Курсовая работа
Органическая химия и жизнь
Введение
органический химия соединение
Органическая химия - это принципы и законы определяющие строение органических соединений их синтез, свойства и критические применение.
Органическая химия - удивительный и бесконечный мир веществ, созданных природой и человеком. Что бы этот мир был дружественным, каждому, кто живет в современном обществе и пользуется благами цивилизации, важно иметь представления о свойствах органических соединений и области их применения.
Органическая химия имеет исключительно важное научное и практическое значение. Объектом её исследований является огромное число соединений синтетического и природного происхождения. Поэтому органическая химия стала крупнейшим и наиболее изучаемым разделом современной химии.
Цель: проанализировать применения в жизни человека различных органических соединений.
1. Органическая химия
Органическая химия - раздел химической науки, изучающий углеводороды - вещества, содержащие углерод и водород, а также различные производные этих соединений, включающие атомы кислорода, азота и галогенов. Все такие соединения называют органическими.
Органическая химия возникла в процессе изучения тех веществ, которые добывались из растительных и животных организмов, состоящих в основной своей массе из органических соединений. Именно это определило чисто историческое название таких соединений (организм - органический) [1]. Некоторые технологии органической химии возникли еще в глубокой древности, например, спиртовое и уксуснокислое брожение, использование органических красителей индиго и ализарина, процессы дубления кожи и др. В течение долгого времени химики умели лишь выделять и анализировать органические соединения, но не могли получать их искусственно, в результате чего возникло убеждение, что органические соединения могут быть получены только с помощью живых организмов. Начиная со второй половины 19 в. Методы органического синтеза стали интенсивно развиваться, что позволило постепенно преодолеть устоявшееся заблуждение. Впервые синтез органических соединений в лаборатории удалось осуществить Ф. Велеру (в период 1824-1828), при гидролизе дициана он получил щавелевую кислоту, выделяемую до этого из растений, а при нагревании циановокислого аммония за счет перестройки молекулы получил мочевину - продукт жизнедеятельности живых организмов (рис. 1).
Рис. 1. Первые синтезы органических соединений
Сейчас многие из соединений, присутствующих в живых организмах, можно получить в лаборатории, кроме того, химики постоянно получают органические соединения, не встречающиеся в живой природе. [1]
Становление органической химии как самостоятельной науки произошло в середине 19 в., когда благодаря усилиям ученых-химиков, стали формироваться представления о строении органических соединений. Наиболее заметную роль сыграли работы Э. Франкланда (определил понятие валентности), Ф. Кекуле (установил четырехвалентность углерода и строение бензола), А. Купера (предложил используемый и поныне символ валентной черты, соединяющей атомы при изображении структурных формул), А.М. Бутлерова (создал теорию химического строения, в основе которой лежит положение, согласно которому свойства соединения определяются не только его составом, но и тем, в каком порядке соединены атомы).
Следующий важный этап в развитии органической химии связан с работами Я. Вант-Гоффа, который изменил сам способ мышления химиков, предложив перейти от плоского изображения структурных формул к пространственному расположению атомов в молекуле, в итоге химики стали рассматривать молекулы как объемные тела.
Представления о природе химической связи в органических соединениях впервые сформулировал Г. Льюис, предположивший, что атомы в молекуле связаны с помощью электронов: пара обобщенных электронов создает простую связь, а две или три пары образуют, соответственно, двойную и тройную связь. Рассматривая распределение электронной плотности в молекулах (например, ее смещение под влиянием электроотрицательных атомов O, Cl и др.) химики смогли объяснить реакционную способность многих соединений, т.е. возможность их участия в тех или иных реакциях.
Главная особенность органической химии - исключительное разнообразие соединений, которое возникло из-за способности атомов углерода соединяться друг с другом в практически неограниченном количестве, образуя молекулы в виде цепочек и циклов. Еще большее разнообразие достигается за счет включения между атомами углерода атомов кислорода, азота и др. Явление изомерии, благодаря которому молекулы, обладающие одинаковым составом, могут иметь различное строение, дополнительно увеличивает многообразие органических соединений. Сейчас известно свыше 10 млн. органических соединений, причем их количество ежегодно увеличивается на 200-300 тысяч.
2. Классификация органических соединений
Органических соединений много, но среди них имеются соединения с общими и сходными свойствами. Поэтому все ни по общим признакам классифицированы, объединены в отдельные классы и группы. В основе классификации лежат углеводороды - соединение, которые состоят только из атомов углерода и водорода. (схема. 1) [1]
Схема.1 Органические соединения
Углеводороды делятся на два больших класса: ациклические и циклические соединения.
Ациклические соединения - соединения, молекулы которых содержат открытую неразветвленную или разветвленную углеродную цепь с простыми или кратными связями.
1. Ациклические соединения подразделятся на две основные группы:
· Насыщенные (предельные) углеводороды (алканы), у которых все атомы углерода связаны между собой только простой связью.
· Ненасыщенные (непределльные) углеводороды, у которых между атомами углерода кроме одинарных простых связей, имеются также двойные и тройные связи.
Ненасыщенные (непредельные) углеводороды делятся на три группы:
· Алкены (олефины, этиленовые углеводороды) - ациклические непредельные углеводороды, которые содержат одну двойную связь межу атомами углерода, образуют гомологический ряд с общей формулой CnH2n.
· Алкины (ацетиленовые углеводороды) - углеводороды, которые содержат тройную связь межу атомами углерода, образуют гомологический ряд с общей формулой CnH2n-2.
