[Химия ғажабы] Органикалық химия

«Пән ғажабы неде» жобаның барлық мақалалары
«Химия ғажабы» циклдың басқа мақалалары
Материяның құрылыс материалдары: қарапайым бөлшектерден супрамолекулаларға дейін
Физхимияны не үшін оқу керек?
Бейорганикалық химия
Полимерлер
Өмір синтезі
Таза ауа
Химия және медицина: химиялық қару, аспирин және зең

Химия туралы барлық дерлік оқулықтарда: «Химия — заттардың құрамы, құрылымы және өзара әрекеттесуі туралы ғылым» деп басталады. Химия ғылымымен таныса сала оқушы бейорганикалық әлемге жататын алғашқы заттардың — қышқылдардың (күкірт қышқылы \(H_2SO_4\)), негіздердің (натрий гидроксиді \(NaOH\)) және де тұздардың (калий сульфаты \(K_2SO_4\)) — өзара әрекеттесу өнімдерін зерттей бастайды.

Қышқылдар мен негіздердің тізімі аз болмаса да, олар атомдар мен молекулалардың үлкен әлемінің кішкене ғана бөлігін құрайды. Адам ағзасы көптеген жасушалардан тұрады, бірақ дәл осы жасушалардың өзі қандай молекулалардан құралуы мүмкін? Генетикалық ақпарат қандай да бір абстрактілі дүние емес, нақты молекула. Олай болатын болса, онда ол қандай құрылымға ие? Күнде көріп жүрген сүйікті йогуртымыздың қаптамасындағы біртүрлі, қиын молекула атаулары нені білдіреді? Осы және өзгеде көптеген сұрақтарға біздің заманымыздың химиясының ең үлкен және шынымен жан — жақты бөлімдерінің бірі-органикалық химия жауап бере алады.

Басты органикалық элемент

Бейорганикалық химияда біз металдар арасындағы байланыстардың периодттық кестені түгел дерлік қамтығанын байқадық. Органикалық химияда басқаша: органикалық заттар әлдеқайда аз элементтер жиынтығынан тұруы мүмкін, алайда мұнымен органикалық қосылыстардың әртүрлілігі азаймайды, керісінше, мүмкіндігі шексіз болып қала береді.

Содан кейін жағдай тіптен қызық бола түседі. Органикадағы барлық байланысқа міндетті түрде көміртегі қатысады, онсыз органика органика болмайтын да еді. Жалпы органикалық химия дегеніміз көміртек пен оның қосылыстары туралы ғылым. Яғни, барлық органикадағы байланыстар — әртүрлі масштабтағы және формадағы көміртегі тізбегі. Көміртегінің ұзын әрі берік байланыс орната алатын тамаша қабілетінің арқасында қазір органикалық молекулалардың шексіз жиынтығы бар, олар дүкендегі пластикалық пакетті де, дәмді түскі асты сіңіруге көмектесетін ферменттерді де құрайды.

Органикалық химия әлемінің әртүрлілігі

Осымен формалды танысуды тоқтатып, нағыз органикалық химиямен жақынырақ танысайық! Мектепте органика көмірсутектерден басталады (көмірсулармен шатастырмау керек). Көмірсутектер көміртегі мен сутектің қарапайым байланысынан түзілетінін еске түсірейік. Көмірсутектер сызықтық (алифаттық) және циклдік құрылымдарды құра алады, сонымен қатар әртүрлі молекулалық қаңқаларды да құра алады.

Органикалық қосылыстарда көміртек тек төрт атоммен байланыса алады, бірақ молекуланы қалыптастыру үшін барлық төрт атом қажет емес, яғни, көміртегі толығымен тәуелсіз. Ол басқа элементтің атомдары мүмкіндік берсе, қос, тіпті үштік байланыс құруға қабілетті. Бұл құбылыс байланыс еселігі деп аталады, яғни, екі іргелес атомдар арасындағы байланыс саны.

Егер біз көмірсутектер тізбегіндегі сутегі атомдарын басқа атомдарға, мысалы, оттегі, күкірт немесе азотқа алмастыра бастасақ, онда біз көмірсутектер шекарасынан асып, органикалық қосылыстардың алуан түрлілігін миллиондаған есеге арттырамыз. Осы тұста бізде органикалық әлемнен жаңа түсінік пайда болады. Бұл — функционалды топ ұғымы, яғни, қосылыстың химиялық қасиеттеріне жауап беретін молекуланың бөлігі.

