Соединения углерода: определение и классификация.

Введение

Углеродсодержащие химические соединения

Некоторые специалисты в области химии определяют органическое соединение как химическое соединение, содержащее углерод-водородную или углерод-углеродную связь; другие рассматривают органическим соединением любое химическое соединение, содержащее углерод. Например, углеродсодержащие соединения, такие как алканы (например, метан CH4) и их производные, повсеместно считаются органическими, но многие другие иногда классифицируются как неорганические, например, галогениды углерода, не содержащие углерод-водородных и углерод-углеродных связей (например, тетрахлорид углерода CCl4), а также определенные соединения углерода с азотом и кислородом (например, ион цианида CN−, цианистый водород HCN, хлоруксусная кислота ClCO2H, диоксид углерода CO2 и карбонат-ион CO3(2−)). Благодаря способности углерода к катенации (образованию цепей из других атомов углерода) известно миллионы органических соединений. Изучение свойств, реакций и синтеза органических соединений составляет область науки, известную как органическая химия. По историческим причинам несколько классов углеродсодержащих соединений (например, карбонаты и цианиды), а также некоторые другие исключения (например, диоксид углерода и даже цианистый водород, несмотря на наличие в нем углерод-водородной связи) обычно считаются неорганическими. Помимо вышеупомянутых, среди химиков нет единого мнения относительно того, какие именно углеродсодержащие соединения следует исключать, что делает любое строгое определение органического соединения затруднительным. Хотя органические соединения составляют лишь небольшой процент земной коры, они имеют первостепенное значение, поскольку вся известная жизнь основана на органических соединениях. Живые организмы включают неорганические соединения углерода в органические соединения посредством сети процессов (углеродный цикл), начинающейся с преобразования углекислого газа и источника водорода, такого как вода, в простые сахара и другие органические молекулы автотрофными организмами, использующими свет (фотосинтез) или другие источники энергии. Большинство синтетически полученных органических соединений в конечном итоге получают из нефтехимического сырья, состоящего в основном из углеводородов, которые сами образуются в результате разложения органического вещества под высоким давлением и температурой в течение геологических периодов времени. Несмотря на это происхождение, органические соединения больше не определяются как соединения, происходящие из живых организмов, как это было принято исторически. В химической номенклатуре органильная группа, часто обозначаемая буквой R, относится к любому одновалентному заместителю, свободная валентность которого приходится на атом углерода.

Some chemical authorities define an organic compound as a chemical compound that contains a carbon–hydrogen or carbon–carbon bond; others consider an organic compound to be any chemical compound that contains carbon. For example, carbon containing compounds such as alkanes (e. g. methane |CH4) and its derivatives are universally considered organic, but many others are sometimes considered inorganic, such as halides of carbon without carbon hydrogen and carbon carbon bonds (e. g. carbon tetrachloride |CCl4), and certain compounds of carbon with nitrogen and oxygen (e. g. cyanide ion |CN−, hydrogen cyanide |HCN, chloroformic acid |ClCO2H, carbon dioxide |CO2, and carbonate ion |CO3(2−)). Due to carbon's ability to catenate (form chains with other carbon atoms), millions of organic compounds are known. The study of the properties, reactions, and syntheses of organic compounds comprise the discipline known as organic chemistry. For historical reasons, a few classes of carbon containing compounds (e. g., carbonate salts and cyanide salts), along with a few other exceptions (e. g., carbon dioxide, and even hydrogen cyanide despite the fact it contains a carbon hydrogen bond), are generally considered inorganic. Other than those just named, little consensus exists among chemists on precisely which carbon containing compounds are excluded, making any rigorous definition of an organic compound elusive. Although organic compounds make up only a small percentage of Earth's crust, they are of central importance because all known life is based on organic compounds. Living things incorporate inorganic carbon compounds into organic compounds through a network of processes (the carbon cycle) that begins with the conversion of carbon dioxide and a hydrogen source like water into simple sugars and other organic molecules by autotrophic organisms using light (photosynthesis) or other sources of energy. Most synthetically produced organic compounds are ultimately derived from petrochemicals consisting mainly of hydrocarbons, which are themselves formed from the high pressure and temperature degradation of organic matter underground over geological timescales. This ultimate derivation notwithstanding, organic compounds are no longer defined as compounds originating in living things, as they were historically. In chemical nomenclature, an organyl group, frequently represented by the letter R, refers to any monovalent substituent whose open valence is on a carbon atom.

