[Химия ғажабы] Органикалық химия

[Химия ғажабы] Органикалық химия

Химия туралы барлық дерлiк оқулықтар "Химия – заттардың құрамы, құрылымы және өзара әрекеттесуi туралы ғылым"деп басталады. Химия ғылымымен таныса салысымен, оқушы бейорганикалық әлемге жататын алғашқы заттарды – қышқылдарды (күкiрт қышқылы \(H_2SO_4\)), негiздердi (натрий гидроксидi \(NaOH\)) жәнеде тұздардың (калий сульфаты K_2SO_4\)) өзара әрекеттесу өнiмдерiн зерттей бастайды. Қышқылдар мен негiздердiң тiзiмi аз болмаса да, олар атомдар мен молекулалардың үлкен әлемiнiң кiшкене ғана бөлiгiн құрайды. Адам ағзасы көптеген жасушалардан тұрады, бiрақ дәл осы жасушалардың өзi қандай молекулалардан құралуы мүмкiн? Генетикалық ақпарат қандай да бiр абрактiлi дүние емес, нақты молекула. Олай болатын болса, онда ол қандай құрылымға ие? Күнде көрiп жүрген сүйiктi йогуртымыздың қаптамасындағы бiртүрлi, қиын молекула атаулары ненi бiлдiредi? Осы және өзгеде көптеген сұрақтарға бiздiң заманымыздың химиясының ең үлкен және шынымен жан – жақты бөлiмдерiнiң бiрi-органикалық химия жауап бере алады.

Басты органикалық элемент

Бейорганикалық химияда бiз металдар арасындағы байланыстардың периодттық кестенi түгел дерлiк қамтығанын байқадық. Органикалық химияда басқаша: органикалық заттар әлдеқайда аз элементтер жиынтығынан тұруы мүмкiн, алайда мұнымен органикалық қосылыстардың әртүрлiлiгi азаймайды, керiсiнше, мүмкiндiгi шексiз болып қала бередi.

Содан кейiн жағдай тiптен қызық бола түседi. Органикадағы барлық байланысқа мiндеттi түрде көмiртегi қатысады, онсыз органика органика болмайтын да едi. Жалпы, органикалық химия дегенiмiз көмiртек пен оның қосылыстары туралы ғылым. Яғни, барлық органикадағы байланыстар – әртүрлi масштабтағы және формадағы көмiртегi тiзбегi. Көмiртегiнiң ұзын әрi берiк байланыс орната алатын тамаша қабiлетiнiң арқасында қазiр органикалық молекулалардың шексiз жиынтығы бар, олар дүкенде пластикалық пакетте де, дәмдi түскi асты сiңiруге көмектесетiн ферменттердi де құрайды.

Органикалық химия әлемiнiң әртүрлiлiгi

Осымен формальды танысуды тоқтатып, нағыз органикалық химиямен жақынырақ танысайық! Мектепте органика көмiрсутектерден басталады (көмiрсулармен шатастырмау керек). Көмiрсутектеркөмiртегi мен сутектiң қарапайым байланысынан түзiлетiнiн еске түсiрейiк. Көмiрсутектер сызықтық (алифаттық) және циклдiк құрылымдарды құра алады, сонымен қатар әртүрлi молекулалық негiзiн (молекулалық каркасын) құра алады.

Органикалық қосылыстарға көмiртек тек төрт атоммен байланыса алады, бiрақ молекуланы қалыптастыру үшiн барлық төрт атом қажет емес – көмiртегi толығымен тәуелсiз. Ол басқа элементтiң атомдары мүмкiндiк берсе, қос, тiптi үштiк байланыс құруға қабiлеттi. Бұл құбылыс байланыс еселiгi деп аталады яғни– екi iргелес атомдар арасындағы байланыс санымен сипатталады.

Сурет 3.24 – Cол жақтан бастап: пропан (алкан өкiлi), пропен (алкенов өкiлi), пропин (алкинов өкiлi) 

Егер бiз көмiрсутектер тiзбегiндегi сутегi атомдарын басқа атомдарға, мысалы, оттегi, күкiрт немесе азотқа алмастыра бастасақ, онда бiз көмiрсутектер шекарасынан асып, органикалық қосылыстардың алуан түрлiлiгiн миллиондаған есе арттырамыз. Осы тұста бiзде органикалық әлемнен жаңа түсiнiк пайда болады-функционалды топ, яғни қосылыстың химиялық қасиеттерiне жауап беретiн молекуланың бөлiгi.