Химиядағы әртүрлілікті көрсетуде аминқышқылдары жақсы мысал бола алады. Барлық канондық аминқышқылдарының ортақ қаңқасы бар: ол бір көміртек атомымен бөлінген амин және карбоксил топтары. Дәл осы көміртегі атомына әр аминқышқылын ерекше сипаттайтын радикал қосылады: радикал аминқышқылының суда немесе майларда еруіне немесе басқа аминқышқылдарымен қосымша байланыс орнатуға мүмкіндік береді.

Біз білетін органиканың әртүрлілігін құрастыру үшін көмірсутектердің үлкен тізбектері, каңқалары және функционалды топтары ғана жеткілікті болғаны ма? Органикалық химияда бәрі бір қарағаннан әлдеқайда күрделі. Органикалық химияда үлкен рөлді негізінен байланыстардың бір-біріне қатысты орналасуы атқарады. Мысалы, жалпы формуласы бір \(C_2H_6O\) екі молекуланы кездестіруге болады, дегенмен олардың құрылымдық формуласы мүлдем әртүрлі. Дәл осы әртүрлілікті изомерия деп атайды.

Біздің жүйеге әртүрлілікті енгізетін келесі фактор бұл — байланыс еселігі. Ең қарапайым дара байланыс екі ұшындағы атомдарға өз осінің айналасында әр түрлі бағытта айналуға мүмкіндік береді. Алайда қос байланыс мұндай қасиетке қабілетті емес, нәтижесінде оның жанындағы атомдар бір-біріне мықтап бекінген. Осындай «шектеулі» айналудың арқасында молекуланың құрылымы да өзгеріп, жаңа құбылысты — геометриялық изомерияны — тудырады.

Оптикалық изомерия

Құрылымдық және геометриялық изомерия органикалық химиядағы қосылыстардың әртүрлілігі үшін жеткілікті деп ойласаңыз қателесесіз. Ендеше оптикалық изомериямен таныс болыңыз! Изомерияның бұл түрін бір қарағанда байқау қиын, сондықтан \(3\)D модельге назар аударайық.

Егер біз бір молекуланы екіншісінің үстіне салуға тырыссақ, онда олардың бірдей емес екендігін білеміз. Мұндай құбылысты түсінудің жақсы бір мысалы — біздің қолымыздың ұқсастығы. Қолдар қаншалықты бірдей болса да, бірақ олардың айналуы, оң қолдың сол жаққа сәйкес келуіне әкелмейді. Оптикалық изомерия негізінен көміртек атомының табиғатта және құрылымында қасында әр түрлі төрт алмастырғыш болған жағдайда пайда болады. Мұндай көміртек атомы хираль деп аталады, ал бір-бірінің айна бейнелері болып табылатын изомерлер энантиомерлер деп аталады. Энантиомерлер бірдей физикалық қасиеттерге ие, олардың жалғыз ерекше қасиеті — полярланған жарық жазықтығының айналу бағыты, яғни, бір оптикалық изомер полярланған жарық жазықтығын сағат тілімен, екіншісі қарсы бағытта айналады.

Міне, біз органикалық химияның әртүрлілігінің негізгі себептерін талқыладық. Бірақ, әртүрлілік бар жерде өзіндік ерекшелік те бар...

Энантиомерлер бірдей физикалық қасиеттерге ие болса да, олардың химиялық қасиеттерінде айтарлықтай айырмашылық болуы мүмкін. Биологиялық молекулалардың (соның ішінде дәрі — дәрмектердің) оптикалық изомериясы өте ерекше: бір оптикалық изомер-дәрі ретінде, енді бірі-у ретінде жұмыс істеуіде мүмкін. Бұған жақсы мысал ретінде-қабынуға қарсы дәрі (S)-Naproxen-ді жатқыза аламыз.

Құрылымында (S) изомері болатын болса – Naproxen изомері дәрілік зат болып табылады, ал егер (R)-изомері болатын болса, онда ол — бүйрекке әсер ететін қауіпті токсин.