Определение

По историческим причинам, обсуждаемым ниже, некоторые типы соединений, содержащих углерод, такие как карбиды, карбонаты (за исключением карбонатных эфиров), простые оксиды углерода (например, CO и CO2) и цианиды, обычно рассматриваются как неорганические соединения. Различные формы (аллотропы) чистого углерода, такие как алмаз, графит, фуллерены и углеродные нанотрубки, также исключаются, поскольку они являются простыми веществами, состоящими из одного элемента, и поэтому обычно не считаются химическими соединениями. Слово "органический" в данном контексте не означает "природный".

Витализм

Витализм был широко распространенной концепцией, согласно которой вещества, встречающиеся в органической природе, образуются из химических элементов посредством действия "жизненной силы" или "жизненной энергии" (vis vitalis), которой обладают только живые организмы. В 1810-х годах Йёнс Якоб Берцелиус утверждал, что в живых телах должна существовать регулирующая сила. Берцелиус также полагал, что соединения можно различать по тому, требуется ли наличие организмов для их синтеза (органические соединения) или нет (неорганические соединения). Витализм утверждал, что образование этих "органических" соединений принципиально отличается от образования "неорганических" соединений, которые можно получить из элементов посредством химических манипуляций в лаборатории. Витализм просуществовал непродолжительное время после формулирования современных представлений об атомной теории и химических элементах. Впервые он был поставлен под сомнение в 1824 году, когда Фридрих Вёлер синтезировал щавелевую кислоту, соединение, которое ранее встречалось только в живых организмах, из цианогена. Последующим экспериментом стал синтез Вёлером в 1828 году мочевины из неорганических солей – цианата калия и сульфата аммония. Мочевина долгое время считалась "органическим" соединением, поскольку она была известна только как компонент мочи живых организмов. За экспериментами Вёлера последовали многие другие, в ходе которых все более сложные "органические" вещества получались из "неорганических" без участия каких-либо живых организмов, тем самым опровергая витализм.

Современная классификация и неясности

Хотя витализм был дискредитирован, научная номенклатура сохраняет различие между органическими и неорганическими соединениями. Современное значение органического соединения – это любое соединение, содержащее значительное количество углерода, хотя многие из известных сегодня органических соединений не имеют связи с каким-либо веществом, обнаруженным в живых организмах. Термин карбогенный был предложен Э. Дж. Кори как современная альтернатива органическому, но этот неологизм остается относительно малоизвестным. Молекула органического соединения L-изолейцина обладает некоторыми характеристиками, типичными для органических соединений: углерод-углеродные связи, углерод-водородные связи, а также ковалентные связи углерода с кислородом и азотом. Как подробно описано ниже, любое определение органического соединения, использующее простые, широко применимые критерии, оказывается в разной степени неудовлетворительным. Современное, общепринятое определение органического соединения по сути сводится к любому соединению, содержащему углерод, за исключением нескольких классов веществ, традиционно считающихся "неорганическими". Список исключаемых веществ варьируется от автора к автору. Тем не менее, в целом принято считать, что существует (по крайней мере) несколько соединений, содержащих углерод, которые не следует считать органическими. Например, почти все специалисты требуют исключения сплавов, содержащих углерод, включая сталь (которая содержит цементит, Fe3C), а также другие металлические и полуметаллические карбиды (включая "ионные" карбиды, например, Al4C3 и CaC2, и "ковалентные" карбиды, например, B4C и SiC, и графитовые интеркаляционные соединения, например, KC8). Другие соединения и материалы, которые большинство специалистов считают "неорганическими", включают: карбонаты металлов, простые оксиды углерода (CO, CO2 и, возможно, C3O2), аллотропные модификации углерода, производные цианидов, не содержащие органического остатка (например, KCN, (CN)2, BrCN, цианид-анион OCN− и т.д.), и более тяжелые аналоги (например, циафид-анион CP−, CSe2, COS; хотя дисульфид углерода CS2 часто классифицируется как органический растворитель). Галогениды углерода без водорода (например, CF4 и CClF3), фосген (COCl2), карбораны, карбонилы металлов (например, никель тетракарбонил), меллитовый ангидрид (C12O9) и другие экзотические оксоуглероды также считаются неорганическими. Никель тетракарбонил (Ni(CO)4) и другие карбонилы металлов часто являются летучими жидкостями, как и многие органические соединения, но они содержат только углерод, связанный с переходным металлом и кислородом, и часто получают непосредственно из металла и монооксида углерода. Никель тетракарбонил обычно классифицируется как органометаллическое соединение, поскольку он удовлетворяет широкому определению, согласно которому органометаллическая химия охватывает все соединения, содержащие по крайней мере одну ковалентную связь углерода с металлом; неизвестно, образуют ли органометаллические соединения подмножество органических соединений. Например, наличие доказательств ковалентной связи Fe-C в цементите, основном компоненте стали, относит его к этому широкому определению органометаллического, но сталь и другие сплавы, содержащие углерод, редко рассматриваются как органические соединения. Таким образом, неясно, следует ли сужать определение органометаллических соединений, подразумевают ли эти соображения, что органометаллические соединения не обязательно являются органическими, или и то, и другое. Металлические комплексы с органическими лигандами, но без углерод-металлических связей (например, (CH3CO2)2Cu) не считаются органометаллическими; вместо этого они называются металлоорганическими соединениями (и могут считаться органическими). Относительно узкое определение органических соединений как содержащих C-H связи исключает соединения, которые (исторически и практически) считаются органическими. Ни мочевина CO(NH2)2, ни щавелевая кислота (COOH)2 не являются органическими по этому определению, но они были двумя ключевыми соединениями в дебатах о витализме. Однако в "Голубой книге" IUPAC по органической номенклатуре конкретно упоминаются мочевина и щавелевая кислота как органические соединения. Другие соединения, не имеющие C-H связей, но традиционно считающиеся органическими, включают бензогексол, мезоксалевую кислоту и тетрахлорметан. Меллитовая кислота, не содержащая C-H связей, рассматривается как возможное органическое соединение в почве Марса. На Земле она и ее ангидрид, меллитовый ангидрид, связаны с минералом меллитом (Al2C6(COO)6·16H2O). Немного более широкое определение органического соединения включает все соединения, содержащие C-H или C-C связи. Это все равно исключило бы мочевину. Более того, это определение все еще приводит к несколько произвольным делениям в наборах углерод-галогенидов. Например, CF4 и CCl4 по этому правилу считались бы "неорганическими", в то время как CHF3, CHCl3 и C2Cl6 были бы органическими, хотя эти соединения имеют много общих физических и химических свойств.