Химиядағы әртүрлiлiкке аминқышқылдары жақсы мысал бола алады. Барлық канондық аминқышқылдарының ортақ қаңқасы бар: ол бiр көмiртек атомымен бөлiнген амин және карбоксил топтары. Дәл осы көмiртегi атомына радикал қосылады да, әр амин қышқылын өз жолымен сипатталады: радикал амин қышқылының суда немесе майларда еруiне немесе басқа аминқышқылдарымен қосымша байланыс орнатуға мүмкiндiк бередi.

Сурет 3.25 – Бүйiр тiзбектерiнiң әртүрлi құрылымынабайланысты аминқышқылдарына бес мысал. Көк түспен амин топтары, қызыл түспен карбоксиль топтары көрсетiлген

Көмiрсутектердiң үлкен тiзбектерi, каркастары және функционалды топтары- бiз бiлетiн органиканың әртүрлiлiгiн құрастыру үшiн осы ғана жеткiлiктi болғаны ма? Органикалық химияда бәрi бiр қарағаннан, әлдеқайда күрделi. Органикалық химияда үлкен рольдi негiзiнен, байланыстардың бiр-бiрiне қатысты орналасуы атқарады . Мысалы, жалпы формуласы бiр \(C_2H_6O\) екi молекуланы кездестiруге болады, дегенмен олардың құрылымдық формуласы мүлдем әртүрлi дәл осы әртүрлiлiктi изомерия деп атайды.

Бiздiң жүйеге әртүрлiлiктi енгiзетiн келесi фактор – бұл еселiк жиiлiгi. Ең қарапайым дара байланыс екi ұшындағы атомдарға өз осiнiң айналасында әр түрлi бағытта айналуға мүмкiндiк бередi. Алайда, қос байланыс мұндай қасиетке қабiлеттi емес, нәтижесiнде оның жанындағы атомдар бiрбiрiне мықтап бекiнген. Осындай «шектеулi» айналудың арқасында молекуланың құрылымы да өзгерiп, жаңа құбылыс – геометриялық изомерияны тудырады.

Сурет 3.27 – Суреттегi екi байланыстың бiр-бiрiнен айырмашылығы қос байланыстағы изометрияның болуында 

Оптикалық изомерия

Құрылымдық және геометриялық изомерия органикалық химиядағы қосылыстардың әртүрлiлiгi үшiн жеткiлiктi деп ойласаңыз қателесесiз. Ендеше оптикалық изомериямен танысыңыз! Изомерияның бұл түрiн бiр қарағанда байқау қиын, сондықтан \(3\)D модельге назар аударайық.

Егер бiз бiр молекуланы екiншiсiнiң үстiне салуға тырыссақ, онда олардың бiрдей емес екенiн бiлемiз. Мұндай құбылысты түсiнудiң жақсы бiр мысалы – бiздiң қолымыздың ұқсастығы. Қолдар қаншалықты бiрдей болса да, бiрақ олардың айналуы, оң қолдың сол жаққа сәйкес келуiне әкелмейдi. Оптикалық изомерия негiзiнен, көмiртек атомының табиғатта және құрылымында қасында әр түрлi төрт алмастырғыш болған жағдайда пайда болады. Мұндай көмiртек атомы хираль деп аталады, ал бiр-бiрiнiң айна бейнелерi болып табылатын изомерлер энантиомерлер деп аталады. Энантиомерлер бiрдей физикалық қасиеттерге ие, олардың жалғыз ерекше қасиетi – полярланған жарық жазықтығының айналу бағыты: бiр оптикалық изомер полярланған жарық жазықтығын сағат тiлiмен, екiншiсi қарсы бағытта айналдырады.

Мiне бiз органикалық химияның әртүрлiлiгiнiң негiзгi себептерiн талқыладық. Бiрақ, әртүрлiлiк бар жерде өзiндiк ерекшелiкте бар...

Энантиомерлер бiрдей физикалық қасиеттерге ие болса да, олардың химиялық қасиеттерiнде айтарлықтай айырмашылық болуы мүмкiн. Биологиялық молекулалардың (соның iшiнде дәрi – дәрмектердiң) оптикалық изомериясы өте ерекше – бiр оптикалық изомер-дәрi ретiнде, ендi бiрi-у ретiнде жұмыс iстеуiде мүмкiн. Бұған жақсы мысал ретiндеқабынуға қарсы дәрi (S)-Naproxen айта аламыз.

Құрылымда (S) изомер болатын болса-Naproxenа изомерi дәрiлiк зат болып табылады , ал егер (R)- изомер болатын болса – бүйрекке әсер ететiн қауiптi токсин. 

