1. Introducción al desarrollo
Fue propuesta por primera vez por J. J. Berzelius (1779-1848) de Suecia en 1806, y recibió el nombre contrario. de química inorgánica. A principios del siglo XIX, muchos químicos creían que debido a la llamada "fuerza vital" en los organismos, la materia orgánica sólo podía existir en los organismos y era imposible sintetizar materia orgánica con materia inorgánica en el laboratorio. En 1824, el químico alemán F.W. Hler (1800-1882) hidrolizó cianuro para producir ácido oxálico; en 1828, calentó accidentalmente cianato de amonio y lo convirtió en urea; El cianuro y el cianato de amonio son sustancias inorgánicas, mientras que el ácido oxálico y la urea son sustancias orgánicas. Los experimentos de Wheeler dieron su primer impacto a la teoría de la "vitalidad". La síntesis posterior de ácido acético y otros compuestos orgánicos llevó gradualmente a que los químicos rechazaran gradualmente la teoría de la "vitalidad".
La historia de la química orgánica se puede dividir a grandes rasgos en tres periodos.
Uno es el período embrionario, desde principios del siglo XIX hasta antes de que se propusiera el concepto de enlaces de valencia.
Durante este periodo se han aislado muchos compuestos orgánicos, y se han preparado y caracterizado algunos derivados. El principal problema en ese momento era cómo expresar la relación entre los átomos en las moléculas orgánicas y establecer un sistema de química orgánica. El químico francés A.L. Lavoisier (1743-1794) descubrió que cuando se quema materia orgánica se producen dióxido de carbono y agua. Su trabajo sentó las bases para el análisis cuantitativo de la materia orgánica. En 1830, el químico alemán Justus von Liebig (1803-1873) inventó un método para analizar hidrocarburos. En 1883, el químico francés J.B.A Dumas (1800-1884) estableció un método de análisis del nitrógeno. El establecimiento de estos métodos de análisis cuantitativo para compuestos orgánicos permite a los químicos obtener una fórmula experimental para compuestos orgánicos.
2. El período de la química orgánica clásica, desde el establecimiento de la teoría del enlace de valencia en 1858 hasta la introducción de la teoría del electrón del enlace de valencia en 1916.
En 1858, el químico alemán F.A. Kekulé (1829-1896) y otros propusieron el concepto de que el carbono es tetravalente, y por primera vez utilizaron un guión "-" para representar "enlace". Kekulé también propuso que los átomos de carbono de las moléculas pueden unirse entre sí, no sólo mediante enlaces simples, sino también mediante enlaces dobles o triples. Además, Kekulé propuso la estructura del benceno.
Ya en 1848, el científico francés L. Pasteur (1822-1895) descubrió la isomería óptica del ácido tartárico. 1874 El químico holandés J.H. Van't Hoff (1852-1911) y el químico francés Lebel (J.A. Lebel, 1847-65438). Esta teoría revela la causa de la isomería óptica de la materia orgánica, sienta las bases de la estereoquímica orgánica y promueve el desarrollo de la química orgánica.
Durante este período se lograron grandes avances en la determinación de la estructura orgánica, las reacciones y la clasificación. Sin embargo, el enlace de valencia es sólo un concepto obtenido por los químicos en la práctica y la naturaleza del enlace de valencia no ha sido resuelta.
El tercero es el período de la química orgánica moderna.
En 1916, G.N. Lewis (1875-1946) y otros propusieron la teoría del electrón del enlace de valencia basada en el descubrimiento de los electrones por parte de los físicos y la elucidación de la estructura atómica. Creen que la interacción de los electrones en la capa exterior de los átomos es lo que une a los átomos. Un enlace iónico se forma si los electrones externos que interactúan se transfieren de un átomo a otro; se forma un enlace de valencia si dos átomos usan electrones externos. A través de la transferencia o utilización de electrones, todos los electrones externos de los átomos que interactúan adquieren la configuración electrónica de un gas noble. De esta manera, el "-" utilizado para representar un enlace de valencia en la imagen del enlace de valencia es en realidad un par de electrones utilizados por dos átomos. La aplicación de la teoría de los electrones del enlace de valencia da un significado físico claro a la representación visual clásica de los enlaces de valencia.
