Кіріспе
Органикалық химия – химия ғылымының бір саласы, көміртек қосылыстарын зерттейді. Ол органикалық қосылыстар мен органикалық материалдардың құрылымын, қасиеттерін және реакцияларын, яғни көміртек атомдарын қамтитын әртүрлі нысандағы заттарды ғылыми тұрғыдан зерттеуді қамтиды. Құрылымын зерттеу олардың құрылымдық формуласын анықтауға мүмкіндік береді. Қасиеттерін зерттеу физикалық және химиялық қасиеттерін, сондай-ақ олардың мінез-құлқының себептерін түсіну үшін химиялық белсенділігін бағалауды қамтиды. Органикалық реакцияларды зерттеу табиғи өнімдердің, дәрі-дәрмектердің және полимерлердің химиялық синтезін, сондай-ақ зертханада және теориялық (компьютерлік) зерттеулер арқылы жеке органикалық молекулаларды зерттеуді қамтиды. Органикалық химияда зерттелетін химиялық заттардың қатарына көмірсутектер (тек көміртек пен сутегінен тұратын қосылыстар), сондай-ақ көміртек негізіндегі, бірақ басқа элементтер, әсіресе оттегі, азот, күкірт, фосфор (көптеген биохимиялық заттардың құрамында болады) және галогендер бар қосылыстар кіреді. Органометалл химиясы – көміртекті металл байланыстары бар қосылыстарды зерттейтін ғылым. Сонымен қатар, қазіргі зерттеулер органикалық химияға, оның ішінде лантаноидтарға, бірақ әсіресе цинк, мыс, палладий, никель, кобальт, титан және хром сияқты ауыспалы металдарға қатысатын басқа органикалық металдарға бағытталған. Органикалық қосылыстар жер бетіндегі барлық тіршілік атаулының негізін құрайды және белгілі химиялық заттардың басым көпшілігін құрайды. Көміртегінің байланысу қабілеті, оның төрт валенттілігі – бір, екі және үш байланыстар, сондай-ақ электрондары бөлшектенген құрылымдары органикалық қосылыстардың құрылымдық әртүрлілігін қамтамасыз етеді және олардың қолданылу саласы өте кең. Олар көптеген коммерциялық өнімдердің негізін құрайды немесе олардың құрамдас бөліктері болып табылады, мысалы, дәрі-дәрмектер, мұнай-химия және агрохимия өнімдері, сондай-ақ олардан жасалған майлау материалдары, еріткіштер, пластиктер, отын және жарылғыш заттар. Органикалық химияны зерттеу органометалл химиясымен және биохимиямен, сондай-ақ дәрілік химиямен, полимер химиясымен және материалдар ғылымымен байланысты. XIX ғасырдың бірінші жартысында органикалық қосылыстар туралы алғашқы жүйелі зерттеулер жүргізілді. 1816 жылы Мишель Шевроль әр түрлі майлар мен сілтілерден жасалған сабынды зерттей бастады. Ол сабын құрамындағы қышқылдарды сілтілерден бөліп шығарды. Бұл жеке қосылыстар болғандықтан, ол әр түрлі майларда (әдетте органикалық көздерден алынатын) химиялық өзгерістер жасау арқылы, "өмірлік күш" қажет болмай, жаңа қосылыстар жасауға болатынын көрсетті. 1828 жылы Фридрих Вёлер органикалық мочевинаны (карбамид) органикалық емес бастапқы материалдардан (калий цианаты мен аммоний сульфаты тұздарынан) синтездеді, бұл қазір Вёлер синтезі деп аталады. Вёлер өзі витализмді жоққа шығарғанын нақты айтпағанмен, бұл органикалық деп саналатын затты биологиялық (органикалық) емес бастапқы материалдардан зертханада синтездеудің алғашқы мысалы болды. Бұл оқиға витализм ілімін жоққа шығаратын оқиға ретінде қабылданды. 