Оптикалық изомерлердің биологиялық ерекшелігі ферменттердің белсенді жақтарының кеңістіктік ерекшелігімен байланысты: молекуланың дұрыс конфигурациясы ферментпен тиімді байланысады, ал дұрыс емес конфигурация ферментті мықтап «байлап», тіптен оны жансыздандыра алады.

Органикалық молекулалар қалай зерттеледі?

Органикалық химия алуантүрлілігімен керемет: көптеген молекулалық қаңқаларымен, құрылымдарымен, функционалды топтарымен және изомериясымен бірге, кез-келген байланыс молекуланы ерекше ете алумен ғылым керемет сұлулыққа ие. Алайда молекулалардың сансыз спектрі еш жерден пайда болып кетпейді. Органикалық қосылыстардың үлкен үлесі тірі организмдермен синтезделсін делік, зертханаларда адам қолымен жасалған бірқатар заттар бар. Осы жерде сұрақ туады: «Ғалымдар қалай молекулаларды басқара алады және қалай олардан кез келген қалаған заттты (дәрі, супер мықты материалдар) синтездейді?» Мұны безгекке қарсы хинин препаратының мысалынан түсінуге тырысайық.

Егер біз ХХІ ғасырдың барлық технологиялық мүмкіндігіне ие болып, хининді ең бірінші болып ашсақ, онда алдымен бізді қызықтыратыны, әрине, заттың таза үлгісін алу мақсаты болар еді. Табиғатта хинин хинин ағашының қабығында кездеседі. Одан еріткіштермен кептіру және жуу арқылы, содан кейін қоспаның компоненттерін бөлу арқылы химиялық талдау үшін қажетті мөлшерде таза хининді алуға болады. Талдау элементарлық талдаудың күрделі әдістерін және заттың құрылымын декодтауды білдіретіндігін атап өткен жөн.

Табиғи заттарды зерттеуде кеңінен қолданылатын химиялық әдістердің бірі — масс-спектрометрия. Атауынан бұл әдістің басты мақсаты бізді қызықтыратын молекуланың массасын зерттеу екенін болжауымызға болады. Масс-спектрометр үлгінің молекулаларын иондап, олардан электрондарды электронды сәулелермен «қағып» алады. Содан кейін катион радикалы деп аталатын иондалған зат үдеткішке түседі, онда магнит өрісінің әсерінен оның траекториясы бөлшектердің массасына тікелей тәуелді болатын белгілі бір бұрыштан тікелей ұшу арқылы ауытқиды. Осылайша аталмыш аспаптық талдау детектордың сезімтал қабырғасымен соқтығысу нүктесіне байланысты катион радикалының нақты массасын өлшеуге мүмкіндік береді.

Алайда заттың молекулалық массасын анықтағаннан кейін ғалымдарға заттың құрылымын түсіну үшін көп нәрсе қажет болған(бірінші бөлімде сипатталған әртүрлі изомерлерді еске түсіріңіз). Әлемнің егжей-тегжейлі бейнесін алу үшін химиктер талдаудың басқа түрлеріне, атап айтқанда электромагниттік сәулеленуді қолданды. Мысалы, инфрақызыл (ИҚ) сәулелену атомдар арасындағы байланыстардың тербеліс жиілігін өлшей алады. Әр химиялық байланыстың өзіне тән ұзындығы мен күші болғандықтан, әр байланыс үшін тербеліс жиілігі ерекше болады, бұл бізге белгісіз құрылымда функционалды топтардың болуын тексеруге мүмкіндік береді. Осылайша инфрақызыл сәулелердің спектрометриясы құрылымдық жұмбақтың өте маңызды бөліктерін — функционалды топтарды —ашады.

Сонымен қатар, талдаудың ең көп таралған түрлерінің арасында ультракүлгін және ядролық-магниттік-резонанстық (ЯМР) спектрометрияны бөліп көрсету керек. Біріншісі ультракүлгін сәулеленуді қолдануға негізделген, мысалы, органикалық пигменттердің түсіне жауап беретін пи байланыстарының жұптасқан жүйелерінің масштабын бағалауға көмектеседі. ЯМР өз кезегінде спектрометрдің магнит өрісіндегі әр атом ядросының магниттік моментімен әрекеттесуге қабілетті радио толқындарын қолданады, ал бұл молекула шеңберіндегі атомдардың салыстырмалы орналасуы туралы ақпарат береді. Сонымен талдаудың әртүрлі әдістерін қолдана және біріктіре отырып, ғалымдар оптикалық және геометриялық изомерия сияқты сипаттамаларды қоса алғанда, заттың құрылымы туралы нақты мәліметтер ала алады.