Although vitalism has been discredited, scientific nomenclature retains the distinction between organic and inorganic compounds. The modern meaning of organic compound is any compound that contains a significant amount of carbon—even though many of the organic compounds known today have no connection to any substance found in living organisms. The term carbogenic has been proposed by E. J. Corey as a modern alternative to organic, but this neologism remains relatively obscure. The organic compound L isoleucine molecule presents some features typical of organic compounds: carbon–carbon bonds, carbon–hydrogen bonds, as well as covalent bonds from carbon to oxygen and to nitrogen. As described in detail below, any definition of organic compound that uses simple, broadly applicable criteria turns out to be unsatisfactory, to varying degrees. The modern, commonly accepted definition of organic compound essentially amounts to any carbon containing compound, excluding several classes of substances traditionally considered "inorganic". The list of substances so excluded varies from author to author. Still, it is generally agreed upon that there are (at least) a few carbon containing compounds that should not be considered organic. For instance, almost all authorities would require the exclusion of alloys that contain carbon, including steel (which contains cementite, |Fe3C), as well as other metal and semimetal carbides (including "ionic" carbides, e. g, |Al4C3 and |CaC2 and "covalent" carbides, e. g. |B4C and SiC, and graphite intercalation compounds, e. g. |KC8). Other compounds and materials that are considered 'inorganic' by most authorities include: metal carbonates, simple oxides of carbon (CO, |CO2, and arguably, |C3O2), the allotropes of carbon, cyanide derivatives not containing an organic residue (e. g., KCN, |(CN)2, BrCN, cyanate anion |OCN−, etc. ), and heavier analogs thereof (e. g., cyaphide anion |CP−, |CSe2, COS; although carbon disulfide |CS2 is often classed as an organic solvent). Halides of carbon without hydrogen (e. g., |CF4 and |CClF3), phosgene (|COCl2), carboranes, metal carbonyls (e. g., nickel tetracarbonyl), mellitic anhydride (|C12O9), and other exotic oxocarbons are also considered inorganic by some authorities. Nickel tetracarbonyl (|Ni(CO)4) and other metal carbonyls are often volatile liquids, like many organic compounds, yet they contain only carbon bonded to a transition metal and to oxygen, and are often prepared directly from metal and carbon monoxide. Nickel tetracarbonyl is typically classified as an organometallic compound as it satisfies the broad definition that organometallic chemistry covers all compounds that contain at least one carbon to metal covalent bond; it is unknown whether organometallic compounds form a subset of organic compounds. For example, the evidence of covalent Fe C bonding in cementite, a major component of steel, places it within this broad definition of organometallic, yet steel and other carbon containing alloys are seldom regarded as organic compounds. Thus, it is unclear whether the definition of organometallic should be narrowed, whether these considerations imply that organometallic compounds are not necessarily organic, or both. Metal complexes with organic ligands but no carbon metal bonds (e. g., |(CH3CO2)2Cu) are not considered organometallic; instead, they are called metal organic compounds (and might be considered organic). The relatively narrow definition of organic compounds as those containing C H bonds excludes compounds that are (historically and practically) considered organic. Neither urea |CO(NH2)2 nor oxalic acid |(COOH)2 are organic by this definition, yet they were two key compounds in the vitalism debate. However, the IUPAC Blue Book on organic nomenclature specifically mentions urea and oxalic acid as organic compounds. Other compounds lacking C H bonds but traditionally considered organic include benzenehexol, mesoxalic acid, and carbon tetrachloride. Mellitic acid, which contains no C H bonds, is considered a possible organic compound in Martian soil. Terrestrially, it, and its anhydride, mellitic anhydride, are associated with the mineral mellite (|Al2C6(COO)6*16H2O). A slightly broader definition of the organic compound includes all compounds bearing C H or C C bonds. This would still exclude urea. Moreover, this definition still leads to somewhat arbitrary divisions in sets of carbon halogen compounds. For example, |CF4 and |CCl4 would be considered by this rule to be "inorganic", whereas |CHF3, |CHCl3, and |C2Cl6 would be organic, though these compounds share many physical and chemical properties.