Después de 1927, Hai (1904-) y otros utilizaron la mecánica cuántica para abordar problemas de estructura molecular, establecieron la teoría del enlace de valencia y propusieron un modelo matemático de enlaces químicos. Posteriormente, R.S. Debido a que el cálculo es simple, resuelve muchos problemas que antes no se podían resolver. Para moléculas orgánicas complejas, es difícil obtener una solución exacta de la función de onda.
Huckel (E. Hückel, 1896-) creó una solución aproximada que es ampliamente utilizada por los químicos orgánicos. En la década de 1960, R.B. Woodward (1917-1979) y R.Hoffmann (1937-) se dieron cuenta de la relación entre las reacciones químicas y los orbitales moleculares y estudiaron la electricidad. El científico japonés Kenichi Fukui (1918-1998) también propuso la teoría de la órbita fronteriza.
Los principales logros durante este periodo incluyen efectos sustituyentes, relaciones lineales de energía libre, análisis conformacional, etc.
Dos. El desarrollo de la química orgánica en el siglo XXI
En el siglo XXI, la química orgánica se enfrenta a nuevas oportunidades de desarrollo. Por un lado, con el desarrollo de la química orgánica y la aparición de nuevas técnicas analíticas, métodos físicos y métodos biológicos, los humanos tendrán una comprensión y métodos de investigación más nuevos para comprender las propiedades, reacciones y síntesis de los compuestos orgánicos; Por otra parte, el desarrollo de las ciencias de los materiales y las ciencias de la vida, así como las nuevas necesidades humanas en materia de medio ambiente y energía, han planteado nuevos temas y desafíos a la química orgánica. La química orgánica se desarrollará en ciencias físicas orgánicas, ciencias de síntesis orgánica, ciencias de productos naturales, ciencias metalorgánicas, biología química, análisis orgánico y ciencia computacional, química de pesticidas, química medicinal, química de materiales orgánicos, etc.
Química Física Orgánica
La química física orgánica es la ciencia que estudia la química orgánica utilizando la química física.
Las principales direcciones de investigación y desarrollo son:
1. Utilizar técnicas modernas de espectroscopia, espectroscopia y microscopía para caracterizar estructuras moleculares, así como estructuras y propiedades moleculares (física, química, fisiología). , materiales, etc. ) relación. ) se ha explorado el diseño y la investigación teórica de nuevas moléculas y nuevos materiales.
2. Mecanismo de reacción (sinergia, iones, radicales libres, carbenos, estados excitados, transferencia de electrones...) e intermedios activos.
3. Química huésped-huésped; interacciones intermoleculares débiles y química supramolecular; ensamblaje y reconocimiento molecular y transferencia de información entre macromoléculas funcionales y moléculas pequeñas.
4. Desarrollar nuevos métodos de química computacional, mecánica y dinámica molecular y paquetes de software de diseño molecular;
Química orgánica sintética
La ciencia que estudia los procesos y resultados desde moléculas precursoras simples hasta moléculas objetivo.
La química sintética orgánica es el contenido principal de la química orgánica. Desde la década de 1970, la síntesis orgánica ha entrado en un nuevo período de alto desarrollo.
La base de la síntesis orgánica son diversas reacciones de síntesis elementales. Encontrar nuevas reacciones o utilizar nuevos reactivos o técnicas para mejorar la eficiencia y selectividad de las reacciones existentes es la principal forma de desarrollar la síntesis orgánica.
Un avance importante en la metodología de reacciones sintéticas es la aparición de una gran cantidad de nuevos reactivos sintéticos, especialmente reactivos orgánicos y organometálicos elementales. También se debe prestar la debida atención a las reacciones de síntesis orgánica que utilizan factores físicos como la luz, la electricidad y el sonido.