Органикалық синтез

Бізде молекуланың құрылысының «сызбасы» бар, ал енді оны қарапайым және коммерциялық тұрғыдан қол жетімді заттардан қалай жасау керектігін немесе ғылыми тілде, зертханалық жағдайда бізді қызықтыратын затты синтездеуді түсінуіміз керек. Синтез қарапайым колбаларда жүреді, онда әртүрлі химиялық реагенттерді қолдана отырып, химиктер біртіндеп бастапқы молекуланы өзгертіп, мақсатты өнімнің негізгі фрагменттеріне жақындайды. Осыдан кейін молекулалық конструкторымыздағы барлық бөлшектерді табиға аналогынан еш айырмашылығы болмайтын мақсатта қойылған химиялық өнімді алу үшін бір-біріне бекітеміз.

Химиялық реакциялар әрдайым бірдей схема бойынша жүрмейтінін ескерген жөн, өйткені, әр химиялық реакция өзінше ерекше. Сонымен қатар, жұмыс істер алдында молекуланың құрылымдық ерекшеліктерін ескеруіңіз керек. Мысалы, ацетальдегид молекулалары сілтінің қатысуымен (\(NaOH\)) төменде көрсетілген молекулааралық альдолдық реакцияға түсе алады.

Ацетальдегидтерге ұқсас, құрылымында екі альдегид тобы бар гептандиал молекулалары да бір-бірімен молекулааралық реакцияға түседі.

Алайда бәрі оңай болып келмейді, өйткені, қажетті екі альдегид тобы молекуланың екі ұшында бар, ал соның салдарынан молекулаішілік реакция жүзеге асады. Бұл реакция барысында молекуланың екі ұшы бір-бірімен әрекеттесіп, негізгі циклдік өнімді құрайды.

Бірдей функционалды топтардың болуына қарамастан, молекулалар шаблондардан өзгеше мүлдем басқа механизмдерге жауап бере алады. Тек реакцияның жүру логикасын түсіне отырып, химиктер өнімнің пайда болу немесе болмауын түсіндіре алады. Сондықтан органикалық синтез — бұл нағыз өнер. Оны түсіну үшін гипотезалар жасай білу, синтезді іс жүзінде сынап көру және алынған әрбір өнімнің шығу тегін егжей-тегжейлі талдау қажет.

Жасанды химиялық заттарды өндіру өткен ғасырдың саяси аренасында үлкен қызығушылық тудырды. Атап айтқанда, американдық ғалымдар өз әскерлерін дәрі-дәрмектермен кең көлемде қамтамасыз ету үшін хининнің толық синтезін жасауға тырысты, өйткені, екінші дүниежүзілік соғыста соғысқан одақтас елдер Жапон империясының Оңтүстік-Шығыс Азияны жаулап алуына байланысты безгекке қарсы препараттың жалғыз көзінен ажыратылды. Көрнекті американдық ғалымдар Роберт Вудворд пен Уильям Дерингтің арқасында \(1944\) жыл бірінші рет қол жетімді реагенттерден хининнің толық синтезін жүргізу мүмкіндігі туды.

Мұнда органикалық синтездің барлық ғажабы басталады десек те болады. Молекулалар арасындағы валенттілік электрондарының өзара әрекеттесуінің логикалық принциптеріне сүйене отырып, химиктер органикалық өзгерістердің механизмін түсініп, тіпті, бүкіл химиялық реакцияның барысын болжай алады.

Органикалық реакциялардың негізгі механизмі электрондық тығыздығы үлкен және электрон жұбымен бөлісуге құлшыны бар нуклеофилдердің электрондық тығыздығы төмен, әрі электрондық жұпты қабылдауға дайын электрофильдермен байланысында жатыр. Донор молекуласы мен акцептор молекуласы арасындағы электрондардың осындай ұйымдастырылған қозғалысының арқасында химиялық реакциялар жүреді. Дәл осындай нақты қадамдар жиынтығының арқасында толық органикалық қайта құрулардың логикалық тізбегі ашылады.

