ос­но­во­по­ла­гаю­щих про­цес­сов, как по­лу­че­ние оле­фи­нов с ис­поль­зо­ва­ни­ем или­дов (Г. Вит­тиг, 1954), дие­но­вый син­тез (О. Дильс, К. Аль­дер, 1928), гид­ро­бо­ри­ро­ва­ние не­на­сы­щен­ных со­еди­не­ний (Г. Бра­ун, 1959), син­тез нук­лео­ти­дов и син­тез ге­на (А. Тодд, X. Ко­ра­на). Не ме­нее зна­чи­тель­ны ус­пе­хи в хи­мии ме­тал­ло­ор­га­нич. со­еди­не­ний (А. Н. Не­смея­нов, Г. А. Ра­зу­ва­ев). В 1920–30-е гг. А. Е. Ар­бу­зов соз­даёт ос­но­вы хи­мии фос­фо­рор­га­нич. со­еди­не­ний, что впо­след­ст­вии при­ве­ло к от­кры­тию но­вых ти­пов фи­зио­ло­ги­че­ски ак­тив­ных со­еди­не­ний, бое­вых от­рав­ляю­щих ве­ществ, ин­сек­ти­ци­дов, ком­плек­со­нов и др. В 1951 осу­ще­ст­в­лён син­тез фер­ро­це­на, ус­та­нов­ле­ние сэн­дви­че­вой струк­ту­ры ко­то­ро­го Р. Вуд­вор­дом и Дж. Уил­кин­со­ном в 1952 по­ло­жи­ло на­ча­ло хи­мии ме­тал­ло­це­но­вых со­еди­не­ний и хи­мии ор­га­нич. со­еди­не­ний пе­ре­ход­ных ме­тал­лов. В 1955 Э. О. Фи­шер син­те­зи­ровал ди­бен­зол­хром и раз­ра­бо­тал ме­тод син­те­за аре­но­вых про­из­вод­ных пе­ре­ход­ных ме­тал­лов. В 1960-е гг. Г. Шилл осу­ще­ст­вил син­тез та­ких «не­клас­си­че­ских» со­еди­не­ний, как ка­те­на­ны и ро­так­са­ны. В 1960–80-е гг. Ч. Пе­дер­сен, Д. Крам и Ж. М. Лен раз­ра­ба­ты­ва­ют хи­мию кра­ун-эфи­ров, крип­тан­дов, ка­лик­са­ре­нов и др. род­ст­вен­ных струк­тур, спо­соб­ных об­ра­зо­вы­вать проч­ные мо­ле­ку­ляр­ные ком­плек­сы, и тем са­мым под­хо­дят к важ­ней­шей про­бле­ме мо­ле­ку­ляр­но­го рас­по­зна­ва­ния. В 20 в. на сты­ке О. х. с не­ор­га­нич. хи­ми­ей и био­хи­ми­ей воз­ник­ли био­ор­га­ни­че­ская хи­мия, био­не­ор­га­ни­че­ская хи­мия, суп­ра­мо­ле­ку­ляр­ная хи­мия, ши­ро­ко ис­поль­зую­щие ме­то­ды и пред­став­ле­ния ор­га­нич. хи­мии.

Раз­ви­тие совр. О. х. дос­тиг­ло уров­ня, по­зво­ляю­ще­го на­чать ре­ше­ние та­кой ос­но­во­по­ла­гаю­щей её про­бле­мы, как про­б­ле­ма ко­ли­че­ст­вен­но­го со­от­но­ше­ния струк­ту­ры ве­ще­ст­ва и его свой­ст­ва, в ка­че­ст­ве ко­то­ро­го мо­жет вы­сту­пать лю­бое фи­зич. свой­ст­во (напр., темп-ра плав­ле­ния), био­ло­гич. ак­тив­ность лю­бо­го стро­го за­дан­но­го ти­па (напр., пес­ти­цид­ная) и др. Ре­ше­ние за­дач та­ко­го ти­па осу­ще­ст­в­ля­ет­ся с ис­поль­зо­ва­ни­ем ма­те­ма­тич. ме­то­дов. Раз­ви­тие этих ме­то­дов в нач. 21 в. по­зво­ли­ло по­дой­ти к ре­ше­нию об­рат­ной за­да­чи пред­ска­за­ния хи­мич. струк­тур с за­ра­нее за­дан­ным кон­крет­ным свой­ст­вом (см., напр., Мо­ле­ку­ляр­ный ди­зайн). О. х. яв­ля­ет­ся фун­дам. ос­но­вой та­ких дис­ци­п­лин, как фар­ма­ко­ло­гия и ме­ди­цин­ская хи­мия, ком­пь­ю­тер­ный син­тез и ма­те­ма­тич. хи­мия, био­ин­же­не­рия, су­деб­ная хи­мия и др.