1856 жылы Уильям Генри Перкин хининді өндіруге тырысқанда, кездейсоқ түрде қазір Перкиннің қызғылт сарысы деп аталатын органикалық бояуды жасады. Оның табысы қаржылық табысқа ие болды және органикалық химияға қызығушылықты арттырды. Органикалық химия үшін маңызды жаңалық – 1858 жылы Фридрих Август Кекуле мен Арчибальд Скотт Купер дербес түрде дамытқан химиялық құрылым туралы түсінік болды. Екі зерттеуші де тетравалентті көміртек атомдары бір-бірімен байланысып көміртек торларын құрауы мүмкін екенін, ал атомдық байланыстардың егжей-тегжейлі үлгілерін тиісті химиялық реакцияларды шебер түсіндіру арқылы анықтауға болатынын ұсынды. Фармацевтикалық өнеркәсіптің дәуірі XIX ғасырдың соңғы онжылдығында басталды, ол кезде неміс компаниясы Bayer алғаш рет ацетилсалицил қышқылын (әдетте аспирин деп аталады) өндірді. 1910 жылы Пол Эрлих және оның зертханалық тобы сифилис ауруын емдеу үшін мырыш негізіндегі арсфенаминді (Сальварсан) әзірлеуді бастады, осылайша химиотерапияның медициналық практикасын құрды. Эрлих "сыйлық" дәрі-дәрмектер және дәрі-дәрмекті емдеуді жүйелі түрде жақсарту туралы түсініктерді кеңінен таратты. Оның зертханасы дифтерияға қарсы антисеромды әзірлеуге және терапиялық серомдарды стандарттауға үлкен үлес қосты. Органикалық реакциялар мен қолданудың алғашқы мысалдары көбінесе сәттілік пен күтпеген байқауларға дайындық нәтижесінде табылды. Алайда, XIX ғасырдың екінші жартысында органикалық қосылыстарды жүйелі зерттеулер жүргізілді. Синтетикалық индигоның дамуы осыны көрсетеді. 1897 жылы 19 000 тоннадан 1914 жылы 1 000 тоннаға дейін өсімдік көздерінен алынатын индиго өндірісі Адольф фон Байер әзірлеген синтетикалық әдістердің арқасында азайды. 2002 жылы мұнай-химиядан 17 000 тонна синтетикалық индиго өндірілді. XX ғасырдың басында полимерлер мен ферменттердің ірі органикалық молекулалар екені, ал мұнайдың биологиялық текті екені көрсетілді. Күрделі органикалық қосылыстардың көп сатылы синтезіне толық синтез деп аталады. Күрделі табиғи қосылыстардың толық синтезі глюкоза мен терпинеолға дейін күрделенді. Мысалы, холестеринге байланысты қосылыстар адам гормондары мен олардың өзгертілген туындыларын синтездеуге жол ашты. XX ғасырдың басынан бері толық синтездің күрделілігі лизергік қышқылы және В12 витамині сияқты өте күрделі молекулаларды қамту үшін артты. Мұнайдың табылуы және мұнай-химия өнеркәсібінің дамуы органикалық химияның дамуына түрткі болды. Жеке мұнай қосылыстарын әртүрлі химиялық процестер арқылы қосылыстардың түрлеріне айналдыру органикалық реакцияларға мүмкіндік берді, осы арқылы пластик, синтетикалық резеңке, органикалық желімдер және әртүрлі қасиеттерді өзгертетін мұнай қосылыстары мен катализаторлар сияқты өте көптеген өнеркәсіптік және коммерциялық өнімдер жасалды. Биологиялық организмдерде кездесетін химиялық қосылыстардың көпшілігі көміртек қосылыстары болып табылады, сондықтан органикалық химия мен биохимия арасындағы байланыс соншалықты тығыз, биохимияны органикалық химияның бір саласы деп санауға болады. Биохимияның тарихы шамамен төрт ғасырды қамтыса да, оның негізгі түсініктері XIX ғасырдың соңында ғана дамуын бастады, ал "биохимия" термині XX ғасырдың басында пайда болды. XX ғасыр бойында осы сала бойынша зерттеулер көбейді, оның қарқыны төмендемейді, BIOSIS Previews және Biological Abstracts сияқты анықтамалық және индекстеу қызметтерін қарап шығу арқылы оны тексеруге болады, ол 1920 жылдары бір томдық жылдық басылым ретінде басталды, бірақ одан кейін өсті және XX ғасырдың соңында күнделікті пайдаланушыға онлайн электрондық дерекқор ретінде ғана қол жетімді болды.
