Органикалық химия және оның даму тарихы

Органикалық химия және оның даму тарихы

XIX ғасырдың ортасына дейін органикалық химияны өсімдіктер мен жануарлар организмінде түзілетін заттарды зерттейтін ғылым деп келді. "Организм" деген сөзге сәйкес органикалық химия деген атау пайда бодды. Ғылымның дамуына сәйкес, бұл атаудың мағынасы түбірлі өзгеріске ұшырады, солай бола тұрса да, осы тарихи атау сақталып, бүгінге дейін жетіп отыр.
Қазіргі кезде органикалық химия деп, көміртек қосылыстарын және олардың туындыларын зерттейтін ғылымды, ал органикалық заттар деп, құрамында көміртек элементі бар заттарды айтады.
Өте ерте кезден-ақ адам баласы кейбір органикалық заттарды ала білген және оларды өздерінің тұрмыстық қажетіне пайдаланған. Мысалы, қантты заттарды ашыту арқылы шарап ішіщцктерін дайындаған. Индияда қант қамысынан қант ала білген, ертедегі Римде өсімдік текті бояулар-индиго, ализарин және т.б. тұрмыста пайдаланған. Сол кезде-ақ жағымды иісті эфир майлары, сірке суы және т.б. органикалық заттар белгілі болған.
Орта ғасырда жаңадан дамып келе жатқан химия ғылымы алхимиктер еңбектерінің арқасында біршама ілгері жылжыды. Мысалы, айдау әдісін тауып, оны жетіддіру нәтижесінде, араб алхимиктері 900 жылдарда таза шарап спиртін алды.
ХҮІІІ ғасырдың екінші жартысында М.В.Ломоносов пен А.Лавуазье материя сақталу заңын ашып, химиядағы зерттеулердің сандық-мөлшерлік әдісіне жол салды. Химияда осы кезден бастап химиялық анализ, яғни заттың сандық және сапалық құрамын анықтау пайда болды. Химиялық анализ саласының дамуы химиялық заттарды тазарту әдістерін жетілдіруге ықпалын тигізді. Соның нәтижесінде, ХҮІІІ ғасырда бірқатар органикалық заттар (мочевина, шарап, лимон, алма, галл қышқылдары және т.б.) бөлініп алынды.
Химия ғылымының алғашқы даму кезеңдерінде ғалымдар органикалық және бейорганикалық заттардың арасындағы айырмашылықтарды байқамады. Тірі және өлі табиғаттан алынатын заттардың түзілу жолдарының әр түрлілігі және қасиеттерінің өзгешелігі химияны органикалық жөне бейорганикалық деп екіге бөлуге негіз болды.
Сонымен, XIX ғасырдың басында жануарлар мен өсімдіктер организмінде түзілетін заттарды зерттейтін "органикалық химия" деген алғашқы ұғым қалыптасты. Бұл кезең виталистік көзқарастың кең тараған кезеңі еді. Көптеген ғалымдар, соның ішіңце, әйгілі швед ғалымы Берцелиус те, "органикалық заттар тек тірі организмде ерекше бір "тіршілік күшінің" әсерінен түзіледі" деген пікірде болды. Органикалық заттардың пайда болуы туралы бұл көзқарасты витализм деп атады (Vita латынша тіршілік).
Виталистердің идеалистік ілімі органикалық заттарды синтездеуді тежеді, органикалық химияның дамуына кедергі жасады. Бірақ көп ұзамай-ақ, бұл көзқарас химиялық тәжірибе арқылы теріске шығарылды. Мысалы, неміс химигі Велер бейорганикалық заттардан қымыздық қышқылын (1824 ж.) және мочевинаны (1828 ж.) синтездеп адцы. Орыс ғалымы Н.Н.Зинин 1842 жылы бұрын өсімдіктен алынатын анилинді синтездік жолмен алды. Неміс химигі Кольбе 1845 жьшы сірке қышқылын, 1854 жылы француз Бертло — майларды, ал 1861 жылы А.М.Бутлеров ең алғаш қантты заттарды синтездеп алды.
XIX ғасырдың бірінші жартысында органикалық заттарды синтездеумен қатар органикалық қосылыстарды анализдеу техникасы да едәуір жетіддірідді (неміс химигі Ю. Либих). Бұл көптеген органикалық қосылыстарды анализдеуге мүмкіндік берді. Анализдеу барысында барлық органикалық қосылыстардың құрамынан көміртек элементі табылды.
Организмнің қатысуынсыз органикалық заттарды алу мүмкіндігі және барлық органикаяық қосылыстардың құрамынан көміртек элементінің табылуы органикалық химияға жаңа анықтама беруге негіз болды. Сөйтіп, 1848 жылы Гмелин: «Органикалық химия көміртек қосылыстарының химиясын деген жаңа анықтама берді.
XIX ғасырдың аяғында, XX ғасырдың басында органикалық химияның дамуы өнеркәсіптің жаңа салаларының пайда болуына әкелді. Мысалы, отын өнеркәсібі, дәрі-дәрмек өнеркәсібі, жасанды талшық, пластмасса, жасанды каучук өнеркәсіптері және т.б. Көптеген ғылыми-зерттеу институттары жаңадан ашылды және кеңейтілді, органикалық химияның қуатты өнеркәсіп орындары салынды.
Халық шаруашылығын химияландыру еліміздің куатты материалдық-техникалық базасын жасаудың қажетті шарты болды.