Строение органических соединений

Для ор­га­нич. со­еди­не­ний ха­рак­тер­ны не­по­ляр­ные ко­ва­лент­ные свя­зи С─С и по­ляр­ные ко­ва­лент­ные свя­зи С─О, С─N, С─Hal, С─металл и т. д. Об­ра­зо­ва­ние ко­ва­лент­ных свя­зей бы­ло объ­яс­не­но на ос­но­ва­нии раз­ви­тых Г. Льюи­сом и В. Кос­се­лем (1916) пред­по­ло­же­ний о важ­ной ро­ли элек­трон­ных об­ра­зо­ва­ний – ок­те­тов и дуб­ле­тов. Мо­ле­ку­ла ус­той­чи­ва, ес­ли ва­лент­ная обо­лоч­ка та­ких эле­мен­тов, как С, N, О, Hal, со­дер­жит 8 элек­тро­нов (пра­ви­ло ок­те­та), а ва­лент­ная обо­лоч­ка во­до­ро­да – 2 элек­тро­на. Хи­мич. связь об­ра­зу­ет­ся обоб­ще­ст­в­лён­ной па­рой элек­тро­нов разл. ато­мов (про­стая связь). Двой­ные и трой­ные свя­зи об­ра­зу­ют­ся со­от­вет­ст­вен­но дву­мя и тре­мя та­ки­ми па­ра­ми. Элек­тро­от­ри­ца­тель­ные ато­мы (F, О, N) ис­поль­зу­ют для свя­зи с уг­ле­ро­дом не все свои ва­лент­ные элек­тро­ны; «не­ис­поль­зо­ван­ные» элек­тро­ны об­ра­зу­ют не­по­де­лён­ные (сво­бод­ные) элек­трон­ные па­ры. По­ляр­ность и по­ля­ри­зуе­мость ко­ва­лент­ных свя­зей в ор­га­нич. со­еди­не­ни­ях в элек­трон­ной тео­рии Льюи­са – Кос­се­ля объ­яс­ня­ет­ся сме­ще­ни­ем элек­трон­ных пар от ме­нее элек­тро­от­ри­ца­тель­но­го к бо­лее элек­тро­от­ри­ца­тель­но­му ато­му, что на­хо­дит вы­ра­же­ние в ин­дук­тив­ном и ме­зо­мер­ном эф­фек­тах. При­зна­ние клю­че­вой ро­ли элек­трон­ных пар сыг­ра­ло важ­ную роль в клас­си­фи­ка­ции ор­га­нич. со­еди­не­ний: реа­ген­ты с чёт­ным чис­лом ва­лент­ных элек­тро­нов под­раз­де­ли­ли на нук­лео­филь­ные и элек­тро­филь­ные реа­ген­ты, ре­ак­ции час­тиц с не­чёт­ным чис­лом ва­лент­ных элек­тро­нов на­зва­ли ра­ди­каль­ны­ми (см. Го­мо­ли­ти­че­ские ре­ак­ции). 

