6.1: Кільця та ланцюги атомів вуглецю

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18875

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Більшість вивчених досі молекул хімічних сполук були кластерами лише з декількох атомів. Тому молекули води H ₂ O існують у вигляді окремих кластерів атомів 2 Н, пов'язаних з атомом 1O, а молекули аміаку, NH ₃, кожен складається з атома N, з яким пов'язані 3 атома Н. У випадках, коли атоми того чи іншого елемента в хімічних сполуках мають схильність до зв'язку з атомами одного і того ж елемента, кількість можливих сполук значно збільшується. Це стосується вуглецю, С. Групи атомів вуглецю можуть зв'язуватися разом, утворюючи прямі ланцюги, розгалужені ланцюги та кільця, що призводить до практично безмежної кількості хімічних сполук. Такі вуглецевмісні сполуки є органічними хімічними речовинами, вивченням яких є органічна хімія. До величезного розмаїття органічної хімії додається той факт, що два атоми вуглецю можуть бути з'єднані одиночними зв'язками, що складаються з 2 спільних електронів, подвійних зв'язків, що складаються з 4-х спільних електронів, і навіть потрійних зв'язки, які містять 6 спільних електронів.

Органічні хімічні речовини складають більшість речовин, з якими беруть участь хіміки. Нафта, яка служить сировиною для великих полімерів, пластмас, каучуку та інших галузей промисловості, складається з сотень сполук, що складаються з водню та вуглецю, званих вуглеводнями. Серед органічних хімічних речовин входить більшість важливих промислових сполук, синтетичних полімерів, сільськогосподарські хімікати та більшість речовин, які викликають занепокоєння через їх токсичності та інших небезпек. Вуглеводи, білки, ліпіди (жири та олії) та нуклеїнові кислоти (ДНК), що складають біомасу живих організмів, є органічними хімічними речовинами, виготовленими біологічними процесами. Хімічні речовини, необхідні для виробництва широкого спектру хімічних продуктів, в основному органічні хімічні речовини, і їх придбання та обробка викликають велике занепокоєння в практиці зеленої хімії. Найбільша частка органічних хімічних речовин, придбаних з джерел нафти та природного газу, спалюється на паливі транспортних засобів, літаків, домашніх печей та електростанцій. Перед спалюванням ці речовини можуть бути оброблені для додання їм потрібних властивостей. Особливо це стосується складових бензину, молекули якого обробляються і модифікуються для додання бензину бажаних властивостей плавного горіння (хороші антидетонаційні властивості) і низького потенціалу забруднення повітря. Забруднення водних, повітряних та ґрунтових середовищ органічними хімічними речовинами викликає значне занепокоєння. Значна частина зусиль, вкладених у зелену хімію, передбачала безпечне виробництво, переробку та утилізацію органічних сполук.

Ряд органічних сполук виготовляються за допомогою дуже складних методів, щоб володіти точно підібраними властивостями. Особливо це стосується фармацевтичних препаратів, які повинні бути налаштовані для надання бажаних ефектів з мінімальними небажаними побічними ефектами. Одна органічна сполука, яка ефективна проти однієї з основних проблем зі здоров'ям - як правило, одна з сотень або навіть тисяч випробуваних - має потенціал для сотень мільйонів доларів на рік прибутку.

Органічні хімічні речовини широко відрізняються своєю токсичністю. Деякі сполуки виготовляються і використовуються через їх токсичності для небажаних організмів. Це пестициди, зокрема, інсектициди, що використовуються для знищення небажаних комах, та гербіциди, що використовуються для викорінення бур'янів, які конкурують з бажаними культурами. Зелена хімія дуже багато бере участь у таких видах застосувань. Одним з найбільш широко застосовуваних застосувань генетично модифікованих культур є розробка сільськогосподарських культур, які виробляють власні інсектициди у вигляді інсектицидних білків, які зазвичай виробляються певними видами бактерій, гени яких були зрощені в польові культури. Іншим застосуванням зеленої хімії за допомогою генної інженерії є розвиток культур, які протистоять впливу конкретних органічних молекул, які зазвичай використовуються як гербіциди. Ці гербіциди можуть застосовуватися безпосередньо до цільових культур, залишаючи їх неушкодженими, поки конкуруючі бур'яни гинуть.

З цієї короткої дискусії повинно бути очевидно, що органічна хімія - це величезна, різноманітна, дуже корисна дисципліна, заснована на унікальних сполучних властивостях атома вуглецю. Решта цієї глави обговорює основні аспекти органічної хімії. Багато з найцікавіших і важливих органічних хімічних речовин виробляються біологічними процесами. Адже до 1828 року прийнято вважати, що тільки організми можуть синтезувати органічні хімічні речовини. У тому році Фрідріху Вельерсу вдалося зробити сечовину, органічну хімічну речовину, яка міститься в сечі, з ціанату амонію, неорганічного матеріалу. Через важливу роль організмів у виробництві органічних хімічних речовин, кілька найбільш значущих видів цих хімічних речовин, виготовлених біологічно, також обговорюються в цьому розділі. Додаткові подробиці щодо способів, якими живі організми виробляють та обробляють хімічні речовини, наведені в розділах 9 та 13.