Alle Stoffe, die ein Kohlenstoffatom enthalten, außer Carbonaten, Carbiden, Cyaniden, Thiocyanaten und Kohlensäure, sind organische Verbindungen. Dies bedeutet, dass sie von lebenden Organismen durch enzymatische oder andere Reaktionen aus Kohlenstoffatomen erzeugt werden können. Heutzutage können viele organische Substanzen künstlich synthetisiert werden, was die Entwicklung von Medizin und Pharmakologie sowie die Herstellung hochfester Polymer- und Verbundwerkstoffe ermöglicht.

Klassifizierung organischer Verbindungen

Organische Verbindungen sind die zahlreichste Stoffklasse. Hier gibt es etwa 20 Arten von Substanzen. Sie unterscheiden sich darin chemische Eigenschaften, unterscheiden körperliche Qualitäten. Ihr Schmelzpunkt, Masse, Flüchtigkeit und Löslichkeit sowie physischer Zustand unter normalen Bedingungen sind auch anders. Darunter:

  • Kohlenwasserstoffe (Alkane, Alkine, Alkene, Alkadiene, Cycloalkane, aromatische Kohlenwasserstoffe);
  • Aldehyde;
  • Ketone;
  • Alkohole (zweiwertige, einwertige, mehrwertige);
  • Ether;
  • Ester;
  • Carbonsäuren;
  • Amine;
  • Aminosäuren;
  • Kohlenhydrate;
  • Fette;
  • Proteine;
  • Biopolymere und synthetische Polymere.

Diese Klassifizierung spiegelt die Merkmale der chemischen Struktur und das Vorhandensein spezifischer Atomgruppen wider, die den Unterschied in den Eigenschaften eines bestimmten Stoffes bestimmen. IN Gesamtansicht Eine Klassifizierung anhand der Konfiguration des Kohlenstoffgerüsts, die die Eigenschaften chemischer Wechselwirkungen nicht berücksichtigt, sieht anders aus. Nach seinen Bestimmungen werden organische Verbindungen unterteilt in:

  • aliphatische Verbindungen;
  • Aromastoffe;
  • heterozyklische Substanzen.

Diese Klassen organischer Verbindungen können Isomere enthalten verschiedene Gruppen Substanzen. Die Eigenschaften von Isomeren sind unterschiedlich, obwohl ihre atomare Zusammensetzung gleich sein kann. Dies ergibt sich aus den Bestimmungen von A.M. Butlerov. Darüber hinaus ist die Theorie der Struktur organischer Verbindungen die leitende Grundlage für alle Forschungen in der organischen Chemie. Es wird auf die gleiche Ebene gestellt wie Mendelejews Periodengesetz.

Das eigentliche Konzept der chemischen Struktur wurde von A.M. Butlerov eingeführt. Es erschien am 19. September 1861 in der Geschichte der Chemie. Zuvor gab es in der Wissenschaft unterschiedliche Meinungen und einige Wissenschaftler leugneten die Existenz von Molekülen und Atomen völlig. Denn in Bio- und Anorganische Chemie es gab keine Bestellung. Darüber hinaus gab es keine Muster, anhand derer man die Eigenschaften bestimmter Substanzen beurteilen konnte. Gleichzeitig gab es Verbindungen, die bei gleicher Zusammensetzung auftraten verschiedene Eigenschaften.

Die Aussagen von A.M. Butlerov haben die Entwicklung der Chemie weitgehend in die richtige Richtung gelenkt und eine sehr solide Grundlage dafür geschaffen. Dadurch war es möglich, die gesammelten Fakten zu systematisieren, nämlich chemische oder physikalische Eigenschaften einige Substanzen, die Muster ihres Eintritts in Reaktionen usw. Sogar die Wege zur Gewinnung von Verbindungen und deren Vorhandensein vorhersagen allgemeine Eigenschaften wurde dank dieser Theorie möglich. Und vor allem zeigte A.M. Butlerov, dass die Struktur des Moleküls einer Substanz aus der Sicht elektrischer Wechselwirkungen erklärt werden kann.

Logik der Theorie der Struktur organischer Substanzen

Da vor 1861 viele in der Chemie die Existenz eines Atoms oder Moleküls ablehnten, wurde die Theorie organischer Verbindungen zu einem revolutionären Vorschlag für die wissenschaftliche Welt. Und da A. M. Butlerov selbst nur von materialistischen Schlussfolgerungen ausgeht, gelang es ihm, philosophische Vorstellungen über organische Materie zu widerlegen.

Er hat es geschafft, das zu zeigen molekulare Struktur kann erkannt werden empirisch durch chemische Reaktionen. Beispielsweise kann die Zusammensetzung eines jeden Kohlenhydrats bestimmt werden, indem man eine bestimmte Menge davon verbrennt und das dabei entstehende Wasser und Kohlendioxid zählt. Die Stickstoffmenge in einem Aminmolekül wird auch während der Verbrennung berechnet, indem das Gasvolumen gemessen und die chemische Menge an molekularem Stickstoff isoliert wird.

Wenn wir Butlerovs Urteile über die strukturabhängige chemische Struktur in die entgegengesetzte Richtung betrachten, ergibt sich eine neue Schlussfolgerung. Nämlich: Wenn man die chemische Struktur und Zusammensetzung eines Stoffes kennt, kann man seine Eigenschaften empirisch annehmen. Vor allem aber erklärte Butlerov, was in organischer Substanz enthalten ist riesige Menge Stoffe, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, aber die gleiche Zusammensetzung haben.

