Органічна хімія, том 1 - Черних В

ББК 24.2 Ч 49

УДК 547

Рецензенти: д-р хім. наук проф. В. Д. Орлов (Харківський державний університет), д-р фарм. наук проф. Б. А. Прийменко (Запорізький медичний інститут)

Черних В. П.

449 Органічна хімія: У 3 кн.: Кн. І, Основи будови органіч-

них сполук/В. П. Черних, Б. C. Зименковський, І. C. Гриценко: (Підручник для фарм. вузів і факультетів).— X.: Вид-во «Основа» при Харк. ун-ті, 1993.— 145 с: іл.

ISBN 5-7768-0131-1 (кн. 1)

ISBN 5-7768-0130-3

У підручнику викладено основні загальнотеоретичні положення органічної хімії з наступним описом реакційної здатності найважливіших класів органічних речовин.

Для студентів фармацевтичних вузів і факультетів.

ЗМІСТ

З

ПЕРЕДМОВА

Органічна хімія перебуває в періоді бурхливого розвитку, а її викладання знаходиться у пошуку нових підходів. У пропонованому підручнику викладено основи сучасної органічної хімії з урахуванням досвіду викладання цієї дисципліни в Українській фармацевтичній академії і Львівському медичному інституті. Об'єм матеріалу відповідає програмі з органічної хімії для фармацевтичних вузів і фармацевтичних факультетів медичних інститутів.

Підручник побудовано за принципом початкового викладення фундаментальних загальнотеоретичних положень органічної хімії з наступним описом реакційної здатності найважливіших класів органічних речовин. У самостійні розділи виділені гетероциклічні і природні сполуки.

У загальнотеоретичному розділі розглянуто основні теоретичні положення органічної хімії, а саме: природа хімічного зв'язку, взаємний вплив атомів в органічних молекулах, ізомерія, просторова будова і геометрія молекул, кислотно-основні властивості органічних речовин, фізичні методи встановлення "будови сполук, енергетика, механізми органічних реакцій, будова проміжних активних частинок та ін.

В основу викладення матеріалу найважливіших класів покладено класифікацію органічних сполук за функціональними групами, що дозволяє уникнути дублювання матеріалу і сприяє формуванню у студента цілісніших уявлень відносно реакційної здатності органічних сполук.

Автори підручника акцентують увагу на ряді аналітичних реакцій, які покладені в основу фармакопейних методів ідентифікації лікарських речовин, і на значенні прикладних аспектів органічної хімії в сучасній фармації.

Велика увага приділена гетероциклічним сполукам, оскільки значна частина лікарських засобів вміщує в своїй структурі гетероциклічні ядра. Матеріал з природних сполук містить, лише загальні відомості, необхідні для подальшого докладнішого вивчення цієї групи речовин у курсах біохімії, фармакогнозії, фармацевтичної та токсикологічної хімії. Весь матеріал викладено на сучасному рівні з позиції квантово-механічних уявлень, для багатьох реакцій наведені механізми їх протікання. У кінці кожної глави є контрольні питання і вправи, завдяки яким студент має змогу

5

перевірити рівень засвоювання знань. Викладення матеріалу ілюструється необхідними рисунками, графіками і таблицями.

Підручник видається у трьох книгах: «Основи будови органічних сполук», «Вуглеводні і їх функціональні похідні», «Гетероциклічні та природні сполуки».

На думку авторів, студент, який оволодів матеріалом, викладеним у підручнику, повинен здобути міцні знання сучасних основ органічної хімії та навички роботи з оригінальною літературою.

Підручник викличе також певний інтерес у аспірантів, викладачів та фахівців, які працюють у галузі органічної хімії і фармаціїГ

Автори висловлюють подяку викладачам кафедри органічної хімії Української фармацевтичної академії T. O. Колесниковій, Л. А. Шемчуку, O. M. Сопельник, Є. Л. Снітковському, C. M. Коваленко, В. І. Гридасову та викладачам кафедри органічної і біоорганічної хімії Львівського медичного інституту 3. Я. Пара-щук, M. M. Орлинському, В. O. Музиченко, O. В. Гаврилюк, H. Є. Плевачук, O. Й. Емес-Мисенко, Й. Д. Комариці за участь у підготовці матеріалу підручника.