Классификация

Органические соединения могут быть классифицированы различными способами. Одним из основных различий является разделение на природные и синтетические соединения. Органические соединения также можно классифицировать или подразделить по наличию гетероатомов, например, органометаллические соединения, содержащие связи между углеродом и металлом, и органофосфорные соединения, содержащие связи между углеродом и фосфором. Другое различие, основанное на размере органических соединений, выделяет малые молекулы и полимеры.

Естественные соединения

Природные соединения – это вещества, производимые растениями или животными. Многие из них до сих пор извлекаются из природных источников, поскольку их искусственный синтез был бы более затратным. К ним относятся большинство сахаров, некоторые алкалоиды и терпеноиды, определенные питательные вещества, такие как витамин B12, и, в целом, природные продукты с крупными или стереоизомерно сложными молекулами, содержащимися в разумных концентрациях в живых организмах. Кроме того, важнейшими соединениями в биохимии являются антигены, углеводы, ферменты, гормоны, липиды и жирные кислоты, нейромедиаторы, нуклеиновые кислоты, белки, пептиды и аминокислоты, лектины, витамины, а также жиры и масла.

Синтетические соединения

Соединения, которые получают в результате реакции других соединений, называются "синтетическими". Они могут быть как соединениями, уже встречающимися в растениях или животных, так и искусственными соединениями, не существующими в природе. Большинство полимеров (категория, включающая все пластмассы и каучуки) являются органическими синтетическими или полусинтетическими соединениями.

Биотехнология

Многие органические соединения – например, этанол и инсулин – производятся в промышленности с использованием организмов, таких как бактерии и дрожжи. Обычно ДНК организма модифицируется для производства соединений, которые он не производит естественным образом. Многие из таких биотехнологически созданных соединений ранее не встречались в природе.

Базы данных

База данных CAS является наиболее полным хранилищем данных об органических соединениях. В качестве средства поиска предлагается SciFinder. База данных Beilstein содержит информацию о 9,8 миллионах веществ, охватывает научную литературу с 1771 года по настоящее время и в настоящее время доступна через Reaxys. Для каждого вещества доступны структуры и широкий спектр физических и химических свойств с указанием оригинальных источников литературы. PubChem содержит 18,4 миллиона записей о соединениях и особенно охватывает область медицинской химии. Существует большое количество более специализированных баз данных для различных областей органической химии.

Определение структуры

Основными инструментами являются протонная и углеродная 13 ЯМР-спектроскопия, ИК-спектроскопия, масс-спектрометрия, УФ/ВИС-спектроскопия и рентгеноструктурный анализ.