Allgemeine Bestimmungen der Theorie

Aus der Betrachtung und Untersuchung organischer Verbindungen leitete A.M. Butlerov einige der wichtigsten Prinzipien ab. Er kombinierte sie zu einer Theorie zur Erklärung der Struktur Chemikalien organischen Ursprungs. Die Theorie lautet wie folgt:

  • in Molekülen organische Substanz Atome sind in einer streng definierten Reihenfolge miteinander verbunden, die von der Wertigkeit abhängt;
  • Die chemische Struktur ist die unmittelbare Reihenfolge, nach der Atome in organischen Molekülen verbunden sind.
  • die chemische Struktur bestimmt das Vorhandensein der Eigenschaften einer organischen Verbindung;
  • je nach Struktur von Molekülen mit gleicher quantitativer Zusammensetzung können unterschiedliche Eigenschaften des Stoffes auftreten;
  • Alle an der Bildung einer chemischen Verbindung beteiligten Atomgruppen beeinflussen sich gegenseitig.

Alle Klassen organischer Verbindungen sind nach den Prinzipien dieser Theorie aufgebaut. Nachdem er den Grundstein gelegt hatte, konnte A. M. Butlerov die Chemie als Wissenschaftsgebiet ausbauen. Er erklärte, dass die Vielfalt dieser Verbindungen dadurch bestimmt werde, dass Kohlenstoff in organischen Substanzen eine Wertigkeit von vier aufweist. Das Vorhandensein vieler aktiver Atomgruppen bestimmt, ob ein Stoff zu einer bestimmten Klasse gehört. Und gerade durch das Vorhandensein bestimmter Atomgruppen (Radikale) entstehen physikalische und chemische Eigenschaften.

Kohlenwasserstoffe und ihre Derivate

Diese organischen Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff sind in ihrer Zusammensetzung die einfachsten unter allen Stoffen dieser Gruppe. Sie werden durch eine Unterklasse von Alkanen und Cycloalkanen (gesättigte Kohlenwasserstoffe), Alkene, Alkadiene und Alkatriene, Alkine (ungesättigte Kohlenwasserstoffe) sowie eine Unterklasse von Aromastoffen repräsentiert. In Alkanen sind alle Kohlenstoffatome nur durch ein einziges verbunden S-S-Verbindung yu, wodurch kein einziges H-Atom in die Kohlenwasserstoffzusammensetzung eingebaut werden kann.

In ungesättigten Kohlenwasserstoffen kann an der Stelle der C=C-Doppelbindung Wasserstoff eingebaut werden. Außerdem kann die C-C-Bindung dreifach sein (Alkine). Dadurch können diese Stoffe viele Reaktionen eingehen, bei denen Radikale reduziert oder addiert werden. Um ihre Reaktionsfähigkeit besser untersuchen zu können, werden alle anderen Stoffe als Derivate einer der Kohlenwasserstoffklassen betrachtet.

Alkohole

Alkohole sind komplexer als organische Kohlenwasserstoffe. chemische Verbindungen. Sie werden durch enzymatische Reaktionen in lebenden Zellen synthetisiert. Das typischste Beispiel ist die Synthese von Ethanol aus Glucose durch Fermentation.

In der Industrie werden Alkohole aus Halogenderivaten von Kohlenwasserstoffen gewonnen. Durch den Ersatz des Halogenatoms durch eine Hydroxylgruppe entstehen Alkohole. Einwertige Alkohole enthalten nur eine Hydroxylgruppe, mehrwertige Alkohole enthalten zwei oder mehr. Beispiel zweiwertiger Alkohol ist Ethylenglykol. Mehrwertiger Alkohol ist Glycerin. Die allgemeine Formel von Alkoholen lautet R-OH (R ist die Kohlenstoffkette).

Aldehyde und Ketone

Nachdem Alkohole Reaktionen organischer Verbindungen eingehen, die mit der Abstraktion von Wasserstoff aus der Alkoholgruppe (Hydroxylgruppe) verbunden sind, schließt sich die Doppelbindung zwischen Sauerstoff und Kohlenstoff. Wenn diese Reaktion über die Alkoholgruppe am terminalen Kohlenstoffatom verläuft, kommt es zur Bildung eines Aldehyds. Befindet sich das Kohlenstoffatom des Alkohols nicht am Ende der Kohlenstoffkette, ist das Ergebnis der Dehydratisierungsreaktion die Bildung eines Ketons. Die allgemeine Formel der Ketone lautet R-CO-R, der Aldehyde R-COH (R ist der Kohlenwasserstoffrest der Kette).

Ester (einfach und komplex)

Die chemische Struktur organischer Verbindungen dieser Klasse ist kompliziert. Ether gelten als Reaktionsprodukte zwischen zwei Alkoholmolekülen. Wenn ihnen Wasser entzogen wird, entsteht eine Verbindung Probe R-O-R. Reaktionsmechanismus: Abstraktion eines Wasserstoffprotons von einem Alkohol und einer Hydroxylgruppe von einem anderen Alkohol.

Ester sind Reaktionsprodukte zwischen einem Alkohol und einer organischen Carbonsäure. Reaktionsmechanismus: Wasserabspaltung aus der Alkohol- und Kohlenstoffgruppe beider Moleküle. Wasserstoff wird von der Säure (an der Hydroxylgruppe) und die OH-Gruppe selbst vom Alkohol abgetrennt. Die resultierende Verbindung wird als R-CO-O-R dargestellt, wobei das Buchen-R die Reste bezeichnet – die verbleibenden Teile der Kohlenstoffkette.

