6 фактов о многообразии и роли органических соединений в нашей жизни



Органическая химия — это наука, которая важна для каждого из нас и с которой мы сталкиваемся ежедневно. Многие люди не задумываются даже о том, что эта наука существует. Тем не менее в 1828 году Фридрих Веллер впервые получил из неорганического соединения органическое — мочевину. С тех пор начался отсчет этой замечательной интереснейшей науки. Химия — это наука о веществах и их превращениях. В настоящее время известны миллионы химических соединений, и если мы посмотрим на структуры этих веществ, то окажется, что подавляющее количество этих соединений — это органические молекулы.

1. Органика вокруг нас

Лишь небольшая часть химических соединений относится к неорганическим молекулам, а все остальное многообразие химического мира — это соединения, которые получены химиками-органиками. Конечно, не только химиками-органиками, поскольку в природе ежесекундно каждый из нас синтезирует те же самые органические молекулы. Например, мы состоим из белков, а эти белки, в свою очередь, построены из аминокислот, являющихся одним из простейших классов органических соединений.

Почему же эта наука так важна? Да потому что все вокруг — это органическая химия. Например, одежду красят с помощью органических соединений. В Средние века многие красители получались из природы, из растительного сырья. Наиболее известное соединение такого типа — это индиго, темно-синий краситель, который мы сейчас встречаем каждый день, поскольку джинсы окрашены именно с помощью этого вещества. Раньше подобные красители стоили баснословно дорого, сейчас же они получаются синтетическим путем и доступны каждому.

Ежедневно мы сталкиваемся с полимерами, которые являются производными органических соединений и синтезируются из более простых мономеров, являющихся производными органической химии.

2. Разработка лекарств

Вероятно, наиболее важное и наиболее востребованное направление развития органической химии в настоящее время — это поиск и синтез новых лекарств. Каждый из нас хочет быть здоровым, поэтому лекарства синтезируются и разрабатываются многими крупными компаниями. И в России, и за рубежом на это тратятся очень большие деньги. В настоящее время для того, чтобы вывести новое лекарство на рынок, необходимо затратить порядка 4 миллиардов долларов, но эти деньги окупаются. Например, в 2013 году было создано лекарство для лечения гепатита С, одна таблетка которого стоит ни много ни мало тысячу долларов США. Конечно, стоимость этого лекарства включает разработку, а также средства, которые компания тратит на проведение разнообразных клинических исследований, но тем не менее органическая химия создает основу, поскольку большинство синтетических лекарств — это органические соединения.

3. Органическая химия в сельском хозяйстве

Большое количество органических соединений востребовано в сельском хозяйстве. Например, такие вещества, как пиретроиды, используются для борьбы с насекомыми, и опять-таки это органические соединения. Изначально первые пиретроиды были получены из растительного сырья, а затем уже путем сложной структурной модификации были получены современные вещества, которые оказываются очень эффективными и оказывают существенное воздействие на насекомых, поражающих продукты сельского хозяйства тем или иным образом.

Эти структуры могут быть различными. В случае пиретроидов важным структурным фрагментом является наличие циклопропанового кольца. Агрохимия — это тоже очень большая область, связанная с органической химией, и здесь можно говорить о таких препаратах, как фунгициды, то есть о средствах защиты растений от грибков. Многие современные соединения такого типа содержат в своем составе гетероциклические фрагменты, например триазольный цикл.

4. Химия гетероциклических соединений

Здесь обязательно стоит упомянуть важнейшую область органической химии — химию гетероциклических соединений. Это поистине безграничное поле для разнообразных структурных модификаций, поскольку химики могут варьировать не только размер цикла, но и наполнять его различными гетероатомами. Например, простейшие гетероциклы содержат пятичленный цикл, например тиофен (пятичленный цикл с атомом серы) или пиррол, содержащий атом азота. Варьирование гетероатомов создает очень большое поле для структурной модификации, поэтому гетероциклическая химия оказывается важнейшим полем для поиска новых веществ, используемых в медицине, агрохимии и других видах человеческой деятельности.

5. Органическая электроника

Мы все думаем, что электричество — это процесс, который непосредственно связан с металлами, однако это не совсем так. Органическая химия активно вклинилась в эту область, и, например, органическая электроника, то есть электроника, которая использует в качестве структурной физической основы органические молекулы, шагает семимильными шагами. Здесь можно говорить о веществах, которые используются в солнечных батареях, о светоизлучающих диодах. Например, цветные телевизоры последнего поколения содержат так называемый OLED-дисплей, organic light-emitting devices. То есть эти производные получены с помощью органической химии и очень важны в нашей жизни, поскольку электроника окружает каждого из нас. Каждый человек имеет мобильный телефон, современная жизнь без этого уже невозможна. Что же представляет собой дисплей этого телефона? Опять же, зачастую дисплеи используют в своем составе простые органические молекулы. Жидкокристаллические вещества, которые применяются для этой цели, — это органические соединения.

6. Элементорганические соединения

Органическая химия — это не только химия углерода, водорода и соединений, которые образуют эти элементы. Это несколько примитивизированный взгляд, который дают школьникам. Органическая химия — это очень богатая область, и, безусловно, очень большой частью современной органической химии является химия элементорганических соединений. Здесь мы можем говорить о массе различных производных, которые содержат связь «углерод — гетероатом», и практически все элементы периодической системы элементов включаются в область химии элементорганических соединений. Возможно, наиболее удивительными являются соединения, в которых присутствует связь «углерод — металл», но как раз с ними органические химики сталкиваются практически каждый день, поскольку такие вещества, как бутиллитий, например, используются ежедневно в лаборатории как очень сильные органические основания, они намного сильнее стандартных неорганических оснований, таких как гидроксид калия.

Можно сказать, что и в области кислот органическая химия дает большие плюсы по сравнению с неорганической химией. Например, трифторметансульфоновая кислота, являющаяся одной из наиболее сильных кислот, обладает такими свойствами как раз за счет того, что в ней имеется трифторметильная группа, акцепторный фрагмент, способствующий тому, что протон этой сульфоновой кислоты становится очень кислым.

Химия элементорганических соединений, по-видимому, так же неисчерпаема, как и химия гетероциклических соединений, поскольку варьирование элементов в одной и той же молекуле может быть практически безграничным. Варьирование нескольких гетероатомов в одной молекуле, нескольких элементов создает богатейшие возможности. Например, химия фосфорсодержащих соединений очень активно развивается в последнее время. Современный катализ не обходится без разнообразных фосфиновых лигандов, асимметрический катализ в особенности требует наличия этого важного элемента.

Важно отметить, что органическая химия — это самая креативная химия. Именно химики-органики могут создавать любые молекулы, не только преследуя создание каких-то новых свойств, но и исходя из каких-то структурных соображений. Варьирование элементов в одной и той же молекуле, которая может быть как большой, так и маленькой, открывает богатейшие возможности для развития науки и создания новых веществ и материалов с заданными свойствами.

Валентин Ненайденко
доктор химических наук, заведующий кафедрой органической химии МГУ им. Ломоносова

Источник: postnauka.ru