Құрылымда (S) изомер болатын болса-Naproxenа изомерi дәрiлiк зат болып табылады , ал егер (R)- изомер болатын болса – бүйрекке әсер ететiн қауiптi токсин.

Оптикалық изомерлердiң биологиялық ерекшелiгi ферменттердiң белсендi сайттарының кеңiстiктiк ерекшелiгiмен байланысты: молекуланың дұрыс конфигурациясы ферментпен тиiмдi байланысады, ал дұрыс емес конфигурация ферменттi мықтап "байлап тiптен оны өшiре алады.

Органикалық молекулалар қалай зерттеледi?

Органикалық химия алуан түрлiлiгiмен керемет: көптеген молекулалық негiздерiмен (каркасымен) , құрылымдарымен, функционалды топтарымен және изомериясымен бiрге, кез-келген байланыс молекуланы ерекше ете алумен ғылым керемет сұлулыққа ие. Алайда, молекулалардың сансыз спектрi еш жерден пайда болып кетпейдi. Органикалық қосылыстардың үлкен үлесi тiрi организмдермен синтезделсiн делiк, зертханаларда адам қолымен жасалған бiрқатар заттар бар. Осы жерде сұрақ туады: ғалымдар қалай молекулаларды басқаруда және қалай олардан кез келген заттты синтездеуде оның iшiнде қалаған заттан – дәрi, супер мықты материалдар және тағы басқаларды оп-oңай алуда?

Мұны безгекке қарсы хинин препаратының мысалынан түсiнуге тырысайық.

Егер бiз ХХI ғасырдың барлық технологиялық мүмкiндiгiне ие болып хининдi ең бiрiншi болып ашсақ , онда бiрiншi кезекте бiздi қызықтыратыны әрине, заттың таза үлгiсiн алу болатын едi.Табиғатта хинин хинин ағашының қабығында кездеседi, оны ерiткiштермен кептiру және жуу арқылы, содан кейiн қоспаның компоненттерiн бөлу арқылы химиялық талдау үшiн қажеттi мөлшерде таза зат алуға болады.

Сурет 3.30 – Сол жақта хининдың құрылымдықформуласы көрсетiлген, оң жақта хинин ағаштың қабығы.Дереккөз: wiki (CC-BY-SA 4.0) 

Табиғи заттарды зерттеуде кеңiнен қолданылатын химиялық әдiстердiң бiрi-масс-спектрометрия. Атауынан бұл әдiстiң басты мақсаты бiздi қызықтыратын молекуланың массасын зерттеу екенiн болжауымызға болады. Масс-спектрометр үлгiнiң молекулаларын иондап, олардан электрондарды электронды сәулелермен "қағып"алады. Содан кейiн катион радикалы деп аталатын иондалған зат үдеткiшке түседi, онда магнит өрiсiнiң әсерiнен оның траекториясы бөлшектердiң массасына тiкелей тәуелдi болатын белгiлi бiр бұрыштан тiкелей ұшу арқылы ауытқиды. Осылайша, аспаптық талдаудың бұл кереметi детектордың сезiмтал қабырғасымен соқтығысу нүктесiне байланысты катион радикалының нақты массасын өлшеуге мүмкiндiк бередi.

Эталондық құрылымдық формуласы, масс-спектометр аппаратынан жазылған схема жәнеэталонның масс-спектрi 

Алайда, заттың молекулалық массасын анықтағаннан кейiн, ғалымдарға заттың құрылымын түсiну үшiн көп нәрсе қажет болды(бiрiншi бөлiмде сипатталған әртүрлi изомерлердi еске түсiрiңiз). Әлемнiң егжей-тегжейлi бейнесiн алу үшiн химиктер талдаудың басқа түрлерiне, атап айтқанда электромагниттiк сәулеленудi қолданды. Мысалы, инфрақызыл (ИҚ) сәулелену атомдар арасындағы байланыстардың тербелiс жиiлiгiн өлшей алады. Әр химиялық байланыстың өзiне тән ұзындығы мен күшi болғандықтан, әр байланыс үшiн тербелiс жиiлiгi ерекше болады, бұл бiзге белгiсiз құрылымда функционалды топтардың болуын тексеруге мүмкiндiк бередi. Осылайша, инфрақызыл сәулелердiң спектрометриясы құрылымдық жұмбақтың өте маңызды бөлiктерiн – функционалды топтарды ашады.

