Органикалық химияның даму тарихы

0

Жоспар:

  1. Органикалық химияның дамуы
  2. Витализм теориясы
  3. Радикалдар теориясы
  4. Типтер териясы

Қолданылған әдебиеттер тізімі:

Негізгі және қосымша әдебиет

  1. Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органикалық химия. М. ВШ., 1981ж.
  2. Грандберг И.И. Органическая химия. М.,1974г.
  3. Бірімжанов Б. Жалпы химия. Алматы: ҚазҰУ, 2001ж.
  4. Бірімжанов Б., Нұрахметов Н. Жалпы химия. Алматы: Ана тілі-1992ж.
  5. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.ВШ., 1988г.
  6. Усанович М.И. Из истории химии. Алматы: «Қазақ университеті»-2004ж
  7. Шоқыбаев Ж. Бейорганикалық және аналитикалық химия. Алматы: «Білім», 2003ж.

Лекция мәтіні:

Көптеген органикалық заттар адам баласына көне заманнан бері белгілі. Ертедегі адамдар құрақ қантын пайдалануды, жүзім шырынын ашытып шарап алу жолдарын жақсы білген. Сонымен қатар олар сірке қышқылының ерітіндісін, өсімдіктер мен жануарлар майларын өз тұрмыстарында өте ертеден – ақ пайдаланған, майдан сабын өндіруді білген. Римдықтар мен египеттіктер әртүрлі маталарды көк түсті етіп индиго арқылы  бояудың тәсілдерін меңгерген.

Бұдан кейін бояғыш заттар ализарин, пурпур белгілі болды. Біздің эрамыздың ІХ ғасырында скипидар алынды. XVI – XVII ғасырларда заттарды құрғақтай ажырату жолдары игеріліп, соның нәтижесінде метил спирті, ацетон, янтарь және бензой қышқылдары, т.б. көптеген заттар белгілі болды.

1769 – 1786 жылдар аралығында стокгольмдік дәруші өз бетімен білім алған ғалым Карл Вильгелм Шееле (1742 — 1786) өсімдіктер мен жануарлардың шырындарынан шарап, лимон, алма, галло, сүт, қымыздық қышқылдарын бөліп алудың жолдарын тапты; өсімдік пен жануар майларының негізгі құрамдық бөлігі глицерин екенін көрсетті. Бұл кезде басқа ғалымдар өсімдік пен жануарлардан мочевинаны, холестеринді, морфин және т.б. көптеген алкалоидтарды бөліп алды. Басқа сөзбен айтқанда, XVІI – XVIIІ ғасырларда өсімдік пен жануарлар организмдерінен немесе олардың қалдықтарын ыдыратып, ажыратудан құрамдары мен қасиеттерінде көптеген ұқсастықтары бар, алайда  сол уақытта дейінгі барлық белгілі минералды заттардан мүлдем ерекше тұратын жүздеген жаңа заттар бөлініп алынды және бұның өзі сол заттардың басын біріктіріп, бір жүйеге келтіруді, олардың ерекше қасиеттерін зерттеуді талап етті – ғалымдардың химиялық заттарды жіктеуі басталды.

1675 жылы Н. Лемери барлық заттарды үш топқа:

  1. Өсімдік текті заттар.
  2. Жануар текті заттар.
  3. Минералды заттар, — деп бөлген.

Алайда, бұл жіктеу ұзақ өмір сүре алмады. Өсімдіктің  ғана құрамынан бөліп алуға болады деген көптеген заттардың жануарлар организмінде болатындығы белгілі болды. XVIІІ ғасырдың аяғында ондай заттар үшін «органикалық заттар» деген жаңа ұғым пайдалана бастады.

Бұл ұғымды ең алғаш 1807 жылы швед ғалымы Якоб Берцелиус (1779 — 1848) ұсынды.

Ол барлық тірі организмдерден алынатын заттарды «органикалық заттар» дей келе, бұл күрделі заттар белгілі бір «құпия күштердің» қатысуымен тек тірі клеткаларда ғана түзіледі деп көрсетті. Сөйтіп, ол бейорганикалық заттардың, органикалық заттардан негізгі айырмашылығы: бейорганикалық заттарды лабораторияларда синтездеп алуға болады, ал органикалық заттарды синтездік жолмен жай заттардан алу мүлдем мүмкін емес деді. Мұндай «құпия күшке» сенушілердің өз дәуірінде дүние тануда  в и т а л и з м  теориясын туғызғаны белгілі. Алайда, неміс химигі Фридрих Велердің 1824 жылы дицианнан қымыздық қышқылын, ал 1828 жылы аммонийдің цианатынан мочевинаны алуы – органикалық заттарды синтездік жолмен алуға болатындығын толық дәлелдеп, витализм теориясын тас – талқан етті.