2. Органикалық заттардың ерекшеліктері

Сонымен, органикалық химия көміртек қосылыстарьшың химиясы болды. Heгe тек бір ғана элементтің қосылыстары бүтіндей бір ғылымның мазмұнын құрастырып отыр. Оның себебі мына төмендегідей:
I. Органикалық қосылыстардың өте көптігі. Қазіргі кезде 6 млн. жуық көміртек қосылыстары белгічі және бұл сан жаңадан ашылып жатқан табиғи қосылыстармен, синтезделіп алыньш жатқан заттармен толықтырылып, өсіп келеді. Ал барлық басқа элементтердің қосылыстарының саны көміртек қосылыстарынан әлдеқайда аз - 700 мың шамасында.
II. Көміртек қосылыстарының практикалық маңызы өте үлкен. Органикалық қосылыстар тіршілік көзі — олар адам баласына тамақ түрінде де, тұтынатын әр түрлі заттар түрінде де қажет.
III. Органикалық қосылыстарда бейорганикалык қосылыстарда болмайтын өзіне тән ерекшеліктер бар:
1. Органикалық қосылыстардың барлығы жанады, ал бейорганикалық қосылыстардьщ ден көбі жанбайды.
Шамалы сыртқы әсерден, мысалы, шамалы қыздырғанда,
органикалық заттардың көбі өзгеріске ұшырайды, ыдырайды.
Сондықган олармен жұмыс істеу ерекше сақтықты қажет етеді.
Көміртек периодты системадағы барлық элементтермен
(интертті газдардан басқа) қосылыса алады, ал басқа кез келген
элементте мұндай қабілет жоқ.
4. Органикалық заттардың молекуласында әр уақытта
біртекгі атомдардың бірнешеуі, ең алдымен, көміртек атомдарының бірнешеуі кездеседі.
1882 жылы Велер молекуласы бір атом күмістен, бір атом азоттан, бір атом көміртектен және бір атом оттектен тұратын, яғни формуласы AgNCO болып өрнектелетін изоцианқышқыл күмісті алды. Осыдан бір жыл өткен соң Либих молекула құрамы дәл сондай, бірақ қасиеттері өзгеше затты синтездеп алды. Бұл зат өте қопарылғыш еді, соған сәйкес, оны күркіреуік қышқыл күміс деп атады. Екі ғалым өздерінің бөсекесін шешу үшін, алған заттарын сол кездегі әйгілі ғалым Берцелиуске тексеруге жібереді. Берцелиус екі затты алып, өзі анализдеп тексеріл, молекула құрамы бірдей әр түрлі затгардың болатынын мойындайды. Бұл құбылысты изомерия деп атады. Молекулалық құрамы және молекулалық массасы бірдей, ал химиялық құрылысы әр түрлі заттарды изомерлер деп атады. Соған сәйкес изоцианқышқылы күмістің құрылысы былай өрнектеледі: Ag-N=C==O, ал күркіреуік қышқыл күмістің құрылысы: Ag-О-N=C.
Органикалық қосылыстардың көптігінің бір себебі болып келетін изомерия құбылысымен органикалық қосылыстардың жеке кластарын оқығанда кездесеміз.
Органикалық қосылыстардың маңызды табиғи шикізат көзі — тас көмір. Тас көмірді құрғақ айдаудан алынатын — кокс газы, тас көмір шайыры (смола) және су қабаты әр түрлі органикалық қосылыстарды алу үшін бағалы шикізат. Олардан әр түрлі ароматты көмірсутектер және гетероциклді қосылыстар алынады. Органикалық заттардың шикізат көзі ретінде жанғыш сланцтар және торф пайдаланылады.
XX ғасырда органикалық заттардың маңызды шикізат көзі ретінде тас көмірмен бәскеге түскен мұнай және табиғи газ. Мұнайды өңдеу арқылы іштен жанатын және реактивті двигательдердің жанармайы, сонымен бірге өнеркәсіптік органикалық синтезге бағалы шикізат болатын әр түрлі көмірсутектер алынады. Табиғи газдың негізгі құрам бөлігі — метан. Қазіргі кезде метан бағалы отын ретінде жөне органикалық синтезде қолданылады.
Қазіргі кезде органикалық синтез арқылы дүние жүзінде өндірілетін өнімнің 95 проценті мұнай мен табиғи газды шикізат ретінде пайдалануға негізделген. Көмір, ағаш, сланцтар және торф органикалық синтезде қолданылатын шикізаттың 5 процентін ғана құрады.