Клас­сич. тео­рия хи­мич. строе­ния и пер­во­на­чаль­ные элек­трон­ные пред­став­ле­ния ока­за­лись не в со­стоя­нии удов­ле­тво­ри­тель­но опи­сать на язы­ке струк­тур­ных фор­мул строе­ние мн. со­еди­не­ний, напр. аро­ма­ти­че­ских. Совр. тео­рия свя­зи в ор­га­нич. со­еди­не­ни­ях ос­но­ва­на гл. обр. на по­ня­тии ор­би­та­лей и ис­поль­зу­ет мо­ле­ку­ляр­ных ор­би­та­лей ме­тод. Ин­тен­сив­но раз­ви­ва­ют­ся кван­то­во­хи­мич. ме­то­ды, объ­ек­тив­ность ко­то­рых оп­ре­де­ля­ет­ся тем, что в их ос­но­ве ле­жит ап­па­рат кван­то­вой ме­ха­ни­ки, един­ст­вен­но при­год­ный для изу­че­ния яв­ле­ний мик­ро­ми­ра. Ме­тод мо­ле­ку­ляр­ных ор­би­та­лей в О. х. раз­ви­вал­ся от ме­то­да Хюк­ке­ля к ме­то­ду ва­лент­ных свя­зей, ЛКАО-при­бли­же­нию и др. В О. х. ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся пред­став­ле­ния о гиб­ри­ди­за­ции атом­ных ор­би­та­лей. Этап про­ник­но­ве­ния ор­би­таль­ных кон­цеп­ций в О. х. от­кры­ла тео­рия ре­зо­нан­са Л. По­лин­га (1931–33) и да­лее ра­бо­ты К. Фу­куи, Р. Вуд­вор­да и Р. Хоф­ма­на о ро­ли гра­нич­ных ор­би­та­лей в оп­ре­де­ле­нии на­прав­ле­ния хи­мич. ре­ак­ции. Тео­рия ре­зо­нан­са до сих пор ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся в О. х. как ме­тод опи­са­ния строе­ния од­ной мо­ле­ку­лы на­бо­ром ка­но­нич. струк­тур с оди­на­ко­вым по­ло­же­ни­ем ядер, но с раз­ным рас­пре­де­ле­ни­ем элек­тро­нов. См. так­же Элек­трон­ные тео­рии в ор­га­нич. хи­мии.

Общая характеристика реакций органических соединений

Ре­ак­ции ор­га­нич. со­еди­не­ний име­ют ряд спе­ци­фич. осо­бен­но­стей. В ре­ак­ци­ях не­ор­га­нич. со­еди­не­ний обыч­но уча­ст­ву­ют ио­ны; эти ре­ак­ции про­те­ка­ют очень бы­ст­ро, ино­гда мгно­вен­но при нор­маль­ной темп-ре. В ре­ак­ци­ях ор­га­нич. со­еди­не­ний обыч­но уча­ст­ву­ют мо­ле­ку­лы; при этом од­ни ко­ва­лент­ные свя­зи раз­ры­ва­ют­ся, а дру­гие – об­ра­зу­ют­ся. Та­кие ре­ак­ции про­те­ка­ют мед­лен­нее ион­ных (ино­гда де­сят­ки ча­сов), для их ус­ко­ре­ния час­то тре­бует­ся по­вы­сить темп-ру или до­ба­вить ка­та­ли­за­тор. Наи­бо­лее час­то в ка­че­ст­ве ка­та­ли­за­то­ров ис­поль­зу­ют ки­сло­ты и ос­но­ва­ния (см. Ки­слот­но-ос­нов­ный ка­та­лиз). Обыч­но про­те­ка­ет не од­на, а неск. ре­ак­ций, так что вы­ход нуж­но­го про­дук­та очень час­то со­став­ля­ет ме­нее 50%. В свя­зи с этим в О. х. час­то упот­реб­ля­ют не хи­мич. урав­не­ния, а схе­мы ре­ак­ций без ука­за­ния сте­хио­мет­рич. со­от­но­ше­ний. 