Los reactivos y reacciones altamente selectivos son uno de los temas de investigación más importantes en la química sintética orgánica, incluido el control químico y regioselectivo, el control estereoselectivo y la síntesis asimétrica. Este último es un campo que se ha desarrollado rápidamente en los últimos años, incluidas reacciones asimétricas inducidas por quiralidad en sustratos de reacción, reacciones asimétricas de reactivos quirales estequiométricos, reacciones asimétricas de catalizadores quirales y reacciones de síntesis asimétricas utilizando organismos y nuevos métodos de división. La conformación que refleja la posición de reacción del estado de transición es un factor clave en la selectividad de la reacción.
La síntesis total de moléculas orgánicas complejas siempre ha sido el campo de mayor preocupación. Reflejando el nivel de la química sintética, combinándola con la ciencia biológica y prestando atención a la función de las moléculas, es un nuevo punto caliente para los químicos sintéticos.
La dirección de desarrollo de la química sintética orgánica es: Z n & V & ampa+
1 Aplicar nuevos conceptos, reactivos, métodos y reacciones en metodología sintética en condiciones suaves Conversión real en objetivo. moléculas con alta selectividad y alto rendimiento a través de pasos relativamente simples.
2. Síntesis (total) de moléculas con propiedades únicas (de interés fisiológico, material y teórico).
3. Materias primas inocuas con recursos sostenibles, medios de reacción, procesos y rutas técnicas atómicamente económicos y respetuosos con el medio ambiente, y productos ecológicos y seguros.
4. La expansión de nuevos puntos de crecimiento e intersecciones de disciplinas y la aplicación de nuevas tecnologías como la quiralidad y la biónica.
Biología química
Estudia los productos metabólicos de los organismos y sus patrones cambiantes a nivel molecular; utiliza métodos de química orgánica para estudiar la ciencia de regular los procesos de los sistemas vivos.
La biología química se ajusta al rápido desarrollo de la biología en la segunda mitad del siglo XX y se basa en varias ramas originales de la química como la materia bioorgánica, la química bioinorgánica, la química bioanalítica, la química bioestructural y la química de productos naturales. química Una nueva disciplina propuesta sobre la base de.
En la actualidad, la investigación en biología química generalmente incluye las siguientes partes:
1. Buscar sustancias que puedan regular los procesos fisiológicos de los organismos a partir de compuestos naturales y moléculas sintetizadas químicamente, y utilizarlas. Los organismos a moléculas pequeñas activas sirven como sondas y herramientas para estudiar los mecanismos de reconocimiento mutuo y transferencia de información entre ellos y las moléculas diana biológicas.
2. Descubrir las leyes básicas de la biosíntesis en la naturaleza, aportando así nuevas teorías y tecnologías para la síntesis de moléculas más diversas.
3. Investigación básica preliminar sobre una nueva generación de fármacos terapéuticos que actúan sobre nuevas dianas biológicas.
4. Desarrollar la química combinatoria para proporcionar diversidad estructural a las moléculas.
5. Nuevas tecnologías para el análisis estático y dinámico de sistemas biológicos complejos, etc.
Química organometálica
Ciencia que estudia la estructura, síntesis, reacciones y aplicaciones de compuestos organometálicos (varios tipos de C-M (heteroátomos)).
Las principales direcciones de investigación y desarrollo son:
1. Reacciones elementales químicas metal-orgánicas y sus mecanismos: formación selectiva y escisión de diversos tipos de C-H (C, heteroátomos).
2. La química organometálica conduce a la química sintética y la polimerización; una nueva y eficiente catálisis de compuestos organometálicos y sus aplicaciones.
Química medicinal y química de pesticidas
La química medicinal es una rama importante de la química orgánica y está estrechamente relacionada con las ciencias de la vida. Es una ciencia que estudia el desarrollo de medicamentos innovadores relacionados con las enfermedades humanas, la salud, la protección de las plantas y otros fenómenos de la vida.
Áreas de desarrollo de la química medicinal:
1. Detección de actividades biológicas con Qualcomm; diseño de dianas y moléculas de fármacos y diseño de bibliotecas químicas combinatorias basadas en relaciones estructura-actividad.