Хинин синтезінің алғашқы реакциясында механизм \(NH_2\) амин тобынан (нуклеофил) жалғыз электрон жұбы бар карбонил тобының \(C=O\) (электрофил) шабуылынан басталады. Өзара әрекеттесу траекториясы төмендегі суретте қисық сызықтармен көрсетілген. Нуклеофилдің электрофилмен әрекеттесуі кезінде қос байланыстан оттегіге ауысқан жұп электрондар шығарылады. \(H+\) сутегі ионының берілуінен кейін хинин молекуласына шабуыл жасалынып, нуклеофильді шабуыл бұл жерде азот атомдары арасында көміртегі бар \(OH-\) ионына қол жеткізеді.

Нәтижесінде сутегі ионының \(H+\) жоғалуынан кейін азот атомында барлық реакция нәтижесінде имин (реакция өнімі) пайда болады, кейіннен ол бағалы хининге дейін синтетикалық трансформация тізбегін жалғастырады.

Р. Вудворд пен В. Деринг неміс ғалымдары Пол Рабе мен Карл Киндлердің бұрын зерттелген тәжірибесіне сүйене отырып, хинин ағашының қабығындағы хининнің улы изомері хинотоксинді синтездеуге жол ашқандығын атап өту керек. \(1918\) жылы Пол Рабе мен Карл Киндлер химиялық жолмен хинотоксинді хининге айналдырды. Осылай тарихта орын алған синтез американдық ғалымдарды синтетикалық пазлды дәл осы бағытта жинауға шабыттандырған болатын.

Р. Вудворд пен Дерингтің синтезі қымбаттылығына байланысты өндірісте кең көлемді түрде жалғаспаса да, ашқан ғылыми жетістіктің өзі органикалық синтездің жаңа дәуірінің негізін қалады. Ғылыми жаңалық адамзаттың кез-келген табиғи затты жасанды түрде ала алатындығын дәлелдеді.

Келесі он жылдықта химик-синтетиктер бастапқы балама заттарды синтездеу стратегиясын ұсына отырып, хинин синтезін бірінен соң бірі жетілдірді. Мысалы, Гилберт Сторк ашқан циклдік лактамнан хинин синтезі:

Эрик Якобсеннің 3-гидрокси-пропаналдан алған синтезі:

Немесе соңғысының алдыңдағы затты синтездеудің ұқсас әдісін таңдаған Юичи Кобаяши тобының синтезі:

Бір заттың синтезін көптеген жолмен жасауға болады, сондықтан органикалық синтез — бұл зерттеушіден шығармашылық пен стандартты емес ойлауды қажет ететін сала, ал органикалық синтездің өзін өнердің бір түрі деп атауға болады!

Қорытынды

Органикалық химия — бізді барлық жерде қоршап тұрған ғылым. Көптеген заманауи материалдар — бұл синтетикалық органикалық полимерлер, ал үйлеріңізде тұрған дәрі қорабындағы дәрі — дәрмектер — биологиялық белсенді органикалық молекулалар. Көміртегі молекулаларының құрамының шектеулі болуына қарамастан, ол органикалық қосылыстарды шексіздікке дейін өзгерте алады, ал органикалық синтездің өзі LEGO конструкторына ұқсас: оның ішінен сіз әр түрлі қасиеттері бар әр түрлі құрылымдарды жинай аласыз.

Бірақ мыңдаған конструкторлардан күрделі механизмді жинай алу үшін органикалық химияның логикасын түсіну керек: неге кейбір реакциялар басқаларға қарағанда жақсы жүреді және тұрақты өнімнің пайда болуына қалай қол жеткізуге болады. Осындай және тағы басқа да сұрақтар химияның шексіз қызықты әлеміне жол ашады. Органикалық химияны үйреніңіз, ол сізді ешқалай алдамайды!

«Beyond Curriculum» қоры «Пән ғажабы неде» циклы материалдарын «Караван знаний» жобасымен серіктестікте және «Шеврон» компаниясының қолдауымен жариялауда. «Караван знаний» – жетекші қазақстандық және халықаралық сарапшылардың қатысуымен орындалған алдыңғы қатарлы білім тәжірибелерін зерттеу мен талқылау бойынша бастама

Аударған: Жансая Аққазықызы | IQanat’2018

Редактор: Дильназ Жемісбек