Carbonsäuren und Amine

Carbonsäuren sind spezielle Stoffe, die für die Funktion der Zelle eine wichtige Rolle spielen. Die chemische Struktur organischer Verbindungen ist wie folgt: ein Kohlenwasserstoffrest (R) mit einer daran gebundenen Carboxylgruppe (-COOH). Die Carboxylgruppe kann sich nur am äußersten Kohlenstoffatom befinden, da die Wertigkeit von C in der (-COOH)-Gruppe 4 beträgt.

Amine sind einfachere Verbindungen, die Derivate von Kohlenwasserstoffen sind. Dabei befindet sich an jedem Kohlenstoffatom ein Aminrest (-NH2). Es gibt primäre Amine, bei denen eine Gruppe (-NH2) an einem Kohlenstoff gebunden ist (allgemeine Formel R-NH2). In sekundären Aminen verbindet sich Stickstoff mit zwei Kohlenstoffatomen (Formel R-NH-R). In tertiären Aminen ist Stickstoff an drei Kohlenstoffatome (R3N) gebunden, wobei p ein Rest, eine Kohlenstoffkette, ist.

Aminosäuren

Aminosäuren sind komplexe Verbindungen, die sowohl die Eigenschaften von Aminen als auch von Säuren organischen Ursprungs aufweisen. Abhängig von der Position der Amingruppe im Verhältnis zur Carboxylgruppe gibt es verschiedene Arten davon. Die wichtigsten sind Alpha-Aminosäuren. Dabei befindet sich die Amingruppe am Kohlenstoffatom, an dem die Carboxylgruppe befestigt ist. Dies ermöglicht die Bildung einer Peptidbindung und die Synthese von Proteinen.

Kohlenhydrate und Fette

Kohlenhydrate sind Aldehydalkohole oder Ketoalkohole. Dies sind Verbindungen mit linearer oder zyklischer Struktur sowie Polymere (Stärke, Cellulose und andere). Ihre entscheidende Rolle in der Zelle - strukturell und energetisch. Fette bzw. Lipide erfüllen die gleichen Funktionen, sind jedoch an anderen biochemischen Prozessen beteiligt. Aus chemischer Sicht ist Fett ein Ester aus organischen Säuren und Glycerin.

Organische Stoffe, organische Verbindungen – eine Klasse von Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten (mit Ausnahme von Karbiden, Kohlensäure, Karbonaten, Kohlenoxiden und Cyaniden). Organische Verbindungen bestehen normalerweise aus Ketten von Kohlenstoffatomen, die durch kovalente Bindungen miteinander verbunden sind, und verschiedenen Substituenten, die an diese Kohlenstoffatome gebunden sind

Die organische Chemie ist eine Wissenschaft, die die Zusammensetzung, Struktur, physikalischen und chemischen Eigenschaften organischer Substanzen untersucht.

Organisch sind Stoffe, deren Moleküle aus Atomen von Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und einigen anderen Elementen bestehen und enthalten bestehend aus S-S Und S-N-Verbindungen. Darüber hinaus ist dessen Anwesenheit zwingend erforderlich.
Organische Stoffe sind der Menschheit seit der Antike bekannt. Als eigenständige Wissenschaft entstand die organische Chemie erst in Anfang des 19. Jahrhunderts Jahrhundert. Im Jahr 1827 Der schwedische Wissenschaftler J. J. Berzelius veröffentlichte das erste Handbuch über organische Substanzen. Er war ein Anhänger der damals modischen Theorie des Vitalismus, die argumentierte, dass organische Substanzen nur in lebenden Organismen unter dem Einfluss einer besonderen „Lebenskraft“ gebildet würden.
Allerdings vertraten nicht alle Chemiker vitalistische Ansichten. Also im Jahr 1782. K.V. Scheele gewann durch Erhitzen einer Mischung aus Ammoniak, Kohlendioxid und Kohle Blausäure, die in der Pflanzenwelt weit verbreitet ist. 1824-28. F. Wehler gewann Oxalsäure und Harnstoff durch chemische Synthese.
Besondere Bedeutung Um die Theorie des Vitalismus endgültig zu widerlegen, waren die zu Beginn der 60er Jahre durchgeführten Synthesen verschiedener organischer Substanzen notwendig. Im Jahr 1842 N. I. Zinin erhielt 1845 Anilin. A. Kolbe – Essigsäure, 1854. M. Berthelot entwickelte 1861 eine Methode zur Herstellung von synthetischem Fett. A.M.Butlerov synthetisierte eine zuckerhaltige Substanz.

Mit dem Zusammenbruch der Vitalismustheorie wurde die Trennlinie zwischen organischen und anorganischen Substanzen verwischt. Und doch zeichnen sich organische Stoffe durch eine Reihe von Merkmalen aus spezifische Merkmale. Dazu gehört vor allem ihre große Zahl. Derzeit sind der Menschheit mehr als 10 Millionen Stoffe bekannt, davon etwa 70 % organischen Ursprungs.

Als Hauptgründe für die Fülle organischer Stoffe gelten die Phänomene der Homologie und Isomerie.
Homologie ist das Phänomen der Existenz einer Reihe von Stoffen, die die gleiche qualitative Zusammensetzung und ähnliche Struktur haben und sich in der quantitativen Zusammensetzung in einer oder mehreren CH2-Gruppen unterscheiden, was als homologischer Unterschied bezeichnet wird.