Ре­ак­ции ор­га­нич. со­еди­не­ний мо­гут про­те­кать очень слож­ным об­ра­зом и не обя­за­тель­но со­от­вет­ст­во­вать про­стей­шей от­но­си­тель­ной за­пи­си (см. Слож­ные хи­ми­че­ские ре­ак­ции). Как пра­ви­ло, про­стая сте­хио­мет­рич. ре­ак­ция на са­мом де­ле про­ис­хо­дит в неск. по­сле­до­ва­тель­ных ста­дий. В ка­че­ст­ве про­ме­жуточ­ных со­еди­не­ний (ин­тер­ме­диа­тов) в мно­го­ста­дий­ных хи­ми­че­ских ре­ак­ци­ях мо­гут воз­ни­кать кар­бка­тио­ны, кар­ба­нио­ны, сво­бод­ные ра­ди­ка­лы, кар­бе­ны, ка­ти­он-ра­ди­ка­лы, ани­он-ра­ди­ка­лы и др. не­ста­биль­ные час­ти­цы, жи­ву­щие до­ли се­кун­ды. Под­роб­ное опи­са­ние всех из­ме­не­ний, ко­то­рые про­ис­хо­дят на мо­ле­ку­ляр­ном уров­не в про­цес­се пре­вра­ще­ния реа­ген­тов в про­дук­ты, на­зы­ва­ют ме­ха­низ­мом хи­ми­че­ской ре­ак­ции. Ре­ак­ции ор­га­нич. со­еди­не­ний мо­гут быть клас­си­фи­ци­ро­ва­ны в за­ви­си­мо­сти от спо­со­ба раз­ры­ва и об­ра­зо­ва­ния свя­зей, ме­то­да воз­бу­ж­де­ния ре­ак­ции, её мо­ле­ку­ляр­но­сти и др. (см. в ст. Ре­ак­ции хи­ми­че­ские). Мно­гие ши­ро­ко ис­поль­зуе­мые ре­ак­ции ор­га­нич. со­еди­не­ний на­зы­ва­ют по фа­ми­ли­ям хи­ми­ков, их от­крыв­ших или де­таль­но изу­чив­ших, – т. н. имен­ные ре­ак­ции (напр., Бек­ма­на пе­ре­груп­пи­ров­ка, Вюр­ца ре­ак­ция). Ис­сле­до­ва­ние влия­ния строе­ния ор­га­нич. со­еди­не­ний на ме­ха­низм их ре­ак­ций изу­ча­ет фи­зич. О. х., ос­но­вы ко­то­рой за­ло­жи­ли К. Ин­гольд, Р. Ро­бин­сон и Л. Гам­мет (1930-е гг.).

Взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду реа­ги­рую­щи­ми мо­ле­ку­ла­ми с ис­поль­зо­ва­ни­ем пред­став­ле­ний о мо­ле­ку­ляр­ных ор­би­та­лях опи­сы­ва­ет­ся при­мер­но так же, как взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду ато­ма­ми при об­ра­зо­ва­нии мо­ле­кул. Ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние по­лу­чил ме­тод воз­му­ще­ний мо­ле­ку­ляр­ных ор­би­та­лей, на ос­но­ве ко­то­ро­го мож­но пред­ска­зать на­прав­ле­ние – ре­гио­хи­мию (см. Ре­гио­се­лек­тив­ность) и сте­рео­хи­мич. ре­зуль­тат (см. Сте­рео­се­лек­тив­ность и сте­рео­спе­ци­фич­ность) ре­ак­ции, а так­же са­му воз­мож­ность её осу­ще­ст­в­ле­ния в дан­ных ус­ло­ви­ях. Ис­поль­зо­ва­ние тео­рии гра­нич­ных ор­би­та­лей (К. Фу­куи, 1952) по­слу­жи­ло мощ­ным сти­му­лом к сбли­же­нию экс­пе­рим. О. х. с кван­то­вой хи­ми­ей. Под­лин­ным три­ум­фом при­ме­не­ния ме­то­да мо­ле­ку­ляр­ных ор­би­та­лей в О. х. яви­лось опуб­ли­ко­ва­ние в 1965 Вуд­вор­да – Хоф­ма­на пра­вил, на ос­но­ве ко­то­рых мож­но лег­ко пред­ска­зать на­прав­ле­ние пе­ри­цик­ли­че­ских ре­ак­ций и ус­ло­вия их про­ве­де­ния, не­об­хо­ди­мые для по­лу­че­ния же­лае­мо­го сте­рео­хи­мич. ре­зуль­та­та.