Organic chemistry is a subdiscipline within chemistry involving the scientific study of the structure, properties, and reactions of organic compounds and organic materials, i. e., matter in its various forms that contain carbon atoms. Study of structure determines their structural formula. Study of properties includes physical and chemical properties, and evaluation of chemical reactivity to understand their behavior. The study of organic reactions includes the chemical synthesis of natural products, drugs, and polymers, and study of individual organic molecules in the laboratory and via theoretical (in silico) study. The range of chemicals studied in organic chemistry includes hydrocarbons (compounds containing only carbon and hydrogen) as well as compounds based on carbon, but also containing other elements, especially oxygen, nitrogen, sulfur, phosphorus (included in many biochemicals) and the halogens. Organometallic chemistry is the study of compounds containing carbon–metal bonds. In addition, contemporary research focuses on organic chemistry involving other organometallics including the lanthanides, but especially the transition metals zinc, copper, palladium, nickel, cobalt, titanium and chromium. Organic compounds form the basis of all earthly life and constitute the majority of known chemicals. The bonding patterns of carbon, with its valence of four—formal single, double, and triple bonds, plus structures with delocalized electrons—make the array of organic compounds structurally diverse, and their range of applications enormous. They form the basis of, or are constituents of, many commercial products including pharmaceuticals; petrochemicals and agrichemicals, and products made from them including lubricants, solvents; plastics; fuels and explosives. The study of organic chemistry overlaps organometallic chemistry and biochemistry, but also with medicinal chemistry, polymer chemistry, and materials science. During the first half of the nineteenth century, some of the first systematic studies of organic compounds were reported. Around 1816 Michel Chevreul started a study of soaps made from various fats and alkalis. He separated the acids that, in combination with the alkali, produced the soap. Since these were all individual compounds, he demonstrated that it was possible to make a chemical change in various fats (which traditionally come from organic sources), producing new compounds, without "vital force". In 1828 Friedrich Wöhler produced the organic chemical urea (carbamide), a constituent of urine, from inorganic starting materials (the salts potassium cyanate and ammonium sulfate), in what is now called the Wöhler synthesis. Although Wöhler himself was cautious about claiming he had disproved vitalism, this was the first time a substance thought to be organic was synthesized in the laboratory without biological (organic) starting materials. The event is now generally accepted as indeed disproving the doctrine of vitalism. In 1856, William Henry Perkin, while trying to manufacture quinine, accidentally produced the organic dye now known as Perkin's mauve. His discovery, made widely known through its financial success, greatly increased interest in organic chemistry. A crucial breakthrough for organic chemistry was the concept of chemical structure, developed independently in 1858 by both Friedrich August Kekulé and Archibald Scott Couper. Both researchers suggested that tetravalent carbon atoms could link to each other to form a carbon lattice, and that the detailed patterns of atomic bonding could be discerned by skillful interpretations of appropriate chemical reactions. The era of the pharmaceutical industry began in the last decade of the 19th century when the German company, Bayer, first manufactured acetylsalicylic acid—more commonly known as aspirin. By 1910 Paul Ehrlich and his laboratory group began developing arsenic based arsphenamine, (Salvarsan), as the first effective medicinal treatment of syphilis, and thereby initiated the medical practice of chemotherapy. Ehrlich popularized the concepts of "magic bullet" drugs and of systematically improving drug therapies. His laboratory made decisive contributions to developing antiserum for diphtheria and standardizing therapeutic serums. Early examples of organic reactions and applications were often found because of a combination of luck and preparation for unexpected observations. The latter half of the 19th century however witnessed systematic studies of organic compounds. The development of synthetic indigo is illustrative. The production of indigo from plant sources dropped from 19,000 tons in 1897 to 1,000 tons by 1914 thanks to the synthetic methods developed by Adolf von Baeyer. In 2002, 17,000 tons of synthetic indigo were produced from petrochemicals. In the early part of the 20th century, polymers and enzymes were shown to be large organic molecules, and petroleum was shown to be of biological origin. The multiple step synthesis of complex organic compounds is called total synthesis. Total synthesis of complex natural compounds increased in complexity to glucose and terpineol. For example, cholesterol related compounds have opened ways to synthesize complex human hormones and their modified derivatives. Since the start of the 20th century, complexity of total syntheses has been increased to include molecules of high complexity such as lysergic acid and vitamin B12. The discovery of petroleum and the development of the petrochemical industry spurred the development of organic chemistry. Converting individual petroleum compounds into types of compounds by various chemical processes led to organic reactions enabling a broad range of industrial and commercial products including, among (many) others: plastics, synthetic rubber, organic adhesives, and various property modifying petroleum additives and catalysts. The majority of chemical compounds occurring in biological organisms are carbon compounds, so the association between organic chemistry and biochemistry is so close that biochemistry might be regarded as in essence a branch of organic chemistry. Although the history of biochemistry might be taken to span some four centuries, fundamental understanding of the field only began to develop in the late 19th century and the actual term biochemistry was coined around the start of 20th century. Research in the field increased throughout the twentieth century, without any indication of slackening in the rate of increase, as may be verified by inspection of abstraction and indexing services such as BIOSIS Previews and Biological Abstracts, which began in the 1920s as a single annual volume, but has grown so drastically that by the end of the 20th century it was only available to the everyday user as an online electronic database.