Сонымен қатар, талдаудың ең көп таралған түрлерiнiң арасында ультракүлгiн (ультракүлгiн) және ядролық-магниттiк-резонанстық (ЯМР) спектрометрияны бөлiп көрсету керек. Бiрiншiсi ультракүлгiн сәулеленудi қолдануға негiзделген, мысалы, органикалық пигменттердiң түсiне жауап беретiн пи байланыстарының жұптасқан жүйелерiнiң масштабын бағалауға көмектеседi. ЯМР өз кезегiнде спектрометрдiң магнит өрiсiндегi әр атом ядросының магниттiк моментiмен әрекеттесуге қабiлеттi радио толқындарын қолданады, бұл молекула шеңберiндегi атомдардың салыстырмалы орналасуы туралы ақпарат бередi. Сонымен, талдаудың әртүрлi әдiстерiн қолдана және бiрiктiре отырып, ғалымдар оптикалық және геометриялық изомерия сияқты сипаттамаларды қоса алғанда, заттың құрылымы туралы нақты мәлiметтер ала алады.

Органикалық синтез

Бiзде молекуланың құрылысының"сызбасы"бар, ендi оны қарапайым және коммерциялық тұрғыдан қол жетiмдi заттардан қалай жасау керектiгiн немесе ғылыми тiлде, зертханалық жағдайда бiздi қызықтыратын затты синтездеудi түсiнуiмiз керек. Синтез қарапайым колбаларда жүредi, онда әртүрлi химиялық реагенттердi қолдана отырып, химиктер бiртiндеп бастапқы молекуланы өзгертiп, мақсатты өнiмнiң негiзгi фрагменттерiне жақындайды. Осыдан кейiн, молекулалық конструкторымыздағы барлық бөлшектердi бiр-бiрiне бекiтемiз айтпақшы, алған молекуламыздың бастапқы яғни, оның аналогынан ешқандай да айырмашылығы болмайды. Соңында химиялық өнiмдi аламыз осылай синтез аяқталады.

Химиялық реакциялар әрдайым бiрдей схема бойынша жүрмейтiнiн ескерген жөн, өйткенi әр химиялық реакция өзiн ше ерекше. Сонымен қатар, жұмыс iстер алдында молекуланың құрылымдық ерекшелiктерiн ескеруiңiз керек. Мысалы, ацетальдегид молекулалары сiлтiнiң қатысуымен (\(NaOH\)) төменде көрсетiлген молекулааралық альдолдық реакцияға түсе алады.

Ацетальдегидтерге ұқсас, құрылымында екi альдегид тобы бар гептандиал молекулалары да бiрбiрiмен молекулааралық реакцияға түседi.

Алайда, бәрi бiрдей қарапайым емес, өйткенi қажеттi екi альдегид тобы молекуланың екi ұшында бар, соның салдарынан молекула iшiлiк реакция жоғалып кетедi, осылайша молекуланың екi ұшы бiр-бiрiмен әрекеттесiп, негiзгi циклдiк өнiмдi құрайды.

Бiрдей функционалды топтардың болуына қарамастан, молекулалар шаблондардан өзгеше мүлдем басқа механизмдерге жауап бере алады. Тек реакцияның жүру логикасын түсiне отырып, химиктер өнiмнiң пайда болу немесе болмауын түсiндiре алады. Сондықтан органикалық синтез – бұл нағыз өнер, оны түсiну үшiн гипотезалар жасай бiлу, синтездi iс жүзiнде сынап көру және алынған әрбiр өнiмнiң шығу тегiн егжей-тегжейлi талдау қажет.

Жасанды химиялық заттарды өндiру өткен ғасырдың саяси аренасында үлкен қызығушылық тудырды. Атап айтқанда, американдық ғалымдар өз әскерлерiн дәрi-дәрмектермен кең көлемде қамтамасыз ету үшiн хининнiң толық синтезiн жасауға тырысты, өйткенi Екiншi дүниежүзiлiк соғыста соғысқан одақтас елдер Жапон империясының Оңтүстiк-Шығыс Азияны жаулап алуына байланысты безгекке қарсы препараттың жалғыз көзiнен ажыратылды. Көрнектi американдық ғалымдар Роберт Вудворд пен Уильям Дерингтiң арқасында, 1944 жыл бiрiншi рет қол жетiмдi реагенттерден хининнiң толық синтезiн жүргiзуге мүмкiн болды.

Мұнда органикалық синтездiң барлық ғажабы басталады десек те болады, молекулалар арасындағы валенттiлiк электрондарының өзара әрекеттесуiнiң логикалық принциптерiне сүйене отырып, химиктер органикалық өзгерiстердiң механизмiн түсiнiп, тiптi бүкiл химиялық реакцияның барысын болжай алады.