2. Aplicación e innovación de la informática bioquímica, descubrimiento y desarrollo de fármacos biónicos y de plomo.
3. Mecanismos no tradicionales de síntesis, análisis y pruebas funcionales de fármacos.
Química de nuevos materiales orgánicos
La química de materiales orgánicos es una ciencia basada en la investigación y desarrollo de nuevos materiales moleculares basados en compuestos orgánicos. Ciencia y tecnología modernas
El rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología, especialmente el desarrollo de la tecnología de la información, ha planteado mayores requisitos para la ciencia de los materiales y existe una necesidad urgente de investigar nuevos materiales. Comparados con otros materiales funcionales, los materiales moleculares basados en química orgánica tienen las siguientes características: 1. La amplia variedad de estructuras químicas brinda a las personas muchas oportunidades para descubrir nuevos materiales; 2. Usando las teorías y métodos de la química sintética moderna, la estructura molecular se puede cambiar intencionalmente y se puede llevar a cabo la combinación e integración funcional; Principios de ensamblaje y ensamblaje en masa. Las moléculas funcionales se pueden ensamblar a nivel molecular para controlar las propiedades de los materiales.
La dirección de desarrollo de la química de materiales orgánicos es la siguiente:
1. Sólidos orgánicos, semiconductores, superconductores, fotoconductores, óptica no lineal, ferroimanes y materiales poliméricos.
2. Sintetizar moléculas y dispositivos de ensamblaje ordenado con funciones ópticas, eléctricas y magnéticas especiales y potenciales.
3. La estructura, disposición, combinación, propiedades y mecanismos físicos y químicos de las moléculas funcionales, así como el diseño y aplicación de nuevos materiales moleculares.
Separación orgánica y química analítica
Ciencia que estudia la separación, el análisis cualitativo y cuantitativo y el análisis estructural de sustancias orgánicas.
Direcciones de investigación:
1. Análisis e identificación eficiente de trazas (trazas) de sustancias orgánicas basadas en el progreso de la tecnología moderna de espectroscopia, espectroscopia y cromatografía.
2. Establecimiento de métodos de separación y análisis de macromoléculas e ingredientes activos biológicamente complejos en mezclas y muestras ambientales.
Química Verde
Frente a la enorme presión ambiental, la química verde ha presentado algunas perspectivas nuevas. El punto básico es reducir fundamentalmente la producción de subproductos y soluciones. Problemas de contaminación ambiental desde su origen. Las tecnologías químicas nuevas y eficientes generadas por la investigación con este fin también mejorarán en gran medida los beneficios económicos. Se puede ver que la química verde es una importante dirección de desarrollo de la investigación en ingeniería química en el siglo y una garantía importante para lograr el desarrollo sostenible.
Desarrollo e investigación en este campo:
1. Desarrollar reacciones "átomo-económicas" de alta eficiencia y alta selectividad. Entre ellos, la reacción de síntesis catalítica asimétrica sigue siendo uno de los métodos para obtener moléculas individuales.
Se debe fortalecer la investigación sobre nuevas reacciones, nuevas tecnologías, nuevos ligandos y catalizadores, y se debe fortalecer la investigación sobre el desarrollo y la mejora de reacciones orgánicas biocatalíticas relacionadas con el medio ambiente.
2. Desarrollar nuevas reacciones y procesos relacionados que cumplan con los requisitos de la química verde, reduzcan o eviten el uso de materias primas nocivas para el medio ambiente y reduzcan las emisiones de subproductos hasta alcanzar cero emisiones.
3. Desarrollar y utilizar medios de reacción respetuosos con el medio ambiente, incluidos agua, fluidos supercríticos, fluidos casi críticos, líquidos iónicos, etc. , investigación sobre la sustitución de los medios de reacción tradicionales.
4. Utilización de materiales reutilizables, materiales degradables y biomasa, y reutilización de residuos en la vida diaria.
La química orgánica está en todas partes de nuestras vidas. El hecho de que podamos hacer un buen uso y desarrollar la química orgánica también afectará en cierta medida a nuestro nivel de vida. Creo que con el desarrollo de las teorías científicas, disciplinas más básicas se combinarán entre sí y desempeñarán un papel más importante en más campos.