 

                       NH4OCN            CO(NH2)2

                                  аммоний                  мочевина

                                цианаты

Витализм теориясының мүлдем күйреуіне өткен ғасырдың алпысыншы жылдарында майлардың (1854 ж., М. Бертло), қанттың (1861 ж., А.М. Бутлеров) синтездік жолмен алынуы үлкен себеп болды. Осы уақыттан басталып органикалық химияның өте күшті қарқынмен дамуы басталады.

Органикалық заттардың табиғатын, олардың өзіндік қасиеттерін түсініп білу – олардың молекулалық құрамын, құрылысын зерттеуден басталуы керектігі – ендігі жерде ғалымдар ізденісінің қажеттігіне айналды. Ғалымдар органикалық заттардың қасиеттерін олардың молекулаларының құрылысында деп біліп, әртүрлі ұсыныстар, теориялар жасай бастады. Сөйтіп, ХІХ ғасырдың ортасынан бастап органикалық химия өз алдына жеке ғылым ретінде біржола қалыптасты.

Өз  алдына ғылым болып дами бастағанына жүз елу жылдай уақыт болған органикалық химия кейінгі 20 – 30 жыл ішінде өте қарқынды дамыды. Оған себеп, органикалық химиямен тығыз байланысты басқа жаратылыстану ғылымдарының зор жетістіктерге жетуі. Атап айтқанда: кванттық химияның есептеу әдістерін, молекулалық механиканың жетістіктерін, заттар құрамын анықтауда физика – химиялық жаңа әдістерді пайдалану, сонымен қатар күрделі органикалық  синтездеу стратегиясының мүлдем өзгеріп кетуі, міне, осының бәрі, органикалық химияның әлі де қалыптасқан ұғымдарына, түсініктеріне бүгінгі күннің ғылыми – техникалық дәрежесінде сын көзбен қарап, өзгертулер, жаңа мағыналы түсініктер енгізуді талап етеді.

Бүгінде органикалық химияны молекулалық құрылымы және соған сәйкес қасиеттері, көміртегінің осы заттың  молекуласын құрудағы ерекше қасиеттерімен (тізбек, сақина, қос немесе үш байланыс түзудегі конфигурациялық өзгерістері, көміртегі мен көміртегі немесе көміртегі мен басқа элемент аралығындағы химиялық байланыстар, молекуладағы көміртегі атомдарының бір – біріне, немесе көміртегіне басқа атомдар, атомдар топтарының әсері, т.б.) сипатталатын күрделі заттардың химиясы дегеніміз жөн. Ал, қазірде органикалық химия – көміртекті қосылыстар химиясы дей салу, органикалық заттар туралы ұғымның шеңберін тым тарылтып жібереді. Олай дейтініміз, құрамында көміртегі бар толып жатқан органикалық емес заттардың да бар екенін ескерсек те жеткілікті.

Органикалық химияның негізгі объектісі  — көміртегінің басқа элементтермен қосылыстары және олардың қасиеттері. Бұл мәселені шешуде органикалық химия ғылым ретінде зерттеулерін заттардың молекулалық құрылыстарын анықтаудан бастайды.

Заттардың құрылысын зерттеудегі органикалық химияның даму тарихын мына төмендегідей кезеңдерге бөлуге болады:

а) органикалық заттардың құрылыс теориясына дейінгі кезең (ХІХ ғасырдың 30 – 40 жылдар аралығы);

ә) заттардың химиялық құрылыс теориясы және стереохимия туралы классикалық теорияның дәуірі (ХІХ ғасырдың 40 – 60 жылдар аралығы);

б) заттар құрылысы  туралы электрондық және квант – механикалық көзқарастардың қалыптасқан кезі (ХІХ ғасырдың 60 – жылдарынан бастап, бүгінгі күнге дейін).

Бұл кезеңдердің біріншісінде органикалық заттар жөніндегі сол кездегі барлық ұғымдарды біріктіруге тырысқан радикалдар теориясы пайда болды.