I. Органикалық химияның алғашқы теориялары
XIX ғасырдың бірінші жартысында органикалық химиядан үлкен тәжірибелік материалдар жинақталды. Сол кезде осы нақты материалдарға түсінік беріп, олармен жұмыс істеуде әрі қарай жол сілтейтін органикалық қосылыстардың химиялық құрылыс теориясын орыстың ұлы ғалымы А.М.Бутлеров 1861 жылы жасады. Бұл теория қазіргі органикалық химияның бастамасы болып саналады. Әрине, басқа да үлкен ғылыми теориялар секілді бұл теория ғылымға бірден өзінен-өзі келе қоймады. Оның келуіне себепші болған және жағдай туғызған - сол теорияға дейінгі белгілі болған кішігірім теориялар мен фактілер еді.
Радикалдар теориясы. XIX ғасырдың бірінші ширегінде пайда болған бұл теорияны органикалық химияның алғашқы теориясы деп санайды. Бұл теорияның іргетасын 1815 жылы Гей-Люссак қалаған. Радикалдар теориясының дамуына себепші болған маңызды, тәжірибелік мәліметгерді 1832 жылы Либих алды. Ол өзінің шәкірттерімен бірге ащы миндаль майьш пайдаланып, қүрамыңда С6Н5СО-топшалары бар бірқатар заттарды алды: С6Н5СО-Н бензой альдегиді, С6Н5СО-ОН бензой қышқылы, С6Н5СО-СІ хлорлы бензойл және т.б. Бұдан ертерек, яғни 1828 жылы А.Дюма бастаған француз химиктері өздерінің "этерин" теориясын ұсынды (этерин - қазіргі терминологиядағы этилен). Бұл теория бойынша С2Н4 — атомдар тобы, яғни "этерин" спирттің, жай эфирлердің, күрделі эфирлердің құрамына кіретін олардың негізгі құрам бөліктері болды. Мұндай атомдар тобын (С6Н5СО- С2Н4) радикалдар деп атады.
Химиктердің осындай жөне т.б.жетістіктері органикалық химияның бірінші теориясы — радикалдар теориясының тууына әкелді. Бұл теория авторларының пікірінше, радикалдар органикалық қосылыстарда атомдардың рөлін атқарады, совдықган олар химиялық реакцияларда ешқандай өзгеріске ұшырамайды, тұрақты. Бірақ көп ұзамай-ақ органикалық радикалдағы сутек атомын химиялық табиғаты жағынан өзгеше басқа атоммен, мысалы, хлор атомымен алмастыруға болатыны анықталды. Сөйтіп, радикалдар атомдар секілді химиялық өзгеріске ұшырамайды деген қағида қате болды.
Радикалдар теориясының орнына оған қарағанда жетілдірілген типтер теориясы келді. Органикалық заттарды типтер теориясын жақгаушылардың (Жерар, Колъбе, Кекуле) ұсынысы бойынша, сол заттардың түсетін реакцияларының типтері бойынша ғана классификациялады. Типтер теориясының негізін салушы Жерар (1832 ж.) органикалық заттарды бірнеше типтерге бөлді: су, хлорлы сутек, метан, аммиак типтес заттар.