Қасиеттері
Органикалық қосылыстар көбінесе қоспалар түрінде кездесетіндіктен, тазалығын бағалау үшін әртүрлі техникалар әзірленді; хроматографиялық техникалар осы мақсатта ерекше маңызды, оларға HPLC және газ хроматографиясы кіреді. Бөлудің дәстүрлі әдістеріне дистилляция, кристалдану, булану, магниттік бөлу және экстракция жатады. Органикалық қосылыстар дәстүрлі түрде түрлі химиялық сынақтармен сипатталды, олар "ылғал әдістер" деп аталды, бірақ мұндай сынақтардың орнына спектроскопиялық және басқа да компьютерлік талдау әдістері қолданылады. Пайдалылығының шамамен ретімен тізімделген негізгі талдау әдістері:
Ядролық магниттік резонанс (ЯМР) спектроскопиясы – ең көп қолданылатын техника, ол корреляциялық спектроскопия арқылы атомдардың байланысын және тіпті стереохимиясын толық анықтауға мүмкіндік береді. Органикалық химияның негізгі элементтері – сутегі және көміртек – табиғатта ЯМР-ге сезімтал изотоптармен, тиісінше 1H және 13C түрінде кездеседі. Элементтік талдау: молекуланың элементтік құрамын анықтауға қолданылатын деструктивті әдіс. Сондай-ақ, төмендегі массалық спектрометрияны қараңыз. Массалық спектрометрия қосылыстың молекулалық салмағын және фрагментация үлгілерінен оның құрылымын көрсетеді. Жоғары ажыратымдылықтағы массалық спектрометрия әдетте қосылыстың нақты формуласын анықтай алады және элементтік талдаудың орнына қолданылады. Бұрын массалық спектрометрия белгілі бір мөлшерде ұшқыш болатын бейтарап молекулалармен шектелген, бірақ жетілдірілген иондау техникалары кез келген органикалық қосылыстың "массалық спектрін" алуға мүмкіндік береді. Кристаллография материалдың бір кристалы болған жағдайда молекулалық геометрияны анықтау үшін пайдалы болуы мүмкін. Жоғары тиімді жабдықтар мен бағдарламалық қамтамасыз ету кристалдың қолайлы болған жағдайында құрылымды бірнеше сағат ішінде анықтауға мүмкіндік береді. Инфрақызыл спектроскопия, оптикалық айналу және УФ/ВИС спектроскопия сияқты дәстүрлі спектроскопиялық әдістер салыстырмалы түрде ерекше емес құрылымдық ақпаратты ұсынады, бірақ олар белгілі бір қолданыстар үшін қолданылады. Затты анықтау үшін сындыру көрсеткіші және тығыздық та маңызды болуы мүмкін.
Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is the most commonly used technique, often permitting the complete assignment of atom connectivity and even stereochemistry using correlation spectroscopy. The principal constituent atoms of organic chemistry – hydrogen and carbon – exist naturally with NMR responsive isotopes, respectively 1H and 13C. Elemental analysis: A destructive method used to determine the elemental composition of a molecule. See also mass spectrometry, below. Mass spectrometry indicates the molecular weight of a compound and, from the fragmentation patterns, its structure. High resolution mass spectrometry can usually identify the exact formula of a compound and is used in place of elemental analysis. In former times, mass spectrometry was restricted to neutral molecules exhibiting some volatility, but advanced ionization techniques allow one to obtain the "mass spec" of virtually any organic compound. Crystallography can be useful for determining molecular geometry when a single crystal of the material is available. Highly efficient hardware and software allows a structure to be determined within hours of obtaining a suitable crystal. Traditional spectroscopic methods such as infrared spectroscopy, optical rotation, and UV/VIS spectroscopy provide relatively nonspecific structural information but remain in use for specific applications. Refractive index and density can also be important for substance identification.