· Алкадиены-органические соединения, которые содержат две двойные связи углерод-углерод. В зависимости от того, как располагаются двойные связи относительно друг друга диены делятся на три группы: сопряженные диены, аллены и диены с изолированными двойными связями. Обычно к диенам относят ациклические и циклические 1,3 - диены, образующие с общей формулой CnH2n-2.
2. Циклические соединения подразделяются на две большие группы:
· Карбоциклические соединения - соединения, циклы которых состоят только из атомов углерода. Карбоциклические соединения подразделяются на алициклические-насыщенные (циклопарафины) и ароматические.
· Гетероциклические соединения - соединения. Циклы которых состоят не только из атомов углерода, но атомов других элементов: азота, кислорода, серы и др.
3. Другие классы органических соединений
· Спирты - получаются замещением одного или нескольких атомов водорода гидроксильными группами - ОН. Соединения с общей формулой R - (OH)х.
· Альдегиды - содержат альдегидную группу (C=O), которая всегда находится в конце углеводородной цепи.
· Карбоновые кислоты содержат в своём составе одну или несколько карбоксильных групп - СООН
· Сложные эфиры - производные кислородосодержащих кислот, которые формально являются продуктами замещения атомов водорода гидрооксилов - ОН кислотной функции га углеводородный остаток.
· Жиры (трглицериды) - природные органические соединения, полные сложные эфиры глицерина и односоставных жирных кислот.
· Углеводы-органические вещества, которые содержат содержащими неразветвленную цепь из нескольких атомов углерода, карбоксильную группу и несколько гидроксильных групп.
· Амины-содержат в своём составе аминогруппу - NH2
· Аминокислоты - органические соединения, в молекуле которых одновременно содержатся карбоксильные и аминные группы
· Белки-высокомолекулярные органические вещества, которые состоят из альфа-аминокислот, соединённые в цепочку пептидной связью
· Нуклеиновые кислоты - высокомолекулярные органические соединения, биополимеры, образованные остатками нуклеотидов. [1]
3. Органика, созданная природой
Белки
Белки - непериодические полимеры, мономерами которых являются б-аминокислоты. Обычно в качестве мономеров белков называют 20 видов б-аминокислот, хотя в клетках и тканях их обнаружено свыше 170. [2]
В зависимости от того, могут ли аминокислоты синтезироваться в организме человека и других животных, различают: заменимые аминокислоты - могут синтезироваться; незаменимые аминокислоты - не могут синтезироваться. Незаменимые аминокислоты должны поступать в организм вместе с пищей. Растения синтезируют все виды аминокислот.
В зависимости от аминокислотного состава, белки бывают: полноценными - содержат весь набор аминокислот; неполноценными - какие-то аминокислоты в их составе отсутствуют. Если белки состоят только из аминокислот, их называют простыми. Если белки содержат помимо аминокислот еще и неаминокислотный компонент (простетическую группу), их называют сложными. Простетическая группа может быть представлена металлами (металлопротеины), углеводами (гликопротеины), липидами (липопротеины), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеины).
Пространственная ориентация молекул белка
Выполнение белками определенных специфических функций зависит от пространственной конфигурации их молекул, кроме того, клетке энергетически невыгодно держать белки в развернутой форме, в виде цепочки, поэтому полипептидные цепи подвергаются укладке, приобретая определенную трехмерную структуру, или конформацию. Выделяют 4 уровня пространственной организации белков. [3]
Первичная структура белка - последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи, составляющей молекулу белка. Связь между аминокислотами - пептидная. (рис. 2)
Рис. 2. Первичная структура белка
Вторичная структура - упорядоченное свертывание полипептидной цепи в спираль (имеет вид растянутой пружины). Витки спирали укрепляются водородными связями, возникающими между карбоксильными группами и аминогруппами. Практически все СО- и NН-группы принимают участие в образовании водородных связей. Они слабее пептидных, но, повторяясь многократно, придают данной конфигурации устойчивость и жесткость. На уровне вторичной структуры существуют белки: фиброин (шелк, паутина), кератин (волосы, ногти), коллаген (сухожилия). (рис. 3)
Третичная структура - укладка полипептидных цепей в глобулы, возникающая в результате возникновения химических связей (водородных, ионных, дисульфидных) и установления гидрофобных взаимодействий между радикалами аминокислотных остатков. Основную роль в образовании третичной структуры играют гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. В водных растворах гидрофобные радикалы стремятся спрятаться от воды, группируясь внутри глобулы, в то время как гидрофильные радикалы в результате гидратации (взаимодействия с диполями воды) стремятся оказаться на поверхности молекулы. У некоторых белков третичная структура стабилизируется дисульфидными ковалентными связями, возникающими между атомами серы двух остатков цистеина. На уровне третичной структуры существуют ферменты, антитела, некоторые гормоны. (рис. 4) [3]
Четвертичная структура характерна для сложных белков, молекулы которых образованы двумя и более глобулами. Субъединицы удерживаются в молекуле благодаря ионным, гидрофобным и электростатическим взаимодействиям. Иногда при образовании четвертичной структуры между субъединицами возникают дисульфидные связи. Наиболее изученным белком, имеющим четвертичную структуру, является гемоглобин. Он образован двумя б-субъединицами (141 аминокислотный остаток) и двумя в-субъединицами (146 аминокислотных остатков). С каждой субъединицей связана молекула гема, содержащая железо. (рис. 5)
Рис. 3
Рис. 4
Рис. 5. Четвертичная структура
Жиры
Липиды, или жиры (от греч. Lipos - жир) - это класс органических соединений, не растворимых в воде. Они растворяются в органических растворителях, таких как эфиры, хлороформ или бензол. К липидам относятся также жирорастворимые витамины, простагландины, пигменты и другие не растворимые в воде соединения, которые извлекаются из тканей органическими растворителями. [2]