Бұл принциппен классификациялаудың кемшілігі бір - затты әр түрлі типтерге жатқызып қоюға болады. Солай бола тұрса да, типтер теориясы органикалық заттарды классификациялаудың алғашқы қадамы бoлды. Бұл классификациялаудың негізгі принциптері қазіргі кезде де қолданылады. XIX ғасырдың ортасына қарай органикалық заттардың касиеттері туралы жаңа мәліметтер жинақталған сайын оларға түсінік беруде және болжауда типтер теориясы дәрменсіздік көрсетті.
Ғылымның ары қарай дамуы органикалық химияның жаңа прогресшіл теориясының болуын талап етті. Мұндай теорияның қалыптасуына өз үлестерін қосқан, ең алдымен, орыс ғалымы АМ.Бутлеров, неміс ғалымы А.Кекуле және шотлаңдық ғалым А.Купер болды.
Өткен ғасырдың ортасындағы органикалық химияның маңызды жетістігі көміртек атомының төрт валенттілігі туралы түсінік (1857 ж., Кекуле). Төрт валентті көміртек атомын былай белгілейді. Осы кезде, яғни 1857 жылы Купер органикалық заттардың молекуласындағы көміртек атомдары бір-бірімен қосылып, тізбек түзетінін дәлелдеді. Алайда бұл ғалымдар молекулалардың құрылысын түсіну мүмкін емес деп санады.

2. А. М. Бутлеровтың химиялық құрылыс теориясы
1861 жылдың қьфкүйегінде Шпейер қаласыңца (Германия) болған жаратылыс зерттеушілер конференциясында А.М.Бутлеров "Затгардың химиялық құрылысы туралы" баяндама жасады. Міне, осы баяндамада ол кұрылыс теориясының негізгі идеяларын ұсынды. Бұл теорияның мәні мынандай негізгі қағидалардан тұрады:
I. Молекуладағы барлық атомдар өздерінің валенттілктеріне сәйкес ретпен (тәртіппен) байланысады.
Молекуладағы атомдардың қосылысу тәртібін және олардың арасындағы байланыстың сипатын А.М.Бутлеров химиялық құрылыс деп атады.
Жоғарыда айтылған көміртектің төрт валенттілігі және олардың бір-бірімен тізбек түзе қосылуы туралы түсініктер құрылыс теориясының құрам бөлігі болып табылады.
Көміртек атомдары бір-бірімен қосылысқанда, олардың арасында бір, екі және үш байланыстың болатыны және көміртек атомдарының тізбегі ашық та, тұйық та болып келетіні анықталды:

2. Заттардың қасиеттері олардың сапалық және сандық
құрамдарына ғана емес, сонымен бірге молекуладағы атомдардың
бір-бірімен байланысу ретіне және олардың арасындағы
байланыстың сипатына да тәуелді болады.
Құрылыс теориясының бұл қағидасы органикалық химияда кең тараған изомерия құбылысына түсінік береді.
3. Берілген заттың қасиеттерін зерттей отырып, ол заттың
молекуласының құрылысын анықтауға болады және құрылысы
мен қасиеттерін белгілі дәрежеде көрсететіндей бір формуламен
өрнектеуге болады.
4. Молекулаға кіретін атомдар мен атомдар топтары өзара
бір-біріне әсер етеді, оның ішінде тікелей байланысқан
атомдардың (атомдар тобының) өзара әсері күштірек болады.
Бутлеровтың осы атомдардың өзара әсері туралы идеясын, оның шәкірті В.В.Марковников ары қарай дамытты. Бұл проблемамен көптеген елдің химиктері бүгін де айналысуда.
Бутлеровтың құрылыс теориясы шыққалы 140 жылдан артық уақыт өтті. Содан бері ғылымда, оның ішінде органикалық химияда, заттар құрылысы туралы көптеген жаңалықтар ашылып, жаңа теориялар дүниеге келсе де, органикалық қосылыстардьщ құрылыс теориясы өз мәнін жоғалтқан жоқ, ол соңғы мәліметтермен толықтырылып отыр.
Д.И.Менделеев өзінің гпериодты системасына сүйенгендей, Бутлеров өзінің құрылыс теориясына сүйеніп, белгісіз заттардың болу мүмкіндігін болжады және олардың бірқатарын өзі синтездеп алды.....