Қасиеттері
Органикалық қосылыстардың физикалық қасиеттеріне әдетте маңызды болып табылатын сандық және сапалық ерекшеліктер кіреді. Сандық мәліметтерге балқу температурасы, қайнау температурасы, ерігіштігі және жарық сындыру көрсеткіші жатады. Сапалық қасиеттерге иіс, тұтқырлық және түс кіреді.
Еріту және қайнау қасиеттері
Органикалық қосылыстар көбінесе еріп, көптегендері қайнайды. Керісінше, органикалық емес материалдардың көпшілігі балқытылуы мүмкін болғанымен, қайнамайды, олардың орнына ыдырайды. Бұрын балқу температурасы (б.т.) және қайнау температурасы (қ.т.) органикалық қосылыстардың тазалығы мен идентификациясы туралы маңызды мәліметтер берді. Балқу және қайнау температуралары молекулалардың полярлығымен және олардың молекулалық массасымен байланысты. Кейбір органикалық қосылыстар, әсіресе симметриялылары, сублимацияланады. Сублимацияланатын органикалық қосылыстардың жақсы белгілі мысалы – парадихлорбензол, ол қазіргі кездегі мольдардың иіс шығаратын құрауышы. Органикалық қосылыстар әдетте 300 °C-тан жоғары температурада өте тұрақты болмайды, бірақ кейбір ерекшеліктері бар.
Ерігіштігі
Нейтральды органикалық қосылыстар гидрофобты болып табылады; яғни, олар органикалық емес еріткіштерге қарағанда суда нашар ериді. Иондалатын топтары бар органикалық қосылыстар, сондай-ақ төмен молекулалық спирттер, аминдер және сутектік байланыс пайда болатын карбон қышқылы – бұл ерекшеліктер. Әйтпесе, органикалық қосылыстар органикалық еріткіштерде ерігіш болады. Ерігіштік органикалық зат пен органикалық еріткіштің өзіне қарай кең ауқымда өзгереді.
Қатты күй қасиеттері
Молекулалық кристалдар мен конъюгацияланған жүйелері бар органикалық полимерлердің әртүрлі арнайы қасиеттері, қолданылу саласына байланысты қызығушылық тудырады, мысалы, термомеханикалық және электромеханикалық қасиеттер, сияқты пьезоэлектрлік, электр өткізгіштігі (өткізгіш полимерлер мен органикалық жартылай өткізгіштерді қараңыз) және электрооптикалық (мысалы, сызықтық емес оптика) қасиеттер. Тарихи себептерге байланысты, мұндай қасиеттер негізінен полимер ғылымы мен материалдар ғылымы салаларының зерттеу нысаны болып табылады.
Номенклатура
Органикалық қосылыстардың атаулары жүйелі, яғни ережелер жиынтығынан логикалық түрде туындайтын, немесе жүйесіз, әртүрлі дәстүрлерге сүйенетін болады. Жүйелі номенклатура IUPAC (Халықаралық таза және қолданбалы химия одағы) талаптарымен белгіленеді. Жүйелі номенклатура қызығушылық тудыратын молекуланың негізгі құрылымының атауынан басталады. Бұл негізгі атау кейіннен префикстер, суффикстер және сандар арқылы өзгертіліп, құрылымын нақты жеткізеді. Миллиондаған органикалық қосылыстар белгілі болғандықтан, жүйелі атауларды қатаң қолдану қиын болуы мүмкін. Сондықтан, IUPAC ұсыныстары қарапайым қосылыстар үшін жақыннан сақталады, бірақ күрделі молекулалар үшін емес. Жүйелі атауды қолдану үшін негізгі құрылымдардың құрылымын және атауларын білу қажет. Негізгі құрылымдарға алмастырылмаған көмірсутектер, гетероциклдер және олардың монофункционалды туындылары кіреді. Жүйесіз номенклатура органикалық химиктер үшін кемінде қарапайым және түсінікті. Жүйесіз атаулар қосылыстың құрылымын көрсетпейді. Олар күрделі молекулалар үшін, оның ішінде көптеген табиғи заттар үшін кеңінен қолданылады. Осылайша, лизергиялық қышқыл диэтиламидінің бейресми атауы (6aR,9R) N,N-диэтил 7-метил 4,6,6a,7,8,9-гексагидроиндол[4,3fg]хинолин-9-карбоксамиді болып табылады. Есептеу техникасын қолданудың артуымен, машиналармен түсіндірілуге арналған басқа атау әдістері пайда болды. Екі танымал формат – SMILES және InChI.
