Органічні речовини. Класи органічних речовин
Існує кілька визначень, що таке органічні речовини, чим вони відрізняються від іншої групи сполук - неорганічних. Одне з найбільш поширених пояснень випливає з назви «вуглеводні». Дійсно, в основі всіх органічних молекул знаходяться ланцюжка атомів вуглецю, пов'язані з воднем. Присутні й інші елементи, які отримали найменування «органогенні».
Органічна хімія до відкриття сечовини
Здавна люди користуються багатьма пріродниміе речовинами і мінералами: сіркою, золотом, залізної і мідної рудою, кухонною сіллю. За весь час існування науки - з найдавніших часів і до першої половини XIX століття - вчені не могли довести зв'язок живої і неживої природи на рівні мікроскопічної будови (атомів, молекул). Вважалося, що своєю появою органічні речовини зобов'язані міфічної життєвій силі - витализму. Побутував міф про можливість виростити чоловічка «гомункулуса». Для цього треба було скласти в бочонок різні продукти життєдіяльності, почекати певний час, поки зародиться життєва сила.
Нищівний удар по витализму завдали роботи Веллера, який синтезував органічну речовину сечовину з неорганічних компонентів. Так було доведено, що ніякої життєвої сили немає, природа єдина, організми і неорганічні сполуки утворені атомами одних і тих же елементів. Склад сечовини був відомий і до робіт Веллера, вивчення цього з'єднання не становило в ті роки великої праці. Чудовим був сам факт отримання речовини, характерного для обміну речовин, поза тіла тварини або людини.
Теорія А. М. Бутлерова
Велика роль російської школи хіміків у становленні науки, що вивчає органічні речовини. З іменами Бутлерова, Марковникова, Зелінського, Лебедєва пов'язані цілі епохи в розвитку органічного синтезу. Основоположником теорії будови сполук є А. М. Бутлеров. Знаменитий учений-хімік в 60-х роках XIX століття пояснив складу органічних речовин, причини різноманіття їх будови, розкрив взаємозв'язок, що існує між складом, будовою і властивостями речовин.
На основі висновків Бутлерова вдалося не тільки систематизувати знання про вже існуючі органічних сполуках. З'явилася можливість передбачити властивості ще не відомих науці речовин, створити технологічні схеми для їх отримання в промислових умовах. Повною мірою втілюються в життя багато ідей провідних хіміків-органіків в наші дні.
На основі коксу, кам'яного вугілля, природного газу та нафтової сировини в промисловості отримують дуже багато видів продукції. Поставлене на потік масове виробництво штучних і синтетичних матеріалів, що знаходять застосування у всіх сферах життя. Кіноплівка, шкільна ручка, деталі автомобіля - якщо продовжити список усього, що дає органічний синтез, то він виходить дуже довгим.
Органічні речовини
Подібність елементарного складу характерно для всіх відомих речовин, але відмінні ознаки все-таки присутні. Хоча немає жодного хімічного елемента в неживій природі, якого б не було у складі організмів. Справа в кількості різних атомів. Органічні речовини складаються в основному з вуглецю, водню, кисню, азоту. Саме ці хімічні елементи є органогенними. Порівняємо їх процентний вміст в живій клітині:
- кисень - близько 70%;
- вуглець - до 18%;
- водень - близько 10%;
- азот - 2%.
Перераховані елементи і органічні речовини клітини в цілому складають приблизно 98% від загальної маси живого організму. Атомів фосфору, сірки, натрію, калію, заліза, хлору містяться десяті частки відсотка. Ще менше хрому, бору, літію, кобальту. Всі елементи за кількістю і значенням для живих істот об'єднали в групи: макро- і мікроелементи. Їх важливість визначається не тільки кількістю, але і впливом на функції.
Помітно, що за змістом атомів вуглецю живі організми набагато перевершують навколишні тіла неживої природи, наприклад, грунт. Цей факт став одним з вирішальних, коли народжувалося назва цілої групи речовин. Але спочатку дуже багато углеродосодержащие з'єднання отримали загальну назву «органічні речовини». Клітини містять основні групи таких з'єднань і похідні. Чіткої межі між неорганічної природою і органічними сполуками немає. Вчені виробили критерії, на підставі яких відносять речовини до різних класів. Небаченими темпами зростає в останні десятиліття число знову синтезованих органічних сполук. Їх загальна кількість сягає кількох мільйонів (за різними даними, від 7 до 10 млн).