Возникновение органических соединений

Боль­шин­ст­во ор­га­нич. со­еди­не­ний в при­ро­де об­ра­зу­ет­ся в про­цес­се фо­то­син­те­за из ди­ок­си­да уг­ле­ро­да и во­ды под дей­ст­ви­ем сол­неч­но­го из­лу­че­ния, по­гло­щае­мо­го хло­ро­фил­лом в зе­лё­ных рас­те­ни­ях. Од­на­ко ор­га­нич. со­еди­не­ния долж­ны бы­ли су­ще­ст­во­вать на Зем­ле и до воз­ник­но­ве­ния жиз­ни, ко­то­рая не мог­ла поя­вить­ся без них. Бо­лее 2 млрд. лет на­зад, в до­био­ло­гич. пе­ри­од, пер­вич­ная ат­мо­сфе­ра Зем­ли име­ла вос­ста­но­ви­тель­ные свой­ст­ва, т. к. в ней не бы­ло ки­сло­ро­да, а со­дер­жа­лись в осн. мо­ле­ку­ляр­ный во­до­род, ам­ми­ак, па­ры́ во­ды, азот, ди­ок­сид уг­ле­ро­да, бла­го­род­ные га­зы. Со­глас­но од­ной из совр. ги­по­тез про­ис­хо­ж­де­ния жиз­ни, в ат­мо­сфе­ре (под дей­ст­ви­ем сол­неч­но­го из­лу­че­ния, элек­трич. раз­ря­дов, те­п­ло­вой энер­гии зем­ных недр и ра­дио­ак­тив­но­го из­лу­че­ния) из хи­мич. эле­мен­тов об­ра­зо­ва­лись про­стей­шие не­ор­га­ни­че­ские (ам­ми­ак, циа­но­во­до­род, мо­но­ок­сид уг­ле­ро­да, се­ро­во­до­род, гид­ро­кси­ла­мин, гид­ра­зин и пр.) и ор­га­ни­че­ские (уг­ле­во­до­ро­ды – пре­ж­де все­го ме­тан; аль­де­ги­ды – фор­маль­де­гид, ук­сус­ный аль­де­гид; и др.) со­еди­не­ния. Вы­со­ко­ре­ак­ци­он­ные пер­вич­ные со­еди­не­ния по­слу­жи­ли ис­ход­ны­ми ве­ще­ст­ва­ми для син­те­за био­хи­ми­че­ски важ­ных ор­га­нич. мо­ле­кул. Воз­мож­ность абио­ген­но­го син­те­за ами­но­кис­лот (со­став­ных час­тей бел­ков), азо­ти­стых ос­но­ва­ний и са­ха­ров (со­став­ных час­тей нук­лео­ти­дов, из ко­то­рых со­сто­ят нук­леи­но­вые ки­сло­ты) из про­стей­ших со­еди­не­ний до­ка­за­на экс­пе­ри­мен­таль­но (при дей­ст­вии разл. ис­точ­ни­ков энер­гии на га­зо­вые сме­си, ими­ти­рую­щие пер­вич­ную ат­мо­сфе­ру Зем­ли). Из этих со­став­ных час­тей об­ра­зо­вы­ва­лись всё бо­лее слож­ные ор­га­нич. ве­щест­ва (в т. ч. мо­ле­ку­лы или ан­самб­ли мо­ле­кул, спо­соб­ные к са­мо­вос­про­из­ве­де­нию), по­ка, на­ко­нец, не поя­ви­лись ус­ло­вия для соз­да­ния жи­вой клет­ки (см. Про­ис­хо­ж­де­ние жиз­ни).