Автори будуть вдячні читачам за критичні зауваження, корисні поради і побажання щодо змісту і оформлення цього видання.

Глава

ВСТУП

1.1. ПРЕДМЕТ ОРГАНІЧНОЇ XIMlT

Органічна хімія як самостійна наука сформувалась на початку XIX ст. Назва «органічна» запропонована шведським хіміком й. Я. Берцеліусом у 1808 р. Вона походить від слова «організм», оскільки на той час предметом вивчення органічної хімії були речовини, які утворювались тільки у живих організмах нібито з участю особливої «життєвої сили» (віталістичні погляди). І хоч наступний розвиток показав помилковість віталістичного погляду на походження органічних речовин, первісна назва збереглась, але її зміст принципово змінився. За ознакою наявності в усіх органічних сполуках атома вуглецю німецький хімік X. Гмелін у 1848 р. дав визначення органічній хімії, як хімії сполук вуглецю. Однак, як відомо, існує ряд сполук вуглецю, які відносяться до неорганічних речовин, наприклад CO, CO2, солі вугільної та ціанистоводневої кислот. Враховуючи це, інший німецький хімік — K. Шорлеммер запропонував більш точне визначення органічної хімії: наука, що вивчає вуглеводні та їх похідні.

Сучасна органічна хімія — одна з найбільших областей природознавства. Виділення її в самостійний розділ хімічної науки спричинене великою кількістю та різноманіттям органічних сполук, суттєвою відмінністю їх реакційної здатності, а також виключною важливістю органічної хімії в житті людини та суспільства.

У теперішній час відомо понад п'ять мільйонів органічних речовин, .тоді як неорганічних—лише біля 700 тисяч. Кожен рік тепер одержують приблизно 200 тисяч нових органічних сполук.

Органічні речовини відіграють важливу роль у життєдіяльності рослинних та тваринних організмів, вони є основою прояву життя. Досягнення органічної хімії широко використовуються в повсякденному житті людини — це пластм"аси та синтетичний каучук, фарбуючі та вибухові речовини, штучні волокна і паливо, лікарські речовини і ін. Надзвичайно чільне місце займає органічна хімія в системі фармацевтичної освіти, оскільки 90 % лікарських препаратів складають органічні сполуки.

7

1.2. КОРОТКИЙ ОГЛЯД ІСТОРІЇ РОЗВИТКУ ОРГАНІЧНО! XIMlT

Розвиток органічної хімії в історичному аспекті можна умовно розділити на чотири періоди: емпіричний (середина XVII — кінець XVIII ст.), аналітичний (кінець XVIII — середина XIX ст.), струк турний (друга половина XIX — початок XX ст.) та сучасний (по чаток XX ст.— до наших днів).

Емпіричному періоду передував етап багатовікового накопичення фактичного матеріалу в процесі практичної діяльності людини. Так, в Єгипті та Індії віддавна було розвинуте мистецтво фарбування тканин природними барвниками. Стародавні римляни та єгиптяни вміли варити мило. З глибокої давнини люди використовували процес бродіння для одержання спиртових напоїв. Немало природних речовин застосовувалось у стародавній медицині.

У середні віки (VIII—XVI вв.) — період владування алхімії — знання про органічні речовини розвивались вкрай повільно. Деякий крок уперед у той час був зроблений лише завдяки вдосконаленню методів перегонки: виділено деякі ефірні масла, одержано винний спирт, ацетон.

У первісний період розвитку хімії дослідники не помітили різниці між речовинами, виділеними з неживої природи і одержаними з рослин та тварин. Однак надалі почали звертати увагу на різну стійкість та хімічну поведінку речовин живої та неживої природи, що спричинило поділ хімії у другій половині XVII ст. на мінеральну та хімію рослин і тварин. У цей час органічна хімія почала формуватись як хімія рослин і тварин (емпіричний період). До кінця XVIII ст. були досягнуті помітні успіхи в одержанні індивідуальних органічних сполук: з рослин виділені винна, цитринова, яблучна, молочна, слизова кислоти (K. Шееле, 1769—1785 рр.) і інші речовини, одержано ряд органічних сполук тваринного походження— сечовина (І. Руель, 1773 р.), сечова кислота (K. Шееле) і ін. Однак дослідження в емпіричному періоді провадились ще без чітких теоретичних уяв, методом спроб та помилок.