Вода + органічна речовина - це основа життя на Землі
Живі клітини містять найпоширеніше і загадкове речовина на нашій планеті - воду. Це неорганічне з'єднання одного атома кисню і двох атомів водню (органогенних елементів). Вміст води в організмі дорослої людини становить близько 65%, але з віком кількість чудових молекул Н2О в тканинах зменшується. З цим пов'язана втрата тургору шкіри та інші вікові зміни.
Вода є середовищем, в якому відбуваються всі складні біохімічні реакції в організмі. У порівнянні з фабриками і заводами, процеси в клітинах людини протікають в «м'яких» умовах: при температурі всього 36,6 ° С, хоча на виробництві ті ж речовини довелося б нагрівати до 100 або більше градусів. Секрет ефективності роботи організму, як «живої машини», - наявність біологічних каталізаторів. До цієї групи відносяться ферменти. Формули органічних речовин цього класу дуже складні, в їх складі присутні вітаміни, атоми металів та інші частинки (коферменти).
Вода бере участь у розщепленні органічних сполук клітини. Цей процес отримав назву «гідроліз», що в перекладі означає «розкладання водою». Усі харчові речовини, що надходять в живі організми, розщеплюються на складові частини, з них, як з цеглинок, потім будуються власні молекули органічних речовин.
Вуглеводні
Існує розподіл на граничні і неграничні класи органічних речовин. Перші утворені ланцюжками атомів вуглецю, з'єднаними простими «сигма» -зв'язків. У молекулах друге присутня подвійна зв'язок, що складається з однієї «сигма» - і однієї «пі» -связи. Є ще потрійний зв'язок (одна «сигма» - і дві «пі» -связи). Граничні вуглеводні є насиченими, а ненасичені - ненасиченими. Це означає, що в них не зв'язку атомів вуглецю витрачаються або насичуються за рахунок приєднання водню.
До граничним вуглеводням ставляться алкани- найважливіші представники цього класу: метан, етан, пропан, інші газоподібні та рідкі вуглеводні. Вони входять до складу природного газу, нафти. Так, деякі родовища природного газу містять до 95% метану. Нафта переробляють шляхом крекінгу (розщеплення). Поділяють цю суміш вуглеводнів на легкі газові фракції, середні (рідкі), важкі (мазут, гудрон).
Для різних класів вуглеводневих сполук характерна певна структура «скелета», набір пов'язаних з ним функціональних груп. Тому прийнято говорити про гомології або схожості речовин одного класу між собою.
Розглянемо деякі формули органічних речовин - вуглеводнів (УВ).
- Перші три представники граничних УВ: СН4 - метан, С2Н6 - етан, С3Н8 - пропан.
- Початок гомологічного ряду ненасичених вуглеводнів з одного подвійним зв'язком: З2Н4 - етен, С3Н - пропен, С4Н8 - бутен.
- Ненасичені УВ з одного потрійним зв'язком: З2Н2 - Етін (ацетилен), С3Н6 - пропін, С4Н8 - бутин.
Горіння і окислення - властивості УВ
При згорянні органічної речовини, що відноситься до класу вуглеводнів, серед продуктів реакції знаходяться вуглекислий газ і вода. При цьому виділяється тепло, запасеної в хімічних зв'язках молекул. Такий же результат можна отримати, спалюючи деревину, рослинні залишки. Енергія органічних речовин - природного газу, торфу, нафти, горючих сланців - здавна служить для опалення житлових і виробничих приміщень.
В останні роки визнано недоцільним витрачати виснажені запаси нафти і газу на цілі опалення. Набагато важливіше використовувати їх як сировину для хімічної промисловості. Отримали розвиток альтернативні види пального, джерела енергії - біопаливо, вітрові двигуни, приливні електростанції.
При окислюванні вуглеводнів виходять нові органічні речовини - представники інших класів (альдегідів, кетонів, спиртів, карбонових кислот). Наприклад, великі обсяги ацетилену йдуть на виробництво оцтової кислоти. Частина цього продукту реакції надалі витрачається для отримання синтетичних волокон. Розчин кислоти (9% і 6%) є в кожному будинку - це звичайний оцет. Окислення органічних речовин служить основою для отримання дуже великого числа сполук, що мають промислове, сільськогосподарське, медичне значення.
Ароматичні вуглеводні
Ароматичность в молекулах органічних речовин - це присутність одного або декількох бензолових ядер. Ланцюжок з 6 атомів вуглецю замикається в кільце, в ньому виникає сполучена зв'язок, тому властивості таких вуглеводнів не схожі на інші УВ.
Ароматичні вуглеводні (або арени) мають величезне практичне значення. Широко застосовуються багато з них: бензол, толуол, ксилол. Вони використовуються як розчинники і сировина для виробництва ліків, барвників, каучуку, гуми та інших продуктів органічного синтезу.
Кислородосодержащие з'єднання
У складі великої групи органічних речовин присутні атоми кисню. Вони входять в найбільш активну частину молекули, її функціональну групу. Спирти містять одну або декілька гідроксильних часток -ОН. Приклади спиртів: метанол, етанол, гліцерин. У карбонових кислотах присутня інша функціональна частинка - карбоксил (-СОООН).
Інші кислородосодержащие органічні сполуки - альдегіди і кетони. Карбонові кислоти, спирти і альдегіди у великих кількостях присутсвуют у складі різних органів рослин. Вони можуть бути джерелами для отримання натуральних продуктів (оцтової кислоти, етилового спирту, ментолу).
Жири є сполуками карбонових кислот і трехатомного спирту гліцерину. Крім спиртів і кислот лінійної будови, є органічні сполуки з бензольні кільцем і функціональною групою. Приклади ароматичних спиртів: фенол, толуол.
Вуглеводи
Найважливіші органічні речовини організму, що входять до складу клітин, - білки, ферменти, нуклеїнові кислоти, вуглеводи і жири (ліпіди). Прості вуглеводи - моносахариди - зустрічаються в клітинах у вигляді араб, дезоксирибози, фруктози і глюкози. Останній у цьому короткому списку вуглевод - основне речовина обміну речовин в клітинах. Рибоза і дезоксирибоза - складові частини рибонуклеїнової і дезоксирибонуклеїнової кислот (РНК і ДНК).
При розщепленні молекул глюкози виділяється енергія, необхідна для життєдіяльності. Спочатку вона запасається при утворенні своєрідного переонсчіка енергії - аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ). Ця речовина переноситься кров'ю, доставляється в тканини і клітини. При послідовному отщеплении від аденозину трьох залишків фосфорної кислоти енергія освобождатеся.
Жири
Ліпіди - речовини живих організмів, що володіють специфічними властивостями. Вони не розчиняються у воді, є гідрофобними частинками. Особливо багаті речовинами цього класу насіння і плоди деяких рослин, нервова тканина, печінка, нирки, кров тварин і людини.
Шкіра людини і тварин містить безліч дрібних сальних залоз. Виділений ними секрет виводиться на поверхню тіла, змащує її, захищає від втрати вологи і проникнення мікробів. Шар підшкірної жирової клітковини оберігає від пошкоджень внутрішні органи, служить запасним речовиною.
Білки
Протеїни складають більше половини всіх органічних речовин клітини, в деяких тканинах їх зміст доходить до 80%. Для всіх видів білків характерні високі молекулярні маси, наявність первинної, вторинної, третинної і четвертинної структур. При нагріванні вони руйнуються - відбувається денатурація. Первинна структура - це величезна для мікросвіту ланцюжок амінокислот. Під дією особливих ферментів в травній системі тварин і людини протеїнова макромолекула розпадеться на складові частини. Вони потрапляють в клітини, де відбувається синтез органічних речовин - інших білків, специфічних для кожної живої істоти.
Ферменти і їх роль
Реакції в клітині протікають зі швидкістю, яка у виробничих умовах важко досяжна, завдяки катализаторам - ферментам. Розрізняють ферменти, що діють тільки на білки, - ліпази. Гідроліз крохмалю відбувається за участю амілази. Для розкладання на складові частини жирів необхідні ліпази. Процеси за участю ферментів йдуть вов всіх живих організмах. Якщо у людини немає в клітинах будь-якого ферменту, то це позначається на обміні речовин, в цілому на здоров'я.
Нуклеїнові кислоти
Речовини, вперше виявлені і виділені з ядер клітин, виконують функцію передачі спадкових ознак. Основна кількість ДНК міститься в хромосомах, а молекули РНК розташовані в цитоплазмі. При редуплікації (подвоєння) ДНК з'являється можливість передати спадкову інформацію статевим клітинам - гаметам. При їх злитті новий організм отримує генетичний матеріал від батьків.