РАДИКАЛДАР ТЕОРИЯСЫ

 

Радикалдар теориясының негізін қалаушылар Якоб Берцелиус, неміс ғалымдары Юстус Либих (1803 — 1873), Фридрих Велер (1800 — 1882) және т.б. Теорияның тууына тікелей себеп болған, соңғы екі ғалымның бензой қышқылы және оның туындыларымен жүргізген жұмыстарының қорытындылары еді. Олар бензой қышқылының бірнеше туындыларын зерттей отырып, бұл қосылыстардың барлығының молекулалық құрамында белгілі бір атомдардың жиынтығы  С7Н5О үнемі кездесіп отыратындығын байқаған. Мысалы, мынадай қосылыстарда:

 

С7Н6О   немесе   С6Н5СНО   ( бензальдегид),

О

С7Н5ОСІ    немесе     С6Н5С            (хлорлы бензоил),          

СІ

С7Н5ООН   немесе  С6Н5СООН           (бензой қышқылы),       

 

О

С7Н5ОNН2      немесе  С6Н5С                  (бензой қышқылының амиді).

2

Өзгеріссіз бір  заттан екінші заттың құрамына ауысып отыратын атомдар тобының жиынтығын олар « р а д и к а л » деп атаған. Радикалдар қатарына олар сонымен қатар  СН3СО немесе С2Н3О – ацетилді, т.б. қалдықтарды жатқызған. Басқаша айтқанда, олар: барлық органикалық заттардың молекулалық құрамында екі түрлі бөлшек бар:

— оның бірі бір қосылыстың құрамынан екінші қосылыстың құрамына химиялық  реакциялар кезінде өзгеріссіз ауысып отыратын бөлшек (радикалдар), ал екіншісі химиялық өзгеріске ұшырайтын бөлшектер деп ұқты.

Радикалдар теориясының тұжырымын былай деп көрсетуге болар еді.

а) барлық органикалық заттардың құрамында әрдайым оң зарядталған

радикалдар бар;

ә) радикалдар әрдайым тұрақты, олар бір заттан екінші заттың құрамына ешқандай өзгеріске ұшырамай ауысып отырады;

б) радикалдар бос күйінде, ешбір заттардың құрамына кірмей – ақ, өз алдына өмір сүре алады.

Алайда, аз уақыттан соң – ақ радикалдар теориясының тұжырымдарына қарама – қарсы келетін фактілер тым көбейіп кетті. Олардың ішіндегі ең бастысы Француз ғалымы Жан Батист Дюманың (1800 — 1884) жұмыстарының қорытындысы болды. Жан Дюма қазірде     « м е т а л е п с и я » деп жүрген реакцияны ең алғаш ашқан химик. Ол органикалық заттардың көпшілігіне хлорды әрекеттестіргенде, хлор атомдарының әлемдегі заттың құрамындағы « р а д и к а л » деп саналатын бөлшектеріндегі сутегінің атомдарын реакция кезінде біртіндеп ығыстырып шығаратынын байқаған. Сонымен қатар, әрбір реакцияға түскен хлордың бір эквивалентіне сәйкес, реакциядан бір эквивалент сутегі хлорсутек (НСІ) түрінде бөлініп шығатыны және жаңадан алынған заттардың жалпы қасиеттеріндегі реакцияға дейінгі алынған заттың қасиеттеріне ұқсастық, аса үлкен айырмашылықтың болмауы.

Мысалы, Ж. Дюманың іске асырған мына төмендегідей реакцияларын қарастырайық:

 

                                СІ2                                         СІ2

СН3СООН                            СІСН2СООН

                              — НСІ                                       — НСІ

  сірке қышқылы                                      монохлорсірке қышқылы

 

 

                                    СІ2                                    

СІ2СНСООН                            СІ3ССООН

  • НСІ

дихлорсірке қышқылы                               трихлорсірке қышқылы

 

Бұл реакциялар схемасында көрсетілген: сірке қышқылы, монохлор- , дихлор – және трихлорсірке қышқылдарының бәрі бір негізді қышқылдар. Яғни олардың физикалық және химиялық қасиеттерінде жалпы ұқсастықтар көп. Кейінгі үш қышқыл сірке қышқылынан алынып отыр және оны мүмкін етіп отырған жағдай сірке  қышқылының  СН3СООН молекуласындағы СН3 – метил радикалының химиялық реакциялар кезінде өзгеріске ұшырауы. Сонымен радикалдар химиялық өзгерістерге ұшырамайды деген ұғымға соққы берілді.

Ендігі жерде, заттардың қасиеттерін анықтайтын сол заттың молекуласын құрастырып тұратын атомдардың түрі немесе сапасы ғана емес, сонымен бірге атомдардың молекуладағы орналасу тәртібі, олардың бір – бірімен байланысу типтері деген ұғым орнығып, қалыптаса бастады.

Радикалдар теориясы өзінің кемшіліктеріне қарамастан, органикалық химияның дамуында келелі із қалдырды: химия саласында « р а д и к а л » деген жаңа ұғым қалыптасты. Радикалдар жеке өз алдына өмір сүре алатын бөлшектер деген болжау да өзін ақтады. Сонымен қатар, радикалдар теориясын негіздеушілердің: белгілі бір атомдар тобы ешбір өзгеріске ұшырамай бір заттың құрамынан екінші заттың құрамына ауысып отырады деген көзқарастары да осы күндері орасан көптеген химиялық реакциялардың қорытындыларымен дәлелденіп отыр.

Радикалдар теориясы тек қана химия емес, көптеген ғылымдардың дамуына ықпал — әсер еткен теория және керісінше, оның тууына себеп болған басқа жаратылыстану ғылымдары (әсіресе, физика). Радикалдар теориясының негізгі қалаушы Я. Берццелиустің: барлық органикалық заттардың молекуласы қарама – қарсы электр зарядтары бар екі бөлшектен тұрады, — деуіне себеп болған, — сол кезде үстем болған Фарадей заңдарының (әсіресе, электролиз заңдарының ) әсері еді.

Я. Берцелиустің кезінде әлемге әйгілі болған элементтердің химиялық тектестігінің  э л е к т р о х и м и я л ы қ  т е о р и я с ы н  дамытушы, химия саласында дуалистік (дүниенің негізі бір – біріне бағынбайтын, тең праволы екі нәрседен – «рухтан» және «материядан» басталады деп танып, материализм  мен идеализмді үйлестіруге тырысатын ) ағымды уағыздаушы болғанын айта кету қажет. Олай болса, дүние танудағы бұндай қате көзқарастың радикалдар теориясының кемшіліктерін қоюлата түскені белгілі.

 

ТИПТЕР ТЕОРИЯСЫ

        Типтер териясының пайда болуына әсер еткендер мыналар еді:

а) Ж.Дюманың жұмыстары;

ә) ХІХ ғасырдың 40 – жылдарында пайда болған     «г о м о л о  г и я » туралы ілімнің табыстары;

б) органикалық заттардың орасан көп жаңа түрлерінің ашылуы және олардың көпшілігінің қасиеттеріндегі тектестіктің болуы. Олай болса, осы заттардың арасындағы тектестік ненің себебінен туады деген сұрақтың тууы;

в) заттарды қасиеттерінің тектестігіне қарап жіктеудің басталуы;

г) өзгеріске ұшырамайды дейтін радикалдарды бөліп алу жолында жасалған тәжірибелердің сәтсіздікпен аяқталуы.

Бұл теория ХІХ ғасырдың қырқыншы жылдарынан басталып, алпысыншы жылдарға дейін органикалық химияға тиянақты қызмет атқарды. Негізін қалаушылар француз ғалымы Шарль Фредерик Жерар (1816 — 1856), неміс химигі Август Кекуле (1829 — 1896) және т.б.

Олар заттарды біртұтас қалпында (радикалшылдар сияқты зат екі түрлі бөлшектен тұрады демей) қарастырып, өз жұмыстарында заттарды молекулалық құрамына қарай түрлі – түрлі типтерге бөлді және тек олардың өзара өзгерістері мен химиялық реакцияларын сипаттауға тырысты. Кейінірек бұл теория Ш. Жерардың «т и п т е р д і ң   у н и т а р л ы   т е о р и я  с ы» деп аталып кетті. Оның негізі мынада еді:

а) органикалық және бейорганикалық заттардың реакцияларының арасында бір типтестік, яғни тектестік бар, оның себебі – олардың молекулалық құрылыстарының тектестігі. Кейбір органикалық заттардың молекуласы судың молекуласының типімен, қайсы біреулері – хлорсутектің, ал енді біреулері сутегінің молекуласы типінде құрылған. Олай болса, заттың құрамындағы сутегінің орнына басқа атомды, не атомды тобын қою арқылы жаңа зат алуға болады, — деп көрсетті. Мысалы, бұл тұжырымды мынадай схемамен көрсетуге болар еді:

 

           С2Н3О                                                      СН3

                                                                                                            О    О

                                   Н                                                              Н

                                                                                                сірке қышқылы                                                                                                      метил спирті

                                                                                                         

                                                        С2Н3О                    Н           С2Н5

                                                                                                         О       О      О

                                                          СН3                               Н      Н

                                                                                                метил сірке        этил спирті

                              қышқылы эфирі        СУ

 

 

                                                                                     С2Н5     СН3

                                               О                                            О

                                     С2Н5                                                               СН3

                                                 диэтил эфирі                                               диметил эфирі

 

Су типін ағылшын ғалымы Александр Вильямсон (1824 – 1904 ) ұсынған. Су типі ең соңғы шыққан типтердің қатарына жатады.