(6aR,9R) N,N diethyl 7 methyl 4,6,6a,7,8,9 hexahydroindolo [4,3 fg] quinoline 9 carboxamide. With the increased use of computing, other naming methods have evolved that are intended to be interpreted by machines. Two popular formats are SMILES and InChI.
Құрылыс сызбалары
Органикалық молекулалар көбінесе сызбалар немесе құрылымдық формулалар, сызбалар мен химиялық символдардың біріктірілімдері арқылы сипатталады. Сызық-бұрыш формуласы қарапайым және бірмәнді. Бұл жүйеде әр сызықтың соңғы нүктелері мен қиылысқан жерлері бір көміртекті көрсетеді, ал сутек атомдары тікелей көрсетілуі немесе төртвалентті көміртекке сәйкес жасырылған түрде болуы мүмкін.
Тарих
1880 жылға қарай, жаңа синтетикалық және талдау әдістерінің арқасында ашылған химиялық қосылыстардың саны күрт өсті. Гриньяр бұл жағдайды "хаос ле плюс компле" (толық хаос) деп сипаттады, себебі бір түсініксіздік болғандықтан бір және бірдей қосылыстың бірнеше атауы болуы мүмкін еді. Осының нәтижесінде 1892 жылы Женева ережелері жасалды.
Функционалдық топтар
Функционалдық топтар тұжырымы органикалық химияда құрылымдарды жіктеу және қасиеттерді болжау үшін маңызды құрал болып табылады. Функционалдық топ – молекулалық модуль, және осы функционалдық топтың реакциялық қабілеті, белгілі шектеулерде, әртүрлі молекулаларда бірдей болады деп есептеледі. Функционалдық топтар органикалық қосылыстардың химиялық және физикалық қасиеттеріне шешуші ықпал ете алады. Молекулалар функционалдық топтарына сәйкес жіктеледі. Мысалы, барлық спирттер C-O-H кішібірлігіне ие. Барлық спирттер белгілі бір дәрежеде гидрофильді болып келеді, көбінесе эфирлер түзеді және әдетте тиісті галогендерге айналуы мүмкін. Көптеген функционалдық топтар гетероатомдардан (көміртегі және сутегі атомдарынан басқа) тұрады. Органикалық қосылыстар функционалдық топтарына – спирттерге, карбондық қышқылдарға, аминдерге және т.б. сәйкес жіктеледі. Функционалдық топтар молекуланың айналасындағы бөліктерге электрондық әсері арқылы молекуланы қышқыл немесе негізді етеді. Молекулалық қосылыстың/функционалдық топтың pKa (негізділігі) жоғарылаған сайын, өлшенгенде, сәйкес дипольдің күші де артады. Функционалдық топқа бағытталған диполь (оның жоғары pKa, демек топтың негіздік сипаты) оған қарай бағытталады және қашықтық артқан сайын күші төмендейді. Дипольдік қашықтық (Ангстреммен өлшенеді) және функционалдық топқа қатысты стерикалық кедергі айналадағы ортаға және pH деңгейіне молекулааралық және молекулаішілік әсер етеді. Әртүрлі функционалдық топтардың әртүрлі pKa мәндері және байланыс күші (бір, екі, үш) болады, бұл pKa төмен болғанда электрофильділіктің, ал pKa жоғары болғанда нуклеофильдік күштің артуына әкеледі. Негізгі/нуклеофильді функционалдық топтар басқа молекуладағы (молекулааралық) немесе сол молекуладағы (молекулаішілік) электрофильді функционалдық топқа, pKa төмен болғанда шабуыл жасауға бейім. Ацил немесе карбонил тобы сияқты, белгілі бір шектегі қышқылдық pKa мәніне ие кез келген топ шабуылға ұшырауы мүмкін. pKa жоғарылаған сайын шабуылға ұшырау ықтималдығы төмендейді, сондықтан ең төменгі pKa мәніне ие ацил хлорид компоненттері шабуылға ұшырауы ең мүмкін, одан кейін карбондық қышқылдар (pKa = 4), тиолдар (13), малонаттар (13), спирттер (17), альдегидтер (20), нитрилдер (25), эфирлер (25), содан кейін аминдер (35). Аминдер өте негізді және жақсы нуклеофилдер/шабуылшылар.