Наприкінці XVIII — першій половині XIX ст. основна увага хіміків була зосереджена на вивченні якісного і кількісного складу одержаних речовин (аналітичний період). У цей час французький хімік Ά. Лавуаз'є встановив, що речовини і рослинного, і тваринного походження можуть містити вуглець. До того ж на початку

XIX ст. виявлено ряд рослинних та тваринних речовин (щавлева кислота, жири і ін.). Одержаний матеріал дозволив зробити перші теоретичні узагальнення. Оскільки, як показали дослідження, між хімією рослин і тварин принципової різниці немає, у цей період формується загальне поняття «органічна речовина» і виникає тер мін «органічна хімія» (И. Я- Берцеліус, 1808 р.). Однак багато вчених того часу, зокрема і й. Я- Берцеліус, мали віталістичні погляди. Вони вважали, що органічні речовини притаманні лише живим організ мам та утворюються під впливом особливої «життєвої сили». Пер шого нищівного удару по віталізму було завдано у 1828 р., коли німецькому хіміку Ф. Велеру вдалось одержати синтетичним шля-

8

хом сечовину. У листі до свого вчителя Берцеліуса Велер тоді писав: «Я повинен Вам заявити, що можу робити сечовину, не потребуючи при цьому нирок і взагалі тварин, людини або собаки>. Незабаром появився і ряд інших блискучих праць — синтез оцто-ЕОЇ кислоти, здійснений Г. Кольбе (1845 р.), жирів — M. Бертло (1854 р.), цукристої речовини — O. M. Бутлеровим (1861 р.). Успішний розвиток органічного синтезу продемонструвало помилковість та необґрунтованість віталістичних поглядів.

Досягнення органічної хімії аналітичного періоду мали величезне значення для ствердження матеріалістичної точки зору на єдність природи та створення передумов для вироблення міцної теоретичної основи органічної хімії.

Найбільшою подією в розвитку органічної хімії стало створення в 60-х роках минулого сторіччя видатним російським вченим O. M. Бутлеровим теорії хімічної будови органічних сполук. З цього часу започатковується структурний період розвитку органічної хімії, на протязі якого вона остаточно сформувалась як самостійна наука. Цей період характеризується бурхливим розвитком органічної хімії. Першорядного значення набуває органічний синтез: за допомогою якого одержано багато не винайдених у природі речовин. У цей час була встановлена будова ряду природних сполук, зроблено ряд важливих винаходів. В кінці XIX — на початку XX ст. органічний синтез починає впроваджуватись у хімічну промисловість. З'являються галузі по виробництву синтетичних барвників, лікарських засобів, вибухових речовин та ін.

Сучасний період розвитку органічної хімії характеризується значно зрісшими масштабами органічного синтезу, широким застосуванням в органічній хімії фізичних методів та обчислювальної техніки, все більшим впровадженням методів квантово-механічної теорії. Це дозволило одержати якісно нові уявлення про будову органічних сполук, з'ясувати механізм хімічних взаємодій.

З сучасної органічної хімії виділились та успішно розвиваються такі самостійні напрямки, як хімія гетероциклічних сполук, хімія високомолекулярних сполук, антибіотиків, гормонів, вітамінів, хімія елементоорганічних сполук.

Значний внесок у розвиток органічної хімії зробили видатні російські і радянські вчені: O. M. Бутлеров, M. M. Зінін, В. В. Марковніков, Є. Є. Вагнер, M. Д. Зелінський, O. Є. Фаворський, O. Є. Чичибабін, C. В. Лебедєв, M. Г. Кучеров, O. Є. Арбузов, O. M. Несмєянов.

1.3. РОЗВИТОК ТЕОРЕТИЧНИХ УЯВЛЕНЬ ПРО БУДОВУ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК

Виникнення перших теорій про будову органічних сполук припадає на аналітичний період історії органічної хімії. На початку XIX ст. при дослідженні органічних сполук хіміки звернули увагу на те, що в ряді хімічних перетворень окремі групи атомів, так

9

звані радикали, в кезміненому вигляді переходять з одної речовини в іншу (1815 р., Ж. Гей-Люссак; 1832 р., Ф. Велер і Ю. Лібіх). На підставі створеної у 1812 р. Й. Я· Берцеліусом електрохімічної теорії, яка стверджувала, що всі хімічні сполуки побудовані з електропозитивних і електронегативних атомів чи атомних груп, утримуваних за рахунок електростатичних сил, ряд вчених створили першу теорію в органічній хімії—теорію радикалів (Ю. Лібіх, Ф. Велер, Й. Я- Берцеліус).