Органикалық реакциялардың негiзгi механизмiнуклеофилдердiң әрекеттесуiнде, яғни молекулаларының электрондық тығыздығы жоғары заттар, негiзiнен олар қосымша электрондарды электрофилдермен бөлiсуге тырысады, өз кезегiнде электрофилдер электрондарының тығыздығы төмен, қосымша жұп электрондарды қабылдауға дайын молекулаларға айналады . Донор молекуласы мен акцептор молекуласы арасындағы электрондардың осындай ұйымдастырылған қозғалысының арқасында химиялық реакциялар жүредi. Дәл осындай нақты қадамдар жиынтығының арқасында толық органикалық қайта құрулардың логикалық тiзбегi ашылады.

Хинин синтезiнiң ең алғашқы реакциясында карбонил тобының = (электрофил) шабуылынан басталады, ол амин тобындағы нағыз жұп электрондармен бiрге жүретiнiн естен шығармау керек NH2 (нуклеофил). Өзара әрекеттесу траекториясы төмендегi суретте қисық сызықтармен көрсетiлген. Нуклеофилдiң электрофилмен әрекеттесуi кезiнде қос байланыстан оттегiге ауысқан жұп электрондар шығарылады. H+ сутегi ионының берiлуiнен кейiн хинин молекуласына шабуыл жасалынып, нуклеофильдi шабуыл бұл жерде азот атомдары арасында көмiртегi бар, − ионына қол жеткiзедi Нәтижесiнде, сутегi ионының H+ жоғалуынан кейiн азот атомында барлық реакция нәтижесiнде имин (реакция өнiмi) пайда болады, кейiннен ол бағалы хининге дейiн синтетикалық трансформация тiзбегiн жалғастырады.

Айта кету керек, Р. Вудворд пен В. Деринг немiс ғалымдары Пол Рабе мен Карл Киндлердiң бұрын зерттелген тәжiрибесiне сүйене отырып, хинин ағашының қабығындағы хининнiң улы изомерi хинотоксиндi синтездеуге жол ашты. 1918 жылы Пол Рабе мен Карл Киндлер химиялық жолмен хинотоксиндi хининге айналдырды. Осылай тарихи синтез американдық ғалымдарды синтетикалық пазлды дәл осы бағытта жинауға шабыттандырған болатын.

Хининнен хинотоксин алу синтезi 

Р.Вудворд пен Дерингтiң синтезi қымбаттылығына байланысты өндiрiсте кең көлемдi түрде жалғаспаса да, ашқан ғылыми жетiстiктiң өзi органикалық синтездiң жаңа дәуiрiнiң негiзiн қалады. Ғылыми жаңалық адамзаттың кез-келген табиғи затты жасанды түрде ала алатындығын дәлелдедi.

Келесi он жылдықта химик- синтетиктер бастапқы балама заттарды синтездеу стратегиясын ұсына отырып, хинин синтезiн бiрiнен соң бiрi жетiлдiрдi.

Мысалы, Гилберт Сторк ашқан циклдiк лактамнан хинин синтезi:

Эрик Якобсеннiң синтезi 3-гидрокси-пропаналь:

Немесе алдыңғы затты синтездеудiң ұқсас әдiсiн таңдаған Юичи Кобаяши тобының синтезi:

Бiр заттың синтезiн көптеген жолмен жасауға болады, сондықтан Органикалық синтез – бұл зерттеушiден шығармашылық пен стандартты емес ойлауды қажет ететiн сала, ал органикалық синтездiң өзiн өнердiң бiр түрi деп атауға болады!

Қорытынды

Органикалық химия-бiздi барлық жерде қоршап тұрған ғылым. Көптеген заманауи материалдарбұл синтетикалық органикалық полимерлер, ал үйлерiңiзде тұрған дәрi қорабындағы дәрi – дәрмектер-биологиялық белсендi органикалық молекулалар. Көмiртегi молекулаларының құрамының шектеулi болуына қарамастан, органикалық қосылыстарды шексiздiкке дейiн өзгерте алады, ал органикалық синтездiң өзi LEGO конструкторына ұқсас, оның iшiнен сiз әр түрлi қасиеттерi бар әр түрлi құрылымдарды жинай аласыз.

Бiрақ мыңдаған конструкторлардан күрделi механизмдi жинай алу үшiн органикалық химияның логикасын түсiну керек: неге кейбiр реакциялар басқаларға қарағанда жақсы жүредi және тұрақты өнiмнiң пайда болуына қалай қол жеткiзуге болады. Бұл және тағы басқа да сұрақтар химияның шексiз қызықты әлемiне жол ашады. Органикалық химияны үйренiңiз, ол сiздi алдамайды!

Аударған: Жансая Аққазықызы | IQanat’2018