Ароматтық қосылыстар
Ароматты көмірсутектер конъюгацияланған қос байланыстарды қамтиды. Бұл, сақинадағы әрбір көміртек атомы sp2 гибридтелгенін білдіреді, бұл қосымша тұрақтылықты қамтамасыз етеді. Ең маңызды мысал – бензол, оның құрылымын алғаш рет Кекуле анықтаған, ол оның құрылымын түсіндіру үшін делокализация немесе резонанс принципін ұсынған. "Дәстүрлі" циклдік қосылыстар үшін ароматикалық қасиет 4n + 2 делокальданған пи электрондарының болуымен беріледі, мұнда n – бүтін сан. 4n конъюгацияланған пи электрондарының болуы ерекше тұрақсыздыққа (антиароматикалық қасиетке) әкеледі.
Гетероциклді қосылыстар
Циклдік көмірсутектердің қасиеттері гетероатомдардың болуымен қайтадан өзгереді, олар сақинаға сырттан (экзоциклдік) немесе сақинаның құрамына (эндоциклдік) қосылған топтар ретінде кездесуі мүмкін. Соңғы жағдайда сақина гетероцикл деп аталады. Пиридин және фуран – ароматты гетероциклдердің мысалдары, ал пиперидин және тетрагидрофуран – сәйкес алициклді гетероциклдер. Гетероциклді молекулалардың гетероатомы көбінесе оттек, күкірт немесе азот болып табылады, соңғысы биохимиялық жүйелерде ерекше жиі кездеседі. Гетероциклдер анилин бояулары және дәрі-дәрмектер сияқты кең ауқымды өнімдерде кездеседі. Бұған қоса, олар алкалоидтар, витаминдер, стероидтар және нуклеин қышқылдары (мысалы, ДНК, РНК) сияқты көптеген биохимиялық қосылыстарда кең таралған. Сақиналар шетінен басқа сақиналармен бірігіп, полициклді қосылыстарды құрайды. Пурин нуклеозидтері – белгілі полициклді ароматты гетероциклдер. Сақиналар сондай-ақ "бұрыштан" бірігіп, бір атомның (көбінесе көміртек) бір сақинаға екі байланысы, екінші сақинаға екі байланысы болатын қосылыстарды жасайды. Мұндай қосылыстар спиро деп аталады және көптеген табиғи өнімдерде маңызды рөл атқарады.
Полимерлер
Көміртектің маңызды қасиеттерінің бірі – оның оңай тізбектер немесе желілер құрауы, олар көміртекті-көміртекті (көміртектен көміртекке) байланыстар арқылы біріктіріледі. Бұл процеске полимерлену дейді, ал тізбектер мен желілер полимерлер деп аталады. Алғашқы зат мономер деп аталады. Полимерлердің екі негізгі тобы бар: синтетикалық полимерлер және биополимерлер. Синтетикалық полимерлер жасанды түрде жасалады және оларды көбінесе өнеркәсіптік полимерлер деп атайды. Биополимерлер табиғи жағдайда немесе адамның араласуы болмағанда пайда болады.
Биомолекулалар
Биомолекулалық химия – органикалық химияның маңызды саласы, оны биохимиктер көбінесе зерттейді. Көптеген күрделі, көп функционалды топтарға ие молекулалар тірі организмдер үшін өте маңызды. Олардың кейбіреулері – ұзын тізбекті биополимерлер, оларға пептидтер, ДНК, РНК және жануарлардағы крахмал, өсімдіктердегі целлюлоза сияқты полисахаридтер жатады. Басқа негізгі кластарға – аминқышқылдары (пептидтер мен белоктардың мономерлік құрылыс блоктары), көмірсулар (полисахаридтерді қамтиды), нуклеин қышқылдары (полимерлер ретінде ДНК және РНК), және липидтер кіреді. Сонымен қатар, жануар биохимиясында энергия өндірісіне, Кребс циклы арқылы көмектесетін көптеген шағын молекулалық аралық заттар бар, сондай-ақ жануарларда ең көп таралған көмірсутек – изопрен өндіріледі. Изопрендер жануарларда маңызды стероидтық құрылымды (холестерин) және стероидтық гормондарды құрайды; ал өсімдіктерде терпендер, терпеноидтар, кейбір алкалоидтар және биополимерлі полиизопреноидтар класына жататын көмірсутектер кездеседі, олар түрлі өсімдіктердің латексінде болады және резеңке жасауға негіз болады. Биологтар жоғарыда аталған биомолекулаларды негізінен төрт топқа бөліп қарастырады: ақуыздар, липидтер, көмірсулар және нуклеин қышқылдары. Мұнай және оның туындылары органикалық молекулалар саналады, бұл осы мұнайдың тірі организмдердің, яғни биомолекулалардың қазбалануынан пайда болғанымен сәйкес келеді. Сондай-ақ қараңыз: пептид синтезі, олигонуклеотид синтезі және көмірсу синтезі.