Автори цієї теорії вважали, що оскільки радикали не змінюються при хімічних перетвореннях, то подібно тому, як неорганічні речовини складаються з атомів, органічні — складаються з радикалів.

У 1833—1834 рр. французький хімік Ж. Дюма, вивчаючи дію хлору на органічні сполуки, встановив, що в органічних радикалах атоми водню можуть заміщуватись на хлор, тобто радикал може змінюватись. Ці дослідження нанесли нищівного удару по теорії радикалів.

У 40-х роках XIX ст. теорію радикалів змінила більш досконала теорія типів, засновником якої є французький хімік Ш. Жерар. На відміну від теорії радикалів, яка акцентує увагу в хімічних перетвореннях на незмінній частині молекули — радикалі, теорія типів з'явилась у результаті узагальнення спостережень за змінною частиною молекули (сьогодні ми називаємо її функціональною групою). Ці спостереження лягли в основу класифікації органічних сполук за типами хімічних перетворень. Первісно були виділені аналоги (типи) води, хлороводню, аміаку, водню, потім з'явився тип метану.

Наведені типові формули показують, наприклад, що при заміщенні в молекулі води одного атому водню на залишок C2H5 утворюється етиловий спирт, двох — діетиловий ефір і т. д.

До середини XIX ст. унаслідок накопичення великого експериментального матеріалу теорія типів уже не була спроможною

10

пояснити багато фактів. Намагаючись врятувати теорію, її прихильники вводили нові типи. Часто одну і ту ж сполуку доводилось відносити до декількох типів і позначати різними типовими формулами.

Для дальшого розвитку органічної хімії потрібна була нова, більш досконала теорія. Створення такої теорії, що заклала наукові основи органічної хімії, належить видатному російському вченому O. M. Бутлерову. Використавши відкриття німецького хіміка Ф. Кекуле про

чотиривалентність атому вуглецю (1857 р.) та шотландського хіміка А. Купера про здатність атомів вуглецю з'єднуватись у довгі ланцюги (1858 р.), O. M. Бутлеров створив теорію хімічної будови

органічних сполук, основні принципи якої виклав у доповіді «Про теорію хімічної будови» на міжнародному з'їзді природознавців та лікарів у Шпейєрі 19 вересня 1861 р.

Основні положення теорії хімічної будови полягають у слідуючому:

1.Атоми, що входять до складу молекули органічних сполук, зв'язані між собою в суворо визначеному порядку, згідно з Їх валентністю. Послідовність зв'язування атомів у молекулі називається хімічною будовою.

2.Властивості речовини залежать не тільки від того, які атоми і в якій кількості входять до складу її молекули, але й від того, в якій послідовності вони зв'язані між собою, тобто від хімічної будови молекули.

3.Атоми або групи атомів, які утворюють молекулу, як зв'я- зані безпосередньо, так і зв'язані через інші атоми, взаємно впливають одні на других, від чого залежить реакційна здатність молекули.

4.Вивчаючи реакційну здатність речовини, можна встанови ти її будову, і навпаки, за будовою речовини можна судити про її властивості.

Теорія хімічної будови O. M. Бутлерова дозволила не лише систематизувати накопичений на той час в органічній хімії вели чезний матеріал, але й передбачити існування нових сполук, а також вказати шлях їх одержання. За важливістю її можна порівняти з періодичною системою Д. І. Менделєєва. Блискучим підтвердженням теорії було одержання в 1867 р. O. M. Бутлеровим передбаченого ним ізобутану.

Теорія хімічної будови O. M. Бутлерова є найважливішою частиною теоретичного фундаменту органічної хімії. Свій подальший розвиток вона одержала в працях учня O. M. Бутлерова — В. В. Марковнікова, який встановив закономірності взаємного впливу атомів у молекулах.

11