Сутегі типіне: көмірсутектерді, альдегидтер мен кетондарды жатқызған. Бұл заттардың формулаларын мынадай етіп жазу ұсынылды.

 

СН3                                         С2Н5                                  СН3

метан     Н                        этан      Н                    этан   СН3

       метилгидрид                                   этилгидрид                                        диметил

                С2Н3О                                                    С2Н3О            

                                   Н                                              СН3

                              сірке альдегиді                                              ацетон

 

Хлорсутек типіне жатқызылған көмірсутектердің галоген туындыларын, қышқылдардың галоген ангидридтерін, мынау сияқты етіп жазу керек еді:

 

СН3                                         С2Н5                                  С2Н3О

             СІ                                   СІ                                         СІ            

            хлорметил                      хлорэтил                                            хлорацетон

 

Өткен ғасырдың қырқыншы жылдарының аяғында орыс ғалымы Николай Николаевич Зинин (1812 — 1880) және неміс химиктері Адольф Вюрц (1817 — 1884), Август Вильгельм Гофман (1818 — 1892) аминдерді ашқан соң, құрамында азоты бар органикалық заттар үшін аммиак типі ұсынылды:

СН3                                            СН3                         С2Н3О                  С6Н5

   Н     N                     СН3    N                         Н    N                   Н          N

   Н                                Н                                 Н                          Н

   метиламин                           диметиламин                      ацетамид                                    анилин

 

ә) органикалық заттардың молекулалары – бір – бірімен байланысуы қалай екенін белгісіз атомдар жүйесі; заттың қасиетін анықтайтын молекуланы құрап тұрған барлық атомдардың әсерлерінің жиынтығы;

б) заттардың формуласы олардың құрылысын емес, осы заттың химиялық реакцияға қатысуын көрсетті.

Типтер теориясы да бір кездегі радикалдар теориясы сияқты органикалық химияның дамуында көрнекті роль атқарды. Атап айтқанда:

— бұл теория үстемдік еткен кезде (сол уақыт үшін) органикалық заттардың жүйелі түрдегі жіктелуі пайда болды. Сонымен қатар:  бұл теория заттар туралы ғылыми болжаулар жасауға, әлі белгісіз көптеген жаңа қосылыстардың формулаларын синтездік жолмен алуға итеруші күш сияқты әсер етті. Заттардың химиялық түр өзгерістерге ұшырауын жан – жақты зерттеп, нәтижесінде олардың қасиеттерінтерең түсінуге мүмкіндік жасады.

Сол кездерде жаңа – жаңа естіліп келе жатқан  в а л е н т т і л і к  іліміне игі ықпалын тигізді. Органикалық заттар молекуласының стереохимиясы (кеңістікте орналасуы) туралы ілімнің шығуына, дамуына себепкер болды.

Типтер теориясының кемшіліктері де көп болды:

1) көптеген заттар үшін бір типтің ішінде екі, тіпті одан да көп формула жазуға тура келді. Мысалы сутегі типтес этан:                                                                                                                   С2Н5                                  СН3

     Н           немесе           СН3        деп жазылуы керек еді;

 

2) аралас функциялы заттарды әртүрлі типтерге жатқызып қарастырды. Мысалы, хлорсірке қышқылын бірде су типіне жатқызып, оны

С2Н2СІО

             Н      деп  жазса, енді бірде хлорсутек типіне жатқызып,  формуласын  С2Н3О

                               СІ      деп жазу керек болды.

Сол сияқты сірке  қышқылын да үш түрлі формуламен жазуға болатын еді:

        О                                О                              ///

 С2Н3              О;            С(СН3)   ;            (С2Н3)        О2

        Н                             ОН                              Н

 

3) заттың құрылысын түсініп білуге болмайды деді;

4) изомерлерге мүлде түсінік бере алмай, ақырында көмірсутектерде изомерияның болу мүмкіндігіне күмән тудырды;

5) барлық органикалық заттардың табиғатта бейорганикалық аналогы бар деп көрсетті;

6) радикалдар теориясының жетістіктерін пайдаланудан бас тартып, тіпті «радикал» деген ұғымның орнына «қалдық» деген ұғымды енгізді;

Ендігі жерде осы көрсетілген кемшіліктерді ескерген жаңа теорияның шығуы органикалық дамуындағы тарихи қажеттілік еді.

 

 

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