Кіші молекулалар
Фармакологияда маңызды органикалық қосылыстар тобы – шағын молекулалар, олар «кіші органикалық қосылыстар» деп те аталады. Осы контексте шағын молекула – биологиялық активті, бірақ полимер емес кіші органикалық қосылыс. Көбінесе шағын молекулалардың молярлық массасы шамамен 1000 г/моль-ден аспайды.
Фуллерендер
Фуллерендер мен көміртек нанотұтықтар, шар және түтік тәрізді құрылымдарға ие көміртек қосылыстары, материалтану саласындағы көптеген зерттеулерге серпін берді. Бірінші фуллерен 1985 жылы Ұлыбританиядан сэр Гарольд В. Крото, сондай-ақ АҚШ-тан Ричард Э. Смолли және Роберт Ф. Керл кішілер тапқан болатын. Гелий газы атмосферасында графит таяқшаларын лазер сәулесімен буландыру арқылы олар көмекшілерімен бірге 60 көміртек атомынан (С60) тұратын, бір және екі байланыстармен біріктірілген, 12 бесбұрышты және 20 алтыбұрышты жақтары бар қуыс шар тәрізді молекулалар алды – бұл дизайн футбол добын еске түсіреді. 1996 жылы осы үш ғалым пионерлік еңбектері үшін Нобель сыйлығымен марапатталды. C60 молекуласы американдық архитектор Р. Бакминстер Фуллердің құрметіне аталды, оның геодезиялық күмбезі де осы құрылымдық принциптерге негізделген.
Басқалар
Көміртектің азотқа, оттегіге және галогендерге байланыстары бар органикалық қосылыстар әдетте жеке топтастырылмайды. Ал қалғандары кейде органикалық химияның ірі топтарына жатқызылып, органосіліциум химиясы, органометалл химиясы, органофосфор химиясы және органосиликон химиясы сияқты тақырыптар аясында қарастырылады.
Органикалық синтез
Синтетикалық органикалық химия – инженерлік шекарасындағы қолданбалы ғылым, яғни "практикалық мақсаттар үшін жұмыстарды жобалау, талдау және/немесе құрылыс салу". Жаңа қосылыстың органикалық синтезі – бұл мәселе шешу тапсырмасы, онда синтез оптималды бастапқы материалдардан ең тиімді реакцияларды таңдап, мақсатты молекула үшін жоспарланады. Күрделі қосылыстарда тізбектей келіп, қажетті молекуланы құрайтын ондаған реакциялық қадамдар болуы мүмкін. Синтез молекуладағы функционалдық топтардың реакциялық қабілетін пайдалану арқылы жүзеге асырылады. Мысалы, карбонил қосылысын энолатқа айналдыру арқылы нуклеофил ретінде немесе электрофил ретінде қолдануға болады; екеуінің үйлесімі альдоль реакциясы деп аталады. Практикалық тұрғыдан пайдалы синтездерді жобалау үшін зертханада нақты синтез жүргізу қажет. Күрделі молекулалар үшін жаңа синтетикалық жолдарды жасаудың ғылыми тәжірибесі – толық синтез деп аталады. Синтезді жоспарлау стратегияларының бірі – Э. Дж. Кори танымал еткен ретросинтез, ол мақсатты молекуладан басталып, белгілі реакцияларға сәйкес оны бөліктерге бөледі. Бөліктер немесе ұсынылған прекурсорлар қолжетімді және мүмкіндігінше арзан бастапқы материалдарға жеткенге дейін бірдей өңдеуден өтеді. Содан кейін ретросинтез синтезді алу үшін кері бағытта жазылады. Әрбір қосылыстың және әрбір прекурсордың бірнеше синтезі болғандықтан "синтетикалық ағаш" құруға болады.