Unter Isomerie versteht man das Phänomen der Existenz mehrerer Stoffe mit gleicher qualitativer und quantitativer Zusammensetzung, aber unterschiedlicher molekularer Struktur, die unterschiedliche physikalische Eigenschaften und chemische Aktivität aufweisen.

Moleküle organischer Substanzen bestehen hauptsächlich aus Nichtmetallatomen, die durch schwach polare kovalente Bindungen verbunden sind. Daher handelt es sich je nach Anzahl der Kohlenstoffatome im Molekül um gasförmige, flüssige oder niedrig schmelzende Feststoffe. Darüber hinaus enthalten Moleküle organischer Substanzen normalerweise Kohlenstoff- und Wasserstoffatome in nicht oxidierter oder leicht oxidierter Form, sodass sie leicht oxidiert werden und dabei viel Wärme freisetzen, was zur Entzündung führt.

Es gibt verschiedene Definitionen dafür, was organische Substanzen sind und wie sie sich von einer anderen Gruppe von Verbindungen – anorganischen – unterscheiden. Eine der häufigsten Erklärungen ergibt sich aus dem Namen „Kohlenwasserstoffe“. Tatsächlich sind das Herzstück aller organischen Moleküle Ketten aus Kohlenstoffatomen, die an Wasserstoff gebunden sind. Es gibt auch andere Elemente, die als „organogen“ bezeichnet werden.

Organische Chemie vor der Entdeckung des Harnstoffs

Seit der Antike nutzen die Menschen viele Naturstoffe und Mineralien: Schwefel, Gold, Eisen- und Kupfererz, Speisesalz. Während der gesamten Existenz der Wissenschaft – von der Antike bis zur Frühzeit Hälfte des 19. Jahrhunderts Jahrhunderte - Wissenschaftler konnten den Zusammenhang zwischen Leben und Leben nicht nachweisen unbelebte Natur auf der Ebene der mikroskopischen Struktur (Atome, Moleküle). Es wurde angenommen, dass organische Substanzen ihr Aussehen dem Mythos verdanken Vitalität- Vitalismus. Es gab einen Mythos über die Möglichkeit, einen menschlichen „Homunkulus“ großzuziehen. Dazu war es notwendig, verschiedene Abfallprodukte in ein Fass zu füllen und eine gewisse Zeit abzuwarten, bis die Lebenskraft entstand.

Ein vernichtender Schlag für den Vitalismus war die Arbeit von Weller, der aus anorganischen Bestandteilen die organische Substanz Harnstoff synthetisierte. Damit wurde bewiesen, dass es keine Lebenskraft gibt, die Natur eins ist, Organismen und anorganische Verbindungen aus Atomen derselben Elemente gebildet werden. Die Zusammensetzung von Harnstoff war vor Wellers Arbeit bekannt; die Untersuchung dieser Verbindung war in jenen Jahren nicht schwierig. Allein die Tatsache, dass eine für den Stoffwechsel charakteristische Substanz außerhalb des Körpers eines Tieres oder Menschen gewonnen wurde, war bemerkenswert.

Theorie von A. M. Butlerov

Die russische Schule der Chemiker spielt eine große Rolle bei der Entwicklung der Wissenschaft, die organische Substanzen untersucht. Ganze Epochen in der Entwicklung der organischen Synthese sind mit den Namen Butlerov, Markovnikov, Zelinsky und Lebedev verbunden. Der Begründer der Theorie der Struktur von Verbindungen ist A. M. Butlerov. Der berühmte Chemiker erklärte in den 60er Jahren des 19. Jahrhunderts die Zusammensetzung organischer Stoffe, die Gründe für die Vielfalt ihrer Struktur und enthüllte den Zusammenhang, der zwischen Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften von Stoffen besteht.

Basierend auf Butlerovs Schlussfolgerungen war es nicht nur möglich, das Wissen über bereits vorhandene organische Verbindungen zu systematisieren. Es wurde möglich, die Eigenschaften noch nicht vorherzusagen der Wissenschaft bekannt Stoffe, erschaffen technologische Schemata für ihre Produktion unter industriellen Bedingungen. Viele Ideen führender organischer Chemiker werden heute vollständig verwirklicht.

Bei der Oxidation von Kohlenwasserstoffen entstehen neue organische Stoffe – Vertreter anderer Klassen (Aldehyde, Ketone, Alkohole, Carbonsäuren). Beispielsweise werden große Mengen Acetylen zur Herstellung von Essigsäure verwendet. Ein Teil dieses Reaktionsprodukts wird anschließend zur Herstellung synthetischer Fasern verbraucht. Eine Säurelösung (9 % und 6 %) findet sich in jedem Haushalt – das ist gewöhnlicher Essig. Die Oxidation organischer Stoffe dient als Grundlage für die Herstellung einer Vielzahl von Verbindungen von industrieller, landwirtschaftlicher und medizinischer Bedeutung.

Aromatische Kohlenwasserstoffe

Aromatizität in Molekülen organischer Substanzen ist das Vorhandensein eines oder mehrerer Benzolkerne. Eine Kette aus 6 Kohlenstoffatomen schließt sich zu einem Ring, darin entsteht eine konjugierte Bindung, daher sind die Eigenschaften solcher Kohlenwasserstoffe denen anderer Kohlenwasserstoffe nicht ähnlich.

Aromatische Kohlenwasserstoffe (oder Arene) sind von großer praktischer Bedeutung. Viele von ihnen werden häufig verwendet: Benzol, Toluol, Xylol. Sie werden als Lösungsmittel und Rohstoffe für die Herstellung von Arzneimitteln, Farbstoffen, Gummi, Gummi und anderen Produkten der organischen Synthese verwendet.

Sauerstoffhaltige Verbindungen

Eine große Gruppe organischer Substanzen enthält Sauerstoffatome. Sie sind Teil des aktivsten Teils des Moleküls, seiner funktionellen Gruppe. Alkohole enthalten eine oder mehrere Hydroxylspezies -OH. Beispiele für Alkohole: Methanol, Ethanol, Glycerin. Carbonsäuren enthalten ein weiteres funktionelles Teilchen – Carboxyl (-COOOH).

Weitere sauerstoffhaltige organische Verbindungen sind Aldehyde und Ketone. Carbonsäuren, Alkohole und Aldehyde in große Mengen kommt in verschiedenen Pflanzenorganen vor. Sie können Quellen für die Gewinnung von Naturprodukten (Essigsäure, Ethylalkohol, Menthol) sein.

Fette sind Verbindungen aus Carbonsäuren und dem dreiwertigen Alkohol Glycerin. Neben Alkoholen und linearen Säuren gibt es organische Verbindungen mit einem Benzolring und einer funktionellen Gruppe. Beispiele für aromatische Alkohole: Phenol, Toluol.

Kohlenhydrate

Die wichtigsten organischen Substanzen des Körpers, aus denen Zellen bestehen, sind Proteine, Enzyme, Nukleinsäuren, Kohlenhydrate und Fette (Lipide). Einfache Kohlenhydrate- Monosaccharide – kommen in Zellen in Form von Ribose, Desoxyribose, Fructose und Glucose vor. Das letzte Kohlenhydrat auf dieser kurzen Liste ist die wichtigste Stoffwechselsubstanz in Zellen. Ribose und Desoxyribose sind Bestandteile von Ribonukleinsäuren und Desoxyribonukleinsäuren (RNA und DNA).

Beim Abbau von Glukosemolekülen wird lebensnotwendige Energie freigesetzt. Erstens wird es bei der Bildung einer Art Energieträger gespeichert – Adenosintriphosphorsäure (ATP). Diese Substanz wird im Blut transportiert und an Gewebe und Zellen abgegeben. Durch die sequentielle Abspaltung von drei Phosphorsäureresten aus Adenosin wird Energie freigesetzt.

Fette

Lipide sind Stoffe lebender Organismen, die spezifische Eigenschaften haben. Sie lösen sich nicht in Wasser und sind hydrophobe Partikel. Besonders reich an Stoffen dieser Klasse sind die Samen und Früchte einiger Pflanzen, Nervengewebe, Leber, Nieren sowie das Blut von Tieren und Menschen.

Die Haut von Menschen und Tieren enthält viele kleine Talgdrüsen. Das von ihnen abgesonderte Sekret gelangt an die Körperoberfläche, schmiert ihn, schützt ihn vor Feuchtigkeitsverlust und dem Eindringen von Mikroben. Eine Schicht aus Unterhautfett schützt vor Schäden innere Organe, dient als Reservestoff.

Eichhörnchen

Proteine ​​machen mehr als die Hälfte aller organischen Substanzen in der Zelle aus; in manchen Geweben erreicht ihr Anteil 80 %. Alle Arten von Proteinen zeichnen sich durch hohe Molekulargewichte und das Vorhandensein von Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstrukturen aus. Beim Erhitzen werden sie zerstört – es kommt zur Denaturierung. Die Primärstruktur ist eine riesige Aminosäurekette für den Mikrokosmos. Unter dem Einfluss spezieller Enzyme in Verdauungssystem Bei Tieren und Menschen zerfällt das Protein-Makromolekül in seine Bestandteile. Sie dringen in die Zellen ein, wo die Synthese organischer Substanzen stattfindet – andere Proteine, die für jedes Lebewesen spezifisch sind.

Enzyme und ihre Rolle

Dank Katalysatoren – Enzymen – laufen Reaktionen in der Zelle mit einer Geschwindigkeit ab, die unter industriellen Bedingungen nur schwer zu erreichen ist. Es gibt Enzyme, die nur auf Proteine ​​wirken – Lipasen. Die Stärkehydrolyse erfolgt unter Beteiligung von Amylase. Lipasen werden benötigt, um Fette in ihre Bestandteile zu zerlegen. Prozesse, an denen Enzyme beteiligt sind, finden in allen lebenden Organismen statt. Wenn ein Mensch kein Enzym in seinen Zellen hat, wirkt sich dies auf seinen Stoffwechsel und seine allgemeine Gesundheit aus.

Nukleinsäuren

Substanzen, die erstmals aus Zellkernen entdeckt und isoliert wurden, erfüllen die Funktion der Übertragung erblicher Merkmale. Der Großteil der DNA ist in den Chromosomen enthalten und RNA-Moleküle befinden sich im Zytoplasma. Wenn die DNA reduziert (verdoppelt) wird, ist es möglich, Erbinformationen auf Keimzellen – Gameten – zu übertragen. Wenn sie verschmelzen neuer Organismus erhält genetisches Material von den Eltern.

Ursprünglich war es die Bezeichnung für die Chemie von Stoffen, die aus pflanzlichen und tierischen Organismen gewonnen werden. Solche Substanzen sind der Menschheit seit der Antike bekannt. Die Menschen wussten, wie man Essig aus saurem Wein, ätherische Öle aus Pflanzen, Zucker aus Zuckerrohr und natürliche Farbstoffe aus Pflanzen und Tieren extrahiert.

Chemiker unterteilten alle Stoffe je nach ihrer Produktionsquelle in mineralische (anorganische), tierische und pflanzliche (organische).

Lange Zeit glaubte man, dass zur Gewinnung organischer Stoffe eine besondere „Lebenskraft“ nötig sei – Vis Vitalis, die nur in lebenden Organismen wirkt, und Chemiker können organische Stoffe nur aus Produkten isolieren.

Schwedischer Chemiker, Präsident der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften. Wissenschaftliche Forschung decken alle Hauptprobleme der allgemeinen Chemie der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts ab. Die Zuverlässigkeit der Gesetze der Zusammensetzungskonstanz und mehrfacher Verhältnisse in Bezug auf anorganische Oxide und organische Verbindungen wurde experimentell getestet und nachgewiesen. Definiert Atommasse 45 chemisches Element. Eingetragen moderne Notation chemische Elemente und die ersten Formeln chemischer Verbindungen.

Der schwedische Chemiker J. J. Berzelius definierte organische Chemie als die Chemie pflanzlicher oder tierischer Substanzen, die unter dem Einfluss von „Lebenskraft“ entstehen. Es war Berzelius, der die Konzepte organischer Substanzen und organischer Chemie einführte.

Die Entwicklung der Chemie führte zur Anhäufung einer Vielzahl von Fakten und zum Zusammenbruch der Lehre von der „Lebenskraft“ – dem Vitalismus. Der deutsche Wissenschaftler F. Wöhler führte 1824 die erste Synthese organischer Stoffe durch – er erhielt Oxalsäure durch die Reaktion zweier anorganischer Stoffe – Cyan und Wasser:

N=- C-C=N + 4H 2 0 -> COOH + 2NH 3
UNS
Cyanoxalsäure

Und 1828 gewann Wöhler durch Erhitzen einer wässrigen Lösung der anorganischen Substanz Ammoniumcyanat Harnstoff – ein Abfallprodukt tierischer Organismen:


Wöhler war erstaunt über dieses Ergebnis und schrieb an Berzelius: „Ich muss Ihnen sagen, dass ich Harnstoff herstellen kann, ohne dass ich dafür eine Niere oder einen tierischen Organismus benötige ...“

Wöhler Friedrich (1800--1882)

Deutscher Chemiker. Ausländisches Mitglied der St. Petersburger Akademie der Wissenschaften (seit 1853). Seine Forschungsschwerpunkte liegen sowohl in der anorganischen als auch in der organischen Chemie. Entdeckte Cyansäure (1822), gewann Aluminium (1827), Beryllium und Yttrium (1828).

In den folgenden Jahren begruben die brillanten Synthesen von Anilin durch G. Kolbe und E. Frankland (1842), Fett durch M. Berjo (1854), zuckerhaltigen Substanzen durch A. Butlerov (1861) und anderen endgültig den Mythos der „Vitalität“.

Es erschien eine klassische Definition von K. Schorlemmer, die auch mehr als 120 Jahre später ihre Bedeutung nicht verloren hat:

„Organische Chemie ist die Chemie der Kohlenwasserstoffe und ihrer Derivate, also der Produkte, die entstehen, wenn Wasserstoff durch andere Atome oder Atomgruppen ersetzt wird.“

Heutzutage wird die organische Chemie am häufigsten als Chemie der Kohlenstoffverbindungen bezeichnet. Warum hat die Natur von den mehr als hundert Elementen des Periodensystems von D. I. Mendelejew Kohlenstoff als Grundlage allen Lebewesens gewählt? Die Antwort auf diese Frage ist nicht eindeutig. Vieles wird Ihnen klar, wenn Sie sich die Struktur des Kohlenstoffatoms ansehen und die Worte von D. I. Mendeleev verstehen, die er in „Grundlagen der Chemie“ über dieses wunderbare Element sagte: „Kohlenstoff kommt in der Natur sowohl in freier als auch in freier Form vor.“ ein verbindender Zustand, in sehr verschiedene Formen und Typen... Die Fähigkeit von Kohlenstoffatomen, sich miteinander zu verbinden und komplexe Teilchen zu bilden, manifestiert sich in allen Kohlenstoffverbindungen... In keinem der Elemente... ist die Fähigkeit zur Komplikation im gleichen Ausmaß entwickelt wie im Kohlenstoff. .. Kein einziges Elementpaar erzeugt nicht so viele Verbindungen wie Kohlenstoff und Wasserstoff.“

Zahlreiche Bindungen von Kohlenstoffatomen untereinander und mit Atomen anderer Elemente (Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor), aus denen organische Substanzen bestehen, können unter dem Einfluss zerstört werden natürliche Faktoren. Daher durchläuft Kohlenstoff in der Natur einen kontinuierlichen Kreislauf: von der Atmosphäre (Kohlendioxid) – in Pflanzen (Photosynthese), von Pflanzen – in tierische Organismen, von lebenden – in tote, von toten – in lebende … (Abb. 1) .

Organische Stoffe weisen eine Reihe von Merkmalen auf, die sie von anorganischen Stoffen unterscheiden:

1. Es gibt etwas mehr als 100.000 anorganische Stoffe, während es bei organischen Stoffen fast 18 Millionen sind (Tabelle 1).


Reis. 1. Kohlenstoffkreislauf in der Natur

2. Alle organischen Stoffe enthalten Kohlenstoff und Wasserstoff, daher sind die meisten von ihnen brennbar und bilden bei der Verbrennung zwangsläufig Kohlendioxid und Wasser.

3. Organische Stoffe sind in ihrer Struktur komplexer als anorganische und viele von ihnen haben ein enormes Molekulargewicht, zum Beispiel solche, aufgrund derer Lebensprozesse ablaufen: Proteine, Fette, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren usw.

4. Organische Substanzen können in Reihen ähnlicher Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften angeordnet werden – Homologe.

Eine homologe Reihe ist eine Reihe von Substanzen, die in aufsteigender Reihenfolge ihrer relativen Molekülmassen angeordnet sind und in Struktur und chemischen Eigenschaften ähnlich sind, wobei sich jedes Mitglied vom vorherigen durch den homologischen Unterschied CH 2 unterscheidet.

Tabelle 1. Anstieg der Anzahl bekannter organischer Verbindungen

5. Isomerie ist charakteristisch für organische Substanzen, was bei anorganischen Substanzen sehr selten vorkommt. Erinnern Sie sich an die Beispiele für Isomere, die Sie in der 9. Klasse kennengelernt haben. Was ist der Grund für die Unterschiede in den Eigenschaften der Isomere?

Isomerie ist ein Phänomen der Existenz verschiedene Stoffe- Isomere mit gleicher qualitativer und quantitativer Zusammensetzung, also gleicher Summenformel.

Die größte Verallgemeinerung des Wissens über anorganische Stoffe ist das Periodengesetz und Periodensystem Elemente von D.I. Mendeleev. Für organische Substanzen ist ein Analogon einer solchen Verallgemeinerung die Theorie der Struktur organischer Verbindungen von A. M. Butlerov. Denken Sie daran, was Butlerov darunter verstand chemische Struktur. Formulieren Sie die wichtigsten Bestimmungen dieser Theorie.

Um die Fähigkeit von Atomen eines chemischen Elements, sich mit einer bestimmten Anzahl von Atomen eines anderen chemischen Elements zu verbinden, in der anorganischen Chemie, in der die meisten Stoffe eine nichtmolekulare Struktur haben, quantitativ zu charakterisieren, wird das Konzept des „Oxidationszustands“ verwendet. In der organischen Chemie, wo die meisten Verbindungen eine molekulare Struktur haben, wird der Begriff „Valenz“ verwendet. Denken Sie daran, was diese Konzepte bedeuten, und vergleichen Sie sie.

Die Bedeutung der organischen Chemie in unserem Leben ist groß. In jedem Organismus finden zu jedem Zeitpunkt viele Umwandlungen einiger organischer Substanzen in andere statt. Daher ist es ohne Kenntnisse der organischen Chemie unmöglich zu verstehen, wie die Systeme, aus denen ein lebender Organismus besteht, funktionieren, d. h. das Verständnis von Biologie und Medizin ist schwierig.

Mittels organischer Synthese wird eine Vielzahl organischer Substanzen gewonnen: künstliche und synthetische Fasern, Gummi, Kunststoffe, Farbstoffe, Pestizide (was sind das?), synthetische Vitamine, Hormone, Medikamente usw.

Viele moderne Produkte und die Materialien, auf die wir nicht verzichten können, sind organische Stoffe (Tabelle 2).

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Wie Sie wissen, lassen sich alle Stoffe in zwei große Kategorien einteilen – mineralische und organische. Sie können zitieren große Zahl Beispiele für anorganische oder mineralische Stoffe: Salz, Soda, Kalium. Doch welche Arten von Verbindungen fallen in die zweite Kategorie? Organische Substanzen sind in jedem lebenden Organismus vorhanden.

Eichhörnchen

Das wichtigste Beispiel für organische Substanzen sind Proteine. Sie enthalten Stickstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Darüber hinaus sind manchmal auch Schwefelatome in einigen Proteinen zu finden.

Proteine ​​gehören zu den wichtigsten organischen Verbindungen und kommen in der Natur am häufigsten vor. Im Gegensatz zu anderen Verbindungen haben Proteine ​​einige davon charakteristische Merkmale. Ihre Haupteigenschaft ist ihr enormes Molekulargewicht. Das Molekulargewicht eines Alkoholatoms beträgt beispielsweise 46, das von Benzol 78 und das von Hämoglobin 152.000. Im Vergleich zu den Molekülen anderer Substanzen sind Proteine ​​echte Riesen, die aus Tausenden von Atomen bestehen. Manchmal nennen Biologen sie Makromoleküle.

Proteine ​​sind die komplexesten aller organischen Strukturen. Sie gehören zur Klasse der Polymere. Wenn Sie ein Polymermolekül unter dem Mikroskop untersuchen, können Sie erkennen, dass es sich um eine Kette handelt, die aus mehreren besteht einfache Strukturen. Sie werden Monomere genannt und kommen in Polymeren viele Male vor.

Neben Proteinen gibt es eine Vielzahl von Polymeren – Gummi, Cellulose sowie gewöhnliche Stärke. Außerdem wurden viele Polymere von Menschenhand hergestellt – Nylon, Lavsan, Polyethylen.

Proteinbildung

Wie entstehen Proteine? Sie sind ein Beispiel für organische Substanzen, deren Zusammensetzung in lebenden Organismen durch den genetischen Code bestimmt wird. Bei ihrer Synthese werden in den allermeisten Fällen verschiedene Kombinationen verwendet

Außerdem können bereits dann neue Aminosäuren gebildet werden, wenn das Protein in der Zelle seine Funktion aufnimmt. Es enthält jedoch nur Alpha-Aminosäuren. Die Primärstruktur der beschriebenen Substanz wird durch die Reihenfolge der Aminosäurereste bestimmt. Und in den meisten Fällen wird bei der Bildung eines Proteins die Polypeptidkette zu einer Spirale verdreht, deren Windungen nahe beieinander liegen. Durch die Bildung von Wasserstoffverbindungen weist es eine recht feste Struktur auf.

Fette

Ein weiteres Beispiel für organische Stoffe sind Fette. Der Mensch kennt viele Arten von Fetten: Butter, Rindfleisch und Fischöl, Pflanzenöle. Fette werden in großen Mengen in Pflanzensamen gebildet. Wenn Sie einen geschälten Sonnenblumenkern auf ein Blatt Papier legen und andrücken, bleibt ein öliger Fleck auf dem Blatt zurück.

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate sind in der belebten Natur nicht weniger wichtig. Sie kommen in allen Pflanzenorganen vor. Die Kohlenhydratklasse umfasst Zucker, Stärke und Ballaststoffe. Kartoffelknollen und Bananenfrüchte sind reich daran. Es ist sehr einfach, Stärke in Kartoffeln nachzuweisen. Bei der Reaktion mit Jod verfärbt sich dieses Kohlenhydrat Blau. Sie können dies überprüfen, indem Sie etwas Jod auf eine geschnittene Kartoffel träufeln.

Auch Zucker ist leicht zu erkennen – er schmeckt alle süß. Viele Kohlenhydrate dieser Klasse kommen in den Früchten von Weintrauben, Wassermelonen, Melonen und Apfelbäumen vor. Sie sind Beispiele für organische Stoffe, die auch in produziert werden künstliche Bedingungen. Zucker wird beispielsweise aus Zuckerrohr gewonnen.

Wie entstehen Kohlenhydrate in der Natur? Am meisten einfaches Beispiel ist der Prozess der Photosynthese. Kohlenhydrate sind organische Stoffe, die eine Kette aus mehreren Kohlenstoffatomen enthalten. Sie enthalten auch mehrere Hydroxylgruppen. Bei der Photosynthese entstehen aus Kohlenmonoxid und Schwefel anorganische Zucker.

Faser

Ein weiteres Beispiel für organisches Material sind Ballaststoffe. Das meiste davon kommt in Baumwollsamen sowie in Pflanzenstängeln und deren Blättern vor. Fasern bestehen aus linearen Polymeren, ihr Molekulargewicht liegt zwischen 500.000 und 2 Millionen.

In seiner reinen Form ist es eine Substanz, die keinen Geruch, Geschmack oder Farbe hat. Es wird bei der Herstellung von Fotofilmen, Zellophan und Sprengstoffen verwendet. Ballaststoffe werden vom menschlichen Körper nicht aufgenommen, sind aber ein notwendiger Bestandteil der Ernährung, da sie die Funktion von Magen und Darm anregen.

Organische und anorganische Stoffe

Wir können viele Beispiele für die Entstehung organischer und zweiter, immer aus Mineralien stammender – unbelebter – nennen, die in den Tiefen der Erde entstehen. Sie kommen auch in verschiedenen Gesteinen vor.

IN natürliche Bedingungen anorganische Stoffe entstehen bei der Zerstörung von Mineralien oder organischen Stoffen. Andererseits werden aus Mineralien ständig organische Stoffe gebildet. Beispielsweise nehmen Pflanzen Wasser mit darin gelösten Verbindungen auf, die anschließend von einer Kategorie in die andere wandern. Lebende Organismen ernähren sich hauptsächlich von organischen Stoffen.

Gründe für Diversität

Oftmals müssen Schüler oder Studenten die Frage beantworten, was die Gründe für die Vielfalt organischer Stoffe sind. Der Hauptfaktor besteht darin, dass Kohlenstoffatome über zwei Arten von Bindungen miteinander verbunden sind – einfache und mehrfache Bindungen. Sie können auch Ketten bilden. Ein weiterer Grund ist die Vielfalt der verschiedenen chemischen Elemente, die in organischer Substanz enthalten sind. Darüber hinaus ist Diversität auch auf Allotropie zurückzuführen – das Phänomen der Existenz desselben Elements in verschiedenen Verbindungen.

Wie entstehen anorganische Stoffe? Natürliche und synthetische organische Substanzen und ihre Beispiele werden sowohl im Gymnasium als auch in der Fachhochschulbildung untersucht. Bildungseinrichtungen. Die Bildung anorganischer Stoffe ist kein so komplexer Prozess wie die Bildung von Proteinen oder Kohlenhydraten. Beispielsweise wird seit Menschengedenken Soda aus Sodaseen gewonnen. Im Jahr 1791 schlug der Chemiker Nicolas Leblanc vor, es im Labor aus Kreide, Salz und Schwefelsäure zu synthetisieren. Früher war Limonade, die heute jedem bekannt ist, ein recht teures Produkt. Zur Durchführung des Experiments war eine Kalzinierung erforderlich Speisesalz zusammen mit Säure und kalzinieren dann das resultierende Sulfat zusammen mit Kalkstein und Holzkohle.

Ein anderes ist Kaliumpermanganat oder Kaliumpermanganat. Dieser Stoff wird industriell gewonnen. Der Bildungsprozess besteht aus der Elektrolyse einer Kaliumhydroxidlösung und einer Mangananode. In diesem Fall löst sich die Anode allmählich auf und bildet eine Lösung lila- das ist das bekannte